[实用新型]一种用于稳定同位素检测的天然气中痕量烃类富集装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于稳定同位素检测的天然气中痕量烃类富集装置，属于分析化学领域。

背景技术

天然气的元素组成相对单一，其碳、氢同位素组成研究对其示踪研究的意义显得尤为重要，天然气的稳定同位素研究已经成为气源对比研究的必要手段。然而，在部分特殊的天然气样品中，由于各种地质因素导致烃类气体组分的含量很低，不能满足稳定同位素质谱的检测限要求，难以获取这些组分的稳定同位素信息，限制了稳定同位素技术在油气勘探中的应用。要对这种痕量烃类的稳定同位素进行分析，必须首先对其进行有效富集。

目前，国内外对以上几种类型的低浓度烃类的富集及检测技术主要有两种：

1)离线预富集-稳定同位素检测技术。该技术用来分析单个气体组分同位素的方法(Craig,1957)。具体步骤为：将天然气在气相色谱仪(GC)中分离出CH₄、C₂H₆、C₃H₈等单组分；将甲烷及其同系物逐个在高温下的过量氧气中燃烧为CO₂和H₂O；用玻璃管逐个收集各组分产生的CO₂或H₂O；进行碳同位素测试时，将盛CO₂玻璃管与同位素质谱计(IRMS)联接，进行碳同位素测试。进行氢同位素测试时，将盛H₂O的玻璃管在高温下用锌、铀或者镉还原法制备成H₂，将盛经过还原后的样品瓶与同位素质谱计(IRMS)联接，进行氢同位素测试。该技术自1950年以来，其基本设计没有显著改变，其重要的优点是碳同位素测量精度高达0.01‰。然而，这项技术由于操作繁琐、效率不高，已不用于日常分析，但仍被经常用来作为标准对该类新技术的准确性进行检验(McCauley,1999)。

2)在线冷阱富集-稳定同位素检测技术。这类技术被应用到地质包裹体、大气、冰心、深海热液等微量烃类气体的同位素分析中。这些装置为低浓度烃类的稳定同位素研究提供基本手段，由于富集对象的不同，使得在线冷阱富集装置中进样、富集冷阱等部分存在差异，富集装置各具特色，但准确性、实用性等方面仍存在一些不足。

Tsunogai等学者(Tsunogai,et al.,1998,2000)在对大气中甲烷和深海热液中甲烷的稳定碳同位素研究时，设计了大致相似的在线甲烷富集系统。该装置由3个冷阱、2个色谱柱、1个六通阀组成。该装置手动操作部件多，操作繁琐，冷阱控制温度困难；唐俊红等(2006)借鉴Tsunogai等学者的思路，对其构件进行了简化，仅采用1个冷阱，但其手动阀门部件仍然较多，操作复杂，且仅有一级冷阱对气体中的甲烷等烃类进行富集，这将直接导致色谱中的气样将会持续进入，造成目标组分的峰拖尾明显，测得数据的准确性差。

Rice等学者(Rice,et al.,2001)设计和使用了另一种相似的富集装置。该装置由2个六通阀和2个冷阱组成。通过“六通阀”对甲烷预富集，“冷阱”对甲烷再次聚集，多位阀切换技术实现了对大气中甲烷的碳、氢同位素分析，但该装置有其缺点：1、由于使用了定量管，限制了进样量，对其他类似样品的分析存在局限性；2、该装置同时有“六通阀”和“冷阱”两个冷阱端元，分别用作初次富集和再次富集优化峰形，但设计存在缺陷，这是由于从“六通阀”流出的烃类，如果没有被“冷阱”完全富集住的话，则有微量的、未被冻住的烃类会持续的流进色谱柱，造成色谱柱中会存在高的背景值，直接导致检测值的准确性变差。

Allen和Stephanie(Allen,Stephanie 2003)使用预富集装置连接稳定同位素质谱研究大气中挥发组分的碳同位素组成。该富集装置由样品罐、隔膜真空泵、电磁流量控制器、2个除水和CO₂阱、两级低温富集单元组成，通过一个气体六通阀连接至色谱-燃烧炉-稳定同位素质谱进行检测。其采用隔膜真空泵抽真空的方式促使样品气流经预富集冷阱，这会造成富集冷阱中形成一定的负压，这对于高度挥发性的低分子烃类的富集极为不利。此外，其手动部件虽然相对其他装置有了大幅精简，但仍显得过于繁琐。上述几种富集装置部件多，且多需手动操作，难以实现各个动作的精准控制，由此会造成不同组测试结果的可比性差，这也是上述装置最大的缺点之一。