专利名称：制备型气相色谱系统及其分离惰性气体样品的方法
技术领域：
本发明涉及一种气相色谱分离系统及气相色谱分离系统用于分离惰性气体样品的方法，特别涉及一种制备型气相色谱系统及其制备惰性气体样品的方法。
背景技术：
气相色谱是一种常规的分析手段，从应用目的上大致分为分析型气相色谱和制备型气相色谱两大类，其中分析型气相色谱的发展和应用已经达到了一种成熟的程度。制备型色谱与分析型色谱的基本原理是相同的，但也有重大差别，分析型色谱要求较少的进样或痕量进样，有利于形成对称色谱峰，减小拖尾，而制备型色谱则是在保证达到一定的产品纯度和收率的前提下，要求提高色谱柱的进样量和产品量。目前限制制备型气相色谱技术发展的主要因素是难以实现大体积大规模的样品进样、收集和制备，导致生产效率较低。

发明内容
本发明目的是提供一种制备型气相色谱系统及其分离惰性气体样品的方法，其解决了现有气相色谱系统及其应用中存在的难以实现大体积大规模的样品进样、收集和制备的技术问题，提高了生产效率。本发明的技术解决方案是一种制备型气相色谱系统，包括气体增压进样装置、制备气相色谱分离控制装置、 气体组分收集与制备装置和真空泵，其特殊之处是所述气体增压进样装置包括样品定量环、第一隔膜泵、气动六通阀；所述第一隔膜泵的进口通过阀门与样品源瓶相通，其出口通过阀门与气动六通阀的b端相通；所述样品定量环的两端分别与气动六通阀的f端和c端相通；所述气动六通阀包括气动六通阀阀体和驱动气，所述驱动气为气动六通阀气动六通阀在取样和进样状态间的切换提供动力；所述制备气相色谱分离控制装置包括色谱控制主机、色谱柱、色谱检测器、载气瓶；所述载气瓶通过阀门与气动六通阀的e端相通；所述色谱柱的进口与气动六通阀的d端相通，其出口与色谱检测器的入口相通；所述气体组分收集与制备装置包括带有控温装置的富集单元、第二隔膜泵、组分收集瓶和冷阱；所述富集单元的入口通过阀门与色谱检测器的出口相通，所述富集单元的出口通过阀门与第二隔膜泵的入口相通，所述第二隔膜泵的出口与冷阱内的组分收集瓶的入口相通，所述组分收集瓶的出口通过阀门与富集单元的入口相通；所述真空泵的抽气口通过三通后，一路通过阀门与气体增压进样装置的样品源瓶和第一隔膜泵入口相通，另一路通过阀门与气体组分收集与制备装置的富集单元10的出口和第二隔膜泵入口相通。上述样品源瓶3和第一隔膜泵1之间、第一隔膜泵和气动六通阀7的b端之间、色谱检测器和富集单元之间分别设置有监测管路气体压力的压力计。上述富集单元是单个富集柱或多个并联的富集柱。上述的色谱柱为5 A分子筛填充柱，柱内径为4mm，柱长为12m ；上述的检测器为大体积热导池检测器；上述的载气为高纯氮气；上述的富集柱填料为颗粒状椰壳活性炭，活性炭粒度为14 20目。用上述制备型气相色谱系统分离惰性气体样品的方法，包括以下步骤1样品进样1. 1接入样品源瓶，保持其自带阀门关闭；1.2切换气动六通阀，使得样品定量环工作在取样状态下，对样品定量环及其辅助管路抽真空至10 以下；1.3打开样品源瓶的自带阀门，利用隔膜泵将样品气体从样品源瓶转移至样品定量环中；1. 4切换气动六通阀，使得样品定量环处于进样状态；1. 5利用载气将定量环中样品载入色谱柱，同时用压力计指示进样时的压力；2组分分离和富集2. 1采用目标组分的标准气体，确定组分分离的优化色谱条件以及检测器工作参数，建立色谱应用程序；2. 2在建立的色谱应用程序中，确定各个目标组分的色谱保留时间；2. 3启动色谱应用程序，根据已确定的各个组分的保留时间，控制检测器后端的三通切换阀，将目标组分切至相应的富集柱进行富集；3组分解吸组分富集结束后，将富集柱在封闭状态下加热至不低于200°C，并恒温lOmin，使目标组分从富集柱中完全解吸；4组分转移采用隔膜泵，将富集柱中解吸组分转移至组分收集瓶中，开启收集瓶和富集柱之间的循环气路，冲洗富集柱；5组分精馏和样品制备5. 1通过冷阱将组分收集瓶的温度降至目标组分的沸点以下，使目标组分完全处于冷凝状态；5. 2开启真空泵将样品源瓶中的剩余气体组分排空，实现目标组分的浓缩收集。上述的色谱柱为5 A分子筛填充柱，柱内径为4mm，柱长为12m ；上述的检测器为大体积热导池检测器；上述的载气为高纯氮气；上述的富集柱为活性炭填料富集柱。本发明具有的有益效果1、本发明采用大体积的样品定量环结合气动六通阀控制样品的取样和进样，实现了大体积大规模的样品进样、收集和制备，提高了生产效率；2、本发明采用隔膜增压进样技术，在样品定量环体积一定的情况下，提高了样品进样量，可以将一定量的样品气体单次高效转移至样品定量环，实现样品的高效进样；3、本发明采用对富集柱中组分高温解吸结合隔膜增压扩散转移的方法，提高了组分转移和收集的效率；4、本发明对应不同的气体采用不同填充材料的富集柱，实现了多目标组分的独立富集。


图1为本发明制备型气相色谱系统工作流程示意图；图2为本发明富集柱结构示意图；图3为本发明制备型气相色谱系统样品定量环取样状态工作示意图；图4为本发明制备型气相色谱系统样品定量环进样状态工作示意图；图5为本发明制备型气相色谱系统组成示意图；其中1-载气瓶；2-气体过滤器；3-样品源瓶；4-稳压阀；5-1-压力计；5_2_压力计；5-3-压力计；6-1-第-隔膜泵；6-2-第二隔膜泵；7-气动六通阀；8-色谱柱；9-色谱检测器；10-富集柱及其控温装置；10-1-富集柱管路；10-2-富集柱填料；10-3-气路连接管；11-组分收集瓶；12-冷阱；13-真空泵；14-样品定量环；Vl V8和VlO V18表示气路截止阀；V9表示三通切换阀(初始状态为通大气)。
具体实施例方式本发明建立的制备气相色谱系统的工作流程如图1所示，包括样品进样、组分分离、组分收集、组分转移、组分浓缩和样品制备等步骤。本发明建立的制备型气相色谱系统包括气体样品进样装置、色谱分离控制装置和组分收集装置，如图5所示。气体增压进样装置包括样品定量环14、真空泵13、隔膜泵6-1、气动六通阀7、若干阀门和气路管件，气动六通阀7包括气动六通阀阀体和驱动气，驱动气为气动六通阀在取样和进样状态间的切换提供动力；隔膜泵6-1实现混合气体样品1从样品源瓶到样品定量环14的增压转移，样品定量环14和气动六通阀7联用实现样品的取样和进样，真空泵13 用于对进样装置管路抽真空，在真空泵13、样品定量环14、隔膜泵6-1和气动六通阀7之间设置有阀门，用于气路的通断控制；本发明的样品定量环14采用容积不小于12mL的大体积样品定量环，并通过切换气动六通阀7，使样品定量环14分别工作在取样和进样状态。如图3所示，当切换气动六通阀7的开关，使得经过样品定量环14的两端分别联接载气1和混合气体样品3时，样品定量环14处于取样工作状态；如图4所示，当切换气动六通阀7的开关，使得样品定量环14的两端分别联接色谱柱8，此时样品定量环14处于进样工作状态。 此外装置设计时尽量减小隔膜泵6-1与样品定量环14之间管路的死体积；同时采用隔膜泵 6-1可以将样品源瓶中的气体压力最小降至100 左右，隔膜泵6-1出口压力最大可达约 5. OX IO5Pa,从而可以保证样品气体的高效进样。气相色谱分离控制装置包括色谱控制主机、色谱柱8、色谱检测器9、载气1及连接气路，载气1将样品定量环14中样品载入色谱柱8后，色谱检测器9实时参数检测，实现混合组分的色谱分离；色谱柱8为5 A分子筛填充柱，柱内径为4mm，柱长为12m ；色谱检测器 9为大体积热导池检测器，可以保证从色谱柱8留出的气体全部进入色谱检测器9而不会影响色谱检测器9的检测性能；气体组分收集与制备装置包括多组并联的富集柱10、隔膜泵 6-2、真空泵13、组分收集瓶11、冷阱12、若干阀门和气路管件，色谱检测器9输出的气体分别进入相应的富集柱10，富集柱10用于样品组分的吸附截留，经过隔膜泵6-2后增压转移至组分收集瓶11，组分收集瓶11外设置有冷阱12，用于载气和收集气体的冷凝分离，真空泵13用于对收集装置管路抽真空，并用于废气的排除以实现组分的纯化。在真空泵13、色谱检测器9、隔膜泵6-2和组分收集瓶11之间设置有阀门，用于气路的通断控制。
富集柱10的结构如图2所示，包括富集柱管路10-1和气路连接管10-3，在富集柱管路10-1中填充有富集柱填料10-2，每种富集柱填料10-2根据不同的气体而定。下面给出了本发明的具体实施步骤本实验进行某混合样品气体中氩、氪、氙的气相色谱分离与制备。混合样品中氩、 氪、氙的体积比浓度分别为9. 97%、9. 95%和9. 91%，氮气为基体气。样品存放于容积为 36mL的不锈钢源瓶中。具体实验步骤如下(1)在图4所示的样品定量环14取样状态下，将样品源瓶通过阀门Vl接入进样装置，保持源瓶自带阀门关闭；(2)关闭阀门V2、V5和V8，开启阀门VI、V3、V4、V19和V20，启动真空泵13，将样品定量环14及相关管路抽真空至10 以下；(V8的作用就是将气动六通阀的a端密封，故一直处于关闭状态。)(3)关闭阀门V3和V4 ；切断真空泵13电源，启动隔膜泵6-1 ；(4)开启样品源瓶3，将样品气体从样品源瓶增压转移至样品定量环14中，压力传感器5-1指示样品源瓶中残存气体的压力，同时用压力传感器5-2指示样品定量环中气体的压力；(5)待5-1压力指示数值不再变化后，关闭阀门V20，切断隔膜泵6_1电源；(6)确保色谱主机及色谱检测器9处于预设色谱程序的就绪状态，切换启动气动六通阀7使得样品定量环14工作在如图4所示的进样状态，载气1将样品定量环14中样品载入色谱柱8，完成样品的进样，并进行混合组分的色谱分离；(7)目标组分流出前，确保载气1不进入组分收集瓶11，即阀门V9打开，阀门V10、 V12和V14关闭；(8)在上述预设色谱程序中，氩氪氙的保留时间分别为4. 3min、5. 6min和 10. 9min ；氩氪氙色谱峰峰宽分别约为1. Omin,2. Omin和5. Omin0在各目标组分出峰的时间段内，将阀门V9关闭，对应的富集柱10两端阀门打开，即氩对应VlO和Vll ；氪对应V12 和V13 ；氙对应V14和V15，且阀门V16打开、V17关闭；(9)待氙的富集完毕后，确保所有富集柱10两端阀门关闭，阀门V9打开；(10)按照待转移制备目标组分的次序，将富集该目标组分的富集柱10加热至 280°C，并恒温 IOmin ；(11)以最上面一根富集柱中目标组分的转移为例，启动隔膜泵6-2，开启阀门Vll 和V17，将富集柱10中解吸组分转移至置于冷阱12中的样品收集瓶11中；隔膜泵6-2持续工作:3min后，关闭阀门V17，静置约5min，使目标组分充分冷却；(12)开启阀门V18和V17，利用系统气路中未冷却的载气，循环冲洗该富集柱，持续工作约anin ；然后关闭阀门V18，使隔膜泵6-2持续工作约!Min后，关闭阀门V17 ；(13)关闭隔膜泵6-2，启动真空泵13，打开阀门VlUVlO和V18，将收集瓶11中的载气排空，排气时长约5s，然后关闭阀门V18 ；(14)将收集瓶11从冷阱12中取出，保持其自带阀门关闭，换上新的源盒，重复 (10) (14)步，完成相关组分的收集和制备。
权利要求
1.一种制备型气相色谱系统，包括气体增压进样装置、制备气相色谱分离控制装置、气体组分收集与制备装置和真空泵，其特征在于所述气体增压进样装置包括样品定量环、第一隔膜泵、气动六通阀； 所述第一隔膜泵的进口通过阀门与样品源瓶相通，其出口通过阀门与气动六通阀的b 端相通；所述样品定量环的两端分别与气动六通阀的f端和c端相通；所述气动六通阀包括气动六通阀阀体和驱动气，所述驱动气为气动六通阀气动六通阀在取样和进样状态间的切换提供动力；所述制备气相色谱分离控制装置包括色谱控制主机、色谱柱、色谱检测器、载气瓶；所述载气瓶通过阀门与气动六通阀的e端相通；所述色谱柱的进口与气动六通阀的d端相通， 其出口与色谱检测器的入口相通；所述气体组分收集与制备装置包括带有控温装置的富集单元、第二隔膜泵、组分收集瓶和冷阱；所述富集单元的入口通过阀门与色谱检测器的出口相通，所述富集单元的出口通过阀门与第二隔膜泵的入口相通，所述第二隔膜泵的出口与冷阱内的组分收集瓶的入口相通，所述组分收集瓶的出口通过阀门与富集单元的入口相通；所述真空泵的抽气口通过三通后，一路通过阀门与气体增压进样装置的样品源瓶和第一隔膜泵入口相通，另一路通过阀门与气体组分收集与制备装置的富集单元10的出口和第二隔膜泵入口相通。
2.根据权利要求1所述的制备型气相色谱系统，其特征在于所述样品源瓶3和第一隔膜泵1之间、第一隔膜泵和气动六通阀7的b端之间、色谱检测器和富集单元之间分别设置有监测管路气体压力的压力计。
3.根据权利要求1或2所述的制备型气相色谱系统，其特征在于所述富集单元是单个富集柱或多个并联的富集柱。
4.根据权利要求3所述的制备型气相色谱系统，其特征在于所述的色谱柱为5A分子筛填充柱，柱内径为4mm，柱长为12m ；所述的检测器为大体积热导池检测器；所述的载气为高纯氮气；所述的富集柱填料为颗粒状椰壳活性炭，活性炭粒度为14 20目。
5.用制备型气相色谱系统分离惰性气体样品的方法，其特征在于，包括以下步骤 1样品进样·1.1接入样品源瓶，保持其自带阀门关闭；·1.2切换气动六通阀，使得样品定量环工作在取样状态下，对样品定量环及其辅助管路抽真空至10 以下；·1.3打开样品源瓶的自带阀门，利用隔膜泵将样品气体从样品源瓶转移至样品定量环中；·1. 4切换气动六通阀，使得样品定量环处于进样状态；·1.5利用载气将定量环中样品载入色谱柱，同时用压力计指示进样时的压力； 2组分分离和富集·2.1采用目标组分的标准气体，确定组分分离的优化色谱条件以及检测器工作参数， 建立色谱应用程序；·2. 2在建立的色谱应用程序中，确定各个目标组分的色谱保留时间； 2. 3启动色谱应用程序，根据已确定的各个组分的保留时间，控制检测器后端的三通切换阀，将目标组分切至相应的富集柱进行富集； 3组分解吸组分富集结束后，将富集柱在封闭状态下加热至不低于200°C，并恒温lOmin，使目标组分从富集柱中完全解吸； 4组分转移采用隔膜泵，将富集柱中解吸组分转移至组分收集瓶中，开启收集瓶和富集柱之间的循环气路，冲洗富集柱；·5组分精馏和样品制备·5. 1通过冷阱将组分收集瓶的温度降至目标组分的沸点以下，使目标组分完全处于冷凝状态；·5.2开启真空泵将样品源瓶中的剩余气体组分排空，实现目标组分的浓缩收集。
6.根据权利要求5所述的用制备型气相色谱系统分离惰性气体样品的方法，其特征在于所述的色谱柱为5 A分子筛填充柱，柱内径为4mm，柱长为12m ；所述的检测器为大体积热导池检测器；所述的载气为高纯氮气；所述的富集柱为活性炭填料富集柱。
全文摘要
本发明涉及一种制备型气相色谱系统及其分离惰性气体样品的方法，采用大体积的样品定量环结合气动六通阀控制样品的取样和进样，采用对富集柱中组分高温解吸结合隔膜增压扩散转移的方法，对应不同的气体采用不同填充材料的富集柱，实现了多目标组分的独立富集。本发明解决了现有气相色谱系统及其应用中存在的难以实现大体积大规模的样品进样、收集和制备的技术问题，提高了生产效率。
文档编号G01N30/60GK102323359SQ20111023306
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者刘蜀疆, 常印忠, 武山, 王世联, 王军, 陈占营 申请人:西北核技术研究所