应用案例

Picarro G2301（标准气体制备方法之研究——CO₂在气瓶内壁的吸附以及分馏作用对标气制备的影响）

发表时间：2024-04-17

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日本国立计量研究院在温室气体的标准气体制备上代表国际顶尖水平，其下属的产业技术综合研究所与环境管理研究所最近针对标准气体的制备方法与流程，对CO₂吸附与分馏作用进行了深入定量研究，文章发表于Atmospheric Measurement Techniques。

研究概述

标准气体与工作标气是碳监测工作的重要环节，也是IPCC提出的“三可原则”的基石。世界气象组织 (WMO) 建议在北半球将 CO₂ 测量的兼容性目标设为 0.1 μmol mol^-1，然而，标气制备的偏差将直接影响对 CO₂ 源和汇的精确评估。

CO₂等温室气体标气在制备过程中伴随着吸附与解吸附，此外多级稀释法制备标气时，CO₂和空气的分馏很可能发生在稀释过程中，以上因素会使指定的CO₂摩尔分数在制备的标准混合物中的重现性变差。了解CO₂大气水平的标准混合物的制备过程中吸附和分馏的影响在标气制备中至关重要。

研究方法

本研究采用“倒瓶”和“母-子瓶”分装实验方法，使用Picarro G2301分析仪测试实验过程中CO₂浓度的微小变化，以监测CO₂在气瓶内壁的吸附，以及在将CO₂/空气混合物转移到真空气瓶过程种CO₂和空气的分馏。

1.“倒瓶”实验：将钢瓶气通过减压阀输出，利用三通分成两路，其中一个支路通过质量流量计进入Picarro G2301，另外一个支路通过质量流量计控制旁路流量。通过测试进入Picarro G2301 的钢瓶气CO₂浓度，绘制CO₂浓度随着气瓶内压力变化的曲线：

上图在不同流速下，随着气瓶压力从 11.0 MPa 降至 0.1 MPa，气体混合物中的 CO₂增加了 0.16 ± 0.04 μmol mol-1。

2.“母-子瓶”分装实验：将含有混合物的气瓶称为母瓶，将混合物转移到子瓶中。在每次实验开始前，用Picarro G2301测量母瓶中的CO₂摩尔分数，在每次实验结束后，即混合物转移数小时或半天后测量母瓶和子瓶中CO₂的摩尔分数。

图 1 (a) 在母子瓶实验中用于将 CO₂/空气混合物从母瓶转移至子瓶的连接示意图，(b)将高纯 CO₂ 转移到 0.8 L 铝瓶和从 0.8 L 铝瓶到 10 L 铝瓶的管路， (c) 用于转移源气体（纯 CO₂ 或 CO₂/空气混合物）和稀释气体（空气）的管路。

上图为母瓶中 CO₂ 摩尔分数与转移量、瓶压和转移速度的相关性。显示了转移至子瓶后的混合物中的CO₂ 摩尔分数都相较于转移之前的 CO₂ 摩尔分数有所降低。

研究结论

“倒瓶”实验表明：CO₂对于气瓶内壁吸附较小（在 11.0 MPa 时，CO₂ 的吸附量为 0.027 ± 0.004 μmol mol-1）。“母-子瓶”分装实验则证明了分馏不仅使制备的标准混合物中CO₂摩尔分数减少，而且使源气体中CO₂摩尔分数增加，而热扩散是分馏的主要因素。数据进一步指出，经三步稀释后，标准混合物中CO₂的摩尔分数降低了0.207ppm，高于WMO兼容性目标的0.1ppm。在重量法多步稀释制备标准混合物时，必须考虑分馏引起的CO₂摩尔分数的变化。

感兴趣的读者请阅读原文

https://doi.org/10.5194/amt-2022-41

文中核心仪器简介

Picarro G2301是高精度温室气体分析仪，被誉为业内的“黄金标准”。凭借其高精度、低漂移特点，成为全球大气观测网 GAW、欧洲综合碳系统 ICOS 以及中国大气本底观测网络、大气背景观测网络等全球与地区性主要温室气体观测网络的数据来源，也是包括中国在内的各个国家、地区计量机构标气定值的重要分析仪器。

致谢

感谢中国计量科学研究院老师

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编辑：王继军

审核：吴闯

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