Phản ứng biến đổi ethane (C2H6) thành methane (CH4) là một quá trình quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp. Bài viết này sẽ tập trung vào các khía cạnh liên quan đến quá trình này, đặc biệt trong bối cảnh phân tích đồng vị carbon của methane.
Phương pháp đo tỷ lệ đồng vị carbon ổn định (δ13C) thường được sử dụng để so sánh với một chuẩn quốc tế, Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB). Công thức (1) thể hiện mối quan hệ này, trong đó R là tỷ lệ abundance của các isotopologue trong mẫu và RVPDB là tỷ lệ tương ứng trong chuẩn.
(1) δ 13 C = R R VPDB – 1 R = 13 C 12 C
Trong vùng hấp thụ tuyến tính, mật độ phân tử tỷ lệ thuận với độ hấp thụ và liên quan đến nó thông qua tiết diện hấp thụ. Do đó, việc truy xuất tỷ lệ đồng vị so với một khí chuẩn có thành phần đồng vị đã biết là tương đối đơn giản. Các chuẩn khí δ13C-CH4 được sử dụng cho các thí nghiệm thường được chứng nhận trên thang VPDB với độ không đảm bảo là ±0.2 ‰.
Tuy nhiên, việc xác định chính xác tỷ lệ δ13C-CH4 có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm sự phức tạp của quá trình khớp phổ và sự rời rạc hóa trên thang bước sóng hoặc tần số. Vị trí của các mode cavity so với các vạch hấp thụ có thể ảnh hưởng đến kết quả khớp, do những sai sót nhỏ trong mô hình khớp so với phổ thực.
Sự trôi vị trí của mode cavity chủ yếu là do sự mất ổn định cơ học và biến động nhiệt độ. Để bù cho những trôi này, có thể khóa vị trí các mode cavity vào vị trí các vạch hấp thụ bằng cách tác động động lên nhiệt độ cavity. Mục tiêu của khóa không phải là ổn định nhiệt độ cavity tốt hơn mà là duy trì comb cavity ở cùng một vị trí so với vị trí các vạch hấp thụ, bù cho các trôi điện tử xảy ra trên mạch để đọc áp suất và nhiệt độ của cavity.
Phân tích thống kê Allan–Werle (AW) được thực hiện trên tín hiệu δ13C-CH4 để đánh giá hiệu quả của việc khóa nhiệt độ. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ ổn định dài hạn khi khóa nhiệt độ.
Việc tối ưu hóa các tham số khớp và thiết lập quang học cũng có thể cải thiện độ chính xác của phép đo. Phân tích AW thống kê thứ hai được thực hiện trên việc phát hiện đồng thời δ13C-CH4, 12CH4 và C2H6 cho thấy độ chính xác cao hơn ở thời gian ngắn, nhưng độ ổn định dài hạn bị giới hạn bởi các bất ổn khác.
Độ phụ thuộc của tỷ lệ đồng vị vào nồng độ methane cũng là một yếu tố cần xem xét. Sự phụ thuộc này có thể liên quan đến sự rời rạc hóa của phổ và vị trí chính xác của các điểm đo so với các fringe quang học dư trong phổ.
Bằng cách theo dõi tỷ lệ đồng vị carbon của methane khi có và không có ethane (C2H6) trong hỗn hợp khí, có thể quan sát thấy sự khác biệt trong δ13C-CH4. Điều này cho thấy sự hiện diện của ethane có thể ảnh hưởng đến phép đo tỷ lệ đồng vị của methane và cần được hiệu chỉnh.
Để xác thực tính ổn định của hệ thống, các phép đo dài hạn được thực hiện bằng cách chuyển đổi thường xuyên giữa hai mẫu có thành phần đồng vị khác nhau. Kết quả cho thấy độ trôi nhỏ trên tín hiệu đồng vị sau thời gian đo liên tục, cho thấy hệ thống có độ ổn định tương đối tốt.
