气相色谱法分析发酵生物气成分及含量的研究

叶天一，刘新媛，聂家民，杨杰，韩泽禹



气相色谱法分析发酵生物气成分及含量的研究

叶天一，刘新媛通信作者，聂家民，杨杰，韩泽禹

（天津农学院 工程技术学院，天津 300384）

发酵生物气通常包含多种可再生优质能源气体，具有成分复杂、组成多变的性质。本研究建立发酵生物气主要成分的气相色谱分析法，可同时分离氢气、氮气、甲烷和二氧化碳4种气体。在定量分析中，得到了线性范围内拟合度较高的标准曲线，并且该方法的精密度和准确度较高。将该方法用于餐厨垃圾两相厌氧发酵产氢产甲烷批式试验的发酵气成分分析，获得了气相主要成分的变化规律。

发酵生物气；气相色谱法；成分分析；热导检测器

随着世界范围内能源消耗量的不断提高，由传统化石燃料燃烧引起的环境污染和能源危机日益严峻，因此，可再生能源的开发得到了人们的广泛关注。在各类可再生能源中，生物质能储量丰富、取材便利、无毒无害，并且多为废弃有机物，开发生物质能源具有环境和能源的双重效益，极大地促进社会的可持续发展[1]。有机质发酵制备生物气体是生物质能转化的重要方面，其中沼气发酵已应用于市政污泥、畜禽粪便、有机废液等废弃物处理的工程实践中，为有机废物的资源化处理发挥着重大作用[2-3]。发酵气体是厌氧发酵系统的最终代谢产物之一，而关键发酵生物气体的成分分析是发酵系统运行的重要环节。

发酵气体的成分不仅表征了气体的品质和产量，反映了厌氧发酵所处的阶段，还有助于检测厌氧发酵工艺运行状况及故障排查[4]。沼气是生物气体的重要形式之一，是有机物在厌氧条件下经过完整的水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四阶段生化反应而生成的气体产物。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷是提供能源的最有效成分，甲烷浓度越高，则有机物的能源转化效率越高[5]。二氧化碳在有机物酸化和甲烷化的过程中生成，若发酵系统过于酸化，则二氧化碳浓度将更高。因此，甲烷和二氧化碳的浓度可用于指示发酵系统的运行性能。此外，在沼气净化系统中，脱碳工艺的运行负荷与二氧化碳的浓度和产气量直接相关，检测二氧化碳含量为沼气净化系统的设计、运行和管理提供基础数据。在易降解有机物沼气发酵的工艺启动阶段，发酵生物气体中若出现高浓度的氢气和二氧化碳，则指示沼气发酵的酸化和甲烷化失衡，需采取发酵工艺启动调控措施[6]。氢气本身是优质能源气体、其燃烧无温室效应、单位质量热值最高，有机物厌氧发酵制备氢气的技术已达到中试试验水平[7]。作为生物发酵制氢的目标产物，发酵气体中氢气含量的波动性也反映了产氢发酵系统的运行稳定性[8]。在实验室小试水平发酵试验中，氮气常用来为发酵罐制造厌氧环境，吹脱空气，氮气含量的变化趋势可一定程度上反映测试数据的准确性[9]。基于发酵气体中氢气、氮气、甲烷和二氧化碳含量在厌氧发酵过程中的重要作用，有必要对4种气体建立快速、准确的气体成分分析法。

气相色谱法具备精度高、抗干扰性强、分离性能好等优点，常用于复杂样品的成分分析[10]。在实际分析中，发酵气体样品注入色谱系统后，在载气的带动下，经过进样室气化、色谱柱分离、检测器的信号转换和放大后，形成色谱图。气相色谱仪的各种检测器中，热导池检测器（TCD）可同时检出发酵气体中的氢气、氮气、甲烷和二氧化碳4种成分，使分析过程更为快速、简便[11]。笔者利用外标法对发酵气体中的氢气、氮气、甲烷和二氧化碳的含量建立气相色谱分析法，并利用该方法来研究氢气发酵和沼气发酵的产气规律[12]。

1 材料与方法

1.1 标准气体

本研究使用两种标准气体用于分离条件的优化，其成分如下：

标准气体1：甲烷55%，空气45%，主要用于甲烷的标定。

标准气体2：氢气39.6%，二氧化碳40.4%，氮气20%，用于氢气、二氧化碳和氮气的标定。

此外，甲烷、氢气、二氧化碳和氮气的普通纯度气体用于定性分析中确定每种气体的出峰时间。

1.2 主要仪器和测定方法

气相色谱仪：SP3430，北京北分瑞利；检测器：TCD。

色谱柱：填充柱（TDX-01，2 m）。

分离条件：进样器：100 ℃；检测器：130 ℃；柱温：100 ℃ ；热导池的热丝温度：160 ℃。

经历了建议1和建议2的教学后，学生可能对于数线的理解还存在难度。因为之前所接触的线段模型（如图10）和面积模型（如图11），都是把整条线段或整个图形看作整体“1”，小数表示的是线段中的一小段或图形中的一小块。

工作站：N2000色谱数据工作站。

载气：高纯氩气，载体流速为35 mL/min。

进样量：500 μL。

1.3 标准曲线的建立

采用一系列浓度的标准气体建立标准曲线，标准气体的稀释是通过控制进样量来实现。当标准气体的实际进样量为500、400、300、200和100 μL时，则进入气相色谱进样器的各组分气体量，相当于500 μL进样量下将气体浓度稀释为原标准气体的100%、80%、60%、40%、20%和10%时的进气量。根据以上关系，可得到标准气体1和标准气体2在不同稀释倍数下的当量浓度（标准气体的不同实际进样量相当于500 μL进样量时所对应的浓度）。建立标准曲线时，每个稀释倍数测试3次，绘制标准气体浓度和相应峰面积的关系曲线，进行线性拟合。

1.4 发酵气体样品分析

实际样品来自于以餐厨垃圾为底物的两相厌氧发酵产氢产甲烷体系。发酵罐采用300 mL厌氧瓶，有效体积为150 mL，底物浓度10 g-VS·L-1（VS：挥发性固体）。发酵过程分为产氢阶段和产甲烷阶段，产氢阶段的发酵条件为：接种物为经过100 ℃热处理30 min的厌氧消化污泥[13]，初始pH值5.5，充氮气10 min，密封发酵。氢气发酵结束后打开密封盖，准备甲烷发酵：接种物为产甲烷消化污泥，初始pH值7.0，加入K2HPO4/ KH2PO4缓冲溶液（pH 7.0，0.1 mol/L），充氮气10 min，密封发酵。氢气发酵和甲烷发酵条件均为温度37 ℃，摇床转速120 r/min，发酵过程中定期取气体样品，检测发酵气体成分的变化。

2 结果与分析

2.1 色谱图及定性分析

在实际进样量为500 μL时，标准气体1和标准气体2的色谱图分别如图1和图2所示。从图1、图2可知，在本文采用的分离条件下，标准气体1和标准气体2中主要成分的谱图具有峰形对称、无明显拖尾的特点。

图1 标准气体1色谱图

图2 标准气体2色谱图

分别注入氢气、氮气、甲烷和二氧化碳的普通纯度气体，确定了当前工作条件下4种气体流出的先后顺序为氢气、氮气、甲烷和二氧化碳。混合标准气体的色谱峰特性指标列入表1中。从表1可以看出，氢气和氮气稍有重叠，而其他相邻组分完全分离，总体分离效果良好。

表1 氢气、氮气、甲烷和二氧化碳的谱图保留时间和色谱峰特性指标

注：分离度的计算公式为＝2（2-1）/（2+1）；a为氢气和氮气的分离度，b为氮气和甲烷的分离度，c为甲烷和二氧化碳的分离度；其中＝1.0时，两组分稍有重叠；＞1.5时，两组分完全分离；＜1.0时，两组分明显重叠

2.2 定量分析

标准气体中不同当量浓度的氢气、氮气、甲烷和二氧化碳的标准曲线、线性回归方程及相关系数（2）如图3所示。从图3可以看出，在当前的色谱条件下，氢气、氮气、甲烷和二氧化碳4种气体在标准曲线浓度范围内过原点的线性拟合度较高，相关系数均在0.99以上。由图3可知，氢气、氮气、甲烷和二氧化碳标准曲线的斜率逐渐降低，说明灵敏度逐渐下降。根据灵敏度公式，TCD检测器检出各种气体的灵敏度与峰面积成正比，与样品进样量成反比[14]。如表1所示，氢气、氮气、甲烷和二氧化碳的峰面积与进样浓度之比呈下降趋势，进一步说明了TCD检测器对上述气体检出灵敏度逐渐降低的情况。

图3 氢气、氮气、甲烷和二氧化碳标准工作曲线

2.3 精密度和回收率

＝标准偏差（）/峰面积平均值 （1）

回收率＝测量值/实际值 （2）

表2 发酵生物气气相色谱分析法的精密度和回收率

2.4 实际发酵生物气成分分析

以餐厨垃圾厌氧发酵产氢和产甲烷过程的气相成分作为实际样品，采用外标法对发酵产气成分随时间的变化规律进行测试，所得结果如图4和图5所示。从图4和图5中可以看出，实际发酵气体中氮气和甲烷的浓度范围较大（氮气0～100%；甲烷：0～66%），超出了标准曲线的线性范围，导致测试结果的不准确。对此，当气体浓度过高时，采用成比例缩小进样量的方式稀释气体样品，让稀释后的样品浓度在标准曲线的线性范围内。由图4可知，产氢发酵中随发酵时间的增加，氢气和二氧化碳的含量先不断上升而后趋于稳定，而氮气含量呈相反的趋势。由图5可以看出，在产甲烷发酵阶段，甲烷和二氧化碳含量逐渐上升而后趋于稳定，氮气含量逐渐减少，而氢气的产量接近于0。图4和图5中发酵气体含量的变化基本反映了批式发酵过程的产气规律。

图4 有机物发酵制氢过程中气体成分的变化

图5 有机物发酵制甲烷过程中气体成分的变化

3 讨论

本研究利用气相色谱技术建立氢气、氮气、甲烷和二氧化碳4种气体的分析方法，实现了4种气体的有效分离。在定量分析中，建立了4种气体的线性回归标准曲线，其相关系数均在0.99以上，具有良好的线性关系。在精密度和回收率分析中，得出4种气体的在4%以下，回收率在98.67%～102.65%，具有较高的重复性和准确度。本研究采用外标法进行数据分析，利用线性回归标准曲线，根据各成分的峰面积获得其百分含量，该方法对每种样品含量的分析精确，但对进样量的准确性要求较高。

该方法操作快速、方便实用，可用于定量分析厌氧消化过程中所产生发酵气体的含量，也可用于监测厌氧发酵所处阶段及发酵设备的运行情况。然而该方法仍有两方面的不足：

（1）标准曲线对应的浓度范围较小，发酵过程中各气体的浓度范围超出标准曲线的线性范围，导致无法快速、准确地定量整个发酵过程中气体成分的变化规律。对此，应采用浓度较高的标准气体重新建立标准曲线，确定线性范围。

（2）生物气体的主要成分除了氢气、氮气、甲烷、二氧化碳，还包括少量及微量的氧气、硫化氢、氨气、水蒸气等成分[15]。其中，氧气和硫化氢等物质能够反映厌氧发酵沼气制备情况及发酵系统的运行状态，而水蒸气和硫化氢则是沼气净化技术中重点去除的成分。为了更加准确的反映生物气体的特性，需要更加深入研究以上各种气体的测定方法。

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责任编辑：杨霞

Application of gas chromatography in analysis of fermentation biogenic gas composition and content

YE Tian-yi, LIU Xin-yuanCorresponding Author, NIE Jia-min, YANG Jie, HAN Ze-yu

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Fermentation biogenic gas is generally composed of several renewable energy gases with complex and changeable composition. A method for determination of hydrogen, nitrogen, methane and carbon dioxide simultaneously in fermentation biogenic gas was established by gas chromatography in this study. The chromatographic peaks were identified efficiently. The standard curves were well fitted in their linear ranges and the component analysis method was capable of very high precision and accuracy. This method was applied in the component analysis of the produced gas in two-stage hydrogen-methane fermentation process for treating food waste, and the way of main composition of fermentation gas change in batch experiment was achieved.

fermentation biogenic gas; gas chromatography; component analysis; thermal conductivity detector

S216.4

A

2017－11－17

天津市应用基础与前沿技术研究计划青年项目（16JCQNJC08200）；天津市大学生创新创业训练计划项目（201710061115）

叶天一（1998－），男，本科在读，主要研究方向为有机物厌氧发酵。E-mail：1692044841@qq.com。

刘新媛（1987－），女，讲师，博士，主要从事固体废弃物厌氧发酵和再生利用方面的研究。E-mail：liuxinyuan11@163.com。

1008-5394（2018）02-0060-04

10.19640/j.cnki.jtau.2018.02.015