嘉陵江四川段平水期CH_(4)、CO_(2)排放通量空间分布特征及影响因素

河流是陆地生态系统中内陆水域温室气体的重要排放源。以嘉陵江四川段为研究对象,于2021年10月采集表层水样,运用改良顶空法采集表层水体溶存的CH_(4)、CO_(2),分析了研究区域平水期CH_(4)、CO_(2)溶存浓度与排放通量的空间分布特征,并探究水体理化性质和土地利用类型对温室气体排放的响应。结果表明,嘉陵江四川段人类活动主导了水质变化特征,城市和农业活动是氮素和磷素沿河流方向累积的重要原因。表层水体中CH_(4)和CO_(2)浓度分别为(16.87±15.55)nmol·L^(-1)和(836.11±132.68)μmol·L^(-1),排放通量分别为(68.39±81.26)nmol·m^(-2)·d^(-1)和(1596.08±1291.61)μmol·m^(-2)·d^(-1)。CH_(4)、CO_(2)浓度和排放通量具有较大空间异质性,不同土地利用类型条件下,耕地主导河段接收了较多的非点源污染和陆源碳。这些污染物质的输入导致水体理化性质发生改变,影响水生植物和浮游植物生长以及微生物活动,进而给CH_(4)和CO_(2)产生和释放造成影响。总氮(TN)、磷酸盐(PO_(4)^(3-)-P)和耕地面积占比是影响嘉陵江四川段温室气体排放的关键因子,表明温室气体排放不仅受河流生态环境的影响,还受不同土地利用类型条件下人类活动的影响。

适用于CH_(4)泄漏检测的全光光声光谱装置

光声光谱技术是一种高灵敏的光学检测技术,已成功应用于各种痕量气体检测场合。针对工业上CH_(4)气体泄漏的快速安全检测问题,研制了一套基于H形光声池和Fabry-Perot干涉式光纤麦克风的全光光声光谱装置。采用有限元分析方法对悬臂梁的振动特性进行了仿真分析,并优化了悬臂梁的结构参数,使其共振频率和光声池的共振频率相匹配,实现了对光声信号的双共振增强。同时利用平面镜使光声吸收池的投射光再次入射进入吸收池,进一步增强了光声信号。装置使用Q点稳定强度解调程序对干涉信号进行解调,解决了光纤麦克风在测试过程中的Q点随温度漂移的问题,确保了光纤麦克风长期工作时的稳定性。该光声测量装置采用1653 nm波长DFB激光器作为激发光源,利用Q点稳定强度解调方法,结合波长调制-二次谐波检测技术、声学共振放大技术实现了对CH_(4)气体的全光、高灵敏度检测。实验结果表明,全光光声光谱装置的共振频率为1594 Hz,在共振频率处CH_(4)气体的检测极限为7.47 ppm(1 ppm=1×10^(−6))。根据Allan方差结果,在142 s的平均时间下,全光光声光谱装置测量CH_(4)气体的检测极限为0.23 ppm。

油中溶解C_2H_4气体的光声探测

光声光谱气体分析技术灵敏度高,不消耗被测气体,克服了传统的变压器检测的气相色谱分析方法的缺点。文中采用了光声光谱法对C2H4气体进行探测,论述了光声信号的产生原理,用CO2激光器作光源对C2H4气体浓度进行了测量,证实了该技术在油中溶解气体浓度测量中的实用价值。

三江平原农田排水期流域水体CH_(4)排放特征及影响因素

在施肥和土壤淋溶等多种因素的影响下,农业流域水体甲烷(CH_(4))的源汇关系尚不明确,目前对于农业流域水体CH_(4)排放的监测和研究仍然不足.本研究选取三江平原的浓江流域为研究对象,利用顶空平衡法和扩散模型法对该流域不同水体的CH_(4)浓度和排放通量进行监测和估算.结果表明:浓江流域水体普遍为CH_(4)的排放源,鸭绿河、浓江河流、沟渠和稻田水体的CH_(4)排放通量范围分别为0.51~99.60、0.97~20.44、4.13~20.90和24.84~58.07mg/(m^(2)·d),且沟渠和稻田水体的CH_(4)排放通量较高,分别为浓江河流的2倍和7倍.在鸭绿河干流和沟渠水体中,CH_(4)浓度与pH值和溶解氧(DO)均呈显著负相关,浓江干流的CH_(4)浓度与DO呈显著正相关.浓江干流和沟渠水体的CH_(4)浓度与溶解性有机碳(DOC)呈显著正相关,表明排水期农业有机肥的使用会促进水体CH_(4)的产生.流经湿地浅水区和受农田施肥影响的河段水体具有较高的CH_(4)浓度和排放通量,表明CH_(4)排放受到了土地利用方式的显著影响.相比于全球其他农业河流,排水期浓江流域河水在排水期具有较高的CH_(4)浓度和较低的CH_(4)排放通量,较低风速缓解了水-气界面的排放.而沟渠水体排水期间较低的CH_(4)排放通量主要受富氧状态的影响.三江平原作为典型的东北黑土农业区,探究其农业流域CH_(4)的产生和排放对于未来区域的碳收支平衡和碳排放评估具有重要意义.

多因素耦合作用和循环围压对煤岩CH_(4)渗透率的影响研究

煤储层渗透率受自身性质、温度、应力状态等诸多因素影响。以淮南刘庄煤矿13-1煤层为研究对象,基于CH_(4)渗透率测试,研究了体积应力、温度与气体压力耦合以及循环围压下CH_(4)渗透率的变化规律。结果表明:体积应力与气体压力耦合主要通过控制有效应力大小来影响煤岩CH_(4)渗透率,有效应力越大,渗透率越低;气体压力对CH_(4)渗透率的影响受限于体积应力,但气体压力对渗透率的影响大于体积应力;温度与气体压力耦合对CH_(4)渗透率的影响由气体压力主导,渗透率随气体压力的增大呈“U形滑梯式”下降,且“滑梯式”变化比“U”形变化更为明显;气体压力对CH_(4)渗透率的影响大于温度,且增大气体压力会降低温度对渗透率的影响;循环围压会造成煤岩孔裂隙的不可逆塑性变形,使煤中有效渗流通道减少,CH_(4)渗透率降低;第1次循环围压产生的塑性变形量最大,随循环次数增加,塑性变形量逐渐减少。

DSP主控型CO和CH_(4)双路激光气体检测数据采集系统研制

通过精确检测CO和CH_(4)两种气体浓度,对于煤矿企业安全生产和工业过程控制具有重要意义,TDLAS技术是一种实时高精度的气体检测方式,可用于CO和CH_(4)双路气体检测。针对TDLAS型CO和CH_(4)双路气体检测系统,本文设计了一种DSP型双路数据采集系统。激光信号被CO和CH_(4)选频吸收后,光电二极管FD10D将光信号转换为电流信号,微弱电流信号经OPA2387搭建的前置放大电路转换为电压信号,由ADC芯片ADS8330进行数据采集,回传至DSP主控芯片TMS320C6748,处理完成的数据存储至FLASH芯片M25P16,最后将数据实时上传至上位机。经过测试,该系统可以稳定、准确地进行数据采集,并且适配于其他TDLAS型双路气体检测系统。

不同分解温度下记忆效应对CO_(2)/CH_(4)混合气体水合物合成的影响

在非常规天然气以及天然气水合物二氧化碳(CO_(2))置换开采过程中,明确CO_(2)/CH_(4)混合气体水合物(以下简称“CO_(2)/CH_(4)水合物”)的合成和分解机理,对水合物法分离混合气体、CO_(2)封存与CH_(4)高效开采有重要意义。以多孔介质+去离子水体系中的CO_(2)/CH_(4)水合物为研究对象,进行了二次合成和分解实验,研究了分解时间为0.5 h、分解温度为5~25℃条件下的记忆效应对CH_(4)/CO_(2)水合物合成的影响,主要从二次合成诱导期、气体消耗量和消耗速率,以及各组分气体消耗情况3个方面进行了分析。结果表明,分解温度越低,二次合成诱导期越短;记忆效应降低了二次合成速率;当分解温度为10℃时二次合成速率最快,气体消耗速率峰值为8.10 mmol/min;在相同的合成温度和压力下,升温分解后的记忆效应使二次合成时CO_(2)水合物合成量提高至初次合成量的1.3倍,而对CH_(4)水合物合成量基本没有影响,即记忆效应对不同客体分子的影响有所差别。该研究为记忆效应在水合物技术中的应用提供了参考。

放射性惰性气体4π叠层探测器研制

核电场所产生的放射性惰性气体辐射场主要为β-γ混合场,叠层探测器具有良好的β-γ甄别能力。为了测量放射性惰性气体,研制了一套4π叠层探测器。该叠层探测器主要是由内层侧壁厚度为1 mm的中空圆柱形塑料闪烁体EJ-200,外叠加一层侧壁厚度为20 mm的碘化铯闪烁体CsI(Tl)组成的探头,两个圆柱底面用硅油耦合光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT),使用意大利CAEN公司的DT5790波形数字采样器和DPP-PSD(Digital Pulse Processing-Pulse Shape Discrimination)控制探头输出信号的获取和处理,后端使用ROOT和MATLAB软件对获取结果进行处理。通过使用133Ba和137Cs放射源对该探测器进行标定刻度,实现了β-γ信号甄别,表明该4π叠层探测器具备测量放射性惰性气体的能力。

高压~4He气体闪烁体中子探测器的物理设计

高压4He气体闪烁体中子探测器是一种具有快响应、高n-γ甄别比和较高探测效率等特点的新型快中子探测器。本工作采用了蒙特卡罗方法研究了4He气体压强和几何尺寸对高压4He气体闪烁体中子探测器的性能影响规律,并开展了探测器结构的优化设计。研究结果表明,气压增大可线性增加中子本征探测效率;探测器长度增加会降低中子的探测效率;探测器管径增加会使中子探测效率提高。当气压取120 atm,长度和管径分别取200 mm和44 mm时,探测器对近裂变谱中子(平均能量1.05 Me V)的探测效率为4.28%,为后续探测器制备提供理论指导。

多元混合气体对CH_(4)爆炸影响的反应动力学模拟

为深入研究多元混合气体对CH_(4)爆炸的影响和作用机理,选取C_(2)H_(6),C_(2)H_(4),CO,H_(2)典型可燃气体,采用CHEMKIN软件构建零维封闭均相反应器模型,研究其对CH_(4)爆炸反应过程的影响,模拟分析以CO为主导的混合气体对CH_(4)最大爆炸压力、最大爆炸温度和爆炸过程中关键自由基(H,O,OH)的影响,同时对H+OH自由基最大体积分数变化规律进行分析,并与理论当量状态下各单一气体对CH_(4)爆炸过程的影响规律作对比。结果表明:混合气体的添加对CH_(4)最大爆炸压力和最大爆炸温度有明显促进作用;爆炸过程中H自由基最大体积分数持续增加,O和OH自由基最大体积分数变化与CH_(4)体积分数有关;多元混合气体对CH_(4)的最大爆炸压力和最大爆炸温度影响与单一H2或CO对其影响规律相似,对关键自由基(H,O,OH)的影响规律与CO更为接近。通过敏感性分析获得了影响CH_(4)爆炸过程的关键反应。

基于TDLAS技术的CH_(4)气体在线检测研究

易燃易爆气体CH_(4)的实时在线检测在矿井安全中极其重要。分析现有的气体传感器优缺点,采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术为矿井可燃气体的检测提供了可靠的技术。采用TDLAS技术设计的CH_(4)传感器,利用软件开发工具Visual Studio设计C#语言动态监控用户界面,实现对矿井CH_(4)可燃气体的产生和泄漏进行实时高精度、高可靠性在线检测。

江汉平原秸秆还田配合氮肥减施对稻田CH_(4)和N_(2)O排放的影响

为研究江汉平原秸秆还田配合氮肥减施对稻田温室气体排放的影响,设置常规施肥(N)、油菜秸秆加常规施肥(S+N)、油菜秸秆加减氮20%施肥(S+N 80%)3种模式,采用静态暗箱气相色谱法监测稻田CH_(4)与N_(2)O排放速率和累积排放量,结果表明不同施肥处理CH_(4)排放总量范围为69.69~166.97kg/hm^(2),S+N处理较N处理CH_(4)累计排放量增加50.26%,S+N 80%处理较N处理减排CH_(4)达37.28%,以S+N 80%处理减排效果最好;各施肥处理N_(2)O累积排放量为0.49~0.72kg/hm^(2),S+N处理较N处理N_(2)O减排达27.28%,S+N 80%处理较N处理减排N_(2)O达31.94%,以S+N 80%处理减排效果最佳。此外,CH_(4)与N_(2)O之间存在极显著负相关(P<0.01),与NH_(4)^(+)-N存在极显著正相关(P<0.01),与土温存在极显著正相关(P<0.01),N_(2)O与土温存在极显著负相关(P<0.01)。进一步计算100a尺度下CH_(4)和N_(2)O的全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)可知,S+N处理较N处理GWP增加了44.75%,S+N 80%处理相较于N处理GWP减少了36.92%;S+N处理较N处理GHGI上升了32%,S+N 80%处理较N处理GHGI下降了36%,3种施肥模式对产量均无显著影响。由此可知,S+N 80%处理是一种值得推广的施肥方式。

全球发达国家CH_(4)排放现状及特征分析

基于《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)附件一国家提交的1990年至最新清单年份(2020年)温室气体排放数据,探讨了附件一国家排放现状、演变趋势和关键排放源。结果表明:(1)2020年UNFCCC附件一42个国家CH_(4)总排放量为187223.10万t CO_(2)当量,美国、俄罗斯联邦和澳大利亚CH_(4)排放量总和已经占到总排放量的60%。(2)与1990年相比,2020年UNFCCC附件一国家/集团CH_(4)排放整体呈下降趋势,美国、俄罗斯联邦、澳大利亚、欧盟(公约)和欧盟(京都议定书)分别下降14.79%、29.69%、24.01%、40.56%和40.34%,而土耳其、西班牙、新西兰和爱尔兰分别增加了50.62%、2.49%、3.97%和7.91%。(3)主要发达国家CH_(4)排放主要来自农业和能源部门,其次是废弃物部门。其中,在农业部门主要来自肠道发酵,其次是粪便管理;能源部门的CH_(4)排放主要来自燃料的逃逸排放;废弃物部门的主要排放源是固体废物填埋处理。

CH_4分子光谱分析在井下瓦斯浓度监测中的研究

根据CH4中C-H键特殊的光谱振动吸收特性,设计了基于特征光谱吸收的CH4浓度光谱分析方法,用于矿井下低浓度CH4的高精度实时监测。在分析CH4分子键所对应的特殊光谱吸收波长的条件下,选择傅里叶变换干涉仪作为干涉工具,结合CCD探测器采集干涉条纹,最终经光谱分析算法得到各波长上光强衰减量度,从而反演CH4气体浓度。利用比尔朗伯定理及浓度程长积公式,可以得到CH4的理论最小探测浓度可达到0.1%,实际受环境等影响会有小幅波动,但不影响0.1%的探测精度,完全满足瓦斯浓度为0～5%的井下实时探测要求。计算实验显示,在采用傅里叶变换光谱分析法探测CH4浓度时,数据显示:在长度为10cm的气室中,对浓度介于0～5%的CH4进行探测时,满足探测精度0.1%的实时探测要求。

非金属氮掺杂活性炭催化剂制备及其催化CH_4-CO_(2)重整反应

采用硝酸和尿素联合对活性炭进行改性,制备了富含氮元素的氮掺杂活性炭,考察了孔结构、氮含量和氮种类(吡啶氮、吡咯氮和石墨氮)对CH_4-CO_(2)重整反应催化性能的影响。采用BET、SEM、EA、FTIR、XPS、CO_(2)-TPD和TG表征手段对反应前后催化剂的物理化学性质进行了表征,对引入活性炭表面的含氮官能团的种类及其在重整过程中所起的作用进行了分析。相比于未改性的原活性炭,硝酸和尿素同时改性制备的氮掺杂活性炭(AC-U.NA)引入了更多的羟基官能团和含氮官能团。特别是通过两者共同改性后,所制备的氮掺杂活性炭引入的吡啶氮官能团比例明显提高,为CH_4-CO_(2)重整反应提供了更多的活性位点,初始CH_4和CO_(2)转化率达到55.94%和66.46%。同时经过两者联合改性后,所制备的AC-U.NA材料表面具有极性,不仅有利于酸性CO_(2)分子的吸附和活化,而且有利于CO_(2)消碳反应,减少了积炭的生成,对所制备的非金属重整催化剂的活性和抗积炭性具有重要的意义。

界面聚合法制备用于脱氮提纯CH_(4)的N_(2)优先渗透ZIF-90/聚酰胺混合基质膜

作为一种高效的分离方法,膜法分离非常规天然气具有较理想的应用前景。相较CH_(4)优先渗透膜,N_(2)优先渗透膜优势在于分离N_(2)/CH_(4)混合气后CH_(4)处于高压侧,利于后续处理。以均苯三甲酰氯为油相单体,间苯二胺为水相单体,采用界面聚合法在聚砜基膜上制备致密超薄聚酰胺分离层,并通过向其中引入孔径可允许N_(2)分子通过而不允许CH_(4)分子通过的纳米颗粒ZIF-90,在膜内形成固定的N_(2)传递通道,成功制备了用于脱氮提纯CH_(4)的N_(2)优先渗透混合基质膜。膜渗透选择性能测试结果显示当混合基质膜中纳米颗粒掺杂量为0.30 g·L^(-1)时,2 bar(1 bar=0.1 MPa)进料压力下,N_(2)渗透速率达1.16×10^(-9) mol·m^(-2)·s^(-1)·Pa^(-1),N_(2)/CH_(4)分离因子达16.6,分离因子比未掺杂ZIF-90的聚酰胺膜提高46.5%,具有一定的处理非常规天然气脱氮提纯甲烷的应用潜力。

NaX分子筛吸附分离CO_(2)/CH_(4)的巨正则蒙特卡洛模拟

采用巨正则蒙特卡洛模拟与理想吸附溶液理论相结合的方法,研究了CO_(2)、CH_(4)分子在NaX分子筛上的吸附性能。通过对比实验数据在不同吸附理论模型下的拟合结果并计算相应的吸附热,描述了CO_(2)、CH_(4)气体的吸附分离过程。结果表明,CH_(4)分子的吸附强度比CO_(2)分子弱,更贴近理想吸附;CO_(2)分子的吸附选择性随其在空气中的体积分数升高而降低,在低压条件下随温度的升高而降低。因此,低温低压更有利于CO_(2)分子的分离。

基于飞机观测资料的石家庄秋季对流层CH_(4)垂直分布特征

为研究石家庄秋季对流层内CH_(4)垂直分布特征,2018年9月使用“空中国王350”飞机搭载Picarro温室气体在线观测仪和气象要素观测设备,对石家庄上空(600—5500 m)CH_(4)浓度进行探测。探测期间共飞行7架次,取得7条CH_(4)浓度廓线数据。结果表明:石家庄上空近地面层(1000 m以下)CH_(4)平均浓度与同时间段区域背景站上甸子站CH_(4)浓度呈显著正相关(r=0.81,P<0.03)。探测到的CH_(4)浓度最小值为1898×10^(-9)摩尔分数,最大值为2219×10^(-9)摩尔分数,平均浓度为1981×10^(-9)摩尔分数。观测得到的7条廓线均有较好的一致性,2000 m以上,浓度均随高度呈先增大后减小的趋势。利用后向轨迹模式(HYSPLIT)对探测时段内石家庄上空不同高度层主要气流传输路径进行统计分析表明,600 m高度输送路径较短,CH_(4)浓度受本地排放影响较大;3000 m受输送作用影响较大,偏西和西南路径可能将较高CH_(4)浓度气团输送至石家庄上空;5000 m气团传输对CH_(4)浓度影响较小,浓度相对较稳定,对传输路径的变化不敏感。

2010-2019年中国CH_(4)时空变化及影响因素分析

该研究利用温室气体观测卫星上的傅里叶变换光谱仪反演的CH_(4)产品,结合瓦里关地面站点观测的CH_(4)浓度数据对遥感产品进行验证和校正,并基于校正后的数据分析了2010-2019年中国CH_(4)时空变化特征及其影响因素。结果表明中国区域CH_(4)柱浓度呈现明显的增长趋势,2010和2019年CH_(4)柱浓度年均值分别为5.43和5.71 mg/m^(3),10年间增长了0.28 mg/m^(3),年均增长率为0.51%。同时,CH_(4)柱浓度呈现12个月的周期变化,且存在明显的时空差异,月均最小和最大值分别出现在2月和9月,多年平均值分别约为(5.50±0.10)和(5.62±0.11)mg/m^(3),差值约为0.12 mg/m^(3),其中2019年2月和9月分别为5.64和5.78 mg/m^(3)。多年平均CH_(4)柱浓度值在5.47~5.68 mg/m^(3)之间变化,高值区主要分布在东部和南部的亚热带地区,2019年年平均最大CH_(4)柱浓度可达5.84 mg/m^(3);最低值区域出现在青海、西藏和新疆交界处,2019年年平均CH_(4)柱浓度约为5.63 mg/m^(3)。从省级行政区尺度来看,江西CH_(4)柱浓度均值最高,2019年约为5.84 mg/m^(3),这主要是水稻种植排放引起的;青海CH_(4)柱浓度均值最低,2019年约为5.64 mg/m^(3)。广西CH_(4)柱浓度的增长量最大,约为0.31 mg/m^(3),增长率为5.6%;黑龙江CH_(4)柱浓度的增长量最小,约为0.27 mg/m^(3),增长率为5.0%。

华东森林及高山背景区域CO_(2)和CH_(4)浓度变化特征

对国家大气背景监测福建武夷山站2014—2018年的主要温室气体监测数据进行分析,探讨华东森林及高山背景区域大气中CO_(2)和CH_(4)浓度的变化特征。结果表明:华东森林及高山区域CO_(2)背景浓度为414.1×10^(-6)(摩尔分数,下同),5年间呈逐年上升趋势;CH_(4)背景浓度为1977×10^(-9),2014—2016年呈逐年上升趋势,2016—2018年保持稳定;两者均具有较明显的季节和月变化特征,CO_(2)还具有较明显的日变化特征,但季节变化幅度、月平均浓度振幅和日变化幅度均较小,具有区域背景特征。