وضع بروتوكول تجريبي لدراسة الآثار المعدنية على التحولات الحرارية المائية العضوية
Summary
الأرض-وفرة المعادن تلعب أدواراً هامة في النظم الحرارية المائية الطبيعية. وهنا يصف لنا طريقة موثوقة وفعالة من حيث التكلفة للتحقيق التجريبي للتفاعلات العضوية المعدنية تحت ظروف حرارية مائية.
Abstract
وتحدث التفاعلات العضوية المعدنية على نطاق واسع في البيئات المائية الحرارية، مثل الينابيع الساخنة، السخانات على الأرض، والفتحات الحرارية المائية في أعماق المحيطات. أدوار معادن الحاسمة في العديد من العمليات الجيوكيميائية العضوية الحرارية المائية. منهجية الحرارية المائية التقليدية، التي تشمل استخدام مفاعلات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، والبلاتين، الذهب أو التيتانيوم، عادة ما يرتبط بتكلفة عالية أو آثار حفاز معدنية غير مرغوب فيها. في الآونة الأخيرة، وهناك اتجاه متزايد لاستخدام فعالة من حيث التكلفة وخاملة الكوارتز أو السليكا فوسيد زجاج الأنابيب في التجارب الحرارية المائية. هنا، نحن نقدم على بروتوكول لإجراء تجارب العضوية المعدنية الحرارية المائية في أنابيب والسليكا، ويصف لنا الخطوات الأساسية في إعداد العينة والإعداد التجريبية، وفصل المنتجات، وتحليل كمي. كما نبدي تجربة استخدام مركب عضوي نموذجي، النتروبنزين، لإظهار تأثير معدن المحتوية على الحديد، أكسيد الحديد الأسود، في تدهورها تحت شرط معين الحرارية مائية. يمكن تطبيق هذه التقنية لدراسة التفاعلات الحرارية المائية العضوية المعدنية المعقدة في نظام مختبرية بسيطة نسبيا.
Introduction
البيئات المائية الحرارية (أي، وسائل الإعلام مائي عند درجات الحرارة المرتفعة والضغط) في كل مكان على وجه الأرض. الكيمياء الحرارية للمركبات العضوية دوراً أساسيا في مجموعة واسعة من الإعدادات الجيوكيميائية، مثل الأحواض الرسوبية العضوية وخزانات النفط في أعماق المحيط الحيوي1،2،3. تحدث تحولات الكربون العضوي في النظم المائية الحرارية ليس فقط في وسط مائي نقي بل أيضا مع المواد غير العضوية الذائبة أو الصلبة، مثل المعادن وفرة الأرض. تم العثور على المعادن بطريقة انتقائية بشكل كبير والتأثير مفاعليه الحرارية المائية لمختلف المركبات العضوية،1،،من45 ولكن كيف يمكن تحديد آثار المعدنية في النظم الحرارية المائية المعقدة لا يزال يشكل تحديا. والهدف من هذه الدراسة تقديم بروتوكول تجريبي بسيط نسبيا لدراسة الآثار المعدنية على التفاعلات العضوية الحرارية المائية.
الدراسات المختبرية للتفاعلات الحرارية المائية عادة استخدام مفاعلات القوى التي تصنع من الذهب أو التيتانيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ6،7،،من89. على سبيل المثال، أكياس الذهب أو كبسولات مشجعا للغاية استخدمت، لأن الذهب يتسم بالمرونة، ويتيح الضغط عينة للتحكم بواسطة الضغط على المياه خارجياً، الذي يتجنب توليد مرحلة بخار داخل العينة. ومع ذلك، هذه المفاعلات غالية الثمن ويمكن أن تترافق مع احتمال الآثار الحفازة معدنية10. ومن ثم فمن الضروري إيجاد طريقة بديلة مع منخفضة التكلفة ولكن عالية الموثوقية لهذه التجارب الحرارية المائية.
في السنوات الأخيرة، طبقت رد فعل أنابيب مصنوعة من الزجاج الكوارتز أو السيليكا فوسيد أكثر تواترا للتجارب الحرارية المائية11،،من1213. بالمقارنة مع الذهب الثمينة أو التيتانيوم، زجاج الكوارتز أو السيليكا أرخص كثيرا ولكن أيضا المواد قوية. الأهم من ذلك، أظهرت القليل من الآثار الحفازة أنابيب الكوارتز ويمكن أن تكون خاملة، كالذهب ل التفاعلات الحرارية المائية11،14. في هذا البروتوكول، يصف لنا طريقة عامة لإجراء تجارب العضوية المعدنية الحرارية المائية الصغيرة الحجم في أنابيب والسليكا السميكة. نحن نقدم تجربة مثال استخدام مجمع نموذجي (أي الوقت) في الوجود/عدم وجود معدن أكسيد الحديد (أي، أكسيد الحديد الأسود) في حل الحرارية 150 درجة مئوية، بغية إظهار تأثير المعدنية، كذلك فيما يتعلق بإثبات فعالية هذا الأسلوب.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، ونحن استخدام النيترو بنزين مع المعدنية أكسيد الحديد الأسود كمثال لشرح كيفية تقييم الآثار المعدنية على التفاعلات العضوية الحرارية المائية. على الرغم من أن التجارب التي تجري في أنابيب زجاجية صغيرة والسليكا، لوحظت النتائج استنساخه بدرجة عالية في تجارب أكسيد الحديد الأسود، …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن نشكر مجموعة خنزير في جامعة ولاية أريزونا لتطوير المنهجية الأولى لهذه التجارب الحرارية المائية، وعلى وجه الخصوص، ونحن نشكر غولد أولاً وصدمة هاء، ل. ويليامز، جلين جيم، هارتنت H.، فيكتو ك.، ك. روبنسون وبوكش جيم، لما إرشاد ومساعدة مفيدة. ومولت بأموال بدء التشغيل من جامعة أوكلاند يانغ Z. يانغ Z. و X. Fu.
Materials
| Chemicals: | |||
| Dichloromethane | VWR | BDH23373.400 | |
| Dodecane | Sigma-Aldrich | 297879 | |
| Nitrobenzene | Sigma-Aldrich | 252379 | |
| Fe2O3 | Sigma-Aldrich | 310050 | |
| Fe3O4 | Sigma-Aldrich | 637106 | |
| Supplies: | |||
| Silica tube | |||
| Vacuum pump | WELCH | 2546B-01 | |
| Vacuum line | |||
| Oven | Hewlett Packard | 5890 | |
| Thermocouple | BENETECH | GM1312 | |
| Gas chromatography | Agilent | 7820A |
References
- 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).
- Seewald, J. S. Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins. Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).
- 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).
- McCollom, T. M. Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth’s Deep Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).
- Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts. Science. 304 (5673), 1002 (2004).
- Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Pittman, E. D., Lewan, M. D. 10.1007/978-3-642-78356-2_9. Organic Acids in Geological Processes. , 226-269 (1994).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems. Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).
- Byrappa, K., Yoshimura, M. . Handbook of Hydrothermal Technology. , (2001).
- 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).
