大氣中VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測分析所需零氣發(fā)生器測試研究

張康平，儀明媛，趙 娜

（1.準格爾旗環(huán)境保護局，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.內蒙古準格爾經濟開發(fā)區(qū)環(huán)境保護局，內蒙古 鄂爾多斯 010400）

揮發(fā)性有機物（volatile Organic Compounds，VOCs）是常溫常壓下能夠揮發(fā)的有機物的總稱，主要包含乙烯、丙烯、乙炔、甲苯、苯乙烯等烴類和硫化物[1-2]。VOCs在大氣中分布廣、成分復雜，有些組分具有毒理性，還可與空氣中氮氧化物反應，造成O3和二次氣溶膠的產生量增加[3]。因此，VOCs的監(jiān)測和處理已經成為大氣污染防治攻堅的任務之一，這對大氣中VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測也提出了更高的要求。目前，大氣中VOCs的監(jiān)測技術主要有氣相色譜法（GC）、在線VOCs質譜法、環(huán)境艙系統(tǒng)、紅外光譜吸收法、質子轉移反應質譜等，其中仍以氣相色譜和質譜聯(lián)用為主[4]。但是，基于空氣的低成本的大流量零氣發(fā)生設備較少，限制了氣相色譜和質譜在VOCs在線連續(xù)采樣和分析上的應用，同時也限制了VOCs在線監(jiān)測平臺的建設[5-8]。本文以此為出發(fā)點，研究了如何利用鈀催化劑將氣體中的非待測VOCs除去，并設計了能夠產生滿足在線VOCs監(jiān)測系統(tǒng)校準及稀釋配氣時所需的大流量零氣的零氣發(fā)生設備（鈀爐）。

1 概述

1.1 鈀催化劑簡介

鈀催化劑是一種高效能脫氧催化劑，該催化劑是以薄殼理論為基礎，用貴金屬鈀負載在活性氧化鋁上加工制成的脫氧催化劑，主要用于氫氣中除氧，氮氣、一氧化碳、二氧化碳、氬氣等惰性氣體加氫除氧，也可用于某種化工產品反應的特殊催化劑[9]。鈀催化劑具有催化活性高、工藝簡單以及操作安全等優(yōu)點，業(yè)已廣泛用于冶金、輕工、電子、化工等工業(yè)部門。

1.2 零氣發(fā)生器中鈀爐的作用理論研究

零氣發(fā)生設備中的鈀爐是在有氧環(huán)境中去除VOCs，揮發(fā)性有機物在高溫下與有氧體系中的氧發(fā)生氧化反應從而使有機物燃燒而去除。鈀催化劑在反應中起催化作用，降低反應活化能，使反應更容易進行。影響鈀爐VOCs去除率，限制零氣發(fā)生器流量的因素主要有以下幾個。

1.2.1 接觸時間

延長接觸時間有利于提高VOCs去除率，同時，從式（1）可以看出，在假定處理量和體積流量時，人們可以計算出催化劑堆體積的理論值。

1.2.2 鈀催化劑填充量

增加催化劑的填充量有利于提高VOCs去除率。降低鈀催化劑的粒徑和增加鈀催化劑填充質量是增加催化劑填充量的兩種有效方式。

1.2.3 鈀爐溫度

鈀爐溫度的提高有利于提高VOCs去除率，但是溫度過高則有可能導致催化劑失效，這是設計零氣發(fā)生器時必須考慮的重要因素。本文在對零氣發(fā)生器和鈀催化劑的理論研究基礎上，從接觸時間、鈀催化劑填充量和調節(jié)鈀爐溫度三個方面入手，設計了可滿足大氣中VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測分析所需的大流量零氣發(fā)生器，并對其性能進行了測試研究。

2 試驗測試部分

2.1 試驗設備

本文所用儀器設備為AMA GC5000在線色譜分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭建完成后，可實現(xiàn)無人值守連續(xù)自動采樣、進樣分析過程，并自動給出目標物定性、定量結果。該系統(tǒng)主要由以下10部分組成：AMA GC5000 BTX在線色譜分析儀（C4～C12）；AMA GC5000 VOC在線色譜分析儀（C2～C6）；AMA DIM 200稀釋校準器；LNI SONIMIX 3080氫氣發(fā)生器；空氣壓縮機和氮氣鋼瓶（純度≥99.999%）；PAMS-56標氣及減壓閥；工業(yè)級計算機及數(shù)據采集和分析程序；氣體凈化捕集阱及采樣氣路的過濾組件；標準儀器機柜、5KVA交流凈化電源和全套電路；網絡交換模塊和相關網線。

2.2 大流量零氣發(fā)生器設計及測試過程說明

目前，市場上以流量為4 L/min的零氣發(fā)生器為主，這對于大氣中VOCs的連續(xù)采樣監(jiān)測分析造成了一定的限制，本研究擬設計一個出口流量為10 L/min，處理量約為8 000 h-1的零氣發(fā)生器。

具體設計及測試步驟如下：根據前文所述理論，計算確定了該零氣發(fā)生器的催化劑堆體積、填充量、催化劑粒徑、鈀爐溫度等參數(shù)理論值范圍；按照機械制圖要求，利用CAD軟件設計并選用不銹鋼材質制作了多個滿足上述參數(shù)理論值范圍的鈀爐；將空氣壓縮機、流量計、鈀爐、GC5000系統(tǒng)順序連接，設定鈀爐溫度后對GC5000系統(tǒng)走零基線和采用鈀爐處理的零氣稀釋配氣所做的標準曲線線性進行分析，反復測試鈀爐的處理效果；根據分析測試結果，確定鈀爐的催化劑堆體積、填充量、催化劑粒徑、鈀爐溫度等參數(shù)的理想值，最終設計一個出口流量為10 L/min，處理量約為8 000 h-1的基于空氣的低成本大流量零氣發(fā)生器。

3 研究結果

根據理論計算，處理量大約8 000 h-1時，要保證10 L流量，需要填充60 g鈀催化劑，堆體積至少0.5 L。測試研究發(fā)現(xiàn)，鈀爐采用不銹鋼LCr18Ni9φ34×3長度220 mm，填充體積為0.54 L時，處理效果較好。經設計制作的帶有溫控裝置的鈀爐主結構如圖1所示。

圖1 鈀爐主結構外觀設計

將該鈀爐與空氣壓縮機、流量計、GC5000系統(tǒng)等部件連接后，按照設計流量10 L/min，鈀爐溫度設置為480℃，開始監(jiān)測，監(jiān)測結果顯示處理效果比較好，GC5000系統(tǒng)走零基線平穩(wěn)，采用鈀爐處理的零氣稀釋配氣所做的標準曲線線性r＞0.999，完全滿足校準要求，詳情如圖2所示。

圖2 GC5000部分目標物線性圖

研究表明，在10 L/min流量下，處理效果與處理量、鈀粒徑成反比，與鈀爐溫度、鈀填充量成正比。

本研究在設定出口流量為10 L/min后，最終確定所用的鈀爐參數(shù)如表1所示。

表1 設計鈀爐主要參數(shù)指標

4 結論

在保證出口流量為10 L/min條件下，經過多次調整測試，筆者最終確定了鈀爐的主要參數(shù)指標，使設計的鈀爐能夠產生滿足在線VOCs監(jiān)測系統(tǒng)校準及稀釋配氣時所需的大流量零氣。同時，鈀爐完全可以滿足PAMs標氣下GC5000儀器要求，VOCs中大部分物質去除效果較好，對于正構烷烴等比較難處理的物質，配合過濾就能滿足要求。該零氣發(fā)生設備可以產生出口流量為10 L的零氣，突破了零氣流量不足對VOCs連續(xù)采樣監(jiān)測分析的技術限制，并且設備運行成本低，對大氣中VOCs連續(xù)采樣和監(jiān)測分析具有較大的應用價值，值得推廣使用。