一种全金属水中溶解性稀有气体的提取装置及方法

技术领域

本发明属于水文地球化学示踪领域技术领域，具体涉及一种全金属水中溶解性稀有气体的提取装置及方法。

背景技术

水中溶解稀有气体含量及同位素组成特征的确定在测定地下水年龄、研究古地温、地热热源来源等方面具有重要作用，而水中溶解稀有气体高效、可靠的提取，是准确分析其含量及同位素组成的基本前提。

传统的水样提取方法面临三个问题：(1)样品分析效率极低。传统方法是水中溶解稀有气体的提取、纯化和分析一起在线进行，样品在提取过程中，从水中析出的稀有气体会经过毛细管进入纯化系统中，此过程中大量的水蒸气和稀有气体同时进入气体纯化系统，虽然这部分水蒸气会冷凝在液氮冷阱里，但是当样品纯化并分析结束后，冷凝的水蒸气需要经由真空管道彻底移除，方能进行下一个样品的提取和分析。由于水蒸气的粘滞性较强，此过程需要消耗大量的时间，方可进行下一个样品的分析，严重影响分析效率；(2)铜管密封水样的可靠性无法监测。如果铜管密封水样存在微漏，有可能导致在稀有气体提取前，在对提取系统真空制备的过程中，水样被直接抽至真空泵组里而将其损坏；(3)系统静态本底高的问题。目前溶解稀有气体提取系统中，存在部分真空元件采用橡胶圈连接密封的方式，而橡胶圈具有较大的释气率，会导致稀有气体提取过程系统的静态本底高，最终影响样品中稀有气体的准确确定。

发明内容

本发明的目的是提供一种全金属水中溶解性稀有气体的提取装置及方法，实现在极低静态本底条件下对水中溶解性稀有气体的高效、安全可靠提取。

本发明的技术方案如下：

一种全金属水中溶解性稀有气体的提取装置，包括并联的若干个分支、以及与每个分支连接的第一主管道和第二主管道，所述的第一主管道上沿着气体流动的方向依次设有真空离子规、第一总金属阀门、涡轮螺旋干泵、第二总金属阀门和涡轮螺旋干泵，所述的第二总金属阀门和涡轮螺旋干泵之间的管路上通过三通连接另外的管路，其上依次设有第三总金属阀门和液氮不锈钢冷阱；

所述的分支包括真空压裂装置、毛细管a、毛细管b、金属阀门a、金属阀门b、皮拉尼规和铜管冷指；所述的真空压裂装置的水蒸气通过管道和金属阀门b连接第二主管道；所述的真空压裂装置上端通过三通连接毛细管a的一端，所述毛细管a的另一端首先通过管道连接皮拉尼规，再通过三通分别延伸连接上下两个管道，在上方的管道上设有金属阀门a之后连接至第一主管道，在下方的管道连通毛细管b的上端，毛细管b的下端连接铜管冷指；

所述的真空压裂装置将其上方的密封水样铜管的密封面压裂，使得水样流入其内部，在真空的作用下使得溶解水样内部的稀有气体从水中析出，从各个分支冷冻至对应的铜管冷指内。

所述的铜管冷指外部设有液压钳，当皮拉尼规的参数稳定后夹断铜管冷指。

所述的真空压裂装置下方设有红外测温仪，各个分支的红外测温仪均通过信号线与电磁阀连接，所述的电磁阀设于所述的第二总管道上。

所述的真空压裂装置包括真空压裂装置底座、设于真空压裂装置底座内部的真空压裂装置压杆、与真空压裂装置压杆连接的压裂装置驱动杆，以及设于真空压裂装置底座下方的铝合金罐；用于取样的密封水样铜管的下端安装在真空压裂装置底座之内，真空压裂装置底座内设有金属块，真空压裂装置压杆与金属块处于同一水平高度。

所述的真空压裂装置压杆压头平面刻有菱形花纹。

所述的真空压裂装置底座上端与密封水样铜管通过内螺纹螺帽、金属卡套和外螺纹接头实现密封连接。

所述的真空压裂装置底座与下方的铝合金罐通过用于VCR密封的内螺纹螺母、VCR垫片和用于VCR密封的外螺纹接头实现密封连接。

所述的毛细管a和毛细管b由长度为30mm，外径为12.7mm的316不锈钢棒经电火花打通孔而成，通孔直径为0.5mm。

所述的铝合金罐材质为1070型铝合金，铝合金罐与用于VCR密封的外螺纹接头采用氩弧焊焊接。

所述的铜管冷指的材质为无氧铜，内装活性炭。

所述的液压钳的钳口为U型钳口，钳口材质为钨钢。

所述的分支数量为5个。

所述的真空压裂装置底座上设有玻璃观察窗。

一种全金属水中溶解性稀有气体的提取方法，其基于所述的一种全金属水中溶解性稀有气体的提取装置，具体包括如下步骤：

步骤1、分别将用于取样的各个密封水样铜管套上内螺纹螺帽和金属卡套，分别放置于对应的真空压裂装置内，通过玻璃观察窗观察密封水样铜管的密封端口，确定其处于压裂压杆的压头处，将内螺纹螺帽和外螺纹接头拧紧，使密封水样铜管通过金属卡套与真空压裂装置底座形成可靠密封；

步骤2、关闭第二总金属阀门，在液氮不锈钢冷阱内加入液氮，打开各个分支中的金属阀门b、第三总金属阀门和电磁阀，利用涡轮螺旋干泵进行低真空制备；

步骤3、关闭各个分支中的金属阀门b、第三总金属阀门和电磁阀，打开各个分支中的金属阀门a、第一总金属阀门、第二总金属阀门，利用分子泵对系统进行真空制备；

步骤4、烘烤去气24～30h后，关闭烘烤去气加热装置，冷却至室温；

步骤5、关闭各个分支中的金属阀门a，在各个分支中的铜管冷指上套上液氮；

步骤6、分别利用各分支中的压裂装置驱动杆驱动压杆，使压杆压头压裂密封水样的密封水样铜管的密封面，密封水样铜管的密封面被压裂后，水样靠重力和水本身的压力作用分别流入对应的铝合金罐内，溶解稀有气体在负压条件下，从水中析出，转移至对应的套有液氮的铜管冷指内；

步骤7、分别通过各分支中的皮拉尼规观察，待各自皮拉尼规示数稳定，分别利用对应的液压钳夹断铜管冷指，溶解性稀有气体提取完成。

在所述的步骤2中，如果发现电磁阀有突然关闭现象，应根据各个分支的红外测温仪的显示温度，及时检查对应分支是否有泄露水样的密封水样铜管，如有则将其更换。

在所述的步骤3中，整套系统采用加热带150℃烘烤去气。

本发明的显著效果如下：通过装置和方法的设计可以对若干个样品中稀有气体进行同时提取，并对真空管道内的水蒸气高效移除，显著提高效率；每个样品提取罐底部均设计红外测温仪进行低温预警系统，与真空电磁阀形成联动，可以对铜管密封水样的可靠性进行监测并对真空泵组进行保护；全金属系统设计，可耐受高温烘烤去气而获得极低的系统静态本底。

稀有气体提取装置包括五个分支，每个分支均包括密封水样的铜管、铜管压裂器、铝合金罐、毛细管、皮拉尼规、活性炭铜管冷指及红外测温仪和电磁阀联动的低温预警系统。五个分支均通过全金属阀门与两个主管道连接，其中一个主管道通过液氮罐与前级干泵连接，用于气体提取系统低真空快速制备及吸附在管道内水蒸气的快速移除，此主管道在液氮罐前设计电磁阀，如果铜管密封不严导致的水样泄露至铝合金罐，则水样快速气化吸热，导致铝合金罐底部温度骤降，从而被红外测温仪监测到，启动低温预警与电磁阀形成联动，迅速关闭电磁阀，避免对真空泵的损坏；另一个主管道与分子泵组连接，实现对气体提取系统超高真空制备，此主管道设计高真空离子规对超高真空系统进行监测。

超高真空(1.0E-08mbar)制备完成后，关闭每个分支与分子泵组的金属密封阀，在五个活性炭铜管冷指上分别套上液氮，同时压裂五个采样铜管，每个分支的皮拉尼规分别监测稀有气体转移程度，稀有气体分别经由两个毛细管被冷冻至各自活性炭冷指内，转移结束后，液压钳夹断活性炭铜管冷指，稀有气体提取完成。该方法可以在短时间内同时实现五个样品中稀有气体高效的提取，显著提高水中溶解稀有气体同位素和含量分析测试效率。

附图说明

图1为真空压裂装置示意图；

图2为毛细管示意图；

图3为全金属水中溶解性稀有气体的提取装置单个分支示意图；

图4为全金属水中溶解性稀有气体的提取装置示意图；

图中：1.密封水样铜管；2.用于卡套密封的内螺纹螺帽；3.金属卡套；4.用于卡套密封的外螺纹接头；5.玻璃观察窗；6.压裂装置驱动杆；7.真空压裂装置压杆；8.用于VCR密封的内螺纹螺母；9.VCR垫片；10.用于VCR密封的外螺纹接头；11.铝合金罐；12.真空压裂装置底座；13.毛细管；14.皮拉尼规；15.金属阀门a；16.铜管冷指；17.液压钳；18.金属阀门b；19.红外测温仪；20.分支；21.第一主管道；22.第二主管道；23.电磁阀；24.真空离子规；25.第一总金属阀门；26.无油分子泵；27.第二总金属阀门；28.第三总金属阀门；29.液氮不锈钢冷阱；30.涡轮螺旋干泵；13-1.毛细管a；13-2.毛细管b。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，真空压裂装置包括真空压裂装置底座12、安装在真空压裂装置底座12内部的真空压裂装置压杆7、与真空压裂装置压杆7连接的压裂装置驱动杆6，上述密封水样铜管1的下端安装在真空压裂装置底座12之内，在真空压裂装置底座12上加工玻璃观察窗5。真空压裂装置底座12内设有金属块，真空压裂装置压杆7与金属块处于同一水平高度。

密封水样铜管1外部安装内螺纹螺帽2、金属卡套3和外螺纹接头4，内螺纹螺帽2与外螺纹接头4对接拧紧，通过上述密封水样铜管1与真空压裂装置底座12上端实现可靠密封连接。

真空压裂装置还包括安装在真空压裂装置底座12下方的铝合金罐11，铝合金罐11与真空压裂装置底座12通过用于VCR密封的内螺纹螺母8、VCR垫片9和用于VCR密封的外螺纹接头10实现密封安装。铝合金罐11通过用于VCR密封的内螺纹螺母8和用于VCR密封的外螺纹接头10拧紧后，压紧VCR垫片9形成可靠密封。

密封水样铜管1的材质为无氧铜，由长度为550mm、外径为12.7mm铜管经过旋压方式，加工为一体化的12.7mm变径7.5mm铜管，其中12.7mm部分长400mm，7.5mm部分长150mm。水样采集完成后，在两端分别用液压钳夹断铜管密封；

金属卡套3材质为黄铜，外螺纹接头4密封面为316不锈钢；

VCR垫片9为无氧铜，用于VCR密封的内螺纹螺母8和用于VCR密封的外螺纹接头10材质均为316L不锈钢；

真空压裂装置压杆7材质为碳钢，压杆的压头平面刻有菱形花纹；

铝合金罐11材质为1070型铝合金，铝合金罐11与用于VCR密封的外螺纹接头10采用氩弧焊焊接；

如图2所示，本装置中采用的不锈钢毛细管13主体为304不锈钢棒，其内部沿着轴线方向加工有毛细管内孔，加工方式为电火花穿孔，毛细管内孔径0.5mm，不锈钢毛细管13外径12.7mm，长30mm。

如图3和图4所示，全金属水中溶解性稀有气体的提取装置，包括并联的若干个分支20和两个主管道，即第一主管道21和第二主管道22。

如图3的分支20示意图，其包括上述的真空压裂装置。在真空压裂装置底座12的侧面通过管道和金属阀门b18连接第二主管道22。在真空压裂装置的真空压裂装置底座12的上端通过三通连接毛细管a13-1的一端，上述毛细管a13-1的另一端首先通过管道连接皮拉尼规14，再通过三通分别延伸连接上下两个管道，在上方的管道上安装金属阀门a15之后连接至第一主管道21，在下方的管道连通毛细管b13-2的上端，毛细管b13-2的下端连接铜管冷指16，在上述铜管冷指16外部安装液压钳17，用于当皮拉尼规14的参数稳定后夹断铜管冷指16。

真空压裂装置的驱动杆6驱动压杆7压裂密封水样的无氧铜管1下端的密封面，在驱动压杆7的压头平面加工菱形花纹可以避免在铜管1的密封面侧滑，密封水样铜管1密封面被压裂后，水样靠重力和水本身的压力作用通过真空压裂装置底座流入铝合金罐11内，溶解稀有气体在负压条件下，从水中析出，并与水蒸气通过各个分支20中的两个毛细管13-1、13-2冷冻至对应的套有液氮的铜管冷指16内。皮拉尼规14的作用是观察对应分支20的稀有气体转移程度，待皮拉尼规14的示数稳定后，利用液压钳17夹断铜管冷指16，则对应分支20的溶解性稀有气体提取完成。红外测温仪19位于铝合金罐11的正下方30cm处，各个分支20的红外测温仪19均通过信号线与电磁阀23连接。

如图4所示，本发明中最终要形成包括多个上述分支20、第一主管道21和第二主管道22在内的整体的全金属水中溶解性稀有气体的提取装置。

本实施例中上述分支20为数量为五个，其中每个分支20中的红外测温器19通过信号线与电磁阀23连接，真空压裂装置底座12的侧面通过管道和金属阀门b18连接第二主管道22，毛细管a13-1通过管道连接皮拉尼规14，再通过三通分别延伸连接上下两个管道，在上方的管道上安装金属阀门a15之后连接至第一主管道21。

上述第一主管道21上沿着气体流动的方向依次安装有真空离子规24、第一总金属阀门25、涡轮螺旋干泵26、第二总金属阀门27和涡轮螺旋干泵30，在第二总金属阀门27和涡轮螺旋干泵30之间的管路上通过三通依次安装第三总金属阀门28、液氮不锈钢冷阱29和电磁阀23。上述的电磁阀23安装在第二总管道22上，同时接收各个分支20中的红外测温仪19发射的信号。

上述分支20中的各个金属阀门a15均通过金属卡套的密封方式与第一主管道21密封连接，超高真空离子规24与第一主管道21通过VCR密封连接，第一总金属阀门25通过金属卡套密封方式分别与第一主管道21和无油分子泵26进气口密封连接，第二总金属阀门27通过CF16法兰分别与分子泵26排气口和三通密封连接，涡轮螺旋干泵30通过CF16法兰与三通密封连接，第三总金属阀门28与通过CF16法兰分别与三通接头和液氮不锈钢冷阱29的排气口密封连接，电磁阀23通过CF16法兰分别与液氮不锈钢冷阱29的进气口和第二主管道22密封连接。

装置中所有的管路为金属管路，连接接口为全金属密封；

所有金属阀门为全金属波纹管密封阀；

第一主管道21和第二主管道22内径均为16mm，内壁经过电解抛光处理；

铜管冷指16的材质为无氧铜，内径为16mm，壁厚为1mm，高100mm，内装活性炭为颗粒状；

液压钳17的钳口为U型钳口，钳口材质为钨钢；

皮拉尼规14的量程为0.0001-760Torr，测试精度为±10％；

真空离子规24极限测试真空度为10

分子泵26的极限真空为10

红外测温仪19的量程为0-200℃，在测试温度低于5℃启动低温报警，触发电磁阀23断电关闭；

依据上述装置，进行水中提取溶解稀有气体的步骤如下：

步骤1：分别将五个密封水样的无氧铜管1套上内螺纹螺帽2和金属卡套3，分别放置于五个真空压裂装置内，通过玻璃观察窗5观察1/4inch部分密封端口处于压裂压杆7的压头处，将内螺纹螺帽2和外螺纹接头4拧紧，使无氧铜管通过金属卡套3与压裂装置形成可靠密封；

步骤2：关闭第二总金属阀门27，在液氮不锈钢冷阱内29内加入液氮，打开各个分支中的金属阀门b18、第三总金属阀门28和电磁阀23，利用涡轮螺旋干泵30进行低真空制备；

如果发现电磁阀23有突然关闭现象，应根据各个分支的红外测温仪19的显示温度，及时检查对应分支20是否有泄露水样的密封水样铜管1，如有则将其更换；

步骤3：关闭各个分支中的金属阀门b18、第三总金属阀门28和电磁阀23，打开各个分支中的金属阀门a15、第一总金属阀门25、第二总金属阀门27，利用分子泵26对整套系统进行高真空制备。高真空制备过程中，整套系统采用加热带150℃烘烤去气；

步骤4：烘烤去气24h后，关闭加热带，通过真空离子规24观察第一主管道21内的真空度，即整个系统真空度，此时整套系统真空度优于1.0E-8mbar；

步骤5：关闭各个分支中的金属阀门a15，在各个分支中的铜管冷指16上套上液氮；

步骤6：分别利用各分支中的压裂装置驱动杆6驱动压杆7，使压杆压头压裂密封水样的密封水样铜管1的密封面，压杆7压头平面的菱形花纹避免铜管密封面侧滑，密封水样铜管1的密封面被压裂后，水样靠重力和水本身的压力作用分别流入对应的铝合金罐11内，溶解稀有气体在负压条件下，从水中析出，并与水蒸气分别通过五个分支的两个毛细管13-1、13-2冷冻至对应的铜管冷指16内；

步骤7：分别通过各分支中的皮拉尼规14观察五个分支的稀有气体转移程度，待各自皮拉尼规14示数稳定，分别利用对应的液压钳17夹断铜管冷指16，溶解性稀有气体提取完成。