CN209024535U - 一种模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，包括反应系统，分别为反应系统提供气体、反应液的气体供应子系统、反应溶液供应子系统，从反应系统采集样品的样品采集子系统，设置于反应系统出口气液收集系统；气液收集系统与反应系统之间设置回压系统，回压系统为气液收集系统与反应系统之间提供压强差，控制反应后的气液收集。本装置可以同时模拟多种条件影响下的海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应，通过室内模拟甲烷在微生物作用下与水体中的阴阳离子发生系列地球化学反应过程及其产物对冷泉区环境改变控制因子有重要意义。便于更直观的了解不同环境条件对自生矿物生成速率的影响。

Description

一种模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的 反应装置

技术领域

本实用新型涉及海洋油气地球化学勘查技术领域、海洋生物地球化学领域，尤其涉及模拟海底冷泉区生物地球化学过程导致自生碳酸盐岩形成的研究领域。

背景技术

随着社会的不断进步，能源的紧缺和污染引起的气候变化与社会发展之间的矛盾不断升级，寻找一种新的清洁高效的能源迫在眉睫。天然气水合物是一种清洁高效的能源，被认为是21世纪的替代能源，受到各国高度关注。2017年在我国在南海开展天然气水合物试采并取得突破性成功，向天然气水合物商业化开发迈出重要一步。

冷泉是一种由于海底沉积物中的甲烷从较深的层位迁移到沉积物表层，并排放到水体中的现象。通常，这种富含甲烷(偶尔伴随有其他烃类)和其他高浓度硫化氢的流体向海底渗出。

当流体高度富集甲烷气体时，流体会因为压力和温度条件改变而沉淀形成天然气水合物。渗漏的甲烷在穿透岩层/沉积层缓慢地、持续地向海底表面渗漏过程中，与沉积物孔隙水中的硫酸根离子、硝酸根离子以及铁、锰等电子受体在微生物的作用下发生氧化还原反应。由于硫酸根离子是海底分布最广的电子受体，所以冷泉活动中最常见的反应是硫酸根还原-甲烷厌氧氧化作用(AOM)：

CH₄+SO₄ ^2-→HCO₃ ^-+HS^-+H₂O

该反应生成的碳酸氢根与孔隙水中的钙、镁离子结合生成自生碳酸盐岩。甲烷渗漏发生的系列生物地球化学过程将导致沉积物、孔隙水地球化学异常，这些异常正是我们识别下伏油气藏/天然气水合物地球化学勘查的理论基础，也可作为区域海洋生态环境(海洋酸化、缺氧)研究的参考，追溯古气候、古环境信息。

甲烷是一种强烈的温室气体，其温室效应是二氧化碳的二十多倍，但是全球海洋每年只有极少量的甲烷气体排放到大气中，绝大部分都被甲烷厌氧氧化过程所消耗，形成冷泉自生碳酸盐岩从而固定下来，所以该过程对研究全球气候变化有重要意义。

海底甲烷厌氧氧化过程导冷泉自生碳酸盐岩生成的十分漫长，可达数千年到几百万年，并且位于深海海底，难以对该过程进行完整的原位观测。甲烷厌氧氧化过程是一个复杂的生物地球化学过程，影响因素十分复杂，目前对其认识十分有限，有必要开展相关的室内实验模拟研究。

实用新型内容

鉴于以上问题，本实用新型提供一种模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，可以同时模拟多种条件影响下的海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应。

为达到上述目的，采用以下技术方案：

一种模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，包括反应系统；

与所述反应系统连接，为所述反应系统提供气体的气体供应子系统；

与所述反应系统连接，为所述反应系统提供反应溶液供给的反应溶液供应子系统；

与所述反应系统取样口连接，从所述反应系统采集样品的样品采集子系统；

还包括气液收集系统，所述气液收集系统连接于所述反应系统的出口端，所述气液收集系统与所述反应系统之间设置回压系统，所述回压系统为气液收集系统与所述反应系统之间提供压强差，控制反应后的气液收集。

所述反应气体供应子系统包括甲烷、氮气、二氧化碳气源和它们各自的气体质量流量控制器及气体储罐，所述甲烷、氮气、二氧化碳气源及气体储罐通过带有控制阀的管线依次连通，所述气体储罐与所述反应系统通过带有气体质量流量控制器、单向阀及若干控制阀的管线连接。

所述反应溶液供液子系统包括液体容器，所述液体容器为一端通过管线连接于蠕动泵，另一端通过管线连接于所述反应系统。

所述反应系统包括放置在三个独立的高低温恒温箱内的三个完全相同的平行反应釜，所述每个反应釜上设置有前后两个可视窗口，所述反应釜侧面设置有若干液体取样口，所述若干液体取样口平均分布在不同高度上，所述反应釜侧面还设置有温度计及若干电导率传感器，所述气体供应子系统与所述反应溶液供液子系统分别通过带有控制阀的管线连通反应釜的上下两端。

所述反应釜顶部还设置有安全阀及气体缓冲罐，所述气体缓冲罐通过带控制阀的管线分别连通于所述三个反应釜的顶部，可通过真空泵对反应釜8抽真空。

所述反应釜为三个平行的可视化哈氏合金反应釜。

所述气液收集系统包括气液分离器，所述气液分离器顶部通过带控制阀的管线连接气体流量计，所述气液分离器底部通过带控制阀的管线连接采出液计量系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，

1、可以同时模拟多种条件影响下的海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应，通过室内模拟甲烷在微生物作用下与水体中的阴阳离子发生系列地球化学反应过程及其产物对冷泉区环境改变控制因子有重要意义。

2、采用将温度控制、流体压力控制、气体流量计量、水化学及微生物条件控制相结合，便于更直观的了解不同环境条件(如甲烷流速/微生物种类等)对自生矿物生成速率的影响。此外，该实验装置开展的实验研究，可以更好的认识生物地球化学反应过程、成岩作用及其在全球碳循环中的作用。

附图说明

图1为本实用新型模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置示意图。

附图标记：

A.1-真空泵，2-缓冲罐，3-安全阀，4-入口压力控制器，5、6、7-高低温恒温箱，8、9、10、15、16、17-调压阀，11-甲烷气瓶、12-氮气气瓶、13-二氧化碳气瓶，14、15、16-气体储罐，20、21、22-单向阀，23、24、25-液体储罐，26、27、28-蠕动泵，29、30、31-电导率传感器，32、33、34-哈氏合金可视反应釜，35、36、37-气体质量流量控制器，37、38、39-回压阀，38、39、40-气体流量计，41、42、43-气液分离器，44、45、46-采出液计量系统，47、48、49-甲烷报警器；

B.压力表P1-P13；

C.控制阀K1-K42。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。

如图1所示，一种模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，包括气体供应子系统、反应溶液供液子系统、反应系统、回压系统及气液收集系统。

气体供应子系统包括：甲烷气源、氮气气源、二氧化碳气源，每种气源各有4个压力表,分别为:甲烷气源设置压力表P2、P3、P4和P5，氮气气源设置压力表P6、P7、P8和P9,二氧化碳气源设置压力表P10、P11、P12和P13；每种气源各有4个控制阀门:甲烷气瓶高压进口阀k8，驱动气体进口控制阀k11、高压气体出口控制阀k14和减压阀出口控制阀k5；氮气气瓶高压进口控制阀k9，驱动气体进口控制阀k12、高压气体出口控制阀k15和减压阀出口控制阀k6；二氧化碳气瓶高压进口控制阀k7，驱动气体进口控制阀k7、高压气体出口控制阀k8和减压阀出口控制阀k5、每个气源各有2个调压阀:甲烷气瓶为调压阀8和17；氮气气瓶为调压阀9和18；二氧化碳气瓶为调压阀10和19。气瓶压力:压力表量程16MPa，精度为1.6％FS(满量程的1.6％)，出口压力即气体储罐压力:压力表量程60MPa，精度为1.6％FS(满量程的1.6％)；调压压力即调压阀出口压力:压力表量程60MPa，精度为1.6％FS(满量程的1.6％)；其中驱动气体与最终打出压力的气体的换算关系为：60×驱动气压＝最终打出来的压力。

气体供应具体操作：打开甲烷、氮气、二氧化碳气源11、12、13的控制阀k8、k9、k10，压力表P2、P6、P10显示的值分别为甲烷气瓶11、氮气气瓶12、二氧化碳气瓶13内的压力值。打开控制阀k5、k6、k7，打开控制阀k11、k12、k13，气体将分别被输送至气体储罐14、15、16中，压力表P2显示气体储罐7中的压力。完毕后，关掉甲烷气源、氮气气源、二氧化碳气源，10、11、12的阀门k8、k9、k10，关掉连接调压阀的控制阀k5、k6、k7，,关闭控制阀k11、k12、k13。

反应溶液供液子系统：事先配制好反应溶液(模拟海水溶液)备用，可根据不同的实验目的配置不同的反应溶液，将配置好的反应溶液分别注入高低温恒温箱5、6、7中的的液体储罐23、24、25中。

反应系统：包括高低温恒温箱5、6、7(工作温度：范围-20～100℃，控温精度：±0.1℃)、设置在高低温恒温箱5、6、7的可视化哈氏合金反应釜32、33、34每个反应釜上设置有前后2个进口蓝宝石高压可视视窗、6个取样口：取样口分别设置有控制阀k22、k23、k24、6个温度探头和电导率探头27、28、29、上进样口k20、k21、k22，下进样口k25、k26、k27，上出样口k28、k29、k30，下出样口k31、k32、k33。

反应釜控温：开启高低温恒温箱5、6、7，设定温度为-20～20℃度，当反应釜8中的反应溶液温度达到稳定后(约10小时左右)，依次打开阀k14、k15、k16和单向阀20、21、22，将气体储罐14、15、16中的气体输送到反应釜32、33、34中，经高低温恒温箱5、6、7一段时间降温后，反应釜32、33、34内的气体温度降低至气体注入前的设定温度。

实验过程中温度压力等的数据采集：

打开电脑，启动桌面的数据采集软件，将软件与数据采集卡的通讯打开，就能看到采集的温度、压力、电阻率等在数据采集软件中的显示结果。设置数据保存：在数据存盘选项卡中，设置数据保存的位置，数据文件的名称、及数据保存间隔(s)。点击开始保存后，自动弹出一个excel数据文件以进行数据保存。实验结束后，点击停止保存，软件将自动对数据进行保存，并自动关闭excel文件。数据保存完毕。

实验过程中气体和液体样品的采集和测试：

气体取样：实验中的气体取样工作，可以在打开上出样口开关k28、k29、k30和气体取样口k37、k38、k39，通过气体流量计38、39、40控制气体流出速率，在取样口连接气体取样袋，缓缓地打开取气口阀k37、k38、k39，当取到所需体积气体时，关闭取气口的控制阀k37、k38、k39，取下气体取样袋待测。液体样：

实验过程中水样取样具体为：在反应釜32、33、34一侧取样口k22、k23、k24取样。具体操作为：取离心管若干。离心管通过管线与取样口k22、k23、k24连接，依次打开阀门k22、k23、k24取样。待取样完毕，达到预定体积时，依次关闭阀门k31—k33。将样品编号并放置于试管架上并贮藏与冷藏条件下。

流动实验条件下的采出液计量系统42、43、44中的流出液的采集和化学组分测试，气体流量计36、37、38出来的气体组分采集的测试。

固体样品：

实验结束后，取反应釜30、31、32内不同深度的沉积物(石英砂)固体样本进行组分和微观结构分析，分析矿物成分变化，研究其与水中离子浓度变化间的关系。

模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置的具体操作如下：

依据研究区的海水组分，配置模拟海水溶液，准备甲烷厌氧氧化菌和硫酸根还原菌溶液，蒸馏水，石英砂，南海沉积物样品，甲烷气源，高纯氮气等。

将甲烷、氮气、二氧化碳气源11、12、13，气体储罐14、15、16，气体质量流量控制器35、36、37，单向阀20、21、22，高低温恒温箱5、6、7，可视哈氏合金反应釜32、33、34，液体容器21、22、23，蠕动泵24、25、26，安全阀3，甲烷报警器47、48、49，真空泵1，缓冲罐2，气液分离器41、42、43，采出液计量系统(天平)44、45、46，温度传和电导率传感器29、30、31，入口压力控制器4，调压阀8、9、10，调压阀17、18、19与管线和阀接通，关闭所有阀门，所有传感器、探头、仪表接到数据采集器上，通过数据采集器连到电脑。

打开反应装置总电源开关，检查电路、仪器仪表、阀和传感器是否正常工作，检查仪器、管线和阀门是否漏气；

将预先配置好的反应溶液装入液体储罐23、24、25，打开反应釜8的上盖，加入约3/5体积的沉积物/石英砂样品，然后盖上上盖，连接与反应釜32、33、34相连的各个管线。

打开控制阀k1、k2、k14、k15、k16、k20、k21、k22、k25、k26、k27和真空泵1的开关，进行反应釜30、31、32，缓冲罐2、气体储罐14、15、16和管路抽真空，带压力表P1的压力为-0.1Pa是关闭真空泵1，关闭所有阀门。

打开蠕动泵24、25、26，设定1ml/min的泵出速率，启动蠕动泵26、27、28开始工作，将液体储罐23、24、25中的反应溶液注入反应釜32、33、34中。

启动高低温恒温箱5、6、7，使反应釜32、33、34中的温度达到设定的温度。

打开甲烷、氮气、二氧化碳气源11、12、13的阀门k8、k9、k10，打开阀门k5、k6、k7，打开阀k11、k12、k13，增压后的气体将被输送至气体储罐14、15、16中，压力表P4、P8、P12显示气体储罐14、15、16中的压力。待气体储罐14、15、16中的压力升高到预定压力(0.1MPa)。甲烷、氮气、二氧化碳气源11、12、13的阀门k8、k9、k10，关掉阀门k5、k6、k7。

实施实例1(5℃)

准备实验材料，取得天然海水溶液(中国南海、东海)，含有天然甲烷厌氧氧化菌和硫酸根还原菌的南海沉积物样品，蒸馏水，甲烷，高纯氮气、二氧化碳气源等；

将甲烷、氮气、二氧化碳气源11、12、13，空气压缩机5、6、7，气体储罐14、15、16，气体质量流量控制器35、36、37，单向阀20、21、22，高低温恒温箱5、6、7，可视哈氏合金反应釜30、31、32，液体容器21、22、23，蠕动泵24、25、26，安全阀3，甲烷报警器47、48、49，真空泵1，缓冲罐2，气液分离器39、40、41，采出液计量系统(天平)42、43、44，温度传和电导率传感器27、28、29，入口压力控制器4，调压阀8、9、10，调压阀17、18、19与管线和阀接通，关闭所有阀门，所有传感器、探头、仪表接到数据采集器上，通过数据采集器连到电脑。

打开电源开关，检查电路、仪器仪表、阀和传感器是否正常工作，检查仪器、管线和阀门是否漏气；

打开反应釜32、33、34的上盖，加入约1/2体积的沉积物/石英砂样品，然后盖上上盖，连接与反应釜32、33、34，相连的各个管线。

打开阀门k1、k2、k14、k15、k16、k20、k21、k22、k25、k26、k27和真空泵1的开关，进行反应釜32、33、34，缓冲罐2、气体储罐14、15、16和管路抽真空，带压力表P1的压力为-0.1Pa时关闭真空泵1，关闭所有阀门。

打开蠕动泵26、27、28，设定1ml/min的泵出速率，启动蠕动泵26、27、28开始工作，将液体储罐23、24、25中的反应溶液注入反应釜30、31、32中。

启动高低温恒温箱6、7、8，使反应釜32、33、34中的温度达到设定的温度5℃。

打开甲烷、氮气、二氧化碳气源11、12、13的阀门k8、k9、k10，打开阀门k5、k6、k7，打开阀k11、k12、k13，增压后的气体将被输送至气体储罐14、15、16中，压力表P4、P8、P12显示气体储罐14、15、16中的压力。待气体储罐14、15、16中的压力升高到预定压力(0.1MPa)。甲烷、氮气、二氧化碳气源11、12、13的阀门k8、k9、k10，

打开控制软件和数据采集器，采集实验过程中的温度、压力、流量和电阻率等数据，数据实时保存在电脑中。

每隔2小时采集水样和气体样，通过液体取样口k22-k24，采出液计量系统44、45、46获得的液体样，取气口k34、k35、k36和气体流量计38、39、40处收集的水样和气样，检测水样中的阴阳离子变化和气样中的气体组分。

反应结束，水样和气样采集完毕，关闭所有阀门。将活动排气管连接至气体流量计36、37、38出口端，活动排气管一端移至窗外；打开阀k34、k35、k36，排出反应釜32、33、34内的气体。

保存数据，关闭全部阀门，关闭监测与控制系统、关闭电源开关

打开反应釜32、33、34的上盖，分层采集沉积物/石英砂固体样品和水样。分析实验结束时水化学成分特征，分析其中的微生物特征；通过X射线衍射、XRF、ICP-MS、扫描电镜等手段，分析样品组分、矿物组成和显微结构。

用蒸馏水清洗反应釜32、33、34液体储罐23、24、25和用蒸馏水清洗干净所有连接管线，吹干以防生锈。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，其特征在于：包括反应系统；

与所述反应系统连接，为所述反应系统提供气体的气体供应子系统；

与所述反应系统连接，为所述反应系统提供反应溶液供给的反应溶液供应子系统；

与所述反应系统取样口连接，从所述反应系统采集样品的样品采集子系统；还包括气液收集系统，所述气液收集系统连接于所述反应系统的出口端，所述气液收集系统与所述反应系统之间设置回压系统，所述回压系统为气液收集系统与所述反应系统之间提供压强差，控制反应后的气液收集。

2.根据权利要求1所述的模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，其特征在于：所述气体供应子系统包括甲烷、氮气、二氧化碳气源及各自对应的气体质量流量控制器及气体储罐，所述甲烷、氮气、二氧化碳气源分别与对应的气体储罐通过带有控制阀的管线依次连通，所述气体储罐与所述反应系统通过带有气体质量流量控制器、单向阀及控制阀的管线连接。

3.根据权利要求1所述的模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，其特征在于：所述反应溶液供液子系统包括液体容器，所述液体容器为一端通过管线连接于蠕动泵，另一端通过管线连接于所述反应系统。

4.根据权利要求1所述的模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，其特征在于：所述反应系统包括分别放置在三个独立的高低温恒温箱内的完全相同的平行反应釜，所述每个反应釜上设置有前后两个可视窗口，所述反应釜侧面设置有若干液体取样口，所述若干液体取样口平均分布在不同高度上，所述反应釜侧面还设置有温度计及若干电导率传感器，所述气体供应子系统与所述反应溶液供液子系统分别通过带有控制阀的管线连通反应釜的上下两端。

5.根据权利要求4所述的模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，其特征在于：所述反应釜顶部还设置有安全阀及气体缓冲罐，所述气体缓冲罐通过带控制阀的管线分别连通于所述三个反应釜的顶部，可通过真空泵对反应釜抽真空。

6.根据权利要求5所述的模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，其特征在于：所述反应釜为三个平行的可视化哈氏合金反应釜。

7.根据权利要求1所述的模拟海底冷泉区甲烷厌氧氧化过程导致自生矿物沉淀的反应装置，其特征在于：所述气液收集系统包括气液分离器，所述气液分离器顶部通过带控制阀的管线连接气体流量计，所述气液分离器底部通过带控制阀的管线连接采出液计量系统。