生物质碳纳米材料制备及应用研究进展

生物质是一种低成本、易得、分布广泛、环保和可再生的碳源,实现生物质的合理处置具有重要意义。碳纳米材料(CNMs),特别是碳纳米管(CNTs)、碳纳米纤维(CNFs)和石墨烯,由于其突出的特性和广泛的应用而成为目前最受欢迎的碳材料。回顾了近几十年来生物质制备CNMs的技术进展,简要总结了生物质碳基材料作为催化剂和催化剂载体在各个领域的应用。

天然生物质纤维增强复合结构材料的制备方法研究

生物质的高效利用一直是绿色化学的研究重点之一。该文介绍了利用木材、竹材、玉米及小麦秸秆等天然生物质纤维为增强材料、以无机盐或有机粘合剂为基体材料制备力学性能及工艺性能增强复合结构材料的方法研究进展。重点关注天然生物质的化学处理、基体材料选择以及后续热压处理等方法在制备过程当中的作用,并对该类复合结构材料的未来研究发展趋势进行了讨论。

水限制环境CO_(2)与施氮交互作用对春小麦水分利用效率的影响

在模拟大气CO_(2)浓度升高环境条件下,进行了不同施氮处理对春小麦水分利用效率的影响试验,探索水资源限制地区提高春小麦水分利用率及其产量的途径。结果表明,CO_(2)浓度升高与施氮交互作用对小麦产量水分利用率有显著影响。在CO_(2)浓度升高90μmol·mol^(-1)环境条件下,135 kg·hm^(-2)和315 kg·hm^(-2)施氮处理春小麦产量的水分利用率与对照相比分别下降了5.8%和15.1%;225 kg·hm^(-2)和405 kg·hm^(-2)施氮处理春小麦产量的水分利用率与对照相比分别增加了9.3%和8.9%;225 kg·hm^(-2)和405 kg·hm^(-2)施氮处理使春小麦生物量水分利用率与对照相比分别提高了10.4%和10.8%;而135 kg·hm^(-2)和315 kg·hm^(-2)施氮处理造成春小麦生物量水分利用率不同程度地下降。90μmol·mol^(-1) CO_(2)浓度升高与施氮处理导致春小麦千粒重水分利用率下降,其中135 kg·hm^(-2)和315 kg·hm^(-2)施氮处理使春小麦千粒重水分利用率较对照分别下降了13.9%和21.2%。在CO_(2)浓度升高180μmol·mol^(-1)环境条件下,施氮处理对春小麦产量水分利用率的影响不显著。尽管施氮处理提高了春小麦生物量水分利用率,却导致春小麦千粒重水分利用率不同程度降低。综上可知,在未来大气CO_(2)浓度升高背景下,可以根据CO_(2)浓度升高幅度,从调控氮肥投入量途径入手,提高春小麦水分利用效率及其产量。

碳基复合相变材料的研究进展

相变材料(PCMs)在促进新能源开发和提高能源利用率中起着至关重要的作用,然而,单一有机相变材料的易泄漏、热导率低、光吸收弱等缺陷阻碍了其更广泛的应用和发展。为了解决这些瓶颈问题,提高热能的利用效率,具有优异性能的碳材料被用作载体材料封装相变材料构筑形状稳定、热性能增强的复合相变材料。本文结合相关理论对碳材料强化传热机理进行了探讨,重点综述了有机相变材料在不同类型碳基材料中的研究进展和面临的挑战,介绍了近年来碳基复合相变材料在热管理、能量转换与储存、智能可穿戴纺织品及红外响应材料等领域的应用进展。最后,基于理论、数值、模拟和实验方法的结合,展望了碳基复合相变材料在热能存储、传递、转化方面未来的研究方向及其先进的多功能化应用。

秸秆生物质炭的活化制备及其对亚甲基蓝的吸附研究

以向日葵秸秆为原料,通过低温焖烧制备生物质炭,用固体氢氧化钾对其进行高温活化,对活化前后的生物质炭样品进行了结构性能分析,并对活化后的生物质炭样品进行了亚甲基蓝吸附性能测试。结果表明,活化后的生物质炭样品比表面积达2 107 m2/g,与活化前的17 m2/g相比有大幅度提高;而且粒径越小,比表面积越大,其对亚甲基蓝的吸附性能优异,最大吸附量可达560.4 mg/g,远超过GB/T 13803.2-1999一级标准,且吸附过程符合Langmuir模型和准2级动力学模型。

Fe/Zn改性市政污泥生物质炭对四环素的吸附性能研究

采用了KOH活化和Fe/Zn改性制备了一种全新的KOH-Fe/Zn生物炭(KOH-Fe/Zn-BC),以去除四环素。利用FTIR、SEM-EDS、N_(2)吸附等温线和XPS,对吸附剂的化学、形态和结构特征都进行了表征。通过EDS图像可以看出,对比吸附前后材料表面元素分布,Si、Fe和Zn的元素含量减少了,这与XPS的分析结果一致,元素与TC分子发生了相互作用。BET结果表明,KOH-Fe/Zn-BC的比表面积达191.47m^(2)/g。即使在外部离子和pH的干扰下,吸附剂仍然具有良好的吸附能力,在298K下对TC的吸附量可达230.77mg/g。吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温线。对KOH-Fe/Zn-BC的吸附机理进行了评估,并将其归因于静电吸引作用、氢键相互作用以及物理吸附和化学吸附的协同作用。研究结果为市政污泥生物质炭去除水体中四环素提供了理论依据。

秸秆生物质炭的制备及吸附性能研究

将麦秆、向日葵秆和玉米秆低温热解制备生物质炭。采用傅里叶红外光谱、X射线衍射等仪器对其结构进行了表征。研究了热解温度、溶液p H值、初始浓度、吸附时间以及吸附剂用量等因素对各生物质炭吸附亚甲基蓝效果的影响。实验结果表明,3种生物质炭均含有多孔的微晶炭,表面存在大量的活性-OH,-COOH等基团,对亚甲基蓝有较强的吸附作用;在最佳吸附条件下,玉米秆炭、向日葵秆炭以及麦秆炭对亚甲基蓝的吸附容量分别为26.6,26.2,14.7 mg/g。

市政污泥生物炭在废水吸附处理中的应用

随着经济全球化的飞速发展,城市污水处理中排放的污泥量日益增加,预计到2025年中国市政污泥年产量将>9.0×107 t。市政污泥中含有的病原微生物、有机物及重金属,会对环境和人体健康造成严重危害。污泥衍生的生物炭材料因其较大的比表面积、优良的孔结构以及丰富的含氧基团,被广泛应用于废水吸附处理领域,实现了固体废物再利用和去除污染的双重目的,做到以废治废,达到生态与发展的双赢。该文总结了市政污泥生物炭的制备及改性方法,介绍了吸附的影响因素,综述了市政污泥生物炭在吸附重金属、染料、无机盐、抗生素、酚类中的应用及其吸附机理;最后,指出了未来污泥生物炭的发展方向和需攻克的难题,应努力形成绿色低碳的资源化处理体系。

聚合物基凹凸棒石纳米复合材料的研究进展

凹凸棒石作为一种天然纳米粘土矿物,具有无毒无污染、热稳定性好、比表面积大等特性,将其与聚合物共同制备复合材料可以改善聚合物的热稳定性能、吸附性能、力学性能等。本文对聚合物基凹凸棒石纳米复合材料的制备方法以及目前所应用的方向进行综述,并为其进一步研究和应用提供参考。

β-环糊精基复合材料在废水处理中的应用研究进展

本文介绍了环糊精的结构,同时对絮凝机理进行了简要说明,综述了β-环糊精基复合材料在各类工业废水处理中的应用。

甘肃省东部废旧农膜回收再利用调查研究——以平凉市为例

近些年来,国家对于塑料制品生产制造的把控越来越严格,各类塑料制品的限制使用措施使民众对于废旧塑料的危害有了全新的认识。在农业方面,废旧农膜所产生的影响不容忽视。由于农膜的大量使用,特别是农用地膜,在土壤中有着大量的残留。废旧农膜这样一种产量巨大的固体废弃物,回收利用才是关键。本次调查研究通过实地调研与访谈,了解到了废旧地膜使用及回收再利用过程的基本情况,深入探讨了目前回收再利用过程中存在的困难。结果显示,回收农户废旧农膜的过程中还是存在着不少问题,回收再利用企业多样化措施的采取最终还是需要依靠政府补贴才能生存。本文通过对调研的分析与总结,给出一些建设性意见,有利于解决使用农膜地区残留地膜的污染控制及回收利用问题,促进了农业可持续发展。

阻燃性复合材料的研究与进展

本文主要介绍了复合材料的定义及阻燃性研究现状,介绍了三种不同类型的阻燃性材料的研究,并对阻燃性复合材料进行了展望。

甘肃省榆中县菜地土壤与蔬菜中重金属含量及健康风险评估

在甘肃省榆中县蔬菜基地,选择30个点位采集4种蔬菜(120株)及相应的土样,在分别对重金属Hg、Cd、Pb、Cr、Cu含量分析测试的基础上,开展蔬菜重金属污染评价、富集能力分析及健康风险评估。结果表明:研究区土壤中Hg、Cd、Pb、Cr、Cu平均含量分别为0.159、0.364、15.001、37.633、31.298 mg·kg-1,土壤中Pb、Cr含量均低于兰州市土壤背景值,但Hg、Cd、Cu含量均超过了兰州市土壤背景值。蔬菜中Hg、Cd、Pb、Cr、Cu平均含量分别为0.0037、0.0115、0.0293、0.0226、0.1874 mg·kg-1鲜重,均低于食品中污染物限量标准,它们的单项污染指数分别为0.37、0.06、0.10、0.05、0.02,综合污染指数为0.60,研究区蔬菜重金属污染属于安全级。蔬菜中Hg、Cd、Pb、Cr、Cu平均富集系数分别为0.023、0.033、0.002、0.001、0.006,重金属富集系数的大小顺序为Cd>Hg>Cu>Pb>Cr,Cd在蔬菜中的富集能力最强。成年人食用研究区蔬菜摄入的Hg、Cd、Pb、Cr、Cu平均值分别为1.11、3.45、8.79、6.78、56.22μg·人-1·d-1,分别只占ADI值的2.58%、5.75%、4.11%、3.39%、0.47%。当地居民通过食用蔬菜产生的重金属Hg、Cd、Pb、Cr、Cu健康风险系数分别为0.03、0.06、0.04、0.04、0.01,总健康风险系数为0.17,因此人群长期食用研究区蔬菜所产生的重金属健康风险极低。

甘肃省榆中县菜地土壤与蔬菜中硝酸盐与亚硝酸盐含量及食用安全性评价

在甘肃省榆中县蔬菜基地,选择20个点位采集5种蔬菜(100株)及相应的土样,在分别对硝酸盐与亚硝酸盐含量分析测试的基础上,开展蔬菜硝酸盐与亚硝酸盐污染评价、富集能力分析及食用安全性评估。结果表明:研究区土壤表层(0~20 cm)硝酸盐与亚硝酸盐平均含量分别为30.58 mg·kg^(-1)和52.35 mg·kg^(-1),土壤深层(20~50 cm)硝酸盐与亚硝酸盐含量分别为9.14 mg·kg^(-1)和0.11 mg·kg^(-1),硝酸盐与亚硝酸盐主要聚集在土壤表层。蔬菜中(鲜重)硝酸盐与亚硝酸盐平均含量分别为1649.18 mg·kg^(-1)与0.64 mg·kg^(-1),硝酸盐与亚硝酸盐平均富集系数分别为53.94与0.01。硝酸盐与亚硝酸盐在5种蔬菜中的累积含量不同,且蔬菜中硝酸盐含量远大于亚硝酸盐含量。硝酸盐在不同蔬菜中的累积顺序为大白菜≈菜花>韭菜≈芹菜≈甘蓝,亚硝酸盐在不同蔬菜中的累积顺序为韭菜>菜花≈甘蓝≈芹菜大白菜,大白菜对硝酸盐有更强的富集能力,而韭菜对亚硝酸盐有更强的富集作用。在所有样品中,有2%的蔬菜样品受到硝酸盐轻度污染,有7%的蔬菜样品受到硝酸盐中度污染,有33%的蔬菜样品受到硝酸盐重度污染,有56%的蔬菜样品受到硝酸盐严重污染。蔬菜亚硝酸盐含量较低,均未超过国家食品污染物限量值。

以多级孔碳为支撑基体的复合相变材料在光热转换与存储方面的研究进展

在可再生能源中,太阳能是一种绿色能源,它具有分布广泛、周期短、功率大、易得、无污染等优点。然而,到目前为止,由于太阳辐射的间断性和不稳定性,太阳能的大规模利用一直面临着限制。尤其在一些太阳能热应用设施中,夜间需求仍然不能满足,因此,为了确保太阳能供应的理想水平和提高能源效率,潜热蓄能(LHTES)技术的研究受到前所未有的关注。LHTES可以吸收和释放热量,减少温度波动,并在相对低的质量和体积下提供高能量密度。相变材料(PCMs)作为理想的热能储存介质,可以捕获和储存热能,以供在先进的能源生产系统中使用。因此,发展新型的太阳能储能材料以提高其运行效率已成为近年来的重要研究课题。特别是开发具有高潜热、高导热、形状稳定的复合相变材料(SSPCMs)吸收和储存太阳能,更具有广阔的应用前景。碳材料对光具有很强的吸收,表现出极强的光热转换能力。以碳材料为吸附载体或填料的形式与有机相变材料进行复合,利用其优异的导热性能来提高有机相变材料的导热系数,已成为储热技术的研究热点。本文通过对多级孔碳材料作为SSPCMs载体的关键研究进展进行综述,总结和讨论了孔径、表面改性、相互作用力、组分等对SSPCMs相变行为的影响,为高效设计和构建SSPCMs奠定了基础;重点介绍了新型多级孔碳复合相变材料的导热性、PCMs的负载率和热能储存等性能以及在太阳能光热转换与存储方面的实际应用;最后,展望了多级孔碳复合SSPCMs未来的发展方向和挑战,以期为制备高光热转换效率的新型复合相变材料提供参考。

基于多孔支撑体的形状稳定复合相变储能材料的研究进展

固-液相变材料(PCMs)是热能储存(TES)技术发展的关键因素,然而一些固有的问题如泄漏和热导率低等严重制约了相变材料的性能。因此,选择合适的方法构建形状稳定的复合相变材料(FSCPCMs),并有效地提高其热导率是实现相变材料实用化的重要前提。多孔载体封装相变材料为构建具有高储能密度和优异热传输性能的定形复合相变材料提供了一条有效的途径。本文对不同FSCPCMs的制备、结构热学性能、应用等方面进行了综述,详细总结和讨论了孔径和几何形状、表面改性、作用力、组成等因素对FSCPCMs相变行为的影响。重点介绍了具有高热导率、高负载率和高潜热的新型多孔复合相变材料的设计和应用。最后,基于理论、数值和实验方法,展望了FSCPCMs在约束结构中的相变和多尺度传热方面未来的研究方向及其在能源转换方面的商业化应用。

复合改性淀粉发泡材料的制备及阻燃性能研究

以聚乙烯醇溶液为介质,三偏磷酸钠交联改性的玉米淀粉和丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯接枝聚合后,与三聚氰胺交联共混,用柠檬酸、水、碳酸氢钠和偶氮二甲酰胺混合发泡制备了一种阻燃发泡材料,研究了物料配比、温度对材料力学性能和阻燃性能的影响。结果表明,发泡温度为135℃,m(三偏磷酸钠)∶m(淀粉)=1∶5,m(淀粉)∶m(丙烯酸甲酯)∶m(醋酸乙烯酯)=3∶2∶1,m(碳酸氢钠)∶m(偶氮二甲酰胺)∶m(柠檬酸)=2∶1∶0.1,三者用量为总质量的2%,水量为20%时,发泡材料的表观密度、拉伸强度、抗冲击强度和断后伸长率分别为0.685g/cm3,1.065kJ/m2,3.025MPa和28.8%,阻燃性能达到V-0级。

半干旱区菜地土壤与蔬菜中铁、锰含量及健康风险评估——以甘肃省榆中县为例

在甘肃省榆中县蔬菜基地,选择30个点位采集4种蔬菜(120株)及相应的土样,在对重金属Fe、Mn含量分析测试的基础上,开展蔬菜重金属富集能力分析及健康风险评估。结果表明,研究区土壤中Fe、Mn平均质量分数分别为25 424.55和419.83 mg·kg-1,蔬菜中Fe、Mn平均质量分数分别为7.69和2.31 mg·kg-1鲜质量。蔬菜中Fe、Mn平均富集系数分别为3.02×10-4和5.66×10-3,两者相差一个数量级。Fe、Mn在4种蔬菜中的富集系数不同,在芹菜中富集系数最大。Fe、Mn在同一蔬菜中的富集系数亦差别很大,其富集系数的由大到小顺序为Mn,Fe。榆中县居民膳食Fe、Mn每天摄入量分别为11.55 mg和3.47 mg。因此,榆中县居民通过膳食摄入Fe、Mn明显不足,需要通过其他途径补充Fe、Mn。

多元发泡剂制备复合改性淀粉发泡材料及性能研究

以过氧化苯甲酰为交联助剂,将苯乙烯接枝改性的玉米淀粉和聚乙烯醇交联共混,增塑剂和保湿剂改善塑性和耐久性能,用水、碳酸氢钠和偶氮二异丁腈混合发泡,研究了发泡剂用量、物料配比、发泡温度对材料性能的影响。结果表明:发泡温度为110℃,m(淀粉)∶m(苯乙烯)=2∶1,m(改性淀粉)∶m(聚乙烯醇)=5∶1,m(碳酸氢钠)∶m(偶氮二异丁腈)=2∶1,二者用量为总质量的2%,水量为20%时,发泡材料的力学性能和表观密度等综合性能较好。

硫代乙内酰脲衍生物Ru59063的公斤级合成

对Ru59063的合成进行了改进。首先,4-氨基-2-(三氟甲基)苯甲腈(Ⅲ)与硫光气反应,制备了4-异硫氰基-2-(三氟甲基)苯腈(Ⅳ);然后,中间体Ⅳ与2-氨基异丁酸甲酯盐酸盐进行[3+2]环加成反应,合成了4-(2-硫代-4,4-二甲基-5-氧代咪唑烷-1-基)-2-三氟甲基苯腈(Ⅶ);化合物Ⅶ再与叔丁基-(4-氯丁氧基)-二甲基硅烷通过乌尔曼C—N偶联反应,得到了4-{3-[4-(叔丁基二甲基硅基)-羟基丁基]-4,4-二甲基-5-氧代-2-硫代咪唑烷-1-基}-2-(三氟甲基)苯甲腈(Ⅷ);最后,中间体Ⅷ进行羟基脱保护得到Ru59063,4步反应总收率为61.6%,HPLC纯度为98.2%。与传统方法相比,该法收率提高了4.7倍,并且未使用氰化物,可以更方便、更安全地制备了Ru59063。对2 kg 4-氨基-2-(三氟甲基)苯甲腈进行了放大实验,总收率可达到60.7%。