不銹鋼採集空氣中VOC之濕化技巧
以不銹鋼採樣筒(Canister)採集空氣中捙發性有機化合物(VOC)為目前環境空氣污染檢測最常用採樣方法之一,其相關標準方法有USEPA TO14、TO15 及 NIEA A715.10A。
一般而言Canister內壁經特殊鍍鎳磨光處理,其目的在防止部分氣體樣品吸附在器壁上,影響分析結果。然而由實驗結果顯示,對於屬較高分子量或屬極性較強之VOC,其回收率仍不理想。遂有濕化步驟,藉由高極性水分子先佔據採樣筒器壁,防止採樣時氣體分子吸附在器壁上,以提高檢測準確度。然而此種處理方式仍有缺點,例如器內水分過多對分析儀器造成干擾,並大大降低極性(或微極性)化合物分析準確度;又如器內水分太少則去吸附效果將減低。如此,如何恰到好處做Canister濕化處理,將是彩響空氣中VOC檢測方法準確度之重要因子。
事實上如何解決濕化問題,亦即如何決定真空狀態下Can-ister採樣器內應存在多少水分,本文將以基礎物理化學概念,嘗試推算出理論含水量。基於上述概念,我們希望Canister器壁上僅吸附單層(Mono Layer)水量即可,亦即假設單層覆蓋器壁。
首先要推算容器內壁表面積,以容積為6L之Canister採樣器為例,假設為球
狀容器,則可由下式推算出容器半徑(R):4/3πR3=6000CM3求得容器半徑為11.27cm,則容器內表面積(Ai):Ai=4πR2=1596cm3
水分子半徑可由文獻查得或本文估算。對水分子三相而言,以 4℃ 液態下其密度最大(1.000g/cm3)亦即分子間距最小,1.000g水相當於水分子數目(Nw)為:Nw=(1/18.02)(6.02x1023=3.34x1022若忽略此狀態下水分子間距,則水分子體積(Vw)為:Vw=(1.000cm3)/Nw=2.99x10-23cm3
而水分子相當半徑(Rw)及表面積(Aw)可由下面式子估算出:
4/3πRw3=2.99x10-23cm3
Rw=1.93x10-8cm
Aw=πRw2=1.17x10-15cm2
同樣地假設忽略水分子排列間之空隙,則填滿Canister採樣器內表面所需分子個數N為:N=Ai/Aw=1.36x1018
化成水分含量(Mw):
Mw = (N/6.02x1023)(18.02g) = 4.08x10-5g
亦即在考慮單層吸附及忽略水分子間空隙條件下,容量 6L Canister 棌樣器濕化過程中,其理論水注射量應有0.04μL。
對於濕化步驟也許文獻上有許多不同作法,無論濕化用溶劑之選擇或真空條件之差異,但其目的防止樣品吸附以提高檢測準確度。實驗分析者可根據使用濕化用溶劑之物性及採樣容器大小,應用上述方法估計所須溶劑使用量。
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