[发明专利]一种用于原位核磁共振检测甲烷和水吸附状态的装置及方法

权利要求书

1.一种用于原位核磁共振检测甲烷和水吸附状态的装置，其特征在于：包括超极化氙气路、甲烷气路、混气装置、样品管和核磁共振谱仪，所述超极化氙气路包括超极化氙气源（1）、与超极化氙气源（1）相连的第一减压阀（2）、与第一减压阀（2）出口连接的超极化氙发生装置（3）、对超极化氙发生装置（3）出口气体进行降温的冷凝器（4）、进气后一端放空另一端预备混气的第一三通阀（5）；所述甲烷气路包括甲烷气源（6）、与甲烷气源（6）依次相连的第二减压阀（7）、脱水管（8）、质量流量计（9）、四通阀（10）、装有水的鼓泡器（11）、进气后一端放空另一端预备混气的第二三通阀（12），四通阀（10）中一个接口接质量流量计（9），一侧相邻的两个接口依次与鼓泡器（11）的进气口和出气口相连，剩余的第四个接口连第二三通阀（12）的进气口；所述混气装置为两端分别与第一三通阀（5）和第二三通阀（12）相连的混合阀（13）；所述样品管为内管（14）和外管（15）组成的双层玻璃套管，内管（14）两端开口，外管（15）为商品化标准5mm液体核磁管，超极化氙、甲烷和水从混合阀（13）引入并由内管（14）顶端进入样品（16），所述核磁共振谱仪连续轮流采集样品的氙谱和氢谱。

2.根据权利要求1所述的一种用于原位核磁共振检测甲烷和水吸附状态的装置，其特征在于：所述第一三通阀（5）、混合阀（13）、内管（14）、外管（15）以及连接以上各部件的管线需经过硅烷化处理，减少表面羟基，以减弱超极化氙气体极化度的降低。

3.一种用于原位核磁共振检测甲烷和水吸附状态的方法，其特征在于：所用到的装置为权利要求1或2中所述的装置，具体操作步骤如下：

步骤1：制样、装样

样品（16）在使用前，需经压片造粒，于120℃以上动态真空脱水过夜；开始实验时，先打开超极化氙气源（1），气体经第一减压阀（2）降压后进入超极化氙发生装置（3），设置超极化氙的流速为120~200 sccm，出口气体经冷凝器（4）降温后再由第一三通阀（5）控制着经混合阀（13）流出管线；处理好的样品（16）在惰性气体手套箱中转移至内管（14），下方堵住，将内管（14）密封后取出手套箱，连接至混合阀（13）时即有超极化氙气体进行气氛保护；

步骤2：干燥样品吸水过程的状态监测

吸水前，先采集超极化氙核磁共振谱记录新鲜样品的孔道状态；之后打开甲烷气源（6），气体经第二减压阀（7）降压后进入脱水管（8），以去除可能含有的水分，经质量流量计（9）确定流速后，控制四通阀（10）至甲烷进鼓泡器（11）状态，将第二三通阀（12）切至放空状态，以排尽甲烷气路中的空气；开始吸水时切换第二三通阀（12）将携带水分的甲烷气体经混合阀（13）引入样品（16），并将第一三通阀（5）切换到放空状态，开始氢谱的检测，氢谱采集结束后开始氙谱的采集，此时需将第一三通阀（5）切换至连通状态；氢谱和氙谱被连续轮流采集，第一三通阀（5）在采集氙谱时始终为连通状态，而在采集氢谱时则为放空状态，因而每次采集氢谱的时间段里水分都被甲烷携带着进入样品（16），水含量逐渐增加；该过程一直持续至氙谱不再发生变化；

步骤3：吸水样品脱水过程的状态监测

开始脱水时，控制四通阀（10）至甲烷不进鼓泡器状态，以停止向样品（16）中通入水，将第一三通阀（5）打开至连通的状态，引入持续的超极化氙气体，随后不切换阀门，同样进行氙谱和氢谱的连续轮流采样；由于超极化氙气体的吹扫，样品（16）的水含量不断减少，氙谱和氢谱的采集可以记录脱水过程中孔道、甲烷以及水的动态变化；该过程一直持续至氙谱不再发生变化。

4.根据权利要求3所述的一种用于原位核磁共振检测甲烷和水吸附状态的方法，其特征在于：所述氢谱采集应设置空采次数32~256和脉冲延迟1~5 s，采谱总时间即为吸水时通入水分的时间或者脱水时超极化氙气体吹扫的时间，这样的设定有利于自动记录实验时间。

5.根据权利要求3所述的一种用于原位核磁共振检测甲烷和水吸附状态的方法，其特征在于：所述步骤3中，连续轮流采样应事先设置好采样程序，实验时可在谱图切换时只进行阀门操作。