级联生产稳定同位素^(18)O的模拟优化研究

本工作利用已有的四塔级联设计方案,通过采用均匀设计方法对操作参数进行优化,并利用二项式逐步回归求取模型方程,同时利用遗传算法对模型进行了优化设计,综合分析了不同进料量及级间流量对18 O产品丰度的影响,得到产品18 O的丰度与进料量及级间流量和热量消耗与进料量及级间流量的数学关系式,并得出进料量与级间流量的单因素响应图。本研究采用的模拟优化方法可应用到18 O的产业化生产及推广至传统精馏过程的优化设计中。

减压精馏分离稳定同位素^(18)O的模拟优化研究

研究建立了1座采用蒸馏水减压精馏分离稳定同位素18 O的实验装置,其填料层高20m,塔径为0.1m,塔内装填自主开发的PAC-18 O专用填料。首先利用Aspen Plus建立模型并验证其可靠性,然后利用此模型得出1组模拟数据,并利用人工神经网络(ANN)及Statistica软件对这组模拟数据进行优化设计。综合分析了塔顶压力及产品采出量对18 O产品丰度的影响。结果表明,产品18 O的丰度随塔顶压力和产品采出量的降低而升高,并得出最优化的塔压及18 O丰度与产品采出量间的数学关联式。本研究采用的模拟优化方法可应用到18 O的产业化设计及推广至传统精馏过程的优化设计中。

中国大陆科学钻探(CCSD)HP-UHP变质岩中石英脉流体包裹体δD-δ^(18)O同位素组成及其意义

流体包裹体δD-δ18O同位素测定显示CCSD石英脉具有较稳定的氢同位素(δD=-97‰--69‰)和相对较低且变化较大的氧同位素组成,其矿物δ18O为-1．9‰～9．6‰,相应流体的δ18O为-11．66‰-0．93‰,说明其变质岩围岩在板块俯冲前曾在地表与大气降水发生过程度不同的水／岩反应,而石英脉继承了其各自寄主变质岩的δ18O组成;在CCSD纵向上,石英脉的δ18O同位素组成出现“∑”型变化,分别在900m-1．500m和2700m出现极低值,而在1770m和4000m出现高正值,说明CCSD变质岩原岩在俯冲前与大气降水间的水／岩反应受到局部侵入的岩浆岩带来的高温和构造空间的控制; CCSD中石英脉δ18O在纵向上的变化基本同步于其寄主围岩变质矿物的δ18O组成变化,说明石英脉与其他变质矿物一样,也经历了HP,甚至UHP变质,但其主体应形成于板块折返过程中HP-UHP岩石的减压重结晶及退变质;CCSD石英脉、东海地表石英脉或水晶矿的δD-δ18O同位素值分布的不均一性,说明HP-UHP岩石在板块折返及其后退变质中释放出的流体活动范围有限,没有经历大规模的流动或迁移。东海水晶的流体包裹体δD-δ18O组成与CCSD石英脉相似,显示它们的成因基本一致,主要形成于晚三叠世板块折返过程。

应用~2H、^(18)O同位素示踪华北平原石家庄包气带土壤水入渗补给及年补给量确定

采集2个不同深度包气带土壤水2 H、18 O同位素剖面ZK1,ZK2,应用天然稳定同位素2 H、18 O示踪的方法,研究了华北山前冲积平原石家庄地区包气带土壤水入渗补给的历史演化特征。结果显示,研究区内,以0.05m为取样间隔,δ2 H、δ18 O值可以明显指示出大气降水及灌溉水入渗补给时间—剖面深度位置的年际对应关系。ZK2的δ2 H、δ18 O值随着埋深的增大出现周期性的波动,具有分层现象的岩性差异并不明显,说明ZK2剖面以活塞流的入渗方式补给地下水。在0~3.90m深度,δ2 H、δ18 O值显示降水和灌溉水的入渗补给时间为2011年10月至2001年11月。18 O峰值位移法计算补给量的结果显示,降水、灌溉水通过包气带补给地下水的垂向运移速度为38.5~65.0cm/a,年均入渗补给量为131.3~185.3mm。同时,对比2003年及2005-2007年降水量数据,说明少雨年份农业灌溉用水量的大小对当地地下水的入渗补给量起着关键性作用。

改进的^18O同位素标记法标记蛋白质多肽

针对18O同位素标记反应两个重要影响因素——肽段分散度和胰酶灭活方法,进行了标记条件的改进和灭活方法的优化。在H218O中加入RapigestTM SF助溶剂并微波辅助加热,使α-酪蛋白胰酶酶切肽段的标记效率得到明显改进(18O/16O峰面积比值>99%)。标记后,对胰酶进行还原烷基化化学修饰彻底灭活,使标记后的肽段稳定性显著提高,放置6d不发生回交反应。对标准蛋白质甲状腺球蛋白酶切肽段混合物标记后的质谱实验结果表明:优化的标记方法能快速稳定地标记蛋白质酶切多肽。

立方Nd_2O_3上过氧物种光诱导生成的^(18)O同位素示踪考察

采用原位显微Raman光谱和18O同位素示踪技术,以325 nm激光为激发光源,对立方Nd2O3上过氧物种的光诱导生成过程进行了详细表征,进一步证实过氧源于分子氧对晶格氧的氧化反应.结果还表明,325 nm激光在室温下即可诱导过氧的生成,在实验条件下,生成的过氧物种可与Nd2O3的晶格氧发生快速的氧交换反应,位于Nd2O3体相的晶格氧也可迁移至样品表层进而参与过氧的生成.325 nm激光照射有助于促进晶格氧的迁移以及晶格氧与分子氧之间的氧交换反应.

应用D、^(18)O同位素示踪孝感市厚层黏性土中土壤水入渗补给及其生态环境效应

黏性土的渗透系数极低,水分及溶质在黏性土中运移速率慢、耗时长,本次研究通过分析大别山区—江汉平原三水转换野外科学试验场(下文简称“试验场”)ZK1、ZK2钻孔剖面土壤水、大气降雨D、^(18)O同位素测试数据与孝感站(站号57482)多年年降雨量数据,确定了厚层黏性土土壤水入渗补给年份与深度的对应关系。结果表明:试验场区黏性土垂向岩性差异较小,无明显分层现象,土壤水分以“活塞流”的方式向下运移,夏、秋季的大气降雨为土壤水的主要补给来源;ZK1(取样间隔0.5~2.7 m,深度15 m)的土壤水δD、δ^(18)O值随着埋深的增大出现周期性的波动,ZK2(取样间隔0.1 m,深度6.2 m)的土壤水δD、δ^(18)O值随着埋深的增大出现分层波动现象;确定了黏性土层0~6.2 m深度对应的降雨入渗补给年份,并通过^(18)O的峰值位移法计算得出降雨入渗补给在黏性土层的垂向运移速度为10.8~15.0 cm/a,年均入渗补给量为43.1~58.1 mm,占多年年均降雨量的4.01%,推算出降雨入渗补给需要近130年的时间才能穿透试验场厚层黏性土补给至地下水含水层,表明该厚层黏性土的防污性能良好。本研究所揭示大气-土壤界面下黏性土土壤水分入渗迁移历史演化特征及补给年际对应关系,对江汉平原区地下水环境保护、生态环境改善、旱涝灾害防治等具有重要意义。

基于^(18)O同位素的玛纳斯河流域典型荒漠植被水分利用来源研究

梭梭和柽柳是玛纳斯河流域下游典型荒漠植被,对干旱荒漠区具有水土保持和固沙造林的作用,分析其水分利用来源对保证植被正常生长、维持荒漠生态系统稳定具有重要意义。采用^(18)O稳定同位素技术,以玛纳斯河流域下游两年生梭梭、柽柳为研究对象,通过分析植被水、地下水和不同土层土壤水中的^(18)O值,得到两年生梭梭、柽柳旱季生长期的水分利用来源,研究结果表明:(1)年生长期内,地下水潜水埋深呈小幅增大,^(18)O值在5月到7月间逐渐增大,8月又逐渐减小;土壤含水率随着土层深度的增加而增大,土壤含水率月变化趋势为5月>6月>7月,土壤水中^(18)O值随着土层变浅而增大,100 cm以下逐渐稳定并趋于地下水;浅层土壤的^(18)O值随着月份的增加逐渐增大,较深土层土壤水的^(18)O值相对稳定。(2)两年生梭梭生长季节的主要水分利用来源为地下水和80~150 cm土层的土壤水,贡献率分别为56.8%±6.8%和26.3%±7.2%;两年生柽柳生长季节的主要水分利用来源为60~150 cm土层的土壤水和地下水,贡献率分别为54.6%±9.2%和36.8%±8.5%。

硫酸盐三氧同位素测试制样新技术——Ag_2SO_4热解法

氧同位素能有效地示踪硫酸盐起源及其形成环境,随着硫酸盐中氧同位素质量不相关分馏现象的陆续发现,三氧同位素的研究已成为热点与前沿。笔者研究了硫酸盐三氧同位素(16O、17O、18O)测试制样的最新技术——Ag2SO4热解法。基本原理是:Ag2SO4在1050℃下热解为O2和SO2,其中O2产额可达(45±7)%,SO2产额接近100%,收集两种气体送作质谱分析可测得δ17O、δ18O和δ34S值。本方法的特殊要求是所有硫酸盐样品都必须转化为Ag2SO4,笔者详细介绍了水样、土样、石膏样品、BaSO4样品的处理方法与步骤。Ag2SO4热解法不再使用传统方法中的氟化试剂,安全可靠、价廉,顺应了环保意识和以人为本的原则。技术先进、适用性强,具有很大的推广应用价值。

陕西北洛河流域地下水水化学和同位素特征及其水质评价

【研究目的】北洛河是黄河的重要二级支流,研究该流域典型支流地下水的水质状况对于黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。【研究方法】本文以北洛河流域为主要对象,系统查明流域地下水水质现状,圈定劣质地下水分布区,为饮水安全提供保障。此外,对该区地下水水化学和D-18O同位素组成进行分析,研究地下水水化学特征及演化机制,揭示水文地质条件及人为因素对区域地下水水文地球化学特征的控制和影响作用。【研究结果】区内地下水水化学成分除受岩石风化和蒸发浓缩作用的共同控制之外,部分还受到人类活动的影响。D-18O同位素组成指示了地下水整体上受蒸发浓缩作用影响。【结论】上游碎屑岩中的石膏、盐岩等易溶矿物经溶滤进入地下水,下游松散孔隙水在蒸发浓缩的作用下积聚盐分导致上、下游地下水TDS较高;奥陶系岩溶含水岩组和新生界断陷盆地含水岩组地下水水化学组成主要受蒸发盐岩影响,此外还受到人类活动的影响。白垩系和石炭系—侏罗系含水岩组地下水主要分布于岩石风化区,说明该地下水水化学组分主要受岩石风化作用控制,且主要受硅酸盐岩和蒸发盐岩风化影响,人类活动影响的扰动相对较小。上、下游地区地下水受工矿活动影响较严重,中游地下水受工矿活动、农业活动、生活污水影响均较小,水质整体较好。

GasBenchⅡ-IRMS测定葡萄酒水中δ^(18)O方法研究

葡萄酒水中氧同位素比值(δ18O)对于葡萄酒真实性的鉴别具有重要意义。本研究考察了反应瓶气密性、样品体积、平衡时间和乙醇含量等因素对葡萄酒水中δ18O测定的影响,建立并优化了GasBenchⅡ-IRMS测定葡萄酒水中δ18O比值的在线分析方法。结果表明,当葡萄酒样品体积为200~1 000μL,反应时间为24~48h时,测定同一葡萄酒水中δ18O重复性和再现性的标准偏差(1σ)均小于0.1‰。该方法操作简便,符合测定要求,可连续测定大批量样品。模拟实验表明,葡萄酒水中δ18O与自来水加入量呈线性负相关,这个特点可用于葡萄酒掺水的鉴别。

新疆柴窝堡盆地地下水化学及稳定同位素研究

地下水是维持乌鲁木齐河流域社会经济发展和生态系统的最重要的水源,尤其是柴窝堡盆地因大量开采使得地下水水位下降、湖面萎缩,地下水系统动态特征发生了变化,所以研究区内地下水水流系统及其补径排关系对于深入研究盆地地下水流系统特征和合理开发利用地下水水资源能够提供重要的基础资料,尤其是对调整地下水资源的开采布局具有现实意义。本次研究主要以地质、水文地质背景资料为基础,结合地下水补给环境的差异,利用水化学和水的稳定同位素进行示踪研究,确定了柴窝堡盆地地下水的补给来源和排泄途径,区分出盆地排泄带不同点的补给区,包括东山、南山和西山补给区,对同一补给区又细分出不同的水流系统。

长江干流水体氢氧同位素空间分布特征

采用热转换元素分析同位素比值质谱法(TC/EA-IRMS)对重庆至上海段长江干流的氢氧同位素进行了监测,分析了该段长江水的氢氧同位素和氘过量参数的空间变化规律,并探讨了δ(18 O)和δ(D)与大气降水氢氧同位素的关系。结果表明:长江干流不同地段水体受补给来源、大陆效应、高程效应等因素影响,其水体氢氧同位素也呈现出不同的特征。沿径流方向长江干流水体的δ(18 O)和δ(D)沿程逐渐偏正。长江干流上游重庆至宜昌段的氘过量参数大部分小于全球大气降水线的氘过量参数10‰,且波动较大,达3.0‰～12.2‰,而长江中下游地区氘过量参数基本稳定在10‰左右。蒸发浓缩作用导致长江中下游周边湖泊水体的氢氧同位素较长江水体偏正。

水中δ^(18)O在全汁葡萄酒鉴别中的应用研究

研究采用Gasbench联用同位素质谱仪(Gasbench-IRMS)检测了3个不同品种葡萄汁在实验室模拟发酵前后水中δ18O,结果表明,发酵前后水中δ18O变化小于0.1‰;掺入外源水后,其水中δ18O呈现明显且良好的线性负相关变化,预测模型能够判断至少10%的掺水量,且与实际掺水量的误差在±1%左右。水中δ18O可以作为鉴别葡萄酒是否添加外源水的客观指标。不同产区葡萄汁样本水中δ18O存在较大差异,能够作为葡萄酒产地鉴别的有效依据。结果证明了稳定同位素技术能够作为葡萄酒真实性鉴别的有效手段,通过建立各产地品种葡萄汁的δ18O同位素数据库,为全汁葡萄酒及产地葡萄酒鉴定方法和标准的建立提供技术支撑。

微量水δ(^(17)O)和δ(^(18)O)CoF_3法线外同时测试新技术

三氧同位素(16O、17O、18O)组成特征可有效示踪天然水循环及其环境效应,微量水δ(17O)和δ(18O)CoF3法同时测试新技术的建立,可为三氧同位素定量研究提供有效的分析手段,特别是能够捕捉到像光合作用、呼吸作用等生物过程中发生的同位素分馏现象。在国内首次建立了微量水δ(17O)和δ(18O)CoF3法线外同时测试新技术,样品量仅需2μL,整个制样时间约40min。采用在质谱测试前对待测样品在100℃下预热10 min,待O2完全解吸后再进行质谱测试的方法,避免了制样和测试过程中的记忆效应及分馏效应,δ(17O)和δ(18O)的分析精度分别达到±0.07‰和±0.14‰。该法使用固体试剂CoF3替代了剧毒的气态氟化物BrF5,使得制样流程更加安全可靠且样品量少,适用性强,具有很大的推广应用价值。

浓香型白酒中风味物质氧稳定同位素的检测方法

建立一种检测浓香型白酒中4种重要风味物质氧稳定同位素(δ^(18)O)的方法。用气相色谱仪将浓香型白酒样品中各风味物质与其他含氧物质分离,采用裂解转化装置GC Isolink将各风味物质转化为CO,最后利用稳定同位素比值质谱仪检测浓香型白酒中风味物质的δ^(18)O。结果表明,该方法能准确的测定浓香型白酒中4种重要风味物质(己酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸和己酸)的氧稳定同位素比值,风味物质分离度佳、稳定性好、重复测定标准偏差均小于0.3‰,完全满足测定需求,为风味物质δ^(18)O在浓香型白酒鉴别领域的应用提供了技术支持。

基于稳定氧同位素的葡萄酒掺水鉴别方法研究

为了准确鉴别葡萄酒是否掺水,试验制备不同稳定氧同位素(δ^(18)O)分布范围的水,添加外源水发酵获取不同酒精度的葡萄酒,采用水平衡仪-稳定同位素质谱仪(EQ-IRMS)测定葡萄酒中水的δ^(18)O。结果表明:发酵前后葡萄汁中水的δ^(18)O仅相差0.03‰;掺入不同稳定氧同位素的外源水,掺水量与葡萄酒中水的δ^(18)O呈良好相关关系,当葡萄汁中水的δ^(18)O与外源水δ^(18)O的绝对值相差4.48‰时,模型可判断至少5.5%的掺水量。通过建立基于稳定氧同位素的掺水鉴别模型,可为葡萄酒掺水鉴别研究和相关标准的建立提供科学合理的技术手段及数据支持。

氘氧同位素法在周口市地下水研究中的应用

在野外采样测试的基础上,通过对周口市内大气降水、河水和不同层位地下水中氘(δD)、氧(δ18O)同位素含量分析,发现当地降水、汾河水和浅层地下水的氘(δD)、氧(δ18O)均落在全球和中国降水线附近,呈现出明显的线性相关性,表明区内浅层地下水主要来源于大气降水入渗补给,而中深层和深层水则落在δD-δ18O降水线关系图的左下方,没有呈现明显的线性分布,表明其与大气降水的补给关系微弱;再者,根据不同深度地下水中δD、δ18O的含量特征分析,显示出随着埋藏深度的增加,氘(δD)和氧(δ18O)呈现出减小的趋势,表明其径流条件越差,可更新能力亦越差,这与区内不同层位地下水的运动规律相一致;最后根据大气降水的δD和δ18O值的高度效应,计算出周口市中深层地下水补给区高度为640~1 447 m;深层地下水补给区高度为1 240~2 447 m,这和区内西部地下水上游伏牛山区的海拔高度500~2 192 m相吻合,表明区内中深层和深层水主要来源于西部伏牛山区地下水的侧向径流补给。

黑河中游河岸带柽柳水分来源的^(18)O同位素示踪研究

运用18O稳定同位素,示踪了黑河中游河岸柽柳林2009年6月与8月两个时期的水分来源,分析了其水分利用模式。结果表明:柽柳茎干水两期的δ18O值分别为-8.32‰、-10.41‰,具有明显的差异,6月柽柳主要利用40~60cm土壤水分,而在8月则主要利用60cm以下深层土壤水或地下水;两个时期柽柳的水分初始来源均主要为地下水,不直接利用当地夏季降雨与河水,河岸柽柳之所以形成这种水分利用策略,与研究区气候干旱且存在强烈的河水-地下水相互作用密切相关。

ZrO_(2)/InP和ZrO_(2)/InAs堆栈的元素扩散研究

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体有望在5 nm以下节点替代Si作为场效应管的沟道材料,其与高k栅介质界面质量对器件性能极为关键。本文分别在InAs和InP衬底上通过H_(2)^(18)O蒸汽预处理表面,再利用原子层沉积技术原位制备了ZrO_(2)薄膜,通过角分辨X射线光电子能谱和飞行时间二次离子质谱技术系统性地研究了退火前后界面处衬底元素原子和氧原子扩散行为,并讨论了物理机制。本工作将加深Ⅲ-Ⅴ/高k栅介质界面在材料学上的理解。