大学去离子水实验装置图回答问题

Ⅰ 二氧化碳置换天然气水合物实验研究进展

徐坤，刘笛，赵佳飞，宋永臣，刘瑜，刘卫国，薛铠华，叶陈诚，朱一铭

徐坤（1987－），男，硕士研究生，主要从事天然气水合物置换开采研究，E-mail:[email protected]

大连理工大学教育部海洋能源利用与节能重点试验室，辽宁大连116024

摘要：天然气水合物被认为是21世纪最具有商业开采价值的新能源，全球深度在2 000 m以内的岩石圈浅部所含的天然气水合物量，相当于现已探明的常规矿物燃料总和的2倍。作为一种集温室气体CO₂长期储存和天然气开采于一体的方法，CO₂置换法引起了许多研究人员的极大兴趣。本文全面总结了国内外CO₂置换开采天然气水合物中CH₄的实验研究进展；论述了CO₂置换开采天然气水合物的优缺点，强调了CO₂乳化液置换的优越性；介绍、分析了气态CO₂、液态CO₂以及CO₂乳化液置换实验的最新进展，并且对3种置换方法进行了对比；介绍了CO₂乳化液制备实验的最新进展，并论述分析了CO₂气体、液体以及乳化液在置换开采天然气水合物中的关键技术问题。

关键词：天然气水合物；二氧化碳；置换开采；乳化液

Advance in Experimental Research on Replacement of Natural Gas Hydrate with CO₂

Xu Kun,Liu Di,Zhao Jiafei,Ssng Yongchen,Liu Yu,Liu Weiguo,Xue Kaihua,Ye Chencheng,Zhu Yiming

Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Ecation,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China

Abstract:Natural gas hydrate(NGH)is regarded as a kind ofnew energy with great commercial exploitation value in the 21th century,the amount of NGH in the lithosphere within 2000m around the world is about twice the total amount of the ascertained fossil energy.As a method which combines CO₂long-term storageand NGH exploitation,the replacement method with CO₂has caused the attention of many researchers around the world.This paper summarizes the experimental research advance on replacement of CH₄from the hydrate by use of CO₂,discusses the advantages and disadvantages of the method on the natural gas proctionfrom hydrate and emphasizes the superiority of CO₂emulsion.Then,the latest progresses of CH₄replacement experiments with gaseous CO₂,liquid CO₂and CO₂emulsion are introced and analyzed,and the latest experiment progresses on preparation of CO₂emulsion are introced.Finally,the key technical problems of the replacement methods with differentforms of CO₂are demonstrated.

Key words:natural gas hydrate;carbon dioxide;replacement exploitation;emulsion

0 引言

天然气水合物，又称为“可燃冰”，广泛存在于永久冻土地带和深海底层，被认为是21世纪最具有商业开采价值的新能源，具有巨大的资源储量^[1]。目前，天然气水合物开采的主要方法有热激发法、减压法和化学试剂法^[2]。这些方法都是通过破坏水合物在原位条件下的相平衡，达到分解开采的目的。然而，在考虑各种开采方法的技术和经济特征的同时，还应该认识到，天然气水合物作为赋存区地层的构成部分，在稳定该区域地层方面起着相当重要的作用；而上述方法在开采天然气水合物过程中，将其分解成气体和水，可能会造成地质失稳，从而引起地质灾害^[3]。与此同时，由于人类社会生产的快速发展，温室气体的大量排放已经成为人类必须面临的重大环境问题，CO₂封存被认为是减少CO₂排向大气，减轻全球温室效应的有效手段。

基于以上两点，研究人员提出了使用CO₂置换天然气水合物中的CH₄的设想^[4]。作为一种集温室气体CO₂长期储存和天然气开采于一体的方法，该方法不仅可以避免常规开采方法的一些诸如降压法热量来源无法解决、加热分解法热量利用率低、加入抑制剂法成本高且易对地层产生伤害等缺点；还提供了一种长期储存温室气体CO₂和在开采天然气过程中稳定海底地层的方法^[5]，为减少地球表面的温室气体排放提供了一条有效途径。

虽然CO₂置换法被认为是一种前景广阔的天然气水合物开采方法，但是该方法存在着置换速率缓慢的缺陷。根据Masa Ki Ota^[6]使用气态CO₂，在压力为3.25 MPa，温度从271.2 K变化至275.2 K的条件下进行置换实验得到的数据可以得知，置换速率在反应进行大约10 h之后变得相当缓慢，若不能提高置换反应的速率，该技术将不具备实际的应用价值。

1 置换反应可行性研究

图1是Sloan^[7]绘制的关于CH₄、CO₂及其水合物的典型相平衡曲线图，温度选择在天然气水合物在天然沉积物中的形成条件——273 K附近。图1中的A、B区域在冰（水）－水合物－气态CO₂（液态CO₂）相平衡线之上，冰（水）－水合物－气态CH₄相平衡线之下，表明这个区域可以同时存在着气态CH₄和CO₂水合物，这个区域的存在证明了使用CO₂气体置换天然气水合物的可能性。

图1 CH₄-CO₂-H₂O相平衡图（据文献[7]）

CH₄-CO₂-H₂O体系相平衡实验及理论计算表明，在温度低于283 K时，相同温度下CH₄水合物的生成压力大于CO₂水合物的生成压力。所以在理论上，将CO₂注入地下水合物储层后，CH₄水合物会转化为更稳定的CO₂水合物，同时释放出CH₄气体^[8]。在此过程中，CO₂水合物的生成和天然气水合物的分解同时进行，Masa Ki Ota^[6]的实验数据表明，实验过程中CO₂水合物形成放出的热量（73.3 k J/mol）远大于CH₄水合物分解所吸收的热量（14.5 k J/mol），这样不仅在反应过程中自行提供了CH₄水合物分解过程所需要的热量，解决了热源问题，还避免了水合物分解过程中的自保护作用，对于天然气水合物分解起到了促进作用^[9]。根据化学热力学基本理论，自发化学反应总是向着Gibbs自由能减小的方向进行。如Masa Ki Ota^[10]所述，在温度范围为271.2～275.2 K、压力为3.25 MPa的条件下，CO₂置换CH₄反应的Gibbs自由能为负值，置换反应将会自发进行。对于置换过程的推动力，Masa Ki Ota^[10]则认为是该过程中气相和水合物相的逸度差。

从微观上看，CO₂和CH₄水合物都属于Ⅰ型结构水合物^[11],CH₄水合物有6个中穴和2个小穴， CO₂分子的体积比CH₄大，其大小介于CH₄水合物的中穴和小穴之间^[12]，因此置换CH₄水合物理论上的最高置换效率只能达到75%^[13]。Uchida[⁸]等结合实验现象认为，CO₂与CH₄水合物的置换反应分2个主要步骤：1)CH₄水合物分解，释放出的CH₄气体离开固相进入CO₂相中；2）重新形成气体水合物，CH₄分子由于记忆效应很快占领各晶胞小穴，CO₂分子进入部分晶胞中穴。置换过程中2种客体分子的置换过程可用图2表示。

图2 置换过程中两种晶穴的变化图（据文献[14])

2 实验研究

2.1 气态CO₂置换开采天然气水合物

图3为Masa Ki Ota等^[6]使用高压气态CO₂置换CH₄的实验装置示意图。Ota进行了3组实验，实验时反应釜内压力为3.25 MPa，恒温系统的温度分别设定为271.2 K、273.2 K和275.2 K，具体实验步骤如下：1）将一定量的去离子水加入到反应釜中，然后通入CH₄气体，在一定的温度压力条件下，通过搅拌器的高速搅拌作用，生成CH₄水合物；2）当反应釜内的压力不再变化时，可以认为CH₄水合物已经饱和，静置一段时间之后，通入高压CO₂气体将反应釜中剩余的CH₄气体驱除干净，应用拉曼光谱来测试排出的气体，确认CH₄被清除干净，之后继续通入CO₂气体将反应釜内加压到预定值；3）将恒温系统设定为实验要求的温度，再将反应釜置于恒温系统中，反应开始后，在反应过程中每隔一段时间取出少量气体样本，应用拉曼光谱仪进行分析，计算出不同时刻反应釜内两种气体的摩尔量，从而计算出CH₄气体的置换量和置换速率。

图3 CO₂置换CH₄装置示意图（据文献[6])

1.CO₂气罐； 2.冷却装置；3.CO₂气囊；4.CH₄气囊；5.带恒温系统的反应釜；6.可视窗；7.搅拌器； 8.减压阀；9.CH₄气罐；10.热电偶；11.压力表；12.背压阀；13.拉曼光谱仪；14.集气瓶

图4是Masa Ki Ota实验得到的CH₄水合物分解量和CO₂水合物生成量随时间的变化曲线图，分析3组实验数据，可以得出以下结论：1）在压力恒定的情况下，适当提高反应温度，有利于置换反应的进行；2)CH₄水合物的分解量和CO₂水合物生成量基本一致，从而证明了置换反应是一个CO₂分子占据CH₄分子所在晶穴的过程；3）在反应初始阶段置换速率较大，但是在反应进行了大约10 h之后，置换速率出现明显的下降。

图4 CH₄水合物分解量和CO₂水合物生成量变化曲线图（据文献[6]）

李遵照^[4]等通过实验证明，气态CO₂置换天然气水合物时，温度和压力对于置换速率影响较大，较高的温度和压力能够对反应起到促进作用。此外，当实验的温度达到冰点以上，CH₄水合物的分解速率明显提升。

2.2 液态CO₂置换开采天然气水合物

MasaKi Ota等^[14]使用饱和液态CO₂也进行了CO₂置换天然气水合物中CH₄的实验，实验装置同图4相比，多了一个CO/液化装置。该实验的具体步骤如下：1）将一定量的去离子水加入到反应釜中，再通入CH₄气体，在一定的温度压力条件下，通过搅拌器的高速搅拌作用，生成CH₄水合物；2）当反应釜内的压力不再变化时，可以认为CH₄水合物已经饱和，静置一段时间之后，利用高压CO₂气体将反应釜中剩余的CH₄气体驱除干净，通过拉曼光谱仪测试排出的气体来确认反应釜内没有CH₄，之后继续通入CO₂气体将反应釜加压到预定值，然后往反应釜内加入饱和液态CO₂; 3）当反应釜内充满液态CO₂时，将反应釜放入温度设定为实验要求值的恒温系统中，置换反应开始进行。在反应开始之后每隔一段时间用拉曼光谱仪检测水合物中CO₂水合物和CH₄水合物的组成以及水合物中小穴和中穴中的分子类型。

图5是该置换反应过程中CH₄水合物和CO₂水合物占全部水合物百分率的变化曲线图。从图中可以看出，CH₄水合物的减少量与CO₂水合物的增加量基本一致，证实了液态CO₂置换CH₄的可行性，同时说明了置换过程是一个CO₂分子占据晶穴中CH₄分子的过程。图6是反应过程中CH₄分子在水合物、中穴以及小穴中所占比例的变换曲线图。从图中可以看出，中穴中的CH₄分子减少速度比小穴中的CH₄分子快得多，而且CH₄分子在总的水合物中所占的比例与其在中穴中所占的比例变化大致相等，从而证明了置换反应只发生在CH₄水合物的中穴中。

图5 CH₄、CO₂水合物百分比变化曲线图（据文献[14]）

图6 CH₄分子在水合物、小穴和中穴中的比例变化曲线图（据文献[14]）

2.3 CO₂乳化液置换开采天然气水合物

对于CO₂置换CH₄反应速率在反应一段时间之后置换速率下降的原因，Ji-Ho Yoon等^[15]认为：在开始阶段，CO₂分子与CH₄水合物有较大的接触面积，置换速率较大。随着反应的进行，在CH₄水合物上面形成的CO₂水合物层起了屏蔽作用，阻碍了CH₄水合物的继续分解，导致了置换速率的下降直至停止。

为提高置换反应速率，Mc Grail等^[16]提出了一种强化气体水合物回收法（enhanced gas hydrate recovery，简称EGHR）。该方法的要点是，首先通过一定的方法制成以液态CO₂为分散相、水为连续相的乳化液，然后在一定的压力下，将乳化液注入事先在沙层中形成的CH₄水合物层，使之与水合物接触，置换出水合物中的CH₄。Mc Grail等认为这样做，可以充分利用H₂O-CO₂混合物体系的物理和热力学性质，结合多孔介质中受控多相流、热量和质量传递过程的优点，使置换反应得到强化。

虽然CO₂乳化液置换被认为是一种较好的置换方式，但是CO₂乳化液的制备技术还不是很成熟。Varun V.Dhanu Ka等^[17]在制备CO₂乳化液时应用了一种新型乳化剂TMN-6（异构醇乙氧基化物表面活性剂），制得了以CO₂为分散相、水为连续相的乳化液（C/W 型乳化液），其中CO₂占90％，在温度低于318 K的条件下，随着压力的升高，乳化液的稳定性也随之增强。

图7 CO₂乳化液制备装置示意图（据文献[18])

1.CO₂气罐；2.柱塞泵；3.CO₂乳化装置；4.储液瓶；5.带搅拌器的可视反应釜；6.压力表；7.电脑；8.数据采集系统

图7是Xitang Zhou等^[18]制备CO₂乳化液装置的示意图，制备的步骤主要包括：①将一定量的去离子水、TMN-6乳化剂以及CO₂气体通入反应釜中；②通过乳化装置将CO₂气体乳化后储存在储液瓶中通过柱塞泵对液体进行加压，当压力达到要求值（30 MPa）后，将液态CO₂加入到反应釜中；③将反应釜放入恒温系统中，设定好温度之后，启动搅拌器，生成CO₂乳化液。

Xitang Zhou等^[18]进行了CO₂乳化液置换CH₄的实验，该实验的装置和步骤与液态CO₂置换CH_q相同，只需要将实验过程中通入反应釜的液态CO₂换成CO₂乳化液即可。在做该实验之前， Zhou等先进行了液态CO₂置换CH₄的实验，以便与CO₂乳化液置换进行对比；并将在3.25 MPa的压力和273.2K的温度条件下，使用液态CO₂进行置换实验得到的实验数据与2005年Masa Ki Ota等^[14]在相同条件下的实验得到的数据进行对比，得到图8。从图中可以看出2次实验的置换效率基本一致，从而可以确保之后Zhou等使用CO₂乳化液进行置换实验得到的数据同Masa Ki Ota的实验同样具有可比性。

图8 液态CO₂置换效率对比图（据文献[18])

Zhou等进行了3组CO₂乳化液置换实验，每次实验的温度压力等条件一致，只改变乳化液的C/W比例，3次实验的C/W质量比分别为9/1、7/3、5/5。图9是这3组实验与液态CO₂置换反应的置换效率对比图。从图中可以看出，CO₂乳化液的置换效率比液态CO₂要高，并且在3种比例的CO₂乳化液中，C/W质量比为9/1的乳化液置换效率最高，在同样的反应条件下大概达到了液态CO₂的1.5倍，置换速率更是达到了后者的5～7倍。

图9 CO₂乳化液和液态CO₂置换CH₄效率对比图（据文献[18]）

此外，为了证实CO₂乳化液的优越性，Xitang Zhou等^[19]还比较了气态CO₂和CO₂乳化液的置换效率。在3种不同的实验条件下，Zhou等在相同的实验条件下分别使用CO₂乳化液和气态CO₂进行了置换实验，得到了置换出来的CH₄气体摩尔量的变化曲线图，如图10所示。图10左边的曲线图表示的是气态CO₂置换实验数据，右边的曲线表示的是CO₂乳化液置换实验数据。从图10中可以看出：1）使用CO₂乳化液进行置换所得到的CH₄气体摩尔量明显高于使用CO₂气体时的情况；2)CO₂气体置换反应在10 h之后置换速率大幅下降，并且反应在进行50 h之后，置换反应基本上就停止了，而使用CO₂乳化液进行置换，反应进行50 h之后速率都不会出现大幅下降的现象，并且反应时间可以持续超过100 h。这是由于在气态CO₂置换反应中，CO₂分子只能与CH₄水合物的表面接触发生反应，随着反应的进行，生成的CO_：水合物会起到屏蔽作用，阻碍了反应的继续进行；而CO₂乳化液具有更好的传导率和扩散性，增加了反应面积，在置换反应中起到了强化作用，提高了置换的反应速率，同时乳化液的热可以使热源增强，从而使置换反应得到进一步强化，从而延长了反应的有效时间。实际开采中，在压力差的作用下，大部分的乳化液会扩散到所有方向，使用乳化液将有利于H₂O-CO₂系统在物理上和热力学上的混合，同时也有利于在多孔介质中控制多相热流和大块水合物的转变，从而证明了Mc Grail强化置换的设想是可行的。

张伟等^[20]指出，CO₂乳化液置换天然气水合物的置换的动力学有待进一步研究，乳化剂的含量和种类、CO₂与水的比例以及CO₂分散相的粒度等对置换速率的影响都是今后此方法研究的热点。在实际开采中，还将考虑多孔渗水介质的存在、储层CH₄的富集情况、CO₂乳化液的泵送等问题。

图10 气态CO₂与CO₂乳化液置换CH₄摩尔量变化曲线图（据文献[19]）

3 结论

通过对国内外CO₂置换天然气水合物中CH₄实验的分析总结，可以得出以下结论：

1）使用CO₂置换天然气水合物中CH₄是可行的，置换反应实质上是CO₂分子取代CH₄分子占据CH₄水合物中穴的过程，但是置换反应也存在着置换速率慢、置换效率低的问题。

2)CO₂乳化液同气态CO₂和液态CO₂相比，具有更好的置换效果，CO₂乳化液不但置换CH₄气体的速度快，而且持续时间长，为天然气水合物的商业开采提供了一条新的思路。

3)CO₂气体置换开采天然气水合物的成本较低，但是其置换效率低、置换速度慢的问题必须得到解决，如果将其应用于实际开采中，就必须解决实际开采天然气水合物过程中如何提高水合物层的温度和压力，以促进反应的进行这一关键技术问题。

4)CO₂液化技术与CO₂乳化液技术相结合，应用于天然气水合物置换开采，与气态CO₂相比具有很大的优势，但是目前CO₂乳化液的制备技术还不是很成熟，要想将CO₂乳化液应用于实际开采中，关键在于对乳化剂种类、CO₂和水的比例、乳化液制备过程中压力温度等条件的选择，得到稳定存在并且能够应用于实际置换开采的低成本乳化液。

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Ⅱ 多孔介质中甲烷水合物分解特性的实验

张郁，吴慧杰，李小森，陈朝阳，李刚，曾志勇

张郁（1982－），男，助理研究员，主要从事天然气水合物开采技术研究。E-mail:[email protected]。

注：本文曾发表于《高等学校化学学报》2010年第9期，本次出版有修改。

中国科学院广州能源研究所/可再生能源与天然气水合物重点实验室/广州天然气水合物研究中心，广州510640

摘要：利用定容降压的方法，测定了甲烷水合物在不同的多孔介质中的分解过程实验数据，所使用的多孔介质平均孔径为9.03 nm,12.95nm,17.96 nm与33.20 nm，其中孔径为12.95 nm的多孔介质使用了3个粒径范围，分别为0.105～0.150 mm,0.150～0.200 mm,0.300～0.450 mm；其他孔径的多孔介质的粒径范围为0.105～0.150 mm。实验在封闭的条件下，测定了不同温度与不同初始生成压力下甲烷水合物的分解过程实验数据，实验的温度范围为269.15～278.15 K，初始生成压力范围为4.1～11.0 MPa。实验表明：水合物的分解速度随着初始生成压力的增加而增加，随着水浴温度的降低而升高，随着多孔介质粒径的增大而降低，同时随着孔径的增加而增加。在孔径较大，分解温度较低时，多孔介质中水合物的分解引起的温降会造成水结冰，从而减缓水合物的分解速度。

关键词：甲烷水合物；分解特性；多孔介质

Experimental Study on Dissociation Behavior of Methane Hydrate in Porous Media

Zhang Yu,Wu Huij ie,Li Xiaosen,Chen Zhaoyang,Li Gang,Zeng Zhiyong

Guangzhou Centerfor Gas Hydrate Research,Chinese Academy of Science/Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate/Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China

Abstract:The dissociation behavior of methane hydrate in the porous media are studied when the temperature is above the quadruple phase (hydrate(H)-water(LW)-ice(I)-vapor(V)) point temperature.The silica gels were applied as the porous media for the experiments,in which the diameter ranges of the silica gel particles are 0.105～0.15 mm,0.1 5～0.20 mm and 0.30～0.45 mm ,respectively,and the mean pore diameters,9.03 nm,12.95 nm,17.96 nm and 33.2 nm,respectively.The dissociation experiments were carried out by depressurization in the temperature range of 269.15～278.15K and the initial formation pressure range of 4.1～11.0 MPa.The experiments indicated that the dissociation rate of methane increases with the increase of the initial formation pressure,the decrease of the bath temperature,the decrease of the particle range and the increase of the mean pore diameter.For relative big the particle diameter,the water in some pores becomes ice in the dissociation process,which makes the dissociation process relatively slow.

Key words:methane hydrate;dissociation;porous media

0 引言

甲烷水合物是一种由甲烷气体在一定的温度和压力下与水作用生成的一种非固定化学计量的笼型晶体化合物。标准状态下一体积的甲烷水合物可含有164体积的甲烷气体。甲烷水合物在世界范围内的海底与冻土地带广泛的存在，被认为是未来石油与天然气的替代资源。甲烷水合物同时还与全球的气候变化以及地质灾害有着十分密切的关系^[1-3]。

为了对这种巨大的能源进行开发，各国的研究者提出了很多方法，比如：注热开采法^[4]，降压法^[5]，注化学剂法^[6-7]，二氧化碳置换法^[8]等。在这些方法中，降压法最早被提出来^[9]，具有独特的优点。由于天然气水合物主要存在于海底的沉积物中，因此，为了发展、改进甲烷水合物的开采方法，对多孔介质中甲烷水合物分解特性的研究就显得尤为重要。

水合物分解特性的研究，主要集中在纯水体系中。Kim等^[10]利用带搅拌的反应釜进行了甲烷水合物分解动力学的研究，研究的温度、压力范围分别为274～283 K,0.17～6.97 MPa。研究表明水合物的分解速度与水合物颗粒表面积以及分解逸度与相平衡逸度的差成正比关系。Clarke与Bishnoi^[11-13]测定了冰点以上甲烷水合物、乙烷水合物与甲烷/乙烷水合物的分解速率常数。近来，对多孔介质中气体水合物展开了一些研究，但是主要集中在相平衡方面^[14-18]。Liang等^[19]测定了甲烷水合物在活性炭中的分解动力学数据，研究表明甲烷水合物在活性炭中的分解速度非常快。Liang等^[19]同时建立了描述甲烷水合物在活性炭中分解动力学的数学模型。Yousif等^[20]利用一维模型研究了多孔介质中水合物的分解动力学特性。研究发现，当多孔介质中水合物的分解速度较大时，能够引起明显的温度降低，当分解温度接近冰点时，温度的降低会使体系中的水结冰从而中断分解过程。然而，在他们的研究中，没有对多孔介质的粒径特性进行研究。海底沉积物一般具有不同的物理特性，比如孔径、粒径等。多孔介质的特性对水合物的生成、分解有着重要的影响，为了研究甲烷水合物开采技术，研究多孔介质的物理特性对甲烷水合物的分解特性的研究显得尤为重要。

为此，在水浴温度269.15～278.15 K，初始生成压力范围为4.1～11.0 MPa的静止条件下，测定了甲烷水合物在不同孔径与粒径的多孔介质中的分解特性数据（压力－时间关系）；研究了在多孔介质中，体系的温度、初始生成压力、多孔介质平均孔径与粒径对甲烷水合物分解特性的影响。

1 实验

1.1 实验装置

图1 系统组成示意图

图1给出了实验系统图。实验系统的主要组成模块有供液模块、稳压供气模块、反应釜、环境模拟模块和数据采集模块。供液模块主要包括电子天平和平流泵：电子天平为Sartorius BS2202S型，量程2 200 g，测量精度0.01 g，用于精确测量注入反应釜的液体质量；平流泵为北京卫星制造厂制造的2PB00C型平流泵，流量范围0～9.99 m L/min，压力范围0～20 MPa。稳压供气模块包括甲烷气瓶、压力调节阀、稳压器，储气罐等，储气罐的体积为1 091 m L。反应釜的材质为不锈钢，耐压20 MPa，有效体积为416 m L。反应釜内布置有温度传感器和压力传感器，分别实时记录反应釜内温度、压力随时间的变化。其中，温度传感器为Pt1000铂电阻，精度范围±0.05℃。压力传感器的量程为20 MPa，精度范围±0.25％。实验所用气体为体积分数99.9％的纯甲烷气体，由佛山豪文气体有限公司提供。实验开始前，首先进行了纯体系下甲烷水合物的相平衡条件的测定。实验的结果与文献[21]中的数据吻合的很好，结果由图2。实验结果表明系统的实验结果是可靠的。在多孔介质中甲烷水合物的分解实验中，使用了不同粒径与孔径的硅胶。实验采用的多孔介质详细的参数由表1给出。在实验中，首先使用与多孔介质中孔隙体积相同的去离子水与多孔介质充分混合。搅拌均匀后封闭静止5 d，以保证去离子水均被多孔介质吸收。对于不同孔径的多孔介质，实验过程中确保多孔介质所含水量相同，同时移动反应釜底部的活塞保证反应釜中的气体体积相同。实验过程中，对于平均孔径为9.03 nm,12.95 nm,17.96 nm与33.20 nm的多孔介质，分别使用的质量为162.1 g,138.3 g,124.4 g与112.1 g。多孔介质中所含水的质量为148 g，反应釜中气体的体积为208.4 m L。

图2 甲烷水合物相平衡条件实验数据比较图^[21]

表1 多孔介质参数

1.2 实验过程

实验在多孔介质中水合物四相点T_Q1（水合物（H)－水（L_w)－冰（I)－气（V)）以上进行，四相点由Li等^[22]计算。对于孔径为9.03 nm,12.95 nm,17.96 nm与33.20 nm的多孔介质，T_Q1分别为266.2 K,268.28 K,269.18 K与271.11 K。实验过程中，首先对反应釜进行抽空2～3 h，再用纯甲烷气体对反应釜进行冲洗4～5次，以保证没有空气的存在。随后，将水浴的温度调整到预定的值。当系统的温度达到稳定之后，通过SV向CR注入甲烷气体到预定的压力。反应釜中的压力随之降低，水合物开始生成。当反应釜中压降小于0.01 MPa/3 h，水合物的生成过程可以认为结束。反应釜中的压力随时间的变化由电脑采集并记录。

生成过程结束后，开始进行分解实验。打开阀门，将反应釜CR的压力迅速降低到大气压，然后关闭阀门。在分解的过程中，水浴的温度保持恒定。当分解进行足够长的时间，反应釜中的压力保持不变，分解过程可以认为已经结束。反应釜中的压力再一次降低到大气压以确保没有水合物的存在。结果表明，再次放空后，反应釜中的压力不会再次上升，说明水合物已经全部分解完毕。

甲烷在t时刻的累计摩尔量由下式给出：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

其中：P_c为t时刻反应釜中的压力；P₀为初始的分解压力，为0.1 MPa。T为反应釜中的温度，单位为K; V_c为反应釜中气体的体积；Z为分解过程中气体的压缩因子，Z₀为压力为P₀时气体的压缩因子，由Li等^[22]计算。

2 结果与讨论

本工作中，共进行了38组甲烷水合物在多孔介质中的分解实验，详细实验条件见表2。所使用的多孔介质平均孔径为9.03 nm,12.95 nm,17.96 nm与33.20 nm，其中孔径为12.95 nm的多孔介质使用了3个粒径范围，分别为0.105～0.150 mm,0.150～0.200 mm与0.300～0.450 mm，其他孔径的多孔介质的粒径范围为0.105～0.150 mm。实验的温度范围为269.15～278.15 K，初始生成压力范围为4.1～11.0 MPa。详细的实验结果由表2及图3～10给出。

2.1 初始生成压力对分解的影响

表2 实验条件与结果

图3给出了在水浴温度为276.15 K，初始生成压力为7.4～9.4 MPa下不同初始生成压力实验的分解摩尔量及转化率随时间变化图，分别对应于实验10,11与12。实验所用的多孔介质平均孔径为12.95 nm，粒径为0.105～0.150 mm。在本实验中，水合物的分解可以分为2个阶段：在第一阶段，反应釜中的压力被快速释放到大气压，大约在1 min以内，水合物分解产生的甲烷被释放到大气中，这部分甲烷的摩尔量由（n₀-n_g）计算。在第二阶段，反应釜关闭，分解产生的甲烷被收集到反应釜中，这部分的甲烷摩尔量根据反应釜中的压力变化利用Li等^[22]的状态方程计算。分解过程的2个阶段可以从图3中初始生成压力9.4 MPa的实验中看到。图3中，n为t时刻水合物分解产生的甲烷摩尔量，x为t时刻水合物分解转化率，根据n/n₀计算。从图3与表2中可以看出，分解的甲烷总摩尔量随着初始生成压力的升高而增加，这是因为在较高的初始生成压力与相同水浴温度下，将有更多的水合物在多孔介质中生成。从图3中还可以看出，甲烷的分解速度随着初始生成压力的上升而上升，这是由于在相同的分解条件下，甲烷的分解速度随着水合物量的增加而增加。然而，转化率的速度随着初始生成压力的上或而降低，这是由于在相同的转化率下，较高累积摩尔量具有较高的反应釜压力，这样分解的驱动力就将减小。同样的现象可以在其他不同初始生成压力的实验中被发现。

图3 分解摩尔量及转化率随时间变化图

水浴温度276.15 K，多孔介质平均孔径12.95 nm，粒径0.105～0.15 mm

图4给出了实验10,11与12的分解过程中反应釜中温度随时间变化的曲线。从图4中可以看出，反应釜中的温度在分解过程中一直低于水浴的温度。温度的变化曲线可以分为3个阶段：在第一阶段，反应釜中的温度在短时间内明显的降低，对于实验10,11与12分别在1.6,1.8与1.9 min左右降低到最低温度。在此过程中，由于反应釜中压力降低到大气压，多孔介质中的水合物开始迅速的分解为水与甲烷气体，水合物分解以及气体节流效应需要大量的热量并且所需的热量大于水浴传导给反应釜的热量，因此造成了反应釜中温度的降低。反应釜中的最低温度随着初始生成压力的上升而降低。在第二阶段中，水合物的分解继续进行而反应釜的温度逐渐的升高，这是由于在此阶段中，水合物分解所吸收的热量小于从水浴传导给反应釜中的热量。在第三阶段中，水合物的分解已经结束，反应釜中的温度继续升高并逐渐升高到与水浴的温度相同。图5给出了实验12的3个温度变化阶段。从图5中可以看出，对于相同的水浴温度，某时刻反应釜中的温度随着初始生成压力的上升而降低，这是由于对于较高的初始生成压力，多孔介质中有较多的水合物生成，而较多的水合物分解则需要吸收更多的热量。同样的实验现象可以在其他不同初始生成压力的实验中看到。

2.2 水浴温度对分解的影响

图5中给出了在初始生成压力为9.4 MPa，不同的水浴温度下的甲烷分解累积摩尔量及转化率随时间变化图，分别对应于实验9,12与13。实验所用的多孔介质为平均孔径12.95 nm，粒径范围为0.105～0.150 mm。从图5与表2中可以看出，分解后总的甲烷摩尔量随着水浴温度的降低而增加。甲烷产生的速率也随着水浴温度的降低而增加。这是由于对于相同的初始生成压力，在较低的水浴温度下，将有更多甲烷形成水合物，而甲烷分解的速率随着水合物量的增加而增大。然而，水合物的转化率速度随着水浴温度的升高而增加。这可能是由于水合物的分解速率常数与气体扩散常数均随着温度的增加而增加。

图4 反应釜内温度变化随时间变化图

水浴温度276.15 K，多孔介质平均孔径12.95 nm，粒径为0.105～0.150 mm

图5 分解摩尔量及转化率随时间变化图

初始生成压力为9.4 MPa，多孔介质平均孔径为12.95 nm，粒径为0.105～0.150 mm

图6给出了实验9,12与13的分解过程中反应釜中温度随时间变化的曲线。反应釜中温度在整个分解过程中同样可以分为3个阶段。对于实验9，12与13，反应釜中的温度分别在2.2，2.0与1.9min时达到最低值。对于相同的初始生成压力，分解过程中反应釜中的温度以及最低温度随着水浴温度的增加而增加。同样的实验现象可以在其他孔径与粒径的多孔介质的实验中观察到。

图6 反应釜内温度随时间变化图

初始生成压力9.4 MPa，多孔介质平均孔径12.95 nm，粒径0.105～0.150 mm

2.3 粒径对分解的影响

为了研究不同粒径范围的多孔介质对甲烷水合物分解速度的影响，进行了3个不同粒径范围的多孔介质的实验，分别为0.300～0.450 mm,0.150～0.200 mm与0.105～0.150 mm，多孔介质的平均孔径为12.95 nm。

图7给出了实验12,20与26的甲烷累计摩尔量随时间变化的曲线，实验的初始生成压力为9.4 MPa，水浴温度为276.15 K。从图7与表2中可以看出，实验12,20与26的n。值是基本相同的。这说明，对于相同的初始生成压力与相同的水浴温度，多孔介质中生成的甲烷水合物的量受到多孔介质粒径大小的影响很小。从图7中可以看出，甲烷水合物分解的速度随着多孔介质粒径的增加而变慢，并且粒径为0.300～0.450 mm的多孔介质中，甲烷产生的速率明显的较低。图7同时给出了实验12,20与26的水合物转化率随时间变化的曲线。可以看出，水合物的转化速率也随着粒径的降低而增加。实验表明，多孔介质的粒径对水合物的分解速率以及转化率速度有着明显的影响。这主要是由于随着多孔介质粒径的增大，多孔介质颗粒表面的比表面积减小的原因造成。同样的现象可以在其他初始生成压力与水浴温度的实验中观察到。

图8给出了实验12,20与26的分解过程中反应釜中温度随时间变化的曲线。对于实验12,20与26，在温度变化的第一阶段，反应釜中的温度分别在2.7,2.0与1.9 min时降低到最低值。从图中可以看出，对于相同的初始生成压力与水浴温度，反应釜中的最低温度随着粒径的增加而升高，然而在达到最低温度之后，对于较大粒径的多孔介质，温度的升高比较缓慢，这是由于其水合物的分解速度较慢，分解持续的过程较长造成的。同样的现象可以在其他初始生成压力与水浴温度的实验中观察到。

图7 分解摩尔量及转化率随时间变化图

水浴温度276.15 K，初始生成压力9.4 MPa，多孔介质平均孔径12.95 nm

图8 反应釜内温度随时间变化图

水浴温度276.15 K，初始生成压力9.4 MPa，多孔介质平均孔径12.95 nm

2.4 平均孔径对分解的影响

研究了不同的平均孔径对多孔介质中水合物分解特性的影响。实验所采用的多孔介质粒径为0.105～0.150 mm，平均孔径分别为9.03 nm,12.95 nm,17.96 nm与33.20 nm。由于多孔介质中水合物的平衡分解压力随着孔径的减小而增大^[21],在相同的水浴温度与初始生成压力下，9.03 nm孔径的多孔介质中生成的水合物量是最少的。为了保证能够生成足够量的水合物，对于9.03 nm孔径的多孔介质，使用了较高的初始生成压力，为9.4～11.0 MPa。对水浴温度为276.15 K，初始生成压力为9.4 MPa下的实验进行了比较。

图9给出了实验2,12,32与37的甲烷累积摩尔量与水合物转化率随时间变化的曲线，实验的初始生成压力为9.4 MPa，水浴温度为276.15 K。从图9中可以看出，对于相同的初始生成压力与水浴温度，分解后总的甲烷摩尔量随着孔径的增加而增加。甲烷的分解产生速率也随着孔径的增加而增加。这是由于对于较大的平均孔径，水合物的平衡生成压力较低，将有更多的水合物在多孔介质中生成，更多的水合物分解也会产生更多的甲烷气体。从图9中还可以看出水合物的转化率速率随着孔径的增加而降低。这主要是由于在相同的转化率下，对于较大的孔径，水合物的平衡分解压力较低，这样水合物分解的驱动力较小造成的。从图9中还可以看出，分解过程持续的时间随着平均孔径的增大而增加。对于孔径17.96 nm与33.20 nm，多孔介质中水合物的四相点温度分别为269.18 K与271.11 K，接近分解过程中反应釜中的最低温度。由于所有用的多孔介质有一个孔径的分布范围，所以分解过程中由于温度的降低使得多孔介质较大的孔隙中的水低于四相点温度而结冰，阻止了水合物的分解，这使得孔径17.96 nm与33.20 nm的多孔介质中水合物分解速度比其他孔径的实验明显变慢，分解过程也明显变长。

图10给出了实验2,12,32与37的分解过程中反应釜中温度随时间变化的曲线。对于实验2,12,32与37，在温度变化的第一阶段，反应釜中的温度分别在1.6,2.7,0.8与0.5 min时降低到最低值。从图中可以看出，分解过程中最低温度随着平均孔径的增大而升高。这是因为相同实验条件下水合物生成结束后系统中的压力随着孔径的减小而增加，当系统中压力降低到大气压，较高的压降引起了较高的温度降低。当温度达到最小值之后，反应釜中的温度开始逐渐的升高，对于较小孔径的多孔介质，温度升高的更快。同样的实验现象可以在其他的水浴温度与初始生成压力的实验中看到。

图9 分解摩尔量及转化率随时间变化图

水浴温度276.15 K，初始生成压力9.4 MPa，多孔介质粒径0.105～0.150 mm

图10 反应釜内温度随时间变化图

水浴温度276.15 K，初始生成压力9.4 MPa，多孔介质粒径0.105～0.150 mm

3 结语

实验研究了在不同孔径与粒径的多孔介质中甲烷水合物的分解特性，实验在水浴温度269.15～278.15 K，初始生成压力4.1～11.0 MPa下进行。分解实验利用定容降压的方法进行。

实验的结果表明甲烷水合物在多孔介质中的分解速度很快，分解过程中甲烷产生的速度随着初始生成压力的增加和水浴温度的降低而增加。然而，水合物转化率的速度随着初始生成压力的增加和水浴温度的降低而降低。反应釜中的温度在分解初期有明显的降低，在达到最低值后开始逐渐的升高，伴随整个的分解过程。分解过程中的温度随着水浴温度的增加以及初始生成压力的降低而增加。

水合物的分解速度随着粒径的增大而减小。然而，水合物转化率的速度随着粒径的增加而降低。分解过程中反应釜中的最低温度随着粒径的增大而升高。水合物的分解速度随着平均孔径的增加而增加，而水合物转化率的速度随着平均孔径的增加而降低。对于孔径较大的多孔介质，在较低的实验温度下，水合物的分解吸热可能会造成水的结冰，从而降低水合物的分解速度。分解过程中反应釜中的最低温度随着平均孔径的增大而升高。

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Ⅲ 急求 电导的测定及应用 实验报告

一、实验目的和要求
1、理解溶液的电导、电导率和摩尔电导的概念
2、掌握电导率仪的使用方法
3、 掌握交流电桥测量溶液电导的实验方法及其应用

二、实验内容和原理
1、电导率的概念
电导是描述导体导电能力大小的物理量，以G来表示

其中l/A为电导池常数，以Kcell来表示，к为电导率。
通常由于电极的l和A不易精确测量，因此在实验中用一种已知电导率的溶液先求出电导池的常数Kcell，然后再把欲测的的溶液放入该电导池中测出其电导值，在根据上式求出其电导率。
溶液的摩尔电导率是指把含有1mol电解质的溶液置于相距为1m的两平行板电极之间的电导，以m表示。摩尔电导率与电导率的关系为

在很稀的溶液中，强电介质的摩尔电导率与其了、浓度的平方根成直线函数。用公式表示为：

若通过浓度的平方根与摩尔电导率作图，外推即可求得无限稀释时的摩尔电导率。

惠斯登电桥基本原理

如图所示的电路图中，
实验中，通过调整电桥上的示波器，使得通过其上的电流为零，即表明C点和D点的电势相等，可以等到如下关系:

亦即

通过调节电桥臂的比值，就可以得出Rx的值。

三、主要仪器设备
仪器：音频振荡器1台；示波器1台；电导率仪；电导池；铂电极1支；转盘电阻箱3只；恒温槽装置1套；50mL移液管4支；100mL容量瓶4个
试剂：0.02mol/dm3标准KCl溶液，0.1mol/dm3标准醋酸溶液

四、操作方法和实验步骤

1、溶液的配制
用0.02mol/L的KCl溶液配制不同浓度的KCl溶液，其浓度分别为0.02、0.02/2、0.02/4、0.02/8、0.02/16。并分别做好标记，放入25℃的恒温槽中备用。

2、电路的连接
按照上图连接好电路图。注意需要按照电路图中ABCD四个点来连线。

3、测定不同浓度的KCl溶液的电阻
将电极插入溶液中，按照浓度依次升高的顺序分别测定5个溶液的电阻值。将电桥臂按照1：1、1：2、1：3三种形式进行测量。记录测定出来的数据。

4、用电导率仪来测定自来水和去离子水的电导率
首先对于使用高调还是低调进行估计和判断，如果电导率大于300×10-4S/m，则使用高调，反之则使用低调。在测量之前首先要校准，即在校准档将指针调至最大。测量时同样要注意从大量程向小量程调，最终达到精确。

五、实验数据记录和处理

25℃时0.02mol/dm3KCl溶液的电导率为0.2765S/m

1、 电导池常数

R1/ R2/ R3/ R/ G/S Kcell/S•m-1
1 1000 1000 222 222 4.50×10-3 61.444
2 1000 2000 446 223 4.48×10-3 61.719
3 1000 3000 666 222 4.50×10-3 61.444
Kcell平均 61.536

2、25℃时的结果
KCl浓度/mol•L-1 KCl浓度mol/m3 KCl浓度平方根 次数 R1/W R2/W R3/W R/W G/S k/ S•m-1 ∧m/S•m2•mol-1
0.02/16 1.25 1.118033989 1 1000 1000 3322 3322 0.0003010 0.018522 0.0148176
2 1000 2000 6645
3 1000 3000 9965
0.02/8 2.5 1.58113883 1 1000 1000 1702 1704 0.000587 0.036122 0.0144488
2 1000 2000 3410
3 1000 3000 5118
0.02/4 5 2.236067977 1 1000 1000 844 880 0.0011364 0.06993 0.013986
2 1000 2000 1690
3 1000 3000 2538
0.02/2 10 3.16227766 1 1000 1000 447 447.5 0.0022346 0.137508 0.0137508
2 1000 2000 895
3 1000 3000 224
0.02 20 4.472135955 1 1000 1000 226 226.8 0.0044092 0.271325 0.0135663
2 1000 2000 453
3 1000 3000 114

以KCl浓度的平方根对∧m作散点图并进行线性回归分析得到如下图形：

3. 的计算
通过图所拟合的线性回归方程可知，当 =0时，∧m=0.015 S•m2•mol-1，即
=0.015 S•m2•mol-1

六、实验结果与分析

查阅KCl溶液 的标准值为0.01499 S•m2•mol-1
则可以计算其相对误差 Er=|0.01499-0.015|/0.01499=0.667‰

七、讨论与心得

1、实验中不必扣除水的电导。因为经测定，实验所使用的去离子水的电导与待测溶液的电导相差几个数量级，因此不会对实验结果产生很大的影响。

2、溶液配制时的问题：溶液时由大浓度向小浓度一瓶一瓶稀释过来的。一旦某一瓶配制出现偏差，则将影响到后面的几瓶，因此在溶液配制的时候要及其小心，我认为这也是影响实验准确性的一个很重要的因素。

3、浓度较小时，信号不明显，即某个电阻改变一个大阻值，其示波器的变化不大，可能会导致大的偏差。

思考题：

1、如何定性地解释电解质的摩尔电导率随浓度增加而降低？
答：对强电解质而言，溶液浓度降低，摩尔电导率增大，这是因为随着溶液浓度的降低，离子间引力变小，粒子运动速度增加，故摩尔电导率增大。
对弱电解质而言，溶液浓度降低时，摩尔电导率也增加。在溶液极稀时，随着溶液浓度的降低，摩尔电导率急剧增加。

2、为什么要用音频交流电源测定电解质溶液的电导？交流电桥平衡的条件是什么？
答：使用音频交流电源可以使得电流处于高频率的波动之中，防止了使用直流电源时可能导致的电极反应，提高测量的精确性。

3、电解质溶液电导与哪些因素有关？
答：电解质溶液导电主要与电解质的性质，溶剂的性质，测量环境的温度有关。

4、测电导时为什么要恒温？实验中测电导池常数和溶液电导，温度是否要一致？
答：因为电解质溶液的电导与温度有关，温度的变化会导致电导的变化。实验中测电导池常数和溶液电导时的温度不需要一致，因为电导池常数是一个不随温度变化的物理量，因此可以直接在不同的温度下使用。

Ⅳ 索氏提取器的使用方法

首先，先来认识一下索氏提取器在整套装置构造与名称，如图所示：

(4)大学去离子水实验装置图回答问题扩展阅读：

提取过程中的注意事项：

1、一般在实验中水浴的温度不能过高以防止暴沸造成目标物的损失；

2、在索氏提取中，装样品一般都是用滤纸筒，不宜使用金属的筛筒(这会造成部分农药目标物的分解，如，Fe可能会造成某些有机氯农药分解)。此外，应注意滤纸筒在装样之后与提取器的匹配，尤其须注意纸筒不能堵塞虹吸回流管。

3、实验中所使用的索氏提取器不宜过大，否则溶剂蒸气到达提取器之前由于环境空气的冷凝作用而减少(特别是冬天等环境温度较低的时候)，从而减缓了提取效率，使得提取耗时过长。

4、由于索氏提取是一个相对开放的提取体系，因此，在提取操作中还应注意防止产生污染;实验操作中最好将冷凝管顶端进行覆盖。

5、索氏提取管的清洗，一般可以用铬酸洗液进行清洗，去离子水(可以在使用前多准备一些用正己烷萃取一下备用)在清洗干净、烘干或者风干。

索氏提取方法的主要优点：

不需要使用特殊的仪器设备，仪器成本低，很多实验室都可以得以实现、使用成本较低。

参考资料来源：网络-索氏提取器

Ⅳ 最大泡压法测表面张力 仪器常数K

溶液的吸附作用和液体表面张力的测定

一．实验目的

1．用最大泡压法测定不同浓度的表面活性物质（正丁醇）溶液在一定温度下的表面张力；

2．应用Gibbs和Langmuir吸附方程式进行精确作图和图解微分，计算不同浓度正丁醇溶液的表面吸附量和正丁醇分子截面积，以加深对溶液吸附理论的理解；

3．掌握作图法的要点，提高作图水平。

二．实验原理

当液体中加入某种溶质时，其表面张力要发生变化。例如在水中溶入醇、醛、酮等有机化合物，水的表面张力要减小；若加入某些无机物，则水的表面张力稍有增大。溶液系统可通过自动调节不同组分在表面层中的量来降低表面Gibbs能，使系统趋于稳定。因此，若加入的溶质能够降低溶液的表面张力，则该溶质力图浓集在表面上；反之，则该溶质在表面层中的浓度一定低于溶液的内部，这种表面层中某物质的含量与溶液本体中不同的现象，称之为表面吸附作用。当表面层中物质的量大于本体溶液中的量，叫做发生了正吸附，反之为发生负吸附，Gibbs用热力学方法导出了一定温度下，吸附量的定量公式——Gibbs吸附等温式：

＝－
式中， 为表面吸附量（mol/m2）；γ为表面张力（N/m或J/ m2）；T为热力学温度（K）；c为溶液本体的平衡浓度（mol/L）；R为气体常数[J/(mol•K)]。

能使溶剂水的表面张力降低的溶质通常称为表面活性物质。工业上和生活中所用的去污剂、起泡剂、乳化剂及润滑剂等都是表面活性物质。表面活性物质的分子是由亲水的极性部分和憎水的非极性部分构成的，正丁醇分子为ROH型一元醇，其羟基为亲水基，烃基为憎水基，当它溶于水后，在溶液表面层形成羟基朝下，烃基朝上的正丁醇单分子层。当溶液浓度增加时，表面吸附量也增加；当浓度足够大时，吸附量达极大值 ，表面溶液的表面吸附达饱和状态。 可近似看成表面上定向排满单分子层时单位表面积中正丁醇的物质量。

正丁醇溶液的γ-c曲线示于图一。从曲线可求得不同浓度下的dγ/dc值，将各值待入Gibbs公式可计算不同浓度时表面吸附量 。如果作 -c曲线，可求得饱和吸附量 ，并由下式计算出正丁醇的分子截面积：

S=
式中，N0为Avgodro常数（6.02×1023/mol）。

实际上将 -c曲线外推求 比较困难。设气固单分子层吸附的Langmuir吸附等温式适用于溶液的表面吸附，并以表面吸附量 （表面超量）代替单位表面上所含正丁醇的物质量，则有：

θ＝
或

式中，θ为吸附分数，c为溶液本体的平衡浓度，K为与溶液表面吸附有关的经验常数。由 ～c作图可得一直线，由直线斜率求 ，进而可求分子的截面积S。

图一 γ～c曲线、 ～ c曲线和 ～c曲线
图二 最大泡压法测液体表面张力仪器装置图

用最大泡压法测表面张力方法如下：测定液体表面张力的方法很多，如毛细管升高法、滴重法、环法、滴外形法等等。本实验采用最大泡压法，实验装置如图二所示。

图二中A为充满水的抽气瓶；B为直径为0.2～0.3mm的毛细管；C为样品管；D为U型压力计，内装水以测压差；E为放空管；F为恒温槽。

将毛细管竖直放置，使滴口瓶面与液面相切，液体即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活栓，让水缓缓滴下，使样品管中液面上的压力渐小于毛细管内液体上的压力（即室压），毛细管内外液面形成一压差，此时毛细管内气体将液体压出，在管口形成气泡并逐渐胀大，当压力差在毛细管口所产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡破裂，压差的最大值可由U型压力计上读出。

若毛细管的半径为r，气泡从毛细管出来时受到向下的压力为：

式中，△h为U型压力计所示最大液柱高度差，g为重力加速度，ρ为压力计所贮液体的密度。气泡在毛细管口所受到的由表面张力引起的作用力为2πr•γ，气泡刚脱离管口时，上述二力相等：

若将表面张力分别为 和 的两种液体用同一支毛细管和压力计用上法测出各自的 和 ，则有如下关系：

即
对同一支毛细管来说，K值为一常数，其值可借一表面张力已知的液体标定。本实验用纯水作为基准物质，20.0℃时纯水的表面张力为7.275×10－2N/m(或J/m2)。

三．仪器和试剂

表面张力测定装置（包括恒温槽）1套；容量瓶100ml1个，50ml5个；1ml刻度移液管1支；吸耳球1个；正丁醇（二级）；去离子水。

四．实验步骤

1．溶液配制

按表分2次配制9份溶液，第一次1～5号，第二次配制6～9号。

表 － 正丁醇表面张力测定溶液配制方法

样品号数
1
2
3
4
5
6
7
8
9

容量瓶体积/cm3
100
50
50
50
50
50
50
50
50

/cm3
0.10
0.10
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75

2．如图装配仪器，恒温槽温度调至20.0℃，样品管内置待测液体，毛细管竖直放置，毛细管口与液面相切。恒温5min以上，测定液体的表面张力。

3．测定毛细管常数。样品管内加入一定量蒸馏水（以放入毛细管后管口刚好与液面相切为准），旋动抽气瓶活栓让水缓缓滴下，使气泡从毛细管均匀逸出，以3～5s逸出1个气泡为宜，记录压力计两侧液面之最高和最低读数各三次，取 的平均值计算毛细管常数K值。

4．同法测定各正丁醇溶液的 值，测量顺序由稀到浓，每次测量前用样品冲洗样品管和毛细管数次。

五．数据处理

1．计算各浓度正丁醇溶液的表面张力，并作γ-c曲线；

样品号数
1
2
3
4
5
6
7
8
9

溶液浓度c
2．用双玻璃棒法求六个以上切点（均匀分布）的 ）值；

3．计算 值，并求c/ 值；

4．作c/ ～c图，得一直线，由直线斜率求 值；

5．计算出正丁醇的分子截面积。文献记载直链醇类的分子截面积约为2.2×10-19m2，并以此求出相对误差。

Ⅵ 含水合物沉积物的纵波声速测定

李风光¹，陈光进¹，孙长宇¹，李清平²，郭绪强¹，杨兰英¹，潘恒¹

李风光（1985－），男，博士生，主要从事水合物研究，E-mail:[email protected]。

1.重质油国家重点实验室/中国石油大学，北京102249

2.中海石油研究中心，北京100027

摘要：自行设计搭建了天然气水合物纵波声速（V_P）测定实验装置，主要测定含水合物样品的声学性质。为使水合物在沉积物中分布均匀并能完全填满沉积物孔隙，采用四氢呋喃（THF）水溶液与甲烷气体在沉积物中生成水合物，测定了水合物生成过程中体系的声学性质变化，并分析了沉积物粒径及四氢呋喃水溶液浓度对声速的影响。实验结果表明：在水合物生成过程中，声速随着水合物饱和度的增加而增加，最后趋于定值；四氢呋喃水溶液的浓度越高，最后水合物样品的声速也越大，然而沉积物颗粒大小对声速结果几乎没有影响；波形的振幅变化表明在水合物生成过程中振幅随着水合物的生成先达到一最大值，随后受游离的甲烷气体的影响，振幅又会逐渐减小，最后趋于定值。根据水合物胶结模型的计算结果，模型计算值与实验值基本吻合。

关键词：水合物；沉积物；纵波声速；振幅；饱和度

Investigate on the P-Wave Velocity of Hydrate-Bearing Sand

Li Fengguang¹,Chen Guangjin^l,Sun Changyu¹,Li Qingping²,Guo Xuqiang¹,Yang Lanying¹,Pan Hen¹

1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing/China University of Petroleum,Beijing,102249,China

2.CNOOC Research Center,Beijing 100027,China

Abstract:An experimental apparatus was developed to measure P-wave velocity (V_P) o f gas-hydrate-bearing sediment.Tetrahydrofuran (THF) was added to quicken the hydrate formation in the porous media and to synthesize hydrate-bearing sediments with uniformdistribution.Methane acted as afree gas to participate in the hydrate formation.Five experimental runs were performed to examine the influence of sediment grain size and THF concentration on V_P.The P-wave velocity and the amplitude for the first arrival wave signal were collected in real time ring hydrate formation process.The experimental data showed that V_Pincreases monotonically with the increase of hydrate saturation in the sediment pore space and finally tends to be a constant value.This final V_Pvalue increases with the increase of initial THF content,but the effect of sand grain size on V_Pis inconclusive.The variations of amplitudefor the first arrival wave signal with elapsed time ring hydrate formation illustrates that the amplitude increases with the increase of hydrate saturation until it attains a maximum value and then decreases graally e to the effect of free methane gas penetrating into the hydrate-bearing sediment.The acoustic velocity of THF-hydrate filled sediment was also predicted based on the extended contact cement theory.The predicted results were close to the experimental data obtained in this work.

Key words:hydrate;sediments; P- wave Velocity;amplitude; saturation

0 引言

根据目前地质探测的结果，水合物主要分布在海底大陆架的沉积物及冻土带中^[1]。由于其储量巨大，作为一种潜在的能源资源，水合物的研究开展十分广泛^[2-4]。掌握含水合物沉积物的性质，如岩性、水合物饱和度、渗透性、密度、声速等物性，对水合物资源的估计以及将来的开采工作都有重要的意义^[5-10]。

受水合物存在条件的限制，对地层水合物样品进行原位性质测试异常困难，因而常常在实验室中人工合成水合物样品以测定其相关的物性^[8-9,11]。为了准确的测定水合物沉积物的物性，合成具有代表性的水合物样品至关重要。静态下甲烷气体在水中的溶解度很小，因而利用溶解的甲烷气合成水合物样品需要耗费相当长的时间，这给含水合物样品物性的研究带来很大的困难。Waite等^[8]测定了部分饱和水中含水合物沉积物样品的声学性质。研究表明沉积物中水合物饱和度相对有限，而且水合物生成极其缓慢。实验进行了1 400多h，沉积物中水合物的饱和度最高为70％，声波最后趋于稳定。在实验室条件下，合成水合物能完全填满沉积物孔隙的水合物样品相对较难。众所周知，四氢呋喃溶液跟水可以以任意比例混合，四氢呋喃的存在能加快水合物的生成速率，水合物在沉积物中可以均匀分布，因此实验室中经常用四氢呋喃替代甲烷合成水合物样品^[12,13]。

声速是一重要的地球物理性质参数，可以反映岩性、水合物丰度、矿藏分布等重要信息。实验室测定的声速数据可以为地震勘探的测井解释提供解释依据。勘探地层水合物最常用的方法是地震法，地震测井资料的解释需要对含水合物沉积物的物性准确了解，然而，含水合物沉积物样品的保真取样极其困难因而不能进行有效的物性测试。Priest等^[14]在实验室中合成了均匀分布的不同水合物饱和度的水合物样品，并测定了其纵波声速及横波声速，实验结果表明：甲烷水合物首先胶结砂粒，随后填充孔隙。Pearson等^[12]测定了四氢呋喃和水的混合物中生成的水合物样品的声速值。对Berea砂岩和Austin chalk样品，从水合物开始生成到水合物样品合成只需极短的时间，其声速变化都增长的很快，前者从2 500 m/s到4 500 m/s，后者从1 400 m/s到5 000 m/s；进一步的降温并没有降低样品的声速。然而，四氢呋喃生成Ⅱ型水合物，并且只占据水合物晶格中的大孔。这跟天然沉积物中的水合物区别较大，自然的水合物样品的晶格中大小孔主要被甲烷分子填充。本文利用实验室设计的水合物声速测定装置测定了含水合物沉积物样品的声学参数。四氢呋喃作为一种水合物的生成促进剂，并能使水合物在沉积物中分布较均匀，甲烷作为游离气体参加水合物生成反应。本文合成的水合物样品跟纯四氢呋喃水合物相比，四氢呋喃主要填充水合物晶格的大孔穴，而甲烷则填充小孔穴，跟天然水合物样品具有可比性。在实验过程中，V_p波形图通过软件记录下来，通过对波形图的分析可以得到声速、振幅等声学性质在水合物生成过程中的变化。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。主要包括：高压反应釜、低温空气浴槽温控系统、天然气配气系统、温度压力测量系统、超声波声速测定系统5部分。

低温高压系统的核心部件是高压反应釜（图1b），釜的设计压力为32.0 MPa，由不锈钢材料加工而成，反应釜的容量为2.0 L（φ130×150），由江苏华安石油科研仪器公司制造。该反应釜的釜底和釜盖上安装有一对超声波探头，其中釜盖上的探头可以随滑杆上下移动，便于调节两探头间的样品测量距离。在高压反应釜侧壁开设有多个不同尺寸的孔径，便于安装温度和压力监测系

图1 声速测量实验装置示意图（a）和高压反应釜内部示意图（b）

1.甲烷气瓶；2,3,4,11.阀；5.高压反应釜；6.压电换能器；7.沉积物； 8.手柄；9.底部进气口； 10.Pt100; 12.空气浴；13.温度测量； 14.压力测量；15.超声波讯号发射接收仪；16.数字示波器；17.计算机

统、超声波发射接收系统及进气口和排水口等。热电阻Pt100的测量精度为±0.1 K，压力传感器测量精度为0.5％，量程为0～60 MPa；声速测量系统主要包含4部分：陶瓷压电换能器、超声波讯号发射接收仪、示波器和数据采集分析软件。其中换能器的发射主频为500k Hz～1.0 MHz，电压为400 V；美国进口5077PR数字式超声波讯号发射接收仪；Tektronix Technology公司TBS2012B型号数字示波器，采用了高速A/D数据采集卡。声速测量的误差大约±0.5％。

1.2 实验材料

沉积物材料选用松散的石英砂。实验前先将石英砂用去离子水清洗干净，然后用烘箱在393.2K下干燥12 h。然后将其筛分为20～40目， 40～60目，60～80目3种，3种目数的沉积物物性列于表1。

表1 沉积物物性表

甲烷气由北京北分气体工业有限公司提供，纯度为99.9％。四氢呋喃水溶液由纯度为99.8％的四氢呋喃和去离子水配制。四氢呋喃水溶液生成水合物的最佳的摩尔比为5.9%

1.3 实验步骤

沉积物中水合物饱和度和分布对含水合物沉积物样品的声学性质有很大影响^[9]。为合成沉积物中水合物均匀分布的水合物样品，采用以后步骤合成水合物样品：

1）先用去离子水清洗反应釜，然后将其擦干。并在反应器侧壁安装一支热电阻Pt100以测量水合物生成过程中温度的变化。

2）室温下将含饱和四氢呋喃水溶液的沉积物装入反应釜中，如图1(b）所示。

3）沉积物装入反应釜后，通过旋转手柄将沉积物样品压实。作用在手柄上的有效应力为500 k Pa，压紧后的样品长度在50mm左右。

4）连接好管线后在室温下抽真空2 min，以排除空气对实验造成的影响。空气浴温度设为278.2 K，开始水合物的生成实验。开始先通入0.5 MPa甲烷气检验装置的气密性，在通入甲烷气时同时开启声速测量软件开始采集波形图。

5）气密性检验完好后，继续从反应釜底部注入甲烷气。进气过程在1 min左右，进气结束后反应釜内压力约为12 MPa，关闭管线截止阀，水合物样品将快速合成。从进气开始连续记录温度、压力及波形图等数据，直至反应结束。

每一组水合物样品合成实验都按照上面的实验步骤进行，然后对波形图处理分析得到样品的声学参数。

2 结果与讨论

合成5个水合物样品的沉积物粒径和THF水溶液的摩尔比及声速数据均列入表2。

表2 合成的水合物样品的最终声速数据

根据表2所示，实验采用了3.0％和5.9% 2种THF水溶液的摩尔比合成水合物样品，水溶液在沉积物中均为100％饱和状态。对于饱和THF水溶液沉积物的声速差别不大，均在1 750 m/s左右；在水合物生成过程中，声速随着水合物饱和度的增加而不断增大，最后趋于一定值。THF水溶液在常压下277.6 K时以1:17(THF:H₂O）的比例合成Ⅱ型水合物^[13]，然而水合物的饱和度很难精确计算。尽管如此，根据水合物样品声速测量结果可以看出，THF浓度高时合成的水合物样品的声速要高于THF浓度低时的声速值，说明高浓度的THF溶液合成的水合物饱和度较高，因而声速较高。为进一步了解水合物生成过程中温度、压力、声速及振幅等各参数的变化情况，以样品5为例详细说明。

2.1 水合物生成过程中声速测定

图2为样品5(60～80目沉积物＋5.9%THF水溶液＋甲烷体系）在水合物合成过程中温度、压力随时间的变化关系图。从图中可以看出，在水合物生成初期，甲烷气被大量消耗，在4.2 min内压力从13.52降到11.29 MPa，说明消耗的甲烷气生成大量水合物。水合物生成为放热反应，受此影响，温度在70s内升高了25.5 K（从278.1到303.6 K）。7 h后，温度和压力变化趋于稳定。从20 h到30 h，温度和压力的降低是受降温的影响。对于水合物样品合成后温度变化对声速结果的影响，从图3声速随时间的变化可以看出，温度降低后声速没有变化。

图2 水合物生成过程中温度、压力随时间的变化

图3 水合物生成过程中声速随时间的变化

图4 图3中A,B,C,D时刻的波形图

图4为图3中在某一具体时刻（A、B、C和D）的波形图。在时刻A（图4a）为甲烷气没有完全注入前，声速为1 856 m/s，声速比含饱和T H F溶液的声速略高，说明已有少量水合物开始生成；此后，随着水合物的开始生成，在0.6 h后的B点，甲烷气体已经通入结束，声速V_P增加到3 078 m/s（图4b）；在1.3 h后的C点，声速继续增加到3 585 m/s（图4c）；反应进行到7 h的D 点，声速最后趋于定值3 827 m/s（图4d）。

2.2 声速振幅测量

图5为水合物样品5的波形振幅随反应时间的变化关系。从图中可以看出，水合物生成过程中波形的演化规律。振幅的变化与声速的变化并不相同，在水合物快速生成的前7 h，振幅随水合物饱和度的增加而不断增大；在声速趋于一定值的过程中，振幅开始不断降低最后稳定于一定值，这种变化规律与声波穿过水合物样品时的衰减具有一定的关系。根据Priest等^[15]研究结果表明，声波能量的衰减主要包括：①几何形状散射衰减；②扩散衰减；③本征衰减。几何形状散射衰减取决于实验所选材料的几何形状，而扩散衰减与沉积物粒径大小与声波的波长均有关系，这两者均可以通过选择合适的沉积物粒径的大小来避免，因而对声波信号的衰减主要受本征衰减（它主要取决于沉积物的材料、岩性、孔隙填充介质和饱和度等）及声波的频率等影响^[16]。

对于松散的沉积物，P波信号受衰减的影响无法通过沉积物，因而无法测量到波形信号。而对于饱和水的沉积物，低频的波形信号可以通过，因此可以采集到波形信号，但是波形很微弱，振幅值也较小。水合物生成后，开始生成的絮状水合物在溶液中仅仅改变了溶液的弹性性质；随着水合物的大量生成，水合物开始胶结沉积物颗粒，含水合物的沉积物的刚性随着水合物量的增加而不断增大，高频能量的信号受衰减减弱也能通过水合物样品，因而声速振幅不断增加。在图5中开始时的振幅出现了短暂的降低，这是受甲烷进气的影响^[8]。

图5 水合物生成过程中振幅随时间的变化关系

声速增加到最大值后趋于一定值，波形的振幅达到最大值后反而开始呈现不断降低的趋势， 80 h后趋于稳定。这是由于受反应釜内游离的甲烷气的影响。THF水合物生成的为Ⅱ型水合物， THF只能占据水合物晶格的大孔穴，而甲烷分子较小，可以填充在水合物晶格中的小孔，这为甲烷气体分子在水合物中的渗透提供了可能；同时，在甲烷气进气过程中，溶液中会有大量的微小气泡，这些微小气泡部分在水合物生成过程中被消耗，部分存在于沉积物孔隙中有助于裂纹形成。生成的大量的水合物虽然能填满沉积物的孔隙，但水合物与沉积物颗粒胶结成岩的过程中，受水合物的体积膨胀作用，水合物样品中也会不可避免产生微小的裂纹，这些裂纹会使顶部的自由气更容易扩散渗透到反应釜的底部。从而使波形信号的振幅在达到最大值后开始呈降低的趋势，这也可以从图2的温度、压力的变化曲线上找到证据，声速在7h时达到最大值，体系的压力从11.2降低到实验结束时的10.8MPa，游离的甲烷气体的影响，使声波信号中的高频信号无法通过，因而波形的振幅降低。

2.3 水合物样品的声速

合成的5个水合物样品的具体参数均已列入表2中（沉积物的粒径、THF水溶液的浓度及测定的声速）。饱和THF水溶液沉积物的声速在1 706～1 782 m/s，生成水合物后样品的声速为3 295～3 984 m/s；对20～40目的样品1、2及40～60目的样品3、4,THF水溶液的浓度为5.9％时生成水合物后样品的声速要比浓度为3.0％的声速值高。对于样品1、3和5比较，看不出沉积物粒径对于声速的影响。

2.4 模型计算

许多学者尝试建立沉积物中水合物饱和度与纵波声速的关系。Dvorkin等^[17]提出了4种可能的水合物分布模型：1）水合物存在于流体中，只改变流体的性质；2）水合物作为部分沉积物的骨架，影响骨架的性质；3）水合物只胶结于沉积物颗粒接触处，水合物作为胶结剂；4）水合物不只在沉积物颗粒接触处胶结，而且水合物还包裹在沉积物颗粒的表面。自然环境中的水合物样品，水合物在沉积物孔隙中的分布仍然是一个颇有争议的问题。加拿大的麦肯齐三角洲（Mallik 2L-38）的测井数据表明，水合物主要分布在沉积物的孔隙中，没有胶结沉积物颗粒^[18]；然而，实验室中的测量结果显示在富含游离气条件下生成的水合物多胶结沉积物颗粒^[8-9]。Priest等^[19]分别测量了利用过量水和过量气的方法合成水合物样品的声速，测量结果表明水合物对声速的影响取决于合成的水合物在沉积物孔隙中存在的状态。实验室测量的结果提供了一种对于一给定地质环境判断水合物分布的模式。

对于水合物分布模式1），生成的水合物悬浮在流体中，水合物只影响流体的体积模量，而没有影响流体的剪切流量，但对沉积物的弹性模量没有贡献；对于水合物分布模型2），生成的水合物作为部分的沉积物骨架，虽然作为沉积物的一种组分，由于水合物的物性参数跟沉积物的岩性相差较大，因而水合物的存在对声速的影响也很微弱；相反，对水合物分布模型3）和4），水合物作为沉积物颗粒间的胶结剂，水合物的胶结作用大大地增加了水合物样品的刚性，因而使水合物样品的声速增加。Dvorkin等^[20]的胶结理论可适用于水合物饱和度较高时的情况，或者沉积物孔隙中完全填满水合物。在本文的模型计算中， THF水溶液的在摩尔比为5.9％时刚好完全生成水合物，因此假设沉积物孔隙中水合物饱和度为100％，含THF水合物沉积物样品的体积模量K和剪切模量G由下式（1）计算^[17]：

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式中：K_h和G_h分别为水合物的体积模量和剪切模量（GPa）；φ_c为松散沉积物的临界孔隙度（φ_c=0.4）；n为单颗粒平均接触数，8.5；参数S_n和S_τ根据Dvorkin和Nur等^[21]提供的计算方法求得：

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式中：v_q、v_h分别为沉积物及水合物的泊松比。计算方法分别为v_q＝0.5(K_q-2/3G_q)/(K_q+ 1/3G_q） (K_q和G_。分别为石英砂的体积模量和剪切模量）、v_h=0.5(K_h-2/3G_h)/(K_h+1/3G_h），π为常数，3.14；参数α跟水合物的分布相关。对模型3），α＝2[（φ_c－φ）/(3nl－φ_c)]^0.25（φ为孔隙率，当THF水合物完全填满沉积物孔隙时，φ值为0）；对模型4），a=[2（φ_c－φ）/3(1－φ_c)]^0.5。

含水合物沉积物的弹性模量求得后，水合物样品的声速可由式（11）计算：

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其中ρ为水合物样品的体积密度，可以式（12）计算求得：

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模型计算过程中用到的参数列于表3中。在模型计算中，由于THF+CH₄水合物的弹性模量数据无法得到，且该实验合成水合物与纯甲烷水合物差别较小，因此计算中采用纯甲烷水合物的弹性模量参数代替合成的THF水合物。本文只对THF水溶液在浓度为5.9％化学计量比生成的水合物样品2、4及5进行了预测，结果列于表4中。当THF水溶液的浓度小于5.9％时，合成的水合物样品的饱和度很难确定，因而没有对其进行预测。根据表4中实验值与计算值的比较可以看出，胶结理论可以较好的对含水合物沉积物样品进行预测。对样品2和5，实验测量值与模型3）的计算值基本吻合。而对样品4，实验值与模型4）的计算值更接近。同样可以看出，水合物在沉积物中非常有明显的胶结作用。

表3 模型计算中的参数列表

表4 模型计算结果跟实验值对比

3 结论

1）在实验室搭建的水合物声速测定实验装置上，利用不同沉积物粒径和不同的THF水溶液浓度合成了5个的水合物样品，并测量了水合物生成过程中水合物样品的声学性质变化。

2）沉积物孔隙中的填充物对沉积物样品的声速具有重要的影响。对含饱和THF水溶液的沉积物，声速为1 706～1 782 m/s；在THF水合物生成过程中，水合物样品的声速随饱和度的增加而增大，最后趋于一定值；水合物生成反应完全结束后，含水合物沉积物的声速为3 295～3 984 m/s。声速值的大小在很大程度上取决于沉积物孔隙中水合物的饱和度。

3）振幅的变化趋势与声速变化不同，在水合物生成过程中，振幅先随着水合物饱和度的增加而不断增大，达到一个最大值后开始降低，最后趋于稳定，这主要是受游离的甲烷气体在水合物样品中不断渗透的影响结果；同时，水合物胶结模型的计算值与实验值基本一致。

参考文献

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Ⅶ 实验内容是什么

实验内容：动手制作LED灯演示法拉第圆环实验

实验装置或耗材：LED灯(×3)，实验模块(外有硅钢材料的椭圆体绕组线圈即法拉第圆环×1)，开关(×1)，通电导线若干；9V电池(×1)，橡胶头插线(×2); 烙铁(×1)。

实验目标：正确使用现代LED灯演示十九世纪法拉第圆环实验，判断并使用烙铁焊接最少焊点形成正确的通路演示电磁感应现象。

考察关键点：

1.LED灯极性判断；

2.使用LED进行正确连接；

3.焊接最少焊点；

4.正确通路的演示。

部分重要装置或耗材示意图：

装置盒 LED灯 烙铁

实验二

实验内容：使用万用表测量电阻和二极管

实验装置或耗材：万用表（BEST 9205M型），电阻与二极管黑箱（外部有1-4号4个接头，其中1、2号与3、4号接头分别连有未知电子元器件，器件可能为电阻或二极管），纸，笔。

实验目标：正确使用万用表测量黑箱中的电阻与二极管，并判断哪两个接口之间是电阻，哪两个接口之间是二极管。

部分重要装置或耗材示意图：

万用表（BEST 9205M型） 电阻与二极管黑箱

实验三

实验内容：碳酸钠溶液的配制及pH值测定

实验装置或耗材：无水Na2CO3纯样（分析纯），电子天平（0.0001g），称量纸，小药匙, 50mL烧杯，去离子水500 mL，20cm玻璃棒，容量瓶50mL，5mL一次性滴管*2，广泛pH试纸一包，表面皿一个。

实验目标：配制规定浓度Na2CO3溶液（浓度误差<5%）50ml并测其PH值

考察关键点：

1.浓度的计算；

2.电子天平的操作；

3.溶解步骤；

4.样品转移及定容步骤；

5.pH试纸的使用。

部分重要装置或耗材示意图：

实验四

实验内容：模拟心肺复苏

实验装置或耗材：心肺复苏模型人及一次性CPR训练屏障消毒面膜若干

实验目标：在心肺复苏模型上进行人工呼吸和胸外心脏按压的操作，实施对象为模拟成人，由单人完成。

部分重要装置或耗材示意图：

实验五

实验内容：钉子支撑实验

实验装置或耗材：散装长钉*13，10cm*10cm*3cm木块*1，锤子*1，纸，笔。

实验目标：将12根散装长钉在不接触任何其他材料、装置、外力的情况下支撑在1根长钉上。

部分重要装置或耗材示意图：