GM592色谱仪在高纯气分析中的应用

杨毅坤

(河钢集团 邯钢公司 气体厂，河北 邯郸 056015)



GM592色谱仪在高纯气分析中的应用

杨毅坤

(河钢集团 邯钢公司 气体厂，河北 邯郸 056015)

介绍了使用氦离子化检测器的色谱仪的工作原理，以及使用氦色谱仪分析不同种类高纯气体中微量杂质的具体方法。

氦离子化检测器；高压放电氦离子化检测器；高纯气体

随着气体行业的发展，气体种类增多，纯度提高，越来越多的高纯气体应用于工业生产过程中，高纯气体的品质优劣纯与否依赖于其检测结果，而纯气的分析技术则直接影响着检测结果。

高压放电氦离子化检测器(DID)做为一种非选择性的，通用性很强的检测器越来越多的被应用于各种高纯气体的微量乃至痕量的杂质组分分析。

1　仪器简述1.1　DID检测器工作原理

GM592色谱仪配置的检测器为高压放电氦离子化检测器(Discharge Ionization Detector)简称DID。DID是一种通用性检测器，检测器分上下两室，上为放电室，下为电离室，两室之间有一狭路相通，在放电室的放电电极施以适当电压，从而获得一束高能紫外光，通过高能光激发氦原子使其成为亚稳态氦离子，之后,高能紫外光和He+通过狭缝进入电离室，与来自色谱柱的氦载气及已分离的杂质分子发生非弹性碰撞使其电离，产生了与浓度成正比的电流，将此电流信号放大输出到色谱工作站上，即得到被测组分的谱峰。

图1　高压放电氦离子化检测器示意图

1.2GM592气相色谱仪的特点

美国GOW-MAC公司生产的592-31S型气相色谱仪配备了DID检测器和三柱四阀切割气路系统。三根柱分别为Hayesep S柱(预处理柱)、Hayesep S柱(柱1)和13X MS柱(柱2)。该系统能够通过阀的开关切换将样品的主组分吹出，避免大量主组分进入检测器，从而避免由于主组分峰过大将微量杂质峰掩盖，同时，切割气路避免主组分进入检测器也有效地保护了检测器。

图2　色谱仪阀切割系统示意图

2　分析方法

2.1仪器工作条件

载气：高纯氦≥99.999%(接纯化器)；载气流量：30 mL/min；载气压力：0.6 MPa；柱温：80 ℃；检测器温度：60 ℃。

2.2高纯氧的分析

GB/T 14599—2008中要求分析高纯氧中H2、Ar、N2、CH4、CO2和H2O，GM592可完成除水以外其他5种杂质的分析。

2.2.1分析高纯氧中的Ar、N2和CH4

将脱氧阱的TRAP MODE阀扳至CCW位置，使样品气经过脱氧阱进行脱氧。阀2由CCW位跳至CW位，使样品气通过LOOP2，阀3置CW位，在此分析方法中无用，阀4置于CW位置，使气样通过Column 2 13X MS柱分离后进入检测器，完成Ar、N2和CH4组分的分析。

阀动作时间表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R4O

0.30 min：R2O

2.2.2分析高纯氧中的H2和CO2

由于H2和CO可与脱氧阱中CuO发生反应，故分析高纯氧中H2组分不可使样品气通过脱氧阱。

将脱氧阱的TRAP MODE阀扳至CW位置，样品气不经过脱氧阱。阀2由CW位跳至CCW位，使样品气通过LOOP1后进入预柱Hayesep S柱和1柱Hayesep DB柱，阀3阀4置于CCW位，使样品气中氢组分进入检测器，4.5 min时，阀4跳至CW位，使样品气中主组分经VENT3放空，10 min时，阀4回至CCW位，使二氧化碳组分进入检测器，完成H2和CO2组分的分析。

阀动作时间表：0.01 min：R2O

0.03 min：R1C

0.05 min：R3C

0.07 min：R4C

0.50 min：R2C

4.50 min：R4O

9.95 min：R4C

2.3高纯氮的分析

GB/T 8979—2008中要求分析高纯氮中H2、O2、CO、CO2、CH4和H2O 6种杂质组分，超纯氮则要求分析上述6种再加上Ar共7种杂质组分，同样，GM592可完成除水以外其他杂质的分析。

2.3.1分析高纯氮中的H2、O2和Ar

脱氧阱的TRAP MODE阀至CW位。阀2由CCW跳至CW位，使样品气通过LOOP2，阀4至CW位，样品气通过Column 2 13X MS柱分离后进入DID，实现H2、O2+Ar的分析，约2.85 min，阀4跳至CCW位，将样品气中主组分及以后组分由VENT3放空。由于13X MS柱不能分离氧和氩，由此方法得到的是氢峰和氧氩合峰。

将脱氧阱的TRAP MODE阀至CCW位，重复上述方法，可实现高纯氮中Ar组分的分析。

高纯氮中氧峰面积可由第一种方法的氧氩合峰面积减去第二种方法氩峰面积求得。

阀动作时间表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R4O

0.30 min：R2O

0.40 min：R1O

2.85 min：R4C

(测氩时4.50 min)

使用13X分子筛柱分离时，氮峰之后紧接着就是CH4和CO，使用上述方法分析高纯氮时，由于氮含量高，CH4和CO无法取得理想峰形，应另做方法分析。

2.3.2分析高纯氮中的CO

脱氧阱的TRAP MODE阀至CW位。阀2由CCW跳至CW位，使样品气通过LOOP2，阀4至CCW位，使经13X MS柱分离后的前半部分组分由VENT3放空，约8 min时，阀4跳至CCW位，使经柱分离的一氧化碳组分进入DID，实现CO组分的分析。

阀动作时间表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R4C

0.50 min：R2O

8.00 min：R4O

2.3.3分析高纯氮中的CH4、CO2

脱氧阱的TRAP MODE阀至CW位。阀2由CW跳至CCW位，使样品气通过LOOP1，阀3至CW位至CCW位，使样品气流经Precolumn Hayesep S后再经Column 1 Hayesep DB柱分离，阀4至CW位，使经柱分离的前半部分组分由VENT3放空，约6 min时，阀4至CCW位，经柱分离后的CH4和CO2进入检测器，实现CH4和CO2组分的分析。

阀动作时间表：0.01 min：R2O

0.03 min：R1C

0.05 min：R30

0.07 min：R40

6.00 min：R4C

2.4高纯氦的分析

GB/T 4844—2011中要求分析高纯氦中Ne、H2、O2+Ar、N2、CH4、CO、CO2和H2O，GM592可完成除水以外其他7种杂质的分析。

DID检测器的分析仪本身就是使用氦气做为载气和放电气的，所以分析高纯氦时不存在切除背景峰的阀动作，方法较为简单。

值得一提的是，由于氖的电离势能较高(21.6 eV)，在DID中响应值较低，且由于本机8′的13X MS柱的限制，氖峰与氢峰不能完全分离，所以同时分析时氖组分的不能准确定量，因此建议单独分析氖组分，使用脱氧阱辅助分析，用脱氧阱脱掉样气中的氢组分，从而对氖组分进行准确定量。

2.4.1分析高纯氦中的Ne、H2、O2+Ar、N2、CH4和CO

分析He中H2、O2+Ar、N2、CH4和CO组分时，脱氧阱的TRAP MODE阀至CW位，阀1至CCW位，阀2由CCW跳至CW位，使样品气通过LOOP2，阀4至CW位，经13X MS柱分离后的各组分进入DID进行分析。

分析分析He中Ne组分时，脱氧阱的TRAP MODE阀至CCW位，重复上述阀动作即可。

阀动作时间表：0.01 min：R2C

0.03 min：R1C

0.05 min：R40

0.30 min：R20

2.4.2分析高纯氦中CO2

脱氧阱的TRAP MODE阀至CW位。阀2由CW跳至CCW位，使样品气通过LOOP1，阀3至CW位至CCW位，阀4至CCW位，样品气流经Precolumn Hayesep S和Column 1 Hayesep DB柱后进入DID，实现对CO2组分的分析。

阀动作时间表：0.01 min：R2O

0.03 min：R1C

0.05 min：R30

0.07 min：R40

3　结　论

由于高压放电氦离子化检测器在放电时可释放出高能量(24.5 eV)的He+，使该检测器对除He以外的任何气体都有十分灵敏的响应，是当今气体分析中可以检测到10-6～10-9级杂质的通用型检测器之一。笔者在此介绍了使用GM592氦色谱仪用于分析高纯氧、高纯氮和高纯氦时的具体应用，实际应用中，该仪器的使用不仅仅局限于上述3种气体，通过阀的合理组合和切割可以实现大部分种类高纯气体的分析。

[1] 梁汉昌．气相色谱法在气体分析中的应用[M]．北京：化学工业出版社，2008．

[2] GOW-MAC 592-31S气相色谱仪用户手册[Z].

杨毅坤，男，工程师，毕业于北京科技大学机械电子工程专业，现任职于河钢集团邯钢公司气体厂技术专家。

Application of GM592 Chromatograph in Analysis of High Purity Gas

YANG Yikun

(Gas Factory, Handan Branch, Hebei Iron and Steel Company, Handan 056015, China)

This paper introduces working principle of using helium ionization detector of chromatograph and specific methods for the analysis of trace impurities in high purity gases of different kinds using helium gas chromatograph.

helium ionization detector；discharge ionization detector；high purity gases

2016-07-18

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0034-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.010