應用正交分析法確定低溫-濃縮熱脫附儀參數的研究

張菲菲 王鐵錚 王金良 李昌建

(天津市環境保護科學研究院國家環境保護惡臭污染控制重點實驗室，天津 300191)

應用正交分析法確定低溫-濃縮熱脫附儀參數的研究

張菲菲 王鐵錚 王金良 李昌建

(天津市環境保護科學研究院國家環境保護惡臭污染控制重點實驗室，天津 300191)

優選苯乙烯作為典型惡臭氣體，確定自主研發的低溫濃縮-熱脫附儀器的性能實驗因素，利用正交分析法獲得較優的儀器參數配置。

惡臭污染 苯乙烯 濃縮熱脫附 正交分析法

隨著工業經濟的迅速發展，環境污染問題日趨突出，全球空氣質量普遍受到嚴重威脅。惡臭污染已經成為七大公害中的一種，影響程度僅次于噪聲，位居第2位[1]。惡臭物質的種類繁多，污染通常由多種低濃度物質構成[2]，各種物質的閾值或最小檢知濃度各不相同，并且數值通常很低，使用低溫濃縮-高溫熱脫附儀器采集樣品可以提高相應的物質濃度，便于提高氣相色譜/質譜儀(GC/MS)或其他惡臭物質在線監測儀器的檢出率。

自主開發的低溫濃縮-熱脫附儀器是利用采樣管內固體吸附劑在低溫下吸附樣品的特性，達到濃縮富集的目的；再通過高溫下吸附劑對待測組分保留性能降低的特性，利用載氣將待測組分運送至采集容器或相關儀器進行分析測定。儀器性能的關鍵在于確定脫附的參數[3]，故筆者考慮采用正交分析法確定相關的參數。

1 正交分析法①

正交分析法是利用規范化的正交表,科學地設計試驗。運用正交表進行較少次數的試驗便可得出較優的條件。根據試驗結果進一步進行統計分析,可以更全面、系統地掌握試驗結果,以對整體實驗設計做出正確的判斷。正交分析法是實驗數據分析處理的常用方法,設計時主要考慮因素a(即自變量)和水平b(自變量的典型取值)的響應變量,即因變量的選擇[4]。

1.1正交試驗設計

正交試驗設計具有固定的設計順序，一般遵循以下過程：

a. 確定試驗因素和水平數；

b. 選用合適的正交表；

c. 列出試驗方案和試驗結果；

d. 分析正交試驗設計的結果(極差分析、方差分析)；

e. 確定最優(較優)因素和水平組合的條件[5]。

其中，所用的正交表在有關正交試驗設計的資料中均可找到。每種表都用不同的符號表示。如L9(34)、L4(23)等。其中L表示正交表，其后的數字表示試驗的次數。括號內底數表示位級數(位級指在試驗范圍內挑出的幾個試驗點,欲試幾點就稱為幾個位級),指數表示因素個數(因素指影響試驗結果的參數或物理量)。例如L9(34)表明該正交表適用于有4個因素,每個因素分3個水平的試驗,共做9次試驗[6]。

1.2結果分析方法

正交試驗設計的結果分析方法有兩種，分別為直接對比法和直觀分析法。

直接對比法。對試驗結果直接進行簡單的對比。直接對比法雖然對試驗結果可以給出一定的說明，但是屬于定性說明，并不能肯定地告知最佳的組合條件。這種分析方法雖然簡單，但是不能獲得令人滿意的結果。

直觀分析法。通過對每一因素的平均極差來進行分析。極差就是平均效果中最大值和最小值的差。通過計算極差，可以找到影響試驗指標的主要因素，進一步找到最佳因素水平的組合[7]。

2 濃縮熱脫附儀器正交試驗方案

采用自主開發的低溫濃縮-熱脫附儀器進行測試，優選200mg石墨化炭黑作為固體吸附劑，在低溫冷阱的作用下采集樣品。惡臭污染物排放標準中規定了8種典型的惡臭物質[8]，實驗以苯乙烯作為典型惡臭氣體進行試驗，采用大連某公司生產的0.000 1‰的苯乙烯鋼瓶氣作為樣品氣，根據前期穿透試驗優選采樣條件：在0℃時采集樣品，設置樣品氣流速為200mL/min，采樣時間為40min。通過加熱塊提高采樣管溫度，使氮氣作為載氣以一定的流速，在一定的時間內通過采樣管，收集脫附氣并通過GC/MS分析其濃度以檢驗濃縮效果。

2.1試驗因素與試驗水平

根據儀器高溫脫附的實際應用情況,選取的試驗因素為：脫附溫度A、脫附流速B和脫附時間C。查閱文獻資料[9～17],結合前期試驗情況，優選各個試驗因素的應用范圍,每個試驗因素選取3個水平,具體為:

AA1=300℃,A2=325℃,A3=350℃

BB1=30mL/min,B2=40mL/min,B3=50mL/min

CC1=5min,C2=10min,C3=15min

2.2正交表的選擇

正交表是正交設計方法中不可或缺的工具，通過它可合理地設計試驗,并可對試驗結果直接進行分析。它可以通過最少的試驗次數,解決多因素試驗中的復雜問題，比如對考核指標各個因素的影響次序，每個因素的哪些不同水平的搭配獲得的指標較好[18]。研究考慮3個因素,每個因素有3個水平,所以選取L9(34)的正交表(表1)。

表1 正交表

(續表1)

2.3試驗結果

脫附氣濃度正交試驗數據結果見表2，為了數據的準確性,每個試驗方案做兩次,取平均值。

表2 正交試驗結果

2.4試驗數據分析

脫附氣濃度數據分析見表3。由表可以看出，對于脫附氣濃度，脫附溫度顯著水平為水平一300℃，脫附流速顯著水平為水平二40mL/min，脫附時間顯著水平為水平二10min，各因素的顯著次序依次為：因素A脫附溫度、因素C脫附時間、因素B脫附流速。保證試驗指標脫附氣濃度較高的最佳搭配為因素A脫附溫度水平一、因素B脫附流速水平二，因素C脫附時間水平二。

表3 脫附氣濃度正交試驗數據分析

3 結束語

低溫濃縮-熱脫附儀器的脫附熱解析過程是一個復雜的過程，不同種類、不同型號的儀器脫附條件不盡相同，需使用一定的方法尋找各種因素下的組合關系以優化儀器的性能。

試驗按照正交分析法確定自主開發的低溫濃縮-熱脫附儀器的脫附參數，進行了三因素三水平的9個組合試驗，結果表明每個組合雖然都可脫附一定濃度的氣體，但它們之間存在著顯著性差異。同時試驗也證明,正交試驗設計與數據分析方法是選擇最佳試驗方案的有效工具,可以大量減少實驗的次數。三因素三水平進行常規試驗時,要進行27(33=27)次試驗,而正交法只需9次,節省了工作量,加快了研究的進程。

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DeterminingParametersofCryoconcentration-ThermalDesorptionInstrumentthroughOrthogonalAnalysis

ZHANG Fei-fei, WANG Tie-zheng, WANG Jin-liang, LI Chang-jian

(StateKeyLaboratoryofOdorPollutionControl,TianjinAcademyofEnvironmentalSciences,Tianjin300191,China)

Preference was given to taking styrene as typical malodorous gas to determine experimental factors of independently-developed cryoconcentration-thermal desorption instrument’s performance. Making use of orthogonal analysis can obtain optimal instrument parameters.

odor pollution, styrene, cryoconcentration-thermal desorption, orthogonal analysis

TH83

A

1000-3932(2016)12-1270-04

2016-10-27(修改稿)

國家重大科學儀器設備開發專項(2012YQ060165)；天津市環境保護科學研究院自主創新基金暨院長基金項目(YZJJ-2015-003)