碳14测定生物基碳含量的原理

碳14测定生物基碳含量的原理

2022年12月08日

目前有三个主要标准用于确定生物基含量。根据所使用的标准,最终得到的数值(生物基比例)可能会出现明显的差异。因此,了解这些标准和“生物基”的各种概念之间的区别是很重要的。

简而言之,这些方法可分为两大类:基于生物质比例的方法(生物质法)和基于生物基有机碳比例的方法(碳法)。

本文接下来简要说明生物基比例是如何计算的。作为参考,请见以下标准定义引用参考图中的各个区域。


标准EN 16785-1(生物质法)

EN 16785-1 Bio-based products - Bio-based content - Part 1: Determination of the bio-based content using the radiocarbon analysis and elemental analysis

EN 16785-1 生物基质产品.生物基含量.使用放射性碳分析和元素分析测定生物基含量

生物量的比例(第2和第4区)与产品的总干质量(第1至第5区)的关系。生物量比例是根据产品所有成分的详细规格计算出来的。通过计算得到的理论值,要通过放射性碳分析来验证生物质的碳比例(第2区)与产品的总碳含量(第1、2和3区)的关系。


标准ASTM D6866(有机碳法)

ASTM D6866 Standard Test Methods for Determining the Biobased Content of Solid, Liquid, and Gaseous Samples Using Radiocarbon Analysis

ASTM D6866 使用放射性碳分析确定固体、液体和气体样品的生物基含量的标准测试方法

生物基有机碳的比例(第2区)与产品的总有机碳含量(第1和2区)的关系。生物基有机碳的比例是通过放射性碳分析得到的。该方法不要求所有成分的详细说明


标准EN 16640(总碳方法)

EN 16640 Bio-based products - Bio-based carbon content - Determination of the bio-based carbon content using the radiocarbon method

EN 16640 基于生物的产品-生物碳含量-利用放射性碳方法测定生物碳含量

生物基有机碳的比例(第2区)与产品的总碳含量(第1、2和3区)的关系。生物基有机碳的比例是通过放射性碳分析得到的。该方法不要求所有成分的详细说明。

碳14测定生物基碳含量的原理

生物基碳与化石基碳

有机碳(Organic carbon)既可以是生物基的,也可以是化石基的。生物基碳来自可再生资源,包括来自森林、农田或水域的天然植物材料,也包括来自农业和食品工业的残余物和废物,包括屠宰场废物。化石基碳来自不可再生资源,如石油、煤炭或天然气。

碳14测定生物基碳含量的原理

从技术角度来看,确定分别来自生物基和化石基来源的有机碳的百分比是可行的。要做到这一点,需要使用一种叫做放射性碳分析的方法,这种方法类似于用于确定考古发现的年份的技术。


什么是放射性碳测定,它是如何工作的?

放射性碳测定是通过测量材料中的碳14(14C),一种碳的放射性同位素的数量来确定含有有机材料的物体的年份。

在测试之前,样品需要被处理并变成适合测量的形式。现在,最常见的方法是使用加速器质谱法(AMS)来直接测量样品中14C原子和12C原子的数量。

碳14测定生物基碳含量的原理

用于测试碳14的AMS设备


当一个生物体死亡时,它对环境中新的14C的吸收就会停止。由于14C是不稳定的,并以恒定的速度衰减为12C,14C的下降可以转化为生物体死亡后的时间长度。同样的原则可以应用于其他几种材料和产品。一个例子是生物柴油,它是石油基柴油和由有机物(如木材)制成的柴油的混合物。通过这种方法,可以测量 "现代碳"(MC)的数量,即柴油中来自近代被砍伐的树木的部分和来自石油来源的碳的数量。


碳14(14C)从哪里来,在哪里发现?

14C在大气中不断产生,主要是由银河系的宇宙射线产生,其次是由太阳宇宙射线产生。当它们穿过大气层时,这些宇宙射线产生的中子可以撞击氮-14(14N)原子,并将其变成14C。这样,随着14C的衰变,新的14C被创造出来,大气中的14C保持恒定水平。

14C从大气中被转移到海洋和地球。因此,在生物体存在的地方,它几乎无处不在。生物体的光合作用和化学合成通过碳固定吸收14C,这是一个无机碳(通常以二氧化碳的形式)被生物体转化为有机化合物的过程。这样一来,所有的生物体都保持了14C的恒定水平。当生物体死亡,生化过程停止时,没有新的14C被吸收;相反,随着14C衰变为12C,其水平以恒定的速度下降。14C的半衰期约为5730年,这意味着当这段时间过去后,一半的14C已经转化为12C。最后,在5万多年后,死亡物质中没有任何14C残留。

碳14测定生物基碳含量的原理

碳14含量与时间关系曲线图


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