甲烷检测 篇1
甲烷浓度检测仪是监测煤矿井下甲烷浓度是否超标的重要设备, 其可靠性和稳定性直接影响着煤矿的安全生产。然而, 目前用于煤矿井下甲烷浓度的检测仪器普遍采用LED数码管或液晶作为显示屏, 不但耗电, 而且由于井下恶劣的环境, 经常会出现显示器损坏或显示驱动电路发生故障等问题, 导致无法实现预期的检测目标, 从而给煤矿的安全生产带来隐患。针对这些问题, 笔者设计出了一种带有LCD显示和语音播报功能的甲烷浓度检测仪, 当检测仪显示出现故障时, 监测人员仍然可以通过检测仪的语音播放功能及时获得甲烷的浓度值, 从而消除安全隐患;同时通过修正灵敏度等方法提高了检测仪的可靠性与稳定性, 保证了检测的准确度, 对井下环境的实时监测具有重要的意义。
1 工作原理
智能甲烷浓度检测仪采用具有语音播放功能的SPCE061A单片机和新型气体传感器相结合的方法对甲烷浓度进行检测。选用低功耗的非加热半导体气体传感器对甲烷浓度信号进行采集并转换为电信号, 然后通过单片机进行相应的数据处理, 并通过软件对仪器的灵敏度进行修正, 克服了传统的甲烷检测仪功耗大、灵敏度随时间降低等缺点。最后进行液晶显示和语音播报, 语音播报除播报浓度值以外, 还要提醒现场浓度是否超标, 因此, 要事先生成语音资源。为生成语音资源, 首先在PC机上通过麦克风输入语音信息, 利用Adobe Audition软件生成*.wav文件, 再利用SACMv41dx语音函数库附带的SunAudior对*.wav进行压缩编码, 生成*.s72文件, 并存放于工程, 供语音播放时使用。
2 总体结构及硬件设计
2.1 总体结构
智能甲烷浓度检测仪以带有语音播放功能的SPCE061A单片机为核心, 由非加热半导体气体传感器模块、电源模块、LCD显示模块、键盘模块、声光报警模块及语音电路等组成, 如图1所示。
该检测仪为手持设备, 由9 V锂电池供电, 接通电源后, 语音提示“欢迎使用”, 并进入待机状态。如果此时选择“浓度检测”, 则进入甲烷浓度检测状态, 采集甲烷浓度信号, 检测完成后, 与预先设定的报警限位值比较, 最后通过LCD显示甲烷浓度值, 同时进行语音播报, 并提示甲烷浓度是否超标。
2.2 各模块原理及硬件实现
(1) SPCE061A单片机
SPCE061A单片机是台湾凌阳科技股份有限公司推出的基于μ'nSPTM内核的16位单片机。它集成了不同规模的ROM、RAM、ADC和PWM、并行/串行接口等片内资源, 有丰富的I/O口资源 (共有32个I/O口) 。同时, 其内置2 KB的SRAM, 32 KB的FLASH, 可以用来存储较多的图形和文本代码。
(2) 气体传感器模块
传感器是决定检测仪精度的关键元件, 主要完成从物理量到电信号的转换, 是信号采集的第一步。通过比较各种气体传感器的测量精度、灵敏度以及稳定性等参数, 仪器选用的传感器为非加热半导体气体传感器, 是近年来出现的新型传感器。它采用纳米级SnO2进行合理的半导体掺杂, 以微珠结构制成非加热、低功耗、高度灵敏的可燃气体传感器。其最突出的特点是不用加热, 具有功耗小、工艺结构简单、成本低、灵敏度稳定、寿命长、应用电路简单等优点。该传感器工作电压为6 V, 输出电压为0～4 V, 可以直接与单片机接口, 将传感器的输出Vo与单片机的模数转换器ADC模拟输入通道IOA0相连即可。其测试电路如图2所示。
(3) 电源模块
电源模块由9 V转6 V和6 V转3.3 V两部分组成。直流3.3 V电源由SPY0029芯片提供, 为单片机、液晶显示、键盘、声光报警等模块供电;直流6 V电源由9 V经78L06芯片转换实现, 为传感器提供工作电压。
(4) LCD显示模块
LCD显示模块采用SPL10A液晶模块, 用以显示浓度值。LCD显示模块的数据输入/输出、数据/指令写入控制、片选3个引脚分别由单片机的IOA8、IOA9、IOA10控制。
(5) 键盘模块
键盘模块由4个按键组成, 采用独立按键式键盘, 分别与单片机的IOB0、IOB1、IOB2、IOB3引脚相连, 编程采用中断方式。其功能分别为选择模式转换、加1、减1和功能确定。
(6) 语音电路
由于凌阳公司提供了与语音相关的函数库SACM_LIB、API接口, 而且还推出了适用于凌阳单片机的具有高质量、高码率的特点的语音算法SACM_A2000, 可以方便地进行播放语音等语音方面的处理工作。因此, 由负载电阻与三极管8050以及1个4 Ω负载扬声器组成语音电路 (如图3所示) , 直接与SPCE061A单片机的数/模转换引脚DAC1连接, 就可以进行语音播报。
(7) 声光报警模块
声光报警包括浓度超值报警、电源电压不足报警以及灵敏度报警。浓度超值报警主要是提醒用户浓度已经超标, 此时指示灯闪烁, 同时语音提示;电源电压不足报警主要是提醒用户电量不足, 需更换电池, 否则将影响浓度的测量精度。经过实验发现, 当电源电压下降到一定程度后, 会造成测量误差加大, 从而影响测量的灵敏度, 所以必须检测仪器的电源电压。
3 软件设计
3.1 灵敏度修正
该检测仪通过传感器将甲烷浓度转换为电信号。实验发现, 在测量过程中, 传感器的灵敏度会随着使用时间的增加和仪器供电电源电压的下降而降低, 从而影响到测量精度, 因此必须对其进行灵敏度修正。由于该检测仪应用于环境比较恶劣的井下, 干扰信号较多, 若采用硬件电路补偿, 势必会引入新的干扰, 综合考虑, 采用软件方法来修正灵敏度。
假设在初始时传感器的灵敏度为S, 测得的某一标准气样的浓度值为c, 如果能得到灵敏度随时间下降后一系列时间点的灵敏度S1, S2, …, Sn对应的浓度值c1, c2, …, cn, 那么得到参数Ki:
根据这n个数据对 (Si, Ki) , 得出各个时间点的相对浓度比值和灵敏度的对应关系曲线:
将式 (2) 存入单片机的FLASH中, 测量时得气体浓度值ci, 根据传感器的输出算出灵敏度Si, 将Si代入式 (2) 计算出Ki, 再由式 (1) 得
3.2 软件设计程序
软件采用功能模块化设计, 由主程序和4个子模块组成。主程序完成初始化、系统自检和子模块调用;数据采集和A/D转换子模块自动完成对信号的采集并进入单片机A/D口;数据处理子模块对A/D口采集的数据进行处理 (包括电压大小、频率参数的处理) ;液晶显示子模块完成对液晶模块的软件驱动、浓度显示;中断子模块完成各种中断信号的处理, 如按键等。
软件程序采用汇编语言和C语言混合编写。SPCE061A型单片机汇编语言和C语言可以互相调用, 且可读性好, 可靠性高。系统的开发平台是凌阳IDE集成开发环境软件包, 其开发通过在线调试器PROBE (既是一个编程器, 又是一个实时在线调试器, 代替了在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器) 实现。主程序流程如图4所示。
4 结语
本文介绍的甲烷浓度检测仪利用具有语音处理功能的单片机SPCE061A作为主控芯片实现对甲烷浓度的检测, 使得仪器具有LCD显示和语音播报2种输出模式, 克服了以往甲烷检测仪出现显示损坏就不能工作的缺点;另外, 通过软件修正检测仪的灵敏度, 保证了甲烷浓度的测量精度。该检测仪在硬件、软件上采用模块化结构设计, 采取了软件抗干扰技术, 提高了仪器工作的稳定性和可靠性。
摘要：设计了一种基于语音单片机SPCE061A和非加热半导体气体传感器的智能甲烷浓度检测仪, 详细介绍了该仪器的工作原理、硬件结构和软件设计。该仪器有LCD显示和语音播报两种输出模式, 直观实用;还可通过软件修正灵敏度, 克服了传统检测仪器存在的气体传感器输出与甲烷浓度难以线性化、灵敏度随时间和电源电压下降而降低的缺点, 保证了测量的准确性。
关键词：矿井,甲烷浓度,检测仪,气体传感器,灵敏度,SPCE061A
参考文献
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[4]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.
甲烷检测 篇2
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。
甲烷检测 篇3
【关键词】M(分子式C7H5NS2化学名2-巯基苯骈噻唑）;色级;碱洗;PH
1.M含量检测
1.1 M含量检测的反应原理
通过M的钠盐与碘反应测定M含量。碱液与M生成巯基苯骈噻唑钠，巯基苯骈噻唑钠中游离碱再与盐酸发生中和反应，然后主要成分巯基苯骈噻唑钠在近中性溶液中与碘进行定量反应，生成二硫化二苯骈噻唑。试样中M不溶于水不参加反应，M在酸性条件下生成，所以试样的PH调在6.0—8.2之间。
1.2 M含量检测程序
1.2.1仪器与试剂
250ml量筒50ml带刻度比色管250ml分液漏斗500ml烧杯磁力搅拌器100ml碘量瓶10ml移液管250ml碘量瓶100ml容量瓶50ml茶色滴定管50ml酸式滴定管；0.0500mol/L碘标准溶液,酚酞指示剂,淀粉指示剂,黄绿色贮备液（以上试剂制备参照2010年药典二部） 1.0mol/L的盐酸溶液（以上试剂均为分析纯，水为纯化水）饱和氢氧化钠溶液（工业用片碱）。
1.2.2检测
（1）碱洗：量取200ml二氯甲烷废料，加入50ml碱液（约6—8ml饱和饱和氢氧化钠溶液稀释至50ml），用磁力搅拌器搅拌5分钟，然后倒入分液漏斗中静置20分钟，分出上层水相。
（2）取10ml0.0500mol/L碘标准溶液稀释10倍使成 0.005mol/L碘标准溶液。取水相10ml于250ml碘量瓶中，加入50ml蒸馏水，加入2滴酚酞指示剂，用1.0mol/L的盐酸溶液滴至红色消失，使水相PH在6—8之间。
（3）随即在振荡下用0.0050mol/L的碘标准溶液滴定至近终点，加1ml淀粉指示剂，继续滴至第一次出现清晰的蓝色为止。
1.2.3计算
X=2*M*V*167.2573*5/0.2(mg/L)
式中：X—每升二氯甲烷废料中含M的毫克数，M≦540.0000mg/l。
M—滴定用碘标准溶液的摩尔浓度，mol/L
V —消耗碘标准溶液的体积，ml
167.2573—M的摩尔质量，g/mol
1.2.4备注
（1）碱液密度范围1.0600～1.0800g/ml,碱液配制方法：室温取5～8ml饱和碱液稀释至50ml，用密度计测量在上述范围内即可。
（2）静置分层后的水相要马上测M含量，因为M在空气中放置一段时间会发生反应，使测定结果偏低。
（3）水相用碘液滴定时，蓝色如果振荡一下马上消失，那么继续滴定；如果放置1～2分钟蓝色才消失，那么已到滴定终点。
（4）碘液应放在冷暗处保存，稀释后的碘液可保存2天使用，超期则不可继续使用。
1.3废二氯甲烷颜色与M含量的对照关系
用黄绿色贮备液配制不同色级比色液：1#色级为吸1ml贮备液稀释到25ml；1.5#色级为吸1.5ml贮备液稀释到25ml；2#色级为吸2ml贮备液稀释到25ml；2.5#，3#以此类推，当色级＜2.5#，M含量都在允许范围内，所以通过色级观察可增加检测方便性。
2.废二氯甲烷洗料方法和M检测时水相PH调节范围不同时对M含量影响的实验部分
2.1仪器
磁力搅拌器、酸度计、酸式滴定管、碱式滴定管、带刻度的比色管 500ml烧杯。
2.2试剂
碘液0.0050mol/L淀粉指示剂、酚酞指示剂、盐酸1.0mol/L，氢氧化钠0.02mol/L饱和氢氧化钠溶液（工业用片碱）。
2.3废二氯甲烷洗料方法对M含量影响的实验部分
2.3.1简介：大生产中含M的废二氯甲烷除去M的洗料方法：
45Kg片碱+0.6m3水，加入到2.6m3的废料中，置于生产搅拌釜中，搅拌20min,静置30min，分出上层水相，调水相PH为酸性，M析出，用离心机分离出M，下相废二氯甲烷进行蒸馏回收。
45Kg片碱+0.6m3水配制的碱水密度：1.06—1.08g/ml
废料二氯甲烷体积：碱水体积≈4：1
2.3.2大生产上，已碱洗的废料二氯甲烷，测M含量，共做6批：M含量为平均值：435mg/L,最高值539mg/L，最低值368mg/L。
2.3.3大生产上未做碱洗的废二氯甲烷，实验按大生产同样方法1次碱洗后，M含量共做3批，M平均含量476mg/l。
2.3.4大生产上未做碱洗的废二氯甲烷，实验室一次碱洗时，废二氯甲烷体积：碱水=2：1，M含量共做8批，M平均含量=154mg/l，最高值193mg/l，最低值101mg/l。
2.3.5说明一次碱洗料时增加碱水比例可有效降低M含量。
2.3.6考察碱洗时，单独加大水量或碱量时，对M含量的影响：
（1）一次碱洗时 废二氯甲烷体积：碱水体积=4：1，再加入一份与碱水等体积的水洗料，测得M含量565mg/l。
（2）一次碱洗时 废二氯甲烷体积：碱水体积=4：1，再加入一份与碱水中碱含量相当的片碱洗料，测得M含量582mg/l。
（3）一次碱洗时 废二氯甲烷体积：碱水体积=4：1，测得M含量540mg/l。
（4）实验结果说明：单独放大加水量或片碱量洗料，对降低M含量影响不大。
2.4做M检测时水相PH调在6—8之间时，对M含量影响的实验部分
1＃水相：一次碱洗时，废二氯甲烷体积：碱水体积=2：1，然后做M含量检测时的水相PH与M含量的对照。
M含量误差＜2.7%
2＃水相：一次碱洗时，废二氯甲烷体积：碱水体积=4：1，再加入一份与碱水等体积的水洗料，然后做M含量检测时的水相PH与M含量的对照。
M含量误差＜2.3%
3＃水相：一次碱洗时，废二氯甲烷体积：碱水体积=4：1，再加入一份与碱水中碱含量相当的片碱洗料，然后做M含量检测时的水相PH与M含量的对照表。
M含量误差＜3.5%
实验按第一次碱洗时废二氯甲烷体积：碱水体积=2：1，共洗四批未经碱洗的二氯甲烷废料，然后做M含量检测时的水相调在不同PH下对M含量的影响，数据如下：
各组M含量误差：1＃＜5.7%，2＃＜1.2%，3＃＜1.1%，4＃＜0.7%，所以PH范围定在6—8之间。
2.5 M含量检测标准
一次碱洗时，按废二氯甲烷体积：碱水体积=4：1洗料，M最高含量控制在540mg/l；当按废二氯甲烷体积：碱水体积=2：1一次碱洗时，M最高含量控制在200mg/l。
3.结论
甲烷检测 篇4
管网饮用水三氯甲烷检测与影响因素分析
目的研究三氯甲烷(trichloromethane,TCM)在配水管网中的变化及其他水质指标对其生成量的影响.方法对我国北方某市市区配水管网饮用水中TCM、自由余氯、254nm紫外吸光度(UV254)、溴离子(Br-)等水质指标进行了监测.结果自由余氯与TCM在管网中的.变化呈一定的负相关关系.经较长距离的输配后管网水中的UV254与TCM呈现一定的负相关关系.Br-含量较低的监测点,Br-含量的变化与TCM浓度呈一定的正相关关系;Br-含量较高的监测点,Br-含量的变化与TCM浓度呈一定的负相关关系.结论从水源污染、消毒剂的使用、出厂水水质稳定性和管网腐蚀4个方面,分析了问题的原因并提出了相应的措施.
作 者：吴卿 赵新华 WU Qing ZHAO Xinhua 作者单位：天津大学环境科学与工程学院环境工程系,天津,300072刊 名：中国公共卫生 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF PUBLIC HEALTH年，卷(期)：22(5)分类号：X832关键词：饮用水 三氯甲烷(TCM) 消毒副产物
微纳甲烷传感技术的研究 篇5
瓦斯是煤矿生产中的重大危险源。甲烷是瓦斯气体的主要成分,占90%以上。检测煤矿瓦斯浓度通常指检测甲烷的浓度。甲烷传感器在煤矿瓦斯防治、灾害预警、保障安全生产和事故调查中用于检测煤矿瓦斯浓度,具有重要作用。成熟的甲烷检测方法主要有催化燃烧法、半导体气敏法、光谱吸收法、气相色谱法、光栅、热导等[1,2,3,4,5,6]。在环境恶劣的煤矿井下(表现为湿度大、空气中悬浮杂质(如煤尘等)含量高),目前大多采用载体催化燃烧式甲烷传感器、热导式甲烷传感器。其他类型如光干涉甲烷传感器、激光甲烷传感器、红外甲烷传感器、光纤甲烷传感器等,因成本较高、功耗大而较少应用;气相色谱分析仪检测精度高,但其结构复杂,体积大,检测过程复杂,目前主要用于实验室分析。
作为矿山物联网的核心器件,传感器尤其是甲烷传感器正朝着低功耗、微型化方向发展。微纳米技术为甲烷传感器的低功耗、微型化、低成本设计提供了可能。本文主要研究基于微纳米技术的载体催化燃烧式甲烷传感器,分析了其微加热器、低维甲烷传感以及基于微纳新结构的甲烷传感器。
1 微加热器
微型气体传感器是集物理性能、化学性能、电性能于一体的微电子器件,通常需要达到相应的高温才能实现气体检测功能,且其性能依赖于微加热器的加热温度。因此微加热器是微型气体传感器中的主要研究内容。
微加热器也称为微加热板,其决定了微型气体传感器的功耗、灵敏度等性能指标。目前多采用铂作为微型气体传感器的加热材料,此外还可采用NiFe合金、SiC膜、多晶硅、单晶硅、钨、MOSFET等[7]。承载加热材料的多为氧化硅、氮化硅等硅基材料,也可采用低温共烧陶瓷、氧化铝陶瓷等[8]。目前已研究出多种结构形式的微加热器。早期的微型气体传感器加热结构为在硅刻蚀后形成的LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,低压力化学气相沉积)氮化硅等薄膜上制备金属加热电阻,并在其上制备催化剂载体和催化剂[9]。该种微型气体传感器上还设计有温度传感器。因硅衬底热导率高,为降低功耗,可采用硅加工技术去除加热电阻下方的硅以形成隔热薄膜。图1为一种采用硅背面湿法刻蚀的微型气体传感器结构[10]。此后逐渐研发了四支撑臂连接支撑的悬空加热器、桥式悬空加热器,如图2所示。2种微加热器均采用正面湿法刻蚀加工,所需刻蚀窗口较小,硅片面积利用率高。
中国在微加热器研究方面取得了众多成果。董华霞[11]提出并制备了用于甲烷检测的基于微电子加工工艺的平面型载体催化元件。中科院上海微系统与信息技术研究所[12]研发了3D凹槽式微加热器,如图3所示。该微加热器采用硅正面湿法刻蚀加工,其加热电阻制备于硅刻蚀所形成的硅凹槽中。大连理工大学提出一种采用与CMOS加工工艺兼容的钨为加热材料的微加热器,如图4(a)所示。该微加热器采用硅正面湿法刻蚀加工,用于制备半导体金属氧化物气体传感器。由于金属氧化物半导体材料需要2个电极,所以该微加热器具有4个支撑臂,其工艺流程如图4(b)所示[13]。
国外研究者提出了一种以铂为加热材料、采用多孔硅湿法刻蚀而成的微加热器,图5(a)为该微加热器SEM照片,图5(b)为制备有催化剂载体的传感元件照片[14,15]。多孔硅湿法刻蚀是从硅正面进行湿法刻蚀,属于硅正面刻蚀方法。图6为基于SOI CMOS MEMS工艺加工的微加热器,其以钨为加热材料,从衬底背面采用干法硅深刻蚀工艺加工至埋层SiO2释放出热隔离薄膜,其结构如图6(b)所示[16]。
微加热器将电能转换为热能。对于微型气体传感器而言,其微加热器的研究尚面临很多挑战。要实现微加热器的高温低功耗,关键是限制热量的散失,一般需要较长的支撑悬梁。但支撑悬梁过长,则微加热器的机械强度将难以保证,因此必须选择一个合适的长宽比。对于相同的膜区温度,减小加热膜区的面积可直接减小气体传导的热散失,从而降低功耗。但加热膜区过小会影响微型气体传感器的探测灵敏度,因此在功耗和灵敏度之间进行平衡时,需要考虑加热膜区面积这一因素。微加热器一般具有明显的温度梯度,在负载催化剂载体前后其温度分布会发生明显改变。而微型气体传感器的催化剂或敏感材料需要较均匀的温度分布,这就要求微加热器具有合适的温度分布,以保证在负载催化剂载体及催化剂后有良好的气体传感性能。同时由于加热催化剂载体的需要,负载催化剂载体后的功耗比没有负载催化剂载体时大很多,该问题需要深入研究。应用金属作为加热材料可精确控制温度,但通常难以实现高温过程,因此对需要高温的气体检测而言,选择何种加热金属也是一个必须考虑的问题。
2 基于低维材料的甲烷传感技术
传统的金属氧化物半导体材料,如氧化锌、氧化锡等稳定性及选择性差,较难满足气体传感的需要。通常需要掺入合适的材料,如含有贵金属催化剂的Al2O3、氧化硅、氧化锆,或将上述材料制成过滤层等来提高传感性能。 也可应用BaSnO3,Ga2O3,CaZrO3/MgO,MnO2等来解决气体传感的选择性和稳定性问题。图7为采用Ni2O3修饰SnO2颗粒薄膜的甲烷传感器工艺[17]。该工艺采用多壁碳纳米管辅助Ni沉积,在Ni氧化过程中去除碳纳米管。
通常,金属氧化物半导体甲烷传感器和催化载体式甲烷传感器需要加热到400℃甚至更高温度才能获得期望的传感性能,为此需要消耗较大的功率。为了降低功耗,许多新型低维材料如碳纳米管、石墨烯等引入甲烷传感研究领域[18,19],并通过实验发现这些材料仅需较低的加热温度甚至在室温下就对甲烷具有敏感性,如水热法制备的SnO2纳米柱在相对较低的加热温度(100 ℃)下对低浓度甲烷敏感且响应时间较短(13s)[20]。图8为一种单壁碳纳米管负载钯的室温甲烷传感器,负载有钯的单壁碳纳米管分散在叉指电极上,并利用叉指电极检测碳纳米管电阻的变化[21]。负载钯的多壁碳纳米管在室温下也对甲烷具有较高的灵敏度[22]。侯若男等[23]研究了氧化石墨烯及热还原产物对甲烷与氢气的敏感性能,发现不同条件制备的产物对甲烷具有一定的互补敏感特性。研究发现,VO2纳米薄膜在室温下也对甲烷有敏感特性[24]。上述低维材料在甲烷传感方面显示了良好的敏感性,但响应时间普遍较长。
3 基于新结构的微型甲烷传感器
金属氧化物半导体微型甲烷传感器及催化载体微型甲烷传感器通常在微加热器上制备金属氧化物材料或催化载体与催化剂,图5(b)即为在微加热器上制备有催化载体材料的传感元件。通常制备在微加热器上的金属氧化物半导体材料使用叉指电极进行气体敏感特性传感。与该传统结构不同,图9给出了一种制备在微加热器上的基于氧化锌的新型MIM(金属-绝缘体-金属)结构的金属氧化物半导体甲烷传感器[25]。针对外加电场影响催化燃烧式甲烷传感器输出灵敏度特性的研究[26]将有助于对一些易燃气体的识别。这些新结构与新效应、新原理相结合,有可能产生良好的甲烷传感特性。
4 结论
(1)甲烷等气体传感器所需的微加热器已有多种结构形式,可采用不同的工艺加工,为基于微纳技术的甲烷传感器的产品化奠定了重要基础。
(2)低维材料的甲烷敏感新特性以及基于新结构和新原理的微型甲烷传感器值得进一步研究和挖掘。
甲烷检测 篇6
关键词： 甲烷； 气敏传感器； 浓度监测； 报警装置
中图分类号： TP 212.9 文献标识码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.015
引 言
随着生活水平的不断提高，家用可燃性气体的使用得到了普及[1]。在使用可燃性气体的过程中，因泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外时有发生，给人们的生活带来了极大的威胁。因此安全使用燃气，如何有效地预防爆炸和中毒等意外的发生，成为了人们日益关心的话题。要解决这个问题，必须加强对天然气的监测监控。
检测气体的方法有多种，如热导法、红外光谱系数法、超声波测量法、气敏半导体法和热载体催化元件检测法等。目前较为先进的方法是非分光红外法[2]。其原理是：绝大多数双原子分子和多原子分子气体在红外波段均有特征吸收峰，可用红外吸收光谱法进行气体浓度的检测[3，4]。但是其价格昂贵，用于设计小型检测装置成本较高，不适用于一般家庭安装。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应时间快、价格便宜、不需定期标定、寿命长等优点，适合家用报警。
现设计采用气敏传感器，对可燃气体（其主要成分CH4）浓度信号进行监测并将其转变成电压信号，与已设定的电压信号进行比较。当气体浓度超过设定值时，气敏传感器输出的电压值超过设定的电压值，经过三极管放大后，驱动蜂鸣器工作，实现装置的报警功能。
1 电路的组成及工作原理
监测装置的设计主要由电源、气敏传感器电路、比较器、放大电路和报警电路组成。图1即为甲烷浓度监测报警装置设计的具体框图。首先气敏传感器根据所监测到的气体浓度的不同，表现出不同的电压信号，传感器输出的电压信号进入比较器与已设定的电压信号进行比较。如果传感器输出的电压信号小于已设定的电压，就不能驱动后面的报警电路工作，则表示空气中甲烷气体浓度小于报警浓度值，在正常值范围内；如果传感器输出的电压信号大于已设定的电压，则经过后面的放大电路放大，从而驱动报警电路工作，发出报警信号，就表示空气中的浓度已经超过了报警浓度值，这时候人们需要打开门窗或者关闭煤气通道等以减低甲烷在空气的浓度，防止意外事故的发生。
2 气敏传感器的选择
2.1 TGS813的简介
2.2 TGS813 的工作原理
2.2.1
灵敏度特性
4 结 论
利用气敏传感器TGS813及其他元件的特性，使其相辅相成，从而设计出高性价比的燃气报警装置[9]。该家用甲烷浓度监测装置电路简单，还可以根据用户需要和具体情况进一步改进该报警装置。如果向智能家居方向发展，可以加一个GSM模块，即使家里没人或者没有听到报警声音，也能通过发短信的方式及时通知用户，给报警加双保险。此装置推广到普通家庭，作为燃气洗澡装置和厨房可燃气的泄漏报警器，只要将其安装在燃气装置附近即可实现自动泄漏报警，应用前景广阔。
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《甲烷》教学反思 篇7
研究甲烷结构时，学生之间相互讨论，相互评价课前学生制作的甲烷模型，课堂气氛轻松活泼，学习效果较好;当学习到甲烷的性质──氧化反应时，及时解释了新闻报道中煤矿的矿井发生瓦斯爆炸的原因，并指导学生阅读教材上的资料卡片等教学资源，让学生认识到甲烷点燃前必须检验其纯度。
本节课的另一个重点及难点的内容――取代反应，由于取代反应的实验现象不是很明显，所以在实际的教学实践中，用了视频片段让学生清楚地看到反应的过程，也用真实的实验予以支撑，并设置了相关探究问题，以期望学生能够积极参与近来。但是其具体实施过程还不能够完全让学生参与进来，所以还不能完全体现探究的成果。此方面需做进一步的改进和再设计，以达到学生最大程度理解和掌握的目的。从课堂上反馈的信息可知，学生对取代反应和初中学过的置换反应、复分解反应概念模糊不清，须课后通过练习强化。
甲烷裂解过程热力学分析 篇8
克里斯托·古尔特，迈克尔·达罗克斯，弗朗西斯·比尔奥迪
(1996年5月15日接收，1996年12月17日接受）
摘要：依据烃类生成自由能变化与温度的函数可知，甲烷在530℃到1030℃环境中不稳定，但其依然是烃类在这一温度范围中最稳定的。利用甲烷分别生成乙炔和乙烯时，温度必须达到1200℃和1300℃。然而，升温至1230℃后，乙烯才是最稳定，在这一温度时乙炔含量占绝大多数。根据生成焓变换与温度的函数可得，甲烷热解生成乙炔需要吸收很高的能量，我们用最小吉布斯自由能法分析得出其合成物是CH4、C2H4、C2H2、C6H6和H2。最小吉布斯自由能法不需要对化学平衡反应有很深的认识，计算参量是初始氢碳比、温度、压强和各种物质的吉布斯自由能，对这个复杂化学平衡反应的分析有助于识别某一分子稳定时的温度域。温度低于1200℃时，甲烷含量几乎不变，最主要烃类生成物是苯，其次是乙烯，没有乙炔生成；温度高于1200℃时，有类乙炔结构（如乙炔）的烃类生成，同时还有C2H，C3H和一些像H和CH3的自由基生成。这意味着温度高于1200℃时C-C和C-H键断裂，出现的类乙炔结构烃类具有越来越小的H/C比，而且发现最初氢是以分子形式出现，反应介质中存在的氢具有提升富氢烃类（主要是CHI、C2H4和甲烷的转变减少）含量的影响。
关键字：甲烷；热力学；热解 ；高温；吉布斯自由能；化学平衡
Abstract-In accordance with the changes in the free energies of formation of hydrocarbons as a function of temperature, methane is unstable in terms of its elements from 530℃ , but remains the most stable of hydrocarbons up to 1030℃.Using methane, it is necessary to reach temperatures of 1200℃ and 1300℃ to produce, respectively, acetylene and ethylene.However, since acetylene becomes the most stable hydrocarbon from 1230℃, it is acetylene that predominates at this temperature.According to the variation in the enthalpies of formation as a function of temperature, the pyrolysis of methane demands a very high energy input to form primarily acetylene.We calculated the composition of a mixture CH4, CzH4, C2H2, C6H6 and H2 at thermodynamic equilibrium by minimizing the Gibbs energy of this system.This method does not require prior knowledge of the chemical reactions taking place at equilibrium.The calculation parameters are the initial H/C ratio, the temperature, the pressure and the Gibbs energies of each substance.The analysis of the complex chemical equilibria helps to identify temperature zones corresponding to stability domains of certain molecules.Below 1200℃, the disappearance of methane is slight, and the main hydrocarbon produced is benzene, followed by ethylene, without any significant formation of acetylene.Species with acetylenic structures(like C2H2)appear above 1200℃, as well as C2H, C3H and radicals such as H and CH3.This means that the C-C and C-H bonds split above 1200℃.The species present have an increasingly small H/C ratio, and the initial hydrogen is found virtually in molecular form.The presence of hydrogen in the reaction medium has the effect of increasing the proportion of the hydrogen-rich species, chiefly CHI and C2H4, and of decreasing the conversion of methane.Keywords: Methane;thermodynamics;pyrolysis;high temperatures;Gibbs energy;chemical equilibria.1.前言
天然气成分基本是甲烷（根据来源估算其体积占比83%到97%），因此天然气很难被液化，而且具有很强的化学惰性。在一篇早前比尔奥迪以及其他人撰写的文章中，我们简略的提到了甲烷的使用和制备流程，并详尽地描述了热耦合的甲烷，也就是我们在实验室（DCPR，法国南锡）研究过的甲烷直接转化类型。甲烷的化学稳定性（卡派特那等，1996）受关注很长一段时间了，同时学者也对甲烷裂解（比尔奥迪等，1992；洛克斯坦德等，1991,1992）进行了重要的研究，并发表了许多文献综述（肯韩与克雷纳丝，1970；奥玛，1982；布莱克和贝克，1983；比尔奥迪等，1989）。
为了知道热耦合甲烷最佳合成条件,我们开始从热力学方面研究热解甲烷/氢混合物。无疑要指出的是,因为动态约束不能被忽视，这些热力学因素不能自行描述复杂的系统检查。我们因此认定,甲烷裂解具有热力学可行性,并确定特定H/C比温度范围有利于生产特定生成物种类,如乙烯和乙炔。
分子结构的饱和烃由两种类型的键构成,碳碳键和碳氢键。因此热活化烃类需要分裂碳碳或碳氢键,分馏成更轻的烃类分子。实验得到键能数据表明碳碳键弱于碳氢键。此外,吸热离解反应使键断裂都借助于任何能削弱键联接和任何能稳定形成自由基的物质。自由基形成的双键释放能量也利于离解反应。因此,碳氢化合物裂解实质是一系列反应介质中不同物质参与的吸热离解和放热复合反应。然而,学者们普遍认同主要烃裂解过程是通过分裂碳碳键进行的。在线性烷烃裂解时,碳碳键分裂形成一种烷烃和一种烯烃。在线性烷烃中,因为甲烷分子不可再分馏成更轻的碳氢化合物，甲烷分子具有一些特性。事实上,可以观察到甲烷分子耦合形成更高的烃类(不饱和烃)。甲烷分子活化过程也是需要分裂具有很高离解能(104千卡/摩尔)的碳氢键,因为这过程会生成一个叔碳。一般来说,热解反应是一个吸热反应,通常需要高温(8002230°C温度范围以100℃为间隔,认为所有14种组分H / C = 4,压力为一个标准大气压。对于其他的计算,我们限制温度范围为430800°C(图3),而纯甲烷只有从1000°C开始分解。这证实了甲烷的稳定性并告诉我们:甲烷裂解反应只是在这些温度热以上可行。在这个温度范围内,烃产品主要是苯,其次是乙烯,即富氢烃类,没有可观测到的乙炔形成。这证实了苯在低温的稳定性。相比之下,烷烃,如C3H8和C4H10都不出现。
这是由于碳碳键易断裂导致烷烃结构的脆弱性。这种机制随着烷烃分子量上升更加明显。这证明了众所周知的事实,温度低于1200°C是有利于从大分量烷烃生产类乙烯烃类却不会有乙炔生成。
同时还有非常多的氢生成。1200 < T < 2230°C温度范围利于乙炔生成而不利于富氢烃类(CH4,C2H4)生成(图3)。这证实了这种化合物在高温下比苯和乙烯更稳定。
这些温度利于生成类乙炔的烃类(C2H、C3H)和自由基H、CH3。这意味着高于1200℃碳碳键和碳氢键的分裂使得三键形成。因此,生成的烃类H/C比越来越下、初始氢以分子存在。并且这个范围有利于形成焦炭。
2.1.H/C比的影响
我们通过改变初始混合物(纯甲烷,H2/CH4= 1,H2/CH4 = 2)的组成对应于图410绘制CH4,C2H4,C2H2和C6H6不同摩尔分数关于温度和H / C比的函数。我们把所有的结果关联1个标准大气压的初始甲烷分压作为我们的实验结果,得到了10 x 5 Pa压力下的管流反应。
在一个给定的温度(图7)，观察到增加H / C比值(更大量氢气稀释)导致抑制甲烷裂解。相比之下,利于形成乙烯和乙炔(图8和9)和不利于形成苯(图10)。这个观察支持罗科斯坦等（1992）的研究，他还观察到以氢稀释从0/1到9/1使得氢分压降低时，甲烷裂解受抑制。
然而,可能得到430到1730℃时，氢稀释对乙烯产量影响更强而不是对乙炔,证实了分析之前进1000到1500℃之间(罗科斯坦等,1992)提出的结论。然而,温度仍然是一个重要的参数,因为升高温度时最终产品大部分是乙炔。
2.2.压力的影响
我们分析了H / C=4时压力P对热力学平衡的影响,假设压力为0.1,1和10 标准大气压。根据这些计算的结果,我们以CH4,C2H2,C2H4,C6H6的摩尔分数关于不同的压力下温度的函数绘制图11-14。
可以得到增加压力一般不改变图的形状,但会使得平衡曲线走向更高的温度。增加压力抑制甲烷裂解(图11和14)和低氢烃类(C2H2和C6H6)(图13和14)的形成。苯的情况稍微复杂，于压力而言对其影响不统一,但是是在约1200°C时逆转。这支持我们的实验结果(古雷特,1993)，许多情况下甲烷裂解所需的温度高达1200°C。事实上,实验表明,生成甲烷需要温度水平达到1200°C，在这种情况下,产品主要有乙烯、乙炔、苯和氢,以及焦炭。
相反,它有利于形成C2H4(图12)。这似乎表明,碳碳键和碳氢键在高压下分裂更加困难。
3.结论
分析复杂化学平衡有助于确定不同温度范围相应稳定存在的分子。实际上,温度是裂解反应最重要的参数。温度低于1200℃时，氢质量分数高的烃类(CH4,C2H4)特别稳定,而温度高于1200℃优先生成乙炔。在这个温度范围，氢基本是以分子形式存在。温度进一步升高，则主要是原子形式。增加的压力促进氢质量分数高的烃类(CH4,C2H4)浓度升高而抑制氢质量分数低的烃类(C6H6)浓度。当然这是由于碳氢键在高压力下更难分裂。增加压力因此尤其使得甲烷转化率下降。事实上,恰恰相反,假定增加甲烷部分压力将增加这个转换的引发反应:
CH4+M→CH3+H+M.反应介质中存在的氢倾向会增加氢质量分数高的烃类含量而降低氢质量分数低的烃类含量，并使甲烷转化率降低。
然而必须指出的是,这种有效压力或氢基本上不改变图的形状,尽管事实上压力对缩合反应有着重要影响，但温度仍然是重要的参数。总之,目前尚不清楚增加压力是否倾向生成高H/C比的产品。
结果发现温度和稀释(这里指用氢气稀释)是甲烷裂解的两个重要的参数。特定温度对甲烷的转化和烃类分布有很明显影响。热力学因素由此表明,消耗乙烯和苯使乙炔生成量的增加必须同时提升温度。
注释
Ci
不同浓度的成分 i;
o
(△hfT)i
化合物i在参考温度下的标准生成焓；
o
Exponent o
表示热力学标况（P=1 bar，气体为理想状态）；
G
吉布斯自由能；
o)i
物质i的吉布斯自由能；
（gT
ni
组分i的摩尔数；
P
以巴为单位的压力；
T
凯尔文温度；
To
参考温度。
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SUBJECTED TO CONSTRAINTS ALGORITHM OF FLEXIBLE TOLERANCES
A.l.General presentation of the problem of the optimization of a nonlinear objective function with constraints Let f(x)be objective function, h1(x),....,hm(x)the equality constraints, and gm+1(x),..., gp(x)the inequality constraints, where x = [x1,..., xn]T is a column vector whose components are x1,...,xn,The variables x1, x2,...,xn,may be design parameters, operating variables, control parameters, etc., whereas the objective function may represent a cost, a profit, a quality criterion, etc.and the constraints represent restrictions in the operating conditions, technical constraints, capacity limits;or safety factors.The problem of the optimization of a nonlinear objective function is expressed in the following general form: Minimize
f(x)X∈En
with m linear and/or nonlinear equality constraints:
关于《甲烷》一节学案设计的解读 篇9
尖草坪一中化学组卢镇芳
一、《学习目标》的设计与解读
《化学课程标准》关于此部分的要求如下：了解有机化合物中碳的成键特征。活动和探究建议为：制作简单有机分子的结构模型。教师用书的教学目标设计为：了解甲烷的主要性质吉他在化工生产中的作用，认识取代反应的特点。通过对甲烷分子结构的认识，初步体会有机分子的结构特点及其对性质的影响。通过对甲烷的结构和性质的学习，体会无机物与有机物的区别与联系，初步学会化学中队有机物进行科学探究的基本思路和方法，初步形成对于有机化学领域的学习兴趣。我们的学习目标基本围绕所要求的标准设计。活动和探究按照除了按照教材60页的实践活动进行还让学生组装球棍模型来感受甲烷分子的空间构型。
二、《问题导引》的设计思路与解读
本节问题导引部分主要是把学生初中已有的关于有机物的知识和高中进行接轨。让学生动手去查阅资料并组装分子模型。组装感受有机物是一系列以碳为骨架的化合物，初步体会碳的成键特征。
三、《随堂练习》设计的解读：适宜的题目数量，题组达标分析
题目的设计可以说是围绕教学目标展开并有所拓展。我的做法是题目的完成穿插于为达成教学目标而设计的四个学习主题中，更有针对性。共有8个必做题，一个拓展题。题量可谓适中。对于学习能力差一点的学生来说，有一定的难度。必做题有几个略有难度，但是对学生在思维模式和实验设计上可以拓展。所以效果还是不错的。拓展题设计的本意是要进行和物理学知识的穿插，但就学生的完成情况看，学生对于液体压强和连通器原理的知识很少，所以解决起来较为吃力。
四、《思维导图》解读
我设计的思维导图其目的是把本节课知识的关联体现出来。既要体现知识的整体性，又要凸显重点知识和方法。我用色块来强调基本概念，括号内不同颜色的注解来总结有机化学学习的思路方法的侧重所在。目的是不仅要掌握必要的知识，而且要为以后有机化学的学习开拓一条方法之路。可以说实际看来学生形成了有机化学学习的粗略的方法。
五、《自主设计》解读
主要是两方面的的总结，学生在看了教师的思维导图后进行了两方面的总结：基础知识包括概念、结构、性质几方面。基本方法：认识有机物的结构特点、形成有机物物理性质的学习方法、认识有机反应的特点、从甲烷的取代反应出发形成挖掘内涵和外延以点带面的学习有机反应和实验的思路。
六、课堂小结方面
（一）学生的表现反馈信息
1、自主课的学习状态必须高效积极。要抓紧时间阅读教材，努力完成学案，并提出自己在课本和学案中的问题。否则展示难度很大，展示出的东西漏洞很多。
2、展示课上学生要有补充和质疑的思路和勇气。教师也要及时出手帮助梳理。
（二）本节课的亮点与最大收获
1、学生组装的模型非常漂亮完美，切实感受到了碳成四键的规则。
2、关于甲烷四键是空间还是平面构型的争论最终以事实胜于雄辩的实践思想得以圆满达成正确共识。当时，我从不同的小组各拿取了一个二氯甲烷的模型，只要一转动就可以发现原来它们都是同种空间构型。学生有恍然大悟的感觉。从而对有机分子构型有了空间构型的认识。这种做法不论是对教师的教还是学生的学都具有深远的科学引领作用。
3、学生意识到甲烷的氯代产物除四氯甲烷以外，只能是四面体构型，而不再是正四面体构
型。
4、通过对甲烷取代反应的实践深刻感受到了有机反应的特点。
（三）反思
要有严格的“1+1”操作章程，而且必须深入学生意识且有实际行动，才可以保障自主课和展示课达成学习目标。
（四）改进
甲烷检测 篇10
教学目标 1.知识与技能
（1）通过原子结构的分析和空间模型的展示，形成对甲烷组成和结构的正确认识。
（2）从探究实验入手，正确归纳甲烷的物理性质和化学性质（重点是甲烷的取代反应）。
（3）了解甲烷的存在和用途。2.过程与方法
（1）联系前后知识，通过解决环环相扣的问题，形成对甲烷结构和性质的全面认识。
（2）通过模型的观摩与制作过程，亲身体会有机物空间结构和取代反应的反应实质。3.情感态度与价值观
（1）从甲烷的结构与性质的学习形成对有机化学学习的一般思路，体会结构决定性质的化学学习思想。
（2）从甲烷在生产生活中的存在和用途，形成化学与生活关系的正确认识。教学重难点
重点：甲烷的空间结构和取代反应 难点：甲烷的取代反应 教学准备
甲烷的剪纸模型﹑球棍模型﹑比例模型，多媒体课件
教学过程
【PPT投影】本节课需要解决的三个核心问题，教师对三个问题进行简单的介绍。【激趣引题】我想问一下大家：“冰可不可以燃烧？” 【学生讨论与交流】部分学生可能想到“可燃冰”
【教师引导】冰不可以燃烧，但在自然界却存在一种叫“可燃冰”的物质，由此引出本节学习的主题——甲烷。根据我们的生活经验和课前的预习，请大家归纳一下甲烷具有那些物理性质？我请一位同学归纳一下
生1：甲烷的物理性质主要有：
① 无色无味的气体 ② 密度比空气小 ③ 极难溶于水
师：根据甲烷的物理性质，我们可以用哪些方法对甲烷进行收集？ 生：向下排空气法和排水集气法
师：在了解了甲烷的物理性质之后，我们对甲烷已经有了一定的认识，但是要深入甲烷，我们就必须先来学习它的结构。首先请大家写出甲烷的分子式﹑结构式和电子式。（并请一位学生到黑板上进行板书）生：书写甲烷的三种组成式 【板书】
H分子式：CH
4电子式：H:C:HHH|结构式：HCH
|H
师：根据我们同学书写的情况，我们一起分析一下。CH4只由氢和氧元素构成，由于碳原子最外层为4个电子，氢原子最外层1个电子，因此形成化合物时一个碳原子与4个氢原子结合，形成四对共用电子对，如果用短线代表一对共用电子的话我们就可以写出CH4的结构式。
【设问】如果从甲烷的结构式来看，每两个相邻的C—H之间的夹角为90度，但实际上甲烷的空间结构是这样的？ 生：不是
师：那么甲烷真实的空间结构应该是怎样的？我们将甲烷的真是结构做成下面的模型，通过下面的模型我们能更直观地认识甲烷的空间结构。【展示CH4的球棍模型和比例模型】
师：通过甲烷的球棍模型我们可以看出甲烷分子中碳原子与氢原子并不都在同一个平面上，每三个氢原子之间形成一个正三角形，这样的正三角形总共有四个，因此甲烷在空间的构型我们称之为正四面体结构。师：下面请大家拿出课前准备的关于实践活动部分的剪纸模型，并与其它组的同学进行分享和交流。生：展示课前准备的模型
【CH4空间结构分析】在甲烷的正四面体结构中，碳原子处在四面体中心，而四个氢原子位于正四面体的四个顶点，相邻化学键之间的键角为109度28分。该节相对来说较为稳定。
师：学习化学我们知道，结构往往决定性质，那么甲烷这样的空间结构可能会有怎样的化学性质？ 生：化学性质稳定。
师：为了搞清甲烷的化学性质如何，我们将甲烷分别通入高锰酸钾，氢氧化钾和硫酸溶液，但是我们发现甲烷不能与这些物质反应，你能从这里得出什么结论？ 生：甲烷化学性质不活泼，不能高锰酸钾等强氧化剂反应，也不能与强酸和强碱发生反应。
师:甲烷不活泼，那么是不是与其他的物质都不反应？ 生：不是，甲烷可以在氧气中燃烧
师：大家能否写出这个方程式，注意书写反应式时与我们以往的反应式进行比较，该反应有何不同之处？
【学生活动】书写甲烷与氧气的反应 生：该反应式没有使用等号而是用箭头表示
师：很好，这主要是由于大部分有机反应都具有较多的副反应，所以在表示的时候我们用箭头代替等号。那么我们知道该反应的产物是CO2和H2O，你能否设计实验验证反应的产物呢？
生1:可以用一块能玻璃片置于点燃的甲烷上方，观察是否有水珠生成
生2：将一个内壁涂有澄清石灰水的小烧杯倒扣在点燃的甲烷上方，观察石灰水是否变浑浊。
师：而且从这两个实验我们还可以证明甲烷的组成中含有碳和氢两种元素。这里我们还需要注意一点，甲烷是一种易燃易爆的气体，因此使用时必须注意防止泄漏。
【甲烷的取代反应】多媒体投影演示实验 师：请大家阅读课本61页科学探究部分内容，认真观察实验现象，实验结束后与大家分享你的结论。生：观看视频，并在小组内交流
师：下面请同学们和大家分享你们的结论 生：实验中主要可以观察到下面这些现象：
① 试管内气体颜色逐渐变浅 ② 试管内壁出现油状液滴 ③ 反应后试管中液面上升
结论：甲烷与氯气发生反应生成了新物质，该反应过程中气体体积减少，可能是生成液态的产物所致。
师：很好，大家观察得很仔细，对现象的分析也比较到位。在甲烷与氯气的反应中发生的反应是怎样进行的呢？下面大家请看PPT 【投影】甲烷取代反应过程的模型图
师：在该反应中，一个甲烷分子上的一个氢原子先被氯气中的氯原子代替，形成一氯甲烷和氯化氢；产物一氯甲烷继续与氯气反应生成二氯甲烷和氯化氢，类似的得到三氯甲烷和四氯甲烷。上面的这几个反应我们称之为——取代反应，那么你能否归纳一下什么叫取代反应？
生：有机物分子中原子（原子团）被其他原子或原子团代替的反应叫做取代反应。师：下面请大家根据取代反应的原理写出一氯甲烷，二氯甲烷和三氯甲烷与氯气的取代反应。生：书写化学方程式
师：在四种产物中，只有一氯甲烷是气态，其他三种都是液体。认识了取代反应之后，我们会发现，它与我们以前学过的哪种反应比较类似？ 生：置换反应
师：那么取代反应与置换反应有何异同？
生：①反应物方面：置换反应的反应物一般为无机物主要是活泼金属，而取代反应的反应物中部分为有机化合物。
②反应条件：置换反应一般在溶液中进行，而取代反应需要光照或者催化剂 师：最后，在学习了甲烷的结构与性质之后，你知道哪些地方有甲烷的存在？甲烷具有那些用途？
生：甲烷是天然气﹑沼气﹑油田气和煤矿坑道气的主要成分。甲烷是一种优良的气体燃料，还是一种常见的化工材料。【课堂小结】
本节课我们主要学习了甲烷的结构和性质，其中我们重点学习了甲烷的空间结构，甲烷空间结构为正四面体；另外我们重点讲解了甲烷的与氯气的反应，认识了一种新的反应——取代反应；并通过甲烷的结构和性质，介绍甲烷在生活中的存在和用途。
板书设计
甲烷
一、甲烷的物理性质
无色、无味的气体，密度比空气小，极难溶于水
二、甲烷的结构
H分子式：CH
4电子式：H:C:HHH|结构式：HCH
|H
结构式 ：用短线来表示一对共用电子的图式叫结构式
立体结构：正四面体型
三、甲烷的化学性质
1、化学性质稳定
2、氧化反应
CH4（g）+ 2O2（g）
CO2（g）+ 2H2O（l）
3、取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应