Способ определения концентрации гелия в природных водах Советский патент 1981 года по МПК B01D19/00 

1

Изобретение относится к приборестроению для сейсмологических исследований, в частности к способам анализа природных вод на содержание растворенного гелия, и может быть использовано в автоматических станциях прогнозирования землетрясений по геохимическим признакам.

Известен способ определения концентрации гелия путем вьщеления парциального диффузионного потока гелия в вакуумированный объем при помощи избирательной пористой мембраны, выполненной из полиэтилентерефталатной пленки с последующим измерением концентрации гелия селективным по гелию датчиком. Сущность этого способа состоит в создании стационарного парциального диффузионного потока гелия из среды в аналитическую ячейку в соответствии с первым законом диффузии Фика. Обычно для достижения экспрессности анализа гелия используется большой перепал концентраций в исследуемой среде и в аналитической ячейке 11.

Однако в этом способе в качестве селективного к гелию датчика используют настроенный только на гелий масс-спектрометрический магнитный .

анализатор, что затрудняет применение этого способа в полевых условиях.

Известен также способ определения концентраций гелия в природных водах, включающий диффузное выделение гелия селективной пористой мембраной в вакуумную систему, откачанную до высокого вакуума 10 - рт.ст.,

10 затем определяют концентрацию гелия в исследуемой среде при помощи несе- , лективного к гелию магниторазряйного насоса, выполненного в виде ячейки Пеннинга, ток в которой зависит

IS от концентрации гелия (2.

Однако определение концентрации гелия осуществляется неселективным методом, поэтому для достижения достоверности измерений необходима час20тая калибровка. Принципиальная необходимость частой калибровки (для прибора ИГЕМ-1 число калибровок составляет 3-4 в сутки) исключает возможность автоматизации измерений.

25

Целью изобретения является осуществление автоматизированного и селективного измерения концентрации растворенного в природных водах гелия.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения концентра- ,

30

ции гелия в природных водах, включающем диффузионное выделение гелия селективной пористой мембраной в вакуумную систему, вакуумируют объем измерительной ячейки до давления мм рт.ст. при скорости откачки в 10 - 10 раз большей скорости натекамия гелия, выполняют кинетическое измерение роста парциального давления гелия, при этом граничную кон11,ентрацию гелия на внешней стороне мембраны поддерживают постоянной.

Записанное манометром давление, соответствующее равновесному состоянию, используют при числовой обработке результатов для расчета концентрации по таблице Вунзена, а по 1 инетической кривой судят о чистоте натекающего гелия.

о Первая стадия является подготовительной и предшествует каждому единому циклу измерения. Диаметр пористой мембраны, скорость перемешивания на внешнем торце мембраны опытным путем подбираются такими, чтобы скорость откачки была в 10 - 1Ю ра больше скорости натекания гелия. Регистрация скорости изменения давлени в аналитической ячейке по манометру с выходом показаний на самописец позволяет по постоянству рассчитываемого коэффициента диффузии гелия в пористой мембране судить о чистоте натекающего гелия, т.е. об отсутствии примесных газов в мембране или нарушения герметичности установки. Эта стадия описывается дифференциальным уравнением нестационарной диффузии (второе уравнение диффузии Фика).

Решение этого уравнения для замкнутого отвакуумированного объема с меняющимся парциальным давлением гелия не содержит никаких требований относительно поддержания величины парциального давления внутри измерительной ячейки, т.е. существенно упрощается способ проведения измерения. Вместе с тем нестационар ый участок измерения дает представление о чистоте натекающего гелия. Последующий контроль чистоты натекающего гелия, т.е. достоверность данных, полученных в автоматическом режиме измерений, получают на стадии числовой обработки результатов или .путем расчетов коэффициента диффузии или путем с эталонными кинетическими кривыми.

При последующем измерении равновесного парциального давления гелия используют пве особенности натекания растворенного в воде гелия через пористую меме:оЪну. Нестационарный процесс натекачия гелия в замкнутый объем завершается равновесным состоянием, когда ПС ток гелия через мембрану равен нулю. Ввиду отсутствия потока гелия через мембрану соотношение установившегося парциального

давления в аналитической ячейке и в потоке пробы целиком определяется равновесной абсорбцией гелия в воде, отделенной от газовой фазы мембраной. Это означает, что при числовой обработке результатов практически без калибровок возможно по табличным значениям коэффициентов абсорбции Бунзена вычислять концентрацию растворенного в пробе гелия.

На чертеже представлена схема установки для определения концентрации гелия, реализующая предлагаемый способ.

Установка содержит диффузионную ячейку 1, внутри которой расположена кварцевая или полиэтилентерефтолатная мембрана 2, отделяющая вакуумированный объем от пробы, мешалка 3, приводимая в движение электродвигателем 4 . Диффузионная ячейка соединена с балластной емкостью 5 и двумя манометрическими лампами б {термопарной и ионизационной). Электромагнитны клапан 7 соединяет диффузионную ячейку с диффузионным насосом 8, снабженным сорбцйонной ловушкой 9, подогревателем 10 и вентилятором охлаждения 11. Электромагнитный клапан 12 соединяет диффузионный насос через обратный клапан 13 с форвакуумным насосом 14 и лампой 15. контряэля форвакуума. На входе диффузионной ячейки установлен электромагнитный переключатель потока 16. Измерительная часть устройства содержит блок 17 программного управления и измерительный блок 18 манометра, выход которого соединен с самописцем 19, на шкале которого расположена регулируемая контактная группа сигнализации 20, осуществляющая выдачу сигнала при аномальной концентрации гелия в цепь оповещения.

Установка работает по замкнутому циклу следующим образом.

Предварительно этапы цикла устанавливаются на блоке 17 программного управления. Выбор продолжительности этапов цикла,как и диапазон давлений блока 18 манометров,выбирается в пери настройки прибора на конкретной скважине. По команде с блока 17 программного управления включается форвакуумный насос 14. Через 1.0 мин подается напряжение для открытия клапана 7, а через последующие 10 мин подается напряжение на нагреватель 10 диффузионного насоса 8 и включается нагреватель сорбцйонной ловушки 9. После 30 мин откачки с нагревом нагреватель- ловушки 9 выключается, через 30 мин охлаждения ловушки 9 при продолжающейся откачке на клапан 7 подается напряжение для открытия, включается блок 18 манометра и самописец 19 для контроля режима откачки в течение 30 мин, одновременно снимается напряжение с клапана 7 для закрытия.

и запускается мешалка 3 для поддержания интенсивного масообмена на внешнем торце мембраны 2. Идет запись кинетической кривой нарастания парциального давления гелия до равно.весного. Суммарное время записи ки:иетическ6й кривой л 1 ч. Затем выключается нагреватель 10 диффузионного насоса 8 и через 30 мин снимается напряжение с клапана 12 для закрытия. Через 10 мни одновременно выключается форвакуумный Haicoc 14, мешалка 3 для. уменьшения интенсивности массоподвода гелия к внешнему торцу мембраны и электромагнитный переключатель потока 16 для промывания диффузионной ячейки дистиллированной водой.

Пауза между циклами 1 ч. Таким образом, один цикл с паузой занимает 4,5-5 ч, т.е. за сутки возможно проведение 4-5 измерений. Как следует из опыта, целесообразно ограничиться 2-3 измерениями в сутки. В случае появления концентрации гелия аномальной для данной скважины величины, одновременно с сигналом в цепь оповещения службы прогнозирования на программное устройство подается команда перехода на программу 4-5 измерений в сутки.

Предлагаемый способ специализирован к задаче сейсмического прогнозирования и в этой узкой, но важной области применения обладает существенными преимуществами перед известными способами. Предлагаемый способ позволяет осуществить автоматический режим измерений.

Измерение непосредственно равновесного парциального давления позволяет свести к минимуму трудоемкий процесс калибровок и составления эталонных образцов при высокой точности измерений, характерной для техники манометрии.

Использованная в предлагаемом способе специфичность кинетики диффузии гелия через пористые мембраны, как и других газов, позволяет проводить селективные определения гелия в по. левых условиях при помощи иеселективного широко распространенного манометрического датчика.

Формула изобретения

15 Способ определения концентрации гелия в природных водах, включающий диффузионное выделение гелия селективной пористой мембраной в вакуумную систему, отличающийся 20 тем, что, с целью осуществления автоматизированного и селективного измерения концентрации растворенного в природных водах гелия, вакуумируюг объем измерительной ячейки до давления рт.ст. при скорости откачки в 10 раз большей скорости натекания гелия, выполняют кинетическое измерение роста парциального давления гелия, при этом гранйчную концентрацию гелия на внешней стороне мембраны поддерживают посто янной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Левин Л.Е. и др. Лабораторные и технологические исследования и

обогащение минерального сырья. ВИЭМЬ, М., 1974, с.4-8.

2.. Там же, с.9-15 (прототип