FTIR监测北京地区CO2和CH4及其变化分析

近几十年来,温室效应导致地表温度明显上升,其所引起的全球气候变迁问题越来越受到人们的关注.CO2和CH4是大气中主要的两种人为温室气体,对它们进行连续的测量,获取它们长时间变化情况对大气环境科学具有重要的意义.目前国内监测这两种气体的主要手段是气相色谱方法.鉴于傅里叶变换红外光谱技术的优点,使用开放式长光程FTIR系统在北京地区对这两种气体进行了监测.该系统直接测量开放光路中的环境气体的大气吸收光谱,并使用非线性最小二乘方法进行光谱分析,获取待测组分的浓度信息.在实验部分给出了2005年9月4日到2005年9月10日6天中的北京地区CO2及CH4的测量结果,并对两者的变化趋势和相关性进行了分析.     

CO2水合物在电解质溶液中的相平衡预测

关于二氧化碳水合物基础物性的研究,对二氧化碳置换开采天然气水合物和工业废气二氧化碳的深海埋藏具有重要意义。本文在Van der Waals-Platteeuw理论和Pizter的电解质模型的基础上,考虑了电解质和温度对二氧化碳在水中溶解度的影响,从理论上对水合物相平衡模型进行了修正,提高了预测的精度。本文预测了二氧化碳水合物在NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂的一元及二元溶液体系中的相平衡条件,预测的最大压力误差7.92%,平均压力误差在1%～3%之间。结果表明,本文的理论预测结果和实验数据吻合较好。     

电荷调控下Ti3C2O2和V2CO2吸附CH4的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算首先研究了Ti3C2O2和V2CO2与CH4气体分子之间的相互作用,发现Ti3C2O2和V2CO2对CH4的吸附较弱属于物理吸附,不适宜用作探测CH4。在此基础上研究了电荷调控下CH4气体分子与Ti3C2O2和V2CO2之间的相互作用。结果表明：随着体系电荷态的增加,Ti3C2O2和V2CO2对CH4气体分子的吸附作用逐渐增加变为化学吸附。当体系电荷态大于或等于-2时,CH4气体分子在Ti3C2O2和V2CO2表面可以被有效捕获。撤去电荷后,Ti3C2O2、V2CO2与CH4气体分子之间的吸附恢复至物理吸附,CH4气体分子易脱附。因此,通过调控Ti3C2O2和V2CO2的电荷态,可以简单地实现CH4的捕获与释放。Ti3C2O2和V2CO2有望成为CH4探测或捕获材料。     

CO2水合物生长特性的分子动力学模拟

采用分子动力学对CO2水合物生长进行模拟并分析其变化规律,探究了CO2水合物晶体生长的微观过程以及不同温度、压力条件对水合物生长特性的影响机理. CO2水合物的生长是从已有晶胞附近向外扩散并逐具有序性的过程,水分子间逐渐形成四面体氢键与CO2共同形成完整的水合物笼. 另外, CO2水合物生长需要合适的过冷度,在压力为30MPa、温度范围265K至275K,水合物笼型晶胞可正常生成,并且温度越低,生成速率越快;在高温290K和300K时,体系分子运动加剧,水合物笼直接散开. 此外,在温度为270K、不同压力条件下,发现相较温度而言,由于CO2溶解度随压力变化的不明显性,导致CO2水合物增长速度伴随压力的变化相对不敏感.     

空气CH4浓度变化及其与CO的相关性

CH4是一种重要的温室气体,在空气中的含量仅次于CO2.化合物之间的相关性在化合物的浓度测量和估算等方面都有重要的意义.通过分辨率为1 cm-1的长开放光路傅里叶变换红外光谱仪测量采样路径内的北京西四环高速公路附近空气CH4和CO透过率光谱,进行非线性最小二乘光谱拟合,计算出待测组分浓度.北京秋季空气CH4浓度变化趋势几乎一样.白天的浓度变化趋势表明城市中人为活动对CH4的排放影响极大,尤其是机动车尾气的排放,而晚上浓度主要是近地面的积累.2005年9月4日到2005年9月10日的连续浓度变化表明北京秋季每天CH4和CO浓度变化趋势相同,它们的浓度变化具有一定的相关性.     

高压CO2水合物的生成机理实验和模拟

温室气体CO_2的捕捉和储存对减缓温室效应具有重大意义。CO_2水合物法储存CO_2具有效率高、储量大、易运输等优点。为了更高效制备CO_2水合物,对其生成机理进行实验和模拟研究。通过建立水合物生成的热力学模型,对水合物生成条件进行预测,利用高压静态釜式反应容器开展水合物生成实验,通过温度压力数据验证模型的准确性。在选取化学势能差作为水合物生成驱动力的基础上建立气体消耗速率模型,并与实验结果对比,结果表明:模型的预测值与实验值相对吻合。在低于水合物相平衡温度的条件下,升高容器的内反应压力可以促进气-液质量交换过程,提高生成效率。在生成过程中测得不同位置的电阻率变化数据,发现容器内的电阻率随固态水合物的生成而升高,并且首先在容器上部靠近壁面处结晶、团聚。     

基于频分复用石英音叉增强型光声光谱技术的CH4和CO2测量研究

搭建了一套基于频分复用的石英音叉增强型光声光谱双组分气体传感系统,实现了CH4和CO2的高灵敏探测.以中心波长分别为1654 nm和2004 nm的两支分布式反馈(DFB)激光器作为激发光源,利用函数发生器将工作在石英音叉共振频率附近的不同频率正弦调制电流分别注入到两支激光器中,同时激发产生了CH4和CO2光声信号,并...     

CH4-TBAB二元水合物的分解热测定

利用可视化高压流体测试系统研究了甲烷-四丁基溴化氨(TBAB)水合物的分解条件,并根据物相平衡数据应用Clausius-Clapeyron方程计算了该水合物的分解热.结果显示: CH4-TBAB共生水合物的相平衡压力的对数与温度的倒数为线性关系,其相平衡压力远低于甲烷水合物的相平衡压力,甲烷的存在提高了TBAB水合物的生成温度.CH4-TBAB共生水合物的分解热远大于纯TBAB水合物的分解热,而且分解热的数值与TBAB的浓度有关.     

CO_2水合物导热特性的分子动力学模拟

使用分子动力学模拟方法在NVT系综下对结构完整CO_2水合物以及结构缺陷CO_2水合物进行了导热模拟计算.对于结构完整的CO_2水合物,在200-230 K温度区间内,体系导热系数由0.4684 W·m~(-1)·K~(-1)变化到0.4836 W·m~(-1)·K~(-1),温度相关性较弱;而在230-280 K温度区间内,体系导热系数由0.4836 W·m~(-1)·K~(-1)变化到0.7494 W·m~(-1)·K~(-1),温度相关性变强;另外,通过计算功率图谱发现主体分子对水合物体系的导热贡献更大.对于结构缺陷CO_2水合物,发现晶穴占有率和笼形结构缺陷对体系导热均有一定影响,空笼晶胞导热系数约为完整晶胞导热系数的86.67%,体系的导热能力主要取决于主体结构的性质.     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

水蒸汽对Ni/CeO2-ZrO2-Al2O3催化剂上CO2+CH4重整反应的影响

用水热合成法制备了Ni/CeO2 ZrO2 Al2 O3 催化剂 .进行了添加和不添加水蒸汽的CH4 +CO2 催化重整反应 ,测试了活性和稳定性 ,测量了积碳量 ,并用XAFS手段测试了催化剂Ni的K吸收边 .结果表明 ,在反应过程中有CeAlO3 的生成 ,但积碳是无水蒸汽添加的反应活性降低的原因 .反应气中添加水蒸汽能够减少积碳 ,从而提高催化反应的稳定性 .由于碳原子插入Ni晶格 ,无水蒸汽反应后的最近邻Ni Ni配位数有较大幅度的减少 .添加了水蒸汽的反应 ,最近邻Ni Ni配位数比反应前减少幅度小 ,这主要是由于在反应气中添加水蒸汽减少了积碳 ,从而稳定催化剂中活性Ni金属结构的结果     

CH3CH2O及CH3CHOH与HO2反应机理的理论研究

采用CCSD(T)/cc-pVTZ//B3LYP/6-311++G(2df,2p)水平上对CH3CHOH + HO2和CH3CH2O + HO2反应体系的单、三重态反应机理进行了详细的理论研究.计算结果表明,CH3CHOH + HO2反应主要发生在单重态势能面上,其中四条通道均为快速自发过程;CH3CH2O + HO2反应在三重态势能面上的通道CH3CH2O + HO2 → 3IM11 → 3TS11 → P11 (CH3CH2OH + 3O2)为动力学和热力学的优势路径. 大气中CH3CHOH比CH3CH2O更容易稳定存在.     

CH_3CH_2O及CH_3CHOH与HO_2反应机理的理论研究

采用CCSD(T)/cc-p VTZ//B3LYP/6-311++G(2df,2p)水平上对CH_3CHOH+HO_2和CH_3CH_2O+HO_2反应体系的单、三重态反应机理进行了详细的理论研究.计算结果表明,CH_3CHOH+HO_2反应主要发生在单重态势能面上,其中四条通道均为快速自发过程;CH_3CH_2O+HO_2反应在三重态势能面上的通道CH_3CH_2O+HO_2→~3IM11→~3TS11→P11(CH_3CH_2OH+~3O_2)为动力学和热力学的优势路径.大气中CH_3CHOH比CH_3CH_2O更容易稳定存在.     

CH3CH2O及CH3CHOH与HO2反应机理的理论研究

采用CCSD(T)/cc-pVTZ//B3LYP/6-311++G(2df,2p)水平上对CH3CHOH + HO2和CH3CH2O + HO2反应体系的单、三重态反应机理进行了详细的理论研究.计算结果表明,CH3CHOH + HO2反应主要发生在单重态势能面上,其中四条通道均为快速自发过程;CH3CH2O + HO2反应在三重态势能面上的通道CH3CH2O + HO2 → 3IM11 → 3TS11 → P11 (CH3CH2OH + 3O2)为动力学和热力学的优势路径. 大气中CH3CHOH比CH3CH2O更容易稳定存在.     

CH3CF2O2+HOO反应的理论研究

使用Gaussian98程序包，在B3LYP/6-311++G**基组水平上对CH3CF2O2+HOO的各反应通道进行了充分研究，过渡态和产物间的联系通过IRC确认．用振动模式分析和电子布居分析对所有反应通道进行了讨论以阐明反应机理．研究结果表明，在能量上CH3CF2CO2+HOO→IM1→TS1→CH3CF2O2H+O2通道最为有利，CH3CF2O2H和O2是主要产物，但CH3OH和CF2O的生成也是可能的．     

基于光谱吸收法和荧光法的甲烷和二氧化硫检测系统的研究

根据污染气体的光谱吸收特性与荧光特性,设计了一套时分复用检测系统,既可以使用光谱吸收法检测甲烷和二氧化硫又可以使用荧光法检测二氧化硫。系统采用组合可切换光源、共用光路、气室及信号处理部分,首先进行光谱吸收和荧光的特性测量,然后进行光谱吸收法检测甲烷与二氧化硫浓度实验,以及紫外荧光法检测二氧化硫浓度实验。经过光谱吸收和荧光的特性测量得出吸收法测二氧化硫和甲烷的吸收峰处的激发波长分别为280nm和1.64μm,荧光法测二氧化硫最佳激发波长为220nm。经光谱吸收法实验可得甲烷浓度与相对强度的线性关系和二氧化硫浓度与输出电压的线性关系,线性度分别为98.7%,99.2%;经荧光法实验可得二氧化硫浓度与电压成线性关系,线性度达到了99.5%。研究表明,该系统能使用于污染气体的光谱吸收检测和紫外荧光检测。将两种测量方式组合在一起,降低了成本与体积,同时此系统也可用于其他气体的检测,有一定的应用价值。