单体烃氢同位素测试系统高温热转化装置的研制.pdf

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1、第38卷分析化学(FENXIHUAXUE)仪器装置与实验技术第9期2010年9月ChineseJournalofAnalviealChemistry1371～1376DOI：10．3724／SP．J．1096．2010．01371单体烃氢同位素测试系统高温热转化装置的研制李中平李立武陶明信杜丽王作栋张明峰王广曹春辉(中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室，兰州730000)(北京师范大学油气资源研究中b／资源学院，北京100872)(国家地质实验测试中心，北京100037)摘要研制了单体烃氢同位素在线测试系统(GC—TC—IRMS)中的高温热转

2、化装置(TC)。该装置主要由高温电热元件、高温裂解管、温控系统等部分组成。实验表明，高温热转化装置控温精度良好(±3oC)；在1250—1500℃之间选择13个温度点，并选用最稳定的烃类化合物CH，在每个温度点进行反复实验对比(n≥6)，甲烷氢同位素值(cH)随反应温度增高逐渐变轻；通过对标准多元气态烃类化合物、标准液态烃类化合物及原油样品测试结果的对比分析，表明所研制的TC具有很好的稳定性与可靠性，6D的测试精度优于±2．5％。，完全达到研究需求。关键词高温热转化装置；氢同位素比值；单体烃；气相色谱；同位素比率质谱1引言自然界中的氢存在氕(H)和氘(H)两

3、种稳定同位素。这两种同位素具有相对较大的质量差，从而决定了自然界中氢同位素具有分馏程度较大的特性。这一特性使单体烃的氢同位素在地球科学、环境科学、生态学等诸多领域中被广泛应用。例如，在油气地球化学中，可以利用烃源岩或原油中单体烃的氢同位素特征来进行油源的对比、沉积环境的判断和演化程度的识别等¨；也可以利用沉积物中单体烃的氢同位素组成特征进行古气候重建J，同样可以利用原油污染物中氢同位素组成特征追踪污染物的来源等-oj。、由于氢同位素的物理化学特性决定了在单体烃氢同位素测试过程的诸多环节中易产生同位素分馏，难以准确测定氢同位素的组成，从而制约氢同位素地球化学研

4、究与应用的发展。例如，在单体烃氢同位素测试系统的硬件方面，其中高温热转化装置(Thermalconversion，TC)是在线氢同位素测试系统中连接气相色谱(GC)与同位素比率质谱计(Isotoperatiomassspectrometer，IRMS)的关键组成部分。被GC分离出的单分子化合物在TC内发生裂解并生成H。。TC温度的高低及其控温精度与氢同位素的测量结果有着密切的关系。由于TC工作温度高(≥1400)，连续使用寿命仅为数千小时。这在一定程度上使单体烃氢同位素的测试成本上升。本研究通过反复实验与对比，对单体烃氢同位素在线测试系统中的重要组成部分TC

5、装置进行了全面的研制。利用所研制的新装置对各种标准样品及实际地质样品进行检测，结果表明，单体烃氢同位素数据质量能够满足相关研究的需要，且成本低廉，该装置具有良好的使用及推广价值。2实验部分2．1单体烃氢同位素测试系统单体烃氢同位素测试系统主要包括：气相色谱(GC)、高温热转化装置(TC)和同位素比率质谱计2010433-25收稿；2010435-30接受本文系教育部研究重大项目(No．307007)，国家自然科学基金(No．40872096)，中国科学院人才培养计划“西部之光”项目资助E—mail：lz0630@163．con分析化学第38卷(IRMS)3个

6、部分，系统简称GC—TC—IRMS(图1)。单体烃氢同位素测试流程如下：烃类混合物样品首先通过Gc进行分离，从Gc流出的单分子化合物依次进入Tc装置内并发生高温裂解反应生成H，反应在一致密A1O陶瓷管中进行(320mm×0．4nlm，i．d．，)。其反应过程在大于1400℃以上的高温下进行，反应式为cH—c+H。裂解产生的H在He载气(纯度>199．999％)的带动下，通过干燥装置(NationTM)除水后，被引入IRMS。在IRMS离子源中，H：主要被电离成m／z2和3的离子，带电离子流通过磁场并根据质荷比进行分离，法拉第杯接收信号，测定氢同位素比值。2．

7、2高温热转化装置加热材料的选择目前，利用电阻加热方式升温的电热元件主要有电阻合金(Ni—Cr、Fe—c卜Al—co合金等)、高熔点金属(Pt，W，Mo及Ta等)、MoSi，、石墨、SiC等J。由图l单体烃氢同位素测试系统流程图于电阻合金无法达到所需温度，高熔点金属与石墨Fig·1FlowchartofhydrogenisotopeanalysofsingIe在空气中容易氧化，MoSi，硬度较高不容易加工成所“需形状，而SiC在空气中抗高温氧化，正常氧化环境下表面温度可达1500℃，且具有升温速率快、热膨胀系数小、热传导率高、蠕变速率小、容易加工等特点。比较以

8、上各种电热材料的特性，选用SiC材料作为TC装置的加