电子工业气体氧化亚氮中C2烃杂质分离技术研究
2022-07-04孙晓丽宋祥坤赵家有
孙晓丽，罗 旭，宋祥坤，常 琳，赵家有，金 炜
(中昊光明化工研究设计院有限公司，辽宁 大连 116031)
1 前 言
氧化亚氮是一种无机气体，有轻微麻醉作用，并能致人发笑，因此又称笑气。广泛应用于麻醉剂，助燃剂，火箭氧化剂等领域。随着科技水平的提高，电子工业得到高速发展，其对应配套设备、原材料等相关技术指标也在逐年提高，氧化亚氮的应用范围也渐渐扩大到了电子工业领域。但因对其极高的纯度要求，因此各项杂质指标也需要进行严格控制[1]，其杂质的分析检测难度也大大提高，本文主要针对烃杂质中C2烃的分析方法进行了实验探究。
2 仪器设备
2.1 标准气体
标准气体1以氮气为平衡气，是由中昊光明化工研究设计院有限公司配制的甲烷、乙烷、乙烯、乙炔含量分别为1.00、1.20、1.10、1.09 μL/L的4组分混合气。
标准气体2以氮气为平衡气，是由中昊光明化工研究设计院有限公司配制的甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、异丁烷、正丁烷、乙炔、异戊烷、正戊烷含量分别为0.992、1.25、1.09、1.02、1.02、1.05 、1.04、1.01、1.01、0.994 μL/L的混合气体。
标准气体3以氧化亚氮为平衡气，是由中昊光明化工研究设计院有限公司配制的乙烷、乙烯、乙炔含量分别为1.17、1.15、1.10 μL/L的3组分混合气。
2.2 实验仪器与设备
仪器1为GAS-D030型气相色谱仪，配有氢火焰离子检测器，GDX-104色谱柱，色谱柱前切割功能,中昊光明化工研究设计院有限公司。
仪器2为GAS-D030型气相色谱仪，配有氢火焰离子检测器，三氧化二铝色谱柱,中昊光明化工研究设计院有限公司。
2.3 仪器条件
2.3.1仪器1具体条件
载气：99.999%氮气，表压：0.04 MPa；氢气：99.999%氢气，表压0.06 MPa；空气：洁净空气，表压0.11 MPa；柱箱温度：50℃，检测器温度130℃，切割时间：1 s，复位时间：80s；色谱柱：2 m×4 mm，80～100目，GDX-104不锈钢色谱柱；定量管：1 mL。
2.3.2仪器2具体条件
载气：99.999%氮气，表压：0.1 MPa；氢气：99.999%氢气，表压0.1 MPa；空气：洁净空气，表压0.1 MPa；柱箱温度：80℃，检测器温度130℃；色谱柱：2 m×4 mm，80～100目，三氧化二铝不锈钢色谱柱；定量管：1 mL。
3 实验部分
目前对于气体中烃杂质的分析使用最多的是三氧化二铝色谱柱和GDX-104色谱柱，因此本次试验主要使用这两种色谱柱进行研究。
3.1 三氧化二铝色谱柱分离C2烃类杂质研究
由于电子工业气体氧化亚氮对烃杂质的检测限要求极为严格，所以优先选用分析较快、灵敏度较高的三氧化二铝色谱柱进行实验。
图1为仪器2使用三氧化二铝色谱柱在80℃柱温条件下，电子氧化亚氮气体的进样谱图。氧化亚氮主体进入检测器，在0.5～1.5 min产生信号峰。
图1 氧化亚氮在三氧化二铝色谱柱谱图
图2为仪器2使用三氧化二铝色谱柱在80℃柱温条件下，标准气体2进样谱图。其中甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、异丁烷、正丁烷、乙炔对应的保留时间依次为0.390、0.588、0.787、1.192、2.349、2.785、3.220、4.609 min。
图2 标准气体2在三氧化二铝柱谱图
由图1和图2可以看出，使用三氧化二铝色谱柱在80℃柱温条件下，氧化亚氮主体信号峰时间与C2烃中乙烷、乙烯两组分的保留时间重叠，干扰检测，后通过改变柱温，调整载气流速等均无法改变现状。
3.2 GDX-104色谱柱分离C2烃类杂质研究
由于氧化亚氮主体信号峰时间与C2烃中乙烷、乙烯两组分的保留时间重叠，无法通过切割排空的方式排除氧化亚氮主体，所以更换GDX-104色谱柱进行实验。
图3为仪器1使用GDX-104色谱柱在50℃柱温、无切割条件下，电子氧化亚氮气体进样谱图。氧化亚氮主体进入检测器，在1～1.5 min产生信号峰。
图3 氧化亚氮在GDX-104柱谱图
图4为仪器1使用GDX-104色谱柱在50℃柱温、无切割条件下，标准气体1进样谱图。其中甲烷、乙烯+乙炔、乙烷对应的保留时间依次为0.740、1.703、2.263 min。
由图3和图4可以看出，使用GDX-104色谱柱在50℃柱温、无切割条件下，氧化亚氮主体信号峰时间与C2烃中乙烯、乙炔两组分的保留时间基本错开，可以与乙烷完全分离。
为了避免检测限降低，不宜通过降低柱温、载气流速等方法提高分离度，所以使用切割排空的方法排除氧化亚氮主体，避免低含量乙烯和乙炔出现在氧化亚氮信号峰尾影响实验结果。
图4 标准气体1在GDX-104柱谱图
图5 氧化亚氮在GDX-104柱切割谱图
图6 标准气体3在GDX-104柱切割谱图
由图5和图6可以看出，使用GDX-104色谱柱在50℃柱温，前切割条件下，氧化亚氮主体在进入色谱柱前被切割排除，不再出现较大的信号峰，较小的切割信号峰不干扰乙烯和乙炔的检测，标准气体出峰良好。根据图5的1.647 min附近的噪音峰高和图6的1.663 min峰高和2.230 min峰高，计算仪器最低检出限为0.01 μL/L(以甲烷计)，完全满足国家标准和厂家要求。
4 结 论
经过实验论证发现三氧化二铝色谱柱在分离烃类组分时，在分析时效方面与GDX-104色谱柱相比有一定优势，可是当以氧化亚氮主体为分析对象时，由于氧化亚氮信号峰的干扰，使C2烃检测成为难题。更换GDX-104色谱柱进行分析实验，通过对最低检出限和分离效果的研究，结合气相色谱仪的前切割技术，完美的解决了电子气体氧化亚氮中C2烃类要求的高标准检测难题。
