一種預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法，屬于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)測(cè)試 策略領(lǐng)域。具體是基于吸附溫度和氣體分子特性，通過(guò)QSAR模型對(duì)大氣中含硫化合物吸附 速率進(jìn)行預(yù)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 含硫化合物主要來(lái)自工業(yè)廢氣和燃料燃燒，例如硫酸工業(yè)、一碳化工、煤的燃燒 等。在工業(yè)上，這些含硫化合物不僅會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用，還會(huì)影響化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，降 低產(chǎn)物純度;在大氣環(huán)境中，含硫化合物的釋放會(huì)產(chǎn)生刺鼻難聞的氣味，這些氣體對(duì)動(dòng)植物 都會(huì)造成嚴(yán)重的影響，例如刺激呼吸系統(tǒng)等。因此對(duì)含硫氣體的監(jiān)測(cè)和控制都是很有必要 的。
[0003] 針對(duì)大氣環(huán)境中的含硫化合物的去除，主要還是采用吸附法。吸附法具有投資成 本低、去除效果好、原材料來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，成為了應(yīng)用成熟的方法。吸附劑可以是活性炭、 多孔材料以及土壤等，這些材料還具有再生簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。由于不同含硫化合物在吸附去除 過(guò)程中表現(xiàn)出的去除特性不同，因此無(wú)法通過(guò)列舉的方式逐一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，因此，通過(guò)定 量結(jié)構(gòu)活性關(guān)系(QSAR)方法建立一種能夠快速有效地預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的 方法模型具有重要的應(yīng)用意義。
[0004] 目前，中國(guó)專利CN 103983545A公開了"一種活性焦二氧化硫吸附速率測(cè)試裝置和 方法"的發(fā)明。該發(fā)明是通過(guò)一套自制的吸附裝置來(lái)檢測(cè)so 2在活性焦上的吸附速率。該方 法能夠評(píng)價(jià)活性焦吸附so2的吸附速率，但是操作較復(fù)雜，且僅能檢測(cè)單一的so 2的吸附速 率。中國(guó)專利CN 102944624A公開了 "發(fā)酵肉制品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)中含硫化合物檢測(cè)方法" 的發(fā)明。該發(fā)明通過(guò)氣相色譜-火焰光度檢測(cè)聯(lián)用檢測(cè)了含硫化合物。然而該方法并沒有對(duì) 含硫化合物的吸附速率進(jìn)行研究。本發(fā)明所涉及的方法能夠?qū)Υ髿庵泻蚧衔锏奈剿?率進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0005] 目前，關(guān)于預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法尚未見到報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法，該預(yù)測(cè)方法 能快速有效地預(yù)測(cè)含硫化合物的吸附速率。
[0007] 所述預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法包括:通過(guò)采用偏最小二乘法構(gòu)建 QSAR模型，得到含硫化合物的吸附速率； 所述QSAR模型為： -1?? - -θ.845 + 2j§6lx ir2r ^ 7.247 X ^ 1.2：9：x 10? 其中，ra為含硫化合物的吸附速率，T為吸附溫度，Pa*含硫化合物的分壓，Μ為氣體分 子吸附特性常數(shù)； 所述氣體分子吸附特性常數(shù)通過(guò)以下公式得到： M = Τ " 其中，m為物理吸附平衡常數(shù)，幻為氣體分子物理吸附熱(通過(guò)量子化學(xué)軟件計(jì)算氣體 分子在吸附劑上的物理吸附熱），n為化學(xué)吸附平衡常數(shù)，仍為氣體分子化學(xué)吸附熱(通過(guò)量 子化學(xué)軟件計(jì)算氣體分子在吸附劑上的化學(xué)吸附熱）。
[0008] 優(yōu)選的，所述含硫化合物包括硫化氫、二氧化硫、羰基硫、二硫化碳。
[0009] 本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果： (1)本發(fā)明采用偏最小二乘回歸算法，基于吸附溫度和氣體分子特性構(gòu)建了預(yù)測(cè)模型， 所建立的QSAR模型具有廣泛的適用性、良好的實(shí)用性、穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)效果;模型簡(jiǎn)潔、計(jì)算 簡(jiǎn)便，便于理解和實(shí)際應(yīng)用。
[0010] (2 )本發(fā)明的QSAR模型涵蓋了多種含硫化合物，可以為含硫化合物的吸附速率預(yù) 測(cè)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0011] (3)本發(fā)明方法可以快速的預(yù)測(cè)含硫化合物在吸附劑上的吸附速率，能夠節(jié)省大 量的實(shí)驗(yàn)、人力、時(shí)間、費(fèi)用消耗。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為訓(xùn)練集l〇gra的實(shí)測(cè)值、QSAR模型預(yù)測(cè)值的擬合圖（CS2的吸附）。
[0013]圖2為驗(yàn)證集logra的實(shí)測(cè)值、QSAR模型預(yù)測(cè)值的擬合圖（C0S的吸附）。
[0014]圖3為QSAR模型下訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的殘差分布。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明，但本發(fā)明保護(hù)范圍并不限于如下所 述內(nèi)容。
[0016] 實(shí)施例1 本實(shí)施例提供預(yù)測(cè)活性炭對(duì)cs2的吸附速率的方法： (1) 在25°C條件下，用量子化學(xué)軟件(Materials Studio)對(duì)CS2的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 并計(jì)算得到25°C下活性炭對(duì)CS2的物理吸附熱為47.36kcal/mol和氣體分子CS 2的化學(xué)吸附 熱為8 · 69kcal/mol; (2) 應(yīng)用QSAR模型預(yù)測(cè)活性炭對(duì)濃度為15ppm的052在25°(3下的吸附速率logra: -leg二2:.痛l>ar2r + 7.:247?二L3.52 其中，ra*CS2在活性炭表面的吸附速率(mol/s)，T為吸附溫度=25(°C)，P a為含硫化合 物的分壓=15(ppm)，M為氣體分子吸附特性常數(shù)=121.94; 所述氣體分子吸附特性常數(shù)通過(guò)以下公式得到： if = ^ + =121:94 r.… 其中，m為物理吸附平衡常數(shù)=47.16，ei*氣體分子物理吸附熱=47.36kcal/mol，n為化 學(xué)吸附平衡常數(shù)=〇. 15，⑵為氣體分子化學(xué)吸附熱=8.69kcal/mol。
[0017] (3)將10L濃度為15ppm的CS2氣體通入靜態(tài)吸附試驗(yàn)裝置，裝置中平鋪放置20g活 性炭吸附劑，調(diào)節(jié)裝置上的加熱器，使裝置內(nèi)的氣溫維持在25°C，3小時(shí)后測(cè)定裝置內(nèi)氣體 中CS2的濃度(此時(shí)吸附達(dá)到平衡），計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)值logra。通過(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得濃度為 15ppm的052在25°(3下的吸附速率1〇85實(shí)驗(yàn)值為-1.341;誤差僅為0.011，由此可見QSAR模型 可以準(zhǔn)確有效預(yù)測(cè)CS 2的吸附速率。
[0018] 實(shí)施例2 本實(shí)施例提供預(yù)測(cè)A12〇3對(duì)C0S的吸附速率的方法： (1) 在30°C條件下，用量子化學(xué)軟件(Materials Studio)對(duì)C0S的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 并計(jì)算得到30°C下Al2〇3對(duì)C0S的物理吸附熱為19.53kcal/mol和氣體分子C0S的化學(xué)吸附熱 為2·02kcal/mol; (2) 應(yīng)用QSAR模型預(yù)測(cè)Al2〇3對(duì)濃度為30ppm的COS在30°C下的吸附速率logra: -%? = -0.845 + 2.061 ir:￥ +1:247^ ir5i| +1 10-? = iJM 其中，rACOS在Al2〇3表面的吸附速率(mol/s)，T為吸附溫度=30(°C)，P a為含硫化合物 的分壓=30(ppm)，M為氣體分子吸附特性常數(shù)=39.79; 所述氣體分子吸附特性常數(shù)通過(guò)以下公式得到： T 其中，m為物理吸附平衡常數(shù)=47.16，的為氣體分子物理吸附熱=19.531?^1/111〇1，11為化 學(xué)吸附平衡常數(shù)=〇. 15，⑵為氣體分子化學(xué)吸附熱=2.02kcal/mol。
[0019] (3)將10L濃度為30ppm的⑶S氣體通入靜態(tài)吸附試驗(yàn)裝置，裝置中平鋪放置20g Al 2〇3吸附劑，調(diào)節(jié)裝置上的加熱器，使裝置內(nèi)的氣溫維持在30°C，3小時(shí)后測(cè)定裝置內(nèi)氣體 中C0S的濃度(此時(shí)吸附達(dá)到平衡），計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)值logr a。通過(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得濃度為 30ppm的C0S在30°C下的吸附速率1〇85實(shí)驗(yàn)值為-0.485;誤差僅為0.019，由此可見QSAR模 型可以準(zhǔn)確有效預(yù)測(cè)C0S的吸附速率。
[0020] 實(shí)施例3 本實(shí)施例提供預(yù)測(cè)Si02對(duì)H2S的吸附速率的方法： (1) 在40°C條件下，用量子化學(xué)軟件(Materials Studio)對(duì)H2S的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 并計(jì)算得到40°C下Si02對(duì)H2S的物理吸附熱為13.18kcal/mol和氣體分子H 2S的化學(xué)吸附熱 為0·67kcal/mol; (2) 應(yīng)用QSAR模型預(yù)測(cè)Si02對(duì)濃度為50ppm的H2S在40°C下的吸附速率logr a: -Isg^ = + 2；06! x：Ir;￥+7:.247 x :10-5? = Q3S7 其中，^為出S在Si02表面的吸附速率(mo 1 /s )，Τ為吸附溫度=40 (°C )，Pa為含硫化合物 的分壓=50(ppm)，M為氣體分子吸附特性常數(shù)=19.55; 所述氣體分子吸附特性常數(shù)通過(guò)以下公式得到： Μ = ^ + ^=1935 Τ ' 其中，m為物理吸附平衡常數(shù)=47.16，的為氣體分子物理吸附熱=13.18kcal/mol，η為化 學(xué)吸附平衡常數(shù)=〇. 15，⑵為氣體分子化學(xué)吸附熱=0.67kcal/mol。
[0021 ] (3)將10L濃度為50ppm的H2S氣體通入靜態(tài)吸附試驗(yàn)裝置，裝置中平鋪放置20g Si〇2吸附劑，調(diào)節(jié)裝置上的加熱器，使裝置內(nèi)的氣溫維持在40°C，3小時(shí)后測(cè)定裝置內(nèi)氣體 中H2S的濃度(此時(shí)吸附達(dá)到平衡），計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)值logr a。通過(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得濃度為 50ppm的H2S在40°C下的吸附速率1〇85實(shí)驗(yàn)值為-0.612;誤差僅為0.015，由此可見QSAR模型 可以準(zhǔn)確有效預(yù)測(cè)H2S的吸附速率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法，其特征在于:通過(guò)采用偏最小二乘法 構(gòu)建QSAR模型，得到含硫化合物的吸附速率； 所述QSA財(cái)莫型為：其中Ja為含硫化合物的吸附速率，T為吸附溫度，1^3為含硫化合物的分壓，Μ為氣體分子 吸附特性常數(shù)； 所述氣體分子吸附特性常數(shù)通過(guò)W下公式得到：其中，m為物理吸附平衡常數(shù)，ei為氣體分子物理吸附熱，η為化學(xué)吸附平衡常數(shù)，日2為氣 體分子化學(xué)吸附熱。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法，其特征在于:所述含 硫化合物包括硫化氨、二氧化硫、幾基硫、二硫化碳。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物吸附速率的方法，屬于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)測(cè)試策略領(lǐng)域。采用偏最小二乘法構(gòu)建QSAR模型，根據(jù)QSAR模型得到含硫化合物的吸附速率。本發(fā)明的模型應(yīng)用廣泛，具有良好的實(shí)用性、穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)效果。在獲得含硫化合物分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅通過(guò)對(duì)表征結(jié)構(gòu)特征的描述符進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用QSAR模型，就能夠有效地快速預(yù)測(cè)大氣中含硫化合物的吸附速率。此預(yù)測(cè)方法具有便捷快速、成本低廉的特點(diǎn)，能為含硫化合物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管理提供重要的數(shù)據(jù)支持，意義重大。
【IPC分類】G01N33/00
【公開號(hào)】CN105548463
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510836225
【發(fā)明人】湯立紅, 宋辛, 李凱, 寧平, 王馳, 孫鑫
【申請(qǐng)人】昆明理工大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年11月26日