化学工程与工艺专业实验讲义文档格式.docx
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气相色谱仪的基本结构如图2.1.1所示。
可以看出，气相色谱仪主要包括四部分。
即，载气系统，进样系统，分离系统和检测系统。
图2.1.1气相色谱仪的结构示意图
载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压阀控制压强和流速，然后进入检测器热导池的参考臂，再进入色谱柱。
最后通过热导池、流量计而进入大气。
常用的载气有氢气、氮气和氦气。
进样系统包括进样装置和汽化室。
进样通常用微量注射器将样品引入。
液体样品引入后需要在气化室瞬间汽化。
分离系统是指色谱柱。
色谱柱一般为直径1～6mm的不锈钢管，长度为1～6m。
管内填充有固定相。
检测器的作用是将色谱分离后的各组分的量转变成可测量的电信号，然后纪录下来。
常用的检测器有热导池检测器（ThermalConductivityDetector,TCD），氢火焰离子化检测器（FlameIonizationDetector，FID）等。
2.2气相色谱中的常见术语
色谱流出曲线及色谱图指样品注入色谱柱后，信号随时间变化的曲线。
图2.1.2色谱流出曲线
基线在操作条件下，没有组分流出时的流出曲线称为基线。
稳定的基线应是一条平行于横轴的直线。
基线反映仪器（主要是检测器）的噪音随时间的变化。
保留时间从进样开始到某个组分的色谱峰顶点的时间间隔称为该组分的保留时间（retentiontime），即从进样到柱后某组分出现浓度极大时的时间间隔。
图2.1.2.1中tr别组分B的保留时间。
在给定的色谱条件下，一种物质的保留时间是固定的。
因此，可以通过保留时间来确定所分析的组分是什么物质。
峰面积出峰到峰回到基线所包围的面积，称为峰面积。
色谱峰面积或峰高是色谱定量的依据。
某一组分的峰面积与该组分的含量成正比。
校正因子校正因子分为绝对校正因子和相对校正因子。
某组分B的量与其色谱的峰面积成正比，即
，fB称为绝对校正因子。
绝对校正因子受实验条件的影响，定量分析时必须与实际样品在相同条件下测定标准物质S的校正因子，因此常用相对校正因子
相对校正因子只与检测器类型有关，和色谱条件无关。
常用的标准物质是苯和庚烷，分别用于热导池检测器和氢火焰离子化检测器。
归一化法定量将所有组分的峰面积AB分别乘以它们的相对校正因子后求和即为流出色谱柱组分的总量。
则B组分的百分含量为
采用归一化法的前提条件是样品中所有成分都能出峰。
内标法定量当样品中某些组分不能从色谱柱中流出，或某些组分在检测器上无信号，或只需要对样品中某一个或某几个组分进行定量时，可以使用内标法。
所谓内标法，是将一定量的纯物质作为内标物加入到准确称量的试样中，根据试样和内标物的质量以及被测组分和内标物的峰面积可求出被测组分的含量。
由于被测组分与内标物质量之比等于峰面积之比，即
或者
式中下标S表示内标物。
或样品总质量为m，则
内标物的选择必须符合下列条件：
（1）内标物应是试样中原来不存在的纯物质，性质与被测物相近，能完全溶解于样品中，但不能与样品发生化学反应。
（2）内标物的峰位置应尽量靠近被测组分的峰，或位于几个被测物之峰的中间并与这些色谱峰完全分离。
（3）内标物的质量应与被测物质的质量接近，能保持色谱峰大小差不多。
3实验仪器及药品
GC910T型气相色谱仪，氮气钢瓶，皂膜流量计，称表，色谱工作站；
称量瓶，分析纯甲醇，乙醇，丙醇，丁醇。
4实验步骤
（1）配制标准样品。
按甲醇：
乙醇：
正丙醇：
正丁醇=1：
2：
3的比例配制。
（2）打开色谱仪电源，打开氮气钢瓶阀门，调整减压阀0.2～0.4MPa；
（3）打开仪器上气路1和气路2的载气稳压阀，两气路均调整压力至0.13MPa。
有时，在柱箱未加热时，气路阻力较小，可能压力无法调到0.13MPa，等温度升高后压力会增加的；
（4）用皂膜流量计测量载气的流速；
30～40ml/min即可；
（5）将柱箱、气化室和检测器温度分别设定为125℃，140℃和135℃。
打开加热开关，调整检测器的电流为70mA；
（6）等温度升高到设定值后，再用皂膜流量计测量载气流速，看是否符合要求。
（7）打开色谱工作站，查看基线；
（8）等基线走稳后即可进样。
进样量为2～3μL。
分别对标准样品和未知样品进行分析测试，求出相对校正因子和未知样品中各组分的含量。
参考附录2。
（9）实验毕，关闭关闭柱箱、气化室和检测器加热电源。
等热导池温度下降至70℃以下，再关闭载气钢瓶。
5实验结果及计算
计算各组分的相对校正因子，并据此和色谱分析结果求算未知样品各组分的含量。
6思考题
（1）气相色谱分析的定性和定量原理是什么？
（2）进行定量分析时为什么要测定校正因子？
（3）为什么实验完成后不能立即关闭载气钢瓶，而要等热导池温度下降至70℃以下才能关闭载气钢瓶？
附录1热导池使用注意事项
热导池中的关键热导元件是用钨铼丝做的,钨铼丝直径一般只有15μΩ-30μΩ,材料又比较容易氧化。
氧化或受污染后,阻值发生变化或断损,造成热导池测量电桥的对称性被破坏,致使仪器无法正常工作,引起热导元件损坏的因素较多,注意事项归纳如下：
1、热导池接并联双气路应用时，必须同时并联装上二根色谱柱，二路都要同时通载气，如果只装一根柱，而另一路不装柱不通载气，那么，一通电源就会将钨丝元件烧坏。
2、在应用微型热导池做毛细管色谱分析时，可一路装毛细柱加尾吹，另一路必须也装上一根填充柱或空柱，同时通入载气。
3、仪器停机后，外界空气往往会返进热导池和柱系统，因此必须在开机时要先通载气10分钟以上再通电，停机时间越长，那么重新开机时先通载气的时间也要长，否则系统中残留的空气中氧气会将钨铼丝元件氧化或烧断。
4、热导检测器使用的载气纯度必须四个9以上（99.99%），最忌载气中含氧量高，载气不纯将会影响热导元件的使用寿命，也会降低检测灵敏度，所以载气必须脱氧净化。
5、在更换装色谱柱时，必须检漏，保证气密性，色谱柱连接处漏气将会造成热导元件损坏，色谱柱出口端必须填装好玻璃棉和不锈钢丝网，避免柱担体吹入TCD。
6、在多次进样分析后，应及时更换进样器上的硅橡胶垫，如果待到硅橡胶垫被多次注射针扎破漏气时再更换就迟了，因为硅橡胶垫一漏，载气漏出，空气漏进，热导元件就会烧坏。
分析过程中更换硅橡胶垫时，必须将热导电源关断后，再迅速换垫，换好后必须通载气几分钟后才能再通热导池电源。
7、用平面六通阀做气体进样时，六通阀的位置必须停在二个极端位置，不能将阀旋停在中间位置，因为中间位置是六通阀将载气切断不通，这是很危险的，容易导致热导池中因不通载气而损坏。
8、色谱柱高温老化时，必须将热导池电源关断，热导池温控关断，并且将柱出口连接热导池进口的接头处断开，让高温老化的载气（N2）流入柱箱内，这样可避免因柱子老化而污染热导池及钨铼丝元件。
9、热导池桥电流的设定，必须比被分析试样组份的最高沸点高20～30℃，避免试样中高沸点组份冷凝在热导池中和污染钨铼丝元件。
10、热导池桥电流的设定，必须考虑所用载气的种类、工作温度和钨铼丝元件的冷阻，应明了这样的原则：
①轻载气（H2、He）桥电流可大，重载气（N2、Ar）桥电流必须小；
②热导池工作温度高，桥电流应减小，工作温度低，桥电流可增加；
③各生产厂家热导池钨铼丝元件阻值是不同的，因此，使用桥电流大小也不同，元件阻值大的，桥电流就应设定小些，具体桥电流设定可看说明书。
附录2气相色谱分析数据处理方法举例
假定一混合物中含有A、B、C、D四种组分，用气相色谱分析各组分的含量大小。
因为产物四组分能在色谱中完全出峰，故采用归一法处理。
首先根据已知样的组成和其色谱分析结果求出各组分的相对校正因子，然后根据未知样的色谱分析结果计算其组分实际含量。
1色谱分析各组分校正因子的计算方法
设混合物中组分的质量含量为x
，绝对校正因子用fi表示，各组分相对于基准组分的相对校正因子为
，组分色谱分析的面积百分数为A
%。
则有：
相对校正因子fi，是对于混合物中某一组分而言，如选择B组分作基准物质，B组分的相对校正因子为1，则其它组分的相对校正因子定义为：
表1色谱分析标样混合物组成x
原始记录表
组分项目
A
B
C
D
标样质量W
（克）
33.386
7.522
39.485
19.607
x
（质量W
%）
色谱分析1（A
51.429
6.361
27.259
14.952
色谱分析2（A
50.666
6.491
27.221
15.401
色谱分析3（A
50.895
6.432
27.189
15.484
则根据配制的标准物组成有：
（1）
对于色谱分析的结果，有：
（2）
将式
（1）代入到式
（2）中，得到：
（3）
将表1中数据代入上式中，就可以得到各组分校正因子，计算结果见表2。
表2色谱分析各组分校正因子
第一次分析
0.549
1.000
1.225
1.109
第二次分析
0.568
1.229
1.104
第三次分析
0.560
1.232
1.100
平均校正因子
0.559
2未知样浓度的计算
表3未知样色谱分析结果
组分
未知样
面积含量/%
未知样1（第一次分析）
11.333
1.930
0.000
86.737
未知样1（第二次分析）
11.508
2.257
86.235
未知样2（第一次分析）
44.401
8.469
19.517
27.613
未知样2（第二次分析）
45.462
8.399
19.286
27.853
由式
（2）组分含量与面积含量的关系可计算出实际组成。
计算结果如下表:
表4未知样质量组成
组分含量（%）
未知样1（分析1）
5.967
1.858
92.175
未知样1（分析2）
6.067
2.175
91.758
未知样1平均值
6.017
2.017
91.966
未知样2（分析1）
27.844
9.709
27.498
34.949
未知样2（分析2）
28.349
9.575
27.021
35.055
未知样2平均值
28.096
9.642
35.002
实验2喷雾干燥法制备洗衣粉
（1）通过洗衣粉的制备过程了解洗衣粉的生产原理和生产工艺。
（2）掌握喷雾干燥的技术和原理。
（3）掌握喷雾干燥反应器的加热以及仪表控制与使用。
（4）了解旋风分离器的分离原理。
洗衣粉的主要有效成份为表面活性剂十二烷基苯磺酸钠。
另外有助洗剂等其它成分。
将有关原料根据配方配制好后，用水溶解，进行喷雾干燥。
得到易于溶解、体积膨松的产品。
将溶液、乳浊液、悬浊液或浆液在热风中喷雾成细小的液滴，在它下落的过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品，称为喷雾干燥。
如果将1cm2体积的液体雾化成直径为10μm的球型雾滴，其表面积将增加数千倍，显著地加大了水分的蒸发面，提高干燥速率，缩短了干燥时间。
在干燥器顶部导入热风，同时将料液泵送至顶部，经过雾化器喷成雾状的液滴，这些液滴群的表面积很大，与高温热风接触后水分迅速蒸发，在极短的时间内便成为干燥产品，从干燥塔底部排出。
热风与液滴接触后温度显著降低，湿度增大，它作为废气抽出。
废气中夹带的微粉用分离装置回收。
见图2.1。
图2.1喷雾干燥示意图
3 试剂及仪器
试剂 十二烷基苯磺酸，元明粉（无水硫酸钠），纯碱，三聚磷酸钠，羧甲基纤维素（CMC）。
仪器 烧杯，量筒，三角瓶，台称，喷雾干燥器，表面张力测定仪等。
（1）配制溶液按以下配方配制溶液
十二烷基苯磺酸 12.5g
元明粉（无水硫酸钠）21.5g
纯碱 7.5g
三聚磷酸钠 8g
羧甲基纤维素（CMC） 0.5g
水 100g
配制溶液时应先将十二烷基苯磺酸与纯碱反应，然后再加入其它原料。
加料时一定要及时搅拌，以防结块。
配好的溶液要等全部固体彻底溶解，才能进行喷雾干燥。
配制好的溶液移至三角瓶内，并安装到喷雾干燥器的下部搅拌器上，进行搅拌并准备干燥。
（2）干燥 开启风机并调节进风量，开启加热器并调节其出口温度至300℃。
待温度接近规定值后，继续加热，使干燥器内温度升高至上段160～190℃，下段130～170℃。
注意：
千万不要在关闭鼓风机的通风时打开加热器进行加热，否则易将电加热器烧毁。
（3）干燥器温度达到设定值后，打开双流式喷嘴的冷却水阀门，把喷嘴的进风压力控制在0.12MPa，调整蠕动泵的转速为25rpm,开启蠕动泵。
经过片刻，旋风分离器内有微球状粉末出现，这时记录加料速度、风压、干燥器顶温度与干燥器底温度。
干燥过程中可以改变进料速率，观察干燥后的固体颗粒有何变化。
待浆液全部吸入后，将吸液管移至有蒸馏水的烧杯内，清洗喷头及管路10分钟。
停止加热，吹冷风冷却。
待温度降至70℃以下关闭电源。
在实验中，应特别注意雾化器处冷却水的运用，应在进料前将冷却水打开，以免浆料过热，水份蒸发，将喷头堵塞。
实验结束后不要忘记关闭冷却水。
（4）干燥毕，将所得产品称重，计算产率。
（5）配制1%洗衣粉水溶液，测定其表面张力。
与纯水的表面张力作对比。
5实验结果讨论
（1）称重所得产品，计算产率，并简要说明之。
（2）在显微镜下观察最后成型的颗粒外观形状和尺寸。
（3）画出制备流程。
（4）说明洗衣粉溶液与纯水表面张力差别的原因。
（1）简述旋风分离器的使用方法和原理。
（2）喷雾干燥成型的基本原理是什么？
（3）通过改变实验中的哪些条件可改变颗粒的粒径？
（4）进料时固含量过高或过低会有什么影响？
（5）将洗衣粉溶液与纯水的表面张力作对比，所得结果说明了什么问题？
（6）洗衣粉中各组分的作用是什么？
实验3色谱法测定固体催化剂比表面积
1实验目的：
（1）掌握色谱法测定催化剂比表面积的方法。
（2）通过实验了解吸附理论在测定比表面积方面的应用
（3）掌握色谱工作站的使用方法
2实验原理：
色谱法测定比表面积是以氮为吸附质、以氦气或氢气作载体。
两种气体按一定比例混合，使达到指定的相对压力，然后流过催化剂。
当将催化剂管放入液氮保温杯时，催化剂即对混合气体中的氮气发生物理吸附，而载气则不被吸附。
这时在色谱工作站上即出现吸附峰。
当将液氮杯移走时，催化剂管重新处于室温，吸附的氮就脱附出来，在工作站上出现与吸附峰反向的脱附峰。
最后在混合气中注入已知体积的纯氮，得到一个校正峰。
根据校正峰和脱附峰的峰面积，即可计算在该相对压力下样品的吸附量。
有以下三种实验测定方法。
（1）改变氮气和载气的混合比，可以测出几个含不同氮气相对压力下的吸附量。
从而可根据BET公式计算表面积。
BET公式为
式中，p氮气分压，Pa
p0吸附温度下液氮的饱和蒸气压，Pa
Vm催化剂上形成单分子层需要的气体量，ml
Vd被吸附气体的总体积，m3
C与吸附有关的常数。
以
对
作图，可得一直线，其斜率为
，截距为
，由此可得
若知每个被吸附分子的截面积，可求出催化剂的表面积，即
式中，as催化剂的比表面积，m2/g；
L阿弗加德罗常数；
am被吸附气体的横截面积m2；
m催化剂样品量g；
V01mol气体在标准状况（0℃，101.325kPa）下的体积：
22.4L/mol。
BET公式的适用范围为
=0.05-0.35,相对压力超过此范围可能发生毛细管凝聚现象。
（2）以已知比表面积和装入量的催化剂为标样，依次测出标样和试样的脱附峰，用计算机记录下两样品脱附峰的峰面积。
计算公式
（4）
式中
Ad0—标准管催化剂脱附峰峰面积m2；
Ad1—测量1催化剂脱附峰峰面积m2；
Ad2—测量2催化剂脱附峰峰面积m2；
m0—标准管催化剂质量g；
m1—测量1催化剂质量g；
m2—测量2催化剂质量g；
as0—标准管催化剂比表面积m2/g；
as1—测量1催化剂比表面积m2/g；
as2—测量2催化剂比表面积m2/g。
（3）先测定样品的脱附量，得到脱附峰。
在相同的色谱条件下，用定量管注入已经量的氮气，得到一个氮气标样的峰面积。
根据两个峰面积之比可以求出样品脱附氮气的量。
3实验仪器和药品
催化剂比表面积测定仪，色谱工作站。
玻璃试样管，保温杯等。
催化剂（80目），液氮，温水（40℃左右），氮气，氦气，岩棉。
（1）首先将催化剂和试样管在120℃下烘干两小时，置于干燥器中冷却至室温。
先将样品管在分析天平上准确称重，然后将约0.1g的催化剂用纸槽送入样品管底部,再对装有试样的样品管准确称重。
求出样品的准确重量。
在样品管口处放适量岩棉，用细金属丝推动岩棉将催化剂成柱状固定在样品管的最低端。
（2）将装好催化剂的样品管全部装到系统上，开启载气钢瓶,调节其流速为50-70m1/min，放入加热炉内加热到约200℃（加热温度视催化剂而定），用载气吹扫半小时后停止加热,移走加热炉。
若催化剂预先热处理过此步可省略，只需每次实验前在120℃时烘干两小时左右。
（3）调节稳压阀V-2、调节阀V-4，使载气流速约为5O-70ml/min，用皂膜流量计准确测量,并在整个实验过程中保持载气流速不变。
（4）开启气路1氮气钢瓶，调节稳压阀V-1、调节阀V-3，使氮气流速约为5-8ml/min,N2与载气混合均匀后,再用皂膜流量计准确测定混合气流速。
（5）调节调节阀V-5，使放空孔微有气泡冒出即可。
（6）接通电源,电压为22OV,打开检测器、柱箱和桥电流开关，按下检测器给定按钮，旋转旋钮调节给定温度为60℃，调节桥电流至80mA,衰减为1。
（7）开启工作站,调节基线在适当位置，六通阀应处于"
系统"
位置。
（8）等色谱基线走稳后，将液氮、温水（40℃左右）分别倒入保温杯和不锈钢杯中待用。
液氮量为保温杯的3/4处即可。
温水液面尽可能多的没过催化剂即可。
（9）把放有液氮的保温杯套在样品管上，计算机屏幕上出现N2的吸附峰。
此时，液氮将没过催化剂为最佳。
待回到基线后,在计算机的色谱工作站上点击采集数据，开始采集数据。
约30s后，将液氮保温杯移走,同时将装有温水的不锈钢杯套在相应的样品管上。
此时，样品管尽可能多的浸在温水中。
计算机屏幕上又出现一个与吸附峰相反的脱附峰。
（10）等色谱峰回到基线后，将六通阀转至"
分析"
，10秒钟后再将六通阀转置"
。
此时计算机屏幕上出现一个正峰，即标样峰。
即完成了一个平衡压力下的吸附量的测定。
如图3.1。
图3.1 色谱法测定固体催化剂比表面积时氮的吸附和脱附峰
（11）改变N2流速，每次较前一次增加约3ml/min,使相对压力保持在0.05-0.35。
按步骤9-10重复操作4-5次,即完成一个样品的实验测定（若按照单分子层饱和吸附理论计算此步可省略）。
（12）当实验结束时先关闭检测器、桥电流开关，再关闭总电源开关。
最后关闭钢瓶。
5实验数据记录及处理
5.1数据记录
样品名称：
乙醇脱水催化剂日期：
室温：
大气压p（Pa）：
一定量纯N2体积Vs：
596.23×
10-9m3
As：
一定量纯N2峰面积Ad:
催化剂脱附峰面积
氮气在吸附温度（77.2K）下的饱和蒸汽压P0：
99.125kPa
5.2数据处理
5.2.1BET法（多分子层吸附）
FN2=F总-FH2
标准状况下一定标准气体的量（一定纯N2量）：
f=273.15VsPa/（P0T）（m3）
由实验结果,以
作图，由斜率和截距,再由式
（2）和（3）即可求出样品的比表面积。
5.2.2假设单分子层饱和吸附数据处理
同一条件下一定量氮气的物质的量
nN2=pVs/（RT）
同一条件下每个样品管吸附氮气的物质的量
n=nN2Ad/As
同一条件下每个样品管实验所得催化剂比表面积
其中,am为一个氮分子的截面积16.2×
10－20m2。
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