样品过滤系统

样品过滤(Sample filtraion)

1. 过滤器最终的设计就是防止分析器被阻塞。但假如滤膜更换的太频繁，或是由于阻塞导致停机太久，那么就需要更好的过滤系统。

2. 过滤器可分为两种，一是偶尔的情况下去除颗粒。第二种连续式的过滤时，有自清功能的过滤器是必要的条件。 滤膜材质(filter media)

对于灰尘颗粒选择适当的滤膜是非常重要的。指定太好的滤膜将会导致成本价格的增加及过度的保养周期。对于液态样品，过滤到8μm 以下就可以保护马达及轴承了；过滤到2μm 以下就可以保护光学系统；过滤到1μm 以下就可以满足GC 样品阀的需求。对于气体，0.6μm 的滤膜已经可以过滤90%的状况。 滤膜寿命取决于样品粒子浓度、网目及滤膜材质种类。此外，烧结材质不好清理，且易碎。

(A) 保护型过滤器(Protective filter)

1. 过滤器：Y 型过滤器适合于制程上有合适保养点的类型。这类设备通常是保养项目之一而且很容易买到。典型例子如图所示。通常，其滤网的网目为100mesh 。

安装设计，通常依图示安装，可有效提升过滤效果。

2. 仪器保护过滤器：通常用在弹策式过滤器及线上。圆状(blowl-type)弹策式 过滤器适用在仪器空气系统，广泛用于bypass 模式。

(B) 自清式过滤器

1. 自清式过滤探头(Back-Purged Filter Probe)

在侦测器使用过滤器是没有用的，因为安装在入口的困难度很高。所有有使用过滤器的地方应该使用自动排程方式的BACKWASHING 来清洗过滤器。当制程中含大量固体时即需要该类型的过滤器，若是希望透过管子来提取回收样品则是不切实际的做法。另外可选择另一种方式，一种热分离装置，固定于探头附近。像是喷射炉顶气体的应用，气体都是灰尘和湿气。

一个成功的样品前处理方法，应该是利用一个热蒸气过滤器装载在一个可切换动力的滤头顶部。一个双重过滤头过滤器可使用高压氮气自动开关及清洗(如下图) 。当然这类过滤器的保养费用比手动清洗过滤器多许多。

2. 圆柱旁通管过滤器(Cylindrical Bypass Filter)

这是使用圆柱线上过滤器的一种类型，通常是不锈钢合金或烧结陶瓷的

材质。其固定在圆柱金属胴体内(如图) 。这类一般是使用在样品快速循环系统(SAMPLE FAST LOOP) 。主要的样品流向未经过滤器轴向流出，过滤后的样品则经由过滤器由侧管流出。主要样品流可提供能量将过滤器表面清洗而保持干净。需保证主流流量十倍于支流流量，如此粒子对过滤膜的冲击就会很小。

这类过滤器有两种问题。首先是在采样器内过滤后样品体积会产生定量时间的延迟。假如液体样品经由过滤后形成气化，如此则过滤后部分液体样品采用旁通管方式就十分必要，这样才能得到令人满意的应答时间。第二，滤膜的更换及清洗是很困难的，如果是陶瓷的材质也很脆弱及容易破裂。过滤器及更换的滤膜也是相当的昂贵。

3. 弹策式旁通管过滤器(Cartridge Bypass Filter)

这也是一种圆柱状的设计。这类过滤器可使用透明或是固体材质，是由保养的难易程度来决定。一般是采用不锈钢合金的胴体。下图显示两种设计类型。圆柱状过滤器除旁通管外会使用大量的体积，但由于它的价廉及更换容易的特性，使它常用在旁通管模式。适合低粒子负载的情况。

4. 旋转式旁通管过滤器(Swirl-Type Bypass Filter)

这类型创造出一个旋转式的系统，它是利用快速旋环气流以切线方式通过圆形过滤器。这旋转流的速度可以保持滤膜表面的干净，选择适当的滤膜可以达到粒径0.5μm 以下的需求。由于过滤器会产生凝集，因此可在液体及气体样品中去除水滴。例如使用一种特殊的疏水性滤膜材质

5. 刃型过滤器(Edge-Type Filter)

刃型过滤器是由一迭不锈钢或合金的圆盘所构成，利用圆盘之间的空间就可以形成过滤，如图。其空间的厚度是由这个过滤器想要挡住何者大小的粒子来决定。其空间一般是90~200μm 之间。这类过滤器通常不需拆开来清理。清理叶片是固定式的并且延伸至圆盘间的开放区域。

对于相对干净的样品，清洗可用手动方式，亦即使用转动柄方式手动操作。对于含有大量粒子的制程蒸气，尽可能使用连续式清洗方式，也就是利用马达以每分钟2转的方式旋转弹策。

刃型过滤器的流体型态提供一个旁通管流体冲洗以带走底部污泥。过滤器安装时流体的方向必须要正确。过滤器胴体必须明确地标示进来及出去的方向。 假使元件被塞住了(使用外力就不够聪明了) ，如此则损失精密圆盘及空间。过度的热震荡也会造成过滤器的损坏。当紧急维护时，应该保证加热及冷却缓慢的发生，而且马达必须等待温度稳定后才能操作。

(C) 小型旋风分离器

旋风分离器不是做为一种过滤器，但常用于分离气体中的粒子。旋风分离器胴体是含有圆锥形底部的圆柱体(如图) 。气体在顶部附近进入，然后沿着直径的切线方向落入底部。进料喷嘴设计为有高速的喷嘴，可造成气体高速的旋转。这个旋转的行为将粒子抛掷到出口，亦即粒子在平缓的斜坡落下而且从底部离开。过滤后气体样品则由轴向顶部出口排出，其出口高度比进料喷嘴高。

旋风分离器对于环境灰尘分离大粒子是非常有用的，亦可用来去除悬浮液滴。

其特性：1. 非过滤器

2. 常用于气固分离

3. 评价旋风分离器性能的主要指标，一是分离效率，一是气体

经过旋风分离器的压降。

分离效率有两种表示方法，即总效率η0 和粒级效率ηi 。

压降越小，分离成本越低，分离效果越差。

4. 一般设计为缩小旋风分离器的直径、采用较大的进口气速、延长锥体部分的高度

水力旋流器(Hydrocyclone)，专用于水-油混合液，其以切线方式进入旋流器后，流动流体的动能就转化为强大的离心力，管内的旋涡作用使轻液和重液同时受到惯性离心力的作用而分离。由于油的密度小，必定逐渐形成水在外、油在内的模式，而后分别由上、下口出去。

特性：油水密度差仅有0. 02 g/ cm3 就可以有很好的分离效果。

(D)凝集器

凝集的目的是利用重力将两种型态的流体区隔分离。因为在程序中分离时少量样品亦会被去除，因此需评估这种操作对于分析上的影响。

凝集的一般原理是让样品流体以迂回的路径方式经过多孔的障碍物。经由较大液滴撞击基质材料，进一步逐渐形成大的液滴。

凝集器是由束状的玻璃丝绒(或不锈钢或塑胶) 所组成。要能形成多孔一定厚度的床才有效。必须供应能够收集移除所凝集的液体，这通常是安排一个收集盘在底部床来达到移除的目的。样品气体流体可通过厚床，与液体渗透凝集的流向相反。这个安排可使厚床保持湿润，增加凝集器的效率。

凝集材质

对于低量的情形时，可采用过滤器-凝集器联用的方式。实际上，这是一种旁通管式圆柱过滤器与一般工作方式相反(如图) 。样品进入圆柱的内部，再从出口流出。液体凝结在过滤器基质上，并且从滤膜上掉落离开至碗里，为了减少样品取样系统的死体积，因此必须使用旁通管方式连续不断地将凝集物排除。

第二种类型主要是用来凝集液体乳状物，它是具有选择性予许单相物质通过的特性。不予许另一种通过的发生原因是因为滤器的容许通过的尺寸只予许足够小分子量的才能通过或是液体水分可以通过而其他的不能通过。因此像疏水性材质(如烧结PTFE) 就可不予许水分通过。在这种形式的凝集器，被凝集液体是在上游分离(如左图，) 。

当制程蒸气非常骯脏时，固体会首先阻塞在凝集器表面。气体样品，可利用加热式过滤器移除固体，并且将液体样品汽化(假设是可以挥发的物质) 。然后干净的样品可以冷却并且凝集下来。假如预期会有少量固体，凝集物并须先过滤出固体，并且将液体雾状物移除。准备定期更换滤膜。

若是从气体移除少量的烟雾，则过滤器使用0.6μm 的大小应该可达到99.95%的过滤效率。对于凝集烟雾，过于精细的过滤器更容易会阻塞，效率也会降低。

(E)分离罐

分离罐是用来从气体样品中分离并且收集液体以便保护下游分析设备。它可以降低气体速度，然后利用重力将液滴分离。一般液体的排除是使用自动排出设备。对于分离罐主要的问题是它的体积及系统回应时间的影响。基于这个理由，分离罐不能固定在通往分析器的直接路径上。

下图说明含有旁通管系统的分离罐分离程序。注意经由贯性及重力使气液分离是发生在T 字路口。假如分离罐仅以手动方式排出，就必须安排定期保养时程排出。但不幸地，有一个问题就是无法预料发生时间，也就是不知何时收集的液体量会过载，因此最好就是采取自动排出方式处理。

(F)其他样品前处理技术

所有分离的方法不论是直接从样品分离或是改变样品而分离皆会对分析有些影响。最常见的方式就是会增加或减少分析成份的浓度比例。当然有时，仅是这样对于我们的需求就已经足够，这部分应该加以说明。例如当去除水分，我们叫做”干基”的分析方法。但更严重的情形是造成部份分析成份的浓度损失。例如，当样品去除水时，所要测的CO2部分会伴随溶解在水中而导致CO2的数据降低。

另外，有时待测物质受到其他组成影响而导致检验不准确，因此通常需先确认干扰物质对于待测成分的影响程度，例如：

1. 在想要分析之中其他成分产生一个难以察觉的讯号。一个例子就是在ph 电极中钠离子的影响。电极是分析氢离子浓度，但样品中若有钠离子也会有讯号。因此这个分析方法的技术要点就在于方法会选择性地消除其他成份的讯号。

2. 其他成分会与分析成分互相作用。一个例子就是氟电极中ph 的影响。在低ph 时，一些氟离子会与氢离子键结成为HF 分子，这无法使用电极去分析。虽然电极无法分析氢离子，但氢离子的存在会阻碍电极精确地测量氟离子。

因此大部分在选择前处理过程中，需反复验证其精度，最好需实验室检验数据相匹配，生产同样或类似的化工厂，就算制程貌似相近，也不代表A 厂的前处理装置完全适合B 厂使用。

以下是其他非过滤器的样品前处理系统，可供不采用过滤器的另一种选择。

(a) 冷凝器(Condenser)

冷凝器通常用来除去制程样品中的水或是大分子碳氢化合物。最简单的形式是气冷式，对于高温样品最合适。然而大部分样品需要加压空气、水或致冷剂来冷却冷凝器。对于一般的需求使用简单的双套管(如冷凝器) 或是档板式就已足够。尺寸大小是由需要的效率及需要照顾的花费来决定。

当从复杂的成分冷凝出大分子量碳氢化合物时，一个简单的冷凝器已无法提高其效率。为了达到更好的分离，冷凝器应采用填充塔的形式，样品从底部进入，而被分离后的样品从顶部离开。填充物可选择实验室形式的蒸馏管柱填充物。如图。这类分馏式样品冷凝器对于高炉流出物样品前处理已用的很成功，而且固定在制程管上方，这样一来冷凝物就可以回到制程。实际上它算是一个小型分馏塔，所含有的制程管就好像是重沸器的功能。小心调整分离管柱的温度及顶部流速，可在任何想要的沸点得到良好的截止点。

所有的冷凝器都必须能排放冷凝液，可采用制程管或是分离罐。如果是分离罐，则应该安装自动排液装置、致冷器以及接到分析器的流体管路。样品要从富含冷凝液的冷凝器分离就是由操作温度来决定。为了避免在进一步冷凝，样品必须立即再加热并且维持住直到进入分析器中。蒸气热是惯用的方法，为了这个目的，可预先制造束管。若是需要更好的温度控制，就必须使用电热带。若是在冷凝器中需要非常冷的致冷器，样品管就必须加热以防止结冰。

对于样品中含有液态雾的情况并不少见，而且有时设备意外或故障导致液体过载。因此，随时一个使用中的冷凝器，有必要在冷凝器下游安装一个串联的过滤器。这对于分析器的保护是更好的方式，可预防输送管溢流到分析器，如此则可将冷凝器的输送管拆掉。

(b) 洗涤器(Scrubbers)

它是利用气体样品与液体或是溶液接触而移除不想要的成分。最简单的形式就是让气体样品通过选择好的液体而形成泡泡。有时会用喷射器让气体-液体接触的更好。如图。

典型的例子如下：

○ 苛性钠溶液－酸性气体及二氧化碳

○ 无水甲醇－水分

○ 醋酸－碱性气体(氨)

冷凝器应该要注意适合的引入分离器，其可以应付最差的情况，例如所有的液体都要被吹除，假如它们进入分析器中，则这些冷凝液会导致昂贵的损失。冷凝器对于相对较大的管子中要求较为低速，但当冷凝器顶部有体积快速吹除及排除设备时可提升其速度及效率。在大部分的例子中，最常见的问题是样品在分离器中很难确认时间延迟多久。

(c) 填充管柱吸收(Packed-tube Absorbers)

其操作与冷凝器类似，但是所采取的是填充固体材料而不是液体，因此而更优异。很简单的解释，如图。填充管主要为玻璃棉、不锈钢片或是金属纱材质。填充物本身是颗粒状材料像是分子筛、氧化铝、硅胶、碳黑、苛性钠颗粒或是氯化钙。吸收是依靠气体样品杂质与填充物间的化学反应。例如苛性钠与二氧化碳的反应机制。如此下来，吸收材料就会逐渐老化而必须更换。

其他类型也更优异，像是硅胶或是分子筛来吸收。当它们捕捉杂质到饱和时就会老化，但它们可以用加热及氮气或氦气吹除方式再生。对于填充管吸收器，选择固体填充物须考虑以下几点：

○ 去除这些不需要的成分时，其效率如何?

○ 填充物的有效周期

○ 对于样品其他组成的影响

第三点是吸收塔遇到的问题之一。很多时候想要保留重要的组成，或许并不能完全地保留，但一定能延迟它们，就像是GC 管柱一样。例如，硅胶吸收器在30秒内可以让氢气通过，但二氧化碳需要1小时以上。分析器可以得到非常漂亮的二氧化碳讯号，但却需要到1小时之后了。假如不能肯定，可利用气体样品与氮气之间切换测试该系统；由对于各组成的吸收器将提供延迟时间的实用性分析。最后，考虑填充物与其它组成的影响。假如这些组成都被保留，它可能不会影响分析器，但必须更换这些填充物。

(d) 渗透膜(Permeable membranes)

某些材料会只允许部分分子通过而将大分子阻挡下来。尤其在气相中，转移速度与被转移物质的分压成比例。

渗透膜主要用在气体去除水分的样品处理系统。一个典型例子，如图是一个渗透管干燥器。中心管保证气体样品与管子充分的接触，而水分则在外部表面清除。清除流体的方向与样品流向相反。当样品通过管子后，它逐渐干燥，在离开端尽可能干燥以确保最大除水量。

渗透管干燥的效率是惊人的高。在样品前处理系统中，它也对管子的选择及其他分析器气体供应提供很好的课题。高分子管，像是PE 及耐龙，可用于水蒸气的渗透，虽然缺点是压差会对抗。高分子管另一个特色是它吸引及保留某些分子。但假如样品接触酸性气体，这一类渗透管或许并不适合，尤其假设酸性气体正好是分析器需要分析的时候。

其他在使用的渗透气体膜是氢化钯输送管。钯金属可加热到300℃而允许氢气渗透。它可允许氢气由一个气体流体转移至另一个气体流体。这个设备通常被用来当做分析器的一部分，而不是样品前处理系统的一部分。

在液体系统中，滤膜被用于转移凝结(浓缩) 液中的溶解性固体成为稀释液，如透析技术。

(e) 反应器(Reactors)

对于样品需要很特殊的检验方法，反应方法用来去除样品的未知成分是很有用的。例如分析锅炉水的导电度，这是一个离子交换树酯用来去除溶液的氨，并利用氢离子来再生。同时地，离子交换树酯转换所有的溶解盐成自由酸，这样可以增加对导电度分析的感度。这种特殊反应的类型最好考虑当作一种分析技术的部分，而不是一个样品前处理系统。

另一种反应器一般是用在制程气液色层分析，亦即甲烷化器。当需要分析ppm 等级的一氧化碳或是二氧化碳，FID 侦测器是很好的选择。先前提到FID 侦测器无法直接分析这些组成。必须对组成多加了解并且确认其他成份在高温及镍催化剂的存在下，可以转换成多少量的甲烷。

甲烷化器是由一个短管所构成，短管内包含充满镍的固体微粒(也就是管柱的担体) 。管外缠绕着加热器，保持在500℃。甲烷化器安装管柱与侦测器之

间。管柱执行组成的分离，当二氧化碳洗提时，它们被选择性转换成为甲烷，

并且可用一般方式由FID 检测。对于这么一个困难的分析，这是一流的解决方式。

(f) 样品稀释(sample dilution)

样品稀释可以解决一些特殊蒸气样品问题，但不常被使用。困难点在于需要提供一个数值，亦即准确地知道稀释倍率。不知道其值，是不可能计算真实蒸气组成。

对于降低分析组成的浓度让分析技术可以分析，稀释可能有用。因此，稀释最好考虑当作一种分析技术的部分，而不是一个样品前处理系统。例如，使用湿式化学分析器，这是利用蠕动泵浦连续地稀释。这类泵浦是耗费保养的项目，或许就是这类技术不常使用的原因。

随着蒸气样品，在所有的成分必须避免凝结。当所有样品都需要分析，而且样品在分析器的温度及压力极限下，不能保持在蒸气的状态下，样品稀释是唯一有用的方法。有时候简单稀释就可以提供最好的解决方案。

设计一个稀释系统，有一个重点。样品蒸气经由稀释气体稀释混合后组成比例不改变，这必须使用流量计来小心控制样品及稀释气体流量。所有的系统都必须在有温度控制的密闭区域来防止稀释倍率的改变。第二个重要设计是如何校验稀释倍率，以致真实样品的组成可以计算。测量两个的流速并不是最好的方法。首先认清分析器本身需要周期性的校正，同时校正稀释系统及分析器。在一些应用中，校正后的样品并不能保持在蒸气状态，如此一来更复杂的设计就无可避免了。