一種單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，由汞蒸氣發(fā)生器、大氣汞與植物交換系統(tǒng)、大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)三部分組成；該系統(tǒng)不僅具有低成本，可以連續(xù)產(chǎn)生低濃度、穩(wěn)定性強、可控性高、利用效率高的同位素汞蒸氣(xxxHg0)特性，還兼有輕便靈巧、安裝便捷、可移動性強和適用范圍廣等特點。
【專利說明】一種單一錄同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于穩(wěn)定汞同位素添加【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，具體地說涉及一種高效穩(wěn)定的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]汞是大氣中唯一以氣態(tài)單質(zhì)進行長距離傳輸?shù)闹亟饘僭?，且具有很強的生物毒性，因此被認(rèn)為是一種全球性的污染物(Feng et al.,2010 ；Lindberg et al.,2007 ；Selin, 2009)。汞以痕量水平廣泛存在于地球各圈層，大氣中汞的主要來源包括人為源排放及自然源釋放(Streets et al., 2005 ；Streets et al.,2009)。其中自然源的年釋放量占了全球總排放量的三分之二，與人為排放量相比，目前對自然過程排放量的估算具有更大的不確定性。在對自然源的研究中，以植被覆蓋廣袤的背景區(qū)的源匯問題引起了廣泛的研究和討論。在GEOS-Chem及以蒸騰作用為基礎(chǔ)的通量模型中，植被被認(rèn)為是大氣汞的源，植物能通過根系吸收土壤水中的汞，進而通過傳輸釋放到大氣中。然而，越來越多的實驗研究表明土壤水中的萊不易傳輸?shù)街参锶~片，葉片中的萊大多來自大氣，因此植被在生態(tài)系統(tǒng)中很有可能是大氣汞的匯。若能通過巧妙的試驗設(shè)計，定量探討植物葉片對汞的吸收與排放(包括葉片吸收汞的再釋放過程)，將給這一科學(xué)問題的解決、汞的全球模型更新乃至汞生物地球化學(xué)循環(huán)過程的認(rèn)識帶來新的思路。
[0003]汞穩(wěn)定同位素示蹤研究為這一難題的解決提供了新的手段。在天然環(huán)境中Hg 有七種穩(wěn)定同位素，196Hg(0.15% ), 198Hg (9.97% ), 199Hg (16.87% ),200Hg (23.10 % ),201Hg(13.18% ) ,202Hg(29.86% ) ,204Hg(6.87% ) (de Laeter et al.,2003) ? 而這七種同位素及其化合物在化學(xué)性質(zhì)、生物學(xué)性質(zhì)方面并無差異，只在核物理性質(zhì)方面存在顯著的差異。因此，可以利用某一種同位素及其化合物作為示蹤劑，探討汞在環(huán)境中的行為及其歸趨(Hintelmann et al.，1995 ;Hintelmann et al., 2002 ；Harris et al., 2007) ? 利用萊同位素添加示蹤技術(shù)，指示植物葉片中汞的來源與環(huán)境行為，逐漸成為近年來研究大氣-植被-土壤界面汞遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的強有力手段。但在背景大氣中，大氣汞屬于痕量氣體，其濃度在l_3ng m-3(Schroeder&Munthe, 1998)。這為模擬實驗室相似的低萊同位素微環(huán)境帶來了挑戰(zhàn)。在模擬試驗中，獲得持續(xù)、穩(wěn)定、低濃度且低成本的單一汞同位素源是該系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。Rutter et al.(2011)在嚴(yán)格控制溫度、濕度和光照條件的密閉實驗室內(nèi)放置植物和土壤，注入穩(wěn)定濃度的198Hg°蒸氣，探究汞在植物葉片上的干沉降量與環(huán)境因子的相互關(guān)系，進而推演汞在 大氣-植被界面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。該方法能夠提供較好的植物生理生長條件，但其成本高且很難達到產(chǎn)生穩(wěn)定單一大氣汞同位素的要求。如:在恒定溫度10°C~30°C條件下，汞的揮發(fā)濃度為5.552~29.504ng m-1,因此利用揮發(fā)法產(chǎn)生的同位素汞源，效率低、穩(wěn)定性得不到保證、且不能精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)汞蒸氣濃度的變化，房間“壁效應(yīng)”會吸附大量的汞，造成重復(fù)試驗的背景值過高，大量的汞蒸氣持續(xù)的排出，費時費力且易造成二次污染。
[0004]綜上所述，建立一種能產(chǎn)生低濃度、穩(wěn)定性強、可控性高、且利用效率高的同位素 汞蒸氣CxxHgtl)發(fā)生系統(tǒng)是該試驗的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，設(shè)計滿足上述要求的汞蒸氣發(fā)生系統(tǒng)，及基于該發(fā)生器的植物交換裝置、大氣同位素汞的在線檢測裝置，該系統(tǒng)不僅具有低成本，可以連續(xù)產(chǎn)生低濃度、穩(wěn)定性強、可控性高、利用效率高的同位素汞蒸氣CxxHgt1)特性，還兼有輕便靈巧、安裝便捷、可移動性強和適用范圍廣等特點。
[0006]其技術(shù)方案如下:
[0007]—種單一萊同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，由萊蒸氣發(fā)生器、大氣萊與植物交換系統(tǒng)、大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)三部分組成；
[0008]所述汞蒸氣發(fā)生器由311(:12溶液入口 U2tl2Hg2+溶液入口 2、真空泵3、零氣進口 4、活性炭柱5、排廢液口 6、氣液分離器7、Sodalime干燥管8依次連接而成；
[0009]大氣汞與植物交換系統(tǒng)由特氟龍管9、玻璃罩10、植物U、硼硅玻璃氣泡瓶12、轉(zhuǎn)子流量計13依次連接而成；
[0010]大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)包括Tekran2537A大氣中超痕量汞分析儀14。
[0011]優(yōu)選地，所述真空泵3美國Gast公司生產(chǎn)，型號:D0A-P504_BN。
[0012]優(yōu)選地，所述氣液分離器7的材質(zhì)為硼硅玻璃管，尺寸為:內(nèi)直徑1.5cm，高18cm。
[0013]優(yōu)選地，所述特氟龍管9的尺寸為1/4英寸。
[0014]優(yōu)選地，所述玻璃罩10為帶有進氣口和出氣口的硼硅玻璃通量罩。
[0015]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)子流量計13最大量程為IOL mirT1。
[0016]優(yōu)選地,所述Tekran2537A大氣中超痕量萊分析儀14米樣時間設(shè)定為每五分鐘一次。
[0017]優(yōu)選地，所述硼硅玻璃氣泡瓶12的容積為1.5L。
[0018]優(yōu)選地，所述硼硅玻璃氣泡瓶12內(nèi)盛有濃度為10%的濃H2SO4和濃度為0.5%的KMnO4組成的吸收液。
[0019]優(yōu)選地，所述SnCl2溶液濃度為20%。
[0020]本發(fā)明的有益效果為:
[0021]本發(fā)明所設(shè)計的大氣背景汞濃度微環(huán)境的同位素添加系統(tǒng)可通過設(shè)定蠕動泵、真空泵的流速以及xxxHg2+溶液的濃度大小，模擬不同濃度梯度、穩(wěn)定的自然大氣汞環(huán)境的單一汞同位素氣體發(fā)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強的可控性，即將真空泵流速與xxxHg2+溶液濃度設(shè)定在一定的條件下，通過調(diào)節(jié)蠕動泵的進樣速度可以準(zhǔn)確控制汞蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生的同位素汞蒸氣CxxHgtl)濃度。此外，條件實驗表明:汞蒸氣發(fā)生器可以將2tl2Hg2+溶液高效率的轉(zhuǎn)化成為同位素汞蒸氣(利用效率大于80%)，且重復(fù)性較好(平行試驗誤差低于5%)。故該系統(tǒng)與以往的揮發(fā)法(Rutter et al.，2011)相比，不僅降低了試驗成本、節(jié)省了資金、提高了試驗效率，更重要的是能夠高效的達到背景大氣汞濃度條件。該系統(tǒng)巧妙地運用汞同位素添加示蹤技術(shù)，為探討大氣-植被-土壤界面汞遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律提供了新的方法，通過將來的進一步試驗，將會為植被是大氣汞的源還是汞匯這一科學(xué)問題提供直接證據(jù)。【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是設(shè)定濃度為2.5ng m_3時產(chǎn)生氣體的2tl2Hg0 (汞同位素202)濃度；
[0024]圖3是設(shè)定濃度為6.5ng m_3時產(chǎn)生氣體的2tl2Hg0 (汞同位素202)濃度；
[0025]圖4是設(shè)定濃度為10.5ng m-3時產(chǎn)生氣體的2tl2Hg0 (汞同位素202)濃度；
[0026]圖5是蠕動泵的進樣流速與2°2Hg°濃度的關(guān)系。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細地說明。
[0028]1 原理
[0029]如圖1所示，一種單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，由汞蒸氣發(fā)生器、大氣汞與植物交換系統(tǒng)、大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)三部分組成；
[0030]所述汞蒸氣發(fā)生器由311(:12溶液入口 U2tl2H2+溶液入口 2、真空泵3、零氣進口 4、活性炭柱5、排廢液口 6、氣液分離器7、Sodalime干燥管8依次連接而成；汞蒸氣發(fā)生器的功能是產(chǎn)生單一汞同位素大氣，SnCl2溶液、2tl2Hg2+溶液進入到氣液分離器7里面，與此同時零氣從氣液分離器7的另一端口進入，SnCl2溶液、2tl2Hg2+溶液、零氣在氣液分離器7中均勻混合反應(yīng)后，進入到后續(xù)大氣汞與植物交換系統(tǒng)和大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)。
[0031]大氣汞與植物交換系統(tǒng)由特氟龍管9、玻璃罩10、植物U、硼硅玻璃氣泡瓶12、轉(zhuǎn)子流量計13依次連接而成；該系統(tǒng)的功能是讓單一汞同位素大氣與植物充分作用反應(yīng)，各組成部分的連接方式和位置關(guān)系如附圖中序號從小到大依次連接，即:圖中特氟龍管9的一個分支將氣體通入到裝有植物11的玻璃罩10中，植物11與氣體充分反應(yīng)，反應(yīng)之后的尾氣進入硼硅玻璃氣泡瓶12，將尾氣吸收，轉(zhuǎn)子流量計13的作用是時時監(jiān)測整個系統(tǒng)中氣體的流速。
[0032]大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)包括Tekran2537A大氣中超痕量汞分析儀14，該系統(tǒng)的功能是測量整個系統(tǒng)中單一汞同位素大氣的濃度，并且驗證汞蒸氣發(fā)生器工作的穩(wěn)定性，即:圖中特氟龍管9的另一個分支將氣體引入Tekran2537A大氣中超痕量汞分析儀14，Tekran2537A大氣中超痕量汞分析儀14測量單一汞同位素大氣的濃度。
[0033]所述真空泵3美國Gast公司生產(chǎn)，型號:D0A-P504_BN。所述氣液分離器7的材質(zhì)為硼硅玻璃管，尺寸為:內(nèi)直徑1.5cm，高18cm。所述特氟龍管9的尺寸為1/4英寸。所述玻璃罩10為帶有進氣口和出氣口的硼硅玻璃通量罩。所述轉(zhuǎn)子流量計13最大量程為lOLmirT1。所述Tekran2537A大氣中超痕量萊分析儀14米樣時間設(shè)定為每五分鐘一次。所述SnCl2溶液濃度為20%。
[0034]汞蒸氣發(fā)生器主要由蠕動泵和氣液分離器組成。其原理是:蠕動泵將分別裝在兩個采樣瓶中的xxxHg2+溶液(本試驗以2tl2Hg2+為例)與SnCl2溶液按穩(wěn)定流速載入氣液分離器中，使其充分混合反應(yīng)，SnCl2溶液將2tl2Hg2+溶液還原生成2°2Hg°氣體，反應(yīng)后的廢液由氣液分離器下端廢液口排出。氣液分離器的另一端口連接真空泵作為整個系統(tǒng)氣流的推動力，以恒定的氣體流速(xL mirT1)向氣液分離器中吹入“零氣”(零氣是經(jīng)過活性炭柱過濾后的無汞空氣，其流量大小可根據(jù)需要調(diào)節(jié))，吹入的“零氣”與2°2Hg°氣體充分均勻混合，真空泵持續(xù)推動穩(wěn)定濃度的同位素汞蒸氣(2°2Hg°)進入特氟龍管道。進入管道后，汞蒸氣經(jīng)過特氟龍三通并聯(lián)分流，一部分進入大氣汞同位素在線檢測系統(tǒng)，通過測量同位素汞蒸氣(202Hg0)的濃度，驗證汞蒸氣發(fā)生器工作的穩(wěn)定性。其中，在線檢測系統(tǒng)采用美國Tekran公司生產(chǎn)的Tekran2537A大氣中超痕量萊分析儀(米樣時間設(shè)定為每五分鐘一次)。另一部分進入裝有植物的硼硅玻璃通量罩內(nèi)(中心開孔的玻璃片將植物的地上部分與土壤隔開，將通量罩放置在玻璃片上罩住植物，用玻璃膠密封玻璃罩與玻璃片接觸的邊緣，使得植物的地上部分與土壤、大氣隔絕)，同位素汞蒸氣(2°2Hg°)與植物充分作用后，其尾氣通過裝有濃H2SO4 (10% )+KMnO4(0.5% )混合吸收液的氣泡瓶進行氧化吸收，在高錳酸鉀氣泡瓶的出口處連接轉(zhuǎn)子流量計，實時監(jiān)測整個系統(tǒng)中氣體流量。
[0035]2材料與裝置
[0036]2.1試驗材料
[0037]100mL硼娃玻璃采樣瓶(2個)；四通道螺動泵(美國Coleparmer公司生產(chǎn),型號:78017-20，流速:0.003-21ml mirT1);真空泵(美國 Gast 公司生產(chǎn)，型號:D0A-P504-BN);氣液分離器(硼硅玻璃，管內(nèi)直徑1.5cm，高18cm);特氟龍管(1/4英寸，1/8英寸)；Sodalime干燥管；三通閥(美國Swagelok公司生產(chǎn)，型號:PFA_420_3);轉(zhuǎn)子流量計(最大量程為IOLmirT1);帶有進氣口和出氣口的硼硅玻璃通量罩；硼硅玻璃氣泡瓶若干(1.5L)。
[0038]2.2試驗試劑
[0039]SnCl2 溶液(20% ) ；202Hg2"溶液；濃 H2SO4 (10% ) +KMnO4 (0.5% )吸收液。
[0040]3試驗與結(jié)果
[0041]3.1同位素汞蒸氣(2tl2Hgt1)的濃度水平與穩(wěn)定性
[0042]根據(jù)試驗所需的同位素汞蒸氣(2°2Hg°)濃度，配置一定量2tl2Hg2+溶液的濃度、調(diào)節(jié)蠕動泵進樣的流速及真空泵載入零氣的流速。汞蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生的同位素汞蒸氣濃度由Tekran2537A進行在線檢測，其理論目標(biāo)濃度為Cm2Hg() (ng m_3)，計算公示如下:
【權(quán)利要求】
1.一種單一萊同位素大氣發(fā)生系統(tǒng),其特征在于，由萊蒸氣發(fā)生器、大氣萊與植物交換系統(tǒng)、大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)三部分組成； 所述汞蒸氣發(fā)生器由SnCl2溶液入口(l)、2°2Hg2+溶液入口(2)、真空泵(3)、零氣進口(4)、活性炭柱(5)、排廢液口 (6)、氣液分離器(7)、Sodalime干燥管(8)依次連接而成； 大氣汞與植物交換系統(tǒng)由特氟龍管(9)、玻璃罩(10)、植物(11)、硼硅玻璃氣泡瓶(12)、轉(zhuǎn)子流量計(13)依次連接而成； 大氣汞同位素濃度在線檢測系統(tǒng)包括Tekran2537A大氣中超痕量汞分析儀(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述真空泵(3)美國Gast公司生產(chǎn)，型號:D0A-P504-BN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述氣液分離器(7)的材質(zhì)為硼硅玻璃管，尺寸為:內(nèi)直徑1.5cm，高18cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述特氟龍管(9)的尺寸為1/4英寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述玻璃罩(10)為帶有進氣口和出氣口的硼硅玻璃通量罩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子流量計(13)最大量程為IOLmirT1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述Tekran2537A大氣中超痕量汞分析儀(14)采樣時間設(shè)定為每五分鐘一次。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述硼硅玻璃氣泡瓶(12)的容積為1.5L。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述硼硅玻璃氣泡瓶(12)內(nèi)盛有濃度為10%的濃H2SO4和濃度為0.5%的KMnO4組成的吸收液。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單一汞同位素大氣發(fā)生系統(tǒng)，其特征在于，所述SnCl2溶液濃度為20%。
【文檔編號】B01J7/00GK103894116SQ201410128784
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】馮新斌, 顏子云, 王衡 申請人:中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所