TỔNG HYDROCARBON XĂNG DẦU
Tiến sỹ. Ed Connor
Nhiều phịng lab đang đối mặt nguồn cung hạn hẹp của Helium (He), dẫn đến giá thành ngày càng tăng. Do vậy, các quản trị viên phịng lab đang tìm kiếm các loại khí mang thay thế. Đối với nhiều ứng dụng của Sắc ký Khí (GC), H2 là một lựa chọn tuyệt vời thay cho He. Một máy sinh khí H2 cĩ thể cấp khí cho cả phịng lab, đồng thời loại bỏ nguy hiểm chứa H2 bằng bình. Các phịng lab chuyển đổi từ He sang H2 cĩ thể thấy một số lợi ích bao gồm chi phí vận hành giảm, số lượng mẫu chờ được giải phĩng nhanh hơn và khả năng tách được cải thiện.
Khí mang
Xét về hiệu suất vận chuyển tương đối trên một gardient vận tốc giữa Nitơ (N2), Hydro (H2) và Helium (He) (Hình 1), thì N2 mang lại hiệu suất vận chuyển tốt ở vận tốc thấp, nhưng ở vận tốc cao, hiệu suất vận chuyển giảm đáng kể. Vì lý do này, N2 thường khơng được dùng cho các ứng dụng trong đĩ He hoặc H2 chiếm thế thượng phong về hiệu suất vận chuyển. Ở tốc độ cao và tốc độ tuyến tính bình quân, H2 thường mang lại hiệu suất cao hơn hẳn và vượt trội He về hiệu suất vận chuyển.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng nhu cầu dùng khí mang H2, các nhà sản xuất GC đã cho ra đời một số cơng cụ nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng He hoặc cho phép chuyển sang dùng H2 làm khí mang. Hãng Agilent đã phát triển bộ điều khiển khí tự động (EPC), cho phép chuyển N2 sang làm khí mang thay cho He cho GC-7890B khi hệ thống ở chế độ nghỉ (idle). Các hãng như Agilent, Bruker và Shimadzu đang phát triển các hệ GC/MS mà khơng cần thay đổi phần cứng để cĩ thể sử dụng khí H2 hoặc He làm khí mang; Thermo đã thử nghiệm tính
tương thích giữa khí mang H2 và các hệ GC của họ. Một trong những cách sử dụng H2 thơng dụng nhất là dùng làm khí đốt đầu dị FID cho GC. Tuy nhiên, ngày nay, các phịng lab cấm dùng H2 đựng trong bình do vấn đề an tồn và các nguy cơ an tồn sức khoẻ. Các mối quan ngại về an tồn đối với H2 bình trong phịng lab bắt nguồn từ khối lượng lớn khí H2 chứa trong đĩ (bình 50 lít chứa khoảng 10.000 lít hydro tích áp) cũng như những nguy hiểm liên quan đến việc di chuyển các bình nặng này. Khối lượng khí lớn H2 tích áp trong các bình chất chứa một nguy cơ tiềm ẩn, vì với một lượng H2 cỡ 4% trong khơng khí tương đương ngưỡng tối thiểu (giới hạn phát nổ dưới) cho H2 bắt lửa1. H2 cũng cĩ thể tự cháy nổ nếu nĩ được phĩng thích nhanh vào khơng khí2.
Bên cạnh đĩ, cĩ thể nhược điểm lớn nhất mà người dùng gặp phải khi dùng H2 từ bình là chất lượng H2 khơng đồng nhất giữa bình này và bình kia. Thay đổi các bình chứa H2 cĩ thể làm gián đoạn hoạt động của GC, tạo điều kiện cho tạp chất xâm nhập vào hệ thống cũng như gây bất tiện cho người dùng. Các bình chứa khí cũng cĩ thể chiếm một lượng khơng gian đáng kể trong phịng lab.
Ở chiều ngược lại, các máy sinh khí chiếm diện tích tương đối nhỏ, chứa một lượng rất ít H2 tại một thời điểm (dưới 1000cc) và cĩ thể sản xuất, cấp khí theo nhu cầu, vừa cấp khí cho mục đích khí đốt và khí mang cho nhiều GC. Độ tinh khiết của H2 từ máy sinh khí sẽ cao hơn so với độ tinh khiết của H2 đựng trong bình. Ngồi các đặc điểm vừa nêu, các máy sinh khí H2 cịn cĩ hệ thống thơng giĩ cưỡng bức để ngăn ngừa sự pha trộn của H2 và O2 bên trong máy sinh khí, cùng với hệ thống báo động trong trường
hợp áp suất xuống thấp hoặc lên cao. Các tính năng này cùng với các thiết bị phát hiện rị rỉ trong lị (in-oven) bán kèm máy sinh khí H2 và các tính năng ngắt khẩn cấp của GC cho thấy các phịng lab được cảnh báo tức thời khi cĩ sự cố rị rỉ H2.
Hình 1: Đường cong Van deemter thể hiện hiệu suất vận chuyển của N2, He, và H2 ở phương diện khí mang
Lợi ích của dùng Hydro làm khí mang
Lợi ích của chuyển sang dùng khí mang H2 thay cho He bao gồm: hiệu suất tách của cột trên khoảng dịng khí mang rộng hơn, lượng mẫu xử lý được gia tăng, và chi phí vận hành thấp hơn. Lượng mẫu phân tích được tăng lên mà khơng mất đi độ phân giải là một đặc tính hấp dẫn khi sử dụng khí H2 làm khí mang. Đây là điều thu hút các phịng lab dịch vụ vì làm giảm chi phí đầu vào và sắc ký nhanh hơn sẽ giúp tăng lợi nhuận.
H2 thường là sự lựa chọn tốt nhất làm khí mang thay cho He, mặc dù nĩ cĩ thể phản ứng với các chất phân tích trong điều kiện nhất định. Do đĩ, các sắc ký viên phải thận trọng khi dùng các dung mơi chứa Cl với khí mang H2 vì nguy cơ hình thành HCl, cĩ thể ảnh hưởng đến hiệu suất tách cột thơng qua sự hình thành các lỗ xốp/hỗng trong pha tĩnh. Tuy nhiên, sự sáng tạo trong cách dùng khí đầu vào ở buồng tiêm chia/khơng chia dịng cĩ thể cho phép chuyển nhanh các chất phân tích lên cột để giảm thiểu sự hình thành HCl ở đầu vào3. Trong một số ứng dụng của MS (Khối phổ), phản ứng của H2 lại là lợi thế trong phân tích nhờ việc hình thành các phân mảnh ion dương cĩ thể dùng để định danh các hợp chất.
Hình 2. Hỗn hợp 12 chất được phân tích bằng khí mang He (2a), khí mang H2 từ bình (2b) và khí mang H2 từ máy sinh khí (2c)
Hình 3. Peak trung bình của hỗn hợp TPH làm giàu được phân tích bằng khí He (thanh màu nâu), khí H2 bình (thanh màu đỏ) và khí H2 từ máy sinh khí (thanh trắng).
Phân tích xăng dầu
Phân tích bằng GC được sử dụng trong ngành cơng nghiệp dầu khí để phân tích hydrocarbon dùng các kỹ thuật như phân tích hydrocarbon chi tiết (DHA), một kỹ thuật tách được nhiều phịng lab sử dụng để phân tích và xác định từng thành phần xăng dầu cũng như các đặc tính hydrocacbon. Phân tích khối (bulk analysis) sẽ xem xét thành phần xăng của các thành tố PONA (Parafin, Olefins, Naphthalenes và Aromatics) và các nhiên liệu khác trong quãng C1-C13 vì nĩ thấy được chất lượng mẫu tổng thể.
Phân tích xăng trong các chất tạo sự cháy là cần thiết để kiểm sốt chất lượng. Do bản chất phức
Chuyên gia Ứng dụng của Peak Scientific, TS Ed Connor, nhà phát kiến hàng đầu trong thiết kế, chế tạo các dịng máy sinh khí cho phịng thí nghiệm phân tích, sẽ khảo sát những lợi ích của việc dùng khí Hydro (H2) làm khí mang trong phân tích tổng hydrocarbon.
64 65Nguồn khí mang H2 từ máy tạo khí H2 từ bình He từ bình