阅读说明：本技术 一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置及使用方法 (Hydrogen-oxygen isotope fractionation experimental device for teaching and use method ) 是由 茅昌平 杨张阳 于 2020-03-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了分馏实验装置技术领域的一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置及使用方法,旨在解决现有技术中氢氧同位素分馏的实验装置不能模拟地球水循环过程的技术问题,蒸发单元加热试样使其蒸发为气态,气态试样在冷凝单元凝结成液态并通过输送管输送至降落单元,降落单元模拟液态试样的多种降落环境；蒸发单元、冷凝单元和降落单元构成地球水循环的过程,取样单元在地球水循环的过程中的不同阶段进行取样,本发明通过设置蒸发单元、冷凝单元、降落单元等模拟地球水循环的整个过程,通过取样单元对地球水循环过程的各个阶段进行取样,获取较为准确的实验数据,且可以直观展现地球水循环的整个过程及氢氧同位素在地球水循环过程中的时空变化。(The invention discloses a hydrogen-oxygen isotope fractionation experimental device for teaching and a use method thereof, belonging to the technical field of fractionation experimental devices, aiming at solving the technical problem that the hydrogen-oxygen isotope fractionation experimental device in the prior art can not simulate the earth water circulation process; the evaporation unit, the condensation unit and the landing unit form a process of earth water circulation, and the sampling unit samples at different stages in the process of earth water circulation.)

一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置及使用方法

技术领域

本发明属于分馏实验装置技术领域，具体涉及一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置及使用方法。

背景技术

同位素分馏是指由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象。大气水或雨水，是指新近参加大气循环的雨、雪、河、湖、地下水等一类水的总称。水是由氢、氧元素组成，自然界氢有H(氕)，D(氘)和极微量的T(氚)三种同位素，氢同位素相对质量差最大，同位素分馏也最明显。氧有¹⁶O，¹⁷O，¹⁸O三种稳定同位素。降水是自然界水循环过程中的一个重要环节，在实现海水—大气水—降水的相变过程中，氘-氧同位素之间的内在关系，降水同位素受气候、地理因素影响，具有明显的时空变化，并且与云团凝结温度、降雨量、高程等地理因素等有关。水的蒸发、凝结是大气降水氢氧稳定同位素分馏的直接过程，也是造成不同水体同位素组成差异的重要原因。以往氢氧同位素分馏实验往往较为简单并多为科研过程设计。缺少模拟地球水循环过程中的同位素分馏的过程实验装置，因此也不能让学生获取有效的数据及图像表示氢氧同位素分馏效应的结果，不能清晰的展示水循环过程的氢氧同位素分馏效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置及使用方法，以解决现有技术中氢氧同位素分馏的实验装置不能模拟地球水循环过程的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置，包括蒸发单元、冷凝单元、降落单元和取样单元，所述蒸发单元加热试样使其蒸发为气态，气态试样沿输送管进入所述冷凝单元，气态试样在冷凝单元凝结成液态并通过输送管输送至所述降落单元，所述降落单元模拟液态试样的多种降落环境；所述蒸发单元、冷凝单元和降落单元构成地球水循环的过程，所述取样单元在地球水循环的过程中的不同阶段进行取样。

进一步地，所述降落单元包括模拟土壤装置，所述模拟土壤装置包括玻璃柱，所述玻璃柱的入口通过输送管连接所述冷凝单元，所述玻璃柱的侧面设有多个第二取样管，所述第二取样管的一端埋藏在所述玻璃柱内部的土壤剖面中，另一端位于玻璃柱的外侧且设有取样阀。

进一步地，与所述玻璃柱的入口连接的输送管上安装有第三控制阀，所述第三控制阀连接第二控制阀的出口，所述第二控制阀的入口连接所述冷凝单元。

进一步地，所述降落单元包括模拟湖泊水装置，所述模拟湖泊水装置包括湖泊水试管，所述湖泊水试管的入口通过输送管连接所述冷凝单元。

进一步地，与所述湖泊水试管的入口连接的输送管上安装有第四控制阀，所述第四控制阀连接第二控制阀的出口，所述第二控制阀的入口连接所述冷凝单元。

进一步地，所述冷凝单元包括通过输送管依次串联的多个冷凝管，每个所述冷凝管的安装高度均不同，所述冷凝管内部为“8”字形通路，每个所述冷凝管上均设有气体逸出管路，所述气体逸出管路的末端设有气体逸出泡。

进一步地，每个所述冷凝管均通过第一取样管连接取样试管，每个所述第一取样管上安装有取样开关。

进一步地，所述蒸发单元包括烧瓶和温控加热器，所述温控加热器对所述烧瓶加热；所述烧瓶通过输送管连接所述冷凝单元，所述烧瓶与所述冷凝单元连接的输送管上安装有第一控制阀。

进一步地，还包括对比实验装置，包括对比烧瓶、温控加热器和对比模拟土壤装置，所述温控加热器对所述对比烧瓶加热；所述对比烧瓶通过对比输送管连接所述对比模拟土壤装置，所述对比模拟土壤装置包括对比玻璃柱，所述对比玻璃柱的入口通过对比输送管连接所述对比烧瓶，所述对比玻璃柱侧面设有多个对比取样管，所述对比取样管对应对比玻璃柱内部土壤剖面的不同土壤层，每个所述对比取样管上设有一个对比取样阀。

一种前述用于教学的氢氧同位素分馏实验装置的使用方法，包括，在烧瓶内装入试样，打开温控加热器加热烧瓶，使烧瓶内的试样受热蒸发；打开第一控制阀，使蒸发为气态的试样进入冷凝单元，气态的试样在冷凝单元凝结成液态，分别打开与冷凝单元中的各冷凝管连接的取样开关，对各冷凝管分别取样，记录取样时间和取样位置；打开第二控制阀和第三控制阀，使凝结为液态的试样进入模拟土壤装置，打开第四控制阀，使凝结为液态的试样进入模拟湖泊水装置；通过模拟土壤装置的玻璃柱观察土壤剖面是否润湿，待土壤剖面润湿到水饱和后，打开与玻璃柱侧面连接的取样阀，对土壤的不同剖面进行取样，记录取样时间和取样位置；关闭第四控制阀，对模拟湖泊水装置进行取样，记录取样时间和取样位置；经过设定时间后，从前述步骤中的取样位置处再次进行取样，并记录取样时间和取样位置，获取多组样品；检测获取的多组样品中H-O同位素的组成，并以基于维也纳平均海水为标准的千分值表示，整理数据，得出在地球水循环过程中氢氧同位素的变化规律。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明通过设置蒸发单元、冷凝单元、降落单元等模拟地球水循环的整个过程，通过取样单元对地球水循环过程的各个阶段进行取样，获取较为准确的实验数据，且可以直观展现地球水循环的整个过程及氢氧同位素在地球水循环过程中的时空变化；

(2)本发明通过设置不同安装高度的冷凝管、模拟土壤装置和模拟湖泊水装置，展现了氢氧同位素受空间、环境影响后的变化；

(3)本发明通过设计冷凝管，加强冷凝效果，提高实验效率，同时在冷凝管上设置气体逸出管路和气体逸出泡，将轻氢氧同位素逸出，同时可以排出不凝气，调节系统内部压力，保护实验安全；

(4)本发明中采样单元为多位置采样，可以获取地球水循环全过程中的样品数据，具有可靠的数据验证；

(5)本发明的各功能单元中的装置均可以通过现有实验室器材进行组装，可操作性强，安装简易，实验成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中冷凝单元中冷凝管的结构示意图；

图3是本发明实施例中对比实验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，一种用于教学的氢氧同位素分馏实验装置，包括蒸发单元Ⅰ、冷凝单元Ⅱ、降落单元Ⅲ和取样单元，蒸发单元Ⅰ加热试样使其蒸发为气态，气态试样沿输送管进入冷凝单元Ⅱ，气态试样在冷凝单元Ⅱ凝结成液态并通过输送管输送至降落单元Ⅲ，降落单元Ⅲ模拟液态试样的多种降落环境；蒸发单元Ⅰ、冷凝单元Ⅱ和降落单元Ⅲ构成地球水循环的过程，取样单元在地球水循环的过程中的不同阶段进行取样。通过设置蒸发单元Ⅰ、冷凝单元Ⅱ、降落单元Ⅲ等模拟地球水循环的整个过程，通过取样单元对地球水循环过程的各个阶段进行取样，获取较为准确的实验数据，且可以直观展现地球水循环的整个过程及氢氧同位素在地球水循环过程中的时空变化；

蒸发单元Ⅰ包括烧瓶11、温控加热器12，烧瓶11内装有氢氧同位素比值为0的海水试样，打开温控加热器12上的温控加热器开关121对烧瓶11中的海水试样进行加热使其蒸发，成为气态水，气态水通过输送管4进入冷凝单元Ⅱ，输送管4通过烧瓶塞与烧瓶出口连接；在蒸发单元Ⅰ和冷凝单元Ⅱ之间的输送管4上安装第一控制阀K1，用于控制蒸发后的气态水进入冷凝单元Ⅱ。

冷凝单元Ⅱ包括通过输送管4依次串联的第一冷凝管21、第二冷凝管22和第三冷凝管23；由蒸发单元Ⅰ来的气态水首先进入第一冷凝管21的入口，并在第一冷凝管21内初步冷凝，再依次进入第二冷凝管22和第三冷凝管23中进一步冷凝，成为液态水，液态水通过输送管4进入降落单元Ⅲ。第一冷凝管21安装在烧瓶11的斜上方0.3米处，第二冷凝管22安装在第一冷凝管21的斜上方0.5米处，第三冷凝管23安装在第二冷凝管22的下方0.3米处，三个冷凝管通过空间布置模拟大气水上升-凝结-降落的过程。每个冷凝管均通过第一取样管52连接取样试管54，对模拟大气水的不同阶段进行取样，第一取样管52插入冷凝管出口端；在第一取样管52上设有控制取样的取样开关53，本实施例中，第一取样管52采用细软管，通过固定贴51固定，取样试管54放置在第一试管架55上。每个冷凝管上均设有气体逸出管路24，气体逸出管路24一端连接冷凝管的出口侧，另一端设置气体逸出泡25；气体逸出管路24连接在冷凝管的顶部，可以使装置内的轻同位素气流容易逸出，轻同位素气流在气体逸出管路24内折返流动进一步冷却、分离，气体逸出泡25具有容纳腔，可以通过增加气流体积降低气流的逸出速度，进而节省样品消耗，同时防止气体喷溅；另一方面，气体逸出管路24和气体逸出泡25的结构可以调节装置内、外的压力差，避免因压力差过大损坏试验装置，造成安全事故。本实施例中的冷凝管可以采用实验室常规的冷凝管或在实验室常规的冷凝管上加装本实施例中的气体逸出管路24和气体逸出泡25；如图2所示，本实施例提供一种冷凝管，冷凝管为玻璃制品，内部通路为“8”字形结构，以延长内部介质的停留时间，同时增加换热面积，提高冷凝效果。

降落单元Ⅲ包括模拟土壤装置和模拟湖泊水装置，与第三冷凝管23的出口连接的输送管4上设有第二控制阀K2，第二控制阀K2与模拟土壤装置之间设有第三控制阀K3，用于控制进入模拟土壤装置的液态水；第二控制阀K2与模拟湖泊水装置之间设有第四控制阀K4，用于控制进入模拟湖泊水装置的液态水。模拟土壤装置包括玻璃柱31，玻璃柱31内装有分层的土壤，模拟土壤的结构，玻璃柱31的侧面设有两个第二取样管32，每个第二取样管32的一端埋藏在土壤剖面中，另一端位于玻璃柱31的外侧且设有取样阀33，用于控制取样操作，从不同的土层中进行取样，玻璃柱31的入口通过软木塞和输送管4连接第三控制阀K3的出口。模拟湖泊水装置包括湖泊水试管34，湖泊水试管34放置在第二试管架35上，湖泊水试管34的入口通过试管塞和输送管4连接第四控制阀K4的出口，湖泊水试管34内装有湖泊水试样。本发明通过设置不同安装高度的冷凝管、模拟土壤装置和模拟湖泊水装置，展现了氢氧同位素受空间、环境影响后的变化；

本发明还设有土壤剖面对比试验装置用于土壤剖面的对照实验，如图3所示，包括对比烧瓶110、温控加热器12和对比模拟土壤装置，温控加热器12对对比烧瓶110加热；对比烧瓶110通过对比输送管40连接对比模拟土壤装置，对比模拟土壤装置包括对比玻璃柱310，对比玻璃柱310的入口通过软木塞和对比输送管40连接对比烧瓶110，对比玻璃柱310的侧面设有两个对比取样管320，对比取样管320对应对比玻璃柱310内部土壤剖面的不同土壤层，每个对比取样管320上设有一个对比取样阀330，用于对对比实验装置进行取样。

湖泊水样实验前测试水体氢氧同位素含量，初始值作为对照。土壤剖面进行对照实验，用已测得氢氧同位素的水溶液进行喷淋(如图3)，饱和后取样测试不同位置土壤剖面的水氢氧同位素，以此来对照得出实验所得土壤剖面水同位素比值。

本发明所述的用于教学的氢氧同位素分馏实验装置的使用方法如下：

(1)在烧瓶11内装入氢氧同位素比值为0的海水样品，打开温控加热器开关121对烧瓶11进行加热，使烧瓶11内的试样受热蒸发，通过烧瓶11上的刻度观察蒸发的水量；

(2)打开第一控制阀K1，使蒸发为气态的试样进入冷凝单元Ⅱ，气态的试样在冷凝单元Ⅱ凝结成液态；观察烧瓶11的刻度，当烧瓶11刻度下降5ml时，观察各冷凝管，3支冷凝管此时应有水汽，等烧瓶11内的数量持续下降时，观察冷凝管底部凝结水量，当满足可以取样时，分别打开与冷凝单元Ⅱ中的各冷凝管连接的取样开关53，对各冷凝管分别取1.5ml左右的样品，记录取样时间和取样位置，冷凝单元Ⅱ取样完成；

(3)打开第二控制阀K2和第三控制阀K3，使凝结为液态的试样进入模拟土壤装置，打开第四控制阀K4，使凝结为液态的试样进入模拟湖泊水装置；通过模拟土壤装置的玻璃柱31观察土壤剖面是否润湿，待土壤剖面润湿到水饱和后，打开与玻璃柱31侧面连接的取样阀33，开始用埋藏在土壤剖面中的第二取样管32对土壤的不同剖面进行取样，记录取样时间和取样位置；同时，关闭第四控制阀K4，对模拟湖泊水装置进行取样，记录取样时间和取样位置；

(4)经过设定时间后，从前述步骤中的取样位置处再次进行取样，并记录取样时间和取样位置，获取多组样品，实现多位置、多时间点取样。

(5)检测获取的多组样品中H-O同位素的组成，并以基于维也纳平均海水为标准的千分值表示，整理数据，得出在地球水循环过程中氢氧同位素的变化规律；数据处理方法如下：

将各部分取得的样品放入样品瓶后，用以测定氢氧同位素比值。测试仪器可以使用利用激光同位素分析仪(LGR9120032)测试其H-O同位素组成；

同位素测试结果以基于维也纳平均海水(VSMOW)为标准的千分值(‰)表示；δ¹⁸O和δ²H的分析误差分别为±0.2％和±1.0％。同位素组成的表达式为：

其中，δ值是样品与标准之间同位素比值间的相对偏差，δ²H表示(²H/¹H)_sample与(²H/¹H)_VSMOW间的偏差，²H表示中子数为1的氢同位素，¹H表示中子数为0的氢同位素，(²H/¹H)_sample表示样品氢的同位素²H/¹H比值，(²H/¹H)_VSMOW表示基于维也纳平均海水(VSMOW)为标准氢的同位素²H/¹H比值；

其中，δ¹⁸O表示(¹⁸O/¹⁶O)_sample与(¹⁸O/¹⁶O)_VSMOW间的偏差，¹⁸O表示中子数为10的氧同位素，¹⁶O表示中子数为8的氧同位素，(¹⁸O/¹⁶O)_sample表示样品氧同位素¹⁸O/¹⁶O比值，(¹⁸O/¹⁶O)_VSMOW表示基于维也纳平均海水(VSMOW)为标准氧的同位素¹⁸O/¹⁶O比值；

按同时间段每一次完成取样样品为一组，得出数据后，数据按两种方式处理：

(1)将每一组数据按照取样位置排列整理，标记取样位置，通过表格图像等方式分析各个位置氢氧同位素比值变化；

(2)将每组数据整合，按照取样时间分析整理，分析每个取样位置在时间变化的过程中氢氧同位素比值的变化；

通过整理数据，得出在水循环过程中氢氧同位素的变化规律，验证水体氢氧同位素分馏效应。

本发明的各功能单元中的装置均可以通过现有实验室器材进行组装，可操作性强，安装简易，实验成本低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。