[发明专利]一种基于液相响应速度增强策略的水下溶解CO2

说明书

本发明涉及探测设备技术领域，具体涉及一种基于液相响应速度增强策略的水下溶解CO₂原位传感器。该系统中液相响应速度增强策略包括设计具有最小化内部容积且气体阻力的光学气室、采用深海涡轮泵对膜湿侧进行持续定量冲刷的方式、以及采用膜两侧高分压差和高气压差的策略；光学气室采用空芯光纤设计，以作为光与物质相互作用的场所。基于液相响应速度增强策略的具有秒级液相响应速度的水下溶解CO₂原位传感器，分别在增大膜湿侧溶解气体分子通量、增强膜渗透效率和削弱记忆效应三个方面，以该策略为基础，研制一套具有秒级液相响应速度的水下溶解CO₂原位传感器，本发明通过使用强弱吸收线相配合以及载气稀释的方法实现大动态探测范围和高精度。

技术领域

本发明涉及探测设备技术领域，尤其涉及一种基于液相响应速度增强策略的水下溶解CO₂原位传感器，具体为一种面向水下移动探测的超快响应高精度溶解CO₂原位传感器。

背景技术

基于水下运载器对热液和冷泉羽状流进行溶解气体的原位探测在生物地球化学领域具有重大意义。目前，针对深海冷泉热液的探测只能依靠水下运载器进行原位移动探测或者使用采水器进行采样、实验室分析两种方式。冷泉、热液海区海水溶解CO₂浓度的动态变化范围可从10²ppmv到10⁴ppmv量级，且羽状流与周围海水具有剧烈变化的浓度边界。浓度变化范围大，空间变化剧烈，以及水下移动探测的方式对传感器的探测性能提出了巨大挑战，要求传感器需要具有快速响应能力，且可以在保证高探测精度的同时具有较大的动态测量范围。目前已报道的原位CO₂传感器在响应速度、探测精度和动态探测范围等方面难以满足要求。

首先，现有传感器的响应速度无法满足水下移动探测的要求，无法对海洋的快速响应做出有效刻画。目前，已报道的原位气体传感器多是基于渗透膜脱气技术，具有数分钟量级的液相响应速度。这在基于水下运载器的深海原位探测中是不利的，将导致获得的原位数据的数据点密度和时空分辨率过低。而且这种影响在水下移动探测时会更加明显，具有欠采样的潜在风险。总体上，渗透膜的脱气效率较低和探测气室内气体样本交换不充分是导致系统液相响应速度过慢的决定原因。

一方面，探测气室的内部容积、额外的“死区”体积(存在但是不参与光与物质的相互作用，包括进出气孔和缓冲池)以及气路部分的气体阻力会对气体样本在气路中的交换起到阻滞作用，造成光路中气体样本交换效率过慢和不充分。三者由传感器气路结构决定，共同作用下引起了气路部分的“记忆效应”，对传感器的气相响应起到了消极作用。

另一方面，渗透膜(膜间)的脱气效率过低和膜湿侧溶解气体通量不足综合导致了系统的采样能力的不足，导致传感器液相响应速度过慢。

前者是由膜脱气技术的机理决定的。渗透膜脱气基于经典的自由扩散膜传质方式(组分从高化学位向低化学位的被动传递)。这种方式在原位探测中可以实现分离气体的精确探测，但代价是更长的响应时间(通常在十分钟量级，难以满足深海移动探测的要求)。所有基于渗透膜的原位气体传感器的响应速度都很大程度上受制于气液两相间缓慢的膜间传质过程。

后者是由膜湿侧水样的流速和工作方向决定的。一般地，更高的流速意味着更大膜湿侧更大的溶解气体通量，意味着更大的膜间传质系数，但在一些情况下可能出现的膜湿侧“浓差极化现象”会阻碍气体分子的快速传输。综合以上两个方面：采样部分的脱气能力对系统液相响应速度的限制占据主要地位，但是在该部分被大幅改善后，气路部分的“记忆效应”将逐渐取代系统脱气能力的限制成为主要控制因素。

其次，对于传感器，较高的探测灵敏度和较大的动态测量范围是相互矛盾的两个参数，二者很难兼得。系统在保证高探测精度的参数下，当浓度较高时往往会出现吸收饱和现象，难以实现较大的动态探测范围。

发明内容