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      環(huán)境監(jiān)測用正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制

      2018-01-08 09:11:06王帥斌
      化工環(huán)保 2017年6期
      關(guān)鍵詞:量值氣瓶正己烷

      杜 健,王帥斌,王 倩,樊 強(qiáng),李 寧

      (1. 環(huán)境保護(hù)部 標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所,北京 100029;2. 國家環(huán)境保護(hù)污染物計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)樣品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

      正己烷作為揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)具有較強(qiáng)的揮發(fā)性,是室內(nèi)空氣中主要的VOCs之一[1],也是一種常用的有機(jī)溶劑,對人體具有一定的毒性,易引發(fā)慢性中毒[2-3]。在GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 化學(xué)有害因素》[4]中對正己烷的監(jiān)管提出了新的標(biāo)準(zhǔn)和要求,而在GBZ/T 160.38—2007《工作場所空氣有毒物質(zhì)測定 烷烴類化合物》[5]和GBZ/T 160.38—2007《工作場所空氣有毒物質(zhì)測定 烷烴類化合物》[6]等標(biāo)準(zhǔn)的檢測目標(biāo)物中也都包含了正己烷。

      目前國外氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品相關(guān)研究趨于成熟,種類相對豐富,濃度水平可低至nmol/mol級[7-9],而我國針對VOCs氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的研究相對于發(fā)達(dá)國家還處于起步階段[10-11]。近年來,環(huán)境監(jiān)測對相關(guān)氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品,尤其是對VOCs類樣品的需求逐年增加,而目前國內(nèi)尚無正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的相關(guān)研究。

      為滿足相關(guān)環(huán)境監(jiān)測工作的需要,同時(shí)也為正己烷的監(jiān)測和質(zhì)控提供技術(shù)支撐,本工作進(jìn)行了氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制,考察了氣瓶內(nèi)壁吸附作用、制備重現(xiàn)性、瓶內(nèi)均勻性、時(shí)間穩(wěn)定性等相關(guān)因素的影響,并將該樣品與同類氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了比較。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 試劑和儀器

      高純氮?dú)猓罕本┢杖R克斯實(shí)用氣體有限公司,純度為99.999%;正己烷:德國Dr. Ehrenstorfer公司,純度為99.1%;57種臭氧前體物(PAMS)氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品:美國Linde公司,溯源至美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)。

      Agilent 7890A型氣相色譜儀:美國安捷倫科技有限公司,配有氫火焰離子化檢測器(FID);Mettler-Toledo XP26003L型質(zhì)量比較器:瑞士Mettler Toledo公司;Mettler AE163型電子天平:瑞士Mettler Toledo公司;通用型氣體填充設(shè)備:日本STEC公司。

      1.2 氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備過程

      采用稱量法[12]制備氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品,整個(gè)制備過程分為兩個(gè)階段。首先采用液態(tài)組分氣化填充裝置實(shí)現(xiàn)正己烷液體的完全氣化,并在不吸附的情況下定量轉(zhuǎn)移到經(jīng)處理后的氣瓶中;然后,向氣瓶中充入高純氮?dú)庵令A(yù)定壓力,待樣品氣瓶達(dá)到熱平衡后,稱量氣瓶的總質(zhì)量。根據(jù)注入氣瓶的正己烷的含量和充入氮?dú)獾暮坑?jì)算得到所制備的正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的含量。

      對于常溫下是液態(tài)的組分,或者易凝結(jié)的組分,為了保證所制備的混合氣體中各組分完全呈氣態(tài),需要計(jì)算最大充裝壓力時(shí)組分的最大制備含量。正己烷的飽和蒸氣壓為13.10 kPa(25 ℃),故其最大制備含量為1310 μmol/mol(制備溫度25 ℃,總壓力10 MPa)。由于該最大制備含量是采用25 ℃時(shí)的飽和蒸氣壓計(jì)算求得的,考慮到氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品應(yīng)用現(xiàn)場的溫度可能會低至零下20℃,并結(jié)合天平稱量量、氣瓶容積以及稀釋次數(shù)等因素,本研究采用兩步稀釋法,首先將純品稀釋制備含量水平為20 μmol/mol的氮?dú)庵姓和榛鶞?zhǔn)氣體,然后再進(jìn)一步稀釋制備含量水平為1 μmol/mol的正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品。

      1.3 分析方法

      采用GC技術(shù)對氣樣進(jìn)行分析檢測。色譜柱:GS-GasPro 60 m×0.32 mm;程序升溫:從100 ℃開始以25 ℃/min升至200 ℃(保持2.4 min);檢測器:FID;檢測器溫度:250 ℃;載氣:N2;進(jìn)樣量:2 mL。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 原料不確定度的評定

      采用GC技術(shù)檢測正己烷的純度,并以歸一化法進(jìn)行評定,結(jié)果見表1。由表1可見,純度的檢測結(jié)果為99.3%。由于證書給出的純度為99.1%,相對擴(kuò)展不確定度為0.50%(置信水平為95%,包含因子k=2),因此,正己烷純度的相對不確定度為0.50%/2=0.25%。

      表1 正己烷純度的檢測結(jié)果

      對高純氮?dú)膺M(jìn)行分析時(shí)未能檢出正己烷雜質(zhì),所用分析方法的檢出限(對0.012 μmol/mol的氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品連續(xù)進(jìn)行了10次分析,以分析數(shù)據(jù)的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為方法的檢出限)為0.002 μmol/mol。本研究認(rèn)為高純氮?dú)庵姓和殡s質(zhì)低于方法的檢出限,根據(jù)矩形分布,高純氮?dú)庵姓和殡s質(zhì)引起的不確定度為0.0006 μmol/mol。對于制備1 μmol/mol正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品,由高純氮?dú)庵姓和殡s質(zhì)引起的不確定度可以忽略不計(jì)。

      2.2 制備方法評估

      2.2.1 制備的重現(xiàn)性

      制備的重現(xiàn)性是保證制備過程量值一致性的重要條件。本研究同時(shí)制備多瓶(n=6)含量水平為1 μmol/mol左右、壓力為10 MPa的氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品,放置48 h后測定其峰面積響應(yīng)值(A),通過比較單位含量色譜峰面積(R)的差異性,判斷該標(biāo)準(zhǔn)樣品制備的重現(xiàn)性。制備重現(xiàn)性的檢測結(jié)果見表2。

      表2 制備重現(xiàn)性的檢測結(jié)果

      由表2計(jì)算可得,R的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.37%,表明所采用的制備方法具有良好的重現(xiàn)性,能夠滿足制備的需求。

      2.2.2 氣瓶內(nèi)壁的吸附作用

      為考察氣瓶內(nèi)壁對正己烷的吸附作用,將充有10 MPa氮?dú)獾恼和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品(母瓶)轉(zhuǎn)入經(jīng)過處理的國產(chǎn)普通氣瓶(子瓶)中,至兩瓶壓力相等。放置48 h后,測定各氣瓶的響應(yīng)值,結(jié)果見表3。由表3可見,含量水平為1 μmol/mol的正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品在母瓶和子瓶的響應(yīng)值偏差無明顯差異。因此,所選用的國產(chǎn)普通氣瓶內(nèi)壁對組分的吸附解吸作用可以忽略不計(jì)。

      表3 氣瓶內(nèi)壁吸附作用的檢測結(jié)果

      2.3 瓶內(nèi)均勻性評價(jià)

      由于氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品通常采用單瓶制備和定值,故無法考察氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的瓶間均勻性。為了保證氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品在使用的不同壓力階段量值的準(zhǔn)確可靠,本研究重點(diǎn)考察樣品量值隨瓶內(nèi)氣體壓力的變化量,并以此對瓶內(nèi)均勻性進(jìn)行評價(jià)。按照GB/T 15000.3—2008《標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則(3) 標(biāo)準(zhǔn)樣品 定值的一般原則和統(tǒng)計(jì)方法》[13],將充填有10 MPa氮?dú)獾恼和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品通過減壓閥放氣,每個(gè)壓力值重復(fù)測量3次,以氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品因均勻性變化引起的測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差sbb作為氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度ubb,計(jì)算方法見式(1)。相對不確定度Ubb則為ubb/C(C為含量測定結(jié)果的均值)。

      式中:MSamong為不同壓力值測量結(jié)果的均方;MSwithin為同一壓力值重復(fù)測量結(jié)果的均方;n為同一壓力值時(shí)的檢驗(yàn)次數(shù)。

      瓶內(nèi)均勻性的檢測結(jié)果見表4。由表4可見:1 μmol/mol的氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品的量值在壓降過程中未見明顯變化,說明其最低使用壓力可達(dá)1 MPa;瓶內(nèi)不均勻性引起的不確定度與測量不確定度相近,可以認(rèn)為樣品在瓶內(nèi)是均勻的。由樣品均勻性引起的不確定度將計(jì)入標(biāo)準(zhǔn)樣品特性量值的不確定度評價(jià)。

      表4 瓶內(nèi)均勻性的檢測結(jié)果

      2.4 時(shí)間穩(wěn)定性評價(jià)

      氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性是其得以有效使用的前提條件。根據(jù)穩(wěn)定性評價(jià)的相關(guān)方法[13-14],對不同時(shí)間的氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測定,并對結(jié)果進(jìn)行線性擬合。以b1表示斜率,b0表示截距,分別計(jì)算b1及其不確定度s(b1),然后比較|b1|和t0.95,n-2(n-2自由度,95%置信水平的t分布臨界值)×s(b1)的大小,考察b1的顯著性,以此判斷樣品量值是否隨時(shí)間而變化。時(shí)間穩(wěn)定性的檢測結(jié)果見表5。由表5可見,|b1|均小于t0.95,5×s(b1),即在95%置信水平內(nèi)氣瓶內(nèi)氣體樣品的穩(wěn)定性無明顯差異,說明本研究制備的氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品的組分量值在18個(gè)月的實(shí)驗(yàn)期內(nèi)穩(wěn)定性良好。根據(jù)前期氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品研制給定的有效期,并考慮樣品制備和定值過程的周期,選擇該標(biāo)準(zhǔn)樣品在室溫(0~38 ℃)條件下的有效期為12個(gè)月。

      表5 時(shí)間穩(wěn)定性的檢測結(jié)果

      2.5 定值及不確定度評定

      2.5.11 μmol/mol正己烷基準(zhǔn)氣體的量值及不確定度由于氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品定值包括基準(zhǔn)氣體和樣品氣體兩部分的定值,而1 μmol/mol的正己烷基準(zhǔn)氣體采用兩步稀釋得到,因此,其不確定度來源見圖1。

      圖11 μmol/mol正己烷基準(zhǔn)氣體的不確定度來源

      組分氣體的分子量和不確定度可根據(jù)IUPAC公布的元素原子量進(jìn)行計(jì)算和估計(jì),所得結(jié)果對照文獻(xiàn)[15]可知,本研究中組分氣體分子量的不確定度可以忽略不計(jì)。1 μmol/mol正己烷基準(zhǔn)氣體的含量(xi,μmol/mol)和不確定度(u(xi),μmol/mol)計(jì)算公式分別見式(2)和式(3)。

      式中:xi為正己烷在最終混合氣中的摩爾分?jǐn)?shù);mi為正己烷中間氣的稱量質(zhì)量,g;mp為稀釋氣體的稱量質(zhì)量,g;Mi為正己烷的摩爾質(zhì)量,g/mol;Mp為稀釋氣體的摩爾質(zhì)量,g/mol;xiA為正己烷中間氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù);u(xiA),u(mi),u(Mp),u(mp)分別為各來源對應(yīng)的不確定度。

      根據(jù)上述公式計(jì)算得到含量水平為1 μmol/mol正己烷基準(zhǔn)氣體的不確定度為0.004 μmol/mol,含量為(1.135±0.004)μmol/mol。因此,其相對不確定度為0.35%。

      2.5.2 正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)值

      通過單點(diǎn)校準(zhǔn)法對氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行測定,計(jì)算公式見式(4)。

      式中:Cs為氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的含量,μmol/mol;As為樣品氣體的響應(yīng)值;Acal為基準(zhǔn)氣體的響應(yīng)值;Ccal為基準(zhǔn)氣體的含量,μmol/mol。

      2.5.3 正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度

      正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度來源見圖2。

      圖2 正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品不確定度來源

      其中,基準(zhǔn)氣體的不確定度傳遞為0.35%,基準(zhǔn)氣體測定的重復(fù)性為0.17%,樣品氣體測定的重復(fù)性為0.17%,不均勻性引起的不確定度取均勻性檢測結(jié)果的最大值0.25%。根據(jù)穩(wěn)定性評價(jià)的相關(guān)方法[13],氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品因穩(wěn)定性變化引起的不確定度ults的計(jì)算公式見式(5),相對不確定度Us則為ults/Cs。由此求得1 μmol/mol含量水平的氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的相對不確定度為0.27%。根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行合成,得到相對不確定度為0.56%,相對擴(kuò)展不確定度(k=2)為1.1%。根據(jù)報(bào)告不確定度的要求[16]和氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的特點(diǎn),將相對擴(kuò)展不確定度末位進(jìn)位,得到最終結(jié)果為2%。

      式中,t為穩(wěn)定性檢驗(yàn)時(shí)間(以月計(jì)),由于該氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的有效期為12個(gè)月,故在本研究中t=12。

      2.6 比對分析

      為驗(yàn)證本研究制備的氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品的量值是否準(zhǔn)確,將研制的正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品與美國Linde公司PAMS氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品中的正己烷進(jìn)行了比對,并將樣品送至中國計(jì)量科學(xué)研究院(計(jì)量院)進(jìn)行測試,與其研制的同種類型的氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比對。比對分析的依據(jù)見式(6)[17],結(jié)果見表6。

      式中:xCRM為氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)值,μmol/mol;xmeas為氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定均值,μmol/mol;uCRM為氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度;umeas為分析測量的不確定度。

      如果比對結(jié)果滿足式(6),說明制備的標(biāo)準(zhǔn)樣品量值與同類標(biāo)準(zhǔn)樣品的量值一致性良好;否則,一致性不好。由表6可見,比對結(jié)果滿足式(6),說明研制的正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品與美國Linde公司以及中國計(jì)量科學(xué)研究院(計(jì)量院)的標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品具有較好的量值一致性。

      表6 與PAMS和計(jì)量院氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的比對結(jié)果

      3 結(jié)論

      a)采用稱量法通過兩步稀釋制備了含量水平為1 μmol/mol的氮?dú)庵姓和闅怏w標(biāo)準(zhǔn)樣品。

      b)該正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的最低使用壓力為1 MPa,有效期為12個(gè)月(0~38 ℃),相對擴(kuò)展不確定度(k=2)為2%。

      c)比對結(jié)果表明,該正己烷氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品的量值與同類標(biāo)準(zhǔn)樣品具有可比性。

      d)該標(biāo)準(zhǔn)樣品將主要用于環(huán)境空氣和污染源正己烷氣體監(jiān)測分析過程中的質(zhì)量控制與保證、儀器校準(zhǔn)以及對未知含量的正己烷進(jìn)行標(biāo)定并賦予量值。

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