Les chromatographes en phase gazeuse (GC) sont des moniteurs de gaz spécialement conçus pour fournir des données spécifiques, tant qualitatives (espèces) que quantitatives (quantité), concernant la composition d'un flux ou d'un échantillon de gaz trouvé dans une application industrielle ou atmosphérique.
Contrairement aux GC de laboratoire, les GC de processus sont généralement configurés et utilisés pour des applications statiques où l'opérateur a besoin d'informations fréquentes sur un ensemble spécifique de composés cibles sur de longues périodes. Les GC de processus sont principalement conçus pour fonctionner comme des analyseurs de gaz autonomes, nécessitant peu d'entretien et ne nécessitent généralement pas de connaissances chimiques ou techniques pour fonctionner.
Ils contiennent également des entrées et sorties numériques et analogiques qui leur permettent de s'interfacer avec des déclencheurs externes, des systèmes de collecte de données et d'autres contrôles sur site.
Les CG de processus trouvent des applications dans de nombreux secteurs, notamment : L'exploration pétrolière et gazière, la surveillance de la qualité de l'air extérieur, la détection et la surveillance des émissions fugitives et la fourniture de gaz spéciaux.
« Chromatographie en phase gazeuse » : grande phrase, concept simple
Les éléments de base de la chromatographie en phase gazeuse sont assez simples et, ensemble, constituent un outil puissant pour analyser spécifiquement un ou plusieurs gaz. L'analyse chromatographique comporte 4 étapes : le prélèvement de l'échantillon, l'injection de l'échantillon, la séparation de l'échantillon et la détection de l'échantillon.
Un échantillon de gaz est prélevé, puis il est introduit dans un flux de gaz inerte appelé gaz vecteur. Le gaz vecteur déplace (transporte) l'échantillon de gaz à travers une colonne ou une série de colonnes où les gaz de l'échantillon sont physiquement séparés. Une fois que les gaz d'intérêt ont été séparés par la colonne, ils sont dirigés vers un détecteur qui fournit une sortie proportionnelle à leur concentration. Une analyse par GC peut être une procédure manuelle ou un processus en ligne automatisé.
Prélèvement des échantillons – Les échantillons sont préparés pour être analysés selon différentes méthodes. Les boucles d'échantillons fixes sont la méthode de choix pour l'analyse par processus automatisé (image 1). D'autres techniques courantes vont du simple prélèvement d'un échantillon de gaz dans une seringue à gaz, à des méthodes beaucoup plus complexes telles que la volatilisation d'un liquide dans un gaz, la préconcentration sur un milieu de collecte ou la condensation cryogénique d'un échantillon de gaz.
Injection de l'échantillon – Un échantillon peut être injecté manuellement dans le gaz vecteur à l'aide d'une seringue, mais il est généralement introduit par une boucle d'échantillonnage et une vanne d'analyse qui sont en ligne avec le flux vecteur. Les gaz vecteurs type sont l'azote, l'hélium, l'argon et, dans certains cas, l'hydrogène ou l'air. En général, plus la qualité du gaz vecteur est bonne, meilleurs sont les résultats de l'analyse. Dans les instruments automatisés, le gaz vecteur est commuté en ligne avec la boucle d'échantillonnage pendant une période de temps précise et prédéterminée, en injectant l'échantillon sur la colonne (image 2). Ce cycle est généralement répété en continu dans l'analyse par GC.
Séparation de l'échantillon – Au cœur du CG, les colonnes sont l'outil qui sépare l'échantillon en ses composants constitutifs. Les colonnes sont montées dans un four avec un contrôle précis de la température et du flux de gaz vecteur. Dans ces conditions étroitement contrôlées, l'analyse peut être répétée ; le même composant gazeux sortira de la colonne (éluer) avec le même timing que l'analyse précédente.
Par exemple, l'une des colonnes les plus courantes, utilisant une phase de tamis moléculaire ou un matériau de garnissage, sépare l'échantillon en fonction de la taille des molécules individuelles qu'il contient. Lorsqu'un échantillon composé d'hydrogène, d'oxygène et d'azote passe dans cette colonne, la petite taille des molécules d'hydrogène leur permet de traverser la phase très rapidement par rapport à l'oxygène et à l'azote (image 3). Les molécules d'azote, qui sont les plus grosses, sont celles qui mettent le plus de temps à traverser la phase. À l'échelle macro, cela pourrait être comparé à l'utilisation de divers tais pour éliminer le sable fin et les gros cailloux d'une charge de gravier mélangé.
Différentes phases qui séparent les gaz en fonction du point d'ébullition, de la polarité, du poids moléculaire et de la taille moléculaire sont facilement disponibles sur le marché. Si l'on ajoute à la grande variété de phases différentes densités de phases, de perçages de tubes et de longueurs de colonnes, on obtient une sélection pratiquement infinie d'options de colonnes.
Détection de l’échantillon – Une fois que les gaz séparés quittent (ou éluent) la ou les colonnes, ils passent par un détecteur qui, à son tour, répond par un signal de sortie. Ce signal est ce qui génère les pics GC caractéristiques dans un chromatogramme (image 4). Les pics sont proportionnels en surface à la concentration des gaz d'intérêt. Auparavant, la taille des pics était difficile à quantifier, mais un puissant logiciel d'intégration a rendu cette tâche aisée. Les logiciels et le matériel de GC peuvent également intégrer une grande variété de capacités de diagnostic, de rapport et de sortie. Les GC sont conçus avec différents détecteurs en fonction des exigences analytiques ; la composition des gaz et les limites de détection requises aident à déterminer le détecteur utilisé. Les détecteurs à ionisation de flamme (FID) sont utilisés pour la plupart des hydrocarbures, les détecteurs à photoionisation (PID) pour les substances organiques volatiles et le détecteur à conductibilité thermique (TCD) pour l'usage général et d'autres détecteurs spécialisés sont disponibles. Les GC de processus utilisent généralement des FID, PID ou TCD, en raison de leur conception simple et fiable.