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  • 环境科学论文 关于环境科学论文范文参考资料

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    同位素技术在水环境科学领域应用

    [摘 要]水汽稳定氢氧同位素作为水循环中的天然示踪剂,在土壤水、地下水、大气水汽及降水的研究中发挥着重要作用,在水环境污染研究中也成为了一种良好的研究手段,尤其在示踪污染源、探寻地下水来源和径流途径、估测地下水年龄等方面具有准确的指示作用.围绕同位素技术在水环境科学方面的应用研究展开,重点介绍了液态水稳定氢氧同位素的观测分析方法,汇总了大气水汽氢氧同位素的不同收集方法之间的差异及其优缺点,明确了目前同位素技术在水循环研究过程中的应用现状.为了能够使同位素技术最大化的实现科学价值,在今后的研究中应进一步补充完善采集样品的时空尺度,筛选典型样品代表,并着重于大气水汽循环的统一整体展开氢氧稳定同位素研究,获得整体循环过程中水汽同位素的运移规律和蒸散过程.

    [关键词]氢氧同位素;水循环;LGR液态水同位素分析仪;水汽运移

    [中图分类号]U455 [文献标识码]A

    同位素技术出现于20世纪40~50年代,随着逐渐发展成熟成为了一种有效的失踪手段.稳定同位素的研究最早是应用于地质、物理学科等领域,随着技术的不断革新和发展,慢慢地向水文学和植物学等方面渗透,并且得到了较好的应用.化学元素周期表中几乎每一个元素都存在同位素,C、H、O、N、S等同位素属于环境同位素.水由氢氧两种元素组成,其作为水循环的研究对象,主要以1H、D、16O、17O、18O为主,其在自然界的豐度分别为99.984%、0.0156%、99.759%、0.037%和0.204%.同位素技术在水循环中应用高效、快捷,尤其是在测定地下水年龄、更新周期、循环速度、补给来源等方面作用明显.全球水循环过程由海洋、大气、河流、大气构成完整的输送过程,依次完成水分的蒸发、大气循环、降水、陆地水蒸散等环节.降水是水循环过程中的一个重要环节,水汽来源作为其重点研究对象,可以通过采用稳定同位素示踪技术得到有效的解答.氘( D) 和18O作为天然水体中的稳定同位素,是研究大气中水汽来源的天然示踪剂,雨水中的氢氧同位素就像生物学上的DNA,其特性可以辨别水体的时空演变和分异规律.

    1 降水稳定同位素观测方法

    目前,光学观测方法已被广泛应用于同位素研究的各个领域,以激光光谱仪和发射光谱仪为主,它们能够避免传统方法的不足和缺点.激光光谱技术以实时监测为优势,对大气中的水汽同位素进行监测,并能够得到高精度的时空连续结果.而发射光谱仪则具有更大的时空尺度,可以具体到全球范围内.

    1.1 降水稳定同位素分类观测方法

    光谱仪测定是根据待测气体吸收连续波长的红外波谱之后的红外吸收光谱特征进行定量待测气体含量.其依托的光谱技术主要包括离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS,Off- Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy)和振腔衰荡光谱技术(CRDS,Cavity Ring- Down- Spectroscopy),它们分别以水和CO2中的同位素测定以及气体中的同位素测定为主.光谱技术测量便捷,并且易于携带,最重要的是可以进行实时监测,相对于传统方法,它可以同时测定两种同位素组成;在人员操作使用方面专业技术要求低,而且成本低,这些优点都促使了光谱测量技术的推广及应用.

    另外一种是可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS).TDLAS具有较高的灵敏度和分辨率,实用指标可以达到10-6,最高可达10-9;在其所选用的工作波段内,水分和其他气体几乎没有吸收,进而可以不受其他成分的干扰;TDLAS输出波长在一定范围内可以进行调节,和传统的采样分析方法相比,通过调节输出波长,可以同时分析多种污染物质.某些气体存在特征谱的吸收率很低、吸收线宽很窄的现象,传统的测量方法操作困难,但是,采用特征谱线宽度很窄的可调谐二极管激光器,有利于检出气体吸收峰,同时,TDLAS的调谐范围也限制了其可探测的气体种类.

    1.2 技术原理

    1.2.1 离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS,Off- Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy).该技术将激光谐振腔和气体测量室作为统一的整体,当激光在谐振腔两端的反射镜间来回振荡时,只有少部分光线通过反射镜到达了检测器.而对于进入检测室的激光来说,其必须先在待测气体中反复通过上万次才能顺利到达检测器,这在一定程度上相当于增加了测量室的厚度,水汽吸收信号增强,能够检测水汽中含量极其低微的2H和18O.

    1.2.2 振腔衰荡光谱技术 (CRDS,Cavity Ring- Down- Spectr oscopy).当激光进入谐振腔后,透过待测气体在镜片之间来回振荡,强度也随之不断加强,少部分光可以透过镜片到达检测器.待检测器中的光信号达到稳定后,停止激光照射,检测器方向的漏光将使其检测到的光强随时间按指数规律衰减.待测水汽中的同位素吸收一定频率的光谱,因此,当光衰减到某一确定程度时,所需时间变短,而根据缩短的时间即可推算出水汽中的同位素含量.

    1.2.3 可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDL).该技术利用激光器波长调谐通过待测气体的特征吸收区,水汽同位素直接吸收的光谱是以波长为函数记录对入射光吸收的原型吸收线.通过测量获得线性、线宽和强度,计算出同位素分子的吸收截面,进而得出目标水汽同位素的浓度.

    1.3 水汽收集方法

    1.3.1 液氮冷凝法.通常液氮作为冷凝剂,其构成的低温环境大约在-70℃左右,在该低温环境条件下,可以将真空抽提出来的水汽分子得到完全的冷却并凝结.该方法通常伴有加热和冷却两个外部环境过程,尤其是其足够低的低温环境,能够使水分子得到完全凝结,这也是该方法最大的优点.但在运用此方法时,需要持续的供给液氮,而冷阱的高气流会造成部分分馏和冰晶损失,极端的低温条件也会造成CO2和O2的凝结.

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