四氯化碳萃取辅助的水中甲烷拉曼探测技术研究
第 卷第 期 光 谱 学
与 光 谱 分 析
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年 月
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四氯化碳萃取辅助的水中甲烷拉曼探测技术研究
, , , ,
,
杜增丰 张文娟 侯华明 张 鑫 郑荣儿
,(中国海洋大学光学光电子实验室山东 青岛 ,,,,,,
,(中国科学院海洋研究所中国科学院海洋地质与环境重点实验室山东 青岛 ,,,,,,
摘 要 在常温常压下由于甲烷 在水中的溶解度很低使用常规拉曼光谱技术很难获得水中溶解的
,,
,
低浓度甲烷的拉曼信号为解决上述问题提出了一种四氯化碳 萃取辅助的探测新方法利用萃取作
,,,
,
用把溶解在水中的微量甲烷富集到四氯化碳溶液中通过对其中溶解
的,,,拉曼信号的探测以检验水中
微量 的存在以此提高实验室条件下水中溶解甲烷的探测灵敏度在实验室条件 下分
,,,
,,? ,,,,
,,
别对 的饱和水溶液浓度约为 ? 萃取液以及 的饱和 溶液进行了光谱
,, ,(,,,,,, , ,,, ,, ,,,
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探测分析结果表明对,,,的饱和水溶液直接探测未能获得,,, 的拉曼信号通过萃取辅助成功地
在,,,萃取液中检测到,, 的拉曼信号其强度与,, 的饱和,,,溶液的信号强度相近实现了在实验
, , , ,
室条件下对水中溶存甲烷气体的探测
关键词 四氯化碳甲烷拉曼光谱萃取作用
中图分类号 文献标识码 ,
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,
定多是采集水样后进行脱气处理得到气相甲烷后再进行气
〔〕
,
引 言 相色谱或者质谱分析 德国,,,,,,公司生产的,,,,
甲烷传感器是世界上首款可用于深海环境的甲烷传感器它
〔〕
在一定的压力和温度条件下水分子之间的氢键将相互
,
也需要进行脱气处理
〔〕
,
结合形成像笼子一样的多面体格架 这些笼型格架可以捕 对水中溶解甲烷的直接探测多采用光谱手段激光拉曼
获像甲烷这样的分子从而形成一种类似冰的固态物质称 光谱技术由于其具有原位实时非接触探测以及多组分同
之为天然气水合物又称可燃冰天然气水合物最初是在 时测试等优点在水下环境尤其是在深海极端环境下的海洋
〔〕
,
,,,,年由俄罗斯的,,,,,,,;,,,,,在研究原油和天然气
输 中溶解的甲烷浓度探测上得到了广泛应用 在水深 ,,,,
〔〕
,
,,
送管道堵塞问题时发现 从 年 第一次在西 水温 的条件下甲烷的溶解度可达 ?
,,,, ,,,,,, , ,?
,,,,,,, ,
,
〔〕
, 深海热液喷口以及海底冷泉区由于存在地层深处甲烷等烷烃
伯利亚永冻土层发现了自然状态下的天然气水合物开始
到目前为止在全球的永冻土层和海洋大陆架区域共发现了 类气体的溢出因此其附近的海水中溶存甲烷含量也较
〔 〕
,,
,,处水合物聚集区因此可燃冰作为一种储量丰富的未来 高 激光拉曼光谱技术被越来越多的应用到海底原位甲
清洁能源具有广阔的开采前景除去寒冷地区的永冻土层 烷检测美国,,,,,研究所研制了世界上第一台深海激光
外可燃冰主要储存于大陆架附近的海底沉积物中它的探 拉曼 光谱 仪 ,,, ,;,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,
,,,
, ,
测技术引起了越来越多的研究小组的兴趣现在探测天然气 ,,,,,,并且获得了气样液样固样的原位拉曼光
〔 〕
,,
水合物有多种方法对水中游离态甲烷的检测是其中的一
谱 ,,,,,,系统还用于探测海底天然气水合物人工合成
〔〕
, 过程并用于原位探测自然状态下的天然气水合物类型和化
种 与此同时大气中的甲烷对温室效应的贡献可高达
〔〕 〔 〕
, ,,
,,, 因此自然环境各种流体中溶存甲烷的浓度测定对甲 学构成 ,,,,,,,,,海洋研究所利用深海环境模拟设备
烷动态研究显得尤为重要 认为由于需要把溶解 展开了高温高压下水中溶存 和 的拉曼光谱探测研
,,,,,,,
,, ,,
, , ,
〔 〕
的甲烷从液相中分离出来导致对溶解甲烷的探测技术的发展
,,
究并且得到了定量校准
曲线 中国广州地球化学研究所
〔〕
滞后于大气中甲烷的测定 , 现阶段对溶解在水中甲烷的测 的研究人员利用拉曼光谱技术在低温高压条件下对水合物形
基金项目国家高技术研究发展计划项目 和国家自然科学
基金项目 资助
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作者简介杜增丰 年生中国海洋大学信息科学与
学院硕士研究生
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通讯联系人
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第 期 光谱学与光谱分析
,
,,,,
〔 〕
成过程中流体中残留的甲烷浓度的变化进行了观测,,,, 利 曼峰偏移至,,,,;,,,附近,,,的振动模式及拉曼峰位如
,
〔 〕
用高温高压深海模拟实验系统开展了深海热液环境下烷类 表 ,, 由表 可知 的拉曼峰位与所要探测的
, , ,,, ,,
, ,
〔 〕
,,
气体水溶液的拉曼光谱研究 但是在非高压条件下水中 拉曼峰位相隔较远两者之间不会相互影响
溶存甲烷含量较少检测难度较大常规的拉曼检测技术无
法探测到水中微量甲烷的存在 犜犪犫犾犲, 犐状狋犲狉犲狊狋犲犱犚犪犿犪状狊犲犮狋狉狅狊犮狅犻犮犻状犳狅狉犿犪狋犻狅状
狆 狆
本研究旨在利用,,,对水中低浓度溶存甲烷萃取时的
, 狅犳犆犎 犪状犱犆犆犾犪狋,,,状犿犲狓犮犻狋犪狋犻狅状
, ,
富集作用探讨一种在常温常压下利用拉曼光谱检测水中微
目标物 振动模式 拉曼频移,;,,, 拉曼峰位,,,
量溶存甲烷的新方法选取与水不互溶的,,,为萃取剂制 ,, 对称伸缩振动ν ,,,, ,,,(,,
, , ,
的弯曲振动
得甲烷的饱和水溶液后通过不同的体积比萃取水溶液中的 ,,, , ,, ν ,,, ,,,(,
, ,
的 弯曲振动
, ,, ,
ν ,,, ,,,(,
甲烷分别探测饱和水溶液和萃取后 ,,,中甲烷的,,,,, , ,
,
的 全对称伸缩振
动
, ,, , ν ,,, ,,,(,
信号,,,中甲烷的拉曼信号证明了甲烷的存在而这些甲
, ,
,
费米共振拉曼
,,, ,,, ,,,(, ,,,(,
烷是由水中萃取而来因此该方法可用于间接探测水中溶存
的微量甲烷
实验所用,,,气体
青岛瑞丰气体有限公司纯度?
,,(,,,,所用 ,,,为分析纯级天津北方天医化学试剂
, 实验部分 ,
厂为了使甲烷充分溶解以及保证萃取效果使用了磁力
搅拌仪 基本型为获得甲烷的饱和水溶液首先
仪器
向特制容器中加入一定量的去离子水然后向容器内持续缓
激光拉曼光谱采集系统如图 所示使用半导体泵浦的
,
慢通入甲烷气体并搅拌溶解 ,,,,,,利用容器底部的磁力
,,?,,,连续激光器输出波长为 ,,,,,功率为 ,,,
搅拌仪使甲烷充分溶解转速为 ? ,,认为此时
,,,,, ,,,
,,光谱仪为美国,;,,,公司生产的,,;,,,,,,,,,,,型
,
,, 容器内水溶液为实验室条件下甲烷的饱和水溶液向容器内
采用刻痕密度为 ? 的光栅闪耀波长为
,,,, ,, ,,,
,
通入空气,,,,以带出容器中水溶液上层残存的甲烷气体
探测器为 公司的 以后向收集
,, ,, ,,,,
,
将注射器内的,,,注入饱和水溶液将阀门关闭搅拌 ,,
拉曼信号的方法搭建光路激光器发出,,,,,的激光经过
,
转速为 ? ,,静置 后在容器底部得到
,,, ,,,, ,,, ,,,,,
二向色片收集透镜 入射到装有样品的比
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犳
萃取后的,,,溶液为了对比需要制备甲烷在,,,中的
色皿中后向散射拉曼信号经收集透镜 二向色片高通
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,
,
饱和溶液其制备过程和甲
烷的饱和水溶液制备过程相同
滤波片及光纤耦合透镜 进入光纤并传输
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犳
至光谱仪中最终通过,,,探测器的光电转换在计算机上
, 测试方法
显示出拉曼光谱光谱采集时光谱仪入射狭缝宽度为 ,,
μ,
为获得甲烷饱和水溶液的拉曼光谱在容器内制得甲烷
的饱和水溶液后用移液器
取出少许溶液移至比色皿中将
比色皿上部加盖密封这样可以防止水中甲烷的自然扩散以
及光谱探测过程中的受热逸散将比色皿放在搭建的激光拉
曼光路中探测实验室条件下甲烷的饱和水溶液的拉曼光谱
适当调节光路参数使信号强度最佳萃取时,,,与甲烷的
,
饱和水溶液的体积比为,?,,,按照样品制备方法得到萃取
后的,,,溶液后用移液器将,,,移入比色皿中在,,,
, , ,
层上滴入几滴纯净水然后加盖密封同样起到防止甲烷逸散
的作用将比色皿放在拉曼光路下收集萃取后 中
,,, ,,
, ,
的拉曼信号 在 中的饱和溶液的光谱探测过程和
,, ,,,
犛犮犺犲犿犪狋犻犮犱犻犪狉犪犿狅犳狋犺犲犚犪犿犪状犲狓
犲狉犻犿犲状狋犪犾狊犲狋狌 , ,
犵 犵 狆 狆
,,,的饱和水溶液的探测过程类似密封方法相同光谱探
萃取原理及样品制备方法 测过程不再赘述
在实验室条件下 在水中的溶解度很小导致水中 获得光谱的原始数据后将数据导入到数据处理软件
,,,
,,,,,,(,内进行处理
溶解的,,,浓度很低根据相似相溶原理可知相同条件
,
下 在某些特定有机溶剂中的溶解度远远大于在水中的
,,,
〔 〕 结果分析
,, ,
溶解度 这是萃取的基本原理选取 ,,,为萃取剂的原
,
因有以下几点 在 中的溶解度远远大于在水中的
,, ,,,
, ,
甲烷饱和水溶液的
拉曼光谱
溶解度同时,,,几乎与水不互溶并且能够分层考虑拉曼
,
图 所示为探测到的 的饱和水溶液的拉曼光谱
,, , ,,,
峰位的影响以,,,位于,,,,;, 的对称伸缩振动模式
从图中可以看出随着积分时间的增大水在,,,, ,,,,
,
ν的拉曼峰为探测峰溶解于水时受溶剂效应的影响该拉
,
光谱学与光谱分析
第 卷
,,,,
,,
;,,,处的拉曼峰的强度逐渐增大但在 ,,,, ,,,,;,,,
,
范围内始终看不到甲烷的拉曼峰说明实验室条件下拉曼光
谱技术无法探测到水中低浓度的溶存甲烷
萃取后 中 的拉曼光谱
犆犆犾 犆犎
, ,
图 所示为探测到的萃
取后 中 的拉曼光谱
, ,,, ,,
, ,
左图 是直接探测到的光
谱图图 是去基线之后的
,,
,,
的拉曼光谱峰从图中
可以看出 在 ,,处
,,
,, ,,,,;,
,
,
有较为明显的拉曼峰而气相,, 的强伸缩振动特征峰ν
, ,
位于 ,,在 中 的拉曼峰偏移至
,,,,;, ,,, ,, ,,,,
, ,
;,,,的原因可能是,, 分子与,,,分子相互作用使键能减
, ,
小所致
犚犪犿犪状狊犲犮狋狉犪犳狅狉狊犪狋狌狉犪狋犲犱犪狌犲狅狌狊狊狅犾狌狋犻狅状 甲烷在犆犆犾中饱和溶液的拉曼光谱
犵 狆 狇
,
狅犳犆犎 狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲状狋犻状狋犲狉犪狋犲狋犻犿犲狊 图 所示为探测到的 在 中饱和溶液的拉曼光
, 犵 , ,, ,,,
, ,
谱图 是直接探测到的光
谱图图 是去基线之后的
,,
,,
的拉曼光谱峰 萃取
液和 的饱和 溶液的
,, ,,, ,, ,,,
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拉曼光谱探测过程中除积
分时间有改变外其他参数均相同
犚犪犿犪状狊犲犮狋狉犪犳狅狉犆犆犾狊狅犾狌
狋犻狅状犪犳狋犲狉犲狓狋狉犪犮狋犻狅状狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲状狋犻状
狋犲狉犪狋犲狋犻犿犲狊
犵 狆 ,
犵
犚犪犿犪状狊犲犮狋狉犪犳狅狉狋犺犲狊犪狋狌狉犪狋犲犱犆犆犾狊狅犾狌狋犻狅状狅犳犆犎 狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲状狋犻状狋犲狉犪狋犲狋犻犿犲狊
犵 狆 , ,
犵
从图 和图 可以看出 的饱和 溶液探测得 的拉曼信号与 萃取液中探测得到的拉曼信号强度
, , ,, ,,, ,,
,,,
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到的拉曼光谱荧光背景远远低于,,,萃取液中的荧光背景 基本相同这说明两个样品中的,,,浓度基本相同由此我
,
可能的原因是,,,在萃取水中甲烷的过程中受搅拌以及水 们可以知道萃取过程中在,,,和水的体积比为,?,,,的
, ,
分子的影响改变了键能从去除基线之后的拉曼光谱图对比 条件下萃取后
的,,,溶液为,, 的饱和溶液,,,和水
,
, ,
可知相同积分时间下 ,, 的饱和 ,,,溶液中探测到的 以不同体积比萃取后的,,,溶液的拉曼光谱以及关系到
, , ,
第 期 光谱学与光谱分析
,
,,,,
水中溶存甲烷定量分析的 中 的定量定标萃取过
中的溶解度差异通过不同体积的水和 混合萃取把水
,,, ,,
,,,
, ,
,
程中萃取效果以及光谱探测过程中甲烷的逸散对浓度反演的 中溶存的微量,, 富集到,,,中探测,,,中浓度较大的
,
, ,
影响对这些问题的研究将是我们下一步工作的努力方向 ,,,的拉曼信号实验室条件下甲烷的饱和水溶液中甲烷的
,,
浓度
为 ? 通常的拉曼检测技术无法探测出
,(,,,,,, ,
, 结 论 水中此浓度下的甲烷拉曼信号本方法通过萃取作用将,,,
萃取富集到 中探测 在 中的拉曼信号通过反
,,, ,, ,,,
, , ,
提出了一种在常温常压下利用拉曼光谱技术探测水中溶
演以证明水中微量溶存甲烷的存在获得的结果表明它的可
解甲烷的新方法该方法利用相同条件下,, 在水和,,, 行性并为进一步定量分析提供了理论和实验依据
, ,
犚犲犳犲狉犲状犮犲狊
〔 〕
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〔 〕 樊栓狮陈 勇 中国科学院院刊
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〔 〕 吕万军 等 地球化学
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〔 〕 马 君曲业飞黄阳玉等
光谱学与光谱分析
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〔 〕 刘光启马连湘刘 杰
化
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学化工物性数据手册 有机卷 北京化学工业出版社
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有机化合物的特征拉曼频移
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北京中国化学会翻译出版
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犵
犛犲犮狋狉狅狊犮狅 犃狊狊犻狊狋犲犱狑犻狋犺犆犆犾犈狓狋狉犪犮狋犻狅状
狆 狆狔 ,
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光谱学与光谱分析 第 卷
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《光谱学与光谱分析》投稿简则
《光谱学与光谱分析》是由中国科协主管中国光学学会主办钢铁研究总院中国科学院物理研究所北京大学清华大学
共同承办的专业学术期刊国内外公开发行从 年起为月刊大 开本 年仍为月刊每期 页《光谱学与光谱
,,,, ,, ,,,, ,,,
分析》主要报道我国光谱学与光谱分析领域内具有创新性科研成果及时反映国内外光谱学与光谱分析的进展和动态发现并
培育人才推动和促进光谱学与光谱分析的发展为科教兴国服务读者对象为从事光谱学与光谱分析的科研人员教学人
员分析测试人员和科研管理干部
栏目设置和要求
,(研究
要求具有创新性的研究成果一般文章以,,,,字包括图表参考文献作者姓名单位和中文英文摘要
下同为宜
,(研究简报 要求在前人研究的基础上有重大改进或阶段性研究成果一般不超过,,,,字
,(评述与进展 要求评述国内外本专业的发展前沿和进展动态一般不超过,,,,,字
,(新仪器装置 要求介绍新型光谱仪器的研制开发使用性能和应用一般不超过,,,,字
,(来稿摘登 要求测试手段及方法有改进并有应用交流价值一般以,,,, ,,,,字为宜
,
稿件要求
,(投稿者请经本刊编委或历届编委一人或本专业知名专家推荐并附单位保密审查意见及作者署名顺序主要作者介
绍文章有重大经济效益或有创新者请说明同时注明受国家级基金或国家自然科学基金资助情况
,(来稿要观点明确数据真实可靠层次分明言简意明重点突出来稿必须是网上在线投稿含各种符号和外文字母大
写小写正体斜体希腊字母拉丁字母上角下角标位置应标清楚中文摘要以,,,字为宜英文摘要以,,,,字符相当
于 个英文单词为宜另附关键词要求来稿应达到齐清定中文英文文字通顺方可接受送审
,,,
为了进一步统一和完善投稿方式缩短论文发表周期本刊在 年 月 日以后不再接收以邮寄方式或 方
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式的投稿只收网上在线投稿严禁一稿多投对侵权抄袭剽窃等学术不端行为
一经发现取消三年投稿资格
,(文中插图要求完整图中坐标线条单位符号图注等应标注准确完整如
作者特殊要求需出彩色插图者必须
在投稿时事先加以说明并