CN115343125A - 一种碳酸盐沉淀装置及碳酸盐锂同位素分析方法 - Google Patents

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CN115343125A CN202210944724.6A CN202210944724A CN115343125A CN 115343125 A CN115343125 A CN 115343125A CN 202210944724 A CN202210944724 A CN 202210944724A CN 115343125 A CN115343125 A CN 115343125A
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Abstract

本发明公开了一种碳酸盐沉淀装置及碳酸盐锂同位素分析方法，其中，碳酸盐沉淀装置包括恒温箱、第一进样室和第二进样室，恒温箱的内部空间用于容纳反应溶液，恒温箱内设有pH计，恒温箱设有与外界大气连通的单向通气阀；第一进样室和第二进样室用于向恒温箱内供入CaCl2溶液和Na2CO3溶液，酸性气源、碱性气源和惰性气源用于向恒温箱内供入酸性气体、碱性气体、惰性气体。碳酸盐锂同位素分析方法能够测定不同pH条件下碳酸盐沉淀过程中平衡状态与非平衡状态下的锂同位素与pH值的关系，建立δ7Licarb与溶液pH值之间的关系方程，开展非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的研究，对碳酸盐沉淀过程中溶液pH值对锂同位素分馏的影响研究具有重要意义。

Description

一种碳酸盐沉淀装置及碳酸盐锂同位素分析方法
技术领域
本发明涉及碳酸盐沉淀及锂同位素分析技术领域，尤其涉及一种在密封蒸发条件下的碳酸盐沉淀装置及碳酸盐锂同位素分析方法。
背景技术
目前，碳酸盐沉淀过程中Mg、Ba、B等元素的同位素动力学分馏机理研究，是在25℃和1bar pCO2条件下通过方解石种子进行低镁方解石的生长实验。实验过程中，向反应容器内添加两种(Ca,(Mg),(Ba))Cl2和Na2CO3/(H3BO3)溶液引起沉淀，可以通过改变入口溶液的摩尔浓度和/或改变流速来改变沉淀速率使方解石沉淀，沉淀速率随时间增加。
现有碳酸盐沉淀装置在反应过程中，通过添加酸液或碱液实现pH值调节，但pH调节精度低，波动范围较大，影响测试结果准确性；而且现有碳酸盐沉淀装置将恒温水箱作为反应容器，使反应溶液处于恒温状态，但添加的(Ca,(Mg),(Ba))Cl2和Na2CO3/(H3BO3)溶液温度往往与恒温水箱内的温度不一致与恒温水箱内的溶液存在温度差，添加溶液后短暂一段时间内，恒温水箱内的溶液温度并不均衡，添加溶液所带来的温度差会影响沉淀实验效果，而且造成了反应容器中溶液体积的增大。另外，利用现有碳酸盐沉淀装置进行碳酸盐沉淀实验，在实验过程中，无法阶段性的取出不同时间段内碳酸盐沉淀物，生成的碳酸盐沉淀物只能在完成实验后将恒温箱打开，将含有碳酸盐沉淀物的溶液全部取出并过滤，才能获得碳酸盐沉淀物，最终获得的碳酸盐沉淀物是所有时间段内的碳酸盐沉淀物的混合物，对最终分析结果带来误差。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种碳酸盐沉淀装置及碳酸盐锂同位素分析方法，用以解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，提供一种碳酸盐沉淀装置，包括：
恒温箱，包括箱体和盖体，箱体的内部空间被配置为容纳反应溶液；盖体密封拆卸设置在箱体上，盖体上设有第一单向通气阀，以供内部空间的气体排出至外界大气；
第一进样室，第一进样室被配置为容纳CaCl2溶液，并通过第一进液管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入CaCl2溶液；
第二进样室，第二进样室被配置为容纳Na2CO3溶液，并通过第二进液管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入Na2CO3溶液；
酸性气源，酸性气源通过供酸气管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入酸性气体；
碱性气源，碱性气源通过供碱气管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入碱性气体；
惰性气源，惰性气源通过供惰性气管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入惰性气体；
pH计，设于箱体内，用于实时监测箱体内溶液的pH值。
进一步地，箱体包括同轴布置的内箱体和外箱体，内箱体的外壁与外箱体的内壁之间具有加热空间；第一进液管路包括第一供液管和第一进液通道，第一进液通道具有第一进液口和第一出液口，第一进液口通过第一供液管与第一进样室连通，第一出液口与内箱体的内部空间连通；第二进液管路包括第二供液管和第二进液通道，第二进液通道具有第二进液口和第二出液口，第二进液口通过第二供液管与第二进样室连通，第二出液口与内箱体的内部空间连通；供酸气管路、供碱气管路和供惰性气管路具有共用的进气通道和主供气管，进气通道具有第一进气口和第一出气口，主供气管具有第二进气口和第二出气口，第二进气口通过三条分支管路分别与酸性气源、碱性气源、惰性气源连接，第二出气口与第一进气口连通，第一出气口与内箱体的内部空间连通；其中，第一进液通道、第二进液通道和进气通道设于加热空间内。
进一步地，内箱体内设有多个第一潜水泵，多个第一潜水泵的第一喷水口围绕内箱体的中心线顺时针或逆时针布置。
进一步地，内箱体内还设有至少一个第二潜水泵，第二潜水泵的第二喷水口与第一潜水泵的第一喷水口的喷射方向不同。
进一步地，内箱体的底部中心设有沉淀物出口，沉淀物出口连接有出料通道，出料通道穿过外箱体的底部中心与外箱体的外部连通；出料通道上设有第四阀。
进一步地，还包括收集瓶，收集瓶的进料口与出料通道的出料口拆卸连接。
进一步地，盖体上还设有Li源注射器，Li源注射器的注射端伸入内箱体中的液面以下，用于向达到碳酸盐沉淀平衡后的反应溶液中定量加入LiCl溶液。
进一步地，第一进液通道、第二进液通道和进气通道的长度均大于各自两端口之间的直线距离。
进一步地，第一进液口、第二进液口设于外箱体的底壁，第一出液口、第二出液口设于内箱体的顶部侧壁；第一进气口设于外箱体的顶部侧壁，第一出气口设于内箱体的底壁。
进一步地，内箱体由导热材料制成，外箱体由隔热材料制成。
进一步地，第一进液通道、第二进液通道和进气通道之间由分隔件隔开，且内箱体的外壁构成第一进液通道、第二进液通道和进气通道的通道壁的一部分。
进一步地，第一出液口、第二出液口、第一出气口均设有单向阀。
进一步地，盖体密封设置在内箱体和外箱体的顶部开口，盖体设有第一密封部、第二密封部、第三密封部，分别与密封安装于第一进液通道、第二进液通道和进气通道的顶部开口。
进一步地，第一供液管、第二供液管上均设有蠕动泵。
进一步地，内箱体的底壁与外箱体的底壁之间设有支座，支座设有中心通孔，支座与内箱体同轴设置，出料通道穿过中心通孔。
另一方面，还提供一种碳酸盐锂同位素分析方法，利用上述的碳酸盐沉淀装置，包括如下步骤：
步骤一：以海水为母液，配置含B的CaCO3反应溶液；
步骤二：将反应溶液加入恒温箱后密封；启动恒温箱使反应溶液维持25℃恒温；
步骤三：通过第一蠕动泵和第二蠕动泵将第一进样室、第二进样室中的CaCl2和Na2CO3两种溶液定量、缓慢的泵送至恒温箱的反应溶液中，至沉淀平衡；
步骤四：利用Li源注射器向平衡溶液中定量加入LiCl溶液，并在密封条件下实现CaCO3饱和沉淀；
步骤五：收集平衡后沉淀的碳酸盐沉淀物，对碳酸盐沉淀物进行同位素测试，得到碳酸盐锂同位素测试结果，进而得到pH值与碳酸盐锂同位素的关系结果。
进一步地，在步骤五中，在不同pH值进行沉淀实验时，在第一次实验取出全部沉淀碳酸盐后，向恒温箱内存留的反应溶液中继续添加CaCl2和Na2CO3溶液，在沉淀达到平衡前每间隔24小时收集非平衡状态下沉淀的碳酸盐，开展非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的分析测试。
进一步地，步骤四中，在加入LiCl溶液后，利用惰性气源向反应溶液中供入惰性气体，或者，利用惰性气源和碱性气源向反应溶液中供入惰性气体与碱性气体的混合气，惰性气体由第一单向通气阀排出至外界大气的过程中带走水蒸气，实现CaCO3饱和沉淀。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：
a)本发明提供的碳酸盐沉淀装置，不仅通过Na2CO3溶液粗略调节反应溶液pH值，还使用酸性气体和碱性气体对溶液PH值进行微调，能够精确调节反应溶液的pH值，以确保溶液pH值在达到稳态，pH值波动范围在±0.03以内，pH值的控制调节精度高。
b)本发明提供的碳酸盐沉淀装置，通过在内箱体与外箱体之间设置加热空间，并且第一进液通道、第二进液通道和进气通道位于加热空间内，能够对供入内箱体之前的CaCl2溶液、Na2CO3溶液、惰性气体、酸性气体和碱性气体进行加热，使得加入恒温箱内反应溶液的两种溶液和酸、碱气体及惰性气体的温度与恒温箱内的温度保持一致，避免因加入液体或气体的温度与反应溶液的温度存在差值，影响反应效果，确保整个沉淀过程中均在恒温下进行，从而能够提升试验结果准确性。
c)本发明提供的碳酸盐沉淀装置，通过在内箱体的底部中心设有沉淀物出口，沉淀物出口连接有出料通道，出料通道穿过外箱体的底部中心与外箱体的外部连通，在取样时，利用多个顺时针或逆时针布置的第一潜水泵使恒温箱内的反应溶液形成旋涡，碳酸盐沉淀物在旋涡的作用下聚集在沉淀物出口，并由出料通道流出收集在收集瓶中，碳酸盐沉淀物的收集方便、快捷；而且实验过程中每隔一段时间都可以把此时间段内的碳酸盐沉淀物全取出来。
d)本发明提供的碳酸盐锂同位素分析方法，利用同一碳酸盐沉淀装置就能够测定不同pH条件下碳酸盐沉淀过程中平衡状态与非平衡状态下的锂同位素与pH值的关系，建立δ7Licarb与溶液pH值之间的关系方程，开展非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的研究，对碳酸盐沉淀过程中溶液pH值对锂同位素分馏的影响研究具有重要意义。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例中碳酸盐沉淀装置的立体结构示意图；
图2为实施例中碳酸盐沉淀装置的剖面结构示意图；
图3为实施例中碳酸盐沉淀装置的恒温箱箱体的俯视图；
图4为实施例中碳酸盐锂同位素分析方法的操作流程图。
附图标记：
1、内箱体；2、外箱体；
3、盖体；3-1、第一密封部；3-2、第二密封部；3-3、第三密封部；3-4、第一单向通气阀；
4、第一进样室；4-1-第一供液管；4-2、第一蠕动泵；
5、第二进样室；5-1、第二供液管；5-2、第二蠕动泵；
6、第一进液通道；6-1、第一进液口；6-2、第一出液口；
7、第二进液通道；7-1、第二进液口；7-2、第二出液口；
8、酸性气源；8-1-第一阀；
9、碱性气源；9-1-第二阀；
10、惰性气源；10-1-第三阀；
11、进气通道；11-1、第一进气口；11-2、第一出气口；11-21、第二单向通气阀；
12、pH计；
13、第一潜水泵；13-1、第一喷水口；
14、沉淀物出口；15、出料通道；15-1、第四阀；16、收集瓶；17、Li源注射器；18、主供气管；18-1、第五阀；19-支座；
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
实施例1
本发明的一个具体实施例，如图1至图3所示，公开了一种碳酸盐沉淀装置，包括：
恒温箱，被配置为使反应空间内的溶液维持恒定温度，恒温箱包括箱体和盖体3，箱体的内部空间被配置为容纳反应溶液；盖体3密封拆卸设置在箱体上，盖体3上设有第一单向通气阀3-4，以供内部空间的气体排出至外界大气；
第一进样室4，第一进样室4被配置为容纳CaCl2溶液，并通过第一进液管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入CaCl2溶液；
第二进样室5，第二进样室5被配置为容纳Na2CO3溶液，并通过第二进液管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入Na2CO3溶液；
酸性气源8，酸性气源8通过供酸气管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入酸性气体；
碱性气源9，碱性气源9通过供碱气管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入碱性气体；
惰性气源10，惰性气源10通过供惰性气管路与箱体的内部空间连通，以向内部空间供入惰性气体；
pH计12，设于箱体内，用于实时监测箱体内溶液的pH值，可选的，pH计12的型号为PHG-217D，其分辨率0.01pH。
实施时，以海水为母液，配置一定pH条件下的反应溶液，反应溶液为含B离子的CaCO3饱和溶液。利用盖体3将箱体密封，恒温箱工作，使箱体内的反应溶液维持恒定温度，25±0.5℃；通过蠕动泵缓慢泵送进样室中的CaCl2和Na2CO3两种溶液至箱体中。在每次实验中，两种溶液的加入使反应溶液中方解石的饱和度越来越高，pH升高。同时，碳酸盐沉积速率R增加，直到沉积速率R等于添加CaCl2和Na2CO3的速度，沉淀达到平衡。碳酸盐沉积速率R可以通过蠕动泵的泵速来调节，溶液的pH值可以利用Na2CO3溶液进行粗调，通过气体调节室酸性气源8和碱性气源9向反应溶液中供入酸性气体或碱性气体实现反应溶液的pH值微调节，使pH值波动范围在±0.03以内。例如，实验可以分别在pH值为7.4±0.03、7.8±0.03、8.2±0.03、8.6±0.03和9.0±0.03的条件下进行，每个pH值进行重复试验。
在双蠕动泵泵送Ca2+和CO3 2-的添加率等于Ca2+和CO3 2-的沉淀损失率，即溶液组成(包括pH)保持恒定后，记录溶液pH值，加入定量的LiCl溶液，停止CaCl2和Na2CO3溶液的加入，之后碳酸钙的沉淀可以通过以下2种途径实现：①利用惰性气源10向反应溶液中供入惰性气体，供入的惰性气体能够通过第一单向通气阀将箱体内反应溶液液面上方的气体排出至外界大气，此过程中会缓慢带走水蒸气，使CaCO3饱和沉淀，②在供入惰性气体的同时可以利用碱性气源9向箱体的内部空间供入碱性气体，在惰性气体带走水蒸气的同时，通过加碱性气体实现CaCO3饱和沉淀，含碱性气体的混合气能够实现反应溶液pH值的微调。当碳酸盐沉淀物达到预定量时，即可通过下部装置取出全部碳酸盐沉淀(含锂碳酸盐为沉淀平衡的产物，初始不平衡状态时不含锂)，整个测试过程中，pH计12实时监测箱体内溶液的pH值，记录pH值后，取出碳酸盐沉淀，在去离子水中彻底清洗并干燥，进行X射线衍射分析，检测沉淀成分，进行后续测试，得到碳酸盐的锂同位素组成，不同的平衡状态可以得到碳酸盐锂同位素组成与pH值的关系。
需要说明的是，本实施例中，以海水为母液配置不同pH值的反应溶液属于现有技术。其中，一种配置不同pH值反应溶液方法的原理为：在一定量的海水中添加不同量组合的B离子和Ca离子，稳定后的反应溶液具有不同的pH值，从而能够实现不同pH值下无机碳酸盐的沉积。当然，也可以利用其他现有技术配置不同pH值的反应溶液，在此不再赘述。
本实施例中，第一进样室4内的溶液为CaCl2溶液，浓度为1mol/L，第二进样室5内的溶液为Na2CO3溶液，浓度为1mol/L；酸性气源8提供CO2，碱性气源9提供NH3，惰性气源10提供N2。
本实施例中，箱体包括内箱体1和外箱体2，内箱体1同轴设于外箱体2内，内箱体1作为反应容器，内箱体1的外壁与外箱体2的内壁之间具有加热空间；其中，内箱体1由导热材料制成，外箱体2由隔热材料制成，能够防止内箱体1与外箱体2之间加热空间内的热量损失。
本实施例中，第一进液管路包括第一供液管4-1和第一进液通道6，第一进液通道6具有第一进液口6-1和第一出液口6-2，第一进液口6-1通过第一供液管4-1与第一进样室4连通，第一供液管4-1上设有第一蠕动泵4-2，第一出液口6-2与内箱体1的内部空间连通；第二进液管路包括第二供液管5-1和第二进液通道7，第二进液通道7具有第二进液口7-1和第二出液口7-2，第二进液口7-1通过第二供液管5-1与第二进样室5连通，第二供液管5-1上设有第二蠕动泵5-2，第二出液口7-2与内箱体1的内部空间连通；供酸气管路、供碱气管路和供惰性气管路具有共用的进气通道11和主供气管18，进气通道11具有第一进气口11-1和第一出气口11-2，主供气管18具有第二进气口和第二出气口，第二进气口通过三条分支管路分别与酸性气源8、碱性气源9、惰性气源10连接，第二出气口与第一进气口11-1连通，第一出气口11-2与内箱体1的内部空间连通；主供气管18上设有第五阀18-1，与酸性气源8连接的第一分支管路上设有第一阀8-1，与碱性气源9连接的第二分支管路上设有第二阀9-1，与惰性气源10连接的第三分支管路上设有第三阀10-1；其中，第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11设于加热空间内。通过在内箱体1与外箱体2之间设置加热空间，并且第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11位于加热空间内，能够对供入内箱体1之前的CaCl2溶液、Na2CO3溶液、惰性气体、酸性气体和碱性气体进行加热，使得加入恒温箱内反应溶液的两种溶液和酸、碱气体及惰性气体的温度与恒温箱内的温度保持一致，避免因加入液体或气体的温度与反应溶液的温度存在差值，影响反应效果，确保整个沉淀过程中均在恒温下进行，从而能够提升试验结果准确性。
优选地，第一供液管4-1和第二供液管5-1的内径均小于等于0.32mm，采用小直径的供液管增加了每种溶液进入反应容器溶液时的线速度，从而最大限度地减少局部高浓度。
进一步地，第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11的长度均大于各自两端口之间的直线距离。其中，第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11可以是L形，也可以是曲线形，或者直线与曲线结合的形状。通过增加进液通道和进气通道的长度，以延长对通道内流体的加热时间，确保通道内的流体与内箱体1中的溶液温度一致。
示例性的，第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11为L形结构，包括纵向通道和横向通道，纵向通道位于内箱体1的侧壁与外箱体2的侧壁之间的空间，横向通道位于内箱体1的底壁与外箱体2的底壁之间的空间。图2示出了碳酸盐沉淀装置的一个纵向剖面结构示意图，该纵向剖面通过第一进液通道6和进气通道11，第一进液通道6和进气通道11均为L形结构，第二进液通道7的结构与第一进液通道6的结构相同。
继续参照图2，第一进液口6-1、第二进液口7-1设于外箱体2的底壁，第一出液口6-2、第二出液口7-2设于内箱体1的顶部侧壁；第一进气口11-1设于外箱体2的顶部侧壁，第一出气口11-2设于内箱体1的底壁。此结构设置，通过将进液口设置在箱体的底部，出液口设置在箱体的上部，能够延长两种溶液在进液通道内的加热时间，并使加入的CaCl2溶液、Na2CO3溶液由反应溶液的液面上方滴落，滴落的两种溶液由上向下融合在反应溶液中；而将第一进气口11-1设置在外箱体2的顶部侧壁，第一出气口11-2设于内箱体1的底壁，使得供入的气体在进气通道内由上向下流动，延长加热时间，气体在内箱体1的底部供入反应溶液后，在浮力作用下自然上升，有利于与反应溶液均匀混合。
进一步地，第一出液口6-2、第二出液口7-2、第一出气口11-2均设有单向阀。防止反应溶液反向进入进液通道、进气通道。
本实施例中，第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11可以是安装在加热空间的管路，也可以利用分隔件将内箱体1与外箱体2之间的空间分隔成三个各自独立的通道。
优选地，通过在内箱体1与外箱体2之间的空间设置多个纵向设置的分隔件，利用分隔件将加热空间分隔成多个流体通道。具体而言，第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11之间由分隔件隔开，且内箱体1的外壁构成第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11的通道壁的一部分。进一步地，分隔件也为导热材料制成，分隔件的表面也构成第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11的通道壁的一部分，使得进液通道、进气通道的通道壁都能够对流体加热。本实施例的碳酸盐沉淀装置，利用内箱体1的外壁和外箱体2的内壁构建进液通道和进气通道，使得各个通道直接被导热的内箱体1加热，直接利用内箱体1的热量传导，确保进液通道内的溶液、进气通道内的气体温度与内箱体1内的溶液温度相同。
为了使恒温箱内的反应溶液充分混匀，内箱体1内设有搅拌装置。搅拌装置可以为机械搅拌装置，也可以利用潜水泵进行搅拌混匀。
在其中一种可选实施方式中，机械搅拌装置包括搅拌电机以及与搅拌电机的输出轴连接的搅拌桨叶，搅拌桨叶为Teflon材质。
在另一种可选实施方式中，搅拌装置包括多个第一潜水泵13，利用潜水泵实现反应溶液的混匀。其中，多个第一潜水泵13的第一喷水口13-1围绕内箱体1的中心线顺时针或逆时针布置。进一步地，搅拌装置还包括至少一个第二潜水泵，第二潜水泵的第二喷水口与第一潜水泵13的第一喷水口13-1的喷射方向不同。反应过程中，可以利用第一潜水泵、第二潜水泵的不同喷射角度，使恒温箱内的反应溶液形成紊流，从而提升溶液搅拌效果；当需要收集碳酸盐沉淀物时，则只启动第一潜水泵13，关闭第二潜水泵。
进一步地，第一潜水泵、第二潜水泵的外壳以及过水通道的通道壁均设有Teflon涂层，避免引入干扰因素。
由于碳酸盐沉淀反应完成后，需要取出碳酸盐沉淀物，现有实验装置只能在完成实验后，将恒温箱的盖体打开，将所有反应溶液和沉淀物一同取出，进行过滤得到碳酸盐沉淀物，此过程不仅操作麻烦，而且由于无法在保留大部分反应溶液的条件下阶段性的取出不同pH值条件下，不同平衡状态下的碳酸盐沉淀物，浪费实验材料，且耗时久，不利于实验研究。基于上述问题，本实施例中，在内箱体1的底部中心设有沉淀物出口14，沉淀物出口14连接有出料通道15，出料通道15穿过外箱体2的底部中心与外箱体2的外部连通；出料通道15上设有第四阀15-1。可选的，内箱体1的底壁中心向下凹陷形成沉淀物出口14，内箱体1的底壁中心为向沉淀物出口14倾斜，形成漏斗结构，便于碳酸盐沉淀物的收集。碳酸盐沉淀装置还包括收集瓶16，收集瓶16的进料口与出料通道15的出料口拆卸连接。
正常情况下，第四阀15-1是关闭的，当需要取出碳酸盐沉淀物时，启动多个第一潜水泵13，关闭第二潜水泵，使恒温箱内的反应溶液形成旋涡，旋涡的中心线穿过出料通道15，碳酸盐沉淀物在旋涡的作用下向内箱体1的底部中心处的沉淀物出口14聚集，碳酸盐沉淀物通过沉淀物出口14进入出料通道15，打开出料通道15上的第四阀15-1，碳酸盐沉淀物随少量反应溶液经出料通道15流出，收集在收集瓶16，只需2-3秒钟即可关闭第四阀15-1，就可以完成碳酸盐沉淀物的取出，方便快捷，而且可以在实验过程中，阶段性的取出碳酸盐沉淀物，在第一次实验取出全部沉淀碳酸盐后，由于保留了大部分反应溶液，此时，溶液为含Li、B的CaCO3近饱和盐溶液，可以继续通过第一蠕动泵4-2和第二蠕动泵5-2向存留的反应溶液中添加CaCl2和Na2CO3溶液，在沉淀达到平衡前每间隔24小时收集非平衡状态下沉淀的碳酸盐，沉淀达到平衡时终止本次实验。由于实验过程中是实时监测反应溶液的pH值，因而能够开展非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的研究；结合平衡条件下pH值与碳酸盐锂同位素的关系，最终确定碳酸盐锂同位素与溶液pH值关系的具体影响因素，是动力学分馏还是平衡分馏影响的同位素分馏机理，因此使得实验研究更具有连续性，同一实验装置可以获得两种条件下的碳酸盐沉淀。
正常情况下，第四阀15-1是打开的，收集瓶16通过出料通道15与内箱体1连通，正常沉淀过程中有一部分碳酸盐沉淀物自然落入收集瓶16中，启动第一潜水泵，关闭第二潜水泵，使内箱体1内的反应溶液流动形成旋涡，在旋涡的作用下使得碳酸盐沉淀物收集在收集瓶16中，关闭第四阀15-1，将收集仓卸下，即可完成碳酸盐沉淀物的收集。
本实施例中，盖体3密封设置在内箱体1和外箱体2的顶部开口，盖体3设有第一密封部3-1、第二密封部3-2、第三密封部3-3，分别与密封安装于第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11的顶部开口。第一出液口6-2设置在第一进液通道6的上部侧壁上，位于第一进液通道6的第一顶部开口的下方；第二进液口7-1设置在第二进液通道7的上部侧壁上，位于第二进液通道7的第二顶部开口的下方；第一进气口11-1设置在进气通道11的上部侧壁上，位于进气通道11的第三顶部开口的下方；通过在盖体3的下端面设置封堵第一进液通道6、第二进液通道7和进气通道11的顶部开口的三个密封部，能够防止溶液以及气体溢出。
为了提升密封性，第一密封部3-1、第二密封部3-2、第三密封部3-3上包覆有弹性密封层，通过在密封部上设置弹性密封层以提升盖体3与进液通道、进气通道的顶部开口的密封性。
本实施例中，内箱体1的底壁与外箱体2的底壁之间设有支座19，支座19具有一定高度，连接内箱体1外箱体2，使得内箱体1的底壁与外箱体2的底壁之间具有空间，支座19设有中心通孔，支座19与内箱体1同轴设置，出料通道15穿过中心通孔。
在其中一种可选实施方式中，盖体3上还设有Li源注射器17，Li源注射器17的注射端伸入内箱体1中的液面以下，用于向达到碳酸盐沉淀平衡后的反应溶液中定量加入LiCl溶液。
本实施例中，碳酸盐沉淀装置可以采用手动控制，如手动控制恒温箱的反应温度，手动控制潜水泵的启停，手动开启管路上的各个阀门以及蠕动泵等。
本实施例中，碳酸盐沉淀装置还可以设置控制器，控制器能够控制恒温箱的加热程序、搅拌装置或潜水泵的启动和停止，还能够控制自动添加酸性气体、碱性气体、惰性气体、CaCl2溶液及Na2CO3溶液的操作。需要说明的是，本实施例的控制器采用现有控制技术就能够实现碳酸盐沉淀装置的自动控制过程，该自动控制过程可以预先设置控制程序，能够按照预定的反应恒温、pH值、反应时间等进行自动化控制。
与现有技术相比，本实施例提供的碳酸盐沉淀装置至少具有如下有益效果之一：
1、本申请实施例不仅通过Na2CO3溶液调节反应溶液pH值，还使用酸性气体和碱性气体对溶液pH值进行微调，能够精确调节反应溶液的pH值，以确保溶液pH值在达到稳态，pH值波动范围在±0.03以内，pH值的控制调节精度高。
2、通过在内箱体与外箱体之间设置加热空间，并且第一进液通道、第二进液通道和进气通道位于加热空间内，能够对供入内箱体之前的CaCl2溶液、Na2CO3溶液、惰性气体、酸性气体和碱性气体进行加热，使得加入恒温箱内反应溶液的两种溶液和酸、碱气体及惰性气体的温度与恒温箱内的温度保持一致，避免因加入液体或气体的温度与反应溶液的温度存在差值，影响反应效果，确保整个沉淀过程中均在恒温下进行，从而能够提升试验结果准确性。
3、利用第一潜水泵、第二潜水泵的不同喷射角度，使恒温箱内的反应溶液形成紊流，从而提升溶液搅拌效果。
4、通过在内箱体的底部中心设有沉淀物出口，沉淀物出口连接有出料通道，出料通道穿过外箱体的底部中心与外箱体的外部连通，在取样时，利用多个顺时针或逆时针布置的第一潜水泵使恒温箱内的反应溶液形成旋涡，碳酸盐沉淀物在旋涡的作用下聚集在沉淀物出口，并由出料通道流出收集在收集瓶中，碳酸盐沉淀物的收集方便、快捷；而且实验过程中每隔一段时间都可以把此时间段内的碳酸盐沉淀物全取出来。
实施例2
本发明的又一具体实施例，公开了一种碳酸盐锂同位素分析方法，利用实施例1的碳酸盐沉淀装置在密封蒸发条件下进行，如图4所示，碳酸盐沉淀方法包括如下步骤：
步骤一：以海水为母液，配置含B的CaCO3饱和或近饱和反应溶液；
步骤二：将反应溶液加入恒温箱后密封；启动恒温箱使反应溶液维持25℃恒温；
步骤三：通过第一蠕动泵和第二蠕动泵将第一进样室4、第二进样室5中的CaCl2和Na2CO3两种溶液定量、缓慢的泵送至恒温箱的反应溶液中，至沉淀平衡。CaCl2和Na2CO3两种溶液的加入使反应溶液中CaCO3的饱和度越来越高，pH升高；同时，碳酸盐沉积速率R增加，直到沉积速率R等于双蠕动泵添加CaCl2和Na2CO3的速度，沉淀方达到平衡，沉淀平衡后关闭蠕动泵停止泵送第一进样室4、第二进样室5中的两种溶液；可以理解为开启蠕动泵时形成的碳酸盐为非平衡状态下形成的，受到离子浓度、沉淀速率等的影响；碳酸盐沉积速率R可以通过蠕动泵的泵速来调节，此时溶液的pH值粗调可以利用Na2CO3溶液或通过气体调节室酸性气源8和碱性气源9向反应溶液中供入酸性气体或碱性气体实现反应溶液的pH值微调；
步骤四：利用Li源注射器向平衡溶液中定量加入LiCl溶液，并在密封条件下实现CaCO3饱和沉淀。具体的，当步骤三中反应溶液中的沉淀达到平衡后，停止CaCl2和Na2CO3溶液的加入，利用Li源注射器向平衡溶液中定量加入LiCl溶液，之后碳酸钙的沉淀利用惰性气源10向反应溶液中供入惰性气体，或者，利用惰性气源10和碱性气源9向反应溶液中供入惰性气体与碱性气体的混合气，惰性气体由第一单向通气阀排出至外界大气的过程中带走水蒸气，实现CaCO3饱和沉淀，含碱性气体的混合气能够实现反应溶液pH值的微调。
步骤五：收集平衡后沉淀的碳酸盐沉淀物，对碳酸盐沉淀物进行同位素测试，得到碳酸盐锂同位素测试结果，进而得到pH值与碳酸盐锂同位素的关系结果。具体的，取出碳酸盐沉淀物包括如下步骤：启动多个第一潜水泵13，关闭第二潜水泵，使恒温箱内的反应溶液形成旋涡，碳酸盐沉淀物在旋涡的作用下向内箱体1的底部中心处的沉淀物出口14聚集，并通过出料通道15储存在收集瓶16内。
本实施例的分析方法，还可以包括步骤六：在不同pH值进行沉淀实验时(如7.4±0.03、7.8±0.03、8.2±0.03、8.6±0.03和9.0±0.03)，在第一次实验取出全部沉淀碳酸盐后(比如：pH值为7.4±0.03)，向恒温箱内存留的反应溶液中继续添加CaCl2和Na2CO3溶液，收集非平衡状态下沉淀的碳酸盐，开展非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的分析测试。具体而言，步骤五中，在第一次实验取出全部沉淀碳酸盐后，由于保留了大部分反应溶液，此时，溶液为含Li、B的CaCO3近饱和盐溶液，可以通过第一蠕动泵4-2和第二蠕动泵5-2继续向恒温箱内添加CaCl2和Na2CO3溶液，在沉淀达到平衡前每间隔24小时收集非平衡状态下沉淀的碳酸盐，沉淀达到平衡时终止本次实验。由于实验过程中是实时监测反应溶液的pH值，因而能够开展非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的分析测试，确定碳酸盐锂同位素与溶液pH值关系的具体影响因素，是动力学分馏还是平衡分馏影响的同位素分馏机理，因此使得实验研究更具有连续性，同一实验装置获得两种条件下的碳酸盐沉淀。
在本实施例的步骤一中，配置多个pH值的反应溶液，反应溶液为含有B的CaCO3饱和或近饱和溶液，恒温箱内每次盛装1L反应溶液；在不同pH值下进行多次重复实验，并收集每个pH值下获取的平衡条件下的碳酸盐沉淀物，并分别测试得到对应pH值下的Li同位素测试结果；基于每个pH值下获取的平衡条件下碳酸盐沉淀物的Li同位素测试结果，建立δ7Licarb与反应溶液pH值之间的关系方程，对碳酸盐沉淀过程中pH值对锂同位素分馏影响机理研究有重要意义。示例性的，可以分别在pH值为7.4±0.03、7.8±0.03、8.2±0.03、8.6±0.03和9.0±0.03的条件下进行，每个pH值反应溶液进行重复试验，建立平衡条件下，δ7Licarb-pH之间的关系方程。
在步骤一中，反应溶液的配置步骤为：以海水为母液，根据计算结果首先母液中定量加入CaCl2和Na2CO3液，配置不同pH条件下CaCO3饱和或近饱和溶液。为避免配置过程中溶液发生沉淀，使用蠕动泵缓慢泵送两种溶液并不停搅拌。
在步骤二中，利用第一潜水泵13和/或第二潜水泵对反应溶液进行搅拌，使反应溶液充分混匀。
可以利用Na2CO3溶液大范围粗调pH值，以及向反应器中吹入CO2和N2气体混合物或NH3和N2气体混合物正/反向双向微调节反应溶液的pH值，使pH值达到稳态。
为了避免碳酸盐沉淀过多可能容易引起溶液成分或pH值的变化，步骤三中，当碳酸盐沉淀物的量达到满足测试需求时，即可终止实验。
当收集瓶16内为步骤六收集的非平衡条件下的碳酸盐沉淀物和反应溶液时，利用0.22μm Millipore尼龙膜过滤，碳酸盐沉淀物在去离子水中彻底清洗并干燥，进行X射线衍射分析，检测碳酸盐沉淀物成分，并进行SEM图像检测产物是否有二次成核的迹象；最后分别测量溶液以及碳酸盐沉淀的Ca、Li、B浓度和Li、B同位素组成。
本实施例中，所有反应溶液均使用分析纯级CaCl2、LiCl、Na2CO3和B溶液(Na2B4O71mg/mL)化学试剂和去离子化MQ水(电阻率18.2MΩcm-1)制备。
与现有技术相比，本实施例提供的碳酸盐锂同位素分析方法，利用实施例1的碳酸盐沉淀装置，本质上具有与实施例1相同的技术效果，除此之外，本实施例的方法还至少具有如下有益效果之一：
1、以海水为母液，配置1L大容量含B的CaCO3饱和或近饱和溶液，利用碳酸盐沉淀装置能够实现在不同的pH值(7.4～9.0)条件下缓慢合成碳酸盐矿物，确保沉淀物与溶液充分平衡。
2、碳酸盐沉淀拟通过2种途径实现，①利用惰性气源向反应溶液中通入N2，缓慢带走水蒸气，使CaCO3饱和沉淀，②向恒温箱中，通入N2+NH3混合气体，使CaCO3饱和沉淀。
3、能够测定不同pH条件下碳酸盐沉淀过程中平衡状态下的锂同位素与pH值的关系，建立δ7Licarb与溶液pH值之间的关系方程，结合非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的研究，最终可以确定碳酸盐锂同位素与溶液pH值关系的具体影响因素，是动力学分馏还是平衡分馏影响的同位素分馏机理，同一实验装置获得两种条件下的碳酸盐沉淀产物，对碳酸盐沉淀过程中溶液pH值对锂同位素分馏的影响研究具有重要意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳酸盐沉淀装置，其特征在于，包括：
恒温箱，所述恒温箱包括箱体和盖体(3)，所述箱体的内部空间被配置为容纳反应溶液；所述盖体(3)密封拆卸设置在箱体上，所述盖体(3)上设有第一单向通气阀(3-4)，以供所述内部空间的气体排出至外界大气；
第一进样室(4)，所述第一进样室(4)被配置为容纳CaCl2溶液，并通过第一进液管路与所述箱体的内部空间连通，以向所述内部空间供入CaCl2溶液；
第二进样室(5)，所述第二进样室(5)被配置为容纳Na2CO3溶液，并通过第二进液管路与所述箱体的内部空间连通，以向所述内部空间供入Na2CO3溶液；
酸性气源(8)，所述酸性气源(8)通过供酸气管路与所述箱体的内部空间连通，以向所述内部空间供入酸性气体；
碱性气源(9)，所述碱性气源(9)通过供碱气管路与所述箱体的内部空间连通，以向所述内部空间供入碱性气体；
惰性气源(10)，所述惰性气源(10)通过供惰性气管路与所述箱体的内部空间连通，以向所述内部空间供入惰性气体；
pH计(12)，所述pH计(12)设于所述箱体内，用于实时监测所述箱体内溶液的pH值。
2.根据权利要求1所述的碳酸盐沉淀装置，其特征在于，所述箱体包括同轴布置的内箱体(1)和外箱体(2)，所述内箱体(1)的外壁与外箱体(2)的内壁之间具有加热空间；
所述第一进液管路包括第一供液管(4-1)和第一进液通道(6)，所述第一进液通道(6)具有第一进液口(6-1)和第一出液口(6-2)，第一进液口(6-1)通过第一供液管(4-1)与第一进样室(4)连通，第一出液口(6-2)与所述内箱体(1)的内部空间连通；
所述第二进液管路包括第二供液管(5-1)和第二进液通道(7)，所述第二进液通道(7)具有第二进液口(7-1)和第二出液口(7-2)，第二进液口(7-1)通过第二供液管(5-1)与第二进样室(5)连通，第二出液口(7-2)与所述内箱体(1)的内部空间连通；
所述供酸气管路、供碱气管路和供惰性气管路具有共用的进气通道(11)和主供气管(18)，所述进气通道(11)具有第一进气口(11-1)和第一出气口(11-2)，所述主供气管(18)具有第二进气口和第二出气口，第二进气口通过三条分支管路分别与酸性气源(8)、碱性气源(9)、惰性气源(10)连接，第二出气口与第一进气口(11-1)连通，第一出气口(11-2)与所述内箱体(1)的内部空间连通；
其中，所述第一进液通道(6)、第二进液通道(7)和进气通道(11)设于所述加热空间内。
3.根据权利要求2所述的碳酸盐沉淀装置，其特征在于，所述内箱体(1)内设有多个第一潜水泵(13)，多个第一潜水泵(13)的第一喷水口(13-1)围绕所述内箱体(1)的中心线顺时针或逆时针布置。
4.根据权利要求3所述的碳酸盐沉淀装置，其特征在于，所述内箱体(1)内还设有至少一个第二潜水泵，所述第二潜水泵的第二喷水口与所述第一潜水泵(13)的第一喷水口(13-1)的喷射方向不同。
5.根据权利要求3所述的碳酸盐沉淀装置，其特征在于，所述内箱体(1)的底部中心设有沉淀物出口(14)，沉淀物出口(14)连接有出料通道(15)，出料通道(15)穿过所述外箱体(2)的底部中心与外箱体(2)的外部连通；出料通道(15)上设有第四阀(15-1)。
6.根据权利要求5所述的碳酸盐沉淀装置，其特征在于，还包括收集瓶(16)，收集瓶(16)的进料口与所述出料通道(15)的出料口拆卸连接。
7.根据权利要求2所述的碳酸盐沉淀装置，其特征在于，所述盖体(3)上还设有Li源注射器(17)，所述Li源注射器(17)的注射端伸入所述内箱体(1)中的液面以下，用于向达到碳酸盐沉淀平衡后的反应溶液中定量加入LiCl溶液。
8.一种碳酸盐锂同位素分析方法，其特征在于，利用权利要求1至7任一项所述的碳酸盐沉淀装置，包括如下步骤：
步骤一：以海水为母液，配置含B的CaCO3反应溶液；
步骤二：将反应溶液加入恒温箱后密封；启动恒温箱使反应溶液维持25℃恒温；
步骤三：通过第一蠕动泵和第二蠕动泵将第一进样室(4)、第二进样室(5)中的CaCl2和Na2CO3两种溶液定量、缓慢的泵送至恒温箱的反应溶液中，至沉淀平衡；
步骤四：利用Li源注射器向平衡溶液中定量加入LiCl溶液，并在密封条件下实现CaCO3饱和沉淀；
步骤五：收集平衡后沉淀的碳酸盐沉淀物，对碳酸盐沉淀物进行同位素测试，得到碳酸盐锂同位素测试结果，进而得到pH值与碳酸盐锂同位素的关系结果。
9.根据权利要求8所述的碳酸盐锂同位素分析方法，其特征在于，在步骤五中，在不同pH值进行沉淀实验时，在第一次实验取出全部沉淀碳酸盐后，向恒温箱内存留的反应溶液中继续添加CaCl2和Na2CO3溶液，在沉淀达到平衡前每间隔24小时收集非平衡状态下沉淀的碳酸盐，开展非平衡条件下的pH值与锂含量、沉淀速率及锂同位素关系的分析测试。
10.根据权利要求9所述的碳酸盐锂同位素分析方法，其特征在于，步骤四中，在加入LiCl溶液后，利用惰性气源(10)向反应溶液中供入惰性气体，或者，利用惰性气源(10)和碱性气源(9)向反应溶液中供入惰性气体与碱性气体的混合气，惰性气体由第一单向通气阀排出至外界大气的过程中带走水蒸气，实现CaCO3饱和沉淀。
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