天然气中微量铜元素富集研究.pdf

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第 4 4卷第 6 期 石 油与 天 然 气化 工 CHEMI CAL ENGI NEE RI NG OF OI L GAS 1 O 5 天然气 中微量铜元素 富集研究 陈世 达 汤 达 祯 1 . 中国地质 大学煤层 气国家工程 中心 严启 团。 王淑 英。 韩 中喜。 煤储层 实验 室 2 . 中国石 油勘探 开发研 究院廊坊分院 摘 要 天然气中微量元素的超微性决定 了其只有通过浓集方可达到检 测水平。为探 索天然气中 微量元素的富集制样方法, 实现天然气中微量元素的有效检测 , 结合 目前地 气测量方法和研究 思路 , 通 过对捕 集液的优选 、 影响因素的探 究及 富集制样方法的优化对天然气 中微量铜元素的富集检 测方法进 行了有益的探索, 研 究发现 ①硝酸和王水对 C u元素均有较好的捕集效果, 其 中质量分数 为 5 的硝酸 对 Cu元 素捕 集效 果最好 且 最稳 定 ; ② 加 热 赶 酸 再 定容 处 理 可 以避 免 出现 由 于稀 释 而 导致 元 素 浓 度低 于仪器检测限的问题 , 使得分析误 差变小, 精密度提 高; ③ 室内三级吸收法能够有效 实现 C u元素的稳 定富集, 小通气量、 低速、 长循环时间的方法有利 于提 高天然气中 C u元素的提取效果。 关键词 天然气铜含量捕集液等离子质谱仪三级吸收 中图分类号 T E6 4 2 文献标志码 A D OI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 7 3 4 2 6 . 2 0 1 5 . 0 6 . 0 1 9 S t u d y o n t he e nr i c hm e nt o f t r a c e c o p pe r e l e m e n t i n na t u r a l g a s Ch e n S h i d a ,T a n g Da z h e n ,Ya n Qi t u a n ,Wa n g S h u y i n g ,Ha n Z h o n g x i 1 .Co a l Re s e r v o i r L a b o r a t o r y o f Na t i o n a l CBM En g i n e e r i n g C e n t e r,C h i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s。 Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ,C h i n a;2 .La n g f a n g Br a n c h o f Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m Exp l o r a t i o n De v e l o pme n t 。 Pe t r o Ch i n a,La n g f a n g 0 6 5 0 0 7 ,C h i n a Abs t r a c t Th e mi t e o f t r a c e e l e m e nt s i n e nr i c hm e n t . I n o r d e r t o e x pl o r e t he m e t ho d n a t u r a l g a s d e t e r mi n e s t h a t i t c a n o n l y b e d e t e c t e d b y o f t he e nr i c h m e n t o f t r a c e e l e me nt s i n na t ur a l ga s a nd r e a l i z e e f f e c t i ve de t e c t i o n of t r a c e e l e m e nt s i n n a t u r a l ga s, c ombi n e d wi t h t h e ge o g a s m e a s u r e m e nt me t ho d s a n d r e s e a r c h i d e a s , t hr ou gh o p t i m i z a t i on of t he t r a p pi n g f l u i d a nd i n f l ue nc i ng f a c t o r s o f i n q u i r y a n d e n r i c h e d s a mp l e p r e p a r a t i o n me t h o d, c o n c e n t r a t i o n d e t e c t i o n me t h o d o f t r a c e c o p p e r e l e m e nt s i n na t ur a l g a s h a s b e e n e xp l o r e d b e ne f i c i a l l y.The r e s e a r c h r e s u l t s s ho w t ha t H NO 3 a nd a q ua r e g i a c a n t r a p C u e f f e c t i v e l y a n d t h e ma s s f r a c t i o n o f 5 wt % HNO3 i s t h e b e s t a n d t h e mo s t s t a b l e o f t he Cu e l e m e n t t r a pp i ng e f f e c t ;t h e he a t i ng a nd r e mo vi n g a c i d c a n a v o i d t he p r o bl e m t ha t t he c o nc e nt r a t i o n of t he e l e m e nt s i s l o we r t ha n t he d e t e c t i on l i m i t o f t he i n s t r ume n t du e t O d i l ut i on。 t he r e b y i t c a n i mpr o v e t he m e a s u r e me nt a c c ur a c y a nd r e du c e t he a na l y s i s e r r o r; i nd o o r t hr e e l e v e l a d s o r bt i o n m e t ho d c a n e f f e c t i v e l y a c hi e v e t he e n r i c hme n t o f Cu e l e m e n t s s t a bi l i t y, a n d t he me t h od s wi t h l o w v e n t i l a t i on v o l u m e,i nd o or t e s t i ng wi t h l ow ve l oc i t y a n d l o ng c i r c ul a t i o n t i me a r e f a v o r a bl e t o t he e nr i c hm e nt of Cu e l e m e n t i n g a s . Ke y wo r ds n a t ur a l ga s,c o ppe r c on t e n t,t r a p pi n g f l ui d,I CP M S,t hr e e s t a g e a ds o r p t i o n 基金项 目 中国石 油勘 探开发研究院廊坊分 院科研项 目“ 天然气 中微量元素 检测 技术研究, , H0 8 8 9 8 。 作者简介 陈世 达 1 9 9 1 一 , 男 , 中国地 质大 学 北京 硕士研 究生 , 主要从 事 非常 规油 气研 究工 作 。E - ma i l c h e n s h i d a 1 9 9 1 1 26 . c om 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 陈世达 等 天然气 中微量 铜元 素富集研究 天然气中微量元素具有重要 的地质意义和环境意 义 。主 要表 现在 ① 指 示 有 机 质沉 积 环 境 _ 1 ; ② 记 录 母岩的遗传信息, 具有油气源追踪对 比意义 ; ③判 断油气运移方向 ] ; ④油气藏微渗漏引起烃类蚀变 , 导 致地表或浅层元素地球化学异常, 为寻找隐伏矿体提 供重要信息 6 ] , 并对油气 田上方农业生态环境造成一 定影响口 M ] 。开展天然气微量元素地球化学评价有助 于天然 气 的成 因 、 烃 源 、 成 藏 的研究 , 其 有 效检 测 是 其 地 质应 用 、 环境 检测乃 至 资源 开发利 用 的前 提 。 目前 , 对 于气 体 中的微 量元 素检 测 主要集 中在 大气 和地 气领 域 , 对天然气 中的微量元素检测技术 的研究相对较少 。 寻求高效的天然气微量元素检测技术一直是行业的一 大 挑 战 。 天然气 中微量元素的多样性和超微性决定了其只 有 通过 浓集 方 可达 到检 测 水 平 , 且 检 测 技 术需 要 同 时 满足精确度高、 灵敏度高 以及检出限低等要求 。为有 效实现天然气微量铜元素 的富集制样 , 本实验结合 目 前地气和大气微量元素检测方法, 通过分析不 同捕集 液对铜元素的捕集效果 以及不同富集制样方法 , 对天 然气 中微量铜元素检测技术作了有益的探索。 1 实验装 置及 步骤 由于没有总铜含量 已知的标准气体 , 本实验通过 在相 同的实验条件下提取实验室 内空气, 比较其对 C u 的吸收效果 , 来进行捕集液的优选 。实验过程采用液 体捕集剂来 吸收气体中的元素 , 综合考虑气体的承载 装 置 、 动力 装 置和 吸收溶 液 的承 载装置 , 结 合地气 测 量 实验 口 , 设 计 了实验 装置 见 图 1 , 用 硅 胶导 管 连 接 气泵 以及 盛装 吸收 液 的 吸 收瓶 , 并 在装 置 的末 端 连 接 尾气 排放 导管 。 空气 c ≥ 空气 c 图1 实验装置示意图 F i g ur e 1 Sc h emat i c diagr am o f ex p er imen t al a pp amt u s 实验 过程 中用 去 离 子水 配 置 不 同浓 度 的 捕集 液 , 将 吸 收瓶 、 气泵 、 流 量计 、 塑料 软管 按 图 1 所 示连 接 , 并 将 1 0 0 mL相应浓度的捕集液加入到吸收瓶中。打开 气 泵 , 通过 流量 计 调 节 气 泵 , 控 制 流 量 为 0 . 5 L / rai n , 吸收 时间 为 2 5 h , 同组 对 照试 验 均 在 相 同 的温 度 压 力 条件下 同时进行 。吸收结束后, 关闭气泵 , 将吸收溶液 和空 白对照组分别倒入石英坩埚 中进行加热赶酸 , 加 热 温度约 为 2 0 0。 C。将 赶酸 过后 的溶 液用 去离 子水 定 容至 1 0 0 mL并分成 3份, 分别通入等离子质谱仪进 行 C u含量 检 测 。检 测 完 毕 后 , 对 比 3个 平 行 样 检 测 数据 , 去除异常值 , 求取平均值 , 平均值减去空 白对照 组 C u元素本底含量作为捕集量。 2实验结果分析 地气测量研究 中发现 , 含有一定浓度 的高纯液体 捕集 介质 在一 定程 度 上 对 地 气样 品 的捕 集 是 有 效 的。 不同介质对地气中不同元素的捕获能力有差异 ] , 且 液态捕集剂元素本底含量低 , 不易被污染 , 可直接进行 分析或重复分析测试口 , 适用于 目前天然气 中微量元 素检测技术的探索阶段 。结合气体微量元素检测 中常 用 的捕 集 液 , 选 取 了硝酸 银 、 高锰 酸钾 、 硝 酸 、 王水 等溶 液 , 进 行 了捕集 介质 及浓 度 的优 选 。 2 . 1 捕集 液初 选 结果分 析 捕 集介 质初 选 结果见 表 1 。硝 酸 银 以及 高锰 酸 钾 溶液捕集效果较差 , 均检测 出负值 , 且在配制过程 中, 其 自身含杂质较多 , 导致其本底含量较高 , 可能会直接 覆 盖 吸收值 , 影 响实 验结 果 。硝 酸 和 5 0 质 量 分数 , 下 同 的王 水 中 C u元 素 本底 含 量 相 对较 低 , 且 捕 集 效 果较好 。纯王水 C u元素捕集 量较高 , 但 由于王水浓 度 过高, 实验过程中, 产生大量气体 , 导致实验无法正 表 1 不 同浓度捕集试剂 c u元素检测结果 Tabl e 1 Cu elemen t d et ec t i o n r es u l t s by t r ap pi n g r eag en t W i t h d i f f er e n t 0n c en t r at i on s 捕 集 液 p Cu / p - gL 空 白液 空 气 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷第 6期 石 油与 天 然 气化 工 CHEMI CAL E NGI NEERI NG OF OI L GAS 1 0 7 常进行 。综 合比较之 下 , 选 取硝 酸和 王水作进一步优选 。 2 . 2捕 集液 优选 结果 分析 捕集 液浓 度优 化 实验结 果 如 图 2所示 。实验 过程 中按 图 2 自上 而 下 的 顺 序 依 次 进 行 了 6组 实 验 , 以 1 O 浓度差进行实验发现 , 低浓度硝酸和高浓度王水 对 C u元 素 的捕 集 效 果 较 好 , 进 一 步 缩 小 浓 度 差 发 现 5 的硝 酸 和 3 5 的王 水捕 集 效 果 最好 。对 比 5 的 硝酸和 3 5 的王水 的捕集效果 , 5 的硝酸捕集效果 更 好 且更 稳定 , 硝 酸浓 度 优 化 过程 中 8 、 1 O 、 1 2 、 1 5 的硝 酸 的检测 数 据 相 差 不 大 , 也 在 一 定 程度 上反 映了低浓度硝酸捕集效果 的稳定性 , 而且硝酸不需 现 配现用 , 样 品也可直接通过等离子质谱仪进行测定 , 降 低 了样品处理过程 中造成 的人为误 差, 大大提高了检 测效率和检测结果的准确性 。综合 比较之下 , 将 质量 分数为 5 的硝酸定为 C u元素最佳捕集剂 。 c u 元素捕集量/ g . 1 . 6 1 . 8 而 一 4 0 % _5 0 % 1 0 % ml i 1 5 % ② 1 0 % ③ I 1 5 % 3 O % ⋯ “ 4 5 ⑤ 。 5 % 1 。 {I 、2 0 % 3 o % 、4 、5 o jI硝酸检测结果 - 8% 、l O % 、1 2 % 、1 5 酸 检测结果 一 5 % 、l 0 % 1 5 * 硝 酸检测结果 l 0 % ,2 0 * 、3 0 { I、4 0 {l王水检测结果 - 3 5 * 、4 、4 5 % 5 0 {;王水检测结 果 图2 捕集液捕集Cu 元素效果分析图 F ig u r e 2 T r a p p i n g e ff e c t d i a g r a m o f Cu e le me n t b y t r a p p i n g fl u id 2 . 3加 热赶 酸 处理对 检 测结 果 的影 响 等离子质谱仪 I C P MS 3 V o ~5 的酸度 检测标 准要求酸度较高的捕集液需通过稀释或倒人石英坩埚 中加热赶酸来降低溶液的酸度 。为了研究两种方式对 检 测结 果 的影 响 , 样 品处 理过 程 中 , 分 别对 比了加热 赶 酸 和 稀 释 过 后 溶 液 中 Cu元 素 的 检 测 值 , 结 果 见 表 2。 整 体 来 看 , 加 热 赶 酸 前 后 数 据 相 差 不 大 , 加 热 赶 酸 处 理 获 得 的 实 验 结 果 误 差 较 低 , 个 别 数 据 相 差 相 对 较 大者 可 能是 样 品处理 过程 中操 作不 当 , 导致误 差 增大 。 稀 释 过后 的溶 液 , 由 于元 素 浓 度 降 低 而 出 现 元素 浓 度 低 于仪器 检 测 限 , 检测 出负值 的现 象 。 因此 , 与 稀释溶 液相 比, 加热赶酸再定容可 以保 证仪器检测要求且元 素浓度不会降低 , 大大提高了实验结果 的精密度 , 保证 了 以上实 验结 果 的准确 。 表 2加热赶酸前后 C u 元素检测结 果 Tabl e 2 De t e ct i n g r e s ul t s o f Ou elemen t be f o r e a n d a f t er h e at ing 捕 集 液 笔 差 值 差 值 空 白 液 空 白 液 ~ 一 空 气 空 气 一 一 5 硝酸0 . 0 1 5 4 负值0 . 8 2 4 3 0 . 8 4 1 0 - 0 . 0 1 6 7 3 0 硝酸0 . 0 3 7 5 负值0 . 6 9 7 0 0 . 6 4 7 0 0 . 0 5 0 0 5 0 硝酸I . 0 5 0 6 1 . 0 5 9 0 0 . 0 0 8 4 2 . 6 0 8 0 2 . 6 5 2 8 0 . 0 4 4 8 3 5 王水1 . 0 1 7 7 0 . 9 8 7 0 0 . 0 3 0 7 1 . 9 1 0 0 2 . 0 1 6 0 0 . 1 0 6 0 4 0 王水1 . 5 2 9 3 1 . 4 9 3 0 0 . 0 3 6 3 1 . 8 3 4 3 2 . 0 1 7 0 0 . 1 8 2 7 注 差 值 加热 赶酸 后的C u 元素浓度一加热 赶酸前 稀释后 的C u 元 素浓度。 3 实测效果及 富集制样方法的优化 国内外关于天然气微量元素的吸收实验研究尚不 丰富, 更鲜有对实验条件的进一步探索, 关于天然气微 量元 素 检测 实验 的行业 标 准都 在探 索之 中 。在 确定 最 佳捕集介质及浓度基础上 , 为 了优选出天然气 中微量 元素富集制样的最佳方法 , 实际测量 中对实验方案做 了改进 , 即 使用循 环 吸收 和 多 级 吸 收两 种 方 法 , 进 一 步 对天 然气 中 的 C u进 行 了现 场 和 室 内 的检 测 , 并 对 比两种 方法 的优 劣 。 3 . 1 循 环 吸收 法吸 收天 然气 中 的 C u 室 内条 件下 对装 置进 行 了改 进 见 图 3 , 即 将 图 1中的尾气排放导管连 回到气样袋 中, 使装置变成循 环装置 , 并对 1 、 2 天然气进行 了两次重 复测定, 实 验 采用 5 O L气 袋 , 流 量 约 为 0 . 5 L / mi n , 循 环 时 间为 2 O h 图3循环吸收装置示意图 Figu r e 3 Sc h em a t ic diagr am of cir c ula t i n g d e vic e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 8 陈世达 等 天然气 中微量 铜元 素富集研究 实 验结果 见 表 3 表 明 , 该 方 法 室 内条 件 下对 C u 元素均有较好 的捕集 , 但稳定性略有不足 , 第 1次和第 2次分 析结 果 偏 差 较 大 , 分 析 原 因可 能 是 样 品 袋 中微 量元 素浓度 不 断稀释所 致 。 表 3 天然气 中 C u 元素室 内循环 实验检测 结果 Table 3 Det ec t i n g r e s u l t s o f Cu el e me n t s i n n at ur al g as i n i n do or c y cl i n g ex p er ime nt 实验次数 p C u / t z g L 一 1 2 3 . 2 多级 吸收 法 吸收 天然气 中的 C u 为 了提 高 提取效 率 , 并 避免 出现 由于 元 素 不 断 稀 释 而 导致 的检测 结果 不稳 定 的现 象 , 对 实 验 装 置 作 了 进 一 步改进 , 并 进 行 了 室 内 和现 场 的 检 测 实验 。实 验 装置如图 4所示, 增加了盛装吸收液的吸收瓶数量 , 采 用两个气袋 串联的方式对 天然气进行三级提取 , 左侧 为装满气体 的气袋 , 右侧气袋 收集 吸收后 的残余 气。 实验结束后, 调换气袋位置 , 现场检测则无需气袋。现 场检测提取时间为 5 h , 流速约为 2 L / mi n ; 室 内循环 提取实验采用 5 o L气袋 , 流量约为 0 . 5 L / mi n , 循环 时 间为 2 O h 。 圈4 室内Cu 元素三级提取循环装置示意图 F ig u r e 4 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e t h r e e s t a g e e x t r a c t i o n c y c l e f o r Cu e l e me n t 现场检测和室内循环提取实验检测结果 见表 4 表明 , 吸收瓶中 C u元素 的检测值 随着吸收级次 的增 加出现 明显的下降趋势, 整体来说 , 5 的硝酸对天然 气中的 C u元素均有较好 的捕集。对 比室内和现场的 检测结果发现 , 现场测量通气量虽远高于室 内循环捕 集实 验 , 但 捕集 量远 低 于室 内检测 。经分析 , 是 由于 室 内检 测通 气速 率 降低 , 使 提 取 液 对 天然 气 进 行 了充 分 的提 取 , 一 定程 度 上反 映 了小 通 气 量 、 低 速 、 长 循 环 时 间有 利 于天然 气 中微量 元 素 的提 取效 果 。 表 4天 然 气 中 Ou元 素 三 级 提 取 实验 检 测 结果 Ta bl e 4 Det ec t i n g r es u l t s of Ou el e m e n t s i n t h r e e- s t ag e ex t r a c t i o n exp er i men t 捕 集 级 数 1 2 现 场 室 内 现 场 室 内 一 级0 . 8 8 3 1 1 . 7 8 3 9 O . O O 7 8 2 . 6 9 3 3 二 级0 . 4 4 5 l 0 . 9 5 8 9 O . 2 6 O 7 0 . 1 9 3 3 三 级 一 0 . 1 3 3 2 0 . 2 6 0 4 0 . 0 7 9 6 0 . 2 5 3 2 捕 集 总 量 1 . 3 2 8 2 3 . 0 0 3 2 O . 3 4 8 1 3 . 4 8 7 9 综合 比较上述两种富集制样方法, 多级吸收法 捕 集效果明显优 于循环吸收法。为了进一步验证多级吸 收法对天然气 中 C u元素捕集的稳定性 , 对 1 气袋中 的残余微量元素进行 了两组重复测定对 比实验 , 实验 结 果见 表 5 。两 组 对 比实 验 检 测 结 果 表 明 , 同级 吸 收 瓶 中捕 集液 检测 值变 化 较小 , 整体 变化 趋势 趋 于一致 , 捕 集效 果较 稳定 。 表 5 1 对 比 实 验 Cu元 素 检 测 结 果 Table 5 Det ec t i n g r e s u l t s o f Cu el e men t i n 1 s a mpl e c on t r a s t e x per i men t 捕 集 级 数 p Cu / t gI 一 实 验 1 实 验 2 3 . 3天 然气 含铜 量 室 内实际 测量 在 确 定最 佳捕 集介 质及 富集 方法 的基 础上 对 东北 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷第 6期 石 油 与 天 然气 化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG 0F 0I L & GAS 1 O 9 大庆 油 It l 、 苏 里格 气 田 以及冀 东 油 田 的 3 6 0 8 、 3 6 2 0 等多 个 天然气 田进行 了室 内三 级 循 环提 取 实 验 , 检 测 结果 见表 6 。天然气 中 C u的质量 浓度 通过 式 1 进 行 气样体积 的校正后 , 再按式 2 进行计算 V 总 1 o .1 ∑ C “ 1 l0 一弋 X 1 0 。 2 式 中, 为气样校正体积 , L; 为气样体积 , L; 为取 样时平均大气压力 , k P a ; 户 为温度为 t 时水的饱和蒸 汽压 , k P a ; t 为气样平均温度 , ℃; .0为天然气 中 C u的 质量浓度 , g/ m。 ; C 为等离子质谱仪测得捕集 液中 的 C u质量分数 , l O ~; i 为捕集级数 ; o . 1为容量瓶体 积 , L。 表 6 不 同地 区天然气中 C u元素提取量 Ta bl e 6 Cu elemen t e xt r ac t i o n qu a n t i t y o f n a t u r a g a s i n d i ff e r e n t r e g i o n s g / m。 东北 大 庆 油 田、 苏 里 格 气 田 以及 冀 东 油 田 的 3 6 0 8 、 3 6 2 0 , 都 是在 室 内进行 三级 循环 提 取 , 提取 次 数 与总 时 间一样 , 均 为 2 0 h左 右 。结 果 表 明 , 该 方 法 具有可行性 , 5 硝酸室内条件下通过三级提取实验对 天 然气 中 C u元 素均 有 很 好 的提 取 效 果 , 其 中 以苏 里 格气 田 C u元素含量最高 。 4 结 论 1 不 同浓度的试剂对天然气 中 C u元素的捕集 效果 不 同 , 硝 酸 和 王 水 对 天 然 气 中 的 C u元 素 均 有 较 好 的捕 集 , 其 中以质量 分 数 为 5 的硝 酸 最 佳 , 其 酸度 符合 I C P MS的检测 要 求 , 元 素本 底含 量低 , 且 不 需 现 配 现用 , 提 高 了实验 效 率 , 保 证 了检 测 结 果 的 准确 , 可 作 为 天然 气 中 C u元 素 的捕集 剂 。 2 加热 赶 酸 处 理 可 以 保 证 酸 度 符 合 仪 器 要 求 , 而且避 免 出现 由于稀释 导致 元素 浓度 降低 而低 于检 测 限 的现象 , 使得 分 析误 差变 小 , 精 密 度提 高 。 3 循 环 吸收法 和 多级 吸收 法均 能够 实 现 天然 气 中 c u元素的有效富集 , 三级吸收法捕集效果更好 , 且 更稳 定 。 4 与 现场 直 接 进 行 微 量元 素 提 取 实验 相 比 , 室 内小 通气 量 、 低 速 、 长循 环 时间 的方法 有利 于提 高天 然 气中 C u元素的提取效果 。 参 考 文 献 [ 1 ]腾格尔 ,刘文 汇,徐永 昌,等.缺氧环境及地球化学判识标志 的探 讨 以鄂尔多斯 盆地 为 例[ J ] .沉 积 学报 ,2 0 0 4 ,2 2 2 3 6 5 3 7 2 . 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