气候变化和人类活动对中国生态敏感性的影响分析与改善路径——基于响应曲面法

生态敏感性是指生态系统对外界干扰的反应程度。随着气候变化和人类活动日益加剧,二者分别以单独和交互作用的方式影响生态敏感性,进而暴露出整体或区域性的人口、资源与环境问题。因此,厘清气候变化和人类活动对生态敏感性的影响程度,并分级进行改善,有利于提升地区生态环境的韧性和可持续发展水平。该研究以中国31个省份为研究对象,基于2001—2020年的气象、遥感和统计数据,构建气候变化、人类活动和生态敏感性指标体系,运用主成分分析提取气候变化和人类活动的影响因子,利用响应曲面法(response surface methodology,RSM)分析各地区气候变化和人类活动单因子及交互作用对生态敏感性的影响,并以包含生态和气候敏感性的复合敏感值为依据,划分优化区、管控区和治理区,探究了敏感值较高的治理区的改善路径。结果表明:(1)中国生态敏感值在时间上呈波动下降态势,2001—2020年总体下降了2.2%;空间上呈现出“西高东低、北高南低”的空间布局,与2001年相比,2020年重度敏感及以上的省份数量减少了7.1%。(2)经济发展、气候变化、人口规模对不同省份生态敏感性的影响存在差异,受单因子影响的省份占比分别为77.4%、67.7%和54.8%;因子交互作用中,负交互效应占比为69.6%,说明大部分因子对另一因子影响生态敏感性的效应产生反向作用。(3)为减少气候变化对生态敏感性的负面影响,针对治理区内自然条件和发展速度不同的区域,需要有针对性地协调经济发展或人口增长,以确保在生态承载范围内推动经济社会可持续发展。

响应曲面法优化废旧三元锂电池黑粉酸浸工艺

使用盐酸直接浸出废旧三元锂电池黑粉中的锂、镍、钴、锰,采用基于Box-Behnken设计的响应曲面法,考察反应温度、酸浓度、时间对4种元素浸出率的影响。结果表明,直接酸浸法最佳工艺条件为:酸浓度6 mol/L,固液比250 g/L,反应温度60℃,反应时间7 h,2次浸出后,锂浸出率为99.96%,镍浸出率为99.73%,钴浸出率99.90%,锰含量为99.82%。

响应曲面法优化茯苓多糖微波辅助提取工艺

以茯苓菌核为原料,应用响应曲面法优化微波辅助提取茯苓多糖的工艺。在单因素实验基础上,通过Box-Behnken实验设计以及响应曲面分析法,研究料液比、pH值、微波功率、提取时间、提取次数对茯苓多糖提取率的影响。结果表明最佳提取工艺为:液料比28.3:1、pH6.8、微波功率548W、提取时间2.2min、提取次数2次。在此条件下,茯苓多糖提取率为3.04%,与预测值3.06%的相对误差小于5%。该法得到的提取工艺参数可靠,可为茯苓多糖工业化生产提供技术参考。

基于响应曲面法的木材喷涂漆雾扩散角度与均匀度优化

【目的】探究木材喷涂喷头结构参数对喷口流速v_(2)、漆雾扩散角度γ和漆雾均匀性λ的影响,求解喷头最优结构参数,提高木材喷涂效率和喷涂效果。【方法】基于雾滴碰撞、聚集和积累理论初步探究v_(2)、γ和λ的影响因素,将优化参数设为原始喷头的7项关键内部结构参数,包括内壁倒角β、三段管道内壁长度L_(1)至L_(3)和三段管道内壁直径d_(1)至d_(3),利用Design Expert设计7因素3水平3指标的BBD响应曲面试验,探究各结构参数对v_(2)、γ和λ的影响显著性。BBD试验各组结果由3部分仿真获得,采用k-ε模型进行喷头内部流场仿真、KHRT模型进行高压平口雾化仿真。应用Image J测定漆雾扩散角度,通过Python运用“雾滴撒点法”完成对每组雾化仿真结果的均匀性标定,利用多目标优化方法求解喷头最优结构参数,并通过仿真喷涂和实机喷涂验证其喷涂效果。【结果】BBD响应曲面试验结果表明,7项关键内部结构参数对指标的影响十分复杂,但3项指标v_(2)、 γ和λ回归显著(P≤0.000 1),多目标优化下的理论最优漆雾扩散角度为21.28°、最优漆雾均匀性为3.053;最优喷头的喷涂仿真试验结果表明,优化后喷口流速v_(2)由35.8 m·s^(-1)升至107 m·s^(-1),漆雾扩散角度γ由16.74°升至21.09°(与理论相差0.883%),漆雾均匀性λ由3.62升至3.03(λ越小代表越均匀,与理论相差0.751%)。在木材喷涂实机试验中,优化前后木材喷涂试样漆厚标准差由21.71μm降至17.74μm,单面喷涂时间由6.2 s降至5.5 s,单面喷头移动行程由3 255 mm降至2 887 mm。【结论】基于“雾滴撒点法”的漆雾均匀性评判标准以及基于响应曲面法和多目标的喷头结构参数优化方法可对木材喷涂喷头优化设计提供一定参考,对提高木材喷涂漆面均匀性和木材喷涂效率具有一定效果和帮助。

基于响应曲面法的摆焊工艺参数分析

针对摆焊工艺中焊接参数众多,且焊缝几何参数与焊接参数之间关系难以确定的问题,本文提出了一种基于响应曲面法的摆焊工艺参数分析方法。研究了冷金属过渡焊接(CMT)摆焊工艺的摆动参数和焊枪摆动轨迹,采用响应曲面法建立了送丝速度、焊接速度、摆动幅度与焊缝高度、焊缝宽度、焊缝熔深的数学模型,并对模型有效性进行了验证。研究表明:焊枪按照摆动长度为3 mm,左右两侧侧壁停留长度为0.5 mm的摆动轨迹摆动时,焊缝不会出现“鱼刺”型咬边,成型较好,有较好的“鱼鳞纹”,符合焊接成型要求;对焊缝高度的主要影响因素依次是送丝速度>焊接速度>摆动幅度,对焊缝宽度的主要影响因素依次是摆动幅度>焊接速度>送丝速度,对焊缝熔深的主要影响因素依次是送丝速度>焊接速度>摆动幅度。本文建立的3个模型均能够在因子域内预测响应。

基于响应曲面法的WER-SBR复合改性乳化沥青性能研究

为了定量分析水性环氧树脂(WER)和丁苯橡胶乳液(SBR)对乳化沥青性能的影响,并优化其配合比设计。基于响应曲面法设计了三因素三水平正交试验并以WER掺量、SBR掺量及固化温度为试验变量,以三大指标、车辙因子以及S/m值作为响应指标,利用Box-Behnken模型进行WER-SBR复合改性乳化沥青试验设计,并对试验结果进行回归分析。结果表明:WER能显著提高乳化沥青的高温性能,而低温性能的改善主要得益于SBR的低温柔韧性,固化温度对各响应指标的影响均呈现先增加后减小的变化趋势;当WER掺量为16%,SBR掺量为4%,固化温度为70℃时综合性能最优,其三大指标均满足规范值,高低温性能均优于单一改性乳化沥青和基质乳化沥青;实际试验值与预测值误差均不超过1%,表明改性剂掺量及固化条件可以利用响应曲面法进行设计、优化、预测,且结果具有一定的可靠度。

响应曲面法优化二次镍渣微晶玻璃热处理制度

镍渣作为有色冶炼过程产生的冶金废渣,以堆存形式处理,环境影响突出,但含铁量高,是一种极具开发前景的二次利用资源。以二次镍渣为原料制备微晶玻璃,采用响应曲面法并结合Box-Behnke原理设计探讨了核化温度、核化时间、晶化温度、晶化时间及其交互作用对微晶玻璃抗折性能的影响,建立了抗折强度与各因子间的模型。通过模拟优化,确定了最佳热处理工艺参数:核化温度和晶化温度分别为845℃和955℃、核化时间和晶化时间均为80 min。采用最优工艺参数试验验证发现,微晶玻璃主晶相为铁硅灰石和钙长石,抗折强度均值达到126.78 MPa,与模型预测值偏差较小,表明该预测模型可靠有效及工艺优化合理可行。

响应曲面法优化高效除氟药剂的研制及除氟机理

我国电子、光伏、无机氟化工、煤矿开采、煤基化工等行业产生的废水普遍存在氟化物超标问题,除氟药剂法作为废水除氟的新方法,存在投药量及污泥产生量较大等问题。采用响应曲面BBD法对该除氟药剂的制备条件进行试验设计和优化,并与常用混凝剂除氟性能进行对比。通过扫描电子显微镜分析(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)分析手段对不同制备阶段除氟药剂进行表征分析,结合处理后上清液残留元素水平和各元素利用率对除氟机理进行探究。结果表明:除氟药剂最优制备条件为n(M)/n(Si)(M为金属总量)为44.91、n(Al)/n(Mg)为40.64、n(Al)/n(Fe)为34.92,在该条件下所制备的除氟药剂在投药量1.35 g/L时,氟离子质量浓度由20 mg/L降至0.71 mg/L,达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值1.0 mg/L以下,氟离子去除率达96.45%,响应曲面法建立的模型相关系数R 2为0.9690;对于初始氟质量浓度10~200 mg/L的含氟水样,除氟药剂按比例投加,上清液剩余氟质量浓度均小于1.0 mg/L;与常用混凝剂的除氟性能顺序为:除氟药剂>PAC(聚合氯化铝)>PAFC(聚合氯化铝铁)>PFS(聚合硫酸铁);SEM和XRD表征分析发现除氟药剂形态和结构均发生改变,通过反应聚合形成多种多羟基聚合物,这些多羟基聚合物与氟离子间发生离子交换,从而去除氟离子;通过对上清液残留进行元素分析,结合所投加除氟药剂中各金属元素浓度,分析得出铝、硅、铁、镁的元素利用率分别为99.98%、97.16%、92.22%和18.39%;除氟药剂对多种实际含氟工业废水均高效且适用。

响应曲面法优化某低品位锡石浮选试验研究

对云南某低品位微细粒锡石进行了浮选试验研究。通过单因素实验确定药剂用量的中值水平,并采用响应曲面法对锡粗选药剂用量进行优化,得出最佳的药剂条件为:活化剂(KT-51)用量285 g/t、抑制剂(OL-1C)用量13 g/t、复合捕收剂(YK-Sn+SN-705)用量873 g/t,在该药剂条件下进行验证试验,锡粗精矿中Sn品位和回收率平均值分别为1.460%和74.44%,与响应曲面法预测结果接近。为进一步探索试验效果,进行了闭路试验,获得了Sn品位5.45%、Sn回收率66.70%的锡精矿,有效实现了低品位锡石资源的高效回收。

响应曲面法优化混凝-吸附工艺的条件研究

以江苏省句容市某污水厂的进水为研究对象,应用响应曲面法对混凝-吸附组合工艺强化一级处理时脱氮除磷和“碳捕捉”效果及影响因素进行研究。借助Design-expert软件中的Miscellaneous模型建立了以化学需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)去除率为响应值的多元二次回归模型,对絮凝剂聚合氯化铝(PAC)和吸附剂硅藻土(DE)的复配比、水力条件-搅拌强度2个影响因素进行优化。结果表明:混凝—吸附组合工艺降碳、脱氮、除磷效果均优于单一吸附工艺和常规的混凝工艺,其效果主要受药剂间的复配比的影响,回归模型具有较高的显著性,预测结果与工程实际有较好的吻合度。经模型优化,在总投药量不变的情况下,PAC和DE最佳复配比为1∶1.92,最佳水力条件——搅拌强度为388 r/min,此时CODCr、NH3-N和TP去除率分别达到了72.4%、52.1%和71.5%。

基于响应曲面法优化氮掺杂活性炭的制备和CO_(2)吸附性能研究

氮掺杂活性炭制备过程中影响其性能的因素极其复杂,单一因素的定性分析无法满足对制备条件的准确调控,而多因素耦合量化分析可以弥补不足。以煤焦油沥青为原料,采用KOH活化法,与尿素共热解制备氮掺杂活性炭,通过响应曲面法(RSM)进行建模,以量化分析多因素耦合作用对活性炭产率和不同温度下(25℃,50℃和75℃)对CO_(2)吸附性能的影响,同时优化制备工艺参数,并且在此实验设计基础上利用线性拟合方法预测不同温度下CO_(2)吸附量的相关性。结果表明:对活性炭产率的影响由大到小的单因素依次为掺氮比(尿素与煤沥青的质量比)、活化温度、碱碳比(KOH与煤沥青的质量比)、活化时间,活化温度和活化时间的耦合作用影响最显著,碱碳比是影响活性炭CO_(2)吸附量最为关键的因素,但随吸附温度升高其他因素影响显著性增强;不同温度下CO_(2)吸附量可以进行相互预测,且相邻温度下CO_(2)吸附量之间的预测效果更好;得到的最佳制备条件为活化温度650℃、活化时间1.25 h、碱碳比2.5、掺氮比0.3,相应的活性炭产率可达59.316%,在25℃,50℃和75℃下CO_(2)吸附量分别为3.474 mmol/g,2.355 mmol/g,1.358 mmol/g。

响应曲面法优化氯化物体系三价铬电沉积工艺

[目的]三价铬电沉积过程中伴随的剧烈析氢反应导致局部pH升高,是镀速急剧下降、镀层难以增厚及镀层性能恶化的主要原因。[方法]采用甲酸钠、草酸钠和尿素为氯化物体系三价铬电镀的配位剂,以在150 mA/cm^(2)电流密度下电沉积10 min的沉积速率为响应因子,采用响应曲面法优化了镀液配方,建立了氯化物体系三价铬电沉积速率的多项式模型方程。通过单因素实验研究了添加剂、pH、温度、电流密度和沉积时间对沉积速率、镀液深镀能力和镀层耐蚀性的影响。[结果]三价铬电沉积的最佳配方和工艺条件为:三氯化铬0.6 mol/L,甲酸钠0.8 mol/L,草酸钠0.2 mol/L,尿素0.3 mol/L,pH 1.8,温度30℃,电流密度150 mA/cm^(2),时间30 min。在该条件下所得Cr镀层为非晶态结构,厚度在12μm以上,耐蚀性良好。[结论]选用合适的配位剂抑制电沉积过程中铬的羟桥化反应,是维持较高镀速和改善镀层性能的有效手段。

响应曲面法优化梅花鹿茸多糖提取工艺

以梅花鹿茸多糖为研究对象,首次采用超声波提取法、热水浸提法、水提醇沉法相结合的方式优化提取工艺。单因素实验基础上,利用BBD实验设计原理进行四因素三水平的响应面实验。苯酚硫酸法测定多糖含量,紫外光谱和FT-IR光谱分析检测纯度。结果表明:最佳提取工艺条件下,超声液料比34∶1、超声时间43 min、浸提温度54℃、浸提时间2 h,多糖提取率达2.02%,多糖含量70.05%,不含核酸和蛋白质等成分并具有典型多糖结构,表明优化的梅花鹿茸多糖提取工艺切实可行,优化结果优于先前工艺。

响应曲面法优化超声协同活化剂浸出高硅低锗氧化锌烟尘研究

为了最大化高硅低锗氧化锌烟尘(ZOD)中锌、锗提取效率,研究了采用响应曲面法(RSM)构建并优化了十二烷基硫酸钠(C_(12)H_(25)SO_(3)Na)辅助下的超声强化浸出过程,并建立了锌、锗浸出率的精确预测模型。结果表明:在单因素试验基础上,运用RSM确定的最优浸出条件为浸出温度70℃,液固体积质量比8 mL/1 g,初始酸质量浓度160 g/L,该条件下的锌浸出率达96.94%,锗浸出率为85.41%;C_(12)H_(25)SO_(3)Na在浸出过程中发挥了关键的硅胶抑制剂作用,有效阻止了硅离子聚合成硅胶,这一效果在超声波的协同作用下更为显著,体现了温度、超声波与C_(12)H_(25)SO_(3)Na三者之间的显著协同效应。研究结果能为高硅低锗氧化锌烟尘的资源化利用提供高效的回收策略,并为其他高硅废弃物的回收提供技术参考。

基于响应曲面法从粉煤灰中高效提取Si、Al

如何高效协同提取粉煤灰中Si、Al组分,为粉煤灰高价值利用提供原料,是目前面临亟需解决的关键问题之一。通过采用单因素试验、响应曲面法等手段,并借助ICP-OES、XRF、XRD等表征技术,开展了浸取酸浓度、浸取时间、浸取温度对Si、Al浸出率的影响规律以及Si、Al单指标浸取数学模型和Si、Al协同浸取数学模型的研究。结果表明,适宜的酸浓度和浸取时间可明显提高Si、Al提取率,当浸出温度为68.57℃、浸出时间为120 min和盐酸浓度为8.63 mol/L时,Al和Si的浸出率可协同达至最高,分别为95.27%和93.15%。影响硅和铝浸出率因素大小顺序为:浸出温度>酸浓度>浸出时间,其中酸浓度与浸出温度之间的交互作用对硅和铝溶出的影响均较为明显,而浸出温度和浸出时间之间的交互作用对Al的浸出率影响较小,对Si的浸出率影响较大。

基于响应曲面法的等离子喷涂Ni60CuMo涂层质量优化

采用表面工程技术对废旧铝合金活塞进行再制造,可有效延长铝合金活塞服役寿命,同时实现资源的节约与环境污染的降低。为此采用等离子喷涂技术在铝合金109(ZL109)表面制备了Ni60CuMo防护涂层,结合Box-Behnken响应曲面法设计实验对涂层质量进行优化,以孔隙率为响应值,分析了喷涂距离(D)、送粉速率(R)和喷涂功率(P_(1))对涂层孔隙率(P)的影响规律。结果表明:送粉速率对孔隙率的影响最大,在较低的送粉速率、较大的喷涂距离与较小的喷涂功率下涂层孔隙、裂纹更少,涂层质量更优。同时建立的孔隙率响应曲面模型有效,可以用于等离子喷涂Ni60CuMo涂层的质量优化。最低孔隙率的预测参数:喷涂距离D=131.58 mm,送粉速率R=37.01 g·min^(-1)和喷涂功率P 1=31.09 kW,能获得的最小孔隙率为2.5%。

基于响应曲面法的粉煤灰泡沫混凝土配合比优化

为了对粉煤灰泡沫混凝土进行配合比优化,首先通过比较不同激发剂组合和掺量对粉煤灰胶砂强度的影响,确定粉煤灰激发剂掺量,然后通过单因素试验,确定泡沫混凝土中粉煤灰、CaSt和H_(2)O_(2)的最佳掺量范围,最后基于Box-Benhnken响应曲面法研究粉煤灰、CaSt和H_(2)O掺量对泡沫混凝土抗压强度、干密度和导热系数的影响,建立响应面模型,探究各因素及交互作用的影响程度,获得最优配合比。结果表明,采用4.5%(质量分数,下同)Na_(2)SO_(4)和4.5%Ca(OH)_(2)的双掺激发组合显著提高了粉煤灰胶砂的性能。粉煤灰与H_(2)O_(2)掺量交互作用对抗压强度影响显著,CaSt与H_(2)O_(2)掺量交互作用对干密度影响显著,粉煤灰与CaSt掺量交互作用对导热系数影响显著。当水胶比为0.5、粉煤灰掺量为20.7%、CaSt掺量为1.9%、H_(2)O_(2)掺量为2.9%时,能够得到符合要求的A07级泡沫混凝土。

基于热力学分析与响应曲面法研究磷尾矿中钙镁浸出率

在回收磷尾矿中钙镁资源时,通常先将尾矿进行煅烧,然后利用浸取工艺浸取尾矿中的钙镁,用于后续资源回收。在煅烧过程中需要让磷尾矿中的白云石尽量分解,而氟磷灰石得到保留。研究利用HSC Chemistry软件进行磷尾矿煅烧热力学分析优化煅烧条件,在尾矿煅烧物浸取钙镁过程中,基于响应曲面法,分析铵钙物质的量比(7∶1~11∶1)、液固质量比(7∶1~9∶1)、反应温度(60~80℃)、反应时间(50~70 min)的交互作用对钙镁浸出率的影响,对钙镁浸出条件进行优化。结果表明,白云石完全分解为CaO、MgO且氟磷灰石不分解的煅烧温度范围为(900~1200℃)。优化钙镁浸出条件:铵钙比物质的量比为10∶1、液固质量比为8∶1、反应温度为71℃、反应时间66 min时获得最佳钙镁的浸出率,分别为92.25%和86.19%。依据优化后的浸出条件,进行多次实验,实验结果为钙浸出率为91.95%、镁浸出率为85.85%。实验结果与优化结果较为接近,证明优化结果较为准确,且通过模拟优化及实验验证,可以看出铵钙比对浸出率的影响较大。

响应曲面法优化含镍铜尾矿还原焙烧——磁选工艺提镍

针对某含镍铜尾矿镍品位低、矿物组成复杂等问题,以焦炭为还原剂,NaCl、Na_(2)CO_(3)和NaClO为添加剂,采用还原焙烧方法对含镍铜尾矿进行预处理,焙烧熟料采用磁选回收镍。采用Box-Behnken响应曲面法进行试验设计并优化含镍铜尾矿还原焙烧过程中各添加剂用量,分析各因素水平间的交互作用对磁选指标的影响,并建立自变量与响应值间的数学预测模型,确定还原焙烧—磁选工艺处理含镍铜尾矿的最优工艺条件为:NaCl用量23.723%、Na_(2)CO_(3)用量14.552%、NaClO用量10%,在此条件下得到预测磁选镍精矿的镍品位为3.528%。试验结果对优化含镍铜尾矿还原焙烧工艺具有可行性。

基于响应曲面法的轴承密封圈增效设计

为解决轴承密封圈漏脂失效问题,文中建立了密封圈的热-结构耦合有限元模型,分析了高速脂润滑深沟球轴承密封圈的油侧唇角、油侧唇厚、油侧唇圆角半径和过盈量对密封圈密封性能的影响。通过拉丁超立方采样法采样,结合最小二乘法构建系统最大接触压力和最大等效应力的响应曲面,采用多目标遗传算法对密封圈进行增效设计,并加以试验验证。结果表明:在研究的参数范围内,密封圈最大接触压力随油侧唇角的增大先增大后减小,当油侧唇角取值在55°附近时取得最大值,随着油侧唇厚、过盈量的增大而增大,随着油侧唇圆角半径的增大而减小。优化后,密封圈最大接触压力的仿真结果偏离目标+3.98%,满足设计要求;密封圈增效设计后未发生明显漏脂。研究结果为轴承密封圈的增效设计提供了技术支持。