[发明专利]基于光子晶体光纤的海底溶解CO2气体检测方法及系统

说明书

一种基于光子晶体光纤的海底溶解CO₂气体检测方法及系统。其方法包括以下步骤：（1）使海水中的气体与海水分离开；（2）判断待测气体的种类和浓度；（3）得到与被测气体CO₂浓度成正比的纯净的有用信号，以此来表征CO₂浓度信息。其系统包括采样装置、激光器、分束器、测量光路和参考光路；采样装置与测量光路连接；激光器与激光驱动器连接，激光器的出光端设置有分束器，分束器的输出光通过单模光纤连接测量光路和参考光路。本发明通过对周围海水中CO₂的含量的实时监测，确保海底CO₂泄漏时能被立即检测出来，解决了海水中溶解CO₂的分离及测量精度达不到要求的问题。

技术领域

本发明涉及一种用于海底溶解CO₂气体检测的方法，属于海底溶解CO₂检测技术领域。

背景技术

近些年来，由于工业化进程的不断推进，大量化石燃料被使用，使大气中的二氧化碳的含量急剧上升，导致温室效应加剧，对生态环境和人们的生存环境产生了深远的影响。长期以来，全球大约有50％的二氧化碳存在于海洋中，占地球表面积超过三分之二的海洋俨然已经成为陆地与海洋之间的进行碳循环的一个重要组成部分，在维持着地球的碳平衡方面有着不可或缺的作用。但由于近些年二氧化碳增长量过快，导致海洋不能及时进行转化，海洋与陆地之间的碳循环失衡，以至于大气中存在着过量的二氧化碳。

随着全球气候变暖温室效应的日益凸显，二氧化碳的减排已经成为一个焦点问题，国际上对富余的二氧化碳主要采取捕获与封存(Carbon Dioxide Capture andStorage,CCS)技术。目前，人类对海底石油，煤的开采，导致出现了一些海底空腔，而捕获到的二氧化碳正是通过海洋深层巨大的压力封存于这些空腔中。这理论上在一定程度上减小了大气中二氧化碳的含量，并且保存的时间还比较长久。目前，国际上已经开展了此类的研究，挪威国家石油公司通过用醇胺溶剂从天然气吸收二氧化碳，然后回注钻孔封存于海床下。美国也进行了CCS相关研究，截止到2005年，已经开展25个二氧化碳地下构造注入、储存、监测的外场实验，并且已经进入验证阶段。中国在“十一五”期间也开展了CCS的相关研发与验证工作。

二氧化碳被封存于海底，还要考虑二氧化碳的泄露问题，二氧化碳的泄露会造成许多危害。溶解的二氧化碳(dCO₂)会与水反应形成弱酸，使海水的PH下降，导致的一些生物不适应环境的变化，形成大范围的死亡。同时，海洋里面许多软体动物的外壳主要为碳酸钙，它会与海水中dCO₂形成的弱酸反应，使动物外壳变薄，甚至死亡。这些在不同食物链位置的生物的减少，会使食物链出现断层，导致以此为食物的高等级鱼类减少，进而导致海洋食物链的失衡。所以，对于封存于海底的CO₂，要使用一些有效的手段，实时准确的监测其是否出现泄漏等状况。

目前，国际上存在了许多在海水中检测二氧化碳含量的方法。其中包括现场采样法，电化学传感器测量法，光纤化学传感器测量法，红外光谱测量法，基于光子晶体的慢光波导测量法等。

1.现场采样法

现场采样法主要是通过在所测地点随机采样部分海水，然后带入实验室进行分析，测量PH值，碱度等参数。其主要的实现监测CO₂含量的方法是基于实验室的基础上的，所以在测量精度上能达到符合要求的水平，但其本身却存在着一些局限性，例如由于海水中CO₂浓度会随着季节、环境、深海压力等变化而变化，所以需要连续性进行测量，而现场采样方法，只是针对于某一个时间点上CO₂的浓度测量非常准确，但却是离散的。同时，采样的海水也会在运送过程中出现CO₂的流失的现象，所以，也会在一定程度上影响准确性。

2.电化学传感器测量法