一种富甲烷天然气中Xe同位素分析方法及分析装置与流程

文档序号:11249428
本发明涉及页岩残余气分析技术,尤其涉及稀有气体在线分析方法及系统技术背景稀有气体因其化学性质不活泼、在自然界丰度低、成因均与特定的核过程相关而成为地质物体及地质历程的重要示踪剂,对于研究地球早期历史、地幔-地壳的物质演化,地球的脱气和大气圈的形成,以及同位素年龄测定等都具有重要意义。大气氙还具有强烈的、全球性的分馏效应。129Xe过剩代表的是地壳早期形成、现已灭绝的放射性核素129I的衰变产物。在天然气中如果存在129Xe过剩,则意味着其中有地球原始组分的加入。但是,地球上氙的同位素结构特别复杂。尤其是天然气中Xe同位素含量极低(10-5ppm),杂质气体多,导致天然气中Xe同位素分析难度大。上世纪末,一些研究人员对Xe同位素分析测试进行过尝试,主要对矿物岩石中的Xe进行了一些研究,由于分析方法不成熟,分析结果争议较大,导致之后很少进行该领域的研究工作。因此较岩石矿物中的Xe同位素分析更为复杂、困难。基于分析技术的壁垒,世界上几乎没有天然气中Xe同位素分析研究工作。孙明良公开了一种天然气中稀有气体同位素的分析技术,其曾对Xe进行同位素分析,但是其发现天然气样品中Xe的含量比Ar还要低约6个量级,即使分离时无丢失,其进入质谱计内供分析用的绝对量仍是很微的,因此其采用了电子倍增器+粒子计数器或德利+光电倍增器去检测Xe同位素。目前,中国专利文献号为CN102012333B公开了一种惰性气体纯化富集装置及其使用方法,其通过进样定量控制系统实现样品的定量进样,然后送入惰性气体真空净化系统,利用其中的海绵钛炉和锆基吸气炉使待测样品气体中的活性其它被吸收而净化待测样品;净化的样品先进行四级杆质谱计分析后,再送入惰性气体低温富集系统使惰性气体冷冻富集于活性碳阱中,然后再将样品中He、Ne、Ar、Kr、Xe各组份依次进入同位素质谱计中进行同位素分析,可见上述装置成功得到了样品中的各成分组成,而且也测得了Xe的同位素132Xe,但是,仅测得132Xe含量,并不能获得Xe组分的总含量,因此,该专利文献中的方法实际只适用于已知Xe同位素比值的样品,而实际样品检测分析中Xe同位素比值必定是未知的样品,因而该专利文献中的方法没有实际意义,只能提供仪器参数或者计算的矫正参数;而且,由于天然气中Xe的含量极低,如果先对样品组成成分进行分析再对稀有气体同位素分析需要大量进样才能使Xe分析达到仪器的线性范围,这无疑将大量增加检测装置的负荷,然而,稀有气体分析系统属于超真空系统,不能实现大量样品直接送入系统分析,可见,该技术仍存在一定的技术问题,不能获得样品中Xe的同位素含量。技术实现要素:为了解决现有技术中存在的由于Xe含量极低导致的无法准确检测的技术问题,本发明提供一种简便的同位素分析方法,该方法在分析之前先进行简单的富集纯化,再利用稀有气体质谱仪就可以获得Xe的同位素信息,例如129Xe、131Xe、132Xe等,该方法准确率高、操作简单,成本低,对地质物体及地质历程的研究有重要意义。为解决现有技术中存在的技术问题,本发明提供一种富甲烷天然气中Xe同位素分析方法,包括:利用包括对外部天然气进行负压抽取、除水、低温收集的Xe富集处理,从外部天然气中得到具有足以检测Xe同位素信息的Xe含量的且以Kr和Xe为主要成分的待测样品;对所述的以Kr和Xe为主要成分的待测样品进行纯化处理,得到仅有Kr和Xe组成分析样品;对所述仅由Kr和Xe组成的分析样品进行分离处理,得到仅含Xe的分析样品,通过对其进行同位素分析,得到天然气样本中Xe的同位素信息。其中,所述利用包括对外部天然气进行负压抽取、除水、低温收集的Xe富集处理,从外部天然气中得到具有足以检测Xe同位素信息的Xe含量的且以Kr和Xe为主要成分的待测样品,包括:利用负压对外部天然气进行抽取,得到天然气样品;将所述天然气样品进行除水处理,得到除去水分的天然气样品;在液氮温度下,对除去水分的天然气样品进行低温收集处理,收集到以Kr和Xe为主要成分的待测样品;利用负压将除去水分的天然气样品中未收集的其他成分抽出到外部;通过重复上述步骤,得到具有足以检测Xe同位素的Xe含量的且以Kr和Xe为主要成分的待测样品。特别是,所述同位素信息为124Xe、126Xe、128Xe、129Xe、130Xe、131Xe、132Xe、134Xe和136Xe的相对含量。其中,所述负压为≤10-5Pa。其中,所述除水处理包括:利用液氮-酒精控制的低温环境,使CO2和H2O凝结,从而将CO2和H2O收集起来,得到去除了水分的天然气样品。其中,所述重复上述步骤为10-15次。其中,所述纯化处理包括:释放所述Kr和Xe为主要成分的待测样品,并将其与高温下的金属钛充分反应,使部分杂质气体因发生反应而附着在海绵钛中,得到除去部分杂质气体的待测样品;将除去部分杂质气体的待测样品在金属Zr和Al制成的吸气泵中过滤,使剩余的杂质气体被吸附,从而获得仅由Kr和Xe组成分析样品。其中,所述释放所述Kr和Xe为主要成分的待测样品是通过升高待测样品的温度实现。其中,所述升高待测样品温度为90-110℃,优选为98-102℃,进一步优选为100℃。升高待测样本的方式可以通过温控装置实现。其中,所述高温下的金属钛温度为780-820℃,优选为790-810℃,进一步优选为800℃。其中,所述分离处理包括:通过调控仅由Kr和Xe组成的分析样品的温度,使Kr与Xe被分离,获得仅含Xe的分析样品。其中,所述调控仅由Kr和Xe组成的分析样品的温度,使Kr与Xe被分离包括:降低仅由Kr和Xe组成的分析样品的温度使Xe组分被收集,利用超负压将Kr抽出到外部;升高所述Xe组分温度使Xe组分被释放,得到仅含Xe的分析样品。尤其是,所述超负压≤10-9Pa。尤其是,所述使Xe组分被收集的温度为130-150K,优选为135-145K,进一步优选为140K。尤其是,所述使Xe组分被释放的温度为150-170K,进一步优选为155-165K,进一步优选为160K。特别是,所述通过对其进行同位素分析,得到天然气样本中Xe的同位素信息的真空度≤10-10Pa。为实现本发明的技术目的,本发明再一方面提供一种富甲烷天然气中Xe同位素分析装置,包括:用于对外部天然气进行负压抽取、除水、低温收集,从外部天然气中得到具有足以检测Xe同位素信息的Xe含量的且以Kr和Xe为主要成分的待测样品的富集系统;用于纯化所述的以Kr和Xe为主要成分的待测样品的,得到仅由Kr和Xe组成分析样品的纯化系统;对所述仅由Kr和Xe组成的分析样品进行分离处理,得到仅含Xe的分析样品的分离设备;用于分析仅含Xe的分析样品,得到天然气样本中Xe的同位素信息的分析设备;其中,所述富集系统、纯化系统、分离设备和分析设备均通过真空管道连接,并利用阀门进行调控。其中,所述分离设备通过布设在与真空管道连接处的V11进行调控。其中,所述分析设备通过布设在与真空管道连接处的V12进行调控。其中,所述分析设备的真空度≤10-10Pa。优选地,所述分离设备为低温冷泵。优选地,所述分析设备为稀有气体同位素谱仪。其中,所述富集系统包括:用于抽取外部天然气,或将除去水分的天然气样品中未收集的其他成分抽出到外部的负压发生装置;对天然气样品进行除水处理,获得除去水分的天然气样品的除水装置;对除去水分的天然气样品进行低温收集处理,收集到以Kr和Xe为主要成分的待测样品的收集装置;用于重复上述步骤,得到具有足以检测Xe同位素的Xe含量的且以Kr和Xe为主要成分的待测样品的第一阀门组合。其中,所述负压发生装置与除水装置、收集装置均通过所述真空管道连接。所述第一阀门组合包括:使负压装置对外部天然气进行负压抽取的阀门V0和Vf;使天然气定量进样的阀门V0和V1;使除水装置对天然气进行除水处理的阀门V1和V3;使收集装置对除去水分的天然气样品进行低温收集处理的阀门V2和V4;使负压将除去水分的天然气样品中未收集的其他成分抽出到外部的阀门Vf和V1。其中,所述阀门Vf、V3、V4分别布设于负压装置、除水装置、收集装置与所述真空管道的连接处,阀门V0、V1、V2分别布设于负压装置与外部天然气储存装置连接的真空管道上、负压装置与除水装置连接的真空管道上、除水装置与收集装置的真空管道上。优选地,所述负压发生装置为分子泵。优选地,所述除水装置为酒精-液氮温度条件的冷指。优选地,所述收集装置为液氮温度条件的冷指。其中,所述纯化系统包括:用于使Kr和Xe为主要成分的待测样品中的部分杂质气体因发生反应附着在其中而被除去的反应吸附装置;用于过滤待测样品中剩余的杂质气体,获得仅由Kr和Xe组成分析样品的过滤装置;用于控制纯化系统真空环境的超负压装置,以及用于控制纯化过程的第二阀门组合。其中,所述反应吸附装置、过滤装置超负压装置均与所述真空管道连接。其中,所述第二阀门组合包括:用于将以Kr和Xe为主要成分的待测样品释放到真空管道中的阀门V2和V4;使反应吸附装置与待测样品的部分杂质气体发生反应附着在装置中以及使过滤装置中的剩余杂质气体被过滤的阀门V5、V6、V7、V8、V9、V10;以及使超负压装置产生超负压的阀门V5和V9。其中,所述阀门V7、V8分别布设于反应吸附装置、过滤装置与所述真空管道的连接处,V5、V9分别布设于超负压发生装置与所述真空管道的连接处、阀门V6、V10分别布设于收集装置与反应吸附装置连接的真空管道上、过滤装置与分子泵装置连接的真空管道上。优选地,所述反应吸附装置为海绵钛炉。优选地,所述超负压装置为分子泵。优选地,所述过滤装置为吸气泵。进一步优选地,所述吸气泵由Zr和Al制成。本发明的有益效果:1、本发明提供的一种富甲烷天然气中Xe同位素分析方法及分析装置实现了在超真空系统进行天然气大量进样的技术效果,并实现了含量极低的Xe气体的同位素分析,使检测Xe的每个稳定同位素的相对含量成为了现实,解决了本领域技术中无法获得Xe同位素含量的技术问题。2、本发明方法操作简单,只需要通过简单的调节阀门就可以获得天然气样品中Xe的同位素信息及含量。3、本发明提供的装置具有高真空、低本底的特点,结构简单,仅需要分子泵、冷指、海绵钛炉、吸气泵、低温冷泵和稀有气体同位素谱仪以及真空管道和阀门就可以连接而成,成本低,普适性广。附图说明图1是本发明提供的富甲烷天然气中Xe同位素分析装置结构示意图。图中,1、外部天然气储存装置,2、负压装置,3、吸水装置,4、收集装置,5、反应吸附装置,6、过滤装置,7、超负压装置,8、分离设备,9、同位素分析设备。具体实施方式为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体的细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。实施例1Xe的同位素分析方法1、富集处理1.1负压抽取外部天然气将真空管道进行抽真空,使其负压达到10-5Pa,打开储存天然气的装置,使外部的天然气被抽取。1.2除水处理在真空条件下,抽取的天然气在液氮-酒精控制的低温环境中,CO2和H2O发生凝结,从而将CO2和H2O收集起来,得到除去水分的天然气样品。1.3低温收集在液氮温度下,除去水分的天然气样品中的Kr和Xe被收集,得到以Kr和Xe为主要成分的待测样品。1.4其它成分的处理对真空管道再次进行抽真空,使负压达到10-5Pa,未被低温收集的其它成分被抽出外部。2、纯化处理升高步骤1.3收集的待测样品的温度,使其达到100℃,其中,升高方式可以采用现有技术中的任一一种温控装置实现,待测样本被释放并与高温下的海绵钛发生反应10-15min,使气体混合物中非稀有气体与活泼的金属钛充分反应生成非气态物质而附着在海绵钛中,从而除去活性气体,然后利用过滤装置对其它活性气体进行过滤,得到仅由Kr和Xe组成的待测样品。其中,海绵钛的温度为800℃。为实现本发明的技术目的,该阶段可以使用海绵钛炉作为反应吸附装置进行处理,过滤装置可以使用由Zr和Al制成的吸气泵进行过滤。金属钛属于非常活泼的金属,在高温下可以与除去稀有气体以外的其他气体组分发生化学反应中,从而除去活性气体。海绵钛具有大量空隙,比表面积大,与气体可以充分接触,有利于提高除去活性气体的效率。3、Kr和Xe的分离通过控制低温冷泵温度(例如使用温度控制器TC280控制冷泵温度)对稀有气体进行组分分离,具体方法是,在真空条件下,降低仅由Kr和Xe组成的分析样品的温度至140K使Xe组分被收集,再利用超负压装置将Kr抽出到外部;升高所述Xe组分温度至160K使Xe组分被释放,得到仅含Xe的分析样品,其中,超负压为10-9Pa。4、Xe的同位素测定将分离的Xe送入进行同位素测定,获得其所有稳定同位素的相对含量。该步骤可以使用稀有气体同位素谱仪进行,离子源电压7000V,灯丝电流400mA。实施例2天然气中Xe同位素分析装置如图1所示的本发明提供的天然气中Xe同位素分析装置,包括外部天然气储存装置1,负压装置2,吸水装置3,收集装置4,反应吸附装置5,过滤装置6,超负压装置7,分离设备8,和同位素分析设备9。其中,上述装置均采用真空管道连接。进一步的,所述负压装置2,吸水装置3,收集装置4,反应吸附装置5,过滤装置6,分离设备8,和同位素分析设备9与真空管道的连接处均设有阀门,分别为Vf、V3、V4、V7、V8、V11、V12。进一步的,所述真空管道上设有多个阀门,分别为布设于外部天然气储存装置1与负压装置2之间的阀门V0、布设于负压装置2与吸水装置3之间的阀门V1、布设于吸水装置3与收集装置4之间的阀门V2、布设于收集装置4与反应吸附装置5之间的V6、布设于过滤装置6与分离设备8之间的阀门V11。进一步的,所述超负压装置与所述真空管道有两个连接处,分别为设于阀门V6与反应吸附装置5之间的连接处,以及阀门V10与V12之间的连接处,两个连接处的布设的阀门分别为V5和V9。其中,所述吸水装置可以实现水分捕捉的装置,在本发明的一个实施例中,选用酒精-液氮冷指作为收集装置。其中,所述收集装置为可以实现Kr和Xe其它捕捉的装置,在本发明的一个实施例中,选用液氮冷指作为收集装置。优选地,所述反应吸附装置为海绵钛炉,其可高温下的海绵钛,使气体混合物中非稀有气体与活泼的金属钛充分反应而附着在海绵钛中,从而除去活性气体。优选的,所述过滤装置是可以纯化稀有气体的吸气泵,其由金属Zr和Al制成,常温下可以吸附氢气及其他活性气体。在本发明的一个实施例中,可以使用Zr-Al吸气泵作为本发明的吸气泵。其中,所述负压装置或超负压装置是可以对真空管道进行抽真空的装置,在本发明的实施例中,均采用分子泵作为负压装置或超负压装置,其通过扇叶高速旋转,将装置内抽为真空,与机械泵相同,同属于抽真空的泵类装置,但是其能够抽到的极限真空度要高于机械泵。其中,分离设备是可以将稀有气体Kr和Xe分离的装置,在本发明的一个实施例中采用低温冷泵作为分离设备,通过控制低温冷泵的温度,实现稀有气体Kr和Xe的分离。其中,同位素分析设备是稀有气体同位素谱仪。应用实施例在对样本分析之前,先进行空白本底试验,该试验采用本领域常用技术进行,所用装置为本发明提供的实施例2,试验测得的132Xe的空白本底仅为(3-5)×10-15cm3STP,基本可以忽略不计,不影响仪器测试及含量试验。可见,本发明提供的Xe同位素分析装置具有低本底的特点。本发明以空气作为实验室内标对待测样品进行同位素分析,即将实验室空气及待测样本(如表1所示)在本发明装置中分别进行Xe同位素分析,其中,对17个天然气样本按以下操作进行试验,内标按以下操作进行7次重复试验,具体操作如下:将分析装置调节至初始状态,即,所有阀门均处于关闭状态。首先,将采集/储存天然气样品的高压钢瓶连接至V0阀门处,打开V0、Vf抽真空至10-5Pa;然后关闭Vf,打开T2,保持20s;然后关闭V0,取V0与V1间1ml天然气;将V3处冷指保持在酒精+液氮温度,打开V1、V3,保持2min,除去样品中的水;然后关闭V3、V1,打开V2、V4,保持2min,利用液氮温度下V4处冷指富集样品中的Kr和Xe组分;然后关闭V4,打开Vf、V1,将剩余样品抽走,直至真空度恢复到10-5Pa。然后进行第二次进样,关闭V1、V2、Vf,打开V0,保持20s;然后关闭V0,取V0与V1间1ml天然气;将V3处冷指保持在酒精+液氮温度,打开V1、V3,保持2min,除去样品中的水;然后关闭V3、V1,打开V2、V4,保持2min,利用液氮温度下V4处冷指富集样品中的Kr和Xe组分;然后关闭V4,打开Vf、V1,将剩余样品抽走,直至真空度恢复到10-5Pa。然后重复第二次进样的步骤,进行10-15次天然气样品中Kr、Xe富集过程。然后关闭V2,打开V4,将V4处冷指升温至100℃,释放收集的Kr和Xe组分;关闭V5、打开V6,将海绵钛炉升温至800℃,保持10min,进一步除去样品中残余的活性气体,同时吸气泵除去样品中的H2;然后关闭V9,打开V10,低温冷泵温度降至140K,收集Xe组分,保持10min;然后关闭V11,打开V9,将Kr组分抽走,直至真空度降至10-9Pa;然后关闭V9、V10,打开V11,将低温冷泵温度升至160K,释放Xe组分,保持5min;然后打开V12,将待测Xe组分送入稀有气体质谱仪进行Xe同位素分析。测定结果如表2所示。重复上述操作步骤对实验室空气进行Xe同位素分析,测定结果如表1所示。表1空气中Xe同位素分析结果的重复性序号129Xe/132Xe131Xe/132Xe10.98240.779721.00120.795531.00010.793540.99160.788350.99390.794260.98710.790571.00270.803标准偏差0.77%0.72%表2富甲烷天然气中Xe同位素分析结果129Xe/132Xe131Xe/132Xe11.1950.78820.9850.81431.3320.88741.1640.77251.3641.07061.0010.86071.0230.79680.9610.72190.9670.768101.0120.809110.9900.753121.0760.869131.0860.831140.9800.581151.0020.692161.0130.801170.9760.904根据表1的数据可知,本发明提供的方法和装置不但测得了空气中129Xe/132Xe和131Xe/132Xe的信号值,而且其标准偏差只有0.77%,小于1%,远高于现有技术对微量元素检测的准确度和稳定性。根据表2中的数据可知,本发明提供的方法和装置成功测得了Xe含量极低的天然气样品中Xe的同位素信息。依照本领域常用的计算方式可知,根据测得的内标中Xe同位素的信号值就可以计算稀有气体质谱仪对不同Xe同位素的响应因子,然后根据响应因子及测得的天然气样品中Xe的信号值,就能够计算出天然气样品中Xe的同位素含量。可见,本发明方法不但可以检测得到Xe含量极低的天然气中Xe的同位素信号值,还可以根据测得的信号值计算获得Xe的同位素含量,因此,本发明方法可更为真实的反应页岩内部流体组成特性,所的气体地球化学信息也较为丰富,便于开展各类型的分析研究。以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之类。当前第1页1 2 3 
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