人工海水中游离二氧化碳浓度测试新方法

海水中溶解二氧化碳的浓度影响海底生物成因矿物的形成，控制海洋生物的发育和演化，是海洋环境和地质调查中最重要的指标之一。底层海水中游离二氧化碳的浓度对于海底矿产勘探、海洋环境监测、海底沉积物中碳循环乃至全球碳循环的研究都具有重要的学术价值。采用滴定法测定该指标，其范围在 4 mg/L 至 400 mg/L 之间。但部分海域底部海水游离二氧化碳浓度低于此范围，因此滴定可能不合适。一种测定海水中游离二氧化碳的方法被提出，名称为DBS/Henry's Law。DBS/亨利定律间接测定海水中游离二氧化碳的含量，而不是直接用试剂滴定。它简单、快速、准确，基于质量守恒定律/亨利定律和CO₂溶解机制。这一发现主要为海水中痕量游离二氧化碳浓度的测定提供了新的科学视角。

海水中二氧化碳的溶解过程复杂，不仅涉及气体溶解的物理变化，还包括一系列化学反应。溶解的二氧化碳在海水中以CO₂、H₂CO₃、HCO₃⁻ 和 CO₃²⁻ 四种形式存在，它们的浓度总和即为总二氧化碳（TCO₂）。利用差平衡系统(D.B.S)和亨利定律(Henry’s Law)来间接测定海水中游离二氧化碳的浓度。通过测定封闭平衡系统中的二氧化碳亨利定律常数和原始系统中总二氧化碳的初始值，计算液相中的游离二氧化碳浓度。

实验包括气源、真空系统、平衡系统和分析单元。使用恒温振荡器和校准标准溶液制备器等设备，确保实验条件的一致性。实验设计过程：1、气源 → 2、原液桶 → 3、真空系统-真空泵 → 4、真空系统-防水锥形瓶 → 5、平衡系统-校准标准溶液制备器 → 6-1、平衡系统-恒温振荡器 → 6-2、平衡系统-恒温振荡器控制器 → 7、分析单元—二氧化碳分析仪（Picarro G2131-i）8、振荡器。

 *实验设计过程示意图

气源 (①)：实验系统的气体来源，主要包括高纯度的氩气和二氧化碳标准气体。

储液桶 (②)：用于准备、存放和转移人工海水的容器，容量为20升，能承受高达10的大气压的压力。

真空系统：

真空泵 (③)：用于抽真空，使系统达到所需的真空度。

防水锥形瓶 (④)：可能用于收集或处理气体，通常在真空系统中使用。

平衡系统：

校准标准溶液制备器 (⑤)：作为封闭系统的主要部分，是气体和液体共存的空间，通过控制阀和管线与传输气袋连接，用于在系统内实现等压条件下的气体头空间转移。

恒温振荡器 (⑥-1)：用于保持系统恒温并促进气液充分混合，可以快速达到气液平衡状态，最多可同时容纳四个校准标准溶液制备器。

恒温振荡器控制器 (⑥-2)：控制恒温振荡器的工作，包括温度和振荡频率等。

分析单元 (⑦)：由Picarro G2131-i分析仪、真空泵、连接管线、控制阀等组成。通过将Picarro G2131-i分析仪的入口连接到校准标准溶液制备器的气体出口，可以实时测定头空间气体中二氧化碳的浓度。

振荡器 (⑧)：用于保持实验过程中的振荡动作。

实验材料与试剂：使用实验室配制的人工海水、高纯度氩气和二氧化碳标准气体。

实验测定了不同温度（3-20°C）和不同盐度（32、33、34和35‰）条件下人工海水中二氧化碳的亨利定律常数。展示了不同条件下的亨利定律常数值（单位为kPa）。详细数据见下表：

该方法可以作为现有国家和行业标准方法的补充，具有广泛的实际应用价值。