一种从环境水中分离提取溶解气的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及真空系统设计、系统流程控制以及溶解气提取技术领域，特别是涉及一种利用膜脱气真空收集技术从环境水中分离提取溶解气的系统和方法。
【背景技术】
[0002]通过测量环境水(如地下水、地表水、海洋水或者冰心溶解水等)中的放射性惰性气体同位素(如39Ar和81Kr、85Kr)的含量，结合同位素的半衰期，可以获得环境水的年代。现阶段，这种年代测量的样品通常为较纯的气体样品。因此为了方便测量，首先需要将环境水中溶解气体快速高效无污染地分离提取出来。
[0003]由于气体在环境水中的溶解量一般为10_30mL/L，应用中需要避免少量甚至极少量的空气污染，尤其所提取溶解气总量在十升水平时。另外，环境水中溶解气的提取实验主要发生在野外(例如沙漠、盆地、海洋等极端条件)，这对系统便携性、易操作性提出了极高的要求。目前，国际上主要采用的是脱气压缩收集技术提取环境水中的溶解气，通常使用的方法包括两种:一种是真空雾化脱气压缩收集([l]SmethieJrj W.M.；Mathieu,G.!Measurement of krypton-85 in the ocean.Marine Chemistry18(1986), N0.1，17-33)，采用真空泵使系统真空化，然后利用高压真空雾化作用提取环境水中溶解气，最后利用压缩机压缩收集，此种方法脱气效率低，系统复杂，操作不便；另一种是膜脱气压缩收集([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)，采用真空泵使系统真空化，利用一种疏水性多孔中空纤维膜使环境水与溶解气分离，最后利用压缩机压缩收集溶解气，此种方法虽然脱气效率较高，但是仍然使用气体压缩收集技术，甚至是多级气体压缩技术，加大了成本和系统复杂性，同时增加了操作、携带与维护的难度，对于某些极端野外环境下并不适用。因此亟待需要一种能够兼顾高速高效，系统简单，操作、携带与维护方便的脱气系统，从而极大地扩展它的使用范围。
【发明内容】
[0004]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种操作简单、便携的利用膜脱气真空收集技术从环境水中分离提取溶解气的系统及方法。
[0005]本发明为实现发明目的，采用如下技术方案:
[0006]本发明从环境水中分离提取溶解气的系统包括水质处理装置、膜脱气装置、真空收集装置和流程控制装置，其中:
[0007]所述水质处理装置用于除去环境水中的杂质颗粒，并对所述环境水的压力、温度、流速和流量进行记录；
[0008]所述膜脱气装置用于将来自所述水质处理装置的环境水进行气液分离，脱出其中的溶解气，并将完成脱气后的环境水持续排出；
[0009]所述真空收集装置用于先后完成整个系统的真空化以及系统清洗，然后将所述膜脱气装置产生的溶解气持续性地泵浦入气瓶中收集；
[0010]所述流程控制装置用于控制系统的各个部件的工作，包括控制整个系统操作流程所需的电子器件的工作以及开关状态。
[0011]本发明从环境水中分离提取溶解气的系统的结构特点还在于:所述水质处理装置包括过滤器、水压计、水温计和水流量计，其中:所述过滤器用于过滤除去环境水中的杂质颗粒；所述水压计用于监测经所述过滤器过滤后的环境水的压力；所述水温计用于监测经所述过滤器过滤后的环境水的温度；所述水流量计用于记录经所述过滤器过滤后的环境水的流速以及流量。
[0012]在所述膜脱气装置内设置有脱气膜，所述脱气膜用于将来自所述水质处理装置的环境水进行气液分离，脱出其中的溶解气体，并将脱出溶解气体之后的环境水持续排出。
[0013]所述真空收集装置包括隔膜泵、第一压力计和第二压力计，其中:所述隔膜泵用于先后完成整个系统的真空化以及系统清洗，然后将所述膜脱气装置产生的溶解气持续泵浦入气瓶中收集；所述第一压力计和所述第二压力计分别用于监视所述隔膜泵前后的气压，以判断所述隔膜泵收集溶解气的程度以及判断最终收集得到的溶解气总量。
[0014]在本发明从环境水中提取溶解气的系统中，通过有效优化并合理分配所述膜脱气装置、所述真空收集装置与所述流程控制装置的尺寸结构，可以实现装置的便携性和易维护性。
[0015]在本发明中，所述环境水选自地下水、地表水、海洋水或者冰芯溶解水。
[0016]本发明还公开了利用上述系统从环境水中分离提取溶解气的方法，所述方法包括:
[0017]水质处理步骤，是将环境水通入水质处理装置中，用过滤器过滤除去环境水中的杂质颗粒，然后将经所述过滤器过滤后的环境水通过水压计监测水压、水温计监测水温以及水流量计记录流速和流量后，送入所述膜脱气装置中；
[0018]系统清洗步骤，是用所述真空收集装置中的隔膜泵首先将系统中的空气泵浦至系统外，然后是将经所述水质处理装置处理后的环境水通入所述膜脱气装置中，通过脱气膜脱出其中的溶解气，并用隔膜泵将所脱出的溶解气持续性地泵浦至系统外，以排除系统内的泵浦残余空气，从而实现环境水中溶解气对系统的清洗；
[0019]膜脱气步骤，是用脱气膜将所述水质处理装置处理后的环境水进行气液分离，脱出其中的溶解气，并将完成脱气后的环境水持续排出；
[0020]和真空收集步骤，是在第一压力计和所述第二压力计监视下，用隔膜泵将所述膜脱气装置产生的溶解气持续泵浦入气瓶中收集。
[0021]通过本发明的方法，可以有效无污染地分离提取环境水中的主要溶解气包括氮气、氧气、氩气、二氧化碳、氪气和甲烷。
[0022]本发明的隔膜泵首先用于系统抽真空，但是隔膜泵的极限真空较差，无法完全将系统内空气抽空，而这部分空气残余会对溶解气样品产生污染，因此需要再用溶解气将这部分空气残余进行稀释，排出系统之外，从而最大程度降低空气污染。
[0023]与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0024]本发明利用膜脱气真空收集技术从环境水(如地下水、地表水、海洋水或者冰芯溶解水等)中提取溶解气的系统和方法是一种高效率、低成本的综合利用脱气膜气体分离、真空泵气体收集等方法提取其中的溶解气的技术。该方法所提取的溶解气，通过进一步的惰性气体富集分离，可用于环境样品的同位素示踪分析等应用，例如进行放射性同位素39Ar 和 81Kr、85Kr 测年等。
[0025]本发明的系统具有成本低、操作简单、脱气效率高、易于便携与维护等特点，并且重量低、尺寸小，单人可背带，对极端的野外环境几乎没有任何使用限制，因此非常适合环境水溶解气的提取。
【附图说明】
[0026]为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为本公开实施例公开的从环境水中分离提取溶解气的系统的一种结构示意图；
[0028]图中标号:110水质处理装置；1101过滤器；1102水压计；1103水温计；1104水流量计；102膜脱气装置；120真空收集装置；1201第一压力计；1202隔膜泵；1203第二压力计；101流程控制装置。
【具体实施方式】
[0029]为使本