页岩气的快速发展与气相色谱仪器的研发应用密切相关。目前,广泛应用于页岩气气体组分测定的仪器主要是气相色谱仪。
自1952年世界上第一次创建实用气液色谱法以来,气相色谱已成为现代分析检测仪器的代表。气相色谱作为一种成熟的分离复杂混合物的分析技术,在石化分析、药物分析、食品分析、环境分析、高聚物分析等领域均得到广泛应用,是工业、农业、国防建设、科学研究中的重要工具。对于页岩气组分定性定量的分析主要由气相色谱仪测定完成。气相色谱仪的高效、便捷、分离度高等特点不仅帮助推进了页岩气组分分析方面的研究速度,也提升了页岩气组分分析的精密度。
什么是气相色谱仪?
气相色谱可分为气固色谱和气液色谱。载气作为气相色谱分析中的流动相,主要以氮气、氦气等惰性气体为主。固定相为固体时称为气固色谱,如活性炭、硅胶作为固定相。固定相为液体时称为气液色谱,如在惰性材料硅藻土涂层的角鲨烷作为固定相。
在页岩气气体组分分析过程中,气相色谱仪以载气为流动相,利用页岩气中各气体组分在色谱柱中的气相和固定相间的分配系数不同,各组分在两相间进行反复的分配过程,由于固定相对各组分的吸附能力不同,各组分在色谱柱中运行速度出现差异,经过长长的色谱柱之后,各组分彼此分离,依次经过检测器, 经记录器绘制成色谱图。如图1为气相色谱仪实物图。
图1 气相色谱仪实物图 (自然资源部中国地质调查局供图)
一台气相色谱仪的基本部件由以下五大系统组成:气路系统、进样系统、柱系统、检测系统、数据记录和处理系统。组分能否分开,关键在于色谱柱;分离后组分能否鉴定出来则在于检测器,所以柱系统和检测系统是仪器的核心。如图2为气相色谱仪内部结构简图。
图2 气相色谱仪内部结构简图(自然资源部中国地质调查局供图)
检测器对每个组分所给出的信号,在记录仪上表现为一个个的峰,称为色谱峰。色谱峰上的极大值是定性分析的依据,而色谱峰面积则取决于对应组分的含量,故峰面积是定量分析的依据。一个混合物样品注入后,由记录仪记录得到的曲线,称为色谱图。通过分析色谱图就可以得到定性分析和定量分析结果。如图3为页岩气色谱图。
图3 页岩气色谱图(a. FID色谱图 b. TCD色谱图)(自然资源部中国地质调查局供图)
气相色谱仪的发展历史
James和Martin在1952年提出了气液相色谱法的概念,