汪玉潔　涂振權(quán)　遲永杰　周理　朱華東

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院　2.中國石油天然氣集團公司天然氣質(zhì)量控制和能量計量重點實驗室

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電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定天然氣中微量金屬元素分析系統(tǒng)研究

汪玉潔1,2涂振權(quán)1,2遲永杰1,2周理1,2朱華東1,2

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國石油天然氣集團公司天然氣質(zhì)量控制和能量計量重點實驗室

研究了用溶液吸收裝置對天然氣中微量金屬元素進行取樣，采用電感耦合等離子體(ICP)原子發(fā)射光譜法測定其濃度的分析系統(tǒng)。石英材質(zhì)溶液吸收裝置的直徑為80 mm、高為130 mm，具有較低的干擾和良好的吸收效果。用10%(φ)硝酸溶液浸泡過夜處理后的樣品儲存瓶對測定結(jié)果具有較低的影響。采樣流量為0.5 L/min時，具有較好的吸收效果和樣品代表性。研究優(yōu)化了ICP發(fā)射光譜儀泵速、RF功率、霧化器氣體流量、輔助氣氣體流量、積分時間和沖洗時間等分析條件，以及特征波長。分析系統(tǒng)在此優(yōu)化條件下顯示出高的靈敏度(22種元素檢出限從0.1 ～ 31.4 μg/L)。校準曲線在50.0 ～ 1 000.0 μg/L范圍內(nèi)顯示出良好的線性。該分析系統(tǒng)吸收效率高、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、操作簡便、測定范圍寬、檢出限低，是一種有潛力的天然氣中微量金屬元素測定系統(tǒng)。

天然氣微量金屬原子發(fā)射光譜電感耦合

近年來,隨著天然氣管網(wǎng)輸送站點中大量燃氣增壓機的使用，以及在新能源燃氣汽車和天然氣分布式能源中大量燃氣輪機用戶的增加，對燃氣中K、Na、Ca、Mg、Pb和V等金屬元素濃度提出了明確的要求。同時,下游傳統(tǒng)的居民和商業(yè)用戶的環(huán)保意識和生活質(zhì)量的提高，也對天然氣中金屬元素濃度提出了要求。

目前,有報道發(fā)現(xiàn)天然氣中含有約48種微量金屬元素[1]，這些金屬元素主要由生物有機體在形成天然氣階段時所帶入，呈納米級微粒游離于天然氣中[2]。當它們沉降附著或滲透在管道輸送和下游燃氣工業(yè)中所使用的各種高溫設(shè)備、元件和材料表面時，會導(dǎo)致金屬高溫腐蝕、材料衰老和結(jié)構(gòu)堵塞等危害，縮短設(shè)備使用壽命，甚至引發(fā)安全事故，例如Ca和Mg會在高溫燃氣通道中產(chǎn)生結(jié)垢，Na和K的化合物與燃氣中的硫反應(yīng)會形成有腐蝕作用的堿金屬硫酸鹽。另外，燃燒后的廢棄物也會把這些金屬元素帶入生態(tài)系統(tǒng)中，其中的一些重金屬元素會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成影響。

由于天然氣中的金屬元素濃度小(微量級甚至痕量級)，存在形式多種多樣，常規(guī)方法難以檢測，因此需要良好的樣品前處理方法和高靈敏度的分析儀器。當前,國內(nèi)外暫無對天然氣中微量金屬元素濃度測定技術(shù)研究的報道，但是大氣顆粒物中重金屬元素分析技術(shù)卻值得借鑒[3-5]，如原子吸收光譜法[6-7]、原子發(fā)射光譜法[8-11]、質(zhì)譜法[12-13]、熒光法和中子活化法等[14-15]。其中，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)由于成熟可靠、線性動態(tài)范圍寬、抗鹽分能力強、相對較好的檢出限和精密度等特點，成為當前普遍使用的金屬元素分析方法。濾膜吸附-消解法和溶液吸收法是兩種被廣泛使用的氣體樣品前處理方法，但是對于帶較大正壓氣體樣品，由于選擇合適濾膜較難、操作步驟復(fù)雜、樣品處理過程中損失大等不足而使濾膜吸附-消解法使用相對較少。目前，關(guān)于使用溶液吸收樣品前處理方法結(jié)合ICP-AES法構(gòu)建分析系統(tǒng)進行天然氣中金屬元素濃度的測定還未見報道。

本文在使用液相色譜、氣相色譜和熒光光譜等對天然氣組成長期進行分析研究的基礎(chǔ)上，對用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定天然氣中微量金屬元素分析系統(tǒng)進行了研究。本研究使用硝酸-過氧化氫溶液對天然氣進行吸收后，采用ICP-AES對溶液中的金屬元素進行了分析,并對實驗參數(shù)進行了優(yōu)化，對分析方法的校準曲線、檢測限、重復(fù)性和加標回收率進行了測定。同時，使用該方法對實際天然氣樣品中的金屬元素濃度進行了測定。

1　實驗部分

1.1試劑與儀器

硝酸(HNO3，電子級)；體積分數(shù)為30%的H2O2(分析純)；超純水(≥18.2 MΩ/cm3)；混合標準溶液(國家標準物質(zhì)中心，20.0 mg/L)；ICP發(fā)射光譜儀(美國熱電公司，IRIS 6300 Radial)；吸收器(自制，篩板孔徑20 ～ 30 μm、底部直徑80 mm、高130 mm)；流量計(日本品川公司，W-NK-0.5B)。

1.2實驗方法

適當壓力的樣品氣由進氣口進入盛裝300 mL 硝酸-過氧化氫(體積比為100∶1.5)吸收液的吸收器，依次經(jīng)過吸收器第一層篩板和第二層篩板,與吸收液充分接觸，由吸收器頂部出氣口進入濕式氣體流量計進行體積和溫度測量后從排氣口排放，經(jīng)過一定時間后(不小于4 h)完成樣品前處理吸收，其流程圖見圖1。吸收后的樣品溶液用ICP發(fā)射光譜儀進行兩次測定而得到其平均值，通過換算得到天然氣中金屬元素濃度。

2　結(jié)果與討論

2.1ICP發(fā)射光譜儀參數(shù)優(yōu)化

對于多種微量金屬元素的同時測定，ICP發(fā)射光譜儀運行參數(shù)對提高靈敏度和精度，消除干擾和提高準確度有重要的影響。由于K、Ca、Na、Mg、Pb和V 6種微量金屬元素在測定時受實驗條件影響較靈敏，故實驗采用其校準曲線的線性相關(guān)性對ICP發(fā)射光譜儀泵速、RF功率、霧化器氣體流量、輔助氣氣體流量、積分時間和沖洗時間等分析條件，以及特征波長進行了考察。優(yōu)化后ICP-AES儀器參數(shù)見表1，各元素選定特征波長為Ag 328.0 nm、Al 396.1 nm、As 189.0 nm、Ba 455.4 nm、Bi 223.0 nm、Ca 317.9 nm、Cd 214.4 nm、Co 228.6 nm、Cr 283.5 nm、Cu 324.7 nm、Fe 259.9 nm、K 766.4 nm、Li 670.7 nm、Mg 279.5 nm、Mn 259.3 nm、Na 589.5 nm、Ni 221.6 nm、Pb 220.3 nm、Se 196.0 nm、Sr 407.7 nm、V 292.4 nm、Zn 213.8 nm。

表1 ICP發(fā)射光譜儀分析參數(shù)優(yōu)化Table1 OptimizatedparametersofanalysisconditionforICPemissionspectrometer分析條件參數(shù)值泵速/(r·m-1)50RF功率/W1150霧化器氣體流量/(L·min-1)0.55輔助氣流量/(L·min-1)0.5沖洗時間/s30積分時間/sUV15;VIS5

在該優(yōu)化參數(shù)下得到的K、Ca、Na、Mg、Pb和V 6種元素的校準曲線見圖2。從圖2可以看出，K、Ca、Na、Mg、Pb和V元素的校準曲線在0.0～1 000.0 μg/L顯示出良好的線性相關(guān)性(R2≥0.998 0)。

2.2儲存瓶材質(zhì)的影響

通常,用于酸性液體樣品的儲存材質(zhì)多為塑料，因為其具有耐酸腐蝕性。在研究中,因為要測定處理樣品后的微量金屬元素，則采用塑料材質(zhì)儲存容器更能減少干擾影響。但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，對于普通塑料儲存瓶，如未經(jīng)前期預(yù)處理，將對測定結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。本研究選取Na、Ca兩種元素的校準曲線線性相關(guān)性對儲存瓶材質(zhì)影響進行了考察，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出,用10%(體積分數(shù),下同)硝酸溶液處理塑料儲存瓶后,Ca、Na元素的校準曲線在0～500 μg/L顯示出良好的線性。線性相關(guān)系數(shù)：r(Ca處理后)=0.999 9>r(Ca處理前)=0.812 0；r(Na處理后)=0.999 7>r(Na處理前)=0.821 1。因此，在使用前必須對儲存瓶用10%硝酸進行過夜處理。

2.3溶液吸收裝置

2.3.1吸收裝置材質(zhì)的影響

硼酸鹽玻璃和石英玻璃是雜質(zhì)濃度較少的用于制造玻璃容器的材料，本研究中用硼酸鹽玻璃和石英玻璃分別盛裝300 mL 10%的硝酸4 h和8 h[11]。然后，用ICP發(fā)射光譜儀測定溶液中金屬元素濃度，考察材質(zhì)中浸出的金屬元素濃度的干擾影響，結(jié)果見表2。

表2 吸收裝置材質(zhì)對測定金屬元素濃度的影響Table2 Influenceofabsorptionequipmentmaterialon detectingthemetalcontentinsampleρ/(μg·L-1)元素4h8h硼酸鹽石英硼酸鹽石英Al301.226.4144.534.7Ba13.67.611.78.6Ca5641.93142.04173.73584.7Fe132.4530.658.2484.9Mg104.635.872.823.1Mn9.39.74.85.2Na481.618.3206.452.7Sr3.81.72.51.3Zn58.832.226.324.0

從表2中可以看出，在4 h和8 h的情況下，在石英材質(zhì)取樣器中的Al、Ba、Ca、Mg、Na、Sr和Zn元素濃度明顯比在硼酸鹽玻璃材質(zhì)中的低，在石英材質(zhì)取樣器中的Fe元素濃度明顯比在硼酸鹽玻璃材質(zhì)中的高，符合石英和硼酸鹽玻璃成分差異。Mn元素在兩種材質(zhì)中的濃度幾乎一致，且相對較低(<10 μg/L)。在同一種材質(zhì)下，對于4 h和8 h浸出溶液中一些元素(如Ca、Fe、Na和Zn)濃度存在較大差異，可能是取樣器制作過程中材質(zhì)成分本身差異所致。根據(jù)研究結(jié)果，選取石英材質(zhì)吸收裝置。

2.3.2篩板面積的影響

篩板面積大小直接體現(xiàn)在篩板直徑上，主要影響微孔數(shù)量的分布。通常，對于氣液吸收取樣，較小的孔徑使得篩板上分布更多數(shù)量的孔，使氣體被分割成更多的小氣流而增加氣液接觸面積，提高吸收效率。以設(shè)備制造簡單化和低成本為原則，結(jié)合現(xiàn)場使用經(jīng)驗，選定孔徑大小為20～30 μm。因而，研究中在對同一氣源的天然氣樣品吸收時間6 h情況下，分別考察不同取樣日期采用大面積(直徑80 mm)和小面積(直徑50 mm)篩板對金屬元素吸收效率影響，結(jié)果見表3。

表3 篩板直徑對測定金屬元素濃度的影響Table3 Effectofsieveplatediameterondetectingthemetalcontentinsampleρ/(μg·L-1)元素第1次取樣①第2次取樣②80mm50mm80mm50mmAl338.5258.517.413.8Ca418.1185.1--Cu-7.55.4-Fe30.227.421.5-K362.5334.0--Mg73.168.21.52.6Na3469.7868.4--Zn104.247.77.42.4 注:①采樣流量為0.5L/min;②采樣流量為1.0L/min。

從表3可以看出，2個不同日期樣品測得的元素濃度整體顯示出大面積篩板吸收器高于小面積篩板吸收器的趨勢。其原因為大面積篩板一方面增加了單位面積的微孔數(shù)量，另一方面也增加了微孔的均勻分布性，從而提高了吸收效果。在低元素濃度下(<10 μg/L)，Cu元素吸收效果顯示出小面積篩板吸收器優(yōu)于大面積篩板吸收器，其原因可能為含有微量濃度元素的微納顆粒物在天然氣中的分布不均導(dǎo)致。因此,在本研究中選擇采用大面積篩板吸收器。

2.4采樣流量優(yōu)化

采樣流量的大小會直接影響樣品吸收效果，進而對樣品中金屬元素濃度測定產(chǎn)生重要影響。在較大流量下，樣品與溶液接觸時間較短而吸收不充分，導(dǎo)致測定結(jié)果偏低；太小的流量下，氣體流動性大大降低，取得樣品的代表性較差，導(dǎo)致測定結(jié)果與樣品真實濃度存在較大偏差。本研究在對實際天然氣樣品吸收時間4.5 h情況下，考察了0.25 L/min、0.5 L/min和1.0 L/min采樣流量對吸收效果的影響(見表4)。

從表4可以看出，0.5 L/min采樣流量測得金屬元素濃度明顯呈現(xiàn)出高于相同情況下0.25 L/min和1.0 L/min采樣流量所得金屬元素濃度，顯示出較好的吸收效果。但個別元素(Fe、Mg和Mn)濃度顯示出0.25 L/min流量高于0.5 L/min流量的情況，其原因可能為金屬元素在樣品中分布不均所致。本研究選取采樣流量為0.5 L/min。

表4 采樣流量對測定金屬元素濃度的影響(4.5h)Table4 Effectofsamplingflowondetectingthemetalcontentinsampleρ/(μg·m-3)元素采樣流量0.25L/min0.5L/min1.0L/minAg-5.94.7Al33.335.813.7Ba2.53.41.4Ca217.9454.3-Cu-9.5-Fe88.841.127.6K673.8890.7253.7Mg101.170.757.61Mn1.40.50.2Na677.91200.7258.9Zn11.833.610.1

2.5分析性能

2.5.1校準曲線和檢出限

分別配制不同濃度系列混合標準溶液得到各元素濃度的校準曲線，結(jié)果見表5。由表5可以看出,22種元素在0 ～ 1 200 μg/L濃度范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)(r)≥0.999 2，方法具有良好的線性關(guān)系。檢出限用3倍10次空白測量值的標準偏差計算求得。從表5中發(fā)現(xiàn)，元素濃度檢出限在0.1 ～ 100.2 μg/L之間，表明方法檢出限較低，能滿足天然氣工業(yè)對微量金屬元素濃度測定需求。

2.5.2精密度和準確度

由于缺乏富含22種微量金屬元素的實際天然氣樣品，研究中使用標準溶液配制了一個未知濃度樣品，重復(fù)測定10次，考察了方法的精密度，并進行加標回收實驗，結(jié)果見表6。各元素加標回收率在99.1%～113.2%之間，RSD<2.5%，表明方法準確度和精密度良好。

表5 元素濃度校準曲線和檢出限Table5 Calibrationcurveanddetectionlimitsofelementsconcentration元素校準曲線方程r檢出限/(μg·L-1)元素校準曲線方程r檢出限/(μg·L-1)Agy=3.6956x+5.14211.00003.4Ky=1.2347x+35.5620.999931.4Aly=2.0405x-26.7450.999917.0Liy=26.303x+127.580.99981.5Asy=0.2689x-0.28531.00005.1Mgy=143.15x+28.0251.00000.5Bay=141.73x+438.461.00000.3Mny=24.325x+78.4070.99990.2Biy=0.2005x+0.04140.999812.1Nay=4.36x+6.16920.999229.0Cay=6.6489x+41.0731.0000100.2Niy=2.7205x+3.27561.00000.8Cdy=11.026x+38.8190.99990.1Pby=0.5158x+2.26571.00008.8Coy=2.6262x-1.57991.00000.9Sey=0.1971x+1.42980.999922.4Cry=7.1002x+24.2170.99991.9Sry=256.22x+729.340.99990.1Cuy=5.217x+10.3140.99991.6Vy=2.2027x+6.63151.00003.1Fey=4.4744x+18.6540.99991.6Zny=4.8863x+12.2771.00000.5

表6 元素精密度和準確度Table6 Precisionandaccuracyofthemethod元素樣品值/(μg·L-1)添加值/(μg·L-1)檢測值/(μg·L-1)回收率①/%RSD/%Ag268.5300.0596.2109.20.3Al247.1300.0563.2105.40.5As252.3300.0549.799.10.8Ba247.0300.0548.7100.60.7Bi247.6300.0546.199.50.9Ca252.1300.0556.8101.60.8Cd246.9300.0545.299.40.1Co251.7250.0506.1101.80.5Cr246.1250.0505.6103.80.9Cu246.0250.0510.0105.60.8Fe243.9250.0502.3103.41.0元素樣品值/(μg·L-1)添加值/(μg·L-1)檢測值/(μg·L-1)回收率①/%RSD/%K242.1250.0525.2113.22.4Li243.2250.0514.7108.61.3Mg241.8250.0495.6101.51.3Mn245.0200.0448.2101.60.9Na235.7200.0439.8102.11.6Ni250.3200.0452.5101.10.2Pb245.1200.0452.4103.70.5Se253.7200.0455.6101.00.6Sr237.8200.0439.1100.61.2V256.5200.0461.5102.51.3Zn249.3200.0451.4101.00.4 注:①回收率=(檢測值-樣品值)/添加值×100%。

2.5.3實際樣品分析

在實驗優(yōu)化條件下，對國內(nèi)某輸氣站點不同時間段內(nèi)天然氣中微量金屬元素進行了分析，結(jié)果見表7。由于在輸送過程中微納級顆粒的團聚沉積和除塵設(shè)備的作用，產(chǎn)品天然氣中微量金屬元素濃度較低。同時，由于不同氣質(zhì)混輸和氣量調(diào)配等的影響，天然氣中微量金屬元素濃度在不同時間段內(nèi)存在差異。

表7 實際樣品中金屬元素分析結(jié)果Table7 Analyticalresultsofmetalsinrealsamples元素第1次取樣第2次取樣μg·L-1μg·m-3μg·L-1μg·m-3Fe2.910.37.822.6K-85.464.2185.7Mg0.72.51.54.3Na58.0206.4112.3324.9Zn49.1174.74.011.6

3　結(jié) 論

通過實驗，研究了用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定天然氣中微量金屬元素分析系統(tǒng)。結(jié)果表明，該分析系統(tǒng)的樣品前處理裝置吸收效率高、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、操作簡便，分析方法檢出限結(jié)果較好，準確度和精密度良好。同時，各元素在寬的濃度范圍內(nèi)顯示出較好的線性，利于實現(xiàn)對濃度變化大的樣品進行測定。這些特點表明，該分析系統(tǒng)是一種非常有吸引力的天然氣中微量金屬元素濃度測定系統(tǒng)。

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Research on the analytical system for determination of trace metals in natural gas using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry

Wang Yujie1,2, Tu Zhenquan1,2, Chi Yongjie1,2, Zhou Li1,2, Zhu Huadong1,2

(1.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Chengdu610213,China； 2.KeyLaboratoryofNaturalGasQualityandEnergyMeasurement,CNPC,Chengdu610213,China)

An effective analysis system based on sampling with solution absorption device is studied for the determination of trace metals in natural gas by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). The quartz absorption device with diameter of 80 mm and height of 130 mm shows a lower interference and high absorption. The storing sample bottle after soaking overnight with 10% nitric acid solution has a lower impact on the measurement results. The sampling flow of 0.5 L/min displays a better absorption effect and good representative sample. Under the optimized experimental conditions of ICP-AES, such as the pump speed, RF power, nebulizer gas flow, auxiliary gas flow, integration time and rinsing time, as well as characteristic wavelength, the analysis system exhibits high sensitivity (the detection limits of 22 elements from 0.1-31.4 μg/L). The calibration curve is a good linearity in the range of 50.0-1 000.0 μg/L. The features of the developed system include high absorption efficiency, simple structure, small size, easy operation, wide measurement range, and low detection limit with a potential for determination of trace metals in natural gas.

natural gas, trace metal, atomic emission spectrometry, inductive coupling

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項課題“激光拉曼光譜氣體分析儀的研發(fā)與應(yīng)用-激光拉曼天然氣分析儀”(2012YQ16000707);中國石油科研專項項目“天然氣中鈣、鎂、鈉等金屬元素測定技術(shù)研究”(A201305)。

汪玉潔(1986-),工程師,碩士,2010年畢業(yè)于四川大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè),現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田公司天然氣研究院,主要從事天然氣分析測試研究工作。E-mail:yujie_w@petrochina.com.cn

TE642

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.017

2015-12-25；

2016-01-20；編輯：鐘國利