【摘要】 TE项目旨在开发一种用于高频/实时元素分析的现场地下探头。

据估计，到2050年，碳排放应达到净零，以实现重要的气候目标。要实现这些目标，碳捕获可能是必要的，需要一种长期的储存解决方案，如地质碳封存。然而，与任何地下活动一样，可能会发生泄漏，潜在地影响储存点附近的地下水质量。快速检测对于减轻对这一资源的损害至关重要。因此，一种基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的现场实时元素分析系统正在开发中，以监测这些元素。该系统将传统的LIBS系统分成一个微型的全光传感器头，它围绕着一个耦合到控制单元的被动调Q激光光纤构建。Daniel[1]等人开发了一种可折叠的传感器原型，并在现场监测井中进行了测试，其中痕量元素浓度(约.。0-3ppm)在20天内被跟踪。这些浓度随当地降雨量的变化而变化，随着降雨量的增加而稀释，证明了基于LIBS的传感器在现实世界条件下跟踪痕量元素的能力。

 

各种分析技术被用来测量地下水中的痕量元素，每种技术的优缺点取决于所需的信息、样品类型和操作环境。

 

TE项目旨在开发一种用于高频/实时元素分析的现场地下探头。TIS研究描述了设计、构建和测试可折叠原型系统的工作。从这个原型中吸取的经验教训将应用于下一次设计迭代，以提高易用性和可靠性。虽然该系统的预期目的是监测GCS站点的泄漏，但已经开发的是一种针对恶劣环境的通用元素分析仪，它可以在传统上使用在线元素分析的应用中用作在线传感器，或者可以受益于新的功能。潜在的应用领域包括实时工业过程监测和控制、环境现场监测、咸水入侵检测和预警以及许多其他可能性。

 

图1 TE LIBS系统分为两个子系统：(1)地面控制单元，通过光纤连接到(2)一个或多个传感器头。[1]

 

TE测量系统分为两个通过光纤脐带连接的子系统(见图1)；(1)包含光谱仪、泵浦激光器和计算机的表面控制单元；以及(2)围绕被动调Q(PQSW)激光器构建的坚固、微型、基于LIBS的传感器头。光纤耦合设计允许大而脆弱的部件留在地面，而只需要低成本的传感器头进入恶劣的井下环境。此外，一个控制单元可以连接到多个传感器头，允许更广泛的区域进行监控，同时减少冗余设备的数量。

 

图2. 传感头。光学原理图(左)、装配的光轨(中)和装配的传感器头。[1]

 

以前的工作已经证明，基于LIBS的微型传感器可以在地下环境中成功运行，并进行有意义的微量元素测量。在这项研究中，他们利用从以前的工作中学到的经验来设计一个完整的原型系统。TE原型传感器头设计为达到100 f(30米)的深度，成功地部署到27 f(8 M)的地下深度，在那里它在20天内进行了测量。在此期间跟踪了Mn、Ca、Na、Li和K的TE浓度，并在大约范围内变化。测得的浓度与当地降雨量相关，即微量元素浓度随着降雨量的增加而下降。这项工作清楚地证明了地下LIBS在ppm浓度水平上连续、现场和近乎实时地监测地下水资源的能力。

 

[1] Hartzler, D.A., Bhatt, C.R. & McIntyre, D.L. Design, construction, and validation of an in-situ groundwater trace element analyzer with applications in carbon storage. Sci Rep 13, 7516 (2023).

 

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