等氣體原位測(cè)試的水下氣相色譜系統(tǒng)及其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣相色譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)海水中H2XH4等氣體原位測(cè)試的水下氣相色譜系統(tǒng)及其操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海底熱液活動(dòng)會(huì)噴出大量的CH4、H2、C02等氣體，天然氣水合物的擾動(dòng)分解也會(huì)釋放出大量的CH4等烴類(lèi)氣體，從而導(dǎo)致海水中這些示蹤性氣體出現(xiàn)異常高含量分布。通過(guò)快速探測(cè)和追蹤這些示蹤性氣體的異常分布特征，可為尋找和合理評(píng)價(jià)海底熱液硫化物和天然氣水合物等資源提供快速而有效的科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，海洋中CH4、HdPC02等氣體還是生物重要的能量來(lái)源，其含量等變化特征是追索海洋物理、化學(xué)和生物過(guò)程變化的有效示蹤劑，是研究海洋生物地球化學(xué)循環(huán)及全球氣候環(huán)境演變過(guò)程的重要信息載體。
[0003]從當(dāng)前深海氣體的測(cè)試方法看，多采用船載系統(tǒng)采樣后再進(jìn)行分析的方法，目前能夠在深海高壓環(huán)境下進(jìn)行氣體原位探測(cè)的裝置很少，較為成熟的是一些傳感器技術(shù)，而作為氣體測(cè)試的重要手段-氣相色譜技術(shù)目前尚未實(shí)現(xiàn)水下原位探測(cè)。
[0004]本發(fā)明將氣相色譜技術(shù)應(yīng)用于海底，使用膜分離技術(shù)分離提取海水中的氣體組分，采用高靈敏度的PDHID檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)海水中H2、CH4等溶解性氣體的原位檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種水下溶解性氣體的原位測(cè)試系統(tǒng)及其操作方法，將氣相色譜技術(shù)應(yīng)用于水下，使用膜分離技術(shù)分離提取海水中的氣體組分，采用TOHID檢測(cè)器在水下原位準(zhǔn)確檢測(cè)海水中H2、CH4等氣體的含量。測(cè)試系統(tǒng)使用外界電源供電，可與水下遙控機(jī)器人ROV或載人潛水器HOV配套作業(yè)，還可根據(jù)需要與海底觀測(cè)網(wǎng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期原位觀測(cè)。
[0006]本發(fā)明提出的一種可實(shí)現(xiàn)海水中H2XH4等氣體原位測(cè)試的水下氣相色譜系統(tǒng)，包括海水自動(dòng)進(jìn)樣及氣體膜提取單元、多組分氣體自動(dòng)檢測(cè)和自校正單元以及廢氣回收單元，其中:多組分氣體自動(dòng)檢測(cè)和自校正單元、廢氣回收單元均封裝于高壓密封儀器艙中，海水自動(dòng)進(jìn)樣及氣體膜提取單元安裝于儀器艙端蓋上；
海水自動(dòng)進(jìn)樣及氣體膜提取單元由進(jìn)水過(guò)濾器1、膜進(jìn)樣裝置、水栗3、出水過(guò)濾器4組成，膜進(jìn)樣裝置內(nèi)設(shè)有海水樣品倉(cāng)2和氣體倉(cāng)6，海水樣品倉(cāng)2和氣體倉(cāng)6之間設(shè)置半透膜5，所述半透膜5為透氣不透水的膜，通過(guò)耐壓封裝，可自動(dòng)將海水樣品倉(cāng)2中的氣體分離提取到氣體倉(cāng)6中；進(jìn)水過(guò)濾器I通過(guò)管道連接海水樣品倉(cāng)2，海水樣品倉(cāng)2通過(guò)管道和水栗3連接出水過(guò)濾器4;
多組分氣體自動(dòng)檢測(cè)和自校正單元包括進(jìn)樣模塊、色譜柱和柱箱24a、脈沖氦離子化檢測(cè)器24b、減壓閥15、標(biāo)氣瓶16、氣體凈化器17和載氣瓶18，其中:進(jìn)樣模塊由第一電磁閥7、防漏閥8、漏水檢測(cè)傳感器9、注射栗19、兩位六通膜閥10、定量環(huán)12和多流路選擇膜閥13組成;氣體倉(cāng)6通過(guò)管道和防漏閥8連接漏水檢測(cè)傳感器9，漏水檢測(cè)傳感器9通過(guò)管道連接兩位六通膜閥10的3口，兩位六通膜閥10的2口通過(guò)管道連接多流路選擇膜閥13的C 口，兩位六通膜閥10的I 口通過(guò)管道連接色譜柱和柱箱24a，兩位六通膜閥10的4 口通過(guò)管道連接氣體凈化器17，氣體凈化器17通過(guò)管道和閥門(mén)連接載氣瓶18;兩位六通膜閥10依次通過(guò)第二電磁閥11、減壓閥15和管道連接標(biāo)氣瓶16;多流路選擇膜閥13的4 口通過(guò)管道和減壓閥15和管道連接標(biāo)氣瓶16;多流路選擇膜閥13的2 口通過(guò)管道連接注射栗19，多流路選擇膜閥13的3 口通過(guò)管道連接氣體凈化器17，多流路選擇膜閥13的P 口通過(guò)管道連接兩位六通膜閥10，定量環(huán)12位于兩位六通膜閥10上;脈沖氦離子化檢測(cè)器24b連接第四電磁閥14b;
廢氣回收單元由廢氣栗20a、壓力傳感器20b、第一兩位二通閥21a、第二兩位二通閥21b、單向閥22和廢氣瓶23組成，壓力傳感器20b連接廢氣栗20a，廢氣栗20a的出氣口分為兩路，一路通過(guò)管道連接第一兩位二通閥21a，另一路通過(guò)管道連接第二兩位二通閥21b，第二兩位二通閥21b通過(guò)單向閥22和管道連接廢氣瓶23。
[0007]第一電磁閥7、防漏閥8、漏水檢測(cè)傳感器9、兩位六通膜閥10、第二電磁閥11、定量環(huán)12、多流路選擇膜閥13、第三電磁閥、第四電磁閥、減壓閥15、標(biāo)氣瓶16、氣體凈化器17、載氣瓶18、注射栗19、廢氣栗20a、壓力傳感器20b、第一兩位二通閥21a、第二兩位二通閥21b、單向閥22、廢氣瓶23，24a為色譜柱和柱箱24a、脈沖氦離子化檢測(cè)器24b分別連接中央控制單元25。
[0008]本發(fā)明中，載氣為高純氦氣，從載氣瓶18流經(jīng)氣體氣體凈化器17后得到99.9999%的高純氦氣;標(biāo)氣瓶底氣為高純氦氣，提供一定濃度的H2、CH4等混合標(biāo)準(zhǔn)氣體。
[0009]本發(fā)明中，為防止環(huán)境中的氣體對(duì)膜閥造成污染，兩位六通膜閥10和多流路選擇膜閥13均為帶自吹掃功能的膜閥，吹掃氣為99.9999%的高純氦氣，驅(qū)動(dòng)氣則為標(biāo)氣瓶中的標(biāo)準(zhǔn)氣體。
[0010]本發(fā)明中，一旦漏水檢測(cè)傳感器9檢測(cè)到漏水，截止閥8立刻處于斷開(kāi)狀態(tài)，防止海水泄露進(jìn)入儀器艙;喚醒過(guò)程中，系統(tǒng)檢測(cè)到壓力過(guò)高，則廢氣栗20a立即工作，將廢氣抽出到廢氣瓶23中。
[0011]本發(fā)明提出的水下氣相色譜系統(tǒng)在電源通電后系統(tǒng)的操作方法，當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，5A分子篩柱24a流量為50ml/min，30°C/min升溫至180°C，保持2小時(shí)，降至60°C，保持不變。PDHID24b迅速升溫到150 V，保持不變。具體工作流程包括:①喚醒、②清洗、③標(biāo)定氣體或者提取膜分離氣體、④測(cè)試、⑤自校正、⑥待機(jī)；
①喚醒:喚醒系統(tǒng)，壓力傳感器20b對(duì)環(huán)境壓力進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)高于I.2bar時(shí)，廢氣栗20a啟動(dòng)工作，第一兩位二通閥21a打開(kāi)，以緩解壓力對(duì)廢氣栗20a啟動(dòng)瞬間的沖擊，隨后，關(guān)閉第一兩位二通閥21a，打開(kāi)第二兩位二通閥21b，廢氣通過(guò)第二兩位二通閥21b和單向閥22排出，進(jìn)入廢氣瓶23中，直到艙體內(nèi)壓力重新回到Ibar，廢氣栗20a停止工作；
當(dāng)系統(tǒng)環(huán)境壓力檢測(cè)正常后，第三電磁閥14a和第四電磁閥14b打開(kāi)，載氣瓶18中的氦氣經(jīng)氣體凈化器17凈化后變?yōu)?9.9999%的高純氦氣，高純氦氣分成兩路:一路通過(guò)電磁閥14a對(duì)兩位六通膜閥10和多流路選擇膜閥13進(jìn)行吹掃，另一路作為載氣依次通過(guò)兩位六通膜閥10的4 口和I 口依次進(jìn)入色譜柱24a及TOHID檢測(cè)器24b，并通過(guò)第四電磁閥14b排出到艙體中；標(biāo)氣瓶16中的標(biāo)準(zhǔn)氣體分為兩種:一路直接通入多流路選擇膜閥13的4口，另一路作為驅(qū)動(dòng)氣驅(qū)動(dòng)多流路選擇膜閥13工作； ②清洗:對(duì)系統(tǒng)流路進(jìn)行清洗。第一電磁閥7打開(kāi)，多流路選擇膜閥13切換使其C口與3口連通，載氣依次通過(guò)多流路選擇膜閥13的3 口和C 口、兩位六通膜閥1的2 口、定量環(huán)12、兩位六通膜閥10的3 口、氣體倉(cāng)6，最后經(jīng)第一電磁閥7排出到艙體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)定量環(huán)12和氣體倉(cāng)6的清洗；
③標(biāo)定氣體或者提取膜分離氣體:系統(tǒng)流路清洗完成后，可根據(jù)需要進(jìn)入標(biāo)定氣體流程或者是提取膜分離氣體流程；
若進(jìn)入標(biāo)定氣體流程，多流路選擇膜閥13切換使C 口與4 口連通，標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)標(biāo)氣瓶16出來(lái)后，依次進(jìn)入多流路選擇膜閥13的4 口和C 口、兩位六通膜閥102 口、定量環(huán)12、兩位六通膜閥103 口、氣體倉(cāng)6、通過(guò)電磁閥7排出到艙體內(nèi)，使定量環(huán)中充滿標(biāo)準(zhǔn)氣體。然后關(guān)閉電磁閥7，系統(tǒng)進(jìn)行下述的測(cè)試流程，載氣帶著定量環(huán)12中的標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)色譜柱24a分離后進(jìn)入H)HID24b進(jìn)行檢測(cè)，確定一定濃度的H2、CH4等不同氣體組分的出峰時(shí)間、峰高和峰面積，為后期的待測(cè)氣體定量檢測(cè)提供依據(jù)。
[0012]若進(jìn)入膜分離提取氣體流程，電磁閥7關(guān)閉，海水自動(dòng)進(jìn)樣及氣體膜提取單元中的水栗3工作，海水從進(jìn)水過(guò)濾器I被抽進(jìn)海水樣品倉(cāng)2，然后從出水過(guò)濾器4排出。抽水結(jié)束并平衡等待一段時(shí)間后，海水樣品倉(cāng)2水體中的氣體會(huì)透過(guò)半透膜滲透進(jìn)另一側(cè)的氣體倉(cāng)6存儲(chǔ)。隨后，多流路選擇膜閥13切換C 口與2 口相通，注射栗19對(duì)氣體倉(cāng)中氣體進(jìn)行抽取，氣體從氣體倉(cāng)6依次經(jīng)過(guò)兩位六通膜閥10的3口、定量環(huán)12、兩位六通膜閥10的2口、多流路選擇膜閥13的C 口和2 口進(jìn)入注射栗19，使定量環(huán)12中充滿從海水中提取的氣體。
[0013]④測(cè)試:上述流程結(jié)束后，系統(tǒng)切換為進(jìn)樣測(cè)試狀態(tài)。打開(kāi)電磁閥11，使標(biāo)氣瓶16中的標(biāo)準(zhǔn)氣體得以驅(qū)動(dòng)兩位六通膜閥10工作，兩位六通膜閥10立刻切換為4口和I 口與定量環(huán)12相通，多流路選擇膜閥13的C 口與任何一口不通，載氣依次流經(jīng)兩位六通膜閥10的4 口、定量環(huán)12、1 口，將存儲(chǔ)在定量環(huán)12中的氣體帶入色譜柱24a分離后進(jìn)入脈沖氦離子化檢測(cè)器H)HID24b進(jìn)行檢測(cè)分析，并將檢測(cè)結(jié)果顯示于顯示屏。
[0014]⑤自校正:系統(tǒng)還具有自校正功能，每檢測(cè)完一定數(shù)量的樣品后會(huì)根據(jù)事前的設(shè)定自動(dòng)進(jìn)入自校正流程。