硫化氢气体快速检测方法研究.doc

余 倩等：硫化氢气体快速检测方法研究 317硫化氢气体快速检测方法研究摘要：研究了快速监测硫化氢气体的新方法硫化氢被动式检气管方法。该法是基于气体分子扩散（Fick）定律和化学吸收原理，将检气管内的海棉载体涂渍上对硫化氢有特效的显色剂（缓冲液G和醋酸铅）。测定时，硫化氢通过检气管端口扩散进入管内，在经过载体时，与载体上的显色剂发生反应，从而产生明显的颜色变化（浅黄色变成棕黑色）。检气管显色长度的平方与硫化氢质量浓度及采样时间的乘积在501500 mgm-3范围内成线性关系，从而快速监测环境中硫化氢的时间加权平均质量浓度。该检气管集采样与分析为一体，可快速测定硫化氢气体的质量浓度。与传统的采样分析方法比较，该检气管结构简单，操作方便，不受被测环境的空间大小、有无电源等影响；携带方便，利于外出测定和大面积布点测定。经过应用实验表明，该检气管具有较高的灵敏度，达到设计要求。关键词：硫化氢；被动式；检气管硫化氢气体是一种对人体健康十分有害的空气污染物。井喷事故给人们留下了难以磨灭的伤痛！空气中的H2S主要来源于工业如炼钢、炼焦、炼铁、炼油中产生的气体的排放以及城市生活污水的淤积和排放。如何准确而快速的测定出某一区域的空气中的硫化氢质量浓度并采取有效的措施已成为当务之急。对硫化氢的测定有碘量法和亚甲基蓝法，还有醋酸铅反应速率法、气相色谱法、检测管比长法等。碘量法是经典的化学分析方法，采用不同的取样量，可检测低至1 mgm-3（气体体积计量的标准比条件为101.325 kPa，20 ），高至100%的硫化氢。亚甲基蓝法适用范围较小，为025 mgm-3，此方法对硫化氢质量浓度较稳定的净化天然气较为适合。气相色谱法主要是对检测器、标准气和取样技术有较高的要求，火焰光度检测器FPD主要用于mgm-3数量级的硫化氢及其它硫化物，热导检测器TCD可用于硫化氢体积分数约大于0.05%的样品1。这些测定方法，都有一个缺点：就是使用设备价格高，体积庞大，需要能源，很多时候不能实地进行测定，都需要先主动采样后（即带动力如泵等的采样）再回实验室进行分析，延长了分析时间，增大了分析的误差，尤其对于稳定性不高的气体。选择硫化氢被动式检测管法，因为其结构简单，携带及操作方便，分析快速，不受被测环境的空间大小、有无电源等的影响；其次，这种检测方法价格低廉，利于外出测定和大面积布点测定。这方面国内少见报道。1 实验部分1.1 仪器与试剂 5 mm5 mm70 mm海绵条。特效显色剂制成的浸渍液（缓冲液G和醋酸铅）。检气管：将海绵条用浸渍液浸泡后，装填于长50 mm，管内径4 mm的玻璃管中管两端加上盖了将其密封。保存于阴暗处待用。1.2 检气管的校准将检气管去掉密封后，吊于不同硫化氢气体标准质量浓度的玻璃瓶中，在一定时间（T）内量出检气管显色长度（L）以L2与（t）经回归后作标准曲线或制成质量浓度标尺。2 结果与讨论2.1 变色长度与质量浓度及时间的关系（1）利用分子扩散定律2, 3，硫化氢气体进入检气管的量可以表示为： (0=0)式中：M为进入管内的硫化氢量；A为扩散面积；D为扩散系数；L为显色长度；为环境中硫化氢质量浓度；t为暴露时间。由于初始值都为0，经积分可得 （1）（2）检气管内变色部分的显色剂消耗量为： （2）式中：M为变色部分显色剂消耗量；K为单位体积担体上显色剂量。（3）变色长度与浓度、时间的关系： M=kM （3）结合以上（1）、（2）、（3）三式可得简化可得或（K为常数），因而只要测出检气管在t时间内的显色长度L，依上述关系，可求得硫化氢气体的质量浓度。经多次实验证明，检气管显色长度的平方与硫化氢质量浓度及采样时间的乘积在501500 mgm-3范围内成线性关系，如图1所示。（t）/（hmgm-3）050100150200250102030L2/mm2图1 校正曲线Fig. 1 Correct curve2.2 载体的选择将硅胶和海绵条分别做载体，装管使用，结果装有海绵条的能够显色，并且显色长度良好，边界清楚；而装有硅胶的无论在什么质量浓度下的H2S中都是显色长度很短，边界也时常出现不清的情况，所以，本实验选取海绵条作载体。2.3 装管方法的确定和选择选择：干法装管，红外灯（灯泡距离液面8 cm）烘60 min，方法灵敏，边界清晰。具体见表1所示。表1 装管方法的选择实验Table 1 Tests for prepare tube显色效果边界湿法装管不烘干湿差无干法装管红外灯(灯泡距离液面8 cm)烘30 min半干明显很不清晰烘60 min近干明显,灵敏清晰烘100 min过干明显很不清晰2.4 海绵条的浸泡时间的选择将5支不同时间浸泡制成的检气管分别放入同质量浓度的硫化氢中实验，发现浸泡12 h的效果较好。2.5 选择管径选取内径分别为5.0 mm, 4.5 mm, 4.0 mm, 3.5 mm的玻璃管（长度均为5 cm）装管，结果表明，不同管径对显色效果影响很小。2.6 温度、湿度和风速的影响环境条件对气体扩散有一定的影响，在室内条件下，温度为1635 ，相对湿度为18%80%，实验表明，温度、湿度和风速对检气管的测量无明显影响3。2.7 干扰初步研究显色剂长时间敞开在空气中会吸收二氧化碳气体，生成固体粉末，阻碍硫化氢气体的扩散。初步解决办法是检气管制成之后，尽快密封保存；并且显色剂与硫化氢气体的显色反应速率远远大于显色剂吸收二氧化碳气体的速率，所以二氧化碳气体的干扰较小。二氧化硫气体产生正干扰。二氧化硫质量浓度低于57 mgm-3时，对检气管不产生干扰。当二氧化硫质量浓度高于57 mgm-3时，硫化氢实际读数略有增高。二氧化硫单独存在时，检气管没有显色反应4。2.8 放置时间的影响将检气管在密封的条件下，可保存60 d以上。3 应用分别抽取20 mL广州石油化工厂提供的硫化氢气体样品（广州石油化工厂测定值是1.51%，即气体质量浓度是895.3 mgm-3）注入三个瓶中，扩散1小时，每个瓶子内都吊有检气管进行测定，查L2-(t)图得对应质量浓度（表2）。表2 样品实验Table 2 Sample tests显色长度L/mm2.352.202.552.502.552.55时间t/h0.07110.06830.07530.07000.07750.0756L2/mm25.5234.8406.5036.2506.5036.503/(mgm-3)798.5758.6848.6886.6824.5845.2相对误差/%10.815.35.21.07.95.6变异系数/%（平均值）5.44 结论本文研制的检气管长度为50 mm，内径为4 mm，将特效显色剂（缓冲液G和醋酸铅）涂渍于海绵条上，形成一显色体系。测定时，在H2S中检气管两端同时显黑色，显色长度的平方（L2）与质量浓度和时间的乘积（t）在501500 mg/m3内呈线性关系。此检测管的显色体系较稳定，成本低。它适用于各种烧煤或耗汽油的工厂、车间中有毒气体H2S的定性和定量的测定，而且可以大面积布点测定，如石油井周围环境H2S含量的测定，确定是否需疏散人群，以确保人民的生命安全。一般情况下，温度、湿度和风速等对测定无明显影响，且该检气管有一定的抗干扰能力。在密封下检气管可保存较长时间。参考文献：1 唐蒙, 涂振权, 吴敏初. 醋酸铅反应速率法检测天然气中的硫化氢J. 石油与天然化工, 2001, 1: 4144.TANG MENG,TU ZHENQUAN,WU MINCHU. Hydrogen sulfide detection by reaction velocity of lead acetateJ. Petroleum and Nature Chemical Engineering, 2001, 1: 4144.2 HILL R H. Passive Dosimetry Using Detector Tubes, Am. Ind. Hyg. Assoc J, 1980, 41: 721.3 余倩, 周清海, 罗宗铭, 等. 新型甲醛被动式检气管的研制J. 城市环境与城市生态, 1997, 10(3): 12.YU QIAN, ZHOU QINHAI, LUO ZONGMIN. Development of a detection tube for formaldehyde based on passive samplingJ. Urban Environment and Urban Ecology, 1997, 10(3): 12.4 戴天有, 韩涛, 王琴惠. 硫化氢检测管的研制J. 干旱环境监测, 2001, 15(2): 7073.DAI TIANYOU, HAN TAO, WANG QINHUI. Development of hydrogen sulfide detection tubeJ. Aridity Enviroment Determination, 2001, 15(2): 7073.Study on rapid detection of hydrogen sulfideAbstract: A passive detection tube for hydrogen sulfide is based on the gas molecular diffusion and chemical adsorption. The tube contains sponge is impregnated with special agent. When in contact with high concentration of hydrogen sulfide diffusing into the sponge tube, the tube material leads to a coloring reaction. And the square of coloring length of the tube proportional length of the tube is directly proportional to the product of the hydrogen sulfide concentration and sampling time. So hydrogen sulfide concentration can be monitored rapidly. Compared with the traditional sampling and analyzing, the passive detection tube is more