气相色谱测定厌氧发酵气组分优化条件研究
2007-09-17 22:49:48   来源：农机化研究   评论：0 点击：

随着能源短缺、环境污染问题日趋严重，环境保护、资源回收、再生能源的开发利用已成为近年来研究的重点。厌氧生物法作为一种即可产生能源又能处理废水的工艺，日益引起重视。近20年来废水厌氧生物处理技术迅速地发展，且在厌氧微生物学和生物化学等基础研究方面取得了很大进展，同时研究开发了一批新型废水厌氧生物处理工艺。但厌氧发酵机理还不够成熟，有待于进一步进行研究。在厌氧发酵研究过程中，产气量和产气种类是衡量发酵结果的基本依据，是厌氧发酵过程的重要监控指标，其不但能够有效地反映厌氧发酵所处的阶段，亦能直观地反映反应器运行情况。因此，在研究厌氧发酵过程中，及时、快速和准确地监测
发酵气组分及含量对研究发酵进行程度和发酵机理十分重要。本文采用气相色谱对厌氧发酵气组分及其含量进行了测定，操作简单、方便，定性、定量准确可靠，为研究厌氧发酵机理及发酵进行情况提供了理论依据。
1实验部分
1.1实验仪器及操作条件
GC-122气相色谱仪；N2000色谱工作站；高纯氮气；甲烷标样；氢气发生器；热导检测器（TCD）；填料Porapak q；载气N2；气化室温度100℃；检测器温度140℃；衰减1。
1.2分析步骤
根据色谱理论选择操作条件，对标样和样品分别进行分析；标样测试结果作为样品测试定性、定量的基础，利用标样保留时间确定色谱峰；以色谱峰面积作为校正基准，定量分析发酵气含量及组成，从精密度和准确度验证实验方法的可靠性。
2结果与讨论
2.1色谱条件确定
选择合适的色谱操作条件，提高柱效，有利于组分的分离、控制色谱峰的扩张以及提高分析速度，使组分在尽可能短的时间内被选出，同时达到所需要的分离度。
2.1.1柱温的确定
柱温对组分分离效果影响较大，从分离的角度考虑，宜采用较低柱温；但柱温太低,色谱峰变宽、柱效下降，延长分析时间。因此，在使最难分离的组分达到较好分离效果前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留时间适宜、峰形不拖尾为宜。实验在气化室温度100℃，检测器温度140℃，载气流速22.27mL/min,进样量100.0μL，电流100mA，衰减为1的条件下，对样品在不同柱温下进行测试，结果如表1所示。柱温60℃和80℃时，气样各组分分离情况较好，柱温为100℃和140℃时，氢气峰、甲烷峰、二氧化碳峰均未完全分离，柱温为60℃时，各组分达到了100%基线分离，80℃时尽管各组分已达完全分离，但基线未完全分离。实验也测定了柱温低于60℃时的情况，发现分离效果、柱效均较高，但测试时间长，而柱温为60℃时，测试时间3min，在保证分离效果和柱效的前提下缩短了测试时间，因而柱温采取60℃进行样品测试。

2.1.2载气流量的选择
根据塔板理论，色谱柱、样品固定后，载气流速对理论塔板数以及塔板高度都有较大影响。当载气流速达到最佳时，柱效达最高。实验分别在载气流速为9.2mL/min，13.0mL/min，22.3mL/min，31.0mL/min37.2mL/min，41.0mL/min，44.0mL/min以及55.6mL/min的情况下对样品进行了测定，柱温60℃，进样量100μL,其它条件固定不变。甲烷的理论塔板数与载气流量关系如图1所示。

载气流速在38.0mL/min时理论塔板数最多，此时理论塔板高度最小，柱效最高，在此载气流速下分离效果好，保留时间短，缩短了测试时间。实际操作时，载气流速应稍大于最佳载气流速，因而实验以44.0mL/min为样品测试的载气流速。
2.1.3进样量的选择
进样量应保持在色谱柱负荷以内，此时峰面积或峰高与进样量呈线性关系。进样量超过柱负荷时，峰面积或峰高与进样量不再呈线性关系，一般气样的进样量为0.1μL～10.0mL。进样量与峰面积关系如图2所示。甲烷峰面积与进样量（20～250μL）呈线性关系。为保证较好的测定效果，实验以100μL作为样品进样量。

2.2样品测试与分析
2.2.1标样分析
分别取100.0μL氢气标样和甲烷标样在已优化条件下进行测试。由色谱峰得出的测定结果为：氢色谱峰保留时间0.790min，峰面积为2765209.13mV·min；甲烷色谱峰保留时间1.007 min，峰面积为731107.72mV·min。由此可确定厌氧发酵气样各组分的出峰顺序，氢峰在前，甲烷峰在后，而色谱峰面积作可为样品组分定量分析基础。
2.2.2样品分析
在优化条件下，对样品进行测试，气相色谱如图3所示。理论分析和实验证明，固定相和操作条件严格固定不变情况下，每种物质都有确定的调整保留值，实验采用保留时间作为定性测定的标准。由于沼气的主要成分是CH4，H2及少量CO2，根据CH4和H2标样的保留时间，可知从左至右，第一个峰和第二个峰分别为H2和CH4；而第三个峰为CO2峰。

在固定操作条件下，检测器信号（峰面积或峰高）与进入检测器的组分量（质量或浓度）成正比。试验采用外标法—即用不同浓度纯物质作标准曲线（反映积分面积与浓度的关系），利用待测组分的测试结果（积分面积）和标准曲线计算出待测组分浓度，样品含量和标样间的关系为

牛粪高温厌氧发酵产物以CH4为主，其中还有一部分没有完全反应的H2以及少量的CO2。如何将反应中间产物氢气转变成甲烷是目前有关科研人员关注的问题。
2.3验证试验
2.3.1准确度验证试验准确度是测定值与真实值差值大小的量度，反映分析方法所存在的系统误差或随机误差的综合指标，决定了分析结果的可靠性。气相色谱分析中，一般采用加标回收率对准确度进行评价，也就
是在样品测定的同时，于同一样品的子样中加入一定量的标准物质进行分析，将分析结果扣除样品的测定值，计算回收率。试验用100.0μL的微量进样器量取80.0μL（70.0μL）样品，再量取20.0μL（30.0μL氢气标样）甲烷标样。所得回收率如表3所示。氢气和甲烷的回收率均分别为96.6%和95.8%，均处于严格回收率的范围95%～105%内，因而用气相色谱测定发酵气中CH4、H2含量准确度高，结果可靠。2.3.2精密度验证试验
精密度定义为平均值与测定值间差值大小的量度，反映分析方法存在随机误差的大小，测试的随机误差越小，精密度越高。一般用相对标准偏差（变异系数）来表示。同一样品在相同操作条件下进行的6组平行实验所得结果如表4所示。氢气和甲烷相对标准偏差（变异系数）分别为0.64%，1.01%，均不大于2.0%，说明测试方法有较好的重复性，精密度高。

3结论
1)通过试验对色谱法测定发酵气组分及含量的操作条件进行优化，优化后的条件有利于提高测试效率和测试的准确度。所得优化操作条件为：热导检测器（TCD），填料Porapakq，柱长3m，内径3mm，载气N2流速44mL/min，柱温60℃，气化室温度100℃，检测器温度140℃，电流100mA，衰减1，进样量100.0μL。
2)在优化条件下进行分析，氢气和甲烷的含量与各自峰面积呈现较好的线性关系，异系数均小于2.0%，回收率在95%～105%范围内，有较好的重现性和较高的准确度。
3)气相色谱法测定发酵气中甲烷、氢气含量操作简便，定性、定量分析准确可靠。