技术篇 - CAMSCO热解析管老化指导

导读

本文旨在回答热解析/热脱附管老化过程中的常见问题，并提供一定的背景知识。

1. 如何决定热解析管的老化温度？

2. 如何决定热解析管的老化载气流速？

3. 老化过程需要多长时间？两个小时够吗？

4. 为什么用过一阵的热解析管比全新的更好用？

5. 什么是热解析管的“记忆效应”？怎样克服？

6. 为什么不同厂商生产的热解析管背景噪音水平各异？甚至产品批次之间也有差别？

7. 老化过程中究竟发生了什么？

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如何决定热解析管的老化温度？

• CAMSCO公司的“吸附剂选择表”列出了各种常见吸附剂的老化温度、解析温度和最高使用温度。该表格是目前热解析行业最全面的表格，下载网址：http://www.anpel.com.cn/TechnologyView.aspx?TechID=1200&TechName=空气监测+>+Camsco热解析管老化指导对单一吸附剂来说，老化温度一般是定在解析温度以上二十度，或者最高使用温度以下十度。某些用户的解析温度可能远远低于吸附剂的最高使用温度，如果是这样，我们仍建议您在使用新管之前至少在选择表指定的老化温度做一次彻底的老化。

• 如果您的热解析管内装填了多种吸附剂，应该按老化温度最低的那种吸附剂来设定解析管的老化温度。这也意味着您在设计多段式热解析管的时候，应该选择老化温度相似的吸附剂。

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如何决定热解析管的老化载气流速？

• 老化载气流速应当高于热解析载气流速。

• 拿PerkinElmer 式的标准不锈钢管举个例子，比较常见的参数可以是：接真空泵采样流速每分钟60毫升，热解析载气流速每分钟30毫升，老化载气流速每分钟100毫升。

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老化过程需要多长时间？两个小时够吗？

• 根据您所要达到的洁净程度，老化时间可以是几分钟到几个小时。老化时间越长背景越低。

• 作为一般性的建议，我们在说明书上推荐两小时的老化时间。如果阁下使用常见的吸附剂分析空气中ppm浓度的挥发性有机物（VOC）或者微克（micro gram）数量级的吸附样品，通常就能满足要求。

• 如果分析空气中ppb浓度的VOC，或者纳克（nano gram）数量级的吸附样品，可能会需要更长的老化时间。

• 如果热解析管生产商装填前没有做吸附剂预老化，那么您将需要更长的老化时间。详见问题6的解答。

• 新购的热解析管比使用过的热解析管需要更长的老化时间，详见: 详见问题4的解答。

• 有记忆效应的吸附剂可能需要反复多次老化。详见问题5的解答。

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为什么用过一阵的热解析管比全新的更好用？

• 许多有经验的用户都发现用过一阵的热解析管比全新的更好用；这是正常的。

• 在图一中，Y轴“TubePerformance”是一个热解析管综合性能的指数，它包含背景洁净度、吸附/解析效率和穿透体积三项指标。而X轴则是经过热循环的次数。一次热解析或者一次老化都可以算作一个热循环。

• 很新的或者很旧的管子一般都会有较高的背景噪音，较低的吸附/解析效率和较低的穿透体积；或者说，不那么好。

• 可见用过一段时间的管子比很新的或很久的管子都更好。关于图一这种铃形曲线的原因，详见问题7的解答。

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什么是热解析管的“记忆效应”？怎样克服？

• “记忆效应”是指热解析管在严格老化以后，经测试有非常低的背景，经过一段时间密封储存以后再测发现背景噪音明显变高了。

• 有“记忆效应”的吸附剂通常具有以下一个或多个特点：较大的比表面积（例如>500m2/g），较小的孔径（例如micro-pore），或具备封闭式微孔结构（closed pore）。使用这类吸附剂来分析低浓度VOC的时候，往往需要先对热解析管做多次老化，每次老化之间间隔两三天。

• 产生“记忆效应”的原因是一次老化只能除去浅表吸附的VOC，而深层吸附的VOC则需要时间扩散到浅表。无论是大比表面积增强的范德华力，小孔径造成的毛细管效应，还是封闭微孔结构对分子扩散的方向性阻碍，都会延缓VOC的扩散速度。

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为什么不同厂商生产的热解析管背景噪音水平各异？甚至产品批次之间也有差别？

• 一些用户误认为，不同品牌的热解析管都使用一样的吸附剂（例如只有一家公司生产Tenax TA），背景噪音和老化过程应该类似。而现实往往不是这样。

• 首先，凯美思科公司在装管前会预老化所有的吸附剂，而大多数公司则省略了这一步骤。我们发现这一步骤对保护阁下的仪器十分必要：仅仅一百克吸附剂的预老化过程烘烤出来的挥发性有机物就能浸润拳头大小的一块玻璃棉并使其变为深棕色；如果没有专门的排气设备，这一百克吸附剂的预老化过程能让我们整个厂房大楼充满刺鼻的有机气体。

• 其次，热解析管制造商可以不同程度地对吸附剂进行预老化。根据问题4的铃形图，我们本可以长时间地高温处理吸附剂，待其性能达到峰值再装管出售，让我们的管子看起来会比其它厂商更干净更好用，但这样做的结果是客户只得到正常热解析管的一半的使用寿命，所以我们决定不这样做。凯美思科的吸附剂预老化目的仅仅在于除去吸附剂中的高浓度挥发性有机物，以保护您的仪器不被损坏。

• 某些公司的热解析管的前端（采样端）没有玻璃棉塞。这样的设计容易发生一个问题，那就是吸附剂颗粒碎裂后可能穿过金属网栅而堵塞仪器的气路。凯美思科公司的设计是在金属网栅和吸附剂段之间还有一小段玻璃棉塞（除非客户指定该管专用于扩散采样），这样就基本杜绝了吸附剂泄漏的危险。我们的色谱实验表明，玻璃棉本身在生产过程中残留了少量VOC，所以我们的新管背景噪音可能会略高于前端不加玻璃棉塞的设计，但在大多数情况下这个背景不影响测试，并会随着老化而消失。

• 最后，我们注意到不同批次的同一种吸附剂也有质量差别。凯美思科是全世界Tenax TA和HayeSep吸附剂最大的消耗商，我们通过大量购买吸附剂并事先混匀来降低批次间的质量差异。

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老化过程中究竟发生了什么？

• 大多数人认为老化过程仅仅是在高温下把被吸附的VOC分子从吸附剂表明吹走，释放有效表面以备下一次采样。这种解释基本正确但并不全面，吸附剂老化过程还有更复杂的原理，我们在这里提供一些基本的知识。

• 用于热解析管的吸附剂大概有三类：多孔高分子材料Porous Polymers (PP), 石墨化碳黑Graphitized Carbon Black (GCB) 和碳分子筛Carbon Molecular Sieves (CMS)。一般来说，多孔高分子材料的背景噪音是最高的。老化过的热解析管在采样前一般是抽样（例如每十根抽一根）做背5060708090100110020406080100120Performance (%)Thermal CyclesChart 1: The Performance Bell CurveIllustration Only, Not a Quantitative Measurement of a Particular Tube景分析，以Tenax TA为例，单个的背景杂峰面积可以做到不超过1 ng甲苯的峰面积。其它的多孔高分子材料则可能有高达25 - 50 ng的背景无法消除；这样的吸附剂显然就不能用作痕量测试了。绝大多数碳基吸附剂经过严格的老化过程后可以达到0.1 ng的背景水平。

• 老化过程中，不同的吸附剂发生的变化并不一样。对于多孔高分子材料来说，主要就是氧化过程。以Tenax TA为例，在解析和老化过程中（特别是新管）经常能够看到其氧化分解的副产物出峰；而吸附剂本身的颜色也随着氧化进程而明显加深。不过对于Tenax TA，氧化后的表面并不影响吸附性能，对某些化合物甚至有更好的吸附/解析效率。对于CMS/GCB这两类吸附剂，老化过程可能会除去一些阻碍封闭式微孔的大分子，使得封闭式微孔结构能开放给下一次采样。这些机理都可能导致问题4中所显示的铃形曲线，也就是经过多次老化后的管子比新管更好用。

• 吸附剂氧化对Tenax TA这种吸附剂的性能损伤不大，许多客户的Tenax TA颜色变成棕色还能继续使用，但氧化对某些CMS类吸附剂的性能影响很大。所以在老化这类热解析管（例如含有Carobosieve S-的热解析管）的时候，我们建议您在仪器和载气钢瓶之间加加装滤氧器（oxygen trap）以彻底除去载气中可能含有的微量氧气。

采样前充分老化您的热解析管是成功分析的关键，如果您有进一步的问题，敬请联系上海安谱的技术支持。

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