CN109855913A - 地下水放射性惰性气体核素测年采样系统及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下水放射性惰性气体核素测年采样系统及其采样方法，系统包括过滤器、采样瓶、流量计、气水分离器、中空纤维薄膜接触器、真空泵和压缩泵。采样过程为：㈠取样准备，连接好采样瓶、进水管路、出水管路及通气管路，关闭各管路阀门，引水外排。㈡泄漏检查，系统抽真空，观察压缩泵入口和出口压力表2～5min有无压力变化。㈢取样，通过阀门开闭，从采样瓶抽气或向采样瓶中充气，连续三次清洗采样瓶，完成清洗后采样瓶充气采样。㈣取样后处置，取下进水管和排水管，放出系统中存水，对系统进行干燥。本发明优化了地下水放射性惰性气体核素测年采样系统和采用过程，使大气惰性气体污染得到有效控制，提高了采样效率和样品的代表性。

Description

地下水放射性惰性气体核素测年采样系统及其采样方法

技术领域

本发明属于地质样品采样分析技术领域，涉及一种地下水放射性惰性气体核素测年采样系统及其采样方法。

背景技术

放射性核素是自然界的天然时钟。当样品与大气环境脱离交换后，其中放射性示踪核素的丰度从一个已知的初始值随时间按指数函数规律衰减，因此可以根据其丰度来获得样品的地质年龄，从而了解环境样品运移或演化过程的基本信息，在地球与环境科学中的应用十分广泛。放射性惰性气体核素则是测量环境水（地下水、冰川和大洋水）样品年代的理想示踪核素。98%的惰性气体核素存在于大气中，并且在大气中的停留时间很长，因而在世界各地的分布都是均匀的。这使得放射性惰性气体核素测年结果的解释非常简单、直接。科学家们普遍认为，放射性惰性气体核素是十分理想的年龄示踪剂。如能实现对它们的常规检测，将对环境、地质、水文、气候和海洋等领域的研究起到巨大的推动作用。

由于地下水出露地表后常因压力变化而发生脱气，加之大气中的惰性气体可能造成样品污染，使采样成为一种较难掌握并常关系到工作成败的关键技术，现有的采样技术还难以满足地下水放射性惰性气体核素测年对准确度的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效控制大气源污染的地下水放射性惰性气体核素测年采样系统，优化采样程序，简化采样操作，提高样品的代表性，以满足地下水放射性惰性气体核素测年对准确度的要求。本发明的另一目的是提供一种能有效控制大气源污染的地下水放射性惰性气体核素测年采样方法。

本发明的技术方案是：地下水放射性惰性气体核素测年采样系统包括过滤器、采样瓶、流量计和气水分离器，采样瓶设有采样入口阀。采样系统设有中空纤维薄膜接触器、真空泵和压缩泵。空纤维薄膜接触器设有下部入水口、上部出水口和上、下出气口。过滤器的入口与进水管路连接，出口通过流量计连接到三通阀。三通阀的一路出口连接到空纤维薄膜接触器的下部入水口，另一路出口连接到排水口，空纤维薄膜接触器的上部出水口通过出水阀连接到排水口。空纤维薄膜接触器的上、下出气口通过气水分离器、1号阀和2号阀连接到压缩泵，压缩泵出口通过8号阀、6号阀和4号阀连接到采样入口阀。真空泵连接到5号阀，5号阀出口一路连接到6号阀与4号阀之间的管路，另一路通3号阀连接到1号阀与2号阀之间的管路。

压缩泵的外部设有保护罩，保护罩内充满氮气或惰性气体。采样系统设有膜接触器水出口压力表、压缩泵入口压力表和压缩泵出口压力表，膜接触器水出口压力表安装在中空纤维薄膜接触器的上部出水口，压缩泵入口压力表安装在1号阀的出口，压缩泵出口压力表安装在8号阀的出口。采样系统设有通气口，通气口通过7号阀连接到8号阀与6号阀之间管路。

本发明地下水放射性惰性气体核素测年采样方法，步骤包括：

㈠取样准备

⑴连接好采样系统管路，关闭各管路阀门，连接好采样瓶、进水管路、出水管路及通气管路；

⑵确认中空纤维薄膜接触器的出水阀为关闭状态，旋转三通阀至通向排水口的位置，使水流绕开中空纤维薄膜接触器；

⑶打开进水，使进水流经过滤器（1）、流量计（3）、三通阀和排水口直接外排；

⑷打开过滤器（1）上的排气嘴，若喷出不连续的水流，则过滤器中存在气泡，待喷出连续水流后关闭排水嘴；

⑸检查水温不超过70℃。

㈡泄漏检查

⑴打开除气水分离器出口的1号阀和与通气口连接的7号阀以外的各路阀门，使气水分离器后的系统后部为封闭体系；

⑵打开采样瓶的采样入口阀，检查压缩泵入口压力表的压力，确认其为大气压力或低于一个大气压（1000 mbar）；

⑶打开真空泵抽真空，当压缩泵入口压力表和压缩泵出口压力表压力不再下降时关闭真空泵出口的5号阀；

⑷观察压缩泵入口压力表和压缩泵出口压力表2～5min有无压力变化，无明显变化为没有泄露。

㈢取样

⑴三通阀出口转向水经过中空纤维薄膜接触器，打开出水阀；

⑵调整阀门使压缩泵至通气口的管路连通，打开至通气口的7号阀门，启动压缩泵；

⑶缓慢打开压缩泵入口的2号阀，使中空纤维薄膜接触器、气水分离器与压缩泵连通，调节压缩泵的空气流量使压缩泵的入口压力为120 ～140mbar，持续3min；

⑷关闭开至通气口的7号阀门，打开至采样瓶的6号阀和4号阀，使压缩泵出口与采样瓶连通；

⑸通过调整真空泵出口的5号阀和与压缩泵连通的6号阀的开闭，从采样瓶抽气或向采样瓶中充气，连续三次清洗采样瓶；

⑹完成清洗后调整阀门，采样瓶充气；

⑺当压缩泵出口压力达到4000mbar时，关闭采样入口阀，调整阀门使压缩泵出口通向通气口。

㈣取样后处置

⑴取下采样瓶，关闭压缩泵和真空泵；

⑵关闭各管路阀门，关闭进水阀门，取下进水管和排水管；

⑶松开空纤维薄膜接触器下部的螺母，放出存水；放出气水分离器中的存水；

⑷通过抽真空的方式对汽水分离器后的系统后部进行干燥，干燥时间为30min；

⑸将采样系统拆装分件装箱。

本发明通过由源水过滤器、气样钢瓶、流量计、气水分离器、中空纤维膜接触器、带气罩箱的无油增压泵、流量调节阀、压力传感器和各管路阀门等组成的地下水放射性惰性气体核素测年采样系统，采用多种大气源污染控制技术，给出了具有较强可操作性的采样程序。本发明建立的采样方法具有的优势在于：⑴采用带气罩箱的无油增压泵将源水中脱出的气体打入钢瓶，气罩箱中的正压高纯氮气有效阻止了因无油增压泵运动机件的高渗漏率引起的大气源污染；⑵利用无油增压泵在排气口连通大气时进气口形成的较低负压以样品气体多次冲洗系统管路来清除系统中的残留大气，较之采用真空泵更为有效，真空泵产生的较高真空度会导致系统组件产生高渗漏率；⑶ 在实验室采用密闭性更有保证的专用真空系统以高纯氮气多次清洗气样钢瓶后充入正压高纯氮气，对大气的清除更为彻底，并使现场操作程序得以简化；⑷采样系统不使用真空泵，使阀门和接头数量减少，系统渗漏率降低，加之采用可拆装的无油增压泵，使系统便携性增强。

附图说明

图1为本发明地下水放射性惰性气体核素测年采样系统的流程示意图；

其中：1—过滤器、2—出水阀、3—流量计、4—三通阀、5—中空纤维薄膜接触器、6—采样入口阀、7—气水分离器、8—1号阀、9—2号阀、10—压缩泵、11—4号阀、12—5号阀、13—真空泵、14—3号阀、15—6号阀、16—7号阀、17—8号阀、18—采样瓶、19—膜接触器水出口压力表、20—压缩泵入口压力表、21—压缩泵出口压力表、22—保护罩。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

本发明地下水放射性惰性气体核素测年采样系统，如图1所示，包括过滤器1、采样瓶18、流量计3、气水分离器7、中空纤维薄膜接触器5、真空泵13、压缩泵10、膜接触器水出口压力表P1、压缩泵入口压力表P2、压缩泵出口压力表P3、三通阀4和各个管路阀门，采样瓶设有采样入口阀6，空纤维薄膜接触器设有下部入水口、上部出水口和上、下出气口。过滤器的入口与进水管路连接，出口通过流量计连接到三通阀4、三通阀的一路出口连接到空纤维薄膜接触器的下部入水口，另一路出口连接到排水口，空纤维薄膜接触器的上部出水口通过出水阀2连接到排水口。空纤维薄膜接触器的上、下出气口通过气水分离器、1号阀8和2号阀9连接到压缩泵10入口，压缩泵出口通过8号阀17、6号阀15和4号阀11连接到采样入口阀6。真空泵连接到5号阀12，5号阀出口一路连接到6号阀与4号阀之间的管路，另一路通3号阀14连接到1号阀与2号阀之间的管路。压缩泵10的外部设有保护罩22，保护罩内充满氮气，氮气作为保护气体防止泄露，避免样品气体受到大气的污染。膜接触器水出口压力表安装在中空纤维薄膜接触器的上部出水口，压缩泵入口压力表安装在1号阀8的出口，压缩泵出口压力表安装在8号阀17的出口。采样系统设有通气口，通气口通过7号阀16连接到8号阀17与6号阀15之间的管路。

本发明地下水放射性惰性气体核素测年采样过程为：

㈠取样准备

⑴按图1所示连接好取样系统管路，关闭各管路阀门，连接好采样瓶18、进水管路、出水管路及通气管路；

⑵确认中空纤维薄膜接触器5的出水阀2为关闭状态，旋转三通阀4至排水口位置；

⑶打开进水，使进水经过滤器1三通阀和排水口直接外排（不经过中空纤维薄膜接触器5）；

⑷检测过滤器有无气泡，有气泡及时处理；

⑸检查水温为68～70℃。

㈡泄漏检查

⑴打开2号阀9、压缩泵10、4号阀11、5号阀12、真空泵13、3号阀14、6号阀15和8号阀17，使气水分离器后的系统后部为封闭的体系；

⑵打开采样瓶18的采样入口阀6，检查压缩泵入口压力表P2的压力，确认其为大气压力或低于一个大气压（950～1000 mbar）；

⑶打开真空泵13抽真空，当压缩泵入口压力表和压缩泵出口压力表P3压力不再下降时关闭真空泵出口的5号阀12；

⑷观察压缩泵入口压力表和压缩泵出口压力表2～5min有无压力变化，无明显变化为没有泄露。

㈢取样

⑴将三通阀4出口转向水经过中空纤维薄膜接触器5，打开出水阀2；

⑵调整阀门使压缩泵10至通气口的管路连通，打开至通气口的7号阀门16，启动压缩泵10；

⑶缓慢打开压缩泵入口的2号阀9，使中空纤维薄膜接触器5、气水分离器7与压缩泵连通，调节压缩泵的空气流量使压缩泵的入口压力为120 ～140mbar，持续3min；

⑷关闭开至通气口的7号阀门16，打开至采样瓶18的6号阀15和4号阀11，使压缩泵出口与采样瓶连通；

⑸通过调整真空泵出口的5号阀12和与压缩泵连通的6号阀15的开闭，从采样瓶抽气或向采样瓶中充气，连续三次进行清洗采样瓶；抽气时4号阀11和5号阀12打开，充气时打开8号阀17、6号阀15和4号阀11；

⑹完成清洗后调整阀门，采样瓶充气；

⑺当压缩泵出口压力P3达到4000mbar时，关闭采样入口阀6，调整阀门使压缩泵出口通向通气口。

㈣取样后处置

⑴取下采样瓶18，关闭压缩机10和真空泵13；

⑵关闭各管路阀门，关闭进水阀门，取下进水管和排水管；

⑶松开空纤维薄膜接触器5下部的螺母，放出存水；放出气水分离器中的存水；

⑷通过抽真空的方式对汽水分离器7后的系统后部进行干燥，干燥时间为30min；

⑸将采样系统拆装分件装箱。

Claims (5)

1.一种地下水放射性惰性气体核素测年采样系统，包括过滤器（1）、采样瓶（18）、流量计（3）和气水分离器（7），所述采样瓶设有采样入口阀（6）；其特征是：所述采样系统设有中空纤维薄膜接触器（5）、真空泵（13）和压缩泵（10），所述空纤维薄膜接触器设有下部入水口、上部出水口和上、下出气口；所述过滤器的入口与进水管路连接，出口通过流量计连接到三通阀（4）；所述三通阀的一路出口连接到空纤维薄膜接触器的下部入水口，另一路出口连接到排水口，所述空纤维薄膜接触器的上部出水口通过出水阀（2）连接到排水口；所述空纤维薄膜接触器的上、下出气口通过气水分离器、1号阀（8）和2号阀（9）连接到压缩泵（10），所述压缩泵出口通过8号阀（17）、6号阀（15）和4号阀（11）连接到采样入口阀（6）；所述真空泵连接到5号阀（12），5号阀出口一路连接到6号阀与4号阀之间管路，另一路通3号阀（14）连接到1号阀与2号阀之间管路。

2.根据权利要求1所述的地下水放射性惰性气体核素测年采样系统，其特征是：所述压缩泵（10）的外部设有保护罩（22），所述保护罩内充满氮气或惰性气体。

3.根据权利要求1所述的地下水放射性惰性气体核素测年采样系统，其特征是：所述采样系统设有膜接触器水出口压力表（P1）、压缩泵入口压力表（P2）和压缩泵出口压力表（P3），所述膜接触器水出口压力表安装在中空纤维薄膜接触器（5）的上部出水口，所述压缩泵入口压力表安装在1号阀（8）的出口，所述压缩泵出口压力表安装在8号阀（17）的出口。

4.根据权利要求1所述的地下水放射性惰性气体核素测年采样系统，其特征是：所述采样系统设有通气口，所述通气口通过7号阀（16）连接到8号阀（17）与6号阀（15）之间的管路。

5.一种权利要求1所述的地下水放射性惰性气体核素测年采样系统的采样方法，步骤包括：

㈠取样准备

⑴连接好取样系统管路，关闭各管路阀门，连接好采样瓶（18）、进水管路、出水管路及通气管路；

⑵确认中空纤维薄膜接触器（5）的出水阀（2）为关闭状态，旋转三通阀（4）至排水口位置；

⑶打开进水，使进水流经过滤器（1）、流量计（3）、三通阀和排水口直接外排；

⑷通过过滤器（1）上的排气嘴来检查过滤器中有无气泡，打开排气嘴，若喷出不连续的水流，则过滤器中存在气泡，待喷出连续水流后关闭排水嘴；

⑸检查水温不超过70℃；

㈡泄漏检查

⑴打开除气水分离器（7）出口的1号阀（8）和与通气口连接的7号阀（16）以外的各路阀门，使气水分离器后的系统后部为封闭体系；

⑵打开采样瓶（18）的采样入口阀（6），检查压缩泵入口压力表（P2）的压力，确认其为大气压力或低于一个大气压；

⑶打开真空泵（13）抽真空，当压缩泵入口压力表和压缩泵出口压力表（P3）压力不再下降时关闭真空泵出口的5号阀（12）；

⑷观察压缩泵入口压力表和压缩泵出口压力表2～5min有无压力变化，无明显变化为没有泄露；

㈢取样

⑴将三通阀（4）出口转向水经过中空纤维薄膜接触器（5），打开出水阀（2）；

⑵调整阀门使压缩泵（10）至通气口的管路连通，打开至通气口的7号阀门（16），启动压缩泵（10）；

⑶缓慢打开压缩泵入口的2号阀（9），使中空纤维薄膜接触器（5）、气水分离器（7）与压缩泵连通，调节压缩泵的空气流量使压缩泵的入口压力为120 ～140mbar，持续3min；

⑷关闭开至通气口的7号阀门（16），打开至采样瓶（18）的6号阀（15）和4号阀（11），使压缩泵出口与采样瓶连通；

⑸通过调整真空泵出口的5号阀（12）和与压缩泵连通的6号阀（15）的开闭，从采样瓶抽气或向采样瓶中充气，连续三次清洗采样瓶；

⑹完成清洗后调整阀门，采样瓶充气；

⑺当压缩泵出口压力（P3）达到4000mbar时，关闭采样入口阀（6），调整阀门使压缩泵出口通向通气口；

㈣取样后处置

⑴取下采样瓶（18），关闭压缩泵（10）和真空泵（13）；

⑵关闭各管路阀门，关闭进水阀门，取下进水管和排水管；

⑶松开空纤维薄膜接触器（5）下部的螺母，放出存水；放出气水分离器中的存水；

⑷通过抽真空的方式对汽水分离器（7）后的系统后部进行干燥，干燥时间为30min；

⑸将采样系统拆装分件装箱。