不同浓度聚丙烯酰胺对石墨尾矿颗粒团聚体微观结构的影响

针对石墨尾矿颗粒细小,结构松散的问题,采用聚丙烯酰胺与石墨尾矿颗粒胶结的方法,分析了添加聚丙烯酰胺后石墨尾矿颗粒团聚体大小变化,研究了聚丙烯酰胺浓度变化对石墨尾矿颗粒团聚体稳定性的影响。结果表明:加入质量浓度小于0.1%的聚丙烯酰胺,石墨尾矿颗粒中粒径小于0.25 mm的团聚体数量明显减少,大于0.25 mm的团聚体数量随聚丙烯酰胺质量浓度的增加呈增大趋势,聚丙烯酰胺对提高石墨尾矿颗粒团聚体稳定性有明显效果;当聚丙烯酰胺质量浓度超过0.04%时,随聚丙烯酰胺质量浓度的增加,石墨尾矿颗粒团聚体总孔隙度逐渐变小;当聚丙烯酰胺质量浓度小于0.04%时,团聚体之间有较明显的孔隙结构,可以促进水分入渗,增强石墨尾矿的保水能力;当聚丙烯酰胺质量浓度为0.04%时,团聚体之间的孔隙结构最为明显,最有利于水分入渗。

颗粒团聚体在流场中的分散过程及力链演变

颗粒团聚体在加工过程中的分散效果直接影响了复合材料的综合性能.为研究颗粒团聚体在流场中的分散机理及动态细节,考虑颗粒间范德华力的作用,采用自主开发的三维颗粒离散元程序DEMix3D对分形结构团聚体在简单剪切流场中的变形和分散过程进行数值模拟,并分析团聚体在分散过程中细观结构的变化规律.研究发现:强弱力链交织形成了团聚体复杂的力链网络形态,强力链主要分布在力链网络内部,传递较大份额的流场作用力,弱力链传递小份额的流场作用力并充分分布在力链网络中;分散过程中团聚体力链结构的变化直接决定了颗粒的分散方式;当分散达到平衡状态时,碎片内的颗粒之间由于形成以强力链为主的紧密接触关系而不再分散.文中还根据碎片加权平均颗粒数的变化规律分析了流场强度对团聚体分散效果的影响.

驻波声场中直链颗粒团聚体运动的数值模拟

建立水平驻波声场中直链颗粒团聚体的动力学模型,利用数值模拟方法研究单分散颗粒凝并生成的直链颗粒团聚体的运动特性.结果表明:直链颗粒团聚体除发生周期性往复振动外,还在一定角度范围内来回转动,其振动不受所含原始颗粒个数的影响,转动频率随原始颗粒个数的增加而增大,与等体积球形颗粒差别显著;团聚体的平动不受初始夹角θ0的影响,而其转动范围由θ0决定,当0<θ0<π/2时,团聚体的转动范围为[-θ0,θ0];在团聚体初始位置由速度波节向波腹移动的过程中,其平动位移振幅和转动频率均增大;随着原始颗粒粒径的增大,团聚体平动位移振幅和转动频率均减小.

黏附性颗粒团聚体在剪切流场中分散行为的数值模拟

为深入了解黏附性颗粒团聚体在剪切流场中的形态演变和分散机理,建立了黏附性颗粒离散元模型:基于JKR理论计算接触颗粒间的法向力,基于Thornton理论计算接触颗粒间的切向力,并考虑滚动摩擦力矩、非接触颗粒间的范德华力和流体拖曳力对颗粒运动的影响。使用自主开发的颗粒凝聚和分散模拟软件DEMix3D,模拟了黏附性颗粒团聚体在剪切流场作用下的分散过程。结果表明,在剪切流场中,黏附性颗粒团聚体会发生破裂和重组行为;颗粒表面能大的团聚体分散速度更快;颗粒表面能小的团聚体分散完成后碎片加权颗粒平均数更小,分散效果更好。

黄泥土微团聚体颗粒组对Cu^(2+)的吸附与解吸研究

采用低能量超声波分散和冷冻机干燥法提取太湖地区黄泥土不同粒径微团聚体颗粒组样品,用平衡液吸附法和CaCl2与HCl溶液的连续解吸法研究原土和不同粒径微团聚体颗粒组对重金属Cu2+的吸附和解吸特征。结果表明,对于Cu2+的吸附,原土用Langmuir方程拟合最佳,而不同粒径微团聚体颗粒组用Freundlich方程拟合最佳。原土和不同粒径微团聚体颗粒组吸附量大小顺序为粘粒级>砂粒级>原土>粉砂级>粗粉砂级,这与其游离氧化铁和有机质含量呈显著正相关。原土和不同粒径微团聚体颗粒组对Cu2+的专性吸附质量分数随吸附量增加而减少,而非专性吸附质量分数则相反。不同粒径微团聚体颗粒组吸附总量小于原土,所以传统风干磨细的研究方法可能高估了土壤对铜固持能力。

典型农耕区黑土和沼泽土团聚体颗粒中重金属的分布特征解析

了解重金属在土壤中的富集特征是其风险评价和土壤修复的基础。分别以黑龙江省典型的农耕黑土和沼泽土为研究对象,采用干筛法获得>4 000、4 000～2 000、2 000～1 000、1 000～250、250～53和<53μm 6个粒级的土壤团聚体颗粒组。利用等离子质谱(ICP-MS)测定了本土和各级团聚体颗粒中Cr、Cd、As和Pb的含量,并对其颗粒组分布特征及对有机碳的响应进行了解析。研究表明,2种土壤中的重金属Cr、Cd和Pb的富集因子均大于1,而As则存在明显的流失。除了黑土中的As和Pb外,其他重金属随着团聚体粒径的增加而呈现富集减弱的趋势。其中,Cr和Cd主要趋向分布在粉-黏团聚体(<53μm)颗粒中;Pb在黑土中易赋存于1 000～2 000μm大团聚体中,在沼泽土中则富集于53～250μm的微团聚体中;As不但趋向被吸附在53～250μm的微团聚体中,而且在黑土中也容易被吸附在>1 000μm的大团聚体中。金属质量负载计算表明,大粒径颗粒组对土壤中重金属含量的总体贡献较大。土壤中有机碳含量均随着团聚体粒径减小而升高,Cr和Cd分布与颗粒有机碳含量正相关,黑土中As的分布与颗粒中有机碳含量负相关而在沼泽土中呈弱正相关,Pb的分布则与有机碳含量均无明显的相关性。

恢复年限对裸露边坡土壤团聚体颗粒和碳、氮、磷分布的影响

研究了不同恢复年限下裸露边坡土壤团聚体颗粒的分布以及土壤团聚体颗粒碳、氮、磷元素的含量。研究选取切挖后恢复43a和切挖后恢复3a的裸露边坡为研究对象,以农田为对照,分别采集上述边坡土壤样本,通过一组土壤筛将土壤样品筛分,计算各粒级（〈0.25mm,0.25~0.5mm,0.5~1mm,1~2mm,2~3mm,3~5mm和〉5mm共7个粒级）土壤团聚体百分含量,而后将土壤各粒级团聚体分别研磨用于化学测定。研究结果表明,随着边坡恢复年限的增加土壤颗粒向大团聚体聚集,〉5mm粒级团聚体含量表现为切挖43a边坡〉切挖3a边坡〉农田。切挖后恢复43a的裸露边坡〉2mm粒级团聚体占全土的82.85%,切挖后恢复3a的裸露边坡〉2mm粒级团聚体占77.48%。土壤有机碳和氮含量在对应各粒级团聚体中均表现为切挖43a边坡〉农田〉切挖3a边坡。切挖后恢复43a的裸露边坡粒径〉5mm团聚体中有机碳占全土有机碳含量的46.24%,切挖后恢复3a的裸露边坡为35.48%。切挖后恢复43a的边坡粒径〉5mm团聚体氮含量占全土氮含量的比例为56.62%,切挖后恢复3a的边坡为43.61%。各粒级团聚体的C/N研究结果显示,切挖后恢复43a的裸露边坡土壤团聚体C/N高于切挖后恢复3a的裸露边坡的C/N。而土壤团聚体磷含量表现为农田〉切挖43a边坡〉切挖3a边坡,其中切挖后恢复43a的边坡和切挖后恢复3a的边坡土壤各粒级团聚体磷含量之间差异不显著。研究认为,随着边坡恢复年限的增加,土壤结构逐渐恢复,土壤大团聚体（粒径〉5mm）所能提供的碳、氮和磷元素也逐渐增加。

长期不同施肥处理下黄泥土原土和团聚体颗粒组的菲含量变化

研究了太湖地区长期不同施肥处理下黄泥土团聚体颗粒组的组成、有机C含量,以及菲的分布和溶出特点。结果表明,不同施肥处理下,团聚体颗粒组均以0.25～0.02mm所占比例最高,其质量分数范围为38.3%～43.6%,而黏粒组所占比例最低仅为7.9%～11.7%。另外,施用猪粪和秸秆可大幅度提高2.00～0.25mm颗粒组所占的比例。而不同施肥处理下2.00～0.25mm颗粒组的有机C含量最高,介于20.57～28.32g/kg,并且施用猪粪和秸秆可提高原土和团聚体颗粒组的有机C含量。施肥处理对团聚体颗粒组的菲含量也有较大影响,以化肥区菲含量最高,其次为无肥区,常规区和秸秆区最低。而不同施肥处理下,菲在团聚体颗粒组中的分布具有相似的特征,主要分布在<0.002mm和2.00～0.25mm两个颗粒组。长期施肥处理对原土和团聚体颗粒组菲的溶出无显著影响,在电解质作用下菲均无溶出。因此,长期不同施肥处理在影响团聚体颗粒组的组成、有机C含量的同时,也可对黄泥土团聚体颗粒组中的菲分布有着显著的影响。

太湖地区几种水稻土团聚体颗粒组中PAHs的分布及其环境意义

以太湖地区代表性的青紫泥、黄泥土、白土等3种水稻土为研究对象,采用低能量分离分散法提取得到不同粒径的团聚体颗粒组,用HPLC测定了本土和分离得到的团聚体颗粒组中16种PAHs的含量.结果表明,供试水稻土不同粒径的团聚体颗粒组中PAHs含量分布存在差异,PAHs总含量以<2μm粒径的团聚体颗粒组最高,其次是200～2000μm粒径的团聚体颗粒组,PAHs在这2个团聚体颗粒组有明显富集现象(富集系数为1.25～3.92);而20～200μm和2～20μm粒径的团聚体颗粒组中PAHs含量小于本土,呈现亏缺现象(富集系数为0.64～0.88).考虑到不同粒径团聚体颗粒组的相对组成,水稻土中PAHs主要分布于20～200μm和200～2000μm2个团聚体颗粒组中,而在<2μm粒径的团聚体颗粒组中最少.PAHs在不同粒径的团聚体颗粒组中的含量分布与其总有机碳、腐殖质碳、胡敏酸碳的含量有关,并在很大程度上受芳构化疏水性有机物含量的控制.因此,水稻土不同粒径团聚体颗粒中有机碳及其组分的性质影响着这些团聚体颗粒组分对PAHs的吸持与固定.

粒径对烟幕中团聚体颗粒散射特性的影响分析

以烟幕中颗粒团聚现象为背景,针对烟幕中的团聚体的消光性能优化问题进行了研究。基于Cluster-Cluster Aggregation理论建立了随机粒径的团聚体算法程序,用于生成具有不同颗粒半径的团聚体模型;在此模型基础上运用多球T矩阵方法计算分析了烟幕中粒径呈对数正态分布的团聚体散射特性;同时结合具体的物理模型研究分析了粒径的分散程度对团聚体消光因子、散射因子及散射能量分布的影响。结果表明:团聚体中颗粒粒径分散程度的降低会提高烟幕的消光性能;模拟的多组团聚体中,A型团聚体较B型团聚体消光因子提高了30.9%,总体散射能量降低了32.5%;团聚体中尽量避免出现偏离对数正态分布均值的极大粒径颗粒可以有效地提高烟幕团聚体的消光性能。

模拟酸化下水稻土微团聚体Cu^(2+)吸附与解吸的影响

采用低能量超声波分散和冷冻机干燥法提取太湖地区水稻土(黄泥土)微团聚体颗粒,用平衡液吸附法和CaCl2与HCl溶液的连续解吸法研究了它们在pH2～6范围内pH对Cu2+的静电吸附和专性吸附的影响。结果表明,不同粒径的微团聚体颗粒对Cu2+的吸附等温线可都用Freundlich模型来描述。Cu2+吸附量大小以下序递减,粘粒级、砂粒级、粉砂级、粗粉砂级;吸附量受其中游离氧化铁、氧化铝和有机质含量的控制。吸附量随pH升高而增加。低pH条件下利于静电吸附,吸附过程H+减少使平衡液pH上升;高pH条件下主要是专性吸附所控制,释放H+使平衡液pH下降。

土壤团聚体制备方法对其稳定性及固碳潜力评价的影响研究

为探讨不同土壤团聚体制备方法对评价城市土壤固碳潜力的影响,本研究采集北京市两种典型的不同利用类型土壤—城市绿地土壤和城郊农田土壤,分别采用干筛法和湿筛法制备土壤团聚体,对其团聚体组成、有机碳含量以及稳定碳同位素特征进行了解析.结果表明:干筛法制备的机械稳定性团聚体均以>0.25mm的大团聚体为主(城市绿地土壤:69.80%;农田土壤:71.36%);而湿筛法制备的水稳性团聚体均以<0.25mm微团聚体为主(城市绿地土壤:57.70%;农田土壤:52.14%).红外光谱解析发现,不同制备方法下,两类土壤中微团聚体中均是稳定有机碳比活性有机碳相对含量高;北京城郊农田土壤中稳定芳香碳的相对含量较多,而脂肪碳相对含量较少;城市绿地土壤则具有相反特征,说明城市绿地土壤中有机碳具有更高活性易在一定条件下被释放.结合稳定碳同位素比值解析发现,湿筛制备方法下^(13)C在<0.053mm团聚体颗粒组中富集,更符合土壤团聚体胚胎发育模型,说明在土壤固碳潜力研究中,湿筛法比干筛法制备团聚体更具有实际评价价值,本研究为进一步评价我国城市土壤的固碳潜力具有参考意义.

长期不同施肥对塿土大团聚体中有机碳组分特征的影响

【目的】研究长期施肥对土大团聚体中有机碳组分特征的影响,揭示不同施肥方式下土壤有机碳的固持机制,为合理施肥提供理论依据。【方法】采集土35年长期肥料定位试验不同施肥处理0—10 cm和10—20 cm土样,分析其大团聚体中各组分有机碳含量的变化。试验处理为:不施肥(CK)、单施化肥(NP)、单施有机肥(M)和有机肥配施化肥(MNP)。【结果】与CK相比,长期NP处理对大团聚体中粗颗粒有机碳(cPOC)、细颗粒有机碳(fPOC)、大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳(iPOC)以及矿质结合态有机碳(MOC)组分的有机碳(OC)含量均无显著影响;而M处理以及MNP处理可显著提高两土层cPOC和iPOC组分的OC含量以及0—10 cm土层MOC组分的OC含量,其中,cPOC含量增幅分别为174%~338%和215%~245%,iPOC含量增幅分别为127%~241%和106%~130%,MOC含量增幅达28.9%~34.6%。MNP处理显著提高了0—10 cm土层fPOC组分的OC含量,增幅达482.1%。累积碳投入量与大团聚体中各组分的OC含量呈显著线性相关,尤其是iPOC含量,表明长期施肥过程中土有机碳在大团聚体中固存的差异主要受物理保护的颗粒有机碳组分的影响。【结论】关中地区土长期施化肥对大团聚体中各组分OC含量没有显著影响,而长期单施有机肥能进一步增加大团聚体中各组分OC含量,有机肥配施化肥能显著增加团聚体中各组分OC含量,特别是大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳组分的含量,进而增加土的有机碳固持。因此,有机肥配施化肥是提高土有机碳含量的有效措施。

典型热带林地土壤团聚体颗粒中重金属的分布特征及其环境意义

以海口、琼海和屯昌的典型热带林地土壤为研究对象,采用干筛法获得6个粒级的土壤团聚体颗粒组.用ICP-MS测定了本土和不同团聚体颗粒中重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、As和Pb的含量,并对其分布特征及对有机碳和铁的响应进行了解析.研究表明,重金属在土壤各粒径团聚体颗粒组中差异性分布,随着团聚体粒径的减小而呈现富集增大的趋势,其中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Cd主要富集在粉-黏团聚体(<53μm)颗粒中;As主要赋存在53～1 000μm的颗粒组中.总体来讲,微团聚体(<250μm)对土壤重金属含量贡献为14.38%～65.04%,其中粉粒级团聚体(<53μm)的贡献为2.61%～32.01%.有机碳和铁氧化物含量随着团聚体粒径减小而升高,并与除了As及海口的Cd和Pb以外的其他重金属分布具有显著相关性.

分形结构团聚体在剪切流场中分散行为的三维数值模拟

为深入了解颗粒团聚体的分散机理及其动态细节,在经典离散元理论模型中引入范德华力和流体拖曳力,开发了三维颗粒离散元程序DEMix3D,对具有分形结构的颗粒团聚体在纯剪切流场中的分散过程进行数值模拟。结果表明:团聚体在流场中先发生变形然后再分散,分散过程中存在剥蚀和破碎两种分散方式;相同剪切流场下,初始团聚体的分形维数越小其分散效率越高。

铁路边坡不同坡位土壤物理化学性质差异性

针对遂渝铁路遂宁站附近以岩石碎片为基质进行修复的切挖铁路边坡,以临近自然边坡为对照,研究不同坡位的土壤物理化学性质的差异性。结果表明:铁路边坡含水量表现为坡下=坡中>坡上;自然边坡含水量表现为坡中>坡上=坡下。铁路边坡和自然边坡土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量均在坡下达到最大值。铁路边坡不同坡位的土壤颗粒含量在<0.25mm粒径范围内表现为坡下<坡中=坡上,在0.25～1mm为坡下>坡中=坡上,在>5mm为坡中>坡上=坡下;自然边坡土壤颗粒含量在<0.25mm粒径表现为坡上=坡下>坡中,在1～2mm为坡下>坡上=坡中,在>5mm为坡中>坡上>坡下。铁路边坡不同坡位间颗粒有机质含量存在一定差异,具体表现在0.25～0.5mm为坡上>坡中=坡下,在0.5～1mm为坡上=坡下>坡中,在1～2mm为坡下>坡上,坡中与坡上、坡下差异不显著,在3～5mm为坡下>坡中=坡上,在2～3mm,>5mm均为坡下=坡中>坡上;自然边坡除<0.25mm的颗粒有机质含量在各坡位间无差异外,其余粒径的颗粒有机质含量均表现为坡中>坡上=坡下。自然边坡含水量、水稳定团聚体含量和颗粒有机质含量均高于铁路边坡,而平均重量直径(MWD),<0.25mm范围内土壤颗粒含量和坡上、坡中土壤的碱解氮、有效磷、速效钾含量低于铁路边坡。

农产品中脱氧雪腐镰刀菌烯醇的表面增强拉曼检测

利用便携式拉曼光谱仪建立了一个快速筛查与检测谷物中真菌毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)的表面增强拉曼散射(SERS)方法。首先利用实验室前期开发的方法制备了具有高活性的水凝胶SERS芯片。该SERS芯片是将预先制备的高SERS活性的单层碳基点(CDs)包裹的银纳米颗粒团聚体(a-AgNPs/CDs)与聚乙烯醇(PVA)水溶液混合均匀后,再利用循环冷冻-解冻的物理交联法制备而成的。实验优化了影响水凝胶SERS芯片对DON的SERS响应的实验条件,包括溶剂、浸泡温度和浸泡时间。在最佳的SERS检测条件下(溶剂为水-乙醇(1∶1, v/v),浸泡温度为40℃,浸泡时间为5 min), DON的线性响应范围为1~10 000μg/kg(相关系数(R~2)=0.996 7),检出限(LOD)为0.14μg/kg,表明该SERS基底具有较高的灵敏度。得益于水凝胶特殊的孔径结构,实际样品基质中常见的糖、蛋白质、油脂、色素等干扰物质都被阻隔在水凝胶外。因此,在复杂样品检测中仅需要简单的提取,而不需要复杂的分离处理。将该方法用于小麦粉中DON的检测,所得回收率为97.3%~103%,相对标准偏差为4.2%~5.0%。实验结果表明所建立的检测DON的SERS方法具有响应范围宽、灵敏度高、重复性好、响应迅速、操作简单、抗干扰能力强等优点,这说明本实验室所构建的水凝胶SERS芯片在粮食中生物毒素的快速筛查与检测方面具有良好的应用潜力。

离散单元法模拟分散混合的现状

分散混合在聚合物混合与复合、食品加工、胶体分散等工艺工程中起着重要作用,然而对于分散混合的机理和动态细节的认识尚浅。目前,离散元法被许多研究者用于模拟分散混合的过程,研究实践表明该方法是分析分散混合过程的有效工具。介绍了离散元法的概况,着重阐述了分散混合过程中各种力学模型的建立,概述了离散元法在分散混合中的应用现状,讨论了离散元用于研究分散混合时尚需解决的问题。