吸附蒸发分馏的非常规现象和解释
气体在固体表面的吸附或者气体从液体里面的蒸馏在一般常识都是分子量高的重分子容易吸附在固体表面和在蒸馏中留在液体中。基于这样的认识,我们常常把页岩致密气和煤层气从致密岩石和煤岩中释放明显变重解释成瑞利效应。但是下面一些基本试验证明了吸附对于CHO化合物来说是吸附是反常地偏向轻的12C,但是确实又偏向重的D和18O。
同时吸附不是瑞利过程因为吸附一旦发生就平衡了就不会继续有分馏效应了,没有和固体接触的气体分子是无法吸附分馏的; 而扩散导致的分馏永远存在的,因为分子质量差是永远存在的,即使相当于达西流小也存在因此扩散是瑞利分馏。
但是类似的吸附偏向12C的效应,如酒的蒸馏,直观想象是留在酒液体里面的乙醇分子是偏向重的13C,即越蒸馏液体酒里面的乙醇分子的δ13C应该越重,即12C应该越少,但是试验是相反的。在用IRMS鉴定白酒实验发现留下的液体酒的乙醇分子的δ13C是越来越轻,说明酒蒸馏时类似”吸附偏向轻的12C“---是水倾向于溶解和吸住轻的12C的乙醇分子,而让重的13C乙醇分子先蒸发。
这里的分馏却是瑞利RAYLEIGH分馏了,因为这个分馏和吸附表面的分馏不一样,所有的蒸发每时每刻都在经历上面的水对乙醇分子的选择性分馏,因此鉴定白酒如果开盖一段时间后测量同位素是不断变轻的,即是瑞利RAYLEIGH效应了,这时的白酒的”水吸附轻的12C乙醇分子效应“就得到瑞利放大,比”扩散偏向跑得慢的13C乙醇分子“还要显著了。

白酒真是RAYLEIGH变轻呢!
有关吸附时是偏向吸附重的13C而不是轻的12C的常规智慧错误其实在每次测量单体化合物同位素时都有验证,即吸附柱子里面先出来的不是轻的12C,而是重的13C

吸附柱子里面出来的单体同位素比例是先重后轻(吸附决定吸附偏向轻的12C,不是重的13C),而没有吸附材料的空柱子出来的甲烷同位素是先轻后重(扩散决定12C先出来)

之所以吸附偏向轻的12C主要原因是吸附主导的范德华色散力上12C比13C明显大.
用纯甲烷在柱子中的运动,没有吸附柱子的先出来的确实是扩散得快的12C, 如下图【2】。


一旦填充了吸附材料开始出来的甲烷的C同位素变化就由吸附材料的吸附主导,同位素反倒是重的13C的先出来了,图4【2】

B.可能是类似的吸附范德华力的作用,在酒的蒸馏过程中,乙醇也是越来越轻的【3】。这也是和”常规智慧“相反的。

白酒真是RAYLEIGH变轻呢!!!
【1】W. Meier-Augenstein, Applied gas chromatography coupled to isotope ratio mass spectrometry, Journal of Chromatography A, 842 (1999) 351–371
【2】陶成,王杰,申宝剑,等. 甲烷流动过程中碳同位素分馏实验[J]. 天然气地球科学,2021,32(11):1709-1713.
【3】岳涛,王道兵,李安军,姜利,李国辉,岳红卫,张洛琪,钟其顶.白酒大生产过程中乙醇稳定碳同位素变化特征研究[J/OL].食品与发酵工业.2022,DOI: 10.13995/j.cnki.11-1802/ts.030807
