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原文传递纳米MgO吸附火灾中有害气体及碳烟颗粒的模拟研究与分析

论文题名：	纳米MgO吸附火灾中有害气体及碳烟颗粒的模拟研究与分析
关键词：	船舶火灾;烟气处理;纳米氧化镁;吸附性能;有害气体;碳烟颗粒
摘要：	目前我国已经成为世界航运大国。但是随着船舶数量和吨位的增加，海难事故也在不断增加，尤其是船舶火灾所造成的人员伤亡和巨额的财产损失。统计显示船舶火灾约占船舶事故总数的11％，航运船舶携带大量的燃油，包括柴油、汽油、重油等，由于输油管道的老化等原因，这些燃油发生泄漏，很容易引发火灾。船舶起火时燃油以及船舱中其他可燃物会迅速产生大量的烟尘和有毒气体，阻碍人员逃生，影响消防人员进入船舱灭火救人。美国海军曾经在废旧军舰上做了应用金属纳米氧化物与烟气相互作用的试验，效果良好。但是其控烟机理至今并未有相关的报道。目前分子动力学已经普遍地应用于纳米材料，生物大分子的模拟计算研究，并且取得了很多突出的成果。而本文在总结了众多成果的基础上，应用跨学科的方法，从微观上对金属纳米氧化物与火灾烟气的相互作用机理作了有益的探索，为船舶火灾的控制研究提供了新的思路。　　本文以降低烟气浓度为目标，采用新型的纳米技术实现控烟的目的，将纳米氧化镁颗粒吸附性能应用于处理火灾烟气中有害气体和碳烟颗粒，利用分子动力学模拟的方法进行分析。　　首先，分析纳米氧化镁的形貌结构，得到立方体型纳米氧化镁在10 nm范围内，当粒径的尺寸减小时，其比表面积迅速增加。当粒径为1nm时，其表面原子占总原子比例可以达到90%以上；　　其次，研究烟气的理化特性，得出阻碍人员逃生的主要原因是烟气中存在影响视线的碳烟颗粒物和致人丧失逃生能力的有毒气体CO、SO2等分子。　　然后，基于分子动力学模拟理论，以Lammps和Material Studio模拟软件为平台，建立了0 nm~10nm粒径的立方体纳米氧化镁模型以及烟气中CO、SO2、CO2等气体分子和碳烟颗粒的模型。通过Lenna rd-Jones势函数以及键合作用势函数建立力场数学模型，从微观角度阐述纳米氧化镁控烟机理。量化在控烟过程中的主要技术参数，如纳米氧化镁粒径、比表面积、吸附时间、吸附量以及温度等，经过模拟计算得到的结果主要包括：　　(1)纳米氧化镁可以吸附烟气中气体分子和碳烟颗粒，并在一定范围内随着纳米氧化镁粒径的增加，吸附的时间在缩短，在0 nm~2nm范围内吸附时间变化显著；　　(2)吸附气体分子的数量随纳米氧化镁粒径的增大而增加，并且在数值上成二次方关系；　　(3)纳米氧化镁对于不同的气体分子，其吸附量有着明显区别，吸附CO分子数量远远高于SO2分子数量；　　(4)CO分子可以形成明显的双层垂直吸附，并且C端吸附能大于O端；而SO2分子只能形成单层吸附，并且O端吸附能大于S端。在300K~400 K温度变化范围内，随着温度的升高，纳米氧化镁吸附气体分子量有所减少，但是减少不明显。在一定尺寸范围内随着粒径的增加，纳米氧化镁吸附碳烟颗粒时间缩短与吸附气体有相同特点，然而温度变化对吸附碳烟颗粒影响并没有明显规律。　　最后，考虑实际投放纳米氧化镁粉体于运动的烟气中，分析在空气流体中纳米颗粒、烟气颗粒以及气体分子的运动和受到综合力的作用，结合模拟纳米氧化镁吸附烟气的结果，可以得出纳米氧化镁能有效吸附烟气中有害气体和碳烟颗粒，对烟气具有吸附和耗散作用，研究结果为纳米颗粒在船舶火灾控烟方面提供理论依据。
作者：	王浩东
专业：	轮机工程
导师：	苏石川
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文