主题：【分享】气相色谱中的气体净化装置

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发表于：2022/10/25 12:00:52 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

在气相色谱分析中，气体净化装置是不可缺少的一部分。一方面，在仪器所使用的空气发生器、氢气发生器中，均安装有气体净化装置，用以保证发生器的供气质量；另一方面，在从气源到色谱仪器之间的气路管道中也经常串有气体净化装置，避免气源受到管路污染。

整体上来说，气体净化器的功能是用来保证GC的分析质量和分析结果的稳定性，延长色谱柱寿命和减少检测器的噪声。

1 气体净化装置的作用和类型

气相色谱中常用的气体净化装置一般包括三种：除水装置、初烃装置和除氧装置。讨论气体净化装置，应当首先谈及水分、烃类和氧气对色谱分析的影响。

1.1 水分、烃类和氧气对色谱分析的影响

在色谱分析过程中，存在气源管路及气瓶中的水分、烃类、氧会产生噪声、额外峰和基线毛刺，尤其对特殊检测器（如ECD\PID）影响更为明显，极端情况下还会破坏色谱柱。

通常水分存在于气体容器的表面和气路管路内，其不仅影响组分的分离，还会使部分固定相或硅烷化担体（甚至包括某些样品）发生水解，缩短色谱柱的寿命，产生基线噪音和拖尾现象。

氧的破坏作用最严重，即使很微量的氧也会破坏毛细管柱以及极性填充柱，氧会使固定相氧化，从而破坏色谱柱性能和色谱柱寿命，改变样品的保留值；氧化物还会引起基线噪声和漂移，并随着柱温的升高破坏性急剧增大，对特殊检测器以及高灵敏度检测器样的破坏作用更加明显，尤其是TCD和GC-MS，氧会直接烧毁热丝和灯丝。

气体中有机化合物（烃类）或其它杂质的存在则会产生远高于正常的基线噪音和鬼峰，影响痕量和微量组分的判定，见下图，（作为FID助燃气的）空气中的烃类杂质会引起FID基线噪声干扰：

采用空气发生器直接压缩室内空气，未接净化器，基线干扰较大；使用钢瓶空气和串接零级空气发生器之后，基线明显得到改善。

当然，氢气中的杂质也会影响基线噪声，如果氢气纯度不够杂质过多，会引起基线噪声过大。

此外，气体中夹带的粒状杂质可能会使气路控制系统失灵。

1.2 气体净化装置的类型

常见的气体净化装置主要包括除水装置、除烃装置和除氧装置，也会有除CO、CO2等物质的净化装置。广义上来说，零级空气发生器/除烃装置也属于气体净化装置。

本文所指气体净化装置则指的是：串联于气路中的，用于除水、除烃和除氧的气体净化管。

1.2.1 脱水管

气相色谱中常用于脱水的物质是硅胶和分子筛。通常采用室温下用硅胶初步脱水，分子筛进一步深度脱水。分子筛和硅胶都是可以活化和再生的。

硅胶是由硅酸凝胶适当脱水而成的颗粒大小不同的多孔物质。具有开放的多孔结构，比表面（单位质量的表面积）很大，能吸附许多物质，是一种很好的干燥剂、吸附剂和催化剂载体。硅胶的吸附作用主要是物理吸附，其价格便宜，可以再生和反复使用。

气相色谱中使用的硅胶多为变色硅胶，是以细孔硅胶为基础原料，用氯化钴（分子式：CoCl2 ）通过一定的工艺步骤结合在硅胶内部孔隙的表面上制成。其特点是吸水后可以发生颜色变化，从蓝色变为粉红色，具有指示作用。

分子筛是指具有均匀的微孔的一类物质，其孔径均匀，当分子动力学直径小于分子筛孔径时能很容易进入晶穴内部而被吸附。分子筛的孔径大小可以通过加工工艺的不同来控制，一般有3A、4A、5A和13X分子筛多种。下图为不同分子筛可吸附的物质类型

分子筛对水分子有较强吸附性，除了吸附水汽，它还可以吸附其他气体。分子筛不能直观的对吸水程度进行判断——即没有类似于变色硅胶那样的指示能力，一般的方法是在分子筛干燥剂之后填充变色硅胶或者是特殊的吸水变色的指示树脂。

1.2.2 脱烃管

气相色谱中常用于脱烃类的物质主要是活性碳或碳基质过滤介质。活性炭类似于硅胶和分子筛，属于属于多孔吸附剂，其吸附性和各种炭型的孔大小分布相关。

1.2.3 脱氧管

脱氧管中填充的物质为脱氧剂。脱氧剂的种类有很多。

一般来说，脱氧的方式包括物理脱氧和化学脱氧两种，其中物理法包括：真空脱氧、大气式热力脱氧、精馏、吸附、膜分离、解吸附等。化学法脱氧可分为3种：一种是催化加氢；第二种是化学吸收；第三种是无氢催化(即利用氧与活性炭反应生成CO 脱氧)。

在气相色谱的气路净化过程中，使用的是化学吸收(吸附)脱氧——即利用铜、锰、镍等金属为活性组分与O2发生化学反应，生成氧化物从而除去氧。

具体而言，气相色谱脱氧管中的脱氧剂一般为镍系脱氧剂（以镍等为活性组分，氧化铝等为载体经共沉淀法制备而成）或者锰系脱氧剂（以锰等为活性组分，经共沉淀法制得）。

镍系脱氧剂的容量相对较大，锰系脱氧剂的容量相对较小。需要特殊说明的是，目前市面上使用的指示型脱氧剂均为锰系脱氧剂，其特点是吸氧后从绿色变为暗褐色，活化再生后又变为绿色。介于以上特点，市面上的多数脱氧剂要么全部使用指示型脱氧剂（下图），要么在通用型脱氧剂之后串接指示型的脱氧剂用于示警（上图）。

2 气体净化装置的安装和使用

2.1 安装顺序

在实际的使用过程中，并非每种气体净化器都需要安装，脱水管、脱烃管和脱氧管更多的是需要根据实际使用来安装，见下图：

在实际使用中，如果需要安装气体净化器，其一般顺序是：（1）水分过滤器；（2）烃类过滤器；（3）高容量氧气过滤器，4) 指示型氧气过滤器。

当然，一部分供应商（上图）的安装顺序是：（1）烃类过滤器；（2）水分过滤器；（3）高容量氧气过滤器，4) 指示型氧气过滤器。水分和烃类的顺序交换一下问题不大。

2.2 安装位置

净化器安装的位置和数量由所使用的GC 系统而定。通常采用两种方式。一种方式是将净化器安装在主气路管线上（气源后），在其后，气路管线再分至每一台GC。所有的GC 都使用同一个（套）净化器。另一种方式是在每一台GC 前安装一套净化器，也就是说每一台GC 都有属于自己的一套净化器。

对于多GC 系统，如果不需要为每一台GC 安装一套净化器，那么就将净化器安装在主气体管线中，使其服务于所有的GC。此时，最好使用大容量净化器，以降低滤器的更换频率。以这种方式安装的系统，在需要更净化器时，要将所有被连接的GC 关闭离线。因为净化器的多数费用决定于它的固定部件（如外壳等），所以使用大容量的净化器要比用小容量的节省花费。

如果对每一台GC 都安装一套净化器，净化器安装的位置离GC 越近越好。而对于这种安装方式，最好能够使用卡套式多种过滤的小型装置，卡套式净化器可以简单方便地手工安装或更换。面板可以放置在操作台上或安装于墙面上。由于面板上的卡套式净化器极易拆卸或更换，所以对于不同的实验要求，可使用不同的净化器组合方式。

——以上内容来自迪马科技消耗品手册

无论如何安装，经济性和可操作性都是最需要考虑的方法。尤为重要的是，建议净化器垂直放置。

2.3 安装方法

对于脱烃管、脱水管或者其组合，其安装相对来说较为简单，只需要按照气体净化器上标识的进口和出口连接即可。

如果没有标识进口和出口，应当研究一下气流的走向和净化器的结构，确定和保证先接触需要净化的气体的一端距离仪器较远。

目前也有一些非常人性化的设计，非常方便进行气体净化装置的更换。见下图：

2.4 更换和老化

2.4.1 更换

在使用气体净化器时候应当确保气体净化器垂直放置。使用过程中，如果使用具有收束形式的气体净化装置，可以按照气体净化装置的指示剂的颜色变化来确定进行更换。

但是当时用直筒型的气体净化装置时，使用过程中所看到的颜色变化线并非真正和实际的指示线。由于气体的特性，气体在净化器中的流动可能是溜边或者是沿着填充不均匀的某个内部通道前进的。因此，建议使用直筒型的气体净化装置时，在颜色变化75%左右就进行更换。

2.4.2 老化

一般而言，硅胶、分子筛、活性炭使用一段时间之后，其净化效果降低，需要及时更换或者烘干、再生后重新使用。

使用之后变成粉红色的硅胶一般置于120℃进行烘干和活化，温度不宜过高，烘干时间不宜过长，否则一些颗粒会破碎成为粉末状。烘干时间以硅胶全部变蓝为宜，2～3小时即可。

分子筛的活化方法是：550℃烘烤3小时，冷却至200℃左右放入干燥容器内冷却至室温后快速装入气体净化管之中；或者在350℃通无水高纯氮气2小时，冷却至室温后快速装入气体净化管之中。

活性炭的活化一般是在160℃烘烤2小时后冷却至室温，再装入净化管。

脱氧剂的活化以常用的锰系脱氧剂（指示型脱氧剂）为例，锰系脱氧剂强度较差，易粉化，影响使用效果，而且该脱氧剂不稳定，一旦暴露于空气中则放出大量的热而失效。一般是置于350℃下通氢气活化，使用单位一般不具有操作条件，建议寄回厂家进行活化。

2.5 注意事项

在使用气体净化装置时候，一些细节需要注意到，主要包括几个方面：

2.5.1 防止粉尘

应当防止气体净化器、净化管中的硅胶、分子筛等的粉尘粉末进入仪器的阀控制系统。这种情况下一般要在气体净化器、净化管的出口处用脱脂棉进行封堵；在净化器的出口处管路接入仪器之前，应当通气吹扫一段时间。

2.5.2 外壳的选择

净化器的外部通常使用塑料、玻璃材质或者金属。选用外壳的原则一是耐压足够，避免在较高气体压力下外壳破裂；二是避免污染需要净化的气体而带来二次污染。

尤其需要说明的是，脱氧剂的外壳一般推荐使用金属体（通常为铝）。使用塑料材质会导致外部空气的渗透，进而污染过滤介质，使载气质量有所下降。

2.5.3 气路管的搭配

在选用气路管时，其材质的选择原则和净化器的外壳选择原则是一致的。目前市面上的气路管道一般是聚四氟乙烯管、紫铜管和不锈钢管。合格的金属材质的管路经过了处理，较为清洁，洁净的聚四氟乙烯管路也能使用，但是长期使用可能会老化，自身会分解产生杂质，也会导致外部空气的渗透从而污染气源。

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