水平毛细管热扩散观测装置和观测流程

本研究在水平毛细管内采用原位激光拉曼光谱定量观测热扩散现象。实验步骤如下。

（1）装水：首先向一端已用氢氧焰焊封的毛细管内通入约2cm纯水，在高速离心机作用下将水柱离心到石英管的封闭端。

（2）把毛细管水平固定在冷热台中：将装有水溶液的部分置于冷热台银盖子中，而管尾约0.5cm长的一段留在冷热台银盖外面（图5－3）。

（3）设置了室温至80℃之间的温度梯度：打开冷热台，设置温度，使冷热台中温度达到所需目标温度值（80℃），管尾一段温度为室温（约25℃），由于冷热台控制区域的温度较高，这样毛细管中产生一个由冷热台控制温度到室温的温度梯度。

（4）通过高压密封圈把石英毛细管连接到高压管线上，抽真空后再通入CO2气体反复洗几遍，加压到20MPa，CO2－水界面的浓度很快上升，从而使界面到管尾之间产生浓度差导致扩散。用拉曼光谱仪监测扩散过程不同位置的浓度。相隔一定时间后进行第二轮、第三轮打点，这样可以较好地观察实验期间各位置CO2浓度的动态变化规律。

图5－3 二氧化碳在水平毛细管水柱中的热扩散示意图

（5）拉曼观测：打开显微激光拉曼光谱仪，获取由气液界面至管尾不同位置处的光谱图。在冷热台中的控温区域至管尾范围，选取不同位置，采集拉曼谱图。测量时将激光焦平面调整至信号最佳的位置以便于得到最好的谱峰效果，依次轮流采集各位置上随时间变化的拉曼谱图。光谱的采集范围为1200～4000cm－1。

在冷热台恒温区域、温度过渡带、管尾部分3个区域选择多个位置点进行浓度－温度的拉曼观测，从而基于各个观测点上的拉曼谱图，获得沿着温度梯度在水平方向上毛细管中一系列位置点的温度和CO2浓度。经过一定时间的热扩散后，CO2在水中各个位置的浓度趋于稳定，最终获得稳定状态下的浓度剖面。进而基于浓度梯度、温度梯度数据作图，由公式（5－6）计算热扩散系数。

水平毛细管热扩散观测装置相对于前人热扩散实验装置有如下优点：①选取熔融的透明石英毛细管为热扩散的容器，毛细管内径约为300μm，由于管径细，液体中组分受重力作用影响极小，并且分布均匀。毛细管的透光性保证了能够使用拉曼光谱仪原位测定水溶液中物质的浓度和温度。②使用共聚焦拉曼光谱仪直接原位观测溶液中组分的浓度，将扩散体系中液体流场的影响降到最低。③温度的控制更精确。本实验中采用Linkam冷热台控温，可以均匀地控制样品温度，并且可控温度的范围较大，从－195℃至500℃高温都可以达到，温度精度为0.2℃。