张康平，仪明媛，赵 娜

（1.准格尔旗环境保护局，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.内蒙古准格尔经济开发区环境保护局，内蒙古 鄂尔多斯 010400）

挥发性有机物（volatile Organic Compounds，VOCs）是常温常压下能够挥发的有机物的总称，主要包含乙烯、丙烯、乙炔、甲苯、苯乙烯等烃类和硫化物[1-2]。VOCs在大气中分布广、成分复杂，有些组分具有毒理性，还可与空气中氮氧化物反应，造成O3和二次气溶胶的产生量增加[3]。因此，VOCs的监测和处理已经成为大气污染防治攻坚的任务之一，这对大气中VOCs连续采样监测也提出了更高的要求。目前，大气中VOCs的监测技术主要有气相色谱法（GC）、在线VOCs质谱法、环境舱系统、红外光谱吸收法、质子转移反应质谱等，其中仍以气相色谱和质谱联用为主[4]。但是，基于空气的低成本的大流量零气发生设备较少，限制了气相色谱和质谱在VOCs在线连续采样和分析上的应用，同时也限制了VOCs在线监测平台的建设[5-8]。本文以此为出发点，研究了如何利用钯催化剂将气体中的非待测VOCs除去，并设计了能够产生满足在线VOCs监测系统校准及稀释配气时所需的大流量零气的零气发生设备（钯炉）。

1 概述

1.1 钯催化剂简介

钯催化剂是一种高效能脱氧催化剂，该催化剂是以薄壳理论为基础，用贵金属钯负载在活性氧化铝上加工制成的脱氧催化剂，主要用于氢气中除氧，氮气、一氧化碳、二氧化碳、氩气等惰性气体加氢除氧，也可用于某种化工产品反应的特殊催化剂[9]。钯催化剂具有催化活性高、工艺简单以及操作安全等优点，业已广泛用于冶金、轻工、电子、化工等工业部门。

1.2 零气发生器中钯炉的作用理论研究

零气发生设备中的钯炉是在有氧环境中去除VOCs，挥发性有机物在高温下与有氧体系中的氧发生氧化反应从而使有机物燃烧而去除。钯催化剂在反应中起催化作用，降低反应活化能，使反应更容易进行。影响钯炉VOCs去除率，限制零气发生器流量的因素主要有以下几个。

1.2.1 接触时间

延长接触时间有利于提高VOCs去除率，同时，从式（1）可以看出，在假定处理量和体积流量时，人们可以计算出催化剂堆体积的理论值。

1.2.2 钯催化剂填充量

增加催化剂的填充量有利于提高VOCs去除率。降低钯催化剂的粒径和增加钯催化剂填充质量是增加催化剂填充量的两种有效方式。

1.2.3 钯炉温度

钯炉温度的提高有利于提高VOCs去除率，但是温度过高则有可能导致催化剂失效，这是设计零气发生器时必须考虑的重要因素。本文在对零气发生器和钯催化剂的理论研究基础上，从接触时间、钯催化剂填充量和调节钯炉温度三个方面入手，设计了可满足大气中VOCs连续采样监测分析所需的大流量零气发生器，并对其性能进行了测试研究。

2 试验测试部分

2.1 试验设备

本文所用仪器设备为AMA GC5000在线色谱分析系统，该系统搭建完成后，可实现无人值守连续自动采样、进样分析过程，并自动给出目标物定性、定量结果。该系统主要由以下10部分组成：AMA GC5000 BTX在线色谱分析仪（C4～C12）；AMA GC5000 VOC在线色谱分析仪（C2～C6）；AMA DIM 200稀释校准器；LNI SONIMIX 3080氢气发生器；空气压缩机和氮气钢瓶（纯度≥99.999%）；PAMS-56标气及减压阀；工业级计算机及数据采集和分析程序；气体净化捕集阱及采样气路的过滤组件；标准仪器机柜、5KVA交流净化电源和全套电路；网络交换模块和相关网线。

2.2 大流量零气发生器设计及测试过程说明

目前，市场上以流量为4 L/min的零气发生器为主，这对于大气中VOCs的连续采样监测分析造成了一定的限制，本研究拟设计一个出口流量为10 L/min，处理量约为8 000 h-1的零气发生器。

具体设计及测试步骤如下：根据前文所述理论，计算确定了该零气发生器的催化剂堆体积、填充量、催化剂粒径、钯炉温度等参数理论值范围；按照机械制图要求，利用CAD软件设计并选用不锈钢材质制作了多个满足上述参数理论值范围的钯炉；将空气压缩机、流量计、钯炉、GC5000系统顺序连接，设定钯炉温度后对GC5000系统走零基线和采用钯炉处理的零气稀释配气所做的标准曲线线性进行分析，反复测试钯炉的处理效果；根据分析测试结果，确定钯炉的催化剂堆体积、填充量、催化剂粒径、钯炉温度等参数的理想值，最终设计一个出口流量为10 L/min，处理量约为8 000 h-1的基于空气的低成本大流量零气发生器。

3 研究结果

根据理论计算，处理量大约8 000 h-1时，要保证10 L流量，需要填充60 g钯催化剂，堆体积至少0.5 L。测试研究发现，钯炉采用不锈钢LCr18Ni9φ34×3长度220 mm，填充体积为0.54 L时，处理效果较好。经设计制作的带有温控装置的钯炉主结构如图1所示。

图1 钯炉主结构外观设计

将该钯炉与空气压缩机、流量计、GC5000系统等部件连接后，按照设计流量10 L/min，钯炉温度设置为480℃，开始监测，监测结果显示处理效果比较好，GC5000系统走零基线平稳，采用钯炉处理的零气稀释配气所做的标准曲线线性r＞0.999，完全满足校准要求，详情如图2所示。

图2 GC5000部分目标物线性图

研究表明，在10 L/min流量下，处理效果与处理量、钯粒径成反比，与钯炉温度、钯填充量成正比。

本研究在设定出口流量为10 L/min后，最终确定所用的钯炉参数如表1所示。

表1 设计钯炉主要参数指标

4 结论

在保证出口流量为10 L/min条件下，经过多次调整测试，笔者最终确定了钯炉的主要参数指标，使设计的钯炉能够产生满足在线VOCs监测系统校准及稀释配气时所需的大流量零气。同时，钯炉完全可以满足PAMs标气下GC5000仪器要求，VOCs中大部分物质去除效果较好，对于正构烷烃等比较难处理的物质，配合过滤就能满足要求。该零气发生设备可以产生出口流量为10 L的零气，突破了零气流量不足对VOCs连续采样监测分析的技术限制，并且设备运行成本低，对大气中VOCs连续采样和监测分析具有较大的应用价值，值得推广使用。