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原子与分子物理学报 2017年第6期34卷 1025-1032页

作者：王猛刚李维学戴剑锋王青翟尚宇兰州理工大学理学院兰州730050

采用优化的DREIDING力场参数,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对天然气中的两种气体CH_4和H_2S在Cu_6(BTTC)_4(H_2O)_6·x S(1)和[(CH_3)_2NH_2]_3[(Cu_4Cl)_3(BTTC)_8]·yS(2)两种金属有机骨架(MOFs)材料中的吸附与分离性能进行了比较研究.结果证明了聚合物2的吸附量和分离性能相比之下高于聚合物1,且两种材料的吸附机理存在差异.聚合物1中金属Cu和有机基团对于吸附两种气体没有明显的作用,主要分布在小孔道和大孔道;然而聚合物2中的H_2S和CH_4主要吸附在有机基团、金属Cu和-Cl基团周围.则含有-Cl基团的聚合物2展现了优越的吸附能力和稳定性.总而言之,本文获得的结果可以应用于此类研究领域,因此在环境范围中吸附去除污染物可以产生更深层次定性和定量的作用.

关键词： GCMC 金属有机骨架材料吸附选择性甲烷和硫化氢

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金属—有机骨架材料中H2S/CH4混合物吸附与分离的分子模拟研究

金属—有机骨架材料中H2S/CH4混合物吸附与分离的分子模拟研究

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作者：王猛刚兰州理工大学

学位级别：硕士

本课题采用优化后的DREIDING力场,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,对天然气中的两种气体CH和HS在Cu(BTTC)(HO)·xS(1)和[(CH)NH][(CuCl)(BTTC)8]·yS(2)两种新型金属-有机骨架材料中的吸附与分离性能进行了比较研究,探讨了压强... 详细信息

本课题采用优化后的DREIDING力场,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,对天然气中的两种气体CH和HS在Cu(BTTC)(HO)·xS(1)和[(CH)NH][(CuCl)(BTTC)8]·yS(2)两种新型金属-有机骨架材料中的吸附与分离性能进行了比较研究,探讨了压强、温度等因素对吸附分离性能的影响,并分析了单组份与等摩尔混合物气体在吸附剂中的吸附能曲线,以及采用密度泛函理论分析了它们的质心密度分布图。主要研究内容如下:首先,采用分子模拟方法系统地研究了在298 K和273 K下,两种吸附质在金属材料中的吸附性能与等焓吸附热分析。结果表明,聚合物1的吸附量和分离性能都高于聚合物2,且相同材料,温度越低,吸附热越高;在等摩尔混合情况下,聚合物1对于HS/CH的选择性最大,吸附热差值的大小关系为聚合物1>聚合物2。其次,采用蒙特卡洛与密度泛函理论相结合的方法对比研究了单组份与二元混合物在两种聚合物中吸附能曲线。结果表明,不同温度下聚合物1在低压下,CH的吸附能有两个峰值且它们的能量密度不同,CH的吸附能高于HS的吸附能;而在273 K时,HS吸附能却只有一个峰值,随着压强的增大,HS的峰值高于CH的峰值,在相同压强下,温度在273 K时CH和HS的能量密度都稍大于温度在298 K所对应的峰值。在HS/CH等摩尔比混合情况下的吸附能,它们之间存在着竞争关系,由低压时的两个吸附位转变为高压时的一个吸附位,而且CH的吸附位逐渐被HS所替代。最后,研究了单组份与二元混合物的质心密度分布图。结果表明,在298 K下,聚合物1吸附CH时存在两个主要吸附位,其中金属簇Cu-苯基区域靠近金属的位置为第一吸附位,而相比于HS的质心密度图,在低压下HS同样也主要吸附在金属簇Cu与苯基周围,随着压力的增加,A区域已经达到了饱和状态,之后全部吸附在大孔道(B区域);在273 K下时,聚合物1和聚合物2的质心密度分布图的差异比较明显,在A区域的吸附情况与之前的基本一致,而HS的质心分布图在整个压力范围内,吸附量逐渐地上升,CH的吸附量基本保持不变。综合分析上述的结果,在今后实际吸附分离HS气体时,可以考虑到MOF材料的这些方面。

关键词： GCMC 金属有机骨架材料甲烷和硫化氢吸附能质心密度分布图

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便携式易燃、有毒气体激光遥测仪的研制

便携式易燃、有毒气体激光遥测仪的研制

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作者：李连辉天津工业大学

学位级别：硕士

甲烷(CH)和硫化氢(HS)分别是石油天然气行业最具代表性的易燃和有毒气体,这两种气体的同时非接触式遥测对危险预警和安全生产非常重要。本论文针对CH和HS泄漏遥测的实际需求,基于可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorpti... 详细信息

甲烷(CH)和硫化氢(HS)分别是石油天然气行业最具代表性的易燃和有毒气体,这两种气体的同时非接触式遥测对危险预警和安全生产非常重要。本论文针对CH和HS泄漏遥测的实际需求,基于可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术,研制开发了一套便携式易燃、有毒气体遥测仪样机。主要工作和创新性成果如下:(1)设计研制了用于CH和HS同时检测的激光遥测仪样机。针对传统气体传感器只能点式和接触式测量且灵敏度不高等问题,基于非合作目标TDLAS遥测技术和一次谐波归一化波长调制光谱二次谐波检测(WMS-2f/1f)方法,采用模块化集成思想提出主机+探枪的遥测仪样机设计方案,并通过Tracepro光路仿真以及模拟计算不同的非合作目标下接收到的回波光功率验证方案的可行性。通过谱线优选确定CH和HS目标谱线分别为1653.73nm和1578.13nm,并通过实验确定最佳正弦调制电流分别为27mA和21.97mA,最佳调谐范围分别为50mA-145mA和65mA-140mA,结合光纤技术对两激光器进行时分复用实现CH和HS的同时检测。(2)发展了非合作目标TDLAS遥测中的噪声抑制方法和浓度反演算法。为了提高遥测仪样机检测精度,利用Butterworth滤波器、Savitzky-Golay滤波器以及多组数据平均相结合的方法,在不损失光谱信息的基础上将WMS信号信噪比提高3.42倍,使用Levenberg-Marquardt算法对其进行非线性最小二乘法拟合实现气体浓度的免标定测量;并对测量结果进行参数优化的自适应卡尔曼滤波使测量精度提高2.01倍。(3)评价了遥测仪样机的性能指标并验证其有效性。搭建了样机测试平台,对遥测仪样机的预热时间、精度、灵敏度指标进行测试评价,结果表明:预热时间为30min,测量精度可达0.53%,CH和HS在积分时间1s时的测量灵敏度分别为1.67ppm·m和46.11ppm·m。设计遥测实验,利用内充标气的透明气体池模拟CH和HS气体泄漏,采集了不同测量距离和不同非合作目标物下的WMS信号,5m信号的信噪比是20m的4.03倍,铝板信号的信噪比是镀漆金属板的3.55倍,通过浓度反演证明遥测仪样机在20m距离内的有效性。该样机为石油天然气行业中的危险气体泄漏的高效巡检奠定了基础。

关键词：激光遥测波长调制光谱甲烷和硫化氢浓度测量非合作目标

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