應(yīng)用案例
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研究背景
海水中溶解二氧化碳的濃度影響海底生物成因礦物的形成,控制海洋生物的發(fā)育和演化,是海洋環(huán)境和地質(zhì)調(diào)查中最重要的指標(biāo)之一。底層海水中游離二氧化碳的濃度對(duì)于海底礦產(chǎn)勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底沉積物中碳循環(huán)乃至全球碳循環(huán)的研究都具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。采用滴定法測(cè)定該指標(biāo),其范圍在 4 mg/L 至 400 mg/L 之間。但部分海域底部海水游離二氧化碳濃度低于此范圍,因此滴定可能不合適。一種測(cè)定海水中游離二氧化碳的方法被提出,名稱(chēng)為DBS/Henry's Law。DBS/亨利定律間接測(cè)定海水中游離二氧化碳的含量,而不是直接用試劑滴定。它簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確,基于質(zhì)量守恒定律/亨利定律和CO2溶解機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)主要為海水中痕量游離二氧化碳濃度的測(cè)定提供了新的科學(xué)視角。
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方法介紹
海水中二氧化碳的溶解過(guò)程復(fù)雜,不僅涉及氣體溶解的物理變化,還包括一系列化學(xué)反應(yīng)。溶解的二氧化碳在海水中以CO2、H2CO3、HCO3? 和 CO32? 四種形式存在,它們的濃度總和即為總二氧化碳(TCO2)。利用差平衡系統(tǒng)(D.B.S)和亨利定律(Henry’s Law)來(lái)間接測(cè)定海水中游離二氧化碳的濃度。通過(guò)測(cè)定封閉平衡系統(tǒng)中的二氧化碳亨利定律常數(shù)和原始系統(tǒng)中總二氧化碳的初始值,計(jì)算液相中的游離二氧化碳濃度。
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實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)包括氣源、真空系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和分析單元。使用恒溫振蕩器和校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器等設(shè)備,確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程:1、氣源 → 2、原液桶 → 3、真空系統(tǒng)-真空泵 → 4、真空系統(tǒng)-防水錐形瓶 → 5、平衡系統(tǒng)-校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器 → 6-1、平衡系統(tǒng)-恒溫振蕩器 → 6-2、平衡系統(tǒng)-恒溫振蕩器控制器 → 7、分析單元—二氧化碳分析儀(Picarro G2131-i)8、振蕩器。
*實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程示意圖
氣源 (①):實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣體來(lái)源,主要包括高純度的氬氣和二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體。
儲(chǔ)液桶 (②):用于準(zhǔn)備、存放和轉(zhuǎn)移人工海水的容器,容量為20升,能承受高達(dá)10大氣壓的壓力。
真空系統(tǒng):
真空泵 (③):用于抽真空,使系統(tǒng)達(dá)到所需的真空度。
防水錐形瓶 (④):可能用于收集或處理氣體,通常在真空系統(tǒng)中使用。
平衡系統(tǒng):
校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器 (⑤):作為封閉系統(tǒng)的主要部分,是氣體和液體共存的空間,通過(guò)控制閥和管線(xiàn)與傳輸氣袋連接,用于在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)等壓條件下的氣體頭空間轉(zhuǎn)移。
恒溫振蕩器 (⑥-1):用于保持系統(tǒng)恒溫并促進(jìn)氣液充分混合,可以快速達(dá)到氣液平衡狀態(tài),最多可同時(shí)容納四個(gè)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器。
恒溫振蕩器控制器 (⑥-2):控制恒溫振蕩器的工作,包括溫度和振蕩頻率等。
分析單元 (⑦):由Picarro G2131-i分析儀、真空泵、連接管線(xiàn)、控制閥等組成。通過(guò)將Picarro G2131-i分析儀的入口連接到校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器的氣體出口,可以實(shí)時(shí)測(cè)定頭空間氣體中二氧化碳的濃度。
*平衡系統(tǒng)中混合氣體中二氧化碳的測(cè)試曲線(xiàn)
振蕩器 (⑧):用于保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的振蕩動(dòng)作。
實(shí)驗(yàn)材料與試劑:使用實(shí)驗(yàn)室配制的人工海水、高純度氬氣和二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體。
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結(jié)果與討論
實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溫度(3-20°C)和不同鹽度(32、33、34和35‰)條件下人工海水中二氧化碳的亨利定律常數(shù)。展示了不同條件下的亨利定律常數(shù)值(單位為kPa)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表:
該方法可以作為現(xiàn)有國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法的補(bǔ)充,具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
原文鏈接:
Sustainability | Free Full-Text | Determination of Concentration of Free Carbon Dioxide in Artificial Seawater by Difference Balance System/Henry’s Law (mdpi.com)
如果希望進(jìn)一步了解以上案例的儀器信息以及更多的應(yīng)用方向,歡迎與我們聯(lián)系討論。