在火灾自动报警器、呼吸器、传感器和火灾现场易燃、易爆、有毒、有害气体快速检测仪器及其它消防产品的研究、开发和生产中, 经常需要配制一系列物质的标准气体, 用以对产品进行检测和校准; 在火灾现场易燃、易爆、有毒、有害气体物质快速检测中, 需要一定浓度的标准气体, 作为制作标准色列或浓度标尺的标准;
在火灾原因调查中, 研究和应用一种气态物证的分析鉴定方法时, 需配制一定浓度的被检测物质的标准气体, 以试验不同采样仪器的采样效率或不同吸收液的吸收效率和鉴定方法的准确性、可靠性。因此, 配制一定浓度的标准气体是消防产品研究、开发、生产和消防工作的一个重要环节。而标准气体的配制又不同于液体标准物质的配制, 有一定的难度。因此, 本文将重点介绍几种所用仪器, 设备简单, 易于操作, 特别适用于消防产品研制、生产和消防实际工作的标准气体的配制技术。
标准气体是指气体状态的标准参比物质, 包括高纯度标准气体和混合标准气体, 配气主要是指配制混合标准气体。混合标准气体是由已知含量的一种或多种组分的气体混合到另一种不与其发生反应的背景气体中而制成。标准气体的配制技术主要包括静态配气技术和动态配气技术两大类。
静态配气 是把一定量的液体或原料气加到已知容积的稀释气体的容器中, 混合均匀。根据所加入的液体或原料气的量和容器的容积, 即可计算出所配制标准气体的浓度。常用的静态配气技术有以下几种。
1. 大瓶子配气法
将大容积的玻璃瓶或聚乙烯塑料瓶洗净、烘干, 充入干净空气代替瓶中原有气体后, 抽成负压, 再充入一定量的液体或原料气。若原料在常温下是气体, 用气体定量管加入 , 充入干净空气至常压。若原料是挥发性液体, 可在一个小安培瓶中称取一定量的液体,放入大瓶中, 抽气使成负压, 再摇碎安瓶, 待液体挥发后, 再充入干净空气到常压。
大瓶子配气法所制得的标准气体的浓度, 可根据加入原料气的浓度或液体的量及大瓶子的容积求得: 当加入瓶中的是原料气时, 按下式计算:
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式中:V 1: 原料气的体积(mL ) ;
L: 原料气的浓度(ppm ) ;
V 0: 大瓶子的容积(L ) ;
Z: 所配气体的浓度(ppm ) ;
当加入瓶中的是挥发性的液体时:
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式中: t: 气体的温度(℃) ;
m: 加入液体的量(g) ;
M : 液体的摩尔质量(gömo l) ;
Z 和V 0 同上式。
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用大瓶子配气时, 由于器壁的吸附作用, 配成的标准气体的实际浓度往往比计算值低。为避免这种影响,可以将第一次配好的气体放置一段时间后抽掉, 再进行第二次配气。这样可以减小瓶壁的吸附作用。
如果需要浓度更低的气体, 在大瓶子中配气后, 可用抽真空法再进行稀释。例如, 将大瓶子中的气体压力抽至原有压力的一半, 然后再充进干净空气至原来的压力, 即可得到原来浓度一半的标准气体。
2. 注射器配气法
对于需气量较小的工作, 用注射器配气是很方便的。取两个大小不等的注射器, 大注射器一般用100 毫升的, 小注射器根据配气情况而定。配气时, 在大注射器中放一小金属片, 将活塞推入, 再用小注射器取一定量的原料气, 将两注射器连接, 把小注射器的气体推入大注射器, 去掉小注射器和橡皮帽, 抽动大注射器活塞, 用干净空气将气体稀释到100 毫升, 摇动注射器中的金属片, 使气体混合均匀, 即得到较低浓度的标准气体。稀释后的浓度可根据稀释前后气体体积计算出来。如果一次稀释达不到要求, 还可进行第二次、第三次稀释…。进行再次稀释时, 只要将大注射器中配好的气体推出一部分, 然后吸入干净空气进行稀释, 即可得到更低浓度的标准气体。
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3. 塑料袋配气法
用100 毫升注射器或通过湿式流量计将一部分空气注入塑料袋内, 然后连接一个事先装入原料气的气体定量管。继续通气将定量管中的原料气压入塑料袋中, 稀释至一定体积。用手揉捏塑料袋, 使气体混合均匀。根据加入原料气的体积和塑料袋的充气体积求出标准气体的浓度。这种配气方法的特点是: 塑料袋可大可小, 因而配气量的大小不受容器的容积大小的限制。
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标准气体的静态配气技术虽有仪器设备简单,便于操作的优点,但因其配气量少,并且取气过程中浓度会发生改变, 所以对需气量较大或通气时间较长的工作就不适应了, 就要采用动态配气技术配制标准气体。
动态配气技术就是能连续不断的配制和供给一定浓度的标准气体。用动态配气技术配制标准气体时, 首先需要一个能连续不断供给原料气的气源, 作为这种配气方法的气源有钢瓶标准气和渗透管等。
1. 钢瓶气动态配气法
在消防实际工作中, 所用标准气体的浓度有时需要大, 有时需要小。钢瓶标准气虽有不同浓度的规格供应, 但购置各种浓度的标准气体, 不仅代价太高, 而且不一定能及时办到。较好的办法是购置一个浓度较高的标准气瓶, 需要低浓度标准气体时, 用钢瓶标准气作原料气,压缩空气(由低压空气钢瓶或空压机供给) 作稀释气, 将它们连接, 就可从取气口得到所需浓度的标准气体。
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所配制的标准气体的浓度, 可用改变原料气及稀释气的流量比进行调节, 并可按下式计算:
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式中: z: 所配标准气体的浓度(ppm) ;
L: 钢瓶标准气的浓度(ppm ) ;
Q s: 钢瓶标准气的流量(L öm in) ;
Q a: 压缩空气的流量(L öm in;
用此法配气时, 在压缩空气的管路中应安装选择性过滤器(净化器) , 以除去空气中影响配气纯度的杂质。此外配气出口的总流量应略大于用气口的流量, 以保证所配气体的浓度与纯度。
2. 渗透管动态配气法
(1) 渗透管及渗透率的测定
渗透管是动态配气法中的另一种气源。
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在安培瓶1 中装入产生原料气的液体( 如汽油等) , 用不锈钢加固环3将聚四氟乙烯塑料帽2和安培瓶1 的颈部紧封牢固, 塑料帽的上端是比较薄(壁厚在1 毫米以下) 的渗透面4。由于原料液体的挥发性,使安培瓶中有一定蒸气压, 气体分子在蒸气压力的作用下, 通过渗透面向外渗透。单位时间的渗透量叫渗透率。
在一定温度下,渗透率的大小决定于渗透面的厚度和面积的大小等因素。渗透面越大, 壁越薄, 渗透率就越大。制作渗透管时, 就是通过改变渗透面积和厚度的办法, 以获得不同渗透率的渗透管。
任何渗透管在使用前都必须知道其渗透率。渗透率的测定方法是: 在一干燥瓶的底部装入粒状氢氧化钠, 上面盖一层尼龙纱网, 将渗透管放入干燥瓶中的纱网上。加盖后, 渗透出来的气体(汽油蒸气) 就会被氢氧化钠吸收。由于液体的蒸气压与温度有关, 所以渗透率也随温度改变而改变。因此, 在测定渗透率时, 必须将干燥瓶放入恒温水浴中, 温度控制精度要达到±011℃。在恒温放置过程中, 每隔一定的时间(至少12 小时) 用精密天平快速称量渗透管一次(必须在10 分钟内称完) , 相邻两次的重量差就是渗透管在该时间段的渗透量。测出渗透量后, 就可用下式求出该渗透管的渗透率。
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式中: G:渗透率(Lgöm in) ;
△G: 相邻两次称量的重量差(mg) ;
△S: 相邻两次称量的时间间隔(min) ;
实际测定时, 记录一系列称量和时间数据, 用上式计算渗透率并求其平均值。或以称量数据为纵坐标, 时间为横坐标, 绘制渗透率的特性曲线, 所得直线的斜率即为渗透率。
(2) 渗透管动态配气装置
用已知渗透率的渗透管配制标准气体的装置。
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将渗透管放在气体发生瓶中, 再将气体发生瓶放入恒温水浴中, 恒温水浴的温度要与测定渗透率时的温度相同(一般为25±1℃) , 这样就可不作温度校正。
稀释气(压缩空气) 经硅胶、活性炭和氢氧化钠净化器2除去水分和杂质后, 再经流量控制阀和流量计3 进入气体发生瓶7 (即混合器) 中, 将渗透出来的气体分子带出, 就得到标准气体。标准气体的浓度可由下式求出(在25℃和一个大气压下)。
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式中: z: 所配标准气体的浓度(ppm) ;
G: 渗透管的渗透率(Lg/min) ;
M : 液体的摩尔质量(g/mol) ;
Q: 稀释气体的流量(L/min) ;
VM : 配气状态下气体的摩尔体积(L/mol)。
