[发明专利]一种富甲烷天然气中Xe同位素分析方法及分析装置

说明书

本发明公开了一种富甲烷天然气中Xe同位素分析方法及分析装置，涉及稀有气体同位素分析技术。包括：利用包括对外部天然气进行负压抽取、除水、低温收集的Xe富集处理，从外部天然气中得到具有足以检测Xe同位素信息的Xe含量的且以Kr和Xe为主要成分的待测样品；对所述的以Kr和Xe为主要成分的待测样品进行纯化处理，得到仅有Kr和Xe组成分析样品；对所述仅由Kr和Xe组成的分析样品进行分离处理，得到仅含Xe的分析样品，通过对其进行同位素分析，得到天然气样本中Xe的同位素信息。本发明方法可以直接获得Xe同位素含量，分析过程的影响因素少，结果准确，效率高，操作简单，普适性广。

技术领域

本发明涉及页岩残余气分析技术，尤其涉及稀有气体在线分析方法及系统

技术背景

稀有气体因其化学性质不活泼、在自然界丰度低、成因均与特定的核过程相关而成为地质物体及地质历程的重要示踪剂，对于研究地球早期历史、地幔-地壳的物质演化，地球的脱气和大气圈的形成，以及同位素年龄测定等都具有重要意义。

大气氙还具有强烈的、全球性的分馏效应。129Xe过剩代表的是地壳早期形成、现已灭绝的放射性核素129I的衰变产物。在天然气中如果存在129Xe过剩，则意味着其中有地球原始组分的加入。

但是，地球上氙的同位素结构特别复杂。尤其是天然气中Xe同位素含量极低(10^-5ppm)，杂质气体多，导致天然气中Xe同位素分析难度大。上世纪末，一些研究人员对Xe同位素分析测试进行过尝试，主要对矿物岩石中的Xe进行了一些研究，由于分析方法不成熟，分析结果争议较大，导致之后很少进行该领域的研究工作。因此较岩石矿物中的Xe同位素分析更为复杂、困难。基于分析技术的壁垒，世界上几乎没有天然气中Xe同位素分析研究工作。

孙明良公开了一种天然气中稀有气体同位素的分析技术，其曾对Xe进行同位素分析，但是其发现天然气样品中Xe的含量比Ar还要低约6个量级，即使分离时无丢失，其进入质谱计内供分析用的绝对量仍是很微的，因此其采用了电子倍增器+粒子计数器或德利+光电倍增器去检测Xe同位素。

目前，中国专利文献号为CN102012333B公开了一种惰性气体纯化富集装置及其使用方法，其通过进样定量控制系统实现样品的定量进样，然后送入惰性气体真空净化系统，利用其中的海绵钛炉和锆基吸气炉使待测样品气体中的活性其它被吸收而净化待测样品；净化的样品先进行四级杆质谱计分析后，再送入惰性气体低温富集系统使惰性气体冷冻富集于活性碳阱中，然后再将样品中He、Ne、Ar、Kr、Xe各组份依次进入同位素质谱计中进行同位素分析，可见上述装置成功得到了样品中的各成分组成，而且也测得了Xe的同位素¹³²Xe，但是，仅测得¹³²Xe含量，并不能获得Xe组分的总含量，因此，该专利文献中的方法实际只适用于已知Xe同位素比值的样品，而实际样品检测分析中Xe同位素比值必定是未知的样品，因而该专利文献中的方法没有实际意义，只能提供仪器参数或者计算的矫正参数；而且，由于天然气中Xe的含量极低，如果先对样品组成成分进行分析再对稀有气体同位素分析需要大量进样才能使Xe分析达到仪器的线性范围，这无疑将大量增加检测装置的负荷，然而，稀有气体分析系统属于超真空系统，不能实现大量样品直接送入系统分析，可见，该技术仍存在一定的技术问题，不能获得样品中Xe的同位素含量。

发明内容

为了解决现有技术中存在的由于Xe含量极低导致的无法准确检测的技术问题，本发明提供一种简便的同位素分析方法，该方法在分析之前先进行简单的富集纯化，再利用稀有气体质谱仪就可以获得Xe的同位素信息，例如¹²⁹Xe、¹³¹Xe、¹³²Xe等，该方法准确率高、操作简单，成本低，对地质物体及地质历程的研究有重要意义。

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种富甲烷天然气中Xe同位素分析方法，包括：