JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Dünya bol mineraller doğal hidrotermal sistemlerinde önemli rol oynarlar. Burada, hidrotermal koşullar altında Organik mineral etkileşimleri deneysel incelenmesi için güvenilir ve düşük maliyetli bir yöntem açıklanmaktadır.

Özet

Organik mineral etkileşimleri geysers toprak ve hidrotermal derin okyanusta gibi kaplıcalar, hidrotermal ortamlarda yaygın olarak görülür. Birçok hidrotermal organik jeokimyasal süreçlerinde önemli mineraller rolleri vardır. Altın, titanyum, platin veya paslanmaz çelik yapılmış reaktörler kullanarak içerir, geleneksel hidrotermal metodoloji genellikle yüksek maliyet veya istenmeyen metal katalitik etkisi ile ilişkilidir. Son zamanlarda, maliyet-etkin ve inert kuvars veya erimiş silis Cam tüplerin hidrotermal deneylerde kullanmak için büyüyen bir eğilim vardır. Burada, biz Organik mineral hidrotermal deneyleri silis tüpler içinde taşımak için bir protokol sağlar ve numune hazırlama, deneysel Kur, ürün ayırma ve kantitatif analiz temel adımları açıklar. Biz de bir deney üzerinde belirli bir hidrotermal koşulda onun bozulma bir demir içeren maden, manyetit, etkisini göstermek için bir model organik bileşik, nitrobenzene, kullanarak göstermek. Bu teknik karmaşık Organik mineral hidrotermal etkileşimler nispeten basit Laboratuvar sisteminde eğitim için uygulanabilir.

Giriş

Hidrotermal ortamlar (yani, yüksek sıcaklık ve basınç, sulu medya) yeryüzünde her yerde vardır. Organik bileşiklerin hidrotermal kimya organik tortul havzaları, petrol rezervuar ve derin biyosfer1,2,3gibi jeokimyasal ayarları geniş bir alanda önemli bir rol oynar. Organik Karbon dönüşümleri hidrotermal sistemlerinde değil sadece, aynı zamanda dünya bol mineraller gibi çizgili veya düz çizgili çözünmüş inorganik maddeler ile saf sulu ortam meydana gelir. Önemli ölçüde ve seçime bağlı olarak çeşitli organik bileşiklerin hidrotermal reaktivite etkilemek için mineraller bulundu1,4,5 ama nasıl karmaşık hidrotermal sistemlerinde mineral etkileri tanımlamak için hala bir meydan okuma olarak kalır. Bu çalışmanın amacı hidrotermal organik reaksiyonlar üzerinde mineral etkileri eğitimi için nispeten basit bir deneysel protokol sağlamaktır.

Laboratuar çalışmaları hidrotermal reaksiyonların geleneksel olarak altın, titanyum veya paslanmaz çelik6,7,8,9yapılmış sağlam reaktörler kullanın. Örneğin, altın çanta veya kapsül olumlu, altın esnektir ve buharı faz örnek içinde üreten önler harici, su basınçlandırma tarafından kontrol edilebilir için örnek baskı sağlar çünkü kullanılmaktadır. Ancak, bu reaktörler pahalıdır ve potansiyel metal katalitik etkileri10ile ilişkili olabilir. Bu nedenle, hidrotermal bu deneyler için düşük maliyetli ancak yüksek güvenilirlik ile alternatif bir yöntem bulmak için zorunludur.

Son yıllarda, reaksiyon tüpler kuvars veya erimiş silis camdan daha sık hidrotermal deneyler11,12,13için uygulanmış. Değerli altın veya titanyum ile karşılaştırıldığında, kuvars veya silis cam Ayrıca güçlü malzeme çok ucuz. Daha da önemlisi, kuvars tüpler küçük katalitik etkisi göstermiştir ve kadar etkisiz olabilir hidrotermal reaksiyonlar11,14altın gibi. Bu protokol için küçük ölçekli hidrotermal Organik mineral kalın duvarlı silis tüpler deneyler genel yöntemler açıklanmaktadır. Biz göstermek için de mineral etkisini göstermek için (Yani, manyetit) bir 150 ° C hidrotermal çözümde bir demir-oksit maden varlığı/yokluğu bir modeli bileşik (Örneğin, nitrobenzene) kullanarak bir örnek deney mevcut Bu yöntemin etkinliği.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokol

1. örnek hidrotermal deneme için hazırlayın

  1. Kuvars veya silis cam tüpler, Örneğin, 2 mm iç çap (ID) x 6 mm dış çapı (OD) veya 6 mm mm ID x 12 OD, boyutu seçmek ve organik bileşikler ve mineraller kullanmak için miktarlarını belirlemek. Bu çalışmada, nitrobenzene ve (Örneğin, 2 mm ID x 6 mm OD) silis tüpe için manyetit (Fe3O4) tutarların 3.0 µL ve 13.9 mg, sırasıyla vardır.
    Not: Geniş çaplı tüpler malzemelerin daha kolay yükleme izin ancak tüp sızdırmazlık daha fazla çaba gerektirir.
  2. Temiz silis cam boru ~ 30 cm ile küçük parçalara uzunluğu bir tüp kesici kullanılarak kesilmiş. Mühür bir uygun alev kafa ile bir oksihidrojen gazı meşale kullanarak kapalı tüp bir ucunu.
    Uyarı: oksihidrojen gazı meşale kullanarak için güvenlik prosedürleri izleyin.
  3. Bir 0,1 mg-ölçek (Eğer katı) denge ve tartı kağıt kullanarak silika cam tüp içine aktarmak önceden belirlenmiş başlangıç organik bileşik miktarına tartın. Bileşik ise sıvı (Örneğin, nitrobenzene bu durumda), küçük silis tüp içine aktarmak için bir microliter şırınga (Örneğin, 10 µL) kullanın. Pasteur pipet silis tüpten içine asılı mineraller ekleyin ve sonra deoxygenated ve deiyonize su (Örneğin, 0.3 mL) ekleyin. 18.2 MΩ·cm deiyonize su kullanımı ve sonication tarafından deoxygenate.
  4. Silis tüp kapalı bir vana ile vakum hattı (~ 1 cm ID) takın. ~ 3 min için sıvı azot organik ve su tamamen donmuş kadar dolu bir Dewar şişesi tüp sokmak.
    Uyarı: aktarılması ve sıvı nitrojen kullanarak güvenlik prosedürleri izleyin.
  5. Tüp sıvı azot içinde dalmış kaldığında, vakum vanası açmak ve hava tüp headspace kaldırın.
    Not: Bu işlem basınç basınç ölçüm vakum pompası üzerinde 100 mtorr altına düşünceye kadar sürmelidir.
  6. Kapak kapatmak geçiş, sıvı azot tüpü çıkarması ve oda sıcaklığına kadar sıcak tüp izin. Headspace için kalan hava kabarcıkları çözümden serbest bırakmak için tüp alt hafifçe dokunun.
  7. Yukarıdaki donma-pompa-çözülme döngüsü iki kez daha tekrarlayın ve tüp sıvı azot tüpü diğer ucunu sızdırmazlık önce tutmak. Vakum hattı kapatmak ve oksihidrojen gazı alev kapalı tüm tüp yapmak için kullanın.
    Not: tüp hidrotermal deneyler geçer zaman, sıvı su genişleme nedeniyle tüp headspace hacmi azalır. Örneğin, su yoğunluğu yaklaşık % 30 oda sıcaklığından 300 ° C'ye azaltır Hesaplamak ve tüp sızdırmazlık zaman yeterli headspace hacim bırakmak.

2. hidrotermal deneme oluşturmak ayarla

  1. Mühürleme adımlardan sonra silis tüp içine küçük bir çelik boru (~ 30 cm uzunluğunda ve 1.5 cm çapında) gevşek vidalı kapakları ile herhangi bir basınç bina veya boru içinde tüp başarısızlık zarar önlemek için koymak.
  2. Bir de ısı kontrollü fırın veya fırın boru yerleştirin ve istenilen sıcaklık (Örneğin, Bu eser 150 ° C'de) kadar ısı. Bir ısıl fırın içinde hidrotermal tepki ile sıcaklık izlemek için kullanın.
  3. En kısa zamanda reaksiyon süresi (Örneğin, Bu çalışmada 2 h) ulaşıldığında, silis tüp boru hızlı bir şekilde bir buz su banyosu koyarak gidermek.
    Not: Su verme işlemi potansiyel retrograd reaksiyonlar önler oda sıcaklığına kadar soğumasını az 1 dk sürer.

3. deneyden sonra örneğini analiz

  1. Bir tüp kesici kullanarak silika tüp açın ve hızlı bir şekilde tüm ürünleri (Örneğin, küçük silis tüp ~0.3 mL) Pasteur pipet kullanarak bir 10 mL Cam şişe aktarın.
  2. Gaz Kromatografi (GC) bir iç standart olarak 8.8 mM dodecane içeren 3 mL diklorometan (DCM) çözüm ile organik ürünler ayıklayın. Şişe ve o ile 2 dk ve girdap için o için 1 dk el sallamak kap.
    Not: Bu organik ürünler organik fazına çıkarma kolaylaştırmak için yardımcı olur. Ayrıca, silis tüp ürünler malın güvenliğini garantiye almak için DCM ile transfer damlalıklı ve iç duvarlarında durulayın. Yüksek mineral içeriği ile örnekleri için onları daha iyi ekstraksiyon DCM çözüm solüsyon içeren temizleyicide.
  3. (Yani, dodecane ile DCM) çıkarma çözümde yerleşmek için mineral parçacıklar dikkatle ~ 1 mL örnek (Yani, alt tabaka) DCM katmanından bir GC şişe aktarmak bir Pasteur pipet 5 dk. kullanım için izin verir.
  4. Poli-kılcal sütun (Örneğin, % 5 diphenyl/95% dimethylsiloxane) ve bir alev iyonizasyon detektörü ile GC kullanarak organik ürün dağıtım analiz. GC fırın 50 ° C'de başlatmak ve 8 dk. tutun, 10 ° C/dk ila 220 ° C artırmak ve 10 dakikadır tutun, 20 ° C/min 300 ° c artırmak ve 5 dk. Set enjektör sıcaklık 300 ° C'ye tutun bir programla ayarlama
    Not: GC programın değiştirilmesi için gerekli organik bileşikleri analiz ediliyor, türüne göre.
  5. GC kalibrasyon eğrileri analit için iç standart analit konsantrasyon ve pik alanı oranını komplo kurmak.
  6. Önce ve sonra reaksiyon, yani, dönüşüm % başlangıç organik materyali konsantrasyonları dayalı tepki dönüştürmeyi hesaplamak = ([-[final] ilk]) ⁄ [ilk] × %100. Dönüştürmeleri mineral kolaylaştırır veya hidrotermal organik dönüşümleri yavaşlatır belirlemek için kullanın.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Sonuçlar

Bu yaklaşım hidrotermal Organik mineral etkileşimleri, bileşik bir modeli kullanarak basit bir deney çalışmak için nasıl kullanılacağını göstermek için nitrobenzene, gerçekleştirilmiştir ve 150 ° C ve 5 hidrotermal bir koşulu, mineral manyetit (Fe3O4) ile 2 h için Bar. Mineral etkisini göstermek için bir deney nitrobenzene maden olmadan da aynı hidrotermal koşul altında gerçekleştirildi. Şekil 1a' de gösteri...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Tartışmalar

Bu çalışmada, biz nitrobenzene ile mineral manyetit örnek olarak hidrotermal organik reaksiyonlar üzerinde mineral etkileri değerlendirmek nasıl göstermek için kullanılmıştır. Küçük silis cam tüplerde deneyler yapılmaktadır rağmen son derece tekrarlanabilir sonuçlar manyetit deneylerde, Yani, 30,3 ± % 1.4 etkinliğini ve bu güvenilirliğini öneriyor nitrobenzene dönüşüm gözlenir hidrotermal protokolü. Hayır-mineral deneylerde nitrobenzene dönüşüm 5.2 ± % 2.1, hangi mineral den...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

HOG grup Arizona State Üniversitesi'nde bu hidrotermal deneyler ilk metodolojisi geliştirmek için teşekkür ederiz, ve özellikle, biz ı. Gould, E. şok, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson ve C. Bockisch, için teşekkür ederim onların rehberlik ve yararlı yardım. Z. Yang ve X. Fu Z. Yang Oakland Üniversitesi'nden başlangıç fonlar tarafından finanse edilmiştir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Chemicals:
DichloromethaneVWRBDH23373.400
DodecaneSigma-Aldrich297879
NitrobenzeneSigma-Aldrich252379
Fe2O3Sigma-Aldrich310050
Fe3O4Sigma-Aldrich637106
Supplies:
Silica tube
Vacuum pumpWELCH2546B-01
Vacuum line
OvenHewlett Packard5890
ThermocoupleBENETECHGM1312
Gas chromatographyAgilent7820A

Referanslar

  1. Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. Effects of iron-containing minerals on hydrothermal reactions of ketones. Geochimica et Cosmochimica Acta. 223, 107-126 (2018).
  2. Seewald, J. S. Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins. Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).
  3. Sogin, M. L., et al. Microbial diversity in the deep sea and the underexplored "rare biosphere". Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (32), 12115(2006).
  4. McCollom, T. M. Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth's Deep Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).
  5. Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts. Science. 304 (5673), 1002(2004).
  6. Bell, J. L. S., Palmer, D. A. 10.1007/978-3-642-78356-2_9. Organic Acids in Geological Processes. Pittman, E. D., Lewan, M. D. , Springer. Berlin Heidelberg. 226-269 (1994).
  7. Palmer, D. A., Drummond, S. E. Thermal decarboxylation of acetate. Part I. The kinetics and mechanism of reaction in aqueous solution. Geochimica et Cosmochimica Acta. 50 (5), 813-823 (1986).
  8. Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. The central role of ketones in reversible and irreversible hydrothermal organic functional group transformations. Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 48-65 (2012).
  9. McCollom, T. M., Ritter, G., Simoneit, B. R. T. Lipid Synthesis Under Hydrothermal Conditions by Fischer- Tropsch-Type Reactions. Origins of life and evolution of the biosphere. 29 (2), 153-166 (1999).
  10. Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Barnes, H. L., Drummond, S. E. Thermal decomposition of acetate: III. Catalysis by mineral surfaces. Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (19), 4155-4177 (1994).
  11. Yang, Z., et al. Hydrothermal Photochemistry as a Mechanistic Tool in Organic Geochemistry: The Chemistry of Dibenzyl Ketone. The Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 7861-7871 (2014).
  12. Yang, Z., Hartnett, H. E., Shock, E. L., Gould, I. R. Organic Oxidations Using Geomimicry. The Journal of Organic Chemistry. 80 (24), 12159-12165 (2015).
  13. Venturi, S., et al. Mineral-assisted production of benzene under hydrothermal conditions: Insights from experimental studies on C6 cyclic hydrocarbons. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 346, 21-27 (2017).
  14. Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems. Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).
  15. Byrappa, K., Yoshimura, M. Handbook of Hydrothermal Technology. , William Andrew Publishing. (2001).
  16. Johnson, J. W., Oelkers, E. H., Helgeson, H. C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0 to 1000°C. Computers & Geosciences. 18 (7), 899-947 (1992).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

evre Bilimlerisay 138hidrotermal deneylermineralOrganik mineral etkile imorganik jeokimyasilis T pgaz kromatografi

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır