氣相色譜中的氮氣發生器

 

　　常用的氮氣供給方式包括使用鋼瓶氮氣和使用氮氣發生器來提供。

 

　　鋼瓶氮氣需要向氣體供應商購買，一般采用深冷分離法從空氣中獲得，適合大規模工業制氮；氮氣發生器的種類、原理和結構多種多樣，從原理上來講，一般分為三種，即：電解法、膜分離法，以及變壓吸附（PSA）&碳分子篩法。

 

　　一 電解法制氮

 

　　使用電解法制氮原理的氮氣發生器，其主要特點就是儀器具有電解液儲液桶，見下圖：

 

　　其主要原理是：原料空氣進入到電解池中，空氣中的氧在陰極被附而獲得電子，與水作用生成氫氧根離子并遷移到陽極，在陽極處失去電子析出氧氣，因此空氣中的氧不斷被分離，只留下氮氣隨氣路被輸出。

 

　　一般而言，加KOH液體（水）的電解法氮氣發生器所產生的氮氣中含水量高且帶有一定腐蝕性，雖然氣路出口具有凈化裝置，但是如果凈化效果不佳或者凈化裝置失效，容易造成色譜儀不穩定，長時間使用還會造成色譜柱柱效降低等后果。因此，不建議使用該種原理產生的發生器來做氣相色譜儀載氣。

 

　　二 膜分離法制氮

 

　　利用膜（中空纖維膜）分離法制氮的基本原理是：當兩種或兩種以上的氣體混合物通過中空纖維膜時， 由于氣體在膜中的溶解度和擴散系數有差異， 因而這些氣體在膜中的相對滲透率是不同的。當混合氣體在驅動力（膜兩側壓力差） 作用下通過中空纖維膜時， 滲透速率相對快的氣體， 如水、氫氣、硫化氫、二氧化碳等， 快速透過膜進入膜的另一側。而滲透速率相對較慢的氣體， 如甲烷、氮氣、一氧化碳等， 則被膜滯留在這一側而富集， 從而達到使混合氣體分離的目的。
 

　　其中，膜式空氣分離器是制氮的核心部件。

 

　　一般而言，采用膜分離制氮得到的氮氣純度＜99.9%，可以用在一般的常量分析之中。

 

　　三 變壓吸附（PSA）&碳分子篩法制氮

 

　　1 變壓吸附的原理

 

　　變壓吸附是用于分離混合氣體，提取某一氣體組分的技術，是指在系統溫度維持不變的情況下，通過升高或降低系統的壓力來不斷地改變吸附劑的吸附量從而達到組分分離的方法；主要體現在較高壓力下進行吸附，在較低壓力下（常壓或真空）使吸附的組分解吸出來，從而得到得到氣體產物。

 

　　2 變壓吸附用于氧氮分離

 

　　實驗室制氮過程中常使用分子篩作為變壓吸附中的吸附劑，因此有的廠家稱之為碳分子篩法。

 

　　以上圖為例，制氮的基本過程為：

 

　　（1）在采用碳分子篩為吸附劑時，碳分子篩對氧氮的吸附速度相差很大。在高壓下，空氣進入碳分子篩后，在短時間內，氧的吸附速度大大超過氮的吸附速度（碳分子篩對二氧化碳等也有吸附能力），從而將氣體由空氣變成富氮的組分。

 

　　（2）氮氣流出后，通過降低壓力，分子篩表面上被吸附的氧分子等被解吸排出，從而吸附劑得以再生。

 

　　變壓吸附方法制得的氮氣的純度在95. 0%～99. 9%之間，甚至可以得99 .9995 %以上純度的氮氣。一般而言，如果需要更高純度的氮氣則需增加氮氣凈化設備，并且在其他條件不變情況下（如輸入氣體量），氮氣的純度越高，氮氣輸出量則越小。

 

　　四 比較

 

　　對于采用電解法、膜分離法，以及變壓吸附（PSA）&碳分子篩法三種不同原理制氮的實驗室用氮氣發生器而言，氮氣純度的下限是沒有限制的，區別在于氮氣純度的上限：即變壓吸附（PSA）&碳分子篩法原理的氮氣發生器可以獲得更高純度的氮氣。目前市面上可以購買到提供純度達到99.999%的氮氣發生器，相應的，其價格也較高。

 

　　在實際的使用中，主要是依據實際需要選擇可以產生合適純度氮氣的氮氣發生器。對于氣相色譜，尤其是裝有ECD檢測器的氣相色譜儀器，建議選擇可以產生純度大于99.999%純的氮氣發生器。如果預算不能達到，的辦法是購買高純氮氣，并加裝除水、除烴和除氧裝置。

 

　　需要注意的是，如果使用氮氣發生器，尤其是高純氮氣發生器，應當做好入口空氣的除油和除水。如果用戶的除油和除水過濾器效果不佳，氮氣發生器的分離膜或者碳分子篩的分離效果會隨著使用年限的增加而慢慢失效。