水溶液中有机化合物的扩散稳定同位素分馏效应

Aqueous diffusion is one of the most important hydrogeological processes, which controls distribution as well as isotopic evolution of organic solutes. So far, aqueous diffusive isotope fractionation has been mainly studied for inorganic ionic species and simple gas molecules. The diffusive isotope effects of large extent of organic molecules still remains largely unknown. Also, isotopic mass dependence of diffusion coefficients of organic compounds is unclear. This hinders interpretation of isotopic evolution of organic compounds in complex systems， where transformation processes are coupled with diffusion processes. In the proposed study, we will quantitatively evaluate the extend of stable isotope fractionation of target compounds based on one-dimensional diffusion tube setup. The main goal of the proposed work is to study the diffusive stable isotope effects of the selected organic compounds, including neutral and ionic organic compounds. Position-specific isotope fractionation of organic molecules during aqueous diffusive processes will be also investigated. Moreover, the influence of temperature on diffusive isotope fractionation will be carefully studied in the proposed work. The outcomes of this work will significantly improve the understanding of isotopic mass dependence of diffusion coefficients, therefore providing instrumental knowledge to interpret isotopic signals obtained in complex hydrogeological systems.

扩散是控制溶质分布以及稳定同位素信号演化的重要水文地质过程。目前，水溶液中溶质的扩散稳定同位素分馏研究主要针对无机离子和简单的气体分子。然而，有机分子的扩散稳定同位素效应尚未完全探明，此外，有机化合物的扩散同位素分馏与同位素体的相对分子质量之间的关系仍未厘清。因此，在复杂地球化学系统中，运用单体稳定同位素信号解析扩散与（生物）化学耦合过程存在不确定性。本项目基于一维扩散实验，定量分析目标化合物的扩散稳定同位素分馏程度。主要研究内容包括：实验探索不同有机化合物的扩散同位素分馏效应；扩散过程造成的有机分子内特定位置上的稳定同位素分馏；温度条件对有机溶质扩散同位素分馏的影响。这项研究将加深我们对扩散稳定同位素分馏与同位素体相对分子质量关系的理解，并为精确解析复杂水文地质环境中有机化合物稳定同位素信号的演化提供重要的理论依据和数据支撑。

单体同位素分析技术（compound specific isotope analysis, CSIA）用于分析有机单体中特定元素的稳定同位素组成，已被广泛应用于油气地球化学，环境地球科学，水文地球化学等众多领域，并发挥了重要作用。水溶液中的扩散作用是影响有机溶质分布与演化的重要水文地质过程，同时也是造成溶质稳定同位素分馏的物理要素之一。但是，由于现有数据匮乏尚不能理解有机化合物的扩散同位素分馏规律，以及有机溶质的扩散分馏效应与相对分子质量、水溶液条件等因素之间的关联。.项目围绕上述问题开展了有机化合物的水溶液扩散模拟实验研究，主要工作包括，扩散实验方法的优化、单体同位素分析方法的建立、及基于模拟实验的目标有机物扩散同位素分馏的观测。实验主要针对三大类有机化合物，即中性化合物苯、离子型化合物苯酚、氯溴代三卤甲烷。在实验方法方面，项目针对不同类型化合物建立并优化了扩散实验及样品采集与处理的方法。在单体同位素分析技术方面，针对氯、溴耦合同位素单体建立了同位素解耦的数学方法，并建立了三卤甲烷氯、溴同位素同步分析方法。另外，建立了离子型化合物的样品前处理及单体同位素分析方法。在扩散同位素分馏实验研究方面，项目通过定量解析不同类型有机化合物的扩散同位素分馏，探索了扩散同位素分馏的质量相关性及水溶液条件对离子型化合物扩散分馏的影响，发现了分子质量不是控制有机化合物的扩散同位素分馏的单一因素，不同元素同位素组成也会影响单体同位素的扩散分馏效应，另外，pH值等水溶液条件也会改变离子型化合物的分子形态从而影响其扩散同位素分馏程度。项目的相关数据和成果为不同有机化合物提供了可靠的单体同位素分析技术方法，也为预测开放系统中有机物稳定同位素信号演变提供重要的基础参数。