Gas Analysis for CO2 Conversion Using a GI-30 Auto Gas Injector

Analýza plynů při přeměně CO2 pomocí auto-injektoru GI-30 a chromatografu Brevis GC-2050

Význam tématu

Konverze oxidu uhličitého na metanol a hydrokarbony představuje slibnou cestu k udržitelné chemické výrobě a využití CO2 jako suroviny. Spolehlivá kvantifikace produktů (CO, CO2, metanol, C1–C6 hydrokarbony a vedlejší produkty) je nezbytná pro hodnocení katalytických cest, optimalizaci procesů a monitorování konverzních výtěžků. Robustní a reprodukovatelná plynová chromatografie se schopností současné analýzy různých typů analyzátů přispívá ke kvalitě dat v laboratorních i průmyslových studiích.

Cíle a přehled studie

Studie představená v application note demonstruje dvě hlavní aplikace analýzy plynů vycházejících z CO2: syntézu metanolu a konverzi CO2 na hydrokarbony. Cílem bylo ukázat konfigurace chromatografu, které umožní současné kvantitativní stanovení CO, alkoholů (zejména metanolu) a hydrokarbonů, a to s co nejvyšší automatizací, reprodukovatelností a citlivostí. Dále bylo předvedeno zjednodušené měření pomocí jedné kolony s TCD pro případy, kdy analyty tvoří trvalé plyny nebo C3 a menší hydrokarbony.

Použitá metodika a instrumentace

Metodicky byly použity dvě konfigurace: (1) paralelní dvoukolonová analýza s INJ2-way branch unit pro simultánní měření CO a těkavějších/sloučenin detekovaných FID, a (2) jednocolonová konfigurace s TCD pro rychlou analýzu plynů a C1–C3 hydrokarbonů.

Klíčová instrumentace a komponenty:

• GC: Brevis GC-2050
• Automatický plynový injektor: GI-30 (Auto Gas Injector)
• SPI inlet pro minimalizaci vniknutí vzduchu a adsorpce vzorku
• INJ2-way branch unit (dvoucestný splitter / multi-column hanger) pro paralelní kolony
• Kolony: MICROPACKED-ST (packed column, 1–2 m, 1.0 mm I.D.) pro separaci trvalých plynů a C1–C3; SH-Q-BOND (kapilární 30 m × 0.32 mm × 10 µm) pro rozlišení MeOH a vyšších hydrokarbonů
• Detektory: Jetanizer-FID (umožňuje detekci CO/CO2 v kombinaci s FID), klasický FID pro hydrokarbony a metanol, TCD (single filament) pro analýzu permanentních plynů

Pro přípravu standardních vzorků byly použity vakuové odběrové lahve: kapalný metanol a těkavé n‑alkany aplikovány mikrosyringou, plynné složky dodány plynotěsnou stříkačkou; CO2 ze vzorkovacího vaku byl doplněn do lahve a tlak upraven na 1 atm.

Typické provozní podmínky (shrnutí):

• SPI inlet, teplota injektoru ~150 °C, loop 1 mL
• Pro dvoukolonovou konfiguraci: SH-Q-BOND s FID (makeup N2, H2/ vzduch pro FID), MICROPACKED-ST s Jetanizer-FID (detektoru teplota 400 °C)
• Pro TCD konfiguraci: MICROPACKED-ST s helikovým referenčním plynem (He) jako referencí a jako make-up; TCD rychle stabilizující díky jednofilamentové konstrukci (~10 min)

Hlavní výsledky a diskuse

- Paralelní konfigurace s INJ2-way branch unit umožnila současnou detekci CO (na MICROPACKED-ST + Jetanizer-FID) a metanolu spolu s C1–C6 hydrokarbony (na SH-Q-BOND + FID). Chromatogramy ukázaly dobré rozlišení jednotlivých složek, přičemž MICROPACKED-ST dokázala vyčlenit CO od O2 a dalších permanentních plynů.

- Kalibrace provedené na čtyřech koncentracích (CO, hydrokarbony C1–C5 1–100 ppm v/v; MeOH 6–600 ppm v/v) vykázaly vynikající linearitu s R2 ≥ 0,999 pro všechny analyty.

- Jednokolonová konfigurace s TCD pro CO a C1–C3 hydrokarbony (100 ppm každý) dosáhla S/N > 10 pro všechna vyhodnocená činidla, což potvrzuje vhodnou citlivost pro kvantitativní analýzy v této oblasti. MICROPACKED-ST zajistila separaci analyzátů v tomto rozsahu.

- Upozornění: metanol a hydrokarbony s počtem atomů uhlíku ≥ C4 mohou být adsorbovány nebo zadržovány na MICROPACKED-ST (packed) kolóně; proto je doporučeno pravidelné vypalování nebo kondicionování kolony, pokud jsou tyto sloučeniny analyzovány často.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost simultánní analýzy širokého spektra produktů z CO2 konverze bez nutnosti několika samostatných analýzní kroků zrychluje workflow a snižuje chybovost.
• Automatický injektor GI-30 a SPI inlet zvýšují reprodukovatelnost a minimalizují kontaminaci vzduchem nebo ztráty vzorku.
• Dvoukroková (split) konfigurace v kompaktním GC prostoru (Brevis GC-2050) umožňuje paralelní použití různých kombinací kolona–detektor bez většího zvětšení přístrojové stopy.
• TCD varianta nabízí jednoduchý, robustní a rychlý přístup k analýze trvalých plynů a krátkých hydrokarbonů bez potřeby derivatizace nebo speciálních detektorů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další integrace automatizace a rozšířená multikanálová detekce by mohla zvýšit průchodnost analytických sekvencí pro vysokovýkonné testování katalyzátorů.
• Využití alternativních kapilárních materiálů či povrchových úprav packed kolonn by mohlo snížit adsorpci polárních sloučenin jako metanol a prodloužit intervaly mezi regeneracemi.
• Vývoj citlivějších a selektivních detektorů kombinovaných s vlídnějšími carrier plyny může zlepšit limity detekce pro stopové analyty v CO2 matrice.
• Implementace online odběru a přímého napojení reaktoru na GC s automatickým vzorkováním (včetně kontinuálních procesů) zvýší relevanci pro průmyslové aplikace a pilotní provozy.

Závěr

Prezentovaná konfigurace Brevis GC-2050 ve spojení s GI-30, INJ2-way branch unit a kombinací MICROPACKED-ST / SH-Q-BOND poskytuje flexibilní a spolehlivý analytický nástroj pro komplexní kvantifikaci produktů z CO2 konverze. Volba mezi dvoukolonovou paralelní analýzou (pro široké spektrum od CO po C6 a MeOH) a zjednodušenou TCD jednocolonovou konfigurací (pro trvalé plyny a C1–C3) umožňuje přizpůsobit přístup specifickým experimentálním požadavkům. Pozornost je nutno věnovat potenciální adsorpci polárních či vyšších uhlovodíků na packed kolony a zajištění pravidelné údržby a kondicionování.

Reference

1. Brevis GC-2050: Application note (Shimadzu), 01-00964-EN, First Edition: Apr. 2026.
2. Gas Analysis Using a Brevis GC-2050 Gas Chromatograph with a GI-30 Auto Gas Injector and TCD and BID Detectors, Application News No. 01-00858-EN.
3. Simultaneous Analysis of Greenhouse Gases Using Nitrogen Carrier Gas, Application News No. 01-00661-EN.