(冶金行业)气相色谱法测定煤矿井下气体实验

（冶金行业）气相色谱法测定煤矿井下气体实验

气相色谱法测定煤矿井下气体

壹﹑实验目的

1.了解气相色谱仪的主要结构单元及各部分的功能；

2.掌握气相色谱法的基本原理及使用方法；

3.掌握气体采集方法；

4.掌握运用气相色谱仪分析气体的基本步骤和操作流程；

5.掌握利用数据分析软件处理实验数据的能力；

6.分析影响测试结果误差的主要因素，提出减小分析误差的措施；

二、实验装置及主要仪器

1．GC4008（B）型煤矿专用色谱仪、A5000气相色谱工作站2．高纯度（99.99%）标准气体（氢气、空气、氮气）

3．气体采集器（注射器、六通阀）

5.测试混合标准气体（甲烷0.2%、乙烷103ppm、丙烷102ppm、乙烯101ppm、乙炔104ppm）

三、GC4008（B）型煤矿专用色谱仪概述

1.主要配置

主机、氢火焰离子化检测器（FID）、热导检测器、转化炉、四根专用色谱柱、四气路、四套六通阀

2.应用领域

煤矿气体分析实验室专用仪器，该仪器可进行：

1）矿井井下气体分析；

2）瓦斯爆炸危险程度判别；

3）瓦斯突出气体组份全分析；

4）火灾气体组份全分析。其中包括煤层自然发火预测、预报，封闭火区内煤层的熄灭程度及火区启封指标的分析。

3.仪器特点

1）仪器设计灵活、合理，同时安装有热导、双氢火焰检测器、甲烷转化炉、四路且联、四套六通阀进样、四根专用色谱柱、八阶程序升温装置等；

2）自然发火标志气体最小检测浓度CO、C2H2≤0.5ppm，C2H4≤0.1ppm，H2≤5ppm；

3）可配备电子捕获检测器测定示踪气体SF6，火焰光度检测器测定H2S、SO2等气体；

4）增加“爆炸三角形”软件，能够根据分析结果判别混合气体爆炸危险程度。

四、实验原理

分离原理：不同物质在固定性和流动相中具有不同的分配系数K，当俩相做相对运动时，被测物质会在俩相间依据不同的分配系数作多次

分配以达到动态平衡，从而使得各组分得到分离。流程如下：

1.转化炉的转化原理

当分项测定壹氧化碳、二氧化碳、甲烷时，试样进样后先经色谱柱分离，再进入甲烷化转化器转化为甲烷，用氢火焰离子化检测器（FID）进行测定。转化反应如下：

2.GC4008（B）型煤矿专用色谱仪气路系统图

通过四根根特殊色谱柱完成对H2、N2、O2、CO、CO2、烷烃、烯烃、炔烃的常量及微量组份分析。

色谱柱A主要用来检测O2、N2、CH4、CO等气体；

色谱柱B主要用来检测CO2；

色谱柱C主要用来检测CH4、C2H4、C2H6、C2H2等气体；

色谱柱D主要用来检测CO、CH4、CO2等气体。

因此，在检测气体成分时应根据检测目的将被检测气体通过相应的六通阀注入色谱仪进行检测。

3.氢火焰离子化检测原理（FID-FlameIonizationDetector）

1)特点

（1）对有机化合物灵敏度很高，对无机气体、水、四氯化碳等含氢少或不含氢的物质灵敏度低或不响应；

（2）具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点；

2）结构

由离子室和放大电路组成

（1）发射极和收集极之间加壹定的直流电压（100-300V）构成加电场；

（2）FID在工作时需要载气（N2、H2）、燃气（H2）和助燃气（Air）。测试时需要调整三者之间的比例关系，以使检测器灵敏度打到最佳。

3）工作原理

当氢气在空气中燃烧时，火焰中的离子是很少的，但如果有碳氢化合物存在时，离子就大大增加了。从柱后流出的载气和被测样品和氢气混合在空气中燃烧（火焰如下图所示），有机化合物被电离成正负离子，正负离子在电场的作用下就产生了电流，这个电流经微电流放大器放大后，可用记录仪或数据处理机下来做为定量的依据（色谱图）。具体工作原理分析如下：

（1）当载气含着有机物CnHm由喷嘴喷出进入火焰时，在C 层发生裂解反应产生自由基：

（2）产生的自由基在D层火焰中和外面扩散进来的激发态原子氧或分子氧发生如下反应：

（3）生成的正离子和火焰中大量水分子碰撞而发生分子离子反应：

（4）化学电离产生的正离子和电子在外加恒定直流电场的作用下分别向俩极定向运动而产生微电流。在壹定范围内，微电流的大

小和进入离子室的被测组分质量成正比，因此氢焰检测器是质量型检测器。

（5）离子电流信号经放大后输出到记录仪，得到峰面积和组分质量成正比的色谱流出曲线。

4）影响因素

（1）各种气体流速配比

N2：H2＝1：1～1：1.5

氢气：空气＝1：10

（2）极化电压

正常极化电压选择在100～300V范围内。

（3）氢焰检测器的温度

检测器温度壹般大于120℃

（4）其他操作条件

组件的绝缘、屏蔽、接触是否良好，管路及离子室的清洁，气体的净化等。

4.热导检测器（TCD-ThermalConductivityDetector）

1）特点

TCD是目前气相色谱仪上应用最广泛的壹种能用型检测器。它结构简单，稳定性好，灵敏度时钟，线性范围宽，对所有被分析物质均有响应，而且不破坏样品，多用于常量分析，目前应用较为广泛。

当载气（H2）混有被测样品时，由于热导系数不同，破坏了原有

热平稳状态，使热丝温度发生变化，随之电阻也就改变，电阻值的变化能够通过惠斯登电桥测量出来，所得电信号的大小和在载气中浓度成正比，经放大后，记录下来做为定性定量的依据（色谱图）。

2）结构

由池体和热敏元件组成

池体：壹般用不锈钢制成，其中有俩个或四个大小相同、形体完全对称的孔道，孔道内各固定壹根长短、粗细和电阻值完全相同的

金属丝作热敏元件。

热敏元件：为提高灵敏度，热敏元件壹般选用电阻率高、电阻温度系数大的钨丝。

3）检测原理

4）影响因素

（1）电流。电流增加，热丝温度升高，热丝和池体之间的温差增大，有利于气体的热传导，灵敏度提高。热导检测器的灵敏度和电流的三次方成正比，因此增加桥电流可提高灵敏度。当电流太高，会造成基线不稳，噪声增大，甚至会烧坏热丝。

（2）池体温度。池体温度和钨丝温度相差越大，可提高灵敏度。但检测器温度不能低于分离柱温度，否则待测组分会在检测器内冷凝。

（3）载气。载气和待测组分的热导系数相差越大，在检测器俩臂中产生的温差和电阻差也越大，检测灵敏度越高。

5.数据处理工作站

1）功能

将接收到的色谱仪检测器输出的电信号转化成数字信号且加以处理计算，得到真实可信的检测样品的浓度或含量值且打印出分析的结果报告.

2）组成

A5000色谱数据处理工作站是通过数据采集卡（接口板）、信号线、计算机、打印机及相应的软件来实现的。软件的处理即操作者通过使用软件对采集到的信号识别、判定、选择公式计算等。

3）处理过程

处理过程是对检测样品定性和定量的过程，在分析过程中通常是通过对已知浓度或含量的样品先分析来达到定性的目的：在工作站上表现为此标样（已知样品）的保留时间、峰面积/峰高等结果。定量过程则是在得到标样的保留时间、峰面积/峰高后选择相应的计算方法（内标、外标等）且据此求出相应的校正因子后对未知样品的求解过程，这壹过程在工作站上已大为简化，只要求出标样的定性结果（即求出相应计算方法下的校正因子）后直接在色谱仪上进未知样品，采样结束后即可得到未知样品的含量或浓度报告。

五、实验步骤：

1．气样采集

用气体采集器采集被测气体样品，如被测气体湿度过大或含有大量粉尘时，需用无吸附作用的干燥剂和过滤器对被测气体样品进行过滤。

2.气体检测及色谱分析

1）启动色谱仪（此步骤由实验指导教师提前完成）

使用色谱仪进行检测时，需提前启动色谱仪进行预热或活化色谱柱。预热需30分钟左右，活化色谱柱需8~24小时。

2）气体检测及色谱分析

a、启动A5000工作站

b、进标准气样，用工作站进行处理且保留数据

c、进待测气样，用工作站进行分析计算

d、得出结果，打印报告

3.关机（此步骤由实验指导教师完成）

因色谱仪长时间工作后具有较高温度，所以在关电源后仍需长时间通氮气降温。

六﹑思考题

1.试述气相色谱法的分离原理。

2.试述氢焰离子化检测器FID和热导式检测器TCD的检测原理。

3.分析检测过程中可能存在的误差原因及防范措施。