气相色谱在填埋气测定中的应用

　　垃圾填埋气是垃圾由于微生物的分解作用而产生的最终产物，其主要成分包括CH4、CO2及H2、N2、O2等以及一些痕量气体，其中最主要的成分是CH4和CO2，二者能占填埋气总量的90%以上。填埋气是易燃易爆气体，当空气中CH4浓度在5%~15%时，存在爆炸的隐患。填埋气也是一种可以回收利用的资源，利用恰当可以作发电、供燃气等用。填埋气还是一种温室气体，特别是CH4气体，它的温室效应作用是CO2的31倍，填埋气中含有许多非CH4气体，这些大多数是挥发性有机污染物（VOCS），尽管它们的量非常小，但对环境及人体健康的影响不容忽视。因此，无论是从资源回收和为设计及运行管理提供基础数据的角度，还是从保护环境和人体健康的角度来讲，都应当对垃圾填埋气进行监测，并在此基础上对填埋气进行产量及迁移规律的预测。但监测是最基础也最重要的一环。
　　垃圾填埋气一般用气相色谱法来进行监测。


一、气相色谱法概述
1 ．1 气相色谱法基本原理
　　气相色谱分析技术是色谱法的一种。在气相色谱分析的过程中，流动相载着样品通过固定相，样品中的组分在流动相和固定相之间连续移动多次进行重复分配平衡，由于各组分的物化性质和几何结构不同而特有的偶极矩，决定了在两相间的分配比不同。各组分在两相中重复进行溶解、解析、吸附、脱附、离子交换等形式的作用，从而造成各组分沿着色谱柱运行速度也就不同，经过适当长度的色谱柱后，各组分之间就会拉开一定的距离，按照先后排列次序从色谱柱后流出，最后达到各组分分离分析的目的。


1 ．2 气相色谱仪的组成
　　气相色谱仪的结构，外型有多种多样，但组成总是包括五个基本部分。（1）载气系统：载气带着试样进入色谱柱，载气系统的任务是提供纯净、稳定、能被计量的载气。（2）进样气化系统：起引入试样并使试样瞬间气化的作用。（3）色谱柱：是实现试样色谱分离的场所。色谱柱由色谱柱管、柱内填充物等组成。（4）检测器：对柱后已被分离的组分进行鉴定和测量。（5）记录仪：记录由检测器产生的信号，以便进行试样的定性和定量分析工作。


1 ．3 气相色谱法最佳操作条件的选择
　　由于气相色谱法是通过组分在两相的分配来进行的，因而如何增大被分离组分在两相间的分配系数的差异，减小峰的宽度，是色谱分离研究的中心问题。通过选择合适的固定相及最佳操作条件，可以获得令人满意的分离。
　　最佳操作条件的选择包括：载气流速的选择、载气的选择、柱温的选择、柱形和柱长的选择等等。


二、垃圾填埋气主要气体的气相色谱监测
　　垃圾填埋气的主要气体是指CH4和CO2。国外的资料表明，在一个典型的垃圾填埋场一般CH4的含量可达45%~50%，而CO2的含量可达40%~60%，我国由于垃圾中食品垃圾含量高，含水率也比国外要高。因此，我国的垃圾填埋气中CH4含量要比国外的高。有研究表明：深圳市垃圾填埋气中CH4含量为62.2%，而CO2的含量为34.7%。必须对垃圾填埋气主要气体进行监测。
　　对于CH4和CO2的监测分析方法国家并没有一个标准，目前国外主要用便携式气体分析仪进行分析。但也可以用气相色谱法进行分析。


2 ．1 仪器及设备
　　日本岛津公司GC-14B气相色谱仪，配热导池检测器，GR-4A色谱数据处理机，高纯氮气，100毫升医用注射器。


2 ．2 气相色谱分析条件
　　玻璃填充柱一根，柱长2m，柱内径3mm，内载40~60目G.D.X-502（天津化学试剂二厂），载气为高纯氮气，柱流量60ml/min，柱温30℃，气化室温度120℃，检测器温度120℃，池电流50mA，进样量0.5ml。
　　在这些条件下，所测气体组分采用保留时间进行定性，外标峰高法进行定量。由于二种气体均为不活泼气体，它们与采样器玻璃注射器之间无明显吸附解吸现象发生，所采集的气体样品可保留较长时间，样品浓度变化较小，对测定结果无显著影响。另外，由于本方法是采用注射器从现场直接采样，采样时间短具有可瞬间采样的优点，适合气体发生量的测定工作。本方法在采样过程中不需要加入任何气体吸附剂，无吸附回收率问题，故准确度很高。


三、垃圾填埋气痕量气体的气相色谱监测
　　垃圾填埋气中包括许多微量气体，尽管这些微量气体的浓度很低，但其毒性强，对环境和人体健康的危害很大。微量气体大多是挥发性有机污染物（VOCS）。在一些发达国家如美国已将一些微量的芳烃化合物和卤代化合物作为垃圾填埋场空气的常规监测项目[7]。我国邹世春等人通过对广州第二垃圾填埋场进行监测，共检测出了多达63种VOCS，其中有16种为美国国家环保局（USEPA）优先控制污染物，包括苯、甲苯、乙苯、氯乙烯、氯仿、氯苯等污染物。这表明在垃圾填埋场空气中存在着可产生三致作用的毒害性有机物，并使垃圾填埋场有可能成为较严重的污染源。


3 ．1 苯系物的气相色谱法监测
3．1．1 原理
　　用活性炭吸附采样管富集空气中的苯、甲苯、乙苯、二甲苯等后，加二硫化碳解吸，经DNP+Bentane色谱柱分离，火焰离子化检测器测定，以保留时间定性，峰高外标法定量。
3．1．2 仪器及设备
　　气相色谱仪：具有火焰离子化检测器，色谱柱长2m，内径3mm不锈钢柱，柱内填充涂附2.5%DNP及2.5%Bentane的Chromosorb W HP DMCS（80~100目）；空气采样器：流量0~1L/min；活性炭吸附采样管。
3．1．3 色谱条件
　　柱温：64℃；气化室温度：150℃；检测器温度：150℃。
　　载气氮气流量：50ml/min；燃气氢气流量：46ml/min；助燃气空气流量：320ml/min
　　在这些条件下，进行实验测定。先配制苯系物的标准储备液，然后进样测定，绘制标准曲线。


3 ．2 非甲烷烃的气相色谱法测定
3．2．1 主要仪器设备和试剂
　　（1）SP-3420型气相色谱仪（北京分析仪器厂），氢火焰离子检测器（FID）；（2）RJ-I型热解吸器，RJ-ZH-1型热解吸与控制仪；（3）活性炭吸附采样管，长10cm，内径6mm，壁厚0.8~1mm；（4）注射器，1ul，5ml，100ml；（5）TDP-1000型大气采样器，采样流量0~1L/min；（6）正己烷标准溶液。
3．2．2 色谱分析条件
　　硅烷化玻璃微球（60~80目）不锈钢填充柱：柱长3m，进样器温度170℃，检测器温度170℃，辅助温度160℃，柱温75℃，载气流量（N2）30VmL/min，燃气流量（H2）30Ml/min，助燃气（O2）流量300ml/min；进样量：直接进样1Ml。
3．2．3 正己烷标准气体的配制
　　以N2为空白稀释气体。吸取1uL正己烷标准溶液于100ml充有N2的注射器中，待完全挥发，充分摇匀，此注射器中的气体为标准源气。再吸取1ml标准源气于另一有氮气的注射器中，摇匀，该气体即为定性和定量分析是的标准气体。


3 ．3 醛酮污染物的气相色谱测定

3．3．1 试剂和标准样品
　　甲醛、乙醛、丙烯醛、丁醛和苯甲醛均为分析纯，正戊醛为优级纯，丙酮、丁酮和苯乙酮均为分析纯。2，4-二硝基苯肼，AR；二硫化碳，AR，现用现蒸；双蒸水用前现蒸。2，4-二硝基苯肼吸收液：用1mol·l-1硫酸溶解适量2，4-二硝基苯肼固体，制成饱和溶液，用1/10（V/V）二硫化碳提取两次。吸收液应在采样前48h内制备纯化。
3．3．2 仪器及其条件
　　气相色谱仪为美国PE9000 AutoSystem GC。色谱柱为SE-54毛细柱，长25m，内径0.32㎜；检测器为电子捕获检测器。柱温220℃恒温；气化温度270℃；检测器温度375℃；载气为N2,40ml·min-1,分流比1：50。进流量1μl。
3．3．3 实验方法
　　采用两支U型多孔玻璃板吸收管串连采集空气样品，吸收管内装入10ml 2，4-二硝基苯肼吸收液。采样装置为空气采样器，转子流量计以皂膜流量计校准。采样速度为0.5～1.0 ml·min -1,采样时间为10～60 min.
　　样品采集后，定量转移到100 ml分液漏斗中用2×5ml CS2萃取。有机层转移到25 ml容量瓶中，以CS2定容到25 ml。用相对保留时间定性，用外标法定量。


四、结论
　　气相色谱是具有高分离效能、高选择性、高灵敏度、分析速度快、定性定量准确、应用范围广泛、样品用量少等特点的一种新型通用分离分析技术。它在分析空气和废气中的如CO2、CH4及一些痕量污染物中有着很广泛的应用。垃圾填埋场产生的填埋气中的许多成分诸如CO2、CH4及一些VOCS都可以通过调整和选择最佳操作条件如：载气流速的选择、载气的选择、柱温的选择、柱形和柱长的选择来进行分离和分析。气相色谱法在垃圾填埋气分析中有着广泛的应用。
参考文献
1. 魏复盛等，水和废水分析方法指南（中册），中国环境科学出版社，P135，1994
2. 张世森，环境监测技术，高等教育出版社，1992.5
3．George tchobanogous, Hilary theisen. Integrated solid waste management engineering: Principles and management Issues[M]New York: McGraw-Hill, 1993
4．黎青松等. 城市生活垃圾填埋场产气规律研究，上海环境科学，1999，18（4）：32~35
5．国家环保总局，空气和废气监测分析方法，中国环境科学出版社，1990
6．方满等，垃圾填埋产气的气相色谱测定，环境污染与防治，1996，
7．邹世春等. 垃圾填埋场空气中微量挥发性有机物的分析[J]. 环境科学. 2000；21（2）：70~73
8．郑丽琴等，碳管吸收气相色谱法测定大气中的非甲烷烃，城市环境和城市生态，2000，13（4）：32~33
9．戴天有，魏复盛等，空气和废气中醛酮污染物的气相色谱测定，环境化学，1998，17（3）：293~297