Wheeler model 模擬

前濃縮裝置作為樣品分析的前濃縮作業，吸附劑吸附量的上限是我們關心的 一項重要指標。採集大氣中的微量揮發性有機氣體若超過此吸附劑的吸附容量，

將對於定量分析上之結果會有嚴重的錯誤。由 3.1.1 之結果可以發現，此碳分子 篩採樣 100 ppb 之 acetone 及 ethanol 超過 1.4 L 未達破出，因此可以猜測 Saran 吸附劑對於 acetone 有極大的吸附容量，而 ethanol 位居第二，所以本實驗選擇針 對 ethanol 來做碳分子篩重量對破出體積之影響。

本實驗取 1 mg、2 mg、3 mg、4 mg 之自製 Saran 碳分子篩，封裝至毛細管 狀前濃縮裝置中做測量，樣品為 600 ppb 之 ethanol，採樣體積從 0.1 L 至 2.0 L，

採樣流速為 20 mL/min、40 mL/min、60 mL/min、80 mL/min，載流氣體流速為 3 mL/min 的高純度氮氣，GC oven 為定溫 35℃。

本實驗利用先前研究定義之破出體積計算方式，模擬一條未達破出之理想曲 線，利用其 1 %可信範圍及內插法來尋找不同重量碳膜、採樣流速對於 600 ppb ethanol 之破出體積，當內差法所計算出之數值低於理想值的-1 %時即為破出。於 此實驗中，每個實驗皆重複三次，並取三次訊號面積之平均作圖，由此計算出的 結果，於圖 3- 10 之局部放大圖可知，1 mg 的 Saran 碳分子篩以 40 mL/min 之採 樣流速所採樣的 ethanol 訊號面積於 0.413 L 時低於理想值的-1 %，意即表示 Saran 碳分子篩可採樣 600 ppb 之 ethanol 至 0.413 L。

圖 3- 10 1 mg 碳分子篩對於 600 ppb ethanol 之破出曲線-40 mL/min (a)破出曲線全圖 (b)局部放大圖

(a)

(b)

下圖 3- 11 為 1 mg Saran 於 20 mL/min 之採樣流速下之破出曲線圖，由圖中 可見 Saran 所採樣 ethanol 訊號面積於 0.473 L 時低於理想值的-1 %，表示 Saran 於此條件下可採樣 600 ppb 之 ethanol 至 0.473 L。

圖 3- 11 1 mg 碳分子篩對於 600 ppb ethanol 之破出曲線-20 mL/min 下圖 3- 12 為 1 mg Saran 碳分子篩於 60 mL/min 之採樣流速下之破出曲線 圖，由圖中可見 Saran 碳分子篩所採樣 ethanol 訊號面積於 0.409 L 時低於理想值 的-1 %，表示 Saran 於此條件下可採樣 600 ppb 之 ethanol 至 0.409 L。

下圖 3- 13 為 1 mg Saran 於 80 mL/min 之採樣流速下之破出曲線圖，由圖中 可見 Saran 碳分子篩所採樣 ethanol 訊號面積於 0.407 L 時低於理想值的-1 %，表 示 Saran 碳分子篩於此條件下可採樣 600 ppb 之 ethanol 至 0.407 L。

圖 3- 13 1 mg 碳分子篩對於 600 ppb ethanol 之破出曲線-80 mL/min 下圖 3- 14 為 2 mg Saran 碳分子篩於 40 mL/min 之採樣流速下之破出曲線圖，由 圖中可見 Saran 碳分子篩所採樣 ethanol 訊號面積於 0.815 L 時低於理想值的-1

%，表示 Saran 碳分子篩於此條件下可採樣 600 ppb 之 ethanol 至 0.815 L。

圖 3- 14 2 mg 碳分子篩對於 600 ppb ethanol 之破出曲線-40 mL/min

下圖 3- 15 為 3 mg Saran 碳分子篩於 40 mL/min 之採樣流速下之破出曲線 圖，由圖中可見 Saran 碳分子篩所採樣 ethanol 訊號面積於 1.244 L 時低於理想值 的-1 %，表示 Saran 碳分子篩於此條件下可採樣 600 ppb 之 ethanol 至 1.244 L。

圖 3- 15 3 mg 碳分子篩對於 600 ppb ethanol 之破出曲線-40 mL/min 下圖 3- 1 為 4 mg Saran 碳分子篩於 40 mL/min 之採樣流速下之破出曲線圖，

由圖中可見 Saran 碳分子篩所採樣 ethanol 訊號面積於 1.624 L 時低於理想值的-1

%，表示 Saran 碳分子篩於此條件下可採樣 600 ppb 之 ethanol 至 1.624 L。

圖 3- 16 4 mg 碳分子篩對於 600 ppb ethanol 之破出曲線-40 mL/min

本研究由上面不同碳膜質量、採樣流速之實驗結果進行 Wheeler model 模擬。

ethanol 濃度皆為 600 ppb，經換算後是 1.13051×10^-9 g/mL，採樣流速為 40 mL/min，

並在相同質量 1 mg 改變採樣流速 20 mL/min、60 mL/min、80 mL/min，在改變 採樣流速的實驗當中，吸附效率(Bed efficiency)最低的為採樣流速 80 mL/min，

其效率為 74.4%，是因為採樣之流速越快，揮發性有機氣體在吸附區中滯留時間 越短，與吸附劑之作用時間與之減少，使得吸附效率(Bed efficiency)下降，也更 容易到達其吸附容量而降低破出體積，反之亦然。吸附效率(Bed efficiency)最好

的是為相同採樣流速 40 mL/min，填充質量最高之 4 mg，其效率為 96.2 %，因為 質量最高，吸附區長度也最長，進而使得滯留時間越長，使得揮發性有機氣體可 與吸附劑充分作用進而提升吸附效率(Bed efficiency)。而 saran 碳分子篩可採樣 之 ethanol 樣品量為 0.482 mg/g。

將這些數據以吸附區滯留時間(τ)對破出體積(Vb)做模擬，如下圖 3- 18 所示，

圖中實線 Wheeler model 模擬的曲線，而圖中空心符號即為本研究之實驗結果，

三角形部分為相同質量 1 mg 之吸附劑改變採樣流速，菱形部分為相同採樣流速 40 mL/min 改變填充質量，因此可模擬出四條不同質量對於不同滯留時間(τ)對應 破出體積(Vb)之曲線，並將其數據整理於下表 3- 5，由下圖 3- 18 可以得知，吸附 區停留時間對破出體積之結果與模擬之預測值差距不大，而隨著吸附區滯留時間 愈短，待測氣體與吸附劑之作用愈差，使吸附劑愈快達到飽和，即破出體積下降，

如果有足夠的滯留時間，愈多的吸附劑質量即能提升吸附容量，使得吸附劑愈晚 達破出。

圖 3- 18 吸附區滯留時間對破出體積

表 3- 5 乙醇於碳分子篩之模擬以及實驗數據 empirical modeled^b

1 0.020 2.355 93.6 0.473 0.479 +1.19