相关系数分析

助力双碳，“氢”心打造-燃料电池汽车用氢质量分析方案(Ⅱ)原创 飞飞 赛默飞色谱与质谱中国高丽1. 前言 随着全球能源消费结构向低碳转型的加速，氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源和工业还原物料而备受瞩目。氢能是我国战略性新兴产业和未来产业重点发展方向，是我国实现2060年“碳中和”目标的重要途径。氢燃料电池汽车的研发和应用是我国氢能利用的重点应用产业，氢气质量是确保燃料电池正常运行的关键因素之一。作为燃料电池能量来源的氢气主要来自工业副产氢、电解制氢、化工原料制氢和化石能源制氢，不同生产方式制取的氢气不可避免地会产生相应的杂质组分，会对燃料电池的性能和寿命产生不同程度的影响。经过十几年探索和验证，发现二氧化碳、甲烷、氮、氩、氦等杂质组分会降低氢气的分压，导致燃料电池局部氢气供应不足，可能造成电池反极并发生碳蚀现象。一氧化碳会占据PEM催化剂的活性位而阻碍氢气在催化剂上的吸附，降低氢气电离出质子的速率，严重时会导致催化剂完全失活等。由此可见，氢气的纯度及杂质含量会对PEMFC的性能造成严重的损害并降低其使用寿命、影响效率和安全等，因而，准确而快速的测定燃料氢气的纯度和杂质含量是极其重要的。赛默飞与北京石科院合作，采用1台气相色谱仪，配置TCD、FID和PDD三个检测器、多阀多色谱柱分析系统检测质子交换膜燃料电池汽车用氢气中氦、氩、氮、一氧化碳、二氧化碳和烃类组分，建立燃料电池用氢质量分析方案，所有测试结果均满足新修订国标的要求。2. 仪器及配置 表1 气相色谱仪仪器配置（点击查看大图）3. 结果与讨论 3.1氢中微量一氧化碳和二氧化碳检测用气体标准样品或通过气体稀释仪将一氧化碳和二氧化碳标气稀释至0.05 µ mol/mol～10 µ mol/mol 范围内的8个浓度级别并进行检测并绘制多点校正曲线（强制过原点），典型样品色谱图见图1，一氧化碳和二氧化碳测试校正曲线相关系数分别是0.9999和0.9992。图1 一氧化碳和二氧化碳分析（PDD流路）典型色谱图（点击查看大图）重复性及检出限测试用气体稀释仪配制0.05 μmol/mol的样品，平行测定至少10次，样品峰面积的相对标准偏差、方法检出限结果列于表2中。样品叠加色谱图见图2。从测试结果得到2种杂质的检出限均低于20 ppb。图2 一氧化碳和二氧化碳检出限测试谱图（点击查看大图）表2 样品组分低浓度点连续10针进样重复性及检出限测试结果（点击查看大图）3.2氢中烃类组分检测用气体标准样品或通过气体稀释仪将烃类标气分别稀释至6个浓度级别，甲烷浓度范围0.1 µ mol/mol～5.3 µ mol/mol，其他烃组分浓度范围0.1 µ mol/mol～2 µ mol/mol，绘制校正曲线（强制过原点）。烃类组分典型色谱图见图4，绘制校正曲线见图3，绘制校正曲线的线性相关系数均大于0.9992。图3 烃类组分（FID流路）典型色谱图（点击查看大图）重复性及检出限测试用气体稀释仪配制0.1 μmol/mol的样品，平行测定至少7次，样品保留时间、峰面积和峰高的相对标准偏差，方法检出限结果列于表3中，从测试结果得到烃组分杂质的检出限均低于0.1 ppm。表3 烃组分低浓度点连续7针进样重复性及检出限测试结果（点击查看大图）3.3氢中氦、氩、氮组分检测用气体标准样品或通过气体稀释仪将氦、氩、氮标气稀释至5个浓度级别（10 µ mol/mol～602 µ mol/mol范围内），绘制多点校正曲线（强制过原点），TCD流路典型样品色谱图见图4，测试校正曲线相关系数均大于0.9992。图4 氢中氦氩氮（TCD流路)典型色谱图（点击查看大图）重复性及检出限测试用气体标准样品平行测定7次， 样品保留时间、峰面积和峰高的相对标准偏差，方法检出限结果列于表4中，七针测试叠加色谱图见图5。从测试结果得到氦、氩、氮组分的检出限均低于10 ppm。图5 氢中氦氩氮低浓度点叠加色谱图（点击查看大图）表4 氦氩氮低浓度点连续7针进样重复性及检出限测试结果（点击查看大图）结 论方案操作简单，灵敏度高、能够满足质子交换膜燃料电池汽车用氢气对杂质的分析需求。经验证考察，各杂质组分相关系数均大于0.9992，满足GB/T 37244《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》、团标T/CECA-G 0179—2022《氢气中氦、氩、氮和烃类的测定 气相色谱-热导和火焰离子化检测器法》和团标T/CECA-G 0181—2022《氢气中一氧化碳和二氧化碳的测定 气相色谱-氦离子化检测器法》对校准曲线相关系数、检出限等要求；同时，也完全满足 GB/T 3634.2和ISO 14687中规定的各杂质的检出限要求。如需合作转载本文，请文末留言。

为了得到品质优良、性能高效的产品，需要对其培养过程进行连续不间断的监测，并对在培养过程中出现的各种可能的问题加以控制和解决。而发酵过程是时变、非线性、强耦合的复杂生化过程，同时离线测量生化参数耗时长，难以及时控制发酵过程，这给实时检测培养过程中的重要生化参数带来巨大困难，因此生物传感器技术作为动物细胞培养过程关键生化参数检测不可或缺的手段，能有效克服这一不足。动发酵过程的控制优化是维系生产目标实现的关键手段，只有在线实时的对物理参数的变化、细胞代谢、营养产物的生成、目标产物浓度的变化进行监控和分析，才能有效地进培养过程的控制，达到产品优质、高效生产的目的。 一般的生物过程参数分为物理参数、物理化学参数、化学参数和生物学参数。化学参数有：底物浓度（葡萄糖、乳酸、谷氨酸、谷氨酰胺、氨、钠和钾等）、中间代谢产物浓度和产物浓度等，生物学参数有：活细胞浓度、氧吸收速率(oxygen uptake rate, our)、二氧化碳释放速率(carbon dioxide excretion rate, cer)、呼吸熵(respiratory quotient, rq)等。 目前检测培养基底物浓度的常见方法有高效液相色谱法、化学滴定、生化分析仪等方法。这些方法一般存在以下缺点，第一检测时间长，培养液成分复杂，用液相作为培养过程监控的手段耗材成本高，时间成本更高；第二，用化学滴定的方法存在特异性差，重复性差，耗费时间等缺点，第三传统的生化分析仪检测时间短，特异性强，但是对于生产和科研，培养基组分复杂，原料存在批次间不稳定等问题，背景色的干扰会导致检测结果呈非线性，重复性差、而且总体灵敏度和准确度较低，并且生化试剂寿命有次数和时间的限制，单次检测成本高昂。 西尔曼发酵过程分析仪 深圳西尔曼科技最新推出的发酵过程分析仪基于酶电极法—固定化酶膜技术，具有检测时间快（反应时间只需20秒）、昂贵的酶等生化试剂可以重复利用（酶膜寿命大于3000次）、操作简单、自动化程度高、重复性好（cv小于2%）、单次检测成本低等优势。可用于发酵过程精准控制、培养基浓度监控、培养基优化、补料策略优化、有毒有害代谢物监控等领域。m800系列仪器可选自动稀释模块，扩展了检测范围，显著降低了操作员人为造成的偏差。西尔曼科技发酵过程分析仪参数详解项目参数备注测试原理酶电极法不受样品背景色干扰电极结构铂金丝、银片杆状电极比卡片式电极耐用，抗氧化，高阻抗，寿命长耗材不做时间限制，可使用到自然失活进口仪器耗材做时间限制，到期强制停用，造成检测成本过高耗材成本固定化酶膜，可重复利用酶比色法试剂需求量大，一次性试用准确性系统误差小于1%可与液相色谱仪做相关分析，相关系数大于0.99样品重复检测支持，可设置重复检测次数设置后仪器自动重复检测检测范围0.05-100g/l需配合预稀释模块分辨率0.01g/l变异系数小于2%样品检测重复性优于酶比色法检测项目葡萄糖、乳酸、谷氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺、乙醇、甲醇等可根据用户需求自由组合单个样品反应时间20秒单个项目检测时间45秒所有项目检测时间60秒反应池结构溢流式开放式反应池，比微流路易清洗，给酶膜提供长时间液体环境，不怕短暂停电管路材质泰克管复合材料，易清洗，易更换，不易堵塞硬件材料泵、阀、芯片、采样针等控制部件为国际大品牌样品预稀释功能可选自动进样盘标配15位自动进样盘进样方式高精度全自动进样自动标定是结果输出打印，u盘导出，数据查询通讯接口usb、rj45、rs232可与质检中心电脑相连接测样时技能要求任何人可操作，无难度测试速度高，无须预稀释样品，实际速度高达60样品／小时测量精度高，无人为误差显示屏8寸彩色触摸屏软件人机交互、类似iphone图标化设计产品设计标准医疗级设计标准样本量低至10ul人工成本检测时检测人员可从事其它工作，且无须增加岗位人员，效率很高；售后服务成本低，提供上门技术指导和安装维修，定期保养，7*24小时服务投资回报率可以优化目前人员结构，提高劳动效率，满足未来发展需要数据存储容量4000西尔曼发酵过程分析仪检测准确度验证1.m100与高效液相色谱仪的检测数据对比 本数据来源于某高校生物工程学院实验室 2.s10手动款仪器检测数据分析西尔曼发酵过程分析仪在发酵调控中的应用 将西尔曼发酵过程分析仪用于发酵调控，对比应用前后发酵液糖浓度。 未使用发酵过程分析仪之前，补料控制根据以前的经验和菲林滴定数据，糖浓度的控制呈现波浪状，忽高忽低，不稳定，发酵的环境不稳定，代谢途径自然也是在不断变化。使用发酵过程分析仪的检测数据作为发酵调控的依据，得到的糖浓度曲线非常平滑，基本可以做到恒化培养，找到最佳浓度，激活有利于效价提升的代谢途径，增产稳产就是这样简单。

背景一百多年来，人们用生化和化学需氧量的测量结果来确定和量化城市和工业废水的被污染程度。生化需氧量（BOD5）是五日实验室测量值，是世界上最为广泛使用的废水水质参数之一，也是城市污水处理的标准参数。化学需氧量（COD）是两小时测量值，被广泛应用于工业领域。人们经常同时采用这两种实验室方法，进行测量、记录和比较。1-3在各类水、城市污水、工业废水的水质测量应用中，TOC分析是众所周知的分析方法。有很多实验室和在线配置的TOC测量方法，典型的分析时间为3至10分钟，具体时间取决于分析模式。TOC仪器的快速分析和在线操作模式，能够为事件监测和过程控制提供接近实时的分析，因此优于需氧量测量法。此外，TOC是水中有机物量的直接测量值，而COD和BOD是间接测量值。人们能够根据废水的成分和稳定性，来建立样品的有机碳和需氧量之间的关系或相关性。监管框架 美国所有的工业废水处理厂和公共污水处理厂（Publicly Owned Treatment Works，POTW）都有自己的预处理标准。根据清洁水法案（Clean Water Act）和随后的立法，美国环境保护局（EPA）建立了“国家污染物排放消除制度（National Pollutant Discharge Elimination System，NPDES）”。通常来说，NPDES是管理工业废水或城市污水排放到公共水域时的排放限值或出水限制准则（ELG）的主要制度。4-7美国清洁水法案规定，违反者每案每天须支付最高民事罚金25,000美元。根据联邦法规第403.12款，每天流量（MGD）高于5百万加仑的公共污水处理厂必须制定预处理方案。9在亚洲台湾环保署根据BOD5浓度来确定河流污染程度。5至15毫克/升浓度被视为中度污染，大于15毫克/升浓度被视为严重污染。10在欧洲法国的公共水域排放限值为：BOD小于100毫克/升，COD小于300毫克/升。德国允许基于4×TOC的最高COD值：“如果总有机碳（TOC）的4倍量（以毫克/升计）未超过化学需氧量（COD），应视为满足排水中的COD允许值。”12TOC值同需氧量之间的相互关系TOC分析比两种需氧量方法更快、更精确，而且是有机物的直接测量值。两种需氧量都是间接测量值。TOC方法的测量时间为3至10分钟，3次重复测量时间不超过30分钟，而COD的测量时间为2小时，BOD5的测量时间为5天。NPDES制度允许采用其他“批准的方法”来替代需氧量方法，例如采用同需氧量相关的TOC测量法，以使操作人员能够更快、更精确地进行监测和工艺控制。如此一来，需要处理废水的工业设施（非城市污水排放设施）往往就能在超过许可限值之前掌握需氧量的发展趋势。13预处理设施应同所在州的NPDES管理部门合作，进行长期的相关性测试，用TOC代替BOD或COD作为主要排放参数。监管机构（如美国环保局、各州环境规划支持部门）都对样品数量和测试时间有具体要求。“北美仪器测试协会（Instrumentation Testing Association of North America，ITA）”的一项研究报告“建议城市污水处理厂每周进行样品分析，为期至少一年（包括四季），以获得排放许可。”14在全球范围内，城市生活污水处理厂和工业废水处理厂可以通过短期和长期研究来确定TOC和需氧量之间的关系。印度环境和森林部中央污染控制委员会（Central Pollution Control Board，CPCB）认为：“……可以根据TOC:BOD和TOC:COD的观察比例来确定相关系数……。当在线监测TOC时……根据特定废水源的TOC、BOD或COD之间建立的可重复经验关系，可根据记录的TOC值来估算相关的BOD或COD。”15CPCB还规定，相关性必须基于样品基质，并需要定期验证。由于TOC方法和需氧量方法有本质区别，历来人们对TOC同需氧量关系的怀疑都在于工艺流变化对比例关系稳定性的影响。随着时间的推移，有机物的变化可能会改变同需氧量之间的数学关系。样品基体、颗粒或固体成分、粘度、浊度的变化都可能影响相关系数。每10分钟测量TOC，并应用相关系数：★相比于传统测试，对COD的估算频率可提高12倍。★相比于传统测试，每天可估算BOD5 288次。如何确定相关系数有多种方式来正确确定TOC和需氧量（BOD5或 COD）之间的相关系数。北美仪器测试协会（ITA）的测试报告中详述了各种统计分析方法，请参阅“实施协议（Implementation Protocol）”。ITA推荐的协议详述了4个步骤及建议，并参考了已发表的分析方法：01长期进行TOC和BOD5分析取样，取样点位置范围包括从进水到排放。a.建议取样后立即进行BOD5分析b.建议取样或酸化和冷冻后立即进行TOC分析c.建议将10%的样品“用于质量保证和质量控制”02进行数据组之间的有效相关性的统计分析。03如果确认相关性，应建立相关方程，并计算相当于BOD5限值的TOC。14无论采用哪种程序，都应当用目前最佳做法和科学方法来确保内部和外部统计的有效性。统计过程控制和分析的一些有效性考虑包括：在确定工艺稳定性之前的数据组的最少数据点、数据正态分布、工艺能力、确定对数据相关性影响的标准。关于实验设计，应咨询质量和工程技术人员、应用统计人员、六西格玛专家，并遵循公司的工艺和程序。表1是ITA测试报告中确定的第一阶相关方程的例子。报告总结了所有的相关性测试统计数据结果。表1：ITA测试报告中确定的第一阶相关方程14结论在亚洲、欧洲、美洲，同BOD5相关的TOC方法已为人们所熟知，正成为废水水质和处理应用中的最佳方法。更快、更准确地测量TOC，能够改进工艺控制、提供接近实时的排放检测以减少超标。BOD5相关的TOC分析方法可以降低运营成本，节省化学品和能源需求，有助于避免因超过排放限值而造成的罚款。目前已有成熟的分析和统计程序和方法来进行相关性研究、验证数据、确定相关性方程。高等院校、研究机构、环保部门、私人企业都了解TOC分析方法的优点，即快速监测和预测需氧量，以改善废水水质，同时降低成本和风险。参考文献1."Pacific Southwest, Region 9 - Quality Assurance",美国国家环境保护局。最近更新：2016 年 5 月 20 日。2016 年 8 月 24 日 www.epa.gov/region9/qa/2."BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAND (BOD) -Standard Method 5210 B (5-day BOD Test) "，美国国家环境保护局。最近更新：2016 年 5 月 20 日。2016年8月24日www.epa.gov/region9/qa/pdfs/5210dqi.pdf3.ASTM D1252 - 06（2012）水的化学需氧量（重铬酸盐需氧量）的标准测试方法。4."NPDES Permit Program Basics"，美国国家环保局。2016 年 8 月 24 日https://cfpub.epa.gov/npdes/docs.cfm?document_type_id=8&view=Permit%20Applications%20and%20Forms&program_id=45&sort=name5."Water Permitting 101"，美国国家环境保护局，废水管理办公室。最近更新：2014 年 7 月 15 日。2015 年 4 月 21 日。6."State Program Information"，美国国家环境保护局。最近更新：2016 年 2 月 19 日。2016 年 8 月 24 日https://www.epa.gov/npdes/npdes-state-program-information7."State NPDES Program Authority"，美国国家环境保护局。最近更新：2016 年 2 月 19 日。2016 年 8 月 24 日https://www.epa.gov/npdes/npdes-state-program-information8."Code of Federal Regulations (CFR) 40 Part 122 EPA ADMINISTERED PERMIT PROGRAMS: THE NATIONAL POLLUTANT DISCHARGE ELIMINATION SYSTEM"，部分 C - 许可条件 122.41（a）（2），联邦注册登记局（OFR）和政府出版局。引用版本：2016 年 8 月 22 日。2016 年 8 月 24 日http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?tpl=/ecfrbrowse/Title40/40cfr122_main_02.tpl9."Code of Federal Regulations (CFR) 403 Part 12 Reporting requirements for POTW's and industrial users"，联邦注册登记局（OFR）和政府出版局。2016 年 8 月https://www.gpo.gov/fdsys/pkg/CFR-2012-title40-vol30/pdf/CFR-2012-title40-vol30-part403.pdf10."Environmental Water Information - Water Quality Standards - River Pollution Index (RPI) "，台湾环保署。2010 年，2015 年 4 月 21 日http://wq.epa.gov.tw/WQEPA/Code/Business/Standard.aspx?Languages=en11."Arrêté du 26 mars 2012 relatif aux prescriptions générales applicables aux installations classées relevant du régime de l'enregistrement au titre de la rubrique n° 2710-2 (installations de collecte de déchetsnon dangereux apportés par leur producteur initial) de la nomenclature des installations classées pour la protection de l'environnement"，第 35 条：排放限值。引用版本：2012 年 3 月 26 日。2015 年 4 月 21 日http://legifrance.gouv.fr/eli/arrete/2012/3/26/DEVP1208907A/jo/ar- ticle_3512."Promulgation of the New Version of the Ordinance on Requirements for the Discharge of Waste Water into Waters"，第 5 页第（3）部分第 6 条，德国环境、自然保护和核安全部。引用版本：2004 年 6 月 17 日。2016 年 8 月 24 日http://www.bmub.bund.de/fileadmin/bmu-import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/wastewater_ordinance.pdf13."Central Tenets of the National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) Permitting Program"，第2 页。美国国家环境保护局。最近更新：2015 年 4 月 7日。2015 年 4 月 21 日http://water.epa.gov/polwaste/npdes/basics/upload/tenets.pdf14.Nutt, Stephen G. 和 Tran, John，XCG Consultants Ltd. "Addressing BOD5 limitations through Total Organic Carbon Correlations: A Five Facility International Investigation"，佛罗里达州彭萨科拉：北美水和废水仪器测试协会（ITA）， 2013 年 1 月。15."Guidelines for Online continuous monitoring system for Effluents"，第 12 页，出水水质实时监测系统指南。印度德里：中央污染控制委员会（CPCB）。2014 年 11月 7 日。2016 年 8 月 24 日http://mpcb.gov.in/images/FinalGuidelinse.pdf◆ ◆ ◆联系我们，了解更多！