人工海水中游離二氧化碳濃度測(cè)試新方法

發(fā)表時(shí)間：2024-11-14

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研究背景

海水中溶解二氧化碳的濃度影響海底生物成因礦物的形成，控制海洋生物的發(fā)育和演化，是海洋環(huán)境和地質(zhì)調(diào)查中最重要的指標(biāo)之一。底層海水中游離二氧化碳的濃度對(duì)于海底礦產(chǎn)勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底沉積物中碳循環(huán)乃至全球碳循環(huán)的研究都具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。采用滴定法測(cè)定該指標(biāo)，其范圍在 4 mg/L 至 400 mg/L 之間。但部分海域底部海水游離二氧化碳濃度低于此范圍，因此滴定可能不合適。一種測(cè)定海水中游離二氧化碳的方法被提出，名稱為DBS/Henry's Law。DBS/亨利定律間接測(cè)定海水中游離二氧化碳的含量，而不是直接用試劑滴定。它簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確，基于質(zhì)量守恒定律/亨利定律和CO₂溶解機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)主要為海水中痕量游離二氧化碳濃度的測(cè)定提供了新的科學(xué)視角。

方法介紹

海水中二氧化碳的溶解過程復(fù)雜，不僅涉及氣體溶解的物理變化，還包括一系列化學(xué)反應(yīng)。溶解的二氧化碳在海水中以CO₂、H₂CO₃、HCO₃^? 和 CO₃^2? 四種形式存在，它們的濃度總和即為總二氧化碳（TCO₂）。利用差平衡系統(tǒng)(D.B.S)和亨利定律(Henry’s Law)來間接測(cè)定海水中游離二氧化碳的濃度。通過測(cè)定封閉平衡系統(tǒng)中的二氧化碳亨利定律常數(shù)和原始系統(tǒng)中總二氧化碳的初始值，計(jì)算液相中的游離二氧化碳濃度。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)包括氣源、真空系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和分析單元。使用恒溫振蕩器和校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器等設(shè)備，確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程：1、氣源 → 2、原液桶 → 3、真空系統(tǒng)-真空泵 → 4、真空系統(tǒng)-防水錐形瓶 → 5、平衡系統(tǒng)-校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器 → 6-1、平衡系統(tǒng)-恒溫振蕩器 → 6-2、平衡系統(tǒng)-恒溫振蕩器控制器 → 7、分析單元—二氧化碳分析儀（Picarro G2131-i）8、振蕩器。

*實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程示意圖

氣源 (①)：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣體來源，主要包括高純度的氬氣和二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體。

儲(chǔ)液桶 (②)：用于準(zhǔn)備、存放和轉(zhuǎn)移人工海水的容器，容量為20升，能承受高達(dá)10大氣壓的壓力。

真空系統(tǒng)：

真空泵 (③)：用于抽真空，使系統(tǒng)達(dá)到所需的真空度。

防水錐形瓶 (④)：可能用于收集或處理氣體，通常在真空系統(tǒng)中使用。

平衡系統(tǒng)：

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器 (⑤)：作為封閉系統(tǒng)的主要部分，是氣體和液體共存的空間，通過控制閥和管線與傳輸氣袋連接，用于在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)等壓條件下的氣體頭空間轉(zhuǎn)移。

恒溫振蕩器 (⑥-1)：用于保持系統(tǒng)恒溫并促進(jìn)氣液充分混合，可以快速達(dá)到氣液平衡狀態(tài)，最多可同時(shí)容納四個(gè)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器。

恒溫振蕩器控制器 (⑥-2)：控制恒溫振蕩器的工作，包括溫度和振蕩頻率等。

分析單元 (⑦)：由Picarro G2131-i分析儀、真空泵、連接管線、控制閥等組成。通過將Picarro G2131-i分析儀的入口連接到校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液制備器的氣體出口，可以實(shí)時(shí)測(cè)定頭空間氣體中二氧化碳的濃度。

*平衡系統(tǒng)中混合氣體中二氧化碳的測(cè)試曲線

振蕩器 (⑧)：用于保持實(shí)驗(yàn)過程中的振蕩動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)材料與試劑：使用實(shí)驗(yàn)室配制的人工海水、高純度氬氣和二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體。

結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溫度（3-20°C）和不同鹽度（32、33、34和35‰）條件下人工海水中二氧化碳的亨利定律常數(shù)。展示了不同條件下的亨利定律常數(shù)值（單位為kPa）。詳細(xì)數(shù)據(jù)見下表：

該方法可以作為現(xiàn)有國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法的補(bǔ)充，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

原文鏈接：

Sustainability | Free Full-Text | Determination of Concentration of Free Carbon Dioxide in Artificial Seawater by Difference Balance System/Henry’s Law (mdpi.com)

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