一种天然气氧化制备稀有气体样品的装置及使用方法与流程

1.本发明涉及稀有气体同位素技术领域，尤其涉及一种天然气氧化制备稀有气体样品的装置及使用方法。


背景技术：

2.稀有气体包括氦、氖、氩、氪、氙和氡，其中氦、氖、氩、氪和氙的稳定同位素组成常用稀有气体质谱仪分析，为了得到准确的数据，通常将氦、氖、氩、氪和氙从气体样品中制备出来并分离为纯组分，然后通过稀有气体质谱仪分析各组分的同位素组成。将气体样品制备成仅含稀有气体的过程也称为纯化。
3.太阳、行星和地球各圈层的稀有气体同位素组成具有不同的特征，通过分析可以获得各稀有气体同位素组成信息，从而为研究宇宙、行星和地球起源及其演化提供依据。天然气以烃类气体为主，稀有气体含量一般很低。为了检测天然气中的稀有气体同位素组成，必须将天然气净化为纯的稀有气体，然后分离各稀有气体组分，进行同位素组成质谱检测，净化需要的化学试剂通常有海绵钛、锆铝吸气剂和活性炭等，并使用电炉。活性炭对于氦和氖同位素组成样品的净化分离效果很好，但很难用于天然气中氪和氙同位素样品的净化分离。海绵钛和锆铝吸气剂对非烃类气体的吸收效果很好，但对烃类气体吸收很慢，而且难以完全吸收，特别是重烃。对于含重烃较高的天然气样品，也可以通过液氮冷阱除去重烃，制备氦、氖和氩同位素组成样品，但不能用于制备氙同位素组成样品。由于天然气中的氪或氙的含量远低于氩的含量，须要用上述方法制备较多的氪或氙同位素组成样品时，困难更明显。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种检测结果准确可靠的天然气氧化制备稀有气体样品的装置。
5.本发明所要解决的另一个技术问题是提供该天然气氧化制备稀有气体样品的装置的使用方法。
6.为解决上述问题，本发明所述的一种天然气氧化制备稀有气体样品的装置，其特征在于：该装置包括高真空系统、管式电炉和稀有气体质谱仪系统；所述高真空系统经管线ⅰ连有管线ⅱ，该管线ⅱ的一端与天然气进样口相接，其另一端穿过所述管式电炉与管线ⅲ相连；所述管线ⅰ上设有金属高真空阀ⅰ；所述管线ⅱ上分别设有金属高真空阀ⅱ、金属高真空阀ⅲ、金属石英转换接头ⅰ、活性炭冷指ⅰ；所述管线ⅲ的末端与所述稀有气体质谱仪系统相连；所述管线ⅲ上分别设有金属石英转换接头ⅱ、金属高真空阀ⅳ、活性炭冷指ⅱ。
7.所述金属高真空阀ⅲ与所述金属石英转换接头ⅰ之间的所述管线ⅱ上设有所述活性炭冷指ⅰ。
8.所述金属高真空阀ⅱ与所述金属高真空阀ⅲ之间的所述管线ⅱ上设有所述管线ⅰ。
9.所述管式电炉的两端设有石棉挡板，其控制温度为400~900℃。
10.所述金属石英转换接头ⅱ与所述金属高真空阀ⅳ之间的所述管线ⅲ上设有所述活性炭冷指ⅱ。
11.所述金属石英转换接头ⅰ与所述天然气进样口之间的所述管线ⅱ、所述金属石英转换接头ⅱ与所述稀有气体质谱仪系统之间的所述管线ⅲ均为金属管线。
12.所述金属石英转换接头ⅰ与所述金属石英转换接头ⅱ之间的所述管线ⅱ和所述管线ⅲ均为石英管线，该石英管线内填充有线状氧化铜。
13.如上所述的一种天然气氧化制备稀有气体样品的装置的使用方法，包括以下步骤：
⑴
关闭金属高真空阀ⅳ，打开金属高真空阀ⅰ、金属高真空阀ⅱ、金属高真空阀ⅲ，通过高真空系统抽真空；同时，管式电炉升温到400℃；
⑵
关闭所述金属高真空阀ⅰ，关闭所述金属高真空阀ⅲ，从天然气进样口定量注入天然气样品；
⑶
关闭所述金属高真空阀ⅱ，打开所述金属高真空阀ⅲ，等10s后，关闭所述金属高真空阀ⅲ；
⑷
将所述管式电炉升温到830℃；
⑸
将活性炭冷指ⅰ置于液氮中，等1min，再将所述活性炭冷指ⅰ置于室温；将活性炭冷指ⅱ置于液氮中，等1min，再将所述活性炭冷指ⅱ置于室温；重复该步骤3~6次；
⑹
将所述管式电炉降温到600℃；
⑺
打开所述金属高真空阀ⅳ，将气体样品导入稀有气体质谱仪系统，经纯化、分离并测量各稀有气体同位素组成即可。
14.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明针对天然气的特点，通过氧化反应将天然气中的烃类气体氧化为非烃类气体，使得后续净化分离更简单容易，得到的稀有气体更纯净，从而检测结果更准确可靠。
15.2、本发明采用循环氧化的方法，将天然气反复通过高温氧化铜，目的是加速化学反应并使反应更完全，氧化效果更好。
16.3、本发明定量注入天然气样品，从而能够采用质谱峰高比法确定稀有气体的含量。
17.4、本发明可以满足制备更多稀有气体同位素样品的需要，从而降低了对稀有气体同位素质谱仪检测灵敏度的要求。
附图说明
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
19.图1为本发明的结构示意图。
20.图中：1—高真空系统；2—管式电炉；3—稀有气体质谱仪系统；4—管线ⅰ；5—管线ⅱ；6—天然气进样口；7—金属高真空阀ⅰ；8—金属高真空阀ⅱ；9—金属高真空阀ⅲ；10—金属石英转换接头ⅰ；11—活性炭冷指ⅰ；12—管线ⅲ；13—金属石英转换接头ⅱ；14—金属高真空阀ⅳ；15—活性炭冷指ⅱ。
9。
39.⑷
将管式电炉2升温到830℃。
40.⑸
将活性炭冷指ⅰ11置于液氮中，等1min，再将活性炭冷指ⅰ11置于室温；将活性炭冷指ⅱ15置于液氮中，等1min，再将活性炭冷指ⅱ15置于室温；重复该步骤3次。
41.⑹
将管式电炉2降温到600℃。
42.⑺
打开金属高真空阀ⅳ14，将气体样品导入稀有气体质谱仪系统3，在稀有气体质谱仪系统3的纯化装置中：用-60℃冷阱除去水，用锆铝泵除去二氧化碳等活性气体，用液氮冷阱将氙从纯稀有气体中分离。用质谱仪测量氙的同位素组成。
43.同时，以空气为参考气测量氙同位素组成。其中步骤
⑵
中从天然气进样口6注入a
0 = 0.2ml空气样品外，其余步骤相同。
44.测得天然气样品
132
xe的质谱峰高为i = 26391计数/秒，测得空气样品
132
xe的质谱峰高为i
0 = 45391计数/秒。取空气样品的
132
xe含量公认值为s = 2.34
×
10-8 (v/v)，通过比较法计算天然气样品的
132
xe含量为：c(
132
xe) = (i/a) / (i0/a0)
×
s= (26391/2)/(45391/0.2)
×
2.34
×
10-8
= 1.36
×
10-9 (v/v)其它氙同位素（
124
xe、
126
xe、
128
xe、
129
xe、
130
xe、
131
xe、
134
xe和
136
xe）的含量可以用同样的方法计算。