常压下在线红外光谱仪原位监测水合物微观动力学过程的装置及其使用方法与流程

1.本发明涉及一种常压下在线红外光谱仪原位分析水合物装置，尤其涉及一种常压下在线红外光谱仪原位监测水合物微观动力学过程的装置及其使用方法。


背景技术：

2.天然气水合物（俗称可燃冰）主要是由甲烷气体分子与水分子在低温、高压条件下形成的一种具有笼型结构的似冰状结晶化合物，是一种非常规天然气资源。客体分子主要是甲烷、乙烷、二氧化碳等气体，也可以是丙酮、四氢呋喃(thf)、环戊烷等有机化合物。
3.天然气水合物的形成条件苛刻, 需要定制专门的高压反应器。相反，thf在与水在常压、温度低于4.4℃时即可生成水合物，无须专门采用高压装置，实验简单安全，而且thf水合物很多性质和天然气水合物很类似,因此通过对thf水合物的研究得到天然气水合物的一系列物理力学性质,己经得到科学界的广泛认可。
4.目前关于含 thf 水合物形成过程的研究多采用间接法, 即通过研究试验系统的温度、压力变化等物性参数, 经过计算来反映水合物形成过程的物质转化；通过反应器透视窗直接观察，宏观压力、温度、电阻率等间接变量，以及计算机模拟和理论计算等方法。mizaikoff团队应用自制的中红外光纤倏逝场吸收光谱装置监测天然气水合物系统，但实验装置复杂繁琐，而且必须在黑暗的通风柜内操作，以最大限度地减少光引起的纤维退化。这些方法均不能原位监测反应体系分子的微观变化行为, 或者研究结果受设备精密度 、实验环境、计算误差的影响比较大。
5.为了满足水合物领域研究的需求，迫切需要一套能够从分子层面、常压下在线监测水合物微观动力学过程的装置和分析方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供常压下在线红外光谱仪原位监测水合物微观动力学过程的装置及其使用方法，通过该装置结合宏观上温度变化以及微观分子的光谱变化，可以实时、原位监测溶液中分子转化为水合物前后的变化行为。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：一种常压下在线红外光谱仪原位监测水合物微观动力学过程的装置，包括反应器，及与所述反应器联合使用的温度传感器，在线红外检测仪与设置在反应器内部的atr探头连接，atr探头通过适配器固定在反应器上，在线红外检测仪和温度传感器均与数据采集与处理系统相连。
8.其中温度传感器用于实时采集玻璃瓶中的温度，在线红外光谱仪的光谱范围是3000
‑
650cm
‑1，分辨率8 cm
‑1，atr探头材质为金刚石或硅。atr探头ph范围是1
‑
9（硅），1
‑
14（金刚石）。atr探头最大耐受压力为69bar, 温度范围
‑
80℃
‑
180℃。
9.进一步地，所述的反应器外部配有水浴夹套，水浴夹套与低温恒温水浴控制装置
相连。连接低温恒温水浴控制装置可以控制反应器内温度，温度范围是
‑
20℃
‑
50℃。反应器内部的温度传感器，可以精确测量溶液中的温度。测量精度为士0.1℃。
10.进一步地，所述的反应器为三口双层玻璃瓶，体积为250ml，玻璃瓶底部设有磁力搅拌器，促使溶液搅拌均匀，加快水合物的生成。
11.所述的数据采集与处理系统，用于实时记录、处理分子的红外吸收峰及温度的数据。
12.该装置可以检测丙酮、四氢呋喃和环戊烷中的一种或两种以上可生成水合物的有机溶剂。
13.有益效果：（1）使用本发明装置，可以从分子层面、原位监测体系物质的变化：在线红外光谱仪的atr探头可插入溶液中，实时原位监测溶液中分子红外吸收峰的变化。
14.（2）本发明提到的在线红外光谱仪原位监测水合物生成/分解过程的装置测量精密度高。
15.（3）本发明操作简单、方便、安全，通过atr探头插入反应体系中，可原位测量反应过程中各物质的光谱变化，无需取出样品进行检测，避免取样困难、样品转移分解的缺点。
16.（4）本发明能够实现体系分子、水合物的原位红外表征，也可以将水合物样品取出进行其他微观表征。
17.（5）本发明操作简单，无需放置黑暗中等特殊处理，便于控制和维护。
18.（6）本发明可重复性高。
附图说明
19.图1为本发明的装置图；图中： 1.在线红外光谱仪；2.atr探头检测器；3.反应器；4水浴夹套；5.适配器；6.数据采集与处理系统；7.温度传感器；8.低温恒温水浴控制装置。
20.图2为thf水合物生成前后特征峰的红外光谱图。
具体实施方式
21.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
22.实施例1一种常压下在线红外光谱仪原位监测水合物微观动力学过程的装置，包括反应器3，及与所述反应器联合使用的能检测其内部温度的传感器7，设置在反应器内部的atr探头与在线红外检测仪1相连，atr探头通过适配器5固定在反应器3上，在线红外检测仪1与温度传感器7均与数据采集与处理系统6相连。
23.其中，在线红外光谱仪的光谱范围是3000
‑
650cm
‑1，分辨率8 cm
‑1，atr探头材质为金刚石或硅，最大耐受压力为69bar, 温度范围
‑
80℃
‑
180℃。atr探头ph范围是1
‑
9（硅），1
‑
14（金刚石）。
24.反应器3外部配有水浴夹套4，水浴夹套4与低温恒温水浴控制装置8相连。连接低
温恒温水浴控制装置可以控制釜内温度，温度范围是
‑
20℃
‑
50℃。反应器内部的温度传感器，可以精确测量溶液中的温度。测量精度为士0.1℃。
25.所述的反应器为三口双层玻璃瓶，体积为250ml，玻璃瓶底部设有磁力搅拌，促使溶液搅拌均匀，加快水合物的生成。
26.所述的数据采集与处理系统，用于实时在线记录、处理温度以及样品的红外光谱特征峰的各项数据的分析。
27.上述常压下在线红外光谱仪原位监测水合物微观动力学过程的装置及其使用方法的检测方法包括如下步骤：以thf水合物生成和分解为例：生成实验过程如下：1.首先检查所有电器等设备连线是否正常，打开在线红外光谱仪和数据采集与处理系统。
28.2.连接在线红外光谱仪和atr探头，加入液氮冷却atr探头2
‑
4h。
29.3.开启低温恒温水浴装置，调节反应器温度至实验目标温度。
30.4.设置在线红外光谱仪的参数、收集背景, 稳定以后待机工作。
31.5.开始实验前,先将250ml玻璃瓶清洗干净并干燥待用。
32.6.配置thf水溶液（n thf :n h2o
=1:17），取适量加入玻璃瓶，确保atr探头浸入溶液内部，开启磁力搅拌使溶液混合均匀，稳定10min达到初始温度。
33.7.开启在线红外光谱仪监测软件、数据采集与处理系统，通过计算机实时记录、采集反应器内水合物生成过程中分子红外光谱、温度。
34.8. 待反应体系稳定后，降低恒温循环水浴温度至2℃以生成水合物。
35.9.水合物生成过程中，在线红外光谱仪每1分钟采集一次数据，可以得到连续的整个水合物生成过程中h2o，thf红外吸收峰的变化信息。反应前水溶液中1040cm
‑1峰归属于thf中c
‑
o
‑
c的非对称吸收峰，随着水合物的诱导、成核， 1040 cm
‑1峰吸光度逐渐降低，1070 cm
‑1出现新峰，代表thf占据水合物大笼的特征峰，同时温度骤升，表明水合物开始成核。
36.10.反应器内温度和红外吸收峰的吸光度达到稳定，表明水合物生成过程结束。
37.11.升高恒温循环水浴的温度，使水合物分解，反应器内温度和红外吸收峰的吸光度达到稳定后，表明水合物分解过程结束。