稳定性研究

标准气体的重要性环保一直是全社会热议的话题，国家也针对环境保护出台了诸多政策，例如HJ75-2017是关于监测二氧化硫、氮氧化物和颗粒物，HJ-604是关于总烃、甲烷和非甲烷总烃的监测方法，HJ759是关于环境空气挥发性有机物的测定，HJ1078则是关于固定污染源废气——甲硫醇等8种有机硫的监测。任何一种监测方法，都需要用到标准气体。标准气体就是监测的一把“标尺”，用它来校准仪器，才能确保检测出的数据的准确性，保证数据在可接受的误差范围内。但是许多人并不太了解这把影响监测数据准确性的”标尺“，因此，液化空气从标准气体的参数、国家标准物质证书、标准气体稳定性研究这几个方面，在1688直播间与大家进行了标准气体的知识分享，现在就让我们一起来回顾一下吧！1混配精度、分析精度与不确定度不确定度：表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。表明结果的可信赖程度。混配精度(BT)：配置混合物与要求值的误差范围。分析精度(AA)：使用仪器分析给出的值与真实值见的误差范围。也就是说，如果需要配制一瓶10ppm二氧化硫标准气体，氮气作为平衡气，你可能会得到如下结果。若混配精度为5%，则该标准气体的配制值范围为9.5~10.5ppm；若分析精度为1%，标称值为9.8ppm，则该标准气体的真实值范围为9.702~9.898ppm；不确定度为1%2国家标准物质证书购买环保标准气体的客户经常会要求标准气体带有国家标准物质证书，该证书分为一级证书和二级证书。一级证书一般由中国计量院出具，作为中国最权威的标准，而二级证书则是具有一定生产、分析能力的企业向计量院提出申请，由中国计量院进行考核，测试后颁发给企业定级认可证书。针对不同组分、不同浓度的标准物质，计量院都会出具一个对应的GBW(E)证书编号。而且，如果只是标准物质的不确定度变化，也需要重新审核证书。目前，液空中国一共有113个标物证书，覆盖了汽车、环保、石化、食品、检测等各行各业会使用的标准品。液空工厂生产的标准气体都带有以下的标准物质证书，证书上会表明对应的二级标物证书编号，可在国家标准物质资源平台中输入编号查询到相关的证书记录。3影响标准气体稳定性的因素FACTOR-1 原材料标准气体的平衡气主要为氮气、空气等，平衡气的水分、氧杂质含量越低，标准气体的组分浓度稳定性越好。FACTOR-2 管线材质主要指主要指瓶阀、减压阀、管路的材质。环保标准气体常含有强活性和强腐蚀性的组分，若使用铜阀、铜制减压阀，会对标气产生吸附和反应。因此，需要使用不锈钢的瓶阀和减压阀，保证浓度稳定。FACTOR-3 气瓶处理气瓶材质：标准气体气瓶常用铝合金制成，但铝合金有许多材质，合金含量不同，与瓶内物质的反应程度也不同。液空对多种铝合金进行了试验后，发现6061材质能够最有效地保证标准气体的稳定性，所以液空目前采用该种材质的气瓶充装标气。气瓶制造技术：液空采用的是拉拔瓶。该种气瓶是让金属在高温情况下，用模具一体成型，使得气瓶内壁的细纹相对较少。为什么要采用这种方式呢？这是因为，如果气瓶内壁有细小的裂缝，在清洗气瓶时，气瓶内壁便会吸附水分。而标准气体的使用时间往往长达半年至一年，瓶内干燥的气体一定会与裂缝中的水分发生动态平衡，导致裂缝中的水分析出来后与气体发生反应。这也解释了有些标准气体在一开始使用时的浓度是准确的，但后来变得不准确的问题。钢瓶内壁清洁度：也许你听说过涂层瓶，这种气瓶可有效隔绝气体与瓶壁的接触，保证标准气体的稳定性。液空经过多种技术的试验，目前主要选择通过对气瓶内壁进行钝化来保证标气的稳定性。钝化是指用高浓度的标气充满气瓶，例如使用高浓度的SO2，随后静置，让瓶壁吸附饱和SO2，再将气瓶进行清洗、抽真空、烘干后，充装客户需求的浓度。此时，因为瓶壁已经达到了吸附饱和状态，就不会再与气体发生反应。FACTOR-4 标气状态气瓶内的余压对标气浓度稳定性也有影响。每瓶标准气体至少含有两个组分，根据道尔顿分压定律，气瓶内不同组分承担的分压是不同的。在气体使用过程中，随着压力逐渐下降，不同组分的分压就会产生变化。而一些物质的反应是与压力相关的，当承担在各组分的压力不同时，便会发生化学平衡反应的移动，导致组分浓度变化。因此，建议每瓶标气留3-5bar余压。（关于液空标准气体稳定性研究的数据报告，可以联系客服4000529166）4疑问解答Q1 为什么很多标气的保质期能到一年，而有些只有半年或三个月呢？根据标气组分性质的不同，对于有活性或者腐蚀性的组分，其保质期就会受到影响，例如硫化氢、氯气等。Q2 为什么经常发过来的标气浓度和订气时所需求的不一致？因为标气是根据特定需求而特殊定制的产品，其生产方法是根据国际通用的重量法，一瓶一瓶地称出来的，然后再逐瓶通过相应的分析仪器得出数值，其分析报告上给的数值就是根据分析仪器上的读数而来的。由于人工控制和充装设备的不稳定性，一般很难刚好把读数落在需求的数值上，一般情况浓度越低，控制的难度就会越大。所以会产生本文中提到的混配精度、分析精度和不确定的概念。液空会利用先进的充装设备和技术，以及充装工的经验，将误差范围控制在我们提供的技术参数之内。如有特殊需求，液空可根据客户要求的误差范围进行配制。但在此情况下，液空可能需要配制多瓶标气，才能有一瓶的标气浓度落在要求的范围内，导致成本较高。Q3 NO2和NO可以互相转换，这个因素对NO2和NO标气有什么影响？根据反应方程2NO+O2=2NO2，在氧气存在的情况下，NO会反应成为NO2。因此，当配制NO标气时，要尽可能减少氧气，所以需要使用N2做平衡气。而且氮气的纯度越高，才可保证氧杂质的含量越少。当配制NO2标气，则需要大量氧气，所以建议用空气做平衡气。只有氧气充足时，NO2就不会向NO反应。需要注意的是，由于该反应方程为可逆反应，NO中必会存在NO2。但液空配制的标准气体，均使用99.9999%氮气作为平衡气，可保证NO2的含量控制在NO含量的5%以内。如果客户的应用要求更高，液空也可使用纯度更高的平衡气，使NO2的含量降到更低。Q4 对于Cl2和HCl标气，为什么当浓度在10ppm左右时经常测不出读数？因为这类物质易溶于水，比如HCL和水的溶解比例是1：700。当其浓度很低时，尽管气瓶已进行处理，但是减压阀、管路未经过吹扫、钝化，这类组分仍会被吸附。所以这类物质都需要用不锈钢材质的减压阀，并且要吹扫足够长的时间，用标气把管路保压钝化2-3个小时后再去使用和测定，这样才能得到比较准确的数据。

土壤有机碳的稳定性影响土壤固碳潜力。如何提取土壤活性与稳定性碳组分用以定量表征土壤有机碳稳定性，是土壤固碳研究领域的关键科学问题。当前，提取土壤有机碳活性及稳定性组分的方法多样，包括物理、化学及生物手段，导致结果难以比较，同时存在耗时长、成本高及操作步骤繁琐等缺点，亟需一种高效、可信度高且应用广泛的测定方法。对比分析不同热分解技术的优缺点， 包括热裂解气相-质谱联用测定技术、热重分析技术、差示扫描量热分析技术及Rock-Eval(RE)热分解方法，人们普遍认为RE方法操作简单、耗时短、成本低、结果易于分析，可信度较高，可以很好地表征土壤有机碳稳定性，有利于土壤有机碳研究的横向对比。 　　中国科学院东北地理与农业生态研究所研究人员依托保护性耕作长期定位实验(建于2001年)在国内首次开展了相关研究，包含免耕玉米-大豆轮作(NTCS)、秋翻玉米-大豆轮作(MPCS)、免耕玉米连作(NTCC)、秋翻玉米连作(MPCC)、常规耕作玉米连作且秸秆不还田(CTCC)5个处理。该研究采集了不同深度的土壤样品，测定其土壤热稳定性(图1)，计算RE相关指标，同时与土壤异养呼吸及微生物残体进行相关分析。RE方法分为热解和氧化两个阶段，包括S1-S5五个阶段，具有多个相关指标，TMAX(℃)代表在S2热解阶段释放的富氢化合物达到峰值时对应的温度，可作为指示土壤有机碳成熟度的指标。HI表示在土壤有机碳中富氢化合物的相对含量，OIRE6表示在土壤有机碳在S3阶段释放的O2相对含量，代表土壤有机碳的相对氧化状态。T50代表在氧化阶段(S4)释放的CO2达到该部分总释放值50%时的温度，用来表征稳定性碳库。研究结果表明，耕作方式对RE指标影响很大(TMAX、HI、T50)，但是作物轮作对其无显著影响，其中免耕显著提高了土壤表层的有机碳热稳定性(TMAX)。RE指标(HI)在短期室内培养实验中(100天)可以很好地表征土壤异养呼吸情况，也在国际上首次发现TMAX指标与真菌残体(GluN)有很高的相关性(R2=0.93)(图2)。该研究为未来RE方法在国际上的推广应用提供了有效的数据支撑。 　　相关研究成果以Linking Rock-Eval parameters to soil heterotrophic respiration and microbial residues in a black soil为题发表在Soil Biology and Biochemistry上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目的资助。图1 RE方法测定图谱(以免耕玉米大豆轮作及秋翻玉米大豆轮作0-5 cm土层为例)图2 真菌残体GluN与TMAX线性回归关系

近期，中国科学院合肥物质院固体所在含能材料的常压表面稳定性研究方面取得新进展，研究人员利用第一性原理和分子动力学方法，首次系统研究了高能密度材料立方聚合氮( cg-N)的低指数表面在不同表面饱和状态和不同压力及温度下的稳定性，发现了 cg-N低压下的失稳机制，提出了一种能够使其在常压下稳定的方法。 相关结果以 Express Letter 的形式发表在 Chinese Physics Letters 上。 　　具有氮氮单键或氮氮双键的聚合氮和含氮化合物作为高能密度材料具有广阔的应用前景，其中高压合成是获得该类材料的有效方法。理论预测的多种可以在常压下稳定的纯氮聚合氮，部分已被成功地在高压下合成。cg-N是纯氮聚合氮中最典型的一种，具有最小的合成压力，且0 GPa下的声子谱中没有虚率。然而，高压下合成的cg-N会随着压力的降低逐渐分解，同样的现象也出现在其它纯氮聚合氮材料中。目前高压下合成的纯氮聚合材料均不能被截获至常压环境，这阻碍了它们作为高能密度材料的应用。因此，研究低压下cg-N的分解机理并寻找其常压环境下稳定的方法具有重要意义。 　　鉴于此，研究人员首先探究了cg-N失稳的原因，发现常压下cg-N低指数表面在300 K温度时发生了结构坍塌，说明表面失稳将导致其在低压下分解。进一步研究表明，常压下氢吸附能够将cg-N的表面稳定到750 K以上(图1)，但羟基吸附不能增加表面的稳定性。这是由于氢不但饱和了悬挂键，而且向氮表面转移了电子，但羟基却从氮表面获得电子(图2)。该工作为截获高压合成的聚合氮提供了一种新思路，表明酸性环境和电负性弱的材料有利于提高cg-N和其它含氮聚合物的稳定性，对推动聚合氮的常压合成和实际应用具有重要意义，同时也为截获其它功能材料的高压相提供了有效指导。 　　固体所博士生陈果和牛草萍为论文的共同第一作者，王贤龙研究员为通讯作者，研究得到了合肥物质院院长基金等项目的资助。图1. (a) 氢饱和表面在结构坍塌前(蓝线)后(红线)温度下的分子动力学均方位移；(b) 纯净表面和氢饱和表面在结构弛豫和有限温度下(最高达1000 K)的分子动力学模拟中的稳定性，雷达图不同的环表示不同的不稳定性，更外侧的环是更稳定的，r-(110c) 表示具有表面重构的110c表面。图 2. (a) 和 (b) 分别展示了氢吸附的 111a 表面和羟基吸附的 111a 表面的电荷密度差。图中的曲线沿晶体结构(如插图所示)的 z 方向绘制，红线所示的局部积分曲线表示获得(正值)和失去(负值)电子，蓝线所示的积分曲线是红线的积分。