徐 磊，耿嘉陽，蘇 源，黃 偉

（1.黑龍江省科學院高技術研究院，黑龍江哈爾濱150020;2.黑龍江省科學院石油化學研究院，黑龍江哈爾濱150040）

高純氣體中微量氧的測定方法

徐 磊1，耿嘉陽2，蘇 源2，黃 偉2

（1.黑龍江省科學院高技術研究院，黑龍江哈爾濱150020;2.黑龍江省科學院石油化學研究院，黑龍江哈爾濱150040）

介紹了高純氣體中微量氧的兩種測定方法：氣相色譜法和微量氧分析儀。氣相色譜法主要用到的檢測器為：熱傳導檢測器、氬離子化檢測器和氦離子化檢測器。氣相色譜法測定高純氣中的微量氧精度較高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠。而微量氧分析儀一般應用兩種原理：電化學方法和濃差電池法。微量氧分析儀測定高純氣中微量氧實時在線、成本低、小型化、自動化、智能化?？偨Y了兩種方法測定高純氣體中微量氧的特點，包括檢測方法的原理和主要技術指標。

高純氣體；微量氧；色譜法；微量氧分析儀

前言

隨著我國科學技術和新型能源[1]等產業(yè)的快速發(fā)展，高純氣體（主要包括高純氦、高純氬、高純氮、高純氫、高純二氧化碳等）作為保護氣在石化、電力、電子、航空航天、冶金、紡織中有著重要的應用，因此對高純氣體的質量要求很高。高質量的高純氣體確保制造出性能可靠的各種器件，相反如果高純氣體中的氧含量達不到要求會造成器件性能退化，壽命縮短，使產品出現(xiàn)質量問題，甚至發(fā)生安全事故。高純氣體中的氧含量是檢測高純氣體質量的重要指標。氧氣是一種化學活性較強的物質，空氣中的氧含量為21%，控制和檢測氧氣含量尤為關鍵。在我國國家標準中，對高純氣體的質量要求有明確的指標，高純氣體中微量氧的含量一般控制在幾個ppm（如表1所示），想要準確測定不同種類的高純氣體中的氧，必須選擇合適的方法。本文主要介紹以下兩類常用的檢測方法:氣相色譜法和微量氧檢測儀。

表1 幾種高純氣體的氧含量的標準要求[2～6]Table 1Requirement standards of oxygen content in several high-purity gas

1 氣相色譜法分析微量氧的原理和應用

氣相色譜法可用于高純氣體痕量雜質分析具有高選擇性、高效能、速度快、可不受組分含量的限制且樣品量少等優(yōu)點。一般氣相色譜法分析微量氧使用的檢測器為：熱傳導檢測器（TCD）、氬離子化檢測器（ADD）和氦離子化檢測器（HID）。表2列出了各種檢測器的性能比較，三種檢測器的工作原理及性能如下：

1.1 熱導池檢測器的檢測

根據(jù)不同組分與載氣之間有不同的熱導系數(shù),當經色譜柱分離后的組分被載氣帶入熱導池中，由于組分和載氣的熱傳導率不同，而使熱敏元件溫度發(fā)生變化，并導致電阻發(fā)生變化，從而致使電橋不平衡，輸出電壓信號，此信號的大小與被測組分的濃度成函數(shù)關系。該檢測器屬于通用型非放射性檢測器，檢測靈敏度較低，高靈敏度熱導檢測器也很難檢測到5ppm以下的氧含量。

1.2 氬離子化檢測器檢測

作為載氣的高純氬氣以一定流速流進處在高頻振蕩電磁場中的石英管時，在管外施加1500V高電壓，使石英管內氬氣原子在100MHz的高頻電磁場振蕩下運動，氬原子的電離能低于受振蕩后的平均自由程能量，因為氬原子在管內被電離形成離子、電子及中性粒子的混合氣體—等離子體，并且氬原子受激發(fā)放電產生弧光。當被測氣體經分離柱后進入檢測器中時，永久性氣體雜質的分子N2，H2，CH4等吸收并粹滅弧光，而O2和CO分子受激發(fā)后產生增強弧光。所產生光的強度變化與被測成分濃度成正比，故可以借此進行雜質定量分析。該檢測器屬于非放射性選擇性檢測器，只能檢測氬氣中組分，檢測靈敏度較低，能檢測以上濃度的氧[7]。

1.3 氦離子化檢測器檢測

PDHID是利用氦中穩(wěn)定的低功率脈沖放電作電離源，使被測組分電離產生信號，對所有物質均有高靈敏度的正響應。氦離子化檢測器色譜一般采用中心切割與反吹技術，配置具有吹掃保護氣爐的進樣切換閥，適用于高純氣體中的痕量雜質的檢測，該檢測器屬于通用型非放射性檢測器，檢測靈敏度最高，氣體中雜質的最小檢測濃度達ppb級，對所有無機和有機物質均有很高的響應，適用于所有高純氣體和電子工業(yè)用氣體。

表2 各種檢測器的性能比較Table 2Comparison of various detectors performance

2 微量氧分析儀測定法分析微量氧的原理和應用

微量氧分析儀[8]可以測出高純氣體中的痕量氧，是當前國際上先進的測氧方法之一，其速度快、精度高、具有在線性、便于現(xiàn)場操作。一般微量氧分析儀主要是依據(jù)以下兩種原理：電化學法原理和濃差電池法[9]，兩種類型微量氧分析儀的性能比較見表3。

2.1 電化學法

電化學法微量氧分析儀是利用氧化還原電池的原理進行微量氧分析，它的傳感器（檢測器）是化學原電池，主要由一個陰極，一個陽極和電解液組成，以上部件密封于惰性的殼中，被測氣體中的氧進入電池中陰極附近，O2得到電子，陽極由金屬鉛制成，失去電子本身被氧化，電池產生的電子由電路引出然后進行補償修正放大，即可測出被測氣體中的氧含量。目前電化學法氧分析儀主要是燃料電池法和赫茲電池法。燃料電池法微量氧分析儀最為多見。

2.1.1 燃料電池法

燃料電池法微量氧分析儀最為多見，用完全密封的燃料池氧傳感器測量是當前國際最先進的測氧方法之一，傳感器可以非常穩(wěn)定可靠地工作很長時間，檢出限達到0.1ppm，采用此方法進行測氧需要經常校準，以確保其測試的準確性。該法適用于不應含有硫化物、磷化物或酸性氣體成分的高純氣體。這些組分會對燃料電池，特別是堿性燃料電池造成危害。

2.1.2 赫茲電池法

赫茲電池式氧分析儀對酸性氣體成分有抗干擾性能。如需測定高純氣體中10-6～10-9量級O2，高純氣體中含有微量酸性氣體時，只有赫茲電池式氧分析儀才能排除其干擾，防止傳感器中毒，給出準確的分析數(shù)據(jù)。該法既適用于氮氣、氫氣、氦氣以及其他不與堿性電解液和電極發(fā)生反應的氣體中微量氧的測定，也適用于二氧化碳氣以及含二氧化碳的混合氣等酸性氣體中微量氧的測定。

2.2 濃差電池法

濃差電池法也稱為氧化鋯電池法，它是利用氧化鋯元件為檢測器的關鍵部件，構成一個氧化鋯測氧電池，它在鉑電極的反應原理是O2+4e→2O2-；2O2-→O2+4e,于是兩電極間就形成了電位差，組成了濃差電池，濃差電池法就是根據(jù)高溫濃差來測量氧含量的。濃差電池法微量氧分析儀使用方便、操作簡便、使用壽命長、適用于在線測定。而濃差電池法在測定時，會受到氣體中含有微量還原性氣體成分的干擾，在高溫下還原性物質可以與氧發(fā)生反應，消耗氧使分析結果偏低,有些還原性高純氣體如高純氫氣等不適合用此方法，且氧化鋯濃差電池法需要用標準氣體定期校對。

表3 微量氧分析儀的性能比較Table 3Performance comparison of trace oxygen analyzer

3 結論

本文總結了檢測高純氣體中的微量氧的兩種方法：（1）氣相色譜法可使用不同的檢測器，檢測靈敏度非常高、性能穩(wěn)定、使用壽命長，特別適用于高純氣體中微量氧的檢測。氣相色譜法既可用于低壓氣體管道或液體罐的采樣后實驗室檢測，又可用于高壓瓶裝氣體的直接抽樣測，而其它的氧含量測定方法則用氣量較大；2.微量氧分析儀[10]主要用于工業(yè)在線、實驗室以及瓶裝高純N2、Ar、He、N2等的微量氧、痕量氧的快速檢測[11]，根據(jù)高純氣體的特性選擇適當?shù)奈⒘垦醴治鰞x能進行準確、快速、簡便的連續(xù)分析，微量氧分析儀需要用標準氣定期校準，使用壽命一般在2年左右，目前大量新型的高靈敏度氧分析儀已成為微量氧分析的主流。綜上所述，我們可根據(jù)檢測設備的限制、氣體的性質、檢出限量等條件，在保證準確測定氧含量前提下，選擇適合的檢測方法。

［1］牛麗紅，于世林．國內高純氣體應用現(xiàn)狀［J］.低溫與特氣，2010，28（3）:7～9．

［2］GB/T 4842-2006氬［S］.中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會,2006.

［3］GB/T 8979-2008純氮、高純氮和超純氮［S］．中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2008.

［4］GB/T 7445-1995純氫、高純氫和超純氫［S］．中國石油和化學工業(yè)協(xié)會，1995.

［5］GB 4844.2-1995純氦［S］．國家技術監(jiān)督局，1995.

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［7］郁光，莊洪濤，方華.氦離子色譜儀在氣體分析領域的應用［J］.工業(yè)技術創(chuàng)新，2014，1（2）:228～235．

［8］王艷，王津文．幾種高純氣體中微量氧的測定方法［J］.分析與測試，2005，25（5）:22～23．

［9］鄭江琳.氣體中微量氧分析測試方法綜述［J］.低溫與特氣，2012，30（1）:1～4．

［10］徐偉，錢衛(wèi)兵，韓翼飛．氣體行業(yè)中氧量分析儀的選型及應用探討［J］.低溫與特氣，2015，33（1）:42～44．

［11］賀振興．淺析在線微量氧分析儀的應用［J］．科技創(chuàng)新與應用，2014（20）:279～280．

Determination of Trace Oxygen in High Purity Gases

XU Lei1,GENG Jia-yang2,SU Yuan2and HUANG Wei2
（1.Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150020；2.Institute of Petrochemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040）

Two methods of high purity oxygen gas trace were introduced,which are gas chromatography and trace oxygen analyzer.The chromatography detector mainly used were thermal conductivity detector,argon ionization detector and helium ionization detector.Using gas chromatography to detect high purity has high oxygen gas trace precision,stable performance and reliable data.The trace oxygen analyzer general was according to two principles,which were electrochemical method and concentration cell method.Using trace oxygen analyzer to detect high purity oxygen gas trace was real-time online,low cost,miniaturization,automation and intelligent.The characteristics of two methods of trace gases of high purity oxygen were summarized in this paper,including the principles and main technical indicators.

High-purity gases;trace oxygen;chromatography;trace oxygen analyzer

O659.11

A

1001-0017（2016）04-0303-03

2016-03-27

徐磊（1981-），女，山東人，碩士研究生，助理研究員，主要研究方向：分析檢測。