实验报告

一、         实验名称：有机混合物的分离分析——气相色谱法的应用

二、         实验目的：

1.         了解气相色谱分离分析方法。

2.         初步了解气相色谱仪的基本工作原理及气相色谱流程。

3.         学习气相色谱仪的使用操作技术，以及用微量注射器进样的技术。

4.         学习应用保留值法进行定性分析。

三、         实验原理：

在一定的色谱条件（色谱柱和温度、流速等操作条件）下，物质均有各自确定不变的保留值（保留时间或保留体积）。对于较简单的多组份混合物，若其色谱峰均能互相分开，则可将各个峰的保留值，与各相应的标准样品在同一条件所测的保留值一一进行对照，确定各色谱峰所代表的物质，籍以定性。

四、         实验用品：

SC-200型气相色谱仪、微量注射器  1μL 1支、滴管及磨口塞试管若干、氮气钢瓶、正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、环己烷、苯。

五、         实验步骤：

1.         取正戊烷10滴，正己烷15滴，正庚烷、正辛烷各10滴于磨口塞试管A中混合均匀。

2.         取环己烷、苯各10滴于磨口塞试管B中混合均匀。

3.         取出1μL的微量注射器，用试管A中的溶液洗涤5次，然后吸取1μL试管A中的溶液。将注射器垂直插入气相色谱仪的进样口中，迅速注入试样，同时点击屏幕上的采集数据按钮。待屏幕上出现完整的4个峰的时候停止采集，并记录每个峰对应的保留值。

4.         用试管B中的溶液洗涤微量注射器5次，然后吸取1μL试管B中的溶液。将注射器垂直插入气相色谱仪的进样口中，迅速注入试样，同时点击屏幕上的采集数据按钮。待屏幕上出现完整的2个峰的时候停止采集，并记录每个峰对应的保留值。

5.         用未知试样洗涤微量注射器5次，然后吸取1μL未知试样。将注射器垂直插入气相色谱仪的进样口中，迅速注入试样，同时点击屏幕上的采集数据按钮。待采集时间超过前两步中的最长保留值后停止采集，并记录每个峰对应的保留值。

6.         整理器材，分析实验数据，判定未知试样的成分。

六、         实验数据及处理：

1.         试管A中各物质的保留值：正戊烷0.657min，正己烷1.073min，正庚烷1.998min，正辛烷3.948min。

2.         试管B中各物质的保留值：环己烷1.807min，苯2.482min。

3.         未知试样共有3个峰，对应的保留值分别为：0.623min、1.057min、1.773min。

4.         对照可得未知试样成分：正戊烷、正己烷、环己烷。

七、         讨论与感想：

1.         通过本次实验，我认识了一个新的仪器——气相色谱仪，了解了其基本工作原理。我想这是物理方法在化学领域的一个重要应用，通过设置一定的色谱条件，使得不同物质的某一共同性质得以量化，从而可以用于物质的鉴别和含量的测定。各学科的交叉应用，极大的促进了每一个学科的发展，这也是现今科技发展的趋势。

2.         气相色谱仪、微量注射器等先进仪器设备的应用，使得化学实验变得更加简单、高效、准确。连接电脑的气相色谱仪，只需要将试样注入仪器，电脑就可以自动绘出色谱图，并且给出各个峰的保留值，大大减少了操作难度；而微量注射器的使用，使得我们能够精确取样，而且能够极大程度地节约药品，从而节省资源。

3.         对已知物质保留值和未知试样保留值的测定必须用同一个气相色谱仪，因为不同色谱仪的色谱条件都会有差异，只有使用同一个色谱仪才能避免仪器本身的差异造成的实验误差。但是尽管使用了同一个色谱仪，未知试样的保留值和对应的已知物质的保留值还是略有差异，这可能是仪器本身的色谱条件的微小变化造成的，可以通过多次测量已知物质的保留值和未知试样的保留值并取平均值的方法，来减少偶然误差。

4.         实验的最后，我们又做了一个创新实验——把等量的A、B两组溶液混合注入气相色谱仪中，观察色谱图。我们发现，此时的色谱图上会有六个峰，但是第三第四个峰（环己烷、正庚烷）会有部分重叠，尽管这不会影响物质的保留值，但是对于使用归一化法定量分析未知试样会产生影响，这也是实验设计时分成A、B两组的原因所在。

 

第二篇：气相色谱法在氢同位素分离中的应用

第!’卷第’期!""*年!月

同!位!素

+,-./01,234,5,746

8,19!’!:,9’;7<9!""*

气相色谱法在氢同位素分离中的应用

叶小球!桑!革!彭丽霞!薛!炎!曹!伟

"中国工程物理研究院%四川绵阳!($!’%""

摘要!简要介绍了气相色谱法分离氢同位素的原理%重点阐述了利用气相色谱法分离氢同位素的几种主要工艺"洗提色谱法&氢置换色谱法&自置换色谱法和前沿置换色谱法$及其应用进展%并对气相色谱法在氢同位素分离中的应用前景进行了评述’关键词!氢同位素!气相色谱法!分离

中图分类号!"$C()#9#!AB%!!!文献标志码#=!!文章编号#’"""$#)’!!""*"’$"">"$"(

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#!!<#$%-5IL.,7/J4,5,74470.05J,/046I047KI.,O05,.0IMP6PP6M6.=!!氢同位素的分离对于聚变堆燃料循环以及

氚处理工艺有着非常重要的意义’作为氚回收工艺的关键技术%已发展的氢同位素分离方法主要有低温蒸馏法&气相色谱法&热扩散柱法&特种

’$>)电解法和激光分离法等(’这些分离方法中以

分离技术的改进和高性能低成本填充材料的开发%氢同位素气相色谱分离技术将得到进一步发展%应用也将会更广泛%完全有可能应用于大规模的氚工程%如应用于聚变能源开发领域’

气相色谱法分离氢同位素最具有明显的优势#技术设备简单%系统建造费用低廉%分离系数大%产品纯度高%并且能够实现自动循环分离’目前%气相色谱法已应用于中小规模的氢同位素分离%但离大规模的工程应用还存在一定差距’随着

>!气相色谱法分离氢同位素的原理

用于氢同位素分离的气相色谱属于制备色谱’按固定相和所利用的物理化学原理不同%制备色谱可以分为洗提色谱和置换色谱’洗提色谱和置换色谱采用的填充材料&柱温及各自的优

收稿日期!!""#$">$"(!修回日期!!""#$’"$!"

基金项目!中国工程物理研究院基金资助项目"项目号#$!"")")>&

作者简介!叶小球"%男"汉族$%安徽安庆人%助理工程师"硕士$%核燃料循环与材料专业’%*"!$

气相色谱法在氢同位素分离中的应用!第’期!!!!!!!叶小球等%>’

缺点列于表’!由表’可以看出"在洗提色谱中"色谱柱的填充材料#固定相$多为非金属吸附剂"如分子筛和活性氧化铝等"氢同位素在吸附剂上发生物理吸附!洗提色谱分离氢同位素的但通常需要配置低原理与常规的分析色谱一致"

温分离柱!这是因为"氢同位素各组分在低温时吸附速率的差别更大"而且低温还可以抑制混合型分子#如?@$的产生!在置换色谱中"色谱柱

的填充材料多为吸氢金属或合金"主要是金属钯或载钯材料"氢同位素在材料上发生化学吸附"吸附的组分需要在较高的温度下脱附!置换色

谱法分离氢同位素的基本原理是基于如下的同固相之间的交换反应%位素在气$

$$$$?!#\@#4\?#4543?@#PP

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在相同的温度下"当氢氘混合物进入钯色谱

柱时"由于钯对氢的亲合力大于对氘的亲合力"氢&氘在固相中的浓度就会很快进行重新分布"直到出现明显的界面!此时"如果用纯氢置换混合物中的氘"则相对于钯亲和力较小的氘将首先到达柱的顶部"分别收集流出色谱柱的氘和氕"即可实现二者的分离!

表>!!"#!"式所示的洗提色谱与置换色谱的比较>?

色谱方法洗提色谱置换色谱

填充材料分子筛或活性氧化铝

钯或载钯材料

柱温

原理

优缺点

填充材料成本低"便于规模应用"但需要载气和低温制冷设备操作简单"处理容量大"分离效果好"但填充材料价格昂贵"需要置换气体

低温#液氮$物理吸附较高#%*Y$化学吸附&!

?!洗提色谱

用于氢同位素分离目的的洗提色谱要求产品气的生产速度快&效率高!不仅其分离柱比分析色谱的大很多"而且在系统组成上"需要增加产品提取和载气循环设备!

早在!欧洲原子能联合研"世纪*"年代初"究会#$就已经开展了洗提E-0.05,O=44,KJ05J,/色谱法分离氢同位素的实验研究!T7.KI7.$

’(

体积分O7J7.等)对’"d?!$’"d?@$*"d@!#

量为&(单次进样量&O"经分离&净""OB#B$化后"氘纯度"%氘的回收率为%%9%d"*9>d!

#(

谢波等’也曾采用气相色谱技术建立了一套氘

浓缩演示实验装置"其核心部分是装有)=分子筛和少量S!JU的两套色谱柱#)OOg&"O$$>以?在液氮温度下"对氘氢#体7做载气"$@$?$系进行了实验!结果表明"氘浓度为"9’d的样贫化部品经浓缩后得到@浓度为&"d的产品"

[)分@浓度小于’*氘浓度为’""d的样品经浓

数$混合气进行了分离实验"其分离柱填充材料为=在液氮温度#下"1$’9"dSJC#Y$!#!C&!"以?进样量>指标准状态下的7为载气"’(OB#体积"下同$"得到的单组分纯度为%%9%"d"?!和?@的分离度为"9德国A%&"!随后"BY

#$实验室建立了A.J5J-OB0<,.05,.0.14.-I7MY能够满足小规模工程应用的色谱分离系统"并于

’(’%%)年进行了投氚实验!!该系统采用两根串

缩后得到@浓度大于%"d的产品!该装置对

&

)!@$?体系的处理容量达到>"OL

填充材料&柱参数和操作条件等均会影响洗提色谱分离氢同位素的效果!一般情况下"柱越长"柱内径越大"载气流速越低"氢氘的分离效果越好"但各组分的保留时间也越长"因而不利于

((

提高工作效率’!因此"对于具体的分离工艺"

应选择适当的柱长&柱内径和载气流速!在固相吸附材料方面")=分子筛比=1!C&具有更强的吸附能力"其最佳工作温度比=而且活1!C&高"化要求低"活化充分与否对分离的影响较小"就

’(目前来说")=分子筛仍是较理想的填充材料#!

联的色谱柱"柱温分别维持在’")Y和’"*Y"以氧化铝作为填充材料"?7载气压强和流速分别为&<)通过多次分离处理后"0.和>"BOJ/"氘或氚中氕含量低于"9氢同位素气体处理’d"

((

量为’9)!在国内"周俊波等’用=)O,1L1!C&

小球#装填分离柱"=.气作载气"$!!&OO$对"9)>d?!$>9"d?@$%)9>(d@!的混合气进行了分离实验%载气流速为))总进样"OBOJ/"

A!置换色谱

与洗提色谱分离相比"氢同位素的置换色谱分离不但出现的时间早"而且分离原理和所需设

*"备还要简单些!#同样大小的分离柱$置换色谱

有更大的分离容量和更快的分离效率$因此$它一出现就受到了高度重视#在置换色谱柱中多用钯或载钯材料作为固定相#按所利用的置换

置换色谱法可分为氢置换色谱%前沿气体不同$

置换色谱和自置换色谱$其各自的性能列于表!#A@>!氢置换色谱法氢置换色谱法利用氢气作为置换气体$其分%"离氢同位素的过程为!&首先在一根填充了载钯材料的分离柱内通入一定量的混合气体’如氢$然后用纯氢置换混合物中的氘#由于氢同氘(位素效应$重同位素被氢置换出来$并推向前面#当气体流出分离柱时$分别收集氘和氕$就实现

了氕氘的分离#

表?!几种置换色谱方法的比较

色谱方法

氢置换色谱

前沿置换色谱

自置换色谱置换气体?!原料气本身$$$柱温室温!&>"Y室温!&>"Y温度较高优缺点产品纯度和回收率均较高$但需要额外的置换气体$会增加含氚废物的处理并且有可能稀释原料气负荷$操作简单$氘富集比高$但回收率较低$适合于从天然氢中回收氘无需额外的置换气体$有较高的回收率和富集比$但操作程序相对复杂$可用

于氢同位素的富集和分离

"对氘丰度为)-X0L0等’>9%d的氢氘原!!;

料气进行了氢置换色谱分离$进样量为&%!OB!"’为柱容量的)$氢气流速为!)>9#d(*9#OB

其置换色谱示于图’#由图’可以看出$所OJ/$

得产品气中氘丰度可达到’氘的回收率也""d$

接近’分离时间少于&""d$"OJ/#英国+EA’(气体处理厂在!+,J/5E-.,70/A,X0O0X"世6

纪*"年代已建立了氢置换色分离装置并投入使

&"用!#该装置共有>根色谱柱’&9(OOg)$&

$柱内填充材料为载钯$氧化铝’含TO($L’*d

$每根柱子的吸氢容量约为’在流"d(’"B$!!

)温度为室温!&速为’9!!’"BOJ/%>"Y的条

件下$可以获得高质量的氚和氘#经系统富集后的氚浓度可达%流出的氢)氘气体中氚浓%9%d$

度小于"9稳定地’d#该装置可以长时间安全%

运行#

氢置换色谱的分离装!!同洗提色谱分离相比$

无需低温致冷设备($处理氢同位素的置更简单’

容量也更大#但仍然需要较长的分离柱$而且由于采用纯氢作为置换气体$有可能会稀释原料气$增加含氘’或氚(尾气的处理负荷#

A@?!前沿置换色谱

前沿置换色谱利用原料气本身作为置换气一般采用几根分离柱串联#由于原料气同时体$

作为载气$钯柱中只形成氘的富集区$其余区氘的浓度与原料气接近#前沿置换色谱不会增加

!""

含氘’或氚(尾气的处理负荷#;采-X0L0等’

气相色谱法在氢同位素分离中的应用!第’期!!!!!!!叶小球等!>)

容!"#研制$选择新型的固定相材料%或研究它’们的表面改性处理方法%使之具有更优的分离性能&"#优化系统设计%完善工艺流程%以提高!分离效率$降低系统造价和运行成本&参考文献!

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刘云怒%侯建平%等9气相色谱法浓缩氘的研究’+(9核技术%!"")%!*"’!#!%&>$%&(9’*(!VBGEUY=G;E%Y3AAVT9?ML.,P7/34,5,6

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