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我校科研团队在水-气快速平衡技术研发上取得突破性进展

发布日期:2020年09月07日 15:54 作者: 访问量:

    迄今为止,水体中溶解的绝大多数气体仍不能被直接检测,学术界因而不得不使用顶空平衡技术来分离水中的溶解气体,通过气相色谱仪或其他类似仪器检测顶空气相中待测气体的浓度,并利用亨利定律计算水体中的溶解气体浓度。这种方法存在十分繁琐、耗时、成本高且存在人为操作,可能引起较大误差的弊端。最近,由我校水利与环境学院专家和德国科学家联合研发的快速水-气平衡装置突破了现有技术的短板,极大地提高了科研工作者的效率(数量级的提高)和检测结果的稳定性。

    从上世纪九十年代初以来,国际学术界来自不同国家的诸多学者研发了不同原理的水-气平衡技术和装置,期望耦合快速发展且日益成熟的在线气体检测仪,实现水体中溶解气体浓度的快速检测。尽管当前基于已有技术开发的相应装置对甲烷的实验响应时间逐渐缩短(2-34分钟),但是仍然不能达到野外观测对高时空分辨率的需求。我校水利与环境学院刘德富教授领衔的生态水利团队从2010年实施水库温室气体排放主题的“973”课题开始研发水-气平衡装置,经过近10年无数次的实验、失败、改进后,在与德国科学家的合作之下,研发工作取得了突破进展。

   

    7月30日,研发团队在《水文学及地球系统科学》(Hydrology and Earth System Sciences)上发表题为《一种用于原位连续测量水中溶解甲烷和二氧化碳的快速水-气平衡装置》(“A Fast-Response Automated Gas Equilibrator (FaRAGE) for continuous in situ measurement of CH4 and CO2 dissolved in water”)的论文,系统介绍了装置的原理、结构、实验室验证过程以及野外测试情况。新的水-气平衡装置研发过程中充分吸收和利用了前人技术的积极成果,融入了诸多创新性单元,产品具有制作简单、成本低、抗堵塞、维护方便、重现性好和响应时间极短等优势。对甲烷而言该装置由低浓度至高浓度的响应时间仅需12秒,由高浓度向低浓度的时间约15秒;若以增加响应时间(16秒)为代价,可使平衡率高达到91.8%。当该装置与Picarro温室气体分析仪联合使用时,对溶存CH4和CO2浓度的测量范围为10-9-10-3mol/L,测量极限可达10-10mol/L。

    在中德密切合作过程中,我校水利与环境学院肖尚斌教授提出初始构思并制作了第一代原型;刘流博士(硕士阶段师从刘德富教授,现在德国莱布尼茨淡水生态和内陆渔业研究所Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries从事博士后研究)对原型进行了改进并开展了大量实验测试;来自德国科布伦茨-兰道(Koblenz-Landau)大学和莱布尼茨淡水生态和内陆渔业研究所的另外3位科学家也从不同角度做出了贡献。该装置理论上可用于其他化学和生物化学性质并非强烈活泼的气体,具有广泛的应用前景。

    该研究受到国家自然科学基金(51979148和91647207)和德国DFG基金会(DFG GR1540/21-1C2)资助。