浅水湖泊溶存甲烷浓度对气温升高及季节变化响应特征

揭示温度升高对浅水湖泊中溶存甲烷(CH_(4))浓度的影响,可为更好地应对气候变化对浅水湖泊碳排放的影响提供数据支持。采集梁子湖表层沉积物和湖水,并置于塑料水缸(沉积物厚度为10 cm,其上注入深度为1 m的湖水),设置比周围环境温度高3.5℃的升温组(W)和不进行温度设置的控制组(C),每组6个平行,2022年1月完成系统设置后放置2个月,在春季(3、4月)和夏季(7、8月)进行样品采集并计算溶存甲烷浓度,同时测量水温(T)、pH、电导率(EC)、溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)、正磷(PO_(4)^(3-))、氨态氮(NH_(4)^(+))、硝态氮(NO_(3)^(-))和亚硝氮(NO_(2)^(-))、Chl-a、溶解性有机碳(DOC)等参数,并分析溶存甲烷浓度和环境因子的相关关系。结果显示,W组的甲烷浓度与C组之间差异不显著,W组的甲烷浓度总体上低于C组;夏季甲烷的浓度显著高于春季,说明温度是影响甲烷排放的重要因素;Spearman相关性分析和逐步回归分析表明溶存甲烷浓度主要与T、营养盐含量(TP、PO_(4)^(3-)、DOC)、pH、DO和EC有关,其中,季节性温度变化是影响水体溶存甲烷浓度的最主要环境因子。

基于不同宽带非相干光源的甲烷浓度测量研究

目的:研究非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)技术中所应用的不同类型宽带光源的性能差异对系统输出信号的影响。方法:搭建了直径2.54 cm,长30 cm的气池,通入体积分数为99.99%的甲烷气体,分别采用非相干宽带卤素光源和超连续谱光源入射气池,通过光纤准直器耦合出射光进入近红外多模光纤,光纤接入近红外光谱仪测量吸收光谱。结果:两种光源的光学密度谱线对比显示超连续谱光源的光学噪声远大于卤素光源,其主要原因为超连续谱光源内部温度控制欠稳定导致输出功率在频域上出现较大波动造成的基线偏移。结论:相较于卤素光源,超连续谱光源具有光功率高,空间相干性好等诸多优点,但由于温度控制原因所导致的光功率输出不够稳定,导致该光源在IBBCEAS系统中的应用受到一定限制。

基于TDLAS技术与小波变换去噪算法的甲烷浓度检测

为进一步提高甲烷浓度检测精度,搭建了基于TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术的甲烷浓度检测实验系统,利用甲烷在波长1653.72 nm处吸收强度很高且可以最大限度消除其他气体干扰的特性,通过提取二次谐波信号实现甲烷浓度检测。然后分别采用heursure硬阈值算法、heursure软阈值算法和sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法,通过分析未去噪及小波变换去噪处理后得到的甲烷吸收信号谱图、甲烷二次谐波信号谱图、甲烷吸收信号的信噪比和均方根误差,优选sqtwolog固定阈值算法作为小波变换阈值算法。不同浓度的甲烷标气线性拟合实验及特定浓度的甲烷标气重复性实验结果表明:通过小波变换(采用sqtwolog固定阈值算法)能有效降低噪声干扰,去噪处理后提取的二次谐波信号与甲烷真实浓度拟合优度R^(2)为0.984,拟合效果更佳。采用TDLAS技术结合小波变换去噪算法,实现甲烷浓度检测的同时也能提高甲烷浓度检测精度。

不同富营养状态下浅水湿地甲烷浓度变化特征研究

以宜昌市12个不同营养状态(轻、中、重富营养)的小面积浅水湿地为研究对象,在2022年3、7、10、12月对水体溶存甲烷(CH_(4))浓度以及水环境因子进行监测,探讨不同营养沉积下浅水湿地溶存CH_(4)浓度和扩散通量的差异性及影响因素.结果表明:不同营养状态下浅水湿地CH_(4)浓度表现出明显的季节变化差异,轻营养状态下溶存CH_(4)浓度季节变化为0.13~2.17μmol·L^(-1),秋季为溶存CH_(4)浓度最高值冬季为最低值;中营养为0.38~2.52μmol·L^(-1),夏季浓度最高春季最低;重营养夏季值最大冬季值最小,变化范围为0.52~5.96μmol·L^(-1);CH_(4)浓度及其扩散通量均随营养状态的增加而增加,总磷浓度是控制轻营养湿地CH_(4)释放的主要因素,随着营养状态的提高CH_(4)浓度主要受水体总氮状态、水深以及温度变化的影响.

基于支持向量机的激光甲烷浓度量化研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对甲烷气体探测及甲烷浓度的准确量化具有重要意义。由于激光甲烷信号较为微弱,传统甲烷浓度量化模型在复杂工况下存在量化误差大的问题。针对此问题,基于径向基核nu-支持向量回归机(RBF-nu-SVR)构建了激光甲烷遥测浓度量化回归模型,并与传统模型、多项式核及线性核的nu-支持向量回归机、BP神经网络等模型进行了对比研究。结果表明:所构建的RBF-nu-SVR模型在测试集上展现了较强的泛化性能,平均绝对百分比误差(MAPE)和皮尔逊相关系数(R2)分别为9.155和0.99947,提升了TDLAS对甲烷气体的探测精度。且由于采用的是原始数据,不需要进行二次谐波提取,简化了结构。

基于Arduino的甲烷浓度监测报警系统设计

文章所设计的甲烷浓度监测报警系统主要运用Arduino单片机实现对甲烷浓度的监测和报警。运用仿真软件构建甲烷气体监测仿真模型,传感器将采集到的甲烷浓度数据经过单片机处理后发送到上位机,与单片机通信,实现实时数据显示、报警、风机控制等,通过搭建的硬件电路实现具体功能。

南海北部冷泉区沉积物中微生物丰度与甲烷浓度变化关系的初步研究

对2006年“海洋四号”在南海北部陆坡和深水冷泉活动区获得的两个重力活塞岩心中微生物丰度变化和甲烷浓度变化的关系进行了初步研究。荧光显微镜观察和直接计数结果表明,研究区冷泉微生物细胞形态有多种类型,但常见和占优势的是杆状、球状和链状。微生物丰度随不同站位和深度变化于106-105细胞个体/g之间。甲烷浓度高异常站位的微生物丰度大于甲烷浓度低的站位。在同一岩心中,微生物的丰度变化也和甲烷浓度变化相吻合,甲烷浓度高,微生物丰度大,反之亦然。该结果表明了冷泉微生物对沉积物中甲烷浓度的增加或减少十分敏感。

南海北部陆坡天然气水合物区海水甲烷浓度分布特征及其影响因素探讨

2011—2015年对东沙和神狐水合物钻探区进行了连续5年7个航次的海上调查工作,获取了大量研究区海水水文、水化学及溶解甲烷含量数据,为天然气水合物勘查与试采环境评价提供了良好的基础数据及采前环境基线。调查期间,研究区海水甲烷浓度范围为0~31.4nmol·L^(-1),平均浓度为6.7nmol·L^(-1),高于全球平均海水甲烷浓度,表明南海海水甲烷浓度本底值高于全球平均水平;研究区海水溶解甲烷浓度及其分布特征不受区域海水水文特征、海水化学特征及季节等因素影响,且表层海水-大气甲烷交换并非单一的汇或者源的关系,而是根据时间的不同,海水-大气甲烷交换存在汇源转换;综合调查结果表明,研究区甲烷渗漏对海水、大气甲烷含量没有明显影响,且水合物钻探对区域环境没有明显的影响。

低甲烷浓度煤层气的水合物法提纯实验

低甲烷浓度煤层气提纯是煤层气资源开发利用的一个重要发展方向,但是甲烷回收率低是低甲烷浓度煤层气提纯技术急需解决的关键问题。为此,采用气体水合物方法对低甲烷浓度煤层气进行提纯实验研究,向反应体系引入环戊烷降低气体水合物相平衡条件并提高甲烷回收率。采用等温压力搜索法测定了低甲烷浓度煤层气在环戊烷—水体系中的水合相平衡数据,并在等温等压条件下研究了生长驱动力和环戊烷浓度对甲烷回收率的作用规律。结果表明:1环戊烷对低甲烷浓度煤层气生成气体水合物的相平衡条件具有显著的促进作用。2甲烷回收率随着生长驱动力的升高而减小,随着环戊烷浓度的升高而增大。压力升高后,氮气将与甲烷竞争进入气体水合物晶体,导致甲烷回收率下降;在283.4K、2.6MPa和13%环戊烷浓度的实验条件下,甲烷回收率高达46.1%。3经过二级水合分离后,煤层气的甲烷浓度从30%提高到了72%。该项成果为低甲烷浓度煤层气提纯技术的发展提供了基础数据和实验依据。

甲烷浓度对等离子喷射金刚石厚膜生长稳定性的影响

采用高功率直流电弧等离子体CVD工艺制备了不同厚度的无裂纹自支撑金刚石厚膜.实验中观察到在金刚石厚膜生长过程中出现了形貌不稳定性,其程度随甲烷浓度的不同而变化.从理论和实验两个方面对这种不稳定性进行了讨论,认为直流电弧等离子体的高温造成碳源高饱和度是生长不稳定性的根本原因.实验结果表明,在沉积金刚石厚膜时,为了稳定地获得高质量的厚膜,甲烷浓度不宜过高.

低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究

针对低甲烷浓度煤层气的特点,设计了150kW部分预混式旋流燃烧器,实验研究了燃烧器结构对低甲烷浓度煤层气燃烧的影响,考察了低甲烷浓度煤层气在燃烧器内的速度分布特性、旋流强度及甲烷浓度变化对温度分布的影响规律。结果表明：加装钝体结构的旋流燃烧器在燃用甲烷体积分数为20%的煤层气时,火焰长度降低,射流刚性增强,燃烧高效稳定;Z轴的逆轴向速度梯度范围随着直旋配风比的增加逐渐增大,射流刚性提高,中心回流区域变大;R轴的逆轴向速度梯度范围随着距离燃烧器喷口距离的增加逐渐缩小,回流区域变小,卷吸高温烟气的能力下降,不利于高效稳定燃烧;燃烧器喷口中心处的旋流强度随热负荷的增加而逐渐增大;当热负荷增加到50%以后,旋流强度随过量空气系数的增大而小幅度波动;当煤层气中甲烷体积分数为20%~30%时,随着甲烷浓度的增加,燃烧器出口的火焰形状呈现出变短变窄的趋势,燃烧稳定性提高,出口温度不超过1 000K,可以有效避免喷口被烧坏。

甲烷浓度对甲烷燃烧爆炸特性影响的实验研究

甲烷—空气混合物在强点火系统中爆轰的点火和增长过程是一系列复杂过程的组合，包括相变、混和、化学反应、颗粒的闪燃等。文章利用水平多相燃烧爆炸管道等系统，对甲烷空气的混和物在液雾强点火条件下的爆轰进行了研究。在浓度为2．5％、4．13％（小于5％的爆炸下限浓度）及强点火的条件下，燃烧爆炸波能在甲烷空气混合物中传播；在浓度为15．15％（大于15％的爆炸上限浓度）及强点火的条件下，燃烧爆炸波也能在甲烷空气混合物中传播。对于极限浓度内的甲烷，爆炸的最优浓度在9．13％～10．92％，这与甲烷理论上的最优浓度10％左右非常接近，根据后面的不同浓度甲烷爆压的理论与实验结果对比图也可以证明这一点。

基于半导体激光器模式跳变的甲烷浓度检测方法研究

基于单模半导体激光器的模式跃变特性,用两个不同的驱动电流交替驱动激光器使其交替输出两个波长相近的激光,一个位于甲烷的一个窄带吸收峰处,被甲烷吸收;另一个错开稍许,不被甲烷吸收,用作参考光束.光束通过气体吸收室后,经光电转换输出方波电信号,两个波长光的强度分别对应方波信号的顶部和底部,随甲烷浓度变化的光,与其相对应方波的顶部也将随着甲烷气体浓度的变化而变化;参考光束的光不被甲烷吸收,与其对应的方波的底部将不随甲烷气体浓度的变化而变化,于是方波的幅值与甲烷浓度成一一对应关系.由于二者的波长相近,当它们通过媒介气体时,尘埃引起的散射或者衰减基本相同,可以用数学方法将其消去.实验结果表明,该方法在不采用昂贵的数字锁相放大器,且气体吸收光程只有10 cm的条件下,达到了0.05%的探测灵敏度.

具有抗中毒功能的甲烷浓度检测仪研制

甲烷检测对于煤矿安全生产具有重要意义,矿下环境中存在着大量H2S气体,会使催化传感器中毒失去检测能力。文章分析了催化型传感器出现中毒现象的成因,总结得出传感器中毒的主因是催化剂失去催化活性,据此提出通过控制传感器的工作温度进行清毒处理的甲烷检测方法,实现了既有效恢复催化剂活性又尽量避免破坏传感器灵敏度。实验结果表明该检测仪在清毒操作后的测量精度在行业标准规定误差范围内。该测量方法在高硫环境中具有较高的稳定性和使用寿命,因此具有广阔的应用前景。

甲烷浓度对金刚石膜沉积质量的影响

在10kW微波等离子化学气相沉积装置中,采用甲烷和氢气作为气源,在直径为50mm的P型(100)单晶硅片上进行了不同甲烷浓度条件下金刚石薄膜的制备研究.利用扫描电子显微镜和激光Raman光谱仪对所制备的金刚石膜进行表征.结果表明:较高的甲烷浓度(2%,体积分数)虽然可以加快金刚石膜生长速率,但离解反应气体的能量相对减弱,晶粒尺寸较小;此时原子氢刻蚀作用也会较弱,非金刚石相含量增加,残留的杂质越来越多,金刚石纯度不高,薄膜的质量较差.随着甲烷浓度的降低,金刚石膜(100)晶面充分显现,薄膜质量逐渐变好.然而过低的甲烷浓度(0.5%,体积分数)会导致有利于金刚石生长的含碳活性基团含量降低,使金刚石膜生长缓慢,晶粒尺寸难以长大.

南海中部和北部上层海水中溶存甲烷浓度及海气交换通量

根据2010年4—5月国家基金委南海多学科综合航次在南海中部和北部的调查资料,利用抽真空气相色谱法测定海水中溶存甲烷浓度,分析了该海区上层海水中溶存甲烷的浓度、饱和度及海气交换通量。南海中部和北部表层海水中溶存甲烷浓度范围为1.15—5.6nmol.L 1,平均值为2.2nmol.L 1,饱和度范围为59.7%—298.8%,59%站位的溶存甲烷处于过饱和状态。甲烷海气交换通量范围分别为17.7—61.3μmol.m 2.d 1(根据LM-86方程计算)和27.9—119.6μmol.m 2.d 1(根据W-92方程计算)。南海是大气中甲烷的来源之一,年甲烷辐射量估算值为2.7×10 2—4.0×10 2Tg.a 1。

甲烷浓度对间接法测定煤层瓦斯含量的影响

大量实测资料表明煤层瓦斯的组分中,除CH4外尚含有一定比例的N2和CO2。在间接法测定煤层瓦斯含量时,由于使用的是煤对纯CH4吸附实验所测定的吸附常数,因此在瓦斯组分中CH4浓度较低的情况下,间接法计算的煤层瓦斯含量会出现一定误差,而且CH4浓度愈低造成的误差愈大。对多组分气体的吸附情况进行了讨论,并提出了校正吸附瓦斯总量的计算方法。

差分红外型甲烷浓度光纤网络传感系统的研究

基于甲烷气体在其特征吸收波长下光的吸收程度随浓度变化的机理和差分吸收测量方法,结合空分复用技术和长光程吸收池技术,并考虑煤矿矿井中环境的特点,复用多个气体吸收型光纤传感器.介绍了利用差分红外光谱方法测量矿井中甲烷浓度的光纤网络传感系统的工作原理,给出了系统的结构框图.实验表明,吸收气室光程长为20 cm时,该传感器的检测限为4.278 m g/m3,精确度和稳定性可以满足实际要求,可在不同场合进行多点在线测量.

北京市城市湖泊上空甲烷浓度水平和季节特征

通过对北京市市区内大于10 000 m2的10个湖泊上空0.5 m处甲烷浓度的季度观测,研究了北京市城市湖泊上空甲烷的浓度水平,并对其中4个典型的湖泊进行了每月1~2次的观测,分析了城市湖泊上空甲烷浓度的连续变化特征。结果表明湖泊上空甲烷浓度年平均值为2.337±0.431 mL/m3,高于全球均值和其他相关研究人员对北京市上空监测的结果。湖泊上空甲烷浓度季节之间的差异性显著(P<0.01),夏季的甲烷浓度较高(2.758±0.516mL/m3),秋季和春季相对较低。4个典型湖泊上空甲烷浓度连续变化具有一定的规律,大都在7-8月份达到甲烷浓度的高峰期,3月初融冰时都会有小幅增加;位于市中心的什刹海上空甲烷浓度相对较高。这表明了北京市内湖泊是甲烷排放的一个重要源头,同时也反映了北京作为一特大城市,其湖泊上空甲烷浓度受人类活动影响的特征。

一种新型高精度甲烷浓度检测系统的研究

在气体浓度检测过程中采用特征光谱吸收法时,提高气体浓度检测精度常常需要采用高质量窄带激光器并调制其波长使其对准被测气体特征吸收峰的方法,这样大大增加了对激光器的要求及系统成本。为了在采用原有便携式、低成本固体激光器的条件下获取更高的检测精度,设计了转换窗差分吸收光学结构以及特征吸收差分比例算法。分析了特征波长位置选择的依据,给出了实现该处理算法的步骤。系统利用转换窗与吸收气室组合的方法,将非特征吸收峰位置上的光强响应通过求比值的方法约掉,从而实现了与采用窄带激光器对准特征吸收峰位置相近的检测效果。实验采用MW-IR-1650型红外激光器、SSM17-2型步进电机控制模块、C30659型红外探测器等器件,对不同浓度的甲烷气体进行测试,结果显示在200~5 000ppm之间测量相对误差基本在2.0%以内。证明了该系统具有较高的检测精度及稳定性。