应用正交分析法确定低温-浓缩热脱附仪参数的研究

张菲菲 王铁铮 王金良 李昌建

(天津市环境保护科学研究院国家环境保护恶臭污染控制重点实验室，天津 300191)

应用正交分析法确定低温-浓缩热脱附仪参数的研究

张菲菲 王铁铮 王金良 李昌建

(天津市环境保护科学研究院国家环境保护恶臭污染控制重点实验室，天津 300191)

优选苯乙烯作为典型恶臭气体，确定自主研发的低温浓缩-热脱附仪器的性能实验因素，利用正交分析法获得较优的仪器参数配置。

恶臭污染 苯乙烯 浓缩热脱附 正交分析法

随着工业经济的迅速发展，环境污染问题日趋突出，全球空气质量普遍受到严重威胁。恶臭污染已经成为七大公害中的一种，影响程度仅次于噪声，位居第2位[1]。恶臭物质的种类繁多，污染通常由多种低浓度物质构成[2]，各种物质的阈值或最小检知浓度各不相同，并且数值通常很低，使用低温浓缩-高温热脱附仪器采集样品可以提高相应的物质浓度，便于提高气相色谱/质谱仪(GC/MS)或其他恶臭物质在线监测仪器的检出率。

自主开发的低温浓缩-热脱附仪器是利用采样管内固体吸附剂在低温下吸附样品的特性，达到浓缩富集的目的；再通过高温下吸附剂对待测组分保留性能降低的特性，利用载气将待测组分运送至采集容器或相关仪器进行分析测定。仪器性能的关键在于确定脱附的参数[3]，故笔者考虑采用正交分析法确定相关的参数。

1 正交分析法①

正交分析法是利用规范化的正交表,科学地设计试验。运用正交表进行较少次数的试验便可得出较优的条件。根据试验结果进一步进行统计分析,可以更全面、系统地掌握试验结果,以对整体实验设计做出正确的判断。正交分析法是实验数据分析处理的常用方法,设计时主要考虑因素a(即自变量)和水平b(自变量的典型取值)的响应变量,即因变量的选择[4]。

1.1正交试验设计

正交试验设计具有固定的设计顺序，一般遵循以下过程：

a. 确定试验因素和水平数；

b. 选用合适的正交表；

c. 列出试验方案和试验结果；

d. 分析正交试验设计的结果(极差分析、方差分析)；

e. 确定最优(较优)因素和水平组合的条件[5]。

其中，所用的正交表在有关正交试验设计的资料中均可找到。每种表都用不同的符号表示。如L9(34)、L4(23)等。其中L表示正交表，其后的数字表示试验的次数。括号内底数表示位级数(位级指在试验范围内挑出的几个试验点,欲试几点就称为几个位级),指数表示因素个数(因素指影响试验结果的参数或物理量)。例如L9(34)表明该正交表适用于有4个因素,每个因素分3个水平的试验,共做9次试验[6]。

1.2结果分析方法

正交试验设计的结果分析方法有两种，分别为直接对比法和直观分析法。

直接对比法。对试验结果直接进行简单的对比。直接对比法虽然对试验结果可以给出一定的说明，但是属于定性说明，并不能肯定地告知最佳的组合条件。这种分析方法虽然简单，但是不能获得令人满意的结果。

直观分析法。通过对每一因素的平均极差来进行分析。极差就是平均效果中最大值和最小值的差。通过计算极差，可以找到影响试验指标的主要因素，进一步找到最佳因素水平的组合[7]。

2 浓缩热脱附仪器正交试验方案

采用自主开发的低温浓缩-热脱附仪器进行测试，优选200mg石墨化炭黑作为固体吸附剂，在低温冷阱的作用下采集样品。恶臭污染物排放标准中规定了8种典型的恶臭物质[8]，实验以苯乙烯作为典型恶臭气体进行试验，采用大连某公司生产的0.000 1‰的苯乙烯钢瓶气作为样品气，根据前期穿透试验优选采样条件：在0℃时采集样品，设置样品气流速为200mL/min，采样时间为40min。通过加热块提高采样管温度，使氮气作为载气以一定的流速，在一定的时间内通过采样管，收集脱附气并通过GC/MS分析其浓度以检验浓缩效果。

2.1试验因素与试验水平

根据仪器高温脱附的实际应用情况,选取的试验因素为：脱附温度A、脱附流速B和脱附时间C。查阅文献资料[9～17],结合前期试验情况，优选各个试验因素的应用范围,每个试验因素选取3个水平,具体为:

AA1=300℃,A2=325℃,A3=350℃

BB1=30mL/min,B2=40mL/min,B3=50mL/min

CC1=5min,C2=10min,C3=15min

2.2正交表的选择

正交表是正交设计方法中不可或缺的工具，通过它可合理地设计试验,并可对试验结果直接进行分析。它可以通过最少的试验次数,解决多因素试验中的复杂问题，比如对考核指标各个因素的影响次序，每个因素的哪些不同水平的搭配获得的指标较好[18]。研究考虑3个因素,每个因素有3个水平,所以选取L9(34)的正交表(表1)。

表1 正交表

(续表1)

2.3试验结果

脱附气浓度正交试验数据结果见表2，为了数据的准确性,每个试验方案做两次,取平均值。

表2 正交试验结果

2.4试验数据分析

脱附气浓度数据分析见表3。由表可以看出，对于脱附气浓度，脱附温度显著水平为水平一300℃，脱附流速显著水平为水平二40mL/min，脱附时间显著水平为水平二10min，各因素的显著次序依次为：因素A脱附温度、因素C脱附时间、因素B脱附流速。保证试验指标脱附气浓度较高的最佳搭配为因素A脱附温度水平一、因素B脱附流速水平二，因素C脱附时间水平二。

表3 脱附气浓度正交试验数据分析

3 结束语

低温浓缩-热脱附仪器的脱附热解析过程是一个复杂的过程，不同种类、不同型号的仪器脱附条件不尽相同，需使用一定的方法寻找各种因素下的组合关系以优化仪器的性能。

试验按照正交分析法确定自主开发的低温浓缩-热脱附仪器的脱附参数，进行了三因素三水平的9个组合试验，结果表明每个组合虽然都可脱附一定浓度的气体，但它们之间存在着显著性差异。同时试验也证明,正交试验设计与数据分析方法是选择最佳试验方案的有效工具,可以大量减少实验的次数。三因素三水平进行常规试验时,要进行27(33=27)次试验,而正交法只需9次,节省了工作量,加快了研究的进程。

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DeterminingParametersofCryoconcentration-ThermalDesorptionInstrumentthroughOrthogonalAnalysis

ZHANG Fei-fei, WANG Tie-zheng, WANG Jin-liang, LI Chang-jian

(StateKeyLaboratoryofOdorPollutionControl,TianjinAcademyofEnvironmentalSciences,Tianjin300191,China)

Preference was given to taking styrene as typical malodorous gas to determine experimental factors of independently-developed cryoconcentration-thermal desorption instrument’s performance. Making use of orthogonal analysis can obtain optimal instrument parameters.

odor pollution, styrene, cryoconcentration-thermal desorption, orthogonal analysis

TH83

A

1000-3932(2016)12-1270-04

2016-10-27(修改稿)

国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ060165)；天津市环境保护科学研究院自主创新基金暨院长基金项目(YZJJ-2015-003)