一種從環境水中分離提取溶解氣的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及真空系統設計、系統流程控制以及溶解氣提取技術領域，特別是涉及一種利用膜脫氣真空收集技術從環境水中分離提取溶解氣的系統和方法。
【背景技術】
[0002]通過測量環境水(如地下水、地表水、海洋水或者冰心溶解水等)中的放射性惰性氣體同位素(如39Ar和81Kr、85Kr)的含量，結合同位素的半衰期，可以獲得環境水的年代。現階段，這種年代測量的樣品通常為較純的氣體樣品。因此為了方便測量，首先需要將環境水中溶解氣體快速高效無污染地分離提取出來。
[0003]由于氣體在環境水中的溶解量一般為10_30mL/L，應用中需要避免少量甚至極少量的空氣污染，尤其所提取溶解氣總量在十升水平時。另外，環境水中溶解氣的提取實驗主要發生在野外(例如沙漠、盆地、海洋等極端條件)，這對系統便攜性、易操作性提出了極高的要求。目前，國際上主要采用的是脫氣壓縮收集技術提取環境水中的溶解氣，通常使用的方法包括兩種:一種是真空霧化脫氣壓縮收集([l]SmethieJrj W.M.；Mathieu,G.!Measurement of krypton-85 in the ocean.Marine Chemistry18(1986), N0.1，17-33)，采用真空泵使系統真空化，然后利用高壓真空霧化作用提取環境水中溶解氣，最后利用壓縮機壓縮收集，此種方法脫氣效率低，系統復雜，操作不便；另一種是膜脫氣壓縮收集([2]Probst, P.C.；Yokochi, R.；Sturch1 N.C.:Method forExtract1n of Dissolved Gases From Groundwater for Rad1krypton Analysis.4thMini Conference on Noble Gases in the Hydrosphere and in Natural GasReservoirs, 2007)，采用真空泵使系統真空化，利用一種疏水性多孔中空纖維膜使環境水與溶解氣分離，最后利用壓縮機壓縮收集溶解氣，此種方法雖然脫氣效率較高，但是仍然使用氣體壓縮收集技術，甚至是多級氣體壓縮技術，加大了成本和系統復雜性，同時增加了操作、攜帶與維護的難度，對于某些極端野外環境下并不適用。因此亟待需要一種能夠兼顧高速高效，系統簡單，操作、攜帶與維護方便的脫氣系統，從而極大地擴展它的使用范圍。
【發明內容】
[0004]本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種操作簡單、便攜的利用膜脫氣真空收集技術從環境水中分離提取溶解氣的系統及方法。
[0005]本發明為實現發明目的，采用如下技術方案:
[0006]本發明從環境水中分離提取溶解氣的系統包括水質處理裝置、膜脫氣裝置、真空收集裝置和流程控制裝置，其中:
[0007]所述水質處理裝置用于除去環境水中的雜質顆粒，并對所述環境水的壓力、溫度、流速和流量進行記錄；
[0008]所述膜脫氣裝置用于將來自所述水質處理裝置的環境水進行氣液分離，脫出其中的溶解氣，并將完成脫氣后的環境水持續排出；
[0009]所述真空收集裝置用于先后完成整個系統的真空化以及系統清洗，然后將所述膜脫氣裝置產生的溶解氣持續性地泵浦入氣瓶中收集；
[0010]所述流程控制裝置用于控制系統的各個部件的工作，包括控制整個系統操作流程所需的電子器件的工作以及開關狀態。
[0011]本發明從環境水中分離提取溶解氣的系統的結構特點還在于:所述水質處理裝置包括過濾器、水壓計、水溫計和水流量計，其中:所述過濾器用于過濾除去環境水中的雜質顆粒；所述水壓計用于監測經所述過濾器過濾后的環境水的壓力；所述水溫計用于監測經所述過濾器過濾后的環境水的溫度；所述水流量計用于記錄經所述過濾器過濾后的環境水的流速以及流量。
[0012]在所述膜脫氣裝置內設置有脫氣膜，所述脫氣膜用于將來自所述水質處理裝置的環境水進行氣液分離，脫出其中的溶解氣體，并將脫出溶解氣體之后的環境水持續排出。
[0013]所述真空收集裝置包括隔膜泵、第一壓力計和第二壓力計，其中:所述隔膜泵用于先后完成整個系統的真空化以及系統清洗，然后將所述膜脫氣裝置產生的溶解氣持續泵浦入氣瓶中收集；所述第一壓力計和所述第二壓力計分別用于監視所述隔膜泵前后的氣壓，以判斷所述隔膜泵收集溶解氣的程度以及判斷最終收集得到的溶解氣總量。
[0014]在本發明從環境水中提取溶解氣的系統中，通過有效優化并合理分配所述膜脫氣裝置、所述真空收集裝置與所述流程控制裝置的尺寸結構，可以實現裝置的便攜性和易維護性。
[0015]在本發明中，所述環境水選自地下水、地表水、海洋水或者冰芯溶解水。
[0016]本發明還公開了利用上述系統從環境水中分離提取溶解氣的方法，所述方法包括:
[0017]水質處理步驟，是將環境水通入水質處理裝置中，用過濾器過濾除去環境水中的雜質顆粒，然后將經所述過濾器過濾后的環境水通過水壓計監測水壓、水溫計監測水溫以及水流量計記錄流速和流量后，送入所述膜脫氣裝置中；
[0018]系統清洗步驟，是用所述真空收集裝置中的隔膜泵首先將系統中的空氣泵浦至系統外，然后是將經所述水質處理裝置處理后的環境水通入所述膜脫氣裝置中，通過脫氣膜脫出其中的溶解氣，并用隔膜泵將所脫出的溶解氣持續性地泵浦至系統外，以排除系統內的泵浦殘余空氣，從而實現環境水中溶解氣對系統的清洗；
[0019]膜脫氣步驟，是用脫氣膜將所述水質處理裝置處理后的環境水進行氣液分離，脫出其中的溶解氣，并將完成脫氣后的環境水持續排出；
[0020]和真空收集步驟，是在第一壓力計和所述第二壓力計監視下，用隔膜泵將所述膜脫氣裝置產生的溶解氣持續泵浦入氣瓶中收集。
[0021]通過本發明的方法，可以有效無污染地分離提取環境水中的主要溶解氣包括氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳、氪氣和甲烷。
[0022]本發明的隔膜泵首先用于系統抽真空，但是隔膜泵的極限真空較差，無法完全將系統內空氣抽空，而這部分空氣殘余會對溶解氣樣品產生污染，因此需要再用溶解氣將這部分空氣殘余進行稀釋，排出系統之外，從而最大程度降低空氣污染。
[0023]與已有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0024]本發明利用膜脫氣真空收集技術從環境水(如地下水、地表水、海洋水或者冰芯溶解水等)中提取溶解氣的系統和方法是一種高效率、低成本的綜合利用脫氣膜氣體分離、真空泵氣體收集等方法提取其中的溶解氣的技術。該方法所提取的溶解氣，通過進一步的惰性氣體富集分離，可用于環境樣品的同位素示蹤分析等應用，例如進行放射性同位素39Ar 和 81Kr、85Kr 測年等。
[0025]本發明的系統具有成本低、操作簡單、脫氣效率高、易于便攜與維護等特點，并且重量低、尺寸小，單人可背帶，對極端的野外環境幾乎沒有任何使用限制，因此非常適合環境水溶解氣的提取。
【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本公開實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為本公開實施例公開的從環境水中分離提取溶解氣的系統的一種結構示意圖；
[0028]圖中標號:110水質處理裝置；1101過濾器；1102水壓計；1103水溫計；1104水流量計；102膜脫氣裝置；120真空收集裝置；1201第一壓力計；1202隔膜泵；1203第二壓力計；101流程控制裝置。
【具體實施方式】
[0029]為使本