MAX-iR™ FTIR 氣體分析儀對環(huán)氧乙烷的連續(xù)排放監(jiān)測

背景

環(huán)氧乙烷(EtO)是一種致癌、致突變的化合物，常用于化學(xué)工業(yè)，特別是用作醫(yī)療產(chǎn)品的滅菌劑以及乙二醇生產(chǎn)過程中的反應(yīng)中間體。由于它具有毒性，聯(lián)邦、州和地方監(jiān)管機構(gòu)對于商業(yè)滅菌器內(nèi)及其周圍極低含量的EtO的監(jiān)測非常關(guān)注。

測量難度

采用四極桿質(zhì)譜法時，由于樣品中可能存在具有相同分子量的干擾物質(zhì)，包括CO?、丙烷和乙醛，因此低含量EtO的檢測一直具有挑戰(zhàn)性。EtO還具有高反應(yīng)性，特別容易與酸類發(fā)生反應(yīng)，因此很難收集穩(wěn)定的樣品以供后續(xù)實驗室分析之用。滅菌設(shè)施的洗滌器系統(tǒng)可以利用酸類水溶液將EtO轉(zhuǎn)化為乙二醇，樣品中存在任何殘留的酸霧時，可能會造成部分EtO損失。EtO沸點較低，導(dǎo)致其收集和濃縮困難。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們需要一種更優(yōu)的分析技術(shù)來實時直接測量EtO。

解決方案

Thermo Scientific™ MAX-iR™ FTIR氣體分析儀采用了創(chuàng)新開發(fā)的Thermo Scientific™ StarBoost™技術(shù)應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。該光學(xué)增強解決方案顯著提高了MAX-iR分析儀的信噪比(SNR)，該分析儀的最低檢測限(MDL)為其他市售傅里葉變換紅外(FTIR)氣體分析儀的1/50，且無需使用光程極長的氣體池。光學(xué)增強型 FTIR(OE-FTIR)技術(shù)允許實時檢測含量低于十億分之一(<1 ppb)的EtO。

基于這款MAX-iR分析儀的Thermo Scientific™ EMS-10™全自動連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)，包括靈活的Thermo Scientific™ MAX-Acquisition™控制軟件，符合美國環(huán)保署(US EPA)的CEMS標準。

本應(yīng)用指南將實驗室性能研究與現(xiàn)場試驗相結(jié)合，描述了EMS-10系統(tǒng)是如何滿足EtO CEMS 應(yīng)用需求的。我們在北美一座商業(yè)滅菌廠進行現(xiàn)場試驗，使用EMS-10系統(tǒng)連續(xù)測量煙囪總排口的EtO排放。(US EPA ALT-142批準在商業(yè)滅菌器處使用OE-FTIR代替氣相色譜(GC)法對EtO排放進行測試，前提是符合《聯(lián)邦法規(guī)40章》第63款第O部分的監(jiān)管要求。)

所有數(shù)據(jù)均由配置MAX-iR分析儀和StarBoost技術(shù)的EMS-10系統(tǒng)收集而來。FTIR的詳細配置信息見下表1。

表1. MAX-iR分析儀的詳細配置信息

表2. 參考氣瓶信息

實驗室性能研究

材料

上表2描述了測試方案中使用的經(jīng)認證的EtO標氣(稱為“參考氣體”)，其中還包含作為示蹤劑用于動態(tài)加標回收研究的乙烷。乙烯用作常規(guī)測試前QA/QC的校準轉(zhuǎn)移標氣(CTS)。氣體制造商通過與美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)可追溯校準標準品和/或NIST氣體混合物參考物質(zhì)進行直接比較來驗證其成分。

使用超高純(UHP)氮氣稀釋參考氣體混合物并對MAX-iR分析儀進行零點校準。在研究之前，對MAX-iR進行常規(guī)的儀器診斷和直接校準檢查，以確保分析儀正常工作。

檢測限

檢測限(LOD)測試表明典型氣體基質(zhì)中背景之上可檢測到的EtO的最低量。將EMS-10系統(tǒng)設(shè)置為以目標樣品流速對環(huán)境實驗室空氣進行采樣。在連續(xù)7-11次1分鐘掃描期間測量EtO的響應(yīng)值，將LOD定義為所得測量值標準偏差的3倍。結(jié)果見下表3。

表3. 環(huán)氧乙烷LOD結(jié)果

準確度和線性度

在接近排放標準濃度的水平下(也可以針對您的特定可執(zhí)行水平)測定EtO測量的準確度和線性度。向MAX-iR分析儀中加入EtO參考氣體，進行直接測量。然后，使用氮氣將參考氣體稀釋到三個目標濃度：低濃度(26.6ppb)、中濃度(51.9ppb)和高濃度(99ppb)。對每個濃度進行三次測量，總共進行九次測量，不得連續(xù)兩次采用相同的氣體濃度。計算每個濃度水平下的誤差百分比，即用預(yù)期參考濃度與平均實測濃度之差除以量程值(99ppb)。為了測定線性度，繪制了預(yù)期與平均實測濃度關(guān)系圖來計算R2。準確度結(jié)果見下表4。線性度結(jié)果見下圖1。

表4. 環(huán)氧乙烷準確度結(jié)果

圖1. 環(huán)氧乙烷線性度結(jié)果

響應(yīng)時間

該測試測定了(以目標樣品流速正常運行的)EMS-10系統(tǒng)響應(yīng)EtO濃度變化所需的時間。以超過樣品泵流量的流速向EMS-10系統(tǒng)中加入“零”氣。然后，在高濃度(99 ppb) 下加入EtO參考氣體，待EtO響應(yīng)穩(wěn)定(即變化率不超過1%)后，測量達到滿量程的 95% 所需的時間(“上升時間”)(12秒)。再次加入零氣，待EtO響應(yīng)穩(wěn)定后，測量低于滿量程的 5%所需的時間(“下降時間”)(11 秒)(見下圖2)。

圖2. 環(huán)氧乙烷響應(yīng)時間

現(xiàn)場研究

結(jié)果和結(jié)論