甲烷结构（共9篇）
甲烷结构 篇1
我国是自然灾害频发的国家,在我国,自然灾害的种类和频数方面尤其以气象灾害最为突出。而暴雨又是对我国影响范围最大、造成的洪涝灾害最为严重的天气系统。每年由不同范围的暴雨造成的全国洪水面积达几十万平方公里,由暴雨灾害造成的直接经济损失就高达数十亿元。尤其是近年来的四川地区,暴雨频发,降雨强度以及持续时间均屡创新高[1]。不少学者也高度关注四川地区高密度的暴雨发生率,并开展了许多研究[2—5]。这些研究主要都是集中于大尺度环流背景与中小尺度系统的相互作用以及中小尺度系统动力学、天气学方面分析其成因,但是,对于四川地区高密度的暴雨发生率的原因一直没完全认清,仅仅从目前的天气形势分析和数值预报结果来解释还有很大的局限性。
甲烷是大气中的一种微量气体。虽然,大气中的甲烷作为第二大温室气体,含量低于二氧化碳,但是,其对温室效应增强作用却占约20%[6],单位浓度的CH4的温室效应比CO2大20多倍(IPCC,2007)。其浓度的变化直接影响地球辐射收支平衡,改变大气温度垂直结构。另外一方面,CH4还是大气中一种重要的化学活性含碳化合物,在对流层中,与O3和HxOy作用[7、8],改变了大气中OH的浓度。
四川省地理位置很特殊,处于青藏高原和长江中下游平原的过渡地带,地形高低悬殊大,西高东低的特点十分明显。全省可分为四川盆地、川西高山高原区、川西北丘状高原山地区、川西南山地区、米仓山大巴山中山区五大部分。川西高原为青藏高原东南缘和横断山脉的一部分,地面海拔4 000~4 500 m,分为川西北高原和川西山地两部分。川西高原东抵四川盆地西部,在川西高原和盆地的交界处,就是著名的龙门山断裂带。其主要位于广元市、都江堰市之间,为东北-西南走向,长约500 km左右,宽度达70 km,规模巨大。
本文主要针对2013年7月7日至11日,四川省成都市以及西北沿龙门山附近地带普降强暴雨事件(图1),利用Aqua卫星AIRS传感器的观测资料和自动站的降水实况资料,研究四川地区的甲烷在空间尺度上分布的不均匀性,分析甲烷含量的变化究竟如何影响大气结构的变化,以及甲烷含量与暴雨的发生如何相关。
1 数据简介
AIRS红外探测器搭载于EOS/Aqua极轨卫星之上,于2002年五月发射升空,其每天扫描全球2次。AIRS光谱覆盖649~1 136,1 217~1 613,2 169~2 674 cm-1,包括2 378个热红外波段和4个可见光波段,平均分辨率为1 200(λΔλ)即0.5cm-1[9]。以250 K作为参考温度,低对流层等效噪声温差变化范围在0.14 K,高对流层在0.35 K左右。AIRS采用天底观测模式,星下点的空间分辨率为13.5 km,扫描带宽度为1 650 km,扫描角度为±49.5°,瞬时视场角为1.1°。为了能够在晴空和部分有云的情况下都能反演出CH4产品,先进的微波探测器(AMSU)获得的九个像素点的值都被用来计算探测区域的晴空辐射值。Xiong等人[10]2008年提出,利用AIRS探测器7.66μm有较高的光谱分辨率和信噪比,并结合其附近70个通道所获得的数据,采用SVD(singular value decomposition)的方法,可以实现对大气中CH4的精确反演[10—15]。该产品发布以来,Xiong等研究学者利用飞机观测,开展了对该探测产品的真实性检验,航测结果与AIRS探测反演得到的甲烷产品误差在-1.4%~+0.1%,均方根误差为0.5%~1.6%[10],表明AIRS给出的甲烷产品质量较高[10,14],可以进一步作为研究分析大气中甲烷分布传输规律的依据[10、14]。
本文中涉及到的卫星数据是NASA地球科学数据和信息服务中心(DISC)官方反演的第六版的L3级标准甲烷产品(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/),包括了每天的甲烷柱总量产品,以及每天的24个气压层的甲烷体积混合比产品。
2 结果分析
图2分别展示出强对流暴雨天气较易发生的5、6、7、8四个月份中国区域甲烷的月平均柱总量分布情况。图中选出的区域就是四川省(图2中黑框圈出的),本文将重点探讨四川省境内的甲烷分布情况。由图2四张图,可以看出,就整个中国来看,青藏高原地区一直是甲烷的低值区。
图2中圈出的四川地区,可以看出,整个四川地区的甲烷值相对全国而言分布最为不均匀,变化比较大,尤其是沿纬向甲烷值变化梯度较大。但是,四幅图的趋势却基本表现一致,呈现出西低东高的特点,这个主要是由于地形因素决定。川西高原由于其紧依青藏高原,海拔较高,所以川西高原地区的甲烷含量值也偏低。川西高原东面紧挨着的则是四川盆地,该地区甲烷值就明显整体偏高于西部地区。但是,在川西高原与四川盆地的交界处,沿着龙门山脉的东北—西南走向方向,明显可以看出,就整个四川地区乃至全国,此处的甲烷值差异最为显著。并且,四幅图中,均表现出这一特性。甲烷是大气中重要的温室气体,其辐射特性作用要较CO2高出20多倍。而另一方面,图上表现出的沿龙门山脉的东北-西南走向附近甲烷含量差异明显,这就必然会导致此处的大气结构一直处于相对不稳定状态。因此,这在一定程度上也解释了四川地区尤其是沿龙门山脉走向附近地区极易发生特大暴雨的原因。
从图1的降水实况分布图可以看出,此次的降水主要是在成都西北部,沿着龙门山断裂带走向。都江堰国家站72 h累计降水量达到了638.1 mm。此次强降水过程,呈现出降水时间长,降水强度大的特点,部分地方雨量超过历史极值。其中,雨量最大的为都江堰幸福镇石马村,最大累计降雨量达到了1 060 mm。
下面以此次遭遇最强降水的都江堰市进行分析。图3为5~8月底都江堰地区甲烷柱总量的日变化图。从图中,可以发现,该地区的甲烷总量整体是围着一个高值(图中直线)附近波动,变化不是很大。图中圈出的地方,也就是7月7~9日甲烷值显著低于正常波动范围情况。其含量突然降低,必会导致该地区的大气结构发生变化,原因是甲烷是强吸热物质,所以甲烷含量高,大气不易升温,而甲烷含量低,则说明局地大气温度升高,有利于大气不稳定结构,促进对流发展。图4为日甲烷柱总量与都江堰国家自动站24 h降水实况对比图。图中易看出,从7日开始,甲烷柱总量开始下降,并于9日降到最低点,达到极小值。与此对应的,降水实况则是从7日开始降水开始显著增加,并且到了9日,日降水达到峰值。两者吻合度很好,基本呈现出明显的反相关趋势。并且,在峰值过后,即9日往后,降水量相对开始减小,但是此时的绝对降水量还是较大,对应的甲烷柱总量显示其甲烷含量也是相对开始呈现出增加趋势,但是,绝对甲烷含量值仍是比较低的。
图5为7月份都江堰甲烷总量的日变化(后一天与前一天的差值)。从图中,可以看出,正常无重大天气情况下,前后两天的甲烷值变化基本为零,且一般只在一定范围内小幅波动(图中表现为围着直线附近上下波动)。但是,图中从5日到11日,明显可以看出一个深‘V’字图形,且‘V’形的两个峰,即两个极大值和‘V’形的一个谷,即一个极小值都偏离直线较大。另外,从6日开始,日变化为负值,说明甲烷值开始降低,并且下降幅度较大,此趋势一直延续到9日;尔后,甲烷含量又开始出现显著增长,直到11日结束,甲烷含量才基本趋于平稳。这一过程反映出了整个这次都江堰的特大暴雨的发生和发展过程。大气中的甲烷含量的剧烈变化,也加剧了原本就不稳定的都江堰上空大气层结的不稳定性,促成了此次特大暴雨的发生。
图6为7月份都江堰地区的甲烷体积混合比垂直剖面图。从6日开始后,甲烷的含量在垂直方向上有所增加,一直到了300 h Pa,这说明直到对流层高层的300 h Pa附近,大气垂直结构上的温度梯度大,低层暖上层冷的结构,使大气热力层结更不稳定,易促发对流的发生。并且,在8日到9日过程中,在低层750 h Pa以下,甲烷含量呈现出“爆发”趋势,这种突然的增加,加剧了大气温度递减率,使大气更不稳定性。这种大气结构,对于暴雨的发生提供了有利的条件。实际上,在都江堰地区,从自动雨量站的数据也可以知道,降雨最强的也就在8日到9日之间。从垂直方向上,就可以分析出该地区的大气结构相当不稳定,为暴雨发生、发展的提供了有利条件。
3 总结与讨论
为了探索大气中的甲烷含量与暴雨的关系,利用美国的Aqua卫星的AIRS遥感资料以及自动站的降水实况资料,初步揭示以下结论:
(1)四川地区,由于其地形的特殊性,造成了该地区甲烷值差异比较明显,纬度差异大,造成该地区大气结构一直处于不稳定的状态。这在一定程度上解释了四川暴雨频发的原因;
(2)在晴好天气,甲烷主要是累积的过程,但是这其中也会有消耗,所以其局地的含量基本是不会有太大变化,仅仅表现为是在一个正常值附近的较小范围内的波动;
(3)甲烷含量存在着显著变化的情况,与降水实况进行对比分析,发现其显著降低的时间对应着该地区发生暴雨、乃至特大暴雨的时间。进一步分析研究发现,甲烷含量的突然降低,势必会造成局地的升温,进而引起大气垂直结构的急剧变化,加剧了四川地区大气的不稳定性。再配合外部,大气环流的大背景的作用,造成在四川地区经常发生暴雨、特大暴雨事件。
该研究一定程度上解释了四川频发暴雨的原因,并根据分析甲烷含量值的突变,能在一定程度上监测暴雨,有一定的积极指示意义。但是,对于四川频发暴雨,还有待从更多的方面共同研究,例如,有学者研究了CO2与降水之间影响机制[16],气溶胶的反馈作用于降水关系[17]等等。另外,限于目前仪器、技术,该研究仍然存在许多不足的地方,甲烷含量的变化如何在大气中影响大气结构变化以及其对于暴雨的发生发展具体影响等还有待进一步研究。
摘要：暴雨一直对人类的生产生活造成巨大威胁,但是至今对它的成因及预测一直是世界性的难题。在我国,尤其是四川地区,近年来,暴雨频发。CH4是大气中第二大温室气体,虽然含量低于CO2,但是其在大气中的辐射特性和化学特性至关重要。针对四川地区2013年7月初发生的暴雨事件,主要对Aqua卫星AIRS传感器的观测资料以及降水资料进行分析,发现甲烷含量的变化会造成大气稳定度的变化,并且甲烷含量与暴雨的发生有显著相关性。这一重要结论,不仅在一定程度上解释了四川地区暴雨频发的原因,而且对于深入了解暴雨形成,及时预测暴雨提供了新的方法,有着十分重要的理论意义和重要价值。
关键词：暴雨,CH4,AIRS
甲烷结构 篇2
初步认识有机物的结构教学设计（微课）
天门市竟陵高中余春玲
一、教材分析
本节微课的内容是初步认识有机化合物的结构特点，并能书写简单烷烃的结构式。在必修1模块的第一章第一节中，学生已学习了物质的分类，能将有机化合物和无机化合物区分开来并初步了解了有机化合物的组成特点，；在必修2模块第一章第三节中，学生已学习了化学键，掌握了共价键的成因及其主要类型，学会运用电子式、结构式来表示分子的空间构型。本节是在学生已具备知识的基础上从碳原子的成键特点入手，探究甲烷的结构特点及烷烃的结构式，使学生认识到有机化合物种类的多样性与其结构特点有关，为下一步学习“系统命名法”做准备，也为后续学习同系物和同分异构体打好基础。所谓“结构决定性质”，所以本节的学习是学生学习后续章节“有机物性质”的基石。
二、教学目标
1、知识与技能：
⑴根据碳原子的原子结构示意图，理解碳原子的成键特点，书写甲烷的电子式。⑵假设几种空间构型，通过分析确定甲烷的正确结构并做出甲烷分子模型。⑵书写甲烷和其他简单烷烃的电子式和结构式。
2、过程与方法：
⑴通过预习培养学生自学能力、独立解决问题、发现问题的能力。⑵通过模型制作使学生在实践中获得亲身体验并能初步体会“模型方法”的意义。
⑶通过思考与交流，让学生学会联系自己已掌握的知识通过比较归纳认识事物的本质特征。
3、情感、态度与价值观
⑴培养学生主动参与意识和动手能力。
⑵经历探究过程，提高学生的空间构想能力，体验学习过程。
三、教学策略
1、高中化学课程改革的基本思路强调形成积极主动的学习态度，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。本节教学中采用了“探究──引导”式教学方法，通过引导学生探究甲烷的分子结构，培养学生发现问题的能力和自学能力。
2、原子结构和共价键的形成是从微观上揭示物质构成的奥秘，较为抽象。由于学生在之前的学习中均已初步认识，本节的教学要充分利用学生已有的知识，调动学生主动探索科学规律的积极性。通过甲烷分子模型的制作，引导学生分析烷烃的共同点，并试着制作其他简单烷烃的结构模型。
四、教学重难点
教学重点：甲烷的正四面体空间构型。
教学难点：烷烃的空间结构延伸和学生空间想象力的开发。
五、教学过程
1、复习引入
我们知道化合物可以分为有机物和无机物两大类，第四主族的硅元素是无机界的主角，而同是第四主族的碳元素却统治了整个有机界。今天开始，我们一起来探究有机化学里面的奥秘吧！
位置决定结构，结构决定性质，性质决定用途。有机物的统治者碳元素在元素周期表中处于什么位置？根据位置写出碳的原子结构示意图和电子式。
【学生】第二周期第四主族
【分析得出】最外层四个电子，从离子键得失电子角度，得到四个电子才能达到八电子稳定结构；从共价键共用电子对角度，最外层有四个电子，可以公用四对共用电子对，此时恰好也是八电子稳定结构。
我们在学习过，可以用一根短线表示一对共用电子对，则碳周围的短线数目永远是四根，这就是有机化学的结构基础。
【设问】我们知道有机物分为烃和烃的衍生物，烃只含有碳和氢两种元素。今天老师告诉你们，烃里面有一类叫做烷烃，烷烃分子中所有的化学键都是单键，请大家写出含有一个和两个碳的烷烃的电子式是结构式。
【答案】甲烷（一个碳的烷烃）
乙烷（两个碳烷烃）
2、甲烷的空间结构
【探究】我们知道两点确定一条直线，三点确定一个平面，在甲烷的结构中有一个碳原子和四个氢原子共五个原子，那么由着五个点构成的空间构型可能就不能像我们纸上写着的那样的一个平面了，那可能是个什么样的空间构型呢？老师给同学们准备了牙签（化学键单键）、大葡萄（碳原子）、和小青豆（氢原子），大家动手探究甲烷的空间构型，在组合甲烷的构型中要注意到的是四个氢原子的位置需要完全一模一样的，而且四个氢原子之间的距离以为斥力的作用要最大。
通过探究活动，得到了甲烷的球棍模型，甲烷的空间构型为正四面体。【实践】请同学们动手做一个正四面体，具体步骤参照课本60页.。也可以按照自己的方法做出正四面体。
老师在讲台上也迅速做出一个正四面体，并走下去指导学生制作。
【提问】在你的四面体中，碳原子和氢原子各处于什么位置？根据在数学中立体几何课上所学到的知道告诉老师，甲烷分子中化学键的夹角是多少度？
【答案】109°28′
【加深】请大家试着写出四氯化碳CCl4电子式结构式，并设想CCl4的空间构型。
3、乙烷
【探究】请同学们根据乙烷的电子式和结构式，并结合刚才我们认识的甲烷的结构，尝试着做出乙烷的球棍模型。
【实践】单键都是可以旋转的，请同学们旋转手中的模型，乙烷分子是可以变化的，不像甲烷的模型怎么旋转都是原来的样子。
六、小结和课外延伸
甲烷结构 篇3
1 甲烷氧化菌及甲烷单加氧酶
甲烷氧化菌(Methanotrophs)是甲基氧化菌(Methylotrophs)的一个分支,在自然界中分布非常广泛,在垃圾填埋场[8]、湿地、水稻田、油井附近土壤[9]、火山喷发口[10]等环境中都发现其存在。然而大多数甲烷氧化菌生活在中性(p H值为5~8)、温和(20~35℃)环境中。根据其形态、G+C百分含量、代谢途径、膜结构、主要磷脂酸成分、16SrRNA测序等,可将甲烷氧化菌分为Ⅰ型和Ⅱ型[11],其中Ⅰ型甲烷氧化菌属于γ-变型菌纲,又进一步划分为Ⅰa型和Ⅰb型,而Ⅰb型也就是所谓的Χ型甲烷氧化菌;Ⅱ型甲烷氧化菌属于α-变型菌纲,包括Methylocystaceae和Beijerinckiaceae两个科。Ⅰa型甲烷氧化菌通过磷酸核酮糖途径(Ru MP pathway)同化甲醛,Ⅰb型既可以通过磷酸核酮糖途径又可以通过低水平丝氨酸途径(Serine pathway)同化甲醛。Ⅰ型甲烷氧化菌的典型脂肪酸是14C和16C,而Ⅱ型甲烷氧化菌的优势脂肪酸是18C[12]。根据其对氧气的需求状况可以分为好氧型、兼性厌氧型和厌氧型。虽然其被划分为不同的类型但却有着相似的氧化机理,甲烷在甲烷单加氧酶的作用下被氧化成甲醇,之后在甲醇脱氢酶的作用下被氧化成甲醛,甲醛转化为细胞生长能量或通过甲酸氧化成二氧化碳和水。甲烷氧化菌的氧化机理如图1所示。
在此过程中,尤为关键的是甲烷氧化菌自身含有的甲烷单加氧酶(Methane Monooxygenase,MMO),目前已发现的催化此过程中的关键酶有2种,分别是位于细胞膜上的颗粒状甲烷单加氧酶(particulate Methane Monooxygenase,p MMO)和位于细胞质中的可溶性甲烷单加氧酶(soluble Methane Monooxygenase,sM MO)[13]。两种类型的甲烷单加氧酶的表达机制受到铜离子的调控,一般来说在铜离子和生物量较低的环境中sM MO会优先表达,而p MMO常在铜离子和生物量较高的环境中出现。p MMO和sM MO都非专一性的甲烷氧化酶,p MMO可以氧化5个碳的烷烃类,但是不能氧化环烃及芳香族化合物;而sM MO可以氧化长达8个碳的烷烃类、环烃及芳香族化合物。
2 风流中甲烷降解实验
2.1 实验装置
实验装置如图2所示,主要由甲烷气体钢瓶及减压阀、小型离心式风机、气体质量流量计、针型控制阀、甲烷浓度传感器、风速传感器、气体混合装置、吸水海绵、反应室、储液罐等组成。
1—高压甲烷钢瓶;2—减压阀;3—针型阀;4—气体质量流量计;5—离心式风机;6—气体混合室;7—甲烷浓度传感器;8—反应室;9—菌液载体海绵;10—菌液储液罐;11—风速传感器。
2.2 甲烷降解系统
已有的利用微生物治理煤矿瓦斯措施,往往都是将菌液注入煤体或喷洒在开采工作面、采空区等地方来降解瓦斯,然而在甲烷氧化菌吞噬甲烷的过程中必须保证其良好的生存环境,在井下复杂的开采环境尤其是风流流经的地方,风流容易使菌液风化致使菌液过早地死亡而影响降解效果。为了防止甲烷氧化菌由于生长环境的改变过早地死亡,采用具有良好的吸水能力、锁水能力的PVA吸水海绵为菌液载体。实验中加工了一个双层圆环形吸水海绵支撑架,以增大甲烷氧化菌和甲烷的接触面积,增强氧化效果。该装置可以通过控制甲烷钢瓶的减压阀和离心式风机的转速来调控甲烷气体和空气的流量,通过安装在甲烷钢瓶和风机出口管路上的DO7-7BM型气体质量流量计来记录两管路中气体的流量,该流量计可以通过RS232接口和计算机实时通讯。在气体混合室中增设混合气体挡板,以加速气体的混合,同时在气体混合室的出口增加甲烷气体浓度监测仪器,实现对所需混合气体浓度的双重控制,保证了配制气体浓度的准确性。而菌液的储存装置采用水准瓶,菌液出口处与采用橡胶软管的水准瓶的出口相连接,用止水夹来控制菌液的流动。
在矿井通风系统中,气流在有一定阻力的巷道中流动,其风速的分布一般不是均匀的。假定某一时刻的风流速度为vi,则认为巷道断面上的平均风速v为:
式中:S为井下巷道的断面积;∫vid S为某一时刻流经巷道断面的风量。
因此可以得出流经巷道断面上风量为:
式中:Q为经过某一断面的风流量;v为流经某一断面的风速。
由于在实验中反应室断面积是一定值,因此风流量的大小可以通过风速传感器得出,进而通过调节安装在管路上的气体质量流量计就可以控制流经反应室内的气体流量。
2.3 好氧型甲烷氧化菌的培养
以新郑市龙湖镇十七里河河底泥样为好氧型甲烷氧化菌的富集源,甲烷作为培养过程中的唯一碳源,经由液体转接培养,固体培养基中分离纯化,革兰氏染色、吲哚实验、明胶实验筛选而出。
2.4 实验过程
共进行3个水平的对比实验:第一水平实验以甲烷体积分数(浓度)作为变量组,分别以甲烷浓度为80%、60%和30%作为研究对象,而保持相同的风流量及相同体积的菌悬液;第二水平实验以风流量作为实验过程中唯一变量,甲烷浓度50%、菌液体积200 mL作为固定值;第三水平实验则以不同体积的菌液量作为实验变量,分别控制在100、200、300 mL,而把甲烷浓度30%和风流量200 mL/min作为不变量。
以第一水平实验降解不同浓度甲烷为例:
1)打开实验室门窗,保证室内具有良好的通风环境,把吸水海绵放置于双层圆环形吸水海绵支撑架内并置于反应室内,连接好实验装置的其余部分。对实验装置抽真空,用肥皂水来检验装置的气密性,直到不漏气为止。
2)对整个管路系统抽真空后,打开甲烷钢瓶开关阀门并通过甲烷钢瓶减压阀和气体质量流量计来调节甲烷流量,然后打开离心式风机,通过调节气体质量流量计达到不同甲烷浓度的目的,10 min后通过甲烷浓度监测器来读出甲烷浓度。
3)打开反应室入口和出口开关,让混合气体缓缓流经反应室,每隔2 h从反应室出口取样,使用气相色谱仪来检测残留甲烷浓度。
2.5 实验结果分析
第一水平实验中以甲烷浓度作为变量,而风流量为200 mL/min、菌液体积为200 mL,考察好氧型甲烷氧化菌的降解效果。实验结果见图3,可以看出,随着降解时间的延长,甲烷浓度都先降低再升高,降解时间为2 h时甲烷浓度达到最小值。实验过程中还发现甲烷浓度越高,降解的效果就越明显,这可能是在高浓度甲烷条件下,甲烷分子和菌液有更加充分的接触,提高了部分酶的活性,从而使其降解效果更加显著。
第二水平实验中通过改变流经反应室的风流量,而甲烷浓度为50%、菌液体积为200 mL,考察好氧型甲烷氧化菌的降解效果。实验结果见图4,可以看出,在不同风流量条件下甲烷浓度均迅速降低,在2 h时达到最低值。然而随着降解时间的延长,在风流量400 mL/min条件下,甲烷浓度又迅速回升,12 h后回到了初始浓度。在风流量为200 mL/min条件下,甲烷在低浓度范围内持续了较长时间。分析其原因可能是在高风速的条件下,气流带走了过多的水分,致使菌体失去了最适宜的生存环境,降解效能下降。
在第三水平实验中通过改变菌液的加入量,而风速为200 mL/min、甲烷浓度为30%,考察好氧型甲烷氧化菌的降解效果。实验结果见图5,可以看出,随着菌液体积的增加,甲烷浓度在不断降低,在加入菌液体积为300 mL条件下降解效果最好。菌液体积的增加相应地增加了活性菌体的数量,从而提高了降解效果。
3 结论
1)设计了一种风流中不同浓度甲烷微生物降解实验装置,可以实现不同甲烷浓度配比、不同流量控制、不同菌液体积加入量的微生物降解实验。
2)采用吸水性能较好的PVA吸水海绵作为菌液的载体,保证了菌体良好的生存环境。设计的双层圆环形吸水海绵支撑架增大了活性菌体和风流中甲烷的接触面积。
3)实验中发现在高风流量的条件下,吸水海绵中的水分很快被风干,致使有效的降解时间减少;而在低风速、高甲烷浓度、多菌液体积情况下其降解效果更好。
甲烷教案 篇4
甲烷
教学目标 知识与技能：
1、了解自然界中甲烷的存在及储量情况；
2、掌握甲烷的电子式、结构式和甲烷的正四面体结构；
3、掌握甲烷的重要化学性质，并理解取代反应的含义；
4、了解甲烷对人类生产和生活的意义。过程与方法：
1、在探究甲烷结构的过程中，提高空间思维的能力；
2、掌握甲烷性质的过程中，逐渐理解“结构决定性质，性质反映结构”并学会运用；
3、初步学会化学中对有机物进行科学探究的基本思路和方法。情感态度价值观：
1、初步形成对有机化学领域的学习兴趣；
2、认识化学微观世界分子结构的立体美；
3、初步认识“结构决定性质”、“内因、外因辨证关系”等哲学思想；
4、关心社会、环境、能源等问题，提高学生的环护意识。教学过程
[录像] 西气东输
[引入] 西气东输是我国目前一项巨大工程的示意图,输送的气体就是天然气,天然气的主要成分是甲烷,目前,农村普遍使用的沼气的主要成分也是甲烷,而且,科学家从海底发现了一种新能源—“可燃冰”,实际上是甲烷的水合物,据估计,可燃冰的贮存量能提供人类社会1000年的能源使用.所以,为了合理开发并利用这些新能源,我们今天要来研究天然气的利用以及它的主要成分甲烷的性质.一、【板书】天然气的利用 甲烷
二、学习目标
1.了解甲烷的存在、物理性质、用途。
2.掌握甲烷分子的化学式、电子式、结构式、空间构型。
3.掌握甲烷的化学性质（通常稳定、取代反应、氧化反应、高温分解）。4．使学生理解取代反应的概念。
三、自学指导
[展示]装有甲烷气体的储气瓶(瓶中留有少量水)，简单介绍仪器名称。1.通过观察，甲烷的物理性质都有哪些啊？ 2.阅读资料了解甲烷的存在。
时间5分钟，然后回答以上两个问题
四、先学后教
要认识一个有机物必须先从分子式开始，然后是结构式及性质。请同学们也自学并回答下列问题，时间8分钟
【问】1.历史上人们是怎样知道甲烷的分子式为CH4的？
2.那为什么一个C要结合4个H结合？而不是3个、5个或者更多呢？ 3.前面我们讲了C是第几主族的元素？最外层有几个电子呢？
4.已知甲烷的密度在标况下是0.717g/L，含碳75％，含氢25％，利用这些数据怎样确定它的分子式？请同学们计算一下。
请一个学生回答前面三个问题，并让其他同学改正，补充。
请两个学生将计算过程书写在黑板上。看其他同学有无异议。上前改正，并不同颜色的粉笔写在边上
【问】1．画出碳原子的结构示意图，碳原子有几个价电子，通常与别的原子形成几个共价键？
2．写出甲烷的电子式。
3．若用“—”代表一对共用电子，写出甲烷的结构式 时间5分钟后，请举手回答。
【投影】学生书写的甲烷电子式、结构式。
【说明】甲烷分子的结构式仅表明甲烷分子中碳原子、氢原子的连结情况,不能表示甲烷分子中碳、氢原子在空间的分布，甲烷分子的空间结构是什么样的？ 【展示】甲烷的球棍模型和比例模型
【甲烷的结构特点】正四面体型结构,C在中心,4H在顶点.【思考】历史上，科学家们在测定了甲烷分子组成为CH4后，对甲烷的分子结构曾提出了两种猜想：正四面体型与平面正方形，科学家如何判断出甲烷分子是哪种空间构型的【演示】分别用2个第三种颜色小球替换两个代表氢原子的小球，思考得到的构型分别有几种。
【讲述】为解决甲烷分子的空间结构问题，科学家们提出：通过研究二氯甲烷有几种来确定。——若甲烷分子呈正四面体型，则其二氯代物只可能有一种。而若甲烷分子呈平面正四边形，则其二氯代物可以有两种：
所以，根据甲烷的二氯代物只有一种，即可判断甲烷分子的正四面体型。【板书小结】甲烷的分子式、电子式、结构式。【板书】
二、甲烷的物理物质
无色无味气体，难溶于水，比空气轻。
【提问】甲烷的化学性质如何？时间5分钟后，请举手回答。【学生讨论】甲烷的燃烧实验
【提问】1．点燃甲烷前要进行什么操作?2．火焰的颜色如何?3．燃烧后的产物如何检验? 时间5分钟后，请举手回答。
【讲述】2005年煤矿爆炸事故从发生的事故类型看,主要是瓦斯爆炸事故,瓦斯爆炸事故665起，死亡2439人。【板书】
三、甲烷的化学性质 氧化反应：CH4 + 2OCO2 + 2H2O 【设问】甲烷还有什么化学性质呢？
【观察与思考】
2、甲烷与氯气反应（PPT8，9，10）
【提醒】重点观察部位：量筒内气体颜色的变化，量筒水面上升情况，量筒内壁的变化。【回答】量筒内气体黄绿色褪去、有白雾，水位不断上升、内壁有油状物质生成。【讲述】这说明甲烷与氯气发生了反应。
四、【课堂作业】
1.本节作业本相应章节练习，铃声响后上交。时间15分钟
2.实践活动：用橡皮泥、黏土、泡沫塑料、牙签、火柴棍等自制甲烷的分子模型 附：板书设计
最简单的有机化合物——甲烷
一、甲烷的结构
分子式 CH4 电子式
结构式 ：
立体结构：正四面体型
二、甲烷的物理性质（无色无味气体，难溶于水，比空气轻）
三、甲烷的化学性质 1．氧化反应：CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
甲烷制甲醇新技术 篇5
Mulheim 德国马普学会煤炭研究所的研究人员报导, 通过 1 种固体钯基催化剂作用, 甲烷能在低温下直接转变成甲醇, 该固体催化剂经重复回收后仍具有高催化活性。甲烷转变成液态烃的工业方法大多需要在高温 (高于 600℃) 下经合成气进行多步转变, 而且催化体系经过氧化, 产生大量不需要的副产物。
Mulheim 德国马普学会煤炭研究所的研究人员以1种由二氰基吡啶三聚物和铂盐组成的三嗪基聚合物络合物为催化剂, 在约 20 ℃ 下选择性地将甲烷和发烟硫酸转变成甲醇。这种新的催化剂与 1 种十多年前由 Catalytica 公司开发的液相甲烷转变成甲醇的催化剂有相似之处, 如 N—Pt 连接。该催化剂是一种固体催化剂, 因此容易从液体产物中分离并回收。该催化剂甚至在使用6 次后还保持高催化活性。
数显甲烷报警矿灯的设计 篇6
关键词：矿灯,数字显示,甲烷报警
随着我国煤炭行业的发展, 井下安全越来越得到各个方面的重视, 相应的新型产品不断出现, 数显甲烷报警矿灯就是在这样的氛围中诞生的。由于把照明和气体检测两种功能集成到一个产品上, 从使用者角度看, 这个产品可以使井下人员在不多携带设备的情况下, 随时掌握所处环境的安全状况, 当出现紧急情况时, 得到报警并且准确了解所处环境甲烷超标数值, 及时撤离, 很受用户欢迎。从设计理念上, 本着一切为了使用者安全, 一切为了使用者方便, 一切为了满足实际需要的原则。从整体布局、结构设计、功能设置, 到器件选型、电路设计及软件设计, 甚至到维修的便捷性等细节以及使用中的智能化和便捷性, 无不体现这一理念。在具体实现的层面上, 充分利用现代科学技术成果, 严格遵守国家相关法律法规及行业标准, 以确保实现设计思想。
1 整体布局和结构设计
数显甲烷报警矿灯的整体布局如图1所示, 其中:1--电池盒;2--上盖;3--电缆;4--灯头;5--按键开关;6--显示屏。
按照已述的设计理念, 我们把显示屏布置在上盖的顶部。这样, 当电池盒佩于腰间时, 井下人员可以很方便的看到所处环境甲烷浓度的读数。同样为了方便使用, 我们把按键也布置在上盖顶部。我们知道, 电池是常年对系统供电的, 在井下时需要开启气体检测单元, 升井不使用时就关闭它。另外, 还需要切换各种状态实现各种功能。由于井下人员多是带手套工作的, 在这样小的面积上按多个按键来实现各种功能非常不方便, 这就要求用一个按键完成多种任务, 所以我们选择使用一个按键完成多种任务, 虽然在设计上会困难些, 但这正是设计理念的具体体现。按照布局的一般性要求, 电池在电池盒中拥有独立的空间, 电气单元位于电池盒中, 气体传感元件放于灯头处。结构上, 电池盒采用速拆结构, 便于维修。按键采用橡胶保护结构下的微动开关形式, 以适应高粉尘环境下的长寿命使用要求。数字显示单元采用LED数码块动态刷新显示方式, 在井下光照环境下可清晰地观察读数, 同时动态刷新显示方式可使电流消耗最低, 电池在井下供电时间尽量长。电路板采用贴片电子元件和双面布置元件形式, 以保证体积足够小, 以便装进电池盒狭小的空间内。电缆两端加装耐老化的橡胶护套, 防止电缆折断。灯头设一个旋钮开关, 分主光源照明、辅光源照明和关灯三个档位。将主光源和辅光源集成在一起, 安装于灯头内, 主光源用于井下工作照明, 辅光源耗电小, 用于电量不足时的升井途中照明。灯头内设一个可选部件———充电管理电路板, 以适应有的矿区使用的旧式铅酸电池充电设备。
2 功能设置
在自上而下的设计过程中, 要给数显甲烷报警矿灯赋予多少功能以及什么功能, 这里最充分地体现了设计理念。每个功能的确立, 都反映了对井下人员的关心和爱护。
2.1 甲烷检测功能。
该功能最重要的问题是, 要保证检测精度。按照国家标准, 当测量范围在0.00～1.00%CH4时, 测量误差应不超过±0.10%;当测量范围在1.00～3.00%CH4时, 测量误差应不超过真值的±0.10%;当测量范围在3.00～4.00%CH4时, 测量误差应不超过±0.30%。要保证这个指标, 同时还要排除电压波动、温度波动、风速变化等因素的干扰, 这就要求在实验室条件下, 所达到的精度要高于这个标准。为此我们在算法上, 放弃了传统的分段线性化的方法, 而采用误差曲线似合的计算技术。得到了理想的效果, 也体现了已述的设计理念。
2.2 甲烷报警功能。
报警的形式为声音报警和显示报警, 这两项还有报警误差都应满足国家标准规范要求, 报警点的设置应该可以由用户设定, 以便满足不同环境的使用要求。
2.3 自动调零功能。
鉴于器件自身的固有弱点, 大多数传感器都存在着零点校正的需要。为了降低维护人员的工作量, 提高维护工作质量。我们加设自动调零功能, 在需要时, 可一键操作, 方便可靠地自动完成设备的零点校正。
2.4 电池电压监测及报警功能。
电池工作状况, 对井下人员至关重要。所以必须时刻监测电压的变化, 确保在报警后有足够的电量, 以确保人员安全升井。报警形式为声音和显示报警。
2.5 自诊断功能。
这是设计理念的又一个体现。为了方便维修人员快速处理故障, 设置产品自我诊断功能, 可使维修人员快速定位故障点。轻松维修。
2.6 时钟功能。
设置时钟功能, 可使井下人员随时了解时间, 使用人员可以方便的一键操作, 切换显示甲烷浓度或显示时间, 在显示时间状态下设备仍进行甲烷气体监测, 一机多用。
2.7 红外线调校功能。
该功能, 用于实现大多数的系统设置。比如时间设定、传感器标定和设置、报警点设置等等。同时还实现了设备的分级管理。确保不因误操作而出现问题。
2.8 电池保护功能。
电池保护包括电池充电保护、放电保护及短路保护功能。当电池充满电时, 要自动切断充电回路。当放电达到临界值时要停止供电, 以保证电池不损坏。当外部电路出现短路时, 要在标准规定的时间内停止供电。
2.9 参数存贮功能。
现代技术可轻松实现数据的非易失性存贮。设备各个参数一但被设定, 就会被保存下来, 维修人员在断电维修设备之后, 仍可保证参数不丢失。
3 主要器件或部件选型
光源:选符合相关标准LED光源, 节能、符合井下人员要求。
灯头壳:要求用阻燃材料。
电缆:采用矿用阻燃电缆。
电池:锰酸锂离子电池。
气体检测元件:选用载体催化元件。
4 电路设计和软件设计
电路设计遵照相关标准, 设计为本质安全型电路, 就是在标准规定的条件下, 包括正常工作和规定的故障条件, 产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。是基于单片机的气体检测和相应辅助功能的电路系统。目前单片机种类繁多, 选择余地大, 每个设计者可根据自己的理解和权衡作出决定。本设计选择PIC系列单片机。
在软件设计方面, 由于任务较多, 中断资源有限, 对中断任务的响应进行了自定义编程。对实时性强的任务优先处理, 对同是实时性强且中断资源不能满足的情况, 采用轮换式工作方式处理, 对实时性要求不高的任务只在空闲时才处理。有些可能对系统产生严重影响或致命影响的程序区段, 设置错误陷阱等冗余设计。
结束语
煤吸附甲烷能力影响因素分析 篇7
传统的煤成气理论认为, 煤对甲烷吸附能力主要受煤层温度和压力等因素影响。随着近年来国内外的一些相关研究, 这一传统理论不断得到完善。如李树刚等[1]、陈学习等[2]和张天军等[3]将煤样放在温度不变, 不同含水量的条件下进行试验发现, 随着含水量增加, 煤对甲烷的吸附量不断减少;蔺亚兵等[4]认为, 在恒温下, 煤级不同会导致煤吸附甲烷的含量不同, 这主要是由于温度变化引起煤岩粒径发生变化;张时音等[5]则认为, 煤级不同会导致煤岩孔隙结构发生变化, 从而影响吸附扩散系数, 当煤岩表面过渡孔和微孔的数量增多时, 吸附扩散速率就会变小。许满贵等[6]发现, 压力也会影响煤体吸附能力, 压力大会使煤岩粒径大小发生剧烈的变化, 煤的吸附量也会随之发生变化。可以看出, 煤对甲烷吸附能力是受多种因素的影响。为此, 笔者依照近十年来的文献资料, 对该领域的研究进展与成果进行总结, 并根据其发展的趋势提出自己的看法。
1 煤的粒径对煤体吸附能力的影响
煤孔隙表面对甲烷具有很强的吸附能力, 其中物理吸附占主导, 甲烷的吸附量与煤的孔隙体积以及孔隙表面积的大小有关[7]。对煤的吸附机理及特性进行研究, 可以为煤和煤成气勘探开发提供重要的理论依据。前人对粒径影响煤体吸附性能的研究发现, 在煤体孔隙的比表面积中, 微孔的吸附是最主要的[8]。张天军等[7]采集几种高瓦斯矿井的煤样, 分别制成了粒径大小不同的五种试样, 使用WY-98B吸附常数测定仪, 在同一温度下进行试验, 发现煤的粒径在0.096 0.150mm的范围内时, 随着粒径的变小煤的吸附量增大。理论上认为, 煤对甲烷的吸附能力与孔隙度、空隙比表面积和微孔比表面积均呈正相关关系。煤的比表面积增大是由于粒径减小, 比表面积增大使甲烷吸附位增多, 甲烷吸附量变大, 但当粒度过小时, 颗粒内部空间遭到破坏, 煤的比表面积就不会发生显著变化, 甲烷的吸附量就不会有改变。此外, 煤岩颗粒的分选性也会影响煤体吸附能力, 如果煤岩颗粒分选性差, 颗粒间被大量的泥质或砂质充填, 会阻塞煤岩的孔隙和裂隙, 吸附能力下降[9]。笔者通过前期研究认为, 煤中的粒径还受到煤岩的结构影响。煤主体是交联的有机大分子网状结构, 网状结构会使煤岩表面产生许多裂隙和气孔构造, 为甲烷提供大量的储存空间。同时, 煤岩表面的网状结构可以增加甲烷分子和碳分子之间剩余的表面自由力, 当气体分子碰到煤表面时, 其中一部分就被吸附。
2 煤层的温度和压力对吸附能力的影响
甲烷的临界温度是196.6K, 临界压力是4.54MPa, 在常温下为超临界气体, 即使高压也不可液化, 它的吸、脱附平衡是典型的不可冷凝气体吸附平衡, 形成超临界气体吸附, 称为高压吸附。大量实验证明, 等温情况下煤岩不同压力的吸附解吸现象基本符合朗格缪尔 (Langmuir) 等温吸附方程。在高压状态下, 煤对甲烷的吸附符合朗格缪尔 (Langmuir) 方程。
随着煤层埋藏深度不断增加, 温度与压力是煤吸附甲烷主要影响因素。煤层压力增大时会促使煤化学反应, 导致煤岩中部分烷基侧链断裂, 断裂的侧链烷基与氢结合易生成以甲烷为主的烷烃。高温和高压会使煤岩表面产生许多裂纹与空隙, 甲烷更容易赋存在裂纹与空隙中。除此之外, 高温高压可能会加快煤的变质速率, 煤的变质程度越高, 含氧官能团越少, 含氧官能团减少会增强煤的的疏水性, 储存在裂隙和孔隙中的水量变小为甲烷提供更多的赋存场所。
3 煤中水类型及水含量对吸附能力的影响
水在煤中主要以两种形态存在, 即游离态和化合态。李树刚等[1]利用WY-98B型瓦斯常数测定仪进行实验, 结果表明, 煤岩中含水量越大, 煤对甲烷的吸附量越小。降文萍等[16]运用量子化学MP2计算方法, 研究结果表明, 甲烷分子在煤表面吸水方式使煤表面对水分子的吸附势阱远大于甲烷分子的吸附势阱, 煤对甲烷的吸附量随煤中水分的含量增加而减小。值得注意的是, 地下水与甲烷共存于煤层之中, 由于地下水的运移, 一方面驱动着裂隙和孔隙中甲烷的运移;另一方面又带动溶解于水中的甲烷一起流动。尽管甲烷在水中的溶解度很小, 但是在地下深处压力特别大的地方, 甲烷能大量溶解水里, 特别是在地下水交换活跃的地区, 水能从煤层中带走大量的甲烷气体, 使甲烷含量明显减少。同时, 水吸附在煤岩的裂隙和孔隙中, 使煤岩的表面张力变大, 特别是水中溶解了大量可溶性物质元素使表面张力更大, 导致甲烷进入煤岩的孔隙的阻力变大, 减弱了煤对甲烷的吸附能力。因此, 地下水的活动不利于煤对甲烷的吸附。
4 煤的显微组分对吸附能力的影响
镜质组与壳质组和惰质组相比, 氧含量较高, 氢含量中等, 挥发分中等, 碳含量低。在高温高压的环境中, 镜质组可生成少量的油和较多的甲烷。虽然前人研究发现, 在一定条件下, 惰质组吸附能力高于镜质组, 但是镜质组中的均质镜质体裂隙发育, 并且镜质体的网状结构发育, 可以为甲烷提供很好地储集场所。同时, 一个甲烷分子是由一个碳原子和四个氢原子组成, 因此要产生大量的甲烷必须要有足够的氢原子, 而镜质组中氢含量比惰质组中的高, 则在一定条件下, 镜质组中的氢原子与碳原子结合形成甲烷后, 消耗大量的氢原子, 为甲烷提供储存空间。
5 结束语
虽然国内近年来在煤对甲烷吸附能力的影响因素的研究领域里取得了丰硕的成果, 该领域的理论体系得到不断地完善, 但这些成果基本都是在定性的研究煤对甲烷吸附能力的影响。此外, 植物从死亡、堆积到变质成煤再到生气要经历漫长的地质历史时期。由于自然过程的影响因素复杂, 加之时间的漫长性与空间的广泛性以及现代实验技术水平的限制, 在地球科学中有时很难进行与自然界一致的真实实验, 因此, 目前得出煤对甲烷吸附的各种影响因素有很大的误差。笔者认为应注重煤化学、煤岩学煤、煤中矿物学和地质构造学的综合研究, 在研究各影响甲烷吸附能力的因素的基础上, 建立模糊综合评价模型, 定量评价煤对甲烷的吸附能力, 可以有效地预测煤层中吸附气的含量。
摘要：传统的煤成气理论认为, 煤对甲烷的吸附能力主要受煤层温度和压力等因素的影响。近年来国内外的一些相关研究对该传统理论提出了不同的看法。文章在总结前人研究成果的基础上, 从煤的粒径、煤层温度和压力、煤中水类型及水含量和煤的显微组分方面阐述了影响煤吸附甲烷的因素。一般认为, 煤的主体是交联的有机大分子网状结构, 网状结构会促使煤岩表面发育大量的超微裂隙和气孔构造, 为甲烷提供更多的储集场所。高压和高温会使煤岩表面产生许多裂纹与空隙, 甲烷更容易赋存在裂纹与空隙中。高温高压也会加快煤的变质速率, 煤变质程度越高, 甲烷含量越大。高压也会使甲烷在水中的溶解度变大, 流水作用可以带走大量的甲烷。另外, 吸附在煤岩的裂隙与孔隙的水还会减弱煤对甲烷的吸附能力。
关键词：煤,甲烷,温度,压力,显微组分,吸附能力
参考文献
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[3]张天军, 许鸿杰, 李树刚, 等.温度对煤吸附性能的影响[J].煤炭学报, 2009, 34 (6) :802-805.
[4]蔺亚兵, 马东民, 刘钰辉, 等.温度对煤吸附甲烷的影响实验[J].煤田地质与与勘探, 2012, 40 (6) :24-28.
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甲烷检测报警仪的设计 篇8
目前煤矿使用的甲烷检测报警仪种类繁多、原理大同小异, 存在着工作时间短、性能不稳定等缺点, 特别是仪器的零点和满度的调校误差较大。新型甲烷检测报警仪, 该仪器采用单片机设计, 避免了传统仪器的缺点, 具有低成本、低功耗、智能化等优点。甲烷检测报警仪适合煤矿井下个人配带, 是进行井下瓦斯测量与检测的常备仪器;可应用于潮湿阴暗多粉尘等场所, 检测碳氢类化合物可燃性气体。测报警仪功能特点:该检测仪采用当前先进的单片机来实现控制, 具有以下特点:嵌入式低电压单片机智能冗余控制技术;实现一键式轶件调节仪器零点、报警点、标定点;集甲烷检测、时钟显示于一体;具备超限报警、超浓度保护传感器功能;具备欠压报警及自动关机保护功能。检测报警仪方案设计:该检测报警仪由本安电源、稳压电路、检测电路、放大电路、CPU、欠压报警、数字显示等模块组成, 甲烷检测报警仪具有高防护等级适用恶劣环境;具有多种形式报警指示:数字、声光、振动、光条;报警点可通过按键随意调节;可以选择配置组合型充电架;内置先进单片微型计算机;可选金属挎或皮套使用保护;传感器更换方便容易;时间显示及设定功能;电池电压显示功能;自动调零和校准功能。
2 甲烷检测报警仪设计
2.1 原理简述
检测报警仪的催化燃烧传感器与2个数值相等的固定电阻组成惠思顿电桥, 在无甲烷的新鲜空气中, 黑白元件的阻值相等, 电桥输出为零;当含甲烷的气体进入传感器时, 甲烷在黑白元件表面催化剂的作用下进行无焰燃烧, 使黑白元件温度升高, 阻值增大, 电桥失去平衡, 输出直流电压信号。此信号放大后经A/D转换器, 将模拟量变为数值量通过LED显示器将气体浓度显示出来。设置在1.00%CH4时报警, 瓦斯浓度超过4.00%CH4时, 间歇接通电源, 跟踪瓦斯浓度并保护催化元件, 延长其寿命。
2.2 各单元设计
单片机内部功能:数据总线宽度8bit;程序存储器类型为flash、大小3.5KB;数据RAM大小128B;接口类型为PSPUS-ART;最大时钟频率20MHz;可编程输入输出端数量33;定时器数量;工作电压2.7-4.2V;最大工作温度85℃;封装TQFP-44。本安电源采用3x1.2V镍氢电池组, 设计用限流电阻限流后, 环氧树脂密封, 工作电压3.6V, 最大开路电压砜为4.20V、电流为2A, 直接给稳压电路、CPU提供电源3V。稳压电路由电路Cl (LP3985-3V) 、电阻R, U8和LM385-2.5V组成, LP3985-3V提供3V工作电压, LM385-2.5V提供2.5V基准电压供CPU, 同时通过R19、Ais给高瓦斯保护电路提供1.2V基准电压。检测和放大电路由载体催化元件r0、al、电阻R20、R2, 、R22、R23多圈精密电位器W, 、电容C9组成检测电路, 甲烷气体进入传感器腔内, o、al阻值发生变化, 检测回路输出一个与甲烷浓度相对应的电信号送至放大器。放大器由R24、R25、R26、R27等多圈精密电位器组成, 信号经放大后输入到CPU, 通过驱动LED在显示电路显示甲烷数值。CPU (IC2) 采用美国MCROCHIP公司的单片机。其功能是检测瓦斯浓度并显示、检测电源电压、报警点设置、零点和标定点设置、欠压保护、高瓦斯保护。此功能由软件程序控制完成, 软件设计使用汇编语言和C语言。报警电路由Di、三极管U5、U6、电阻R16、蜂鸣器、发光二极管组成、当甲烷浓度超限时、CPU的RD4口输出低电平、三极管U5、U6导通、发出声、光报警信号。显示电路由4位LED数码管、电阻R6、R, 、R。、R9和三极管Qi、Q2、Q3、Q4组成, 由CPU的Bo~RB7、RCO~RC3驱动, 其功能是显示甲烷、电源电压。欠压保护电路由取样电R4、Rs取样至CPU的RA3脚, 电路Cl (LP3985-3经R3反馈到CPU的As完成。高瓦斯保护由Ri8、R19取样至LM358, 当瓦斯浓度超过4%时, CPURA7角输出高电位, 经D2反馈到LM358, 此时U7由导通变力截止, 转化为间歇接通电源, 跟踪瓦斯浓度并保护催化元件。时钟电路采用的芯片, 其结构简单, 编程容易。单片机以串行方式与时钟芯片连接。报警仪外壳采用防静电ABS工程塑料, 外形美观大方、充电方便, 各功能键采用薄膜开关, 密封性能好, 通气嘴采用不锈钢材料。显示窗用透明材料, 便于观察。主板采用双面板, 采用SMD焊接, 元件布局合理, 保证产品质量。检测报警仪软件设计及检测指标软件采用功能模块化设计, 主要有主程序、初始化、按键处理、数据显示、AD采样、零点及满度、报警点、时钟等组成。初始化程序完成单片机有关程序的设置, 按键和显示程序实现人机对话, 主程序完成数据测量, 零点, 灵敏度和各功能模块的循环利用, 特别是实现了零点的自动跟踪, 调校方便, 提高了仪器的零点稳定性和整机的测试性能。仪器的校准, 标有一零电位器孔对齐。零点调整, 有两个金属体外壳的底部两个充电电极, 这是使用的电池充电。外壳的设计原理, 外形美观、实用、体积小、携带方便、操作简单、强度满足要求, 防爆性能好, 确保阻燃。为了满足设计要求, 三维实体造型设计。在三维建模的设计, 在二维设计软件实体生成二维壳的设计图, 并保存到您指定的文件。
结束语
甲烷检测报警仪采用进行控制处理, 使用了SMD技术, 具有体积小, 测量准确, 零点和标定点操作方便、工作时间长等优点。该样机经国家安全生产、检测中心检验合格, 已取得防爆证和检验证。我国是煤矿储存大国, 随着我国经济的快速发展, 煤矿数量需求越来越大, 为了进行安全生产, 甲烷检测报警仪对煤矿的安全生产有着十分重要的作用, 甲烷检测报警仪有效地减少了安全事故的发生, 给国家和社会带来了巨大的经济效益, 减少了损失。
摘要：在中国的煤矿安全生产中, 及时和准确的检测矿井瓦斯含量, 已在煤矿安全生产中起到了重要的作用。为了满足甲烷检测报警仪的发展要求, 多采用催化原理, 甲烷检测报警仪, 利用单片机设计, 避免了传统仪器的缺点, 设计成本低, 功耗低, 智能化。以下重点介绍甲烷检测报警仪的设计。
关键词：甲烷,检测,报警仪,设计
参考文献
[1]谢爱军.浅谈便携式甲烷检测报警仪的检定与管理[J].华东科技:学术版, 2012, (8) .[1]谢爱军.浅谈便携式甲烷检测报警仪的检定与管理[J].华东科技:学术版, 2012, (8) .
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[4]仲丽云, 矿用便携式甲烷检测报警仪的高保护级别防爆技术[K].电气防爆, 2010, (2) .[4]仲丽云, 矿用便携式甲烷检测报警仪的高保护级别防爆技术[K].电气防爆, 2010, (2) .
芽孢杆菌助腐植质变甲烷 篇9
腐植质是地上的动植物被细菌等分解后埋到地下的有机物,是地壳内巨大的碳储存库,占地壳内碳总量的约10%,被认为是煤炭的“前身”。如果腐植质能够分解,就可能提取出可燃气体等,但此前一直没有找到有效方法,所以几乎没有得到有效利用。
广岛大学研究小组在无氧环境下培养从地下采集的梭状芽孢杆菌时,发现它能够分解腐植质。梭状芽孢杆菌是一种厌氧细菌,在土壤深处和生物的肠内等氧浓度很低的环境中生活。此次研究显示,腐植质在缺氧的地下也可以被细菌分解,而分解的产物可以被产甲烷菌作为食物。由于产甲烷菌无需氧气就能合成甲烷,这一发现将为在地下分解丰富的腐植质来制造甲烷开辟道路。