應(yīng)用案例

Picarro G2301（標(biāo)準(zhǔn)氣體制備方法之研究——CO?在氣瓶?jī)?nèi)壁的吸附以及分餾作用對(duì)標(biāo)氣制備的影響）

發(fā)表時(shí)間：2024-04-17

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日本國(guó)立計(jì)量研究院在溫室氣體的標(biāo)準(zhǔn)氣體制備上代表國(guó)際頂尖水平，其下屬的產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與環(huán)境管理研究所最近針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備方法與流程，對(duì)CO?吸附與分餾作用進(jìn)行了深入定量研究，文章發(fā)表于Atmospheric Measurement Techniques。

研究概述

標(biāo)準(zhǔn)氣體與工作標(biāo)氣是碳監(jiān)測(cè)工作的重要環(huán)節(jié)，也是IPCC提出的“三可原則”的基石。世界氣象組織 (WMO) 建議在北半球?qū)?CO₂ 測(cè)量的兼容性目標(biāo)設(shè)為 0.1 μmol mol^-1，然而，標(biāo)氣制備的偏差將直接影響對(duì) CO₂ 源和匯的精確評(píng)估。

CO₂等溫室氣體標(biāo)氣在制備過(guò)程中伴隨著吸附與解吸附，此外多級(jí)稀釋法制備標(biāo)氣時(shí)，CO₂和空氣的分餾很可能發(fā)生在稀釋過(guò)程中，以上因素會(huì)使指定的CO₂摩爾分?jǐn)?shù)在制備的標(biāo)準(zhǔn)混合物中的重現(xiàn)性變差。了解CO₂大氣水平的標(biāo)準(zhǔn)混合物的制備過(guò)程中吸附和分餾的影響在標(biāo)氣制備中至關(guān)重要。

研究方法

本研究采用“倒瓶”和“母-子瓶”分裝實(shí)驗(yàn)方法，使用Picarro G2301分析儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CO₂濃度的微小變化，以監(jiān)測(cè)CO₂在氣瓶?jī)?nèi)壁的吸附，以及在將CO₂/空氣混合物轉(zhuǎn)移到真空氣瓶過(guò)程種CO₂和空氣的分餾。

1.“倒瓶”實(shí)驗(yàn)：將鋼瓶氣通過(guò)減壓閥輸出，利用三通分成兩路，其中一個(gè)支路通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入Picarro G2301，另外一個(gè)支路通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制旁路流量。通過(guò)測(cè)試進(jìn)入Picarro G2301 的鋼瓶氣CO₂濃度，繪制CO₂濃度隨著氣瓶?jī)?nèi)壓力變化的曲線：

上圖在不同流速下，隨著氣瓶壓力從 11.0 MPa 降至 0.1 MPa，氣體混合物中的 CO₂增加了 0.16 ± 0.04 μmol mol-1。

2.“母-子瓶”分裝實(shí)驗(yàn)：將含有混合物的氣瓶稱為母瓶，將混合物轉(zhuǎn)移到子瓶中。在每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，用Picarro G2301測(cè)量母瓶中的CO₂摩爾分?jǐn)?shù)，在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，即混合物轉(zhuǎn)移數(shù)小時(shí)或半天后測(cè)量母瓶和子瓶中CO₂的摩爾分?jǐn)?shù)。

圖 1 (a) 在母子瓶實(shí)驗(yàn)中用于將 CO₂/空氣混合物從母瓶轉(zhuǎn)移至子瓶的連接示意圖，(b)將高純 CO₂ 轉(zhuǎn)移到 0.8 L 鋁瓶和從 0.8 L 鋁瓶到 10 L 鋁瓶的管路， (c) 用于轉(zhuǎn)移源氣體（純 CO₂ 或 CO₂/空氣混合物）和稀釋氣體（空氣）的管路。

上圖為母瓶中 CO₂ 摩爾分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)移量、瓶壓和轉(zhuǎn)移速度的相關(guān)性。顯示了轉(zhuǎn)移至子瓶后的混合物中的CO₂ 摩爾分?jǐn)?shù)都相較于轉(zhuǎn)移之前的 CO₂ 摩爾分?jǐn)?shù)有所降低。

研究結(jié)論

“倒瓶”實(shí)驗(yàn)表明：CO₂對(duì)于氣瓶?jī)?nèi)壁吸附較?。ㄔ?11.0 MPa 時(shí)，CO₂ 的吸附量為 0.027 ± 0.004 μmol mol-1）。“母-子瓶”分裝實(shí)驗(yàn)則證明了分餾不僅使制備的標(biāo)準(zhǔn)混合物中CO₂摩爾分?jǐn)?shù)減少，而且使源氣體中CO₂摩爾分?jǐn)?shù)增加，而熱擴(kuò)散是分餾的主要因素。數(shù)據(jù)進(jìn)一步指出，經(jīng)三步稀釋后，標(biāo)準(zhǔn)混合物中CO₂的摩爾分?jǐn)?shù)降低了0.207ppm，高于WMO兼容性目標(biāo)的0.1ppm。在重量法多步稀釋制備標(biāo)準(zhǔn)混合物時(shí)，必須考慮分餾引起的CO₂摩爾分?jǐn)?shù)的變化。

感興趣的讀者請(qǐng)閱讀原文

https://doi.org/10.5194/amt-2022-41

文中核心儀器簡(jiǎn)介

Picarro G2301是高精度溫室氣體分析儀，被譽(yù)為業(yè)內(nèi)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。憑借其高精度、低漂移特點(diǎn)，成為全球大氣觀測(cè)網(wǎng) GAW、歐洲綜合碳系統(tǒng) ICOS 以及中國(guó)大氣本底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、大氣背景觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)等全球與地區(qū)性主要溫室氣體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)來(lái)源，也是包括中國(guó)在內(nèi)的各個(gè)國(guó)家、地區(qū)計(jì)量機(jī)構(gòu)標(biāo)氣定值的重要分析儀器。

致謝

感謝中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院老師

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編輯：王繼軍

審核：吳闖

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