低温等离子体作用下臭氧产生过程稳定氧同位素分馏特征与模型计算

发布时间：2017-04-24 11:20

  本文关键词：低温等离子体作用下臭氧产生过程稳定氧同位素分馏特征与模型计算，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：稳定氧同位素已被广泛应用于地质温度计、古气候记录和地球化学示踪等方面的研究,此外,氧同位素极具特点的非质量分馏为同位素的地学利用提供了新的视角,如陨石氧同位素组成的研究对深入了解天体早期演化和太阳系形成过程都有着重要的意义。但受制于现有的同位理论计算水平和同位素检测技术,氧同位素分馏机制仍然处于探索过程,因此有关同位素分馏方面的模拟实验和理论计算依然有待于进一步的探究。本文将主要从实验的角度,探究氧同位素非质量分馏的来源和影响因素,为同位素分馏理论计算提供实验指导和实验验证。本文通过室内模拟实验——介质阻挡放电的下臭氧产生过程中稳定氧同位素非质量分馏结果,以及基于系统动力学的方法,对等离子环境中发生的化学反应过程对模拟实验过程进行模拟计算,探讨在微小电子影响下的稳定氧同位素非质量分馏特征以及分馏机理。内容主要包括两个方面：1)电压一定的情况下,生成臭氧的稳定氧同位素分馏与初始气压以及臭氧产量的关系；2)在气压一定的情况下,生成臭氧的稳定氧同位素组成与介质阻挡放电电压以及臭氧产率的关系。本研究主要得到以下几点认识：(1)等离子环境下,由纯氧气电离产生臭氧的过程中,根据模拟计算结果与实验结果的对比可知,反应器中的氧原子主要在氧气,臭氧以及氧原子这三个库中不断转化。实验结果表明剩余氧气和生成臭氧的氧同位素表现出明显的非质量分馏信号,δ17O(%。)≠0.52×δ18O(‰)。生成臭氧的△17O与δ180之间也存在显著的线性关系,δ18O=2.784 (±0.072)Δ17O-8.205(±1.981),说明等离子环境下,瑞利分馏起着主要作用；(2)相同电压下,初始氧气气压越高,Δ17o (O3)的值越高,产量变化对a17和α18的影响相对于初始气压较小。因此反应器中氧原子的浓度对实验的结果有着直接的影响,根据Reservoir-Transport效应,氧气产生臭氧过程中的氧同位素分馏依然遵循着质量分馏规律,由于受到不同氧存储库之间的Reservoir-Transport效应的影响,使同位素分馏系数发生了变化,并且随着氧浓度的变化,分馏系数α值也发生相应的变化。(3)相同的初始氧气气压下,不同的反应电压下△17O(O3)并不存在显著差异,△17O(O3)的变化主要依赖于不同电压下产量的显著差异。在同一电压下,随着反应时间的延长,臭氧产量明显增加,并且分馏系数α随着产量的增加越接近1,但是不同电压下的数据基本位于同一条曲线上,相同产量下的α值在高电压与低电压之间仅存在细微的差别,并不存在类似与不同气压下得到的数据之间的明显差异。(4)等离子环境下,不论气压和电压如何变化,α和α18之间的关系基本都是一样的,即e值在不同气压下的都接近1.0,说明17O和18O可能遵循着相似的分馏路径。(5)氧气分馏系数α值与反应速率之间存在显著关系。由图3-9所示,臭氧的生成速率越慢,氧同位素分馏系数α18值越高,反之越低。当生成速率高于0.074torr/s时,α18值由大于1开始变成小于1,臭氧由富集重同位素变成富集轻同位素。
【关键词】：臭氧 氧同位素 同位素非质量分馏 介质阻挡放电
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P597
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-16
• 第一章 绪论16-32
• 1.1 选题背景及意义16-19
• 1.2 国内外研究现状及问题19-29
• 1.2.1 氧稳定同位素分馏研究进展19-23
• 1.2.2 氧稳定同位素非质量分馏机制研究进展23-28
• 1.2.3 氧稳定同位素发展趋势及存在问题28-29
• 1.3 研究内容、意义及技术路线29-30
• 1.3.1 研究内容及意义29-30
• 1.3.2 技术路线30
• 1.4 本论文涉及的符号及含义30-32
• 第二章 实验构建及实验仪器有效性验证32-43
• 2.1 模拟实验装置设计32-38
• 2.1.1 真空线路设计与测试32-36
• 2.1.2 低温等离子体与介质阻挡放电的设计与测试36-38
• 2.2 进气、样品收集与处理38-40
• 2.3 空白实验校正40
• 2.4 氧同位素测试40-43
• 2.4.1 稳定同位素比质谱仪(MAT253)分析原理及方法40-42
• 2.4.2 标准样品测量精度及准确度42-43
• 第三章 氧稳定同位素测定结果分析43-56
• 3.1 等离子环境下,氧同位素分馏特征与非质量分馏信号43-49
• 3.1.1 不同气压下臭氧氧同位素非质量分馏信号的变化特征43-46
• 3.1.2 不同电压下臭氧氧同位素非质量分馏信号的变化特征46-48
• 3.1.3 ΔΔ~(17)O与△δ~(18)O之间的关系48-49
• 3.2 氧同位素分馏系数α值变化特征49-54
• 3.2.1 不同气压下臭氧氧同位素分馏系数α值的变化特征49-52
• 3.2.2 不同电压下臭氧氧同位素分馏系数α值的变化特征52-54
• 3.3 氧气分馏系数α值与反应速率的关系54-56
• 第四章 介质阻挡放电、不同初始气压下臭氧生成过程的模拟计算56-65
• 4.1 模型的建立56-61
• 4.1.1 系统动力学建模方法56-58
• 4.1.2 基于STELLA 9.1.3的等离子环境下臭氧形成过程动态模拟58-61
• 4.2 模型计算数据与实验数据比较61-65
• 第五章 同位素分馏机制讨论65-70
• 5.1 同位素分馏基本理论65-66
• 5.2 Reservoir-Transport效应66-68
• 5.3 等离子体环境中的Reservoir-Transport效应68-70
• 第六章 总结与展望70-73
• 6.1 主要结论70-71
• 6.2 不足与展望71-73
• 参考文献73-85
• 致谢85-86

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本文编号：324118