金属-有机框架材料的合成及其在水中重金属吸附的应用研究现状

金属-有机框架材料(MOFs)具有设计合成方法多样、合成后易于改性、对重金属吸附量大、平衡时间短等优点,已被广泛研究和应用。近年来,MOFs在水中重金属吸附中的应用研究,成为了十分热门的课题。水稳性是反映吸附材料在水中稳定性的重要参数,具有良好的水稳性是MOFs成功地应用于去除水中重金属离子的前提。本文结合近十年MOFs在重金属吸附领域的研究情况,从MOFs的合成、水稳性、在重金属吸附中的应用、再生与重复利用几个方面,综述了MOFs的合成方法、MOFs的合成后修饰、MOFs的水稳性、MOFs对水中As、Pb、Hg、Cd、Cr、Cu等重金属离子的吸附,以及MOFs的再生等的研究现状,并提出了今后MOFs在重金属吸附领域的研究方向,为MOFs在重金属吸附领域中合成与应用提供参考。     

一种能同时吸附水中多种污染物的新型吸附材料:表面活性剂改性沸石

表面活性剂改性沸石是指将粉煤灰合成沸石后,使用十六烷基三甲基溴化铵进行表面修饰获得的一种新型吸附材料.本文评估了表面活性剂改性沸石从水中同时去除多类污染物的多功能性.目标污染物包括无机离子型污染物(氨氮和磷酸盐)、有机离子型污染物(亚甲基蓝和腐植酸)、可离子化有机污染物(不同pKa的双酚A,-氯酚和苯酚)和不可离子化的有机污染物(不同疏水性的苯胺,硝基苯,萘).与合成沸石相似,表面活性剂改性沸石吸附氨氮和磷的能力也较强.沸石内部孔隙中的负电荷可以去除氨氮;粉煤灰中的CaO,Al2O3和Fe2O3等成分经过沸石合成过程中的修饰可以吸附磷.研究结果还表明:尽管合成沸石对腐植酸,可离子化和不可离子化的有机污染物没有亲和性,表面活性剂改性沸石却对上述污染物具有很强的吸附能力.表面活性剂在沸石表面形成了双层胶束,使沸石外表面具有了疏水性,因此,可以吸附有机污染物.本研究表明表面活性剂改性沸石是一种很有前途的多功能水处理吸附剂.     

吸附制冷中CaCl2-NH3的化学吸附前驱态研究

作为一种化学吸附制冷工质对, 在吸附制冷条件下, CaCl₂-NH₃在发生化学吸附之前, 由于van der Waals力相对于化学反应力作用距离比较长, 所以一般要先发生物理吸附. 这个状态称为化学吸附前驱态. 通过控制氯化钙不同的膨胀、结块现象, 在氨络合物的屏蔽系数作用下实现NH₂气体分子与Ca²⁺之间不同的距离长度, 从而得到了不同的化学吸附前驱态. 结果表明, 吸附剂发生严重膨胀现象而没有发生结块现象时, 由于化学吸附前驱态中NH₃气体分子与Ca²⁺之间距离较长, 吸附过程所需要的活化能增加, 吸附剂在反复的吸附、解吸过程中出现衰减现象. 而在吸附剂发生结块现象时, 由于NH₃气体分子与Ca²⁺之间距离受到有限空间的控制, 从化学吸附前驱态过渡到化学吸附态所需要的活化能相对较小, 其吸附性能不再出现衰减趋势. 利用化学吸附前驱态研究了吸附制冷等压线, 结果也表明, 在Ca²⁺的分布没有对NH₃气体分子的渗透性能产生影响的前提下, 化学吸附前驱态对试验结果起着决定性作用.     

基于双盐复合吸附剂的跨季节冷热自适应调控新策略

跨季节高效利用太阳能和工业废热成为热量回收再利用的发展新方向.热化学连续冷热联储/联供方法以其冷热储存密度大、长期稳定储存及输出温度可调等优势成为突破跨季节冷热调控再分配利用的关键手段.然而该方法在新型吸附剂的筛选合成和冷热复合联储/联供系统的优化设计等方面仍然存在诸多挑战.本文针对某工业园区工业废热的跨季节冷热自适应调控再利用过程中存在的冷热储存效率低、储存过程散热严重、输出冷热量不连续以及输出温度不可控等难点,合成并筛选了高性能双盐固化复合吸附剂,优化构建了跨季节冷热自适应调控系统,研究了复合吸附剂的吸附/解吸特性,测试了跨季节冷热自适应调控系统的冷热联储/联供性能,该策略所采用的方法聚焦太阳能和工业废热等中低温能源的高效利用和关键需求,从材料合成筛选、样品性能表征测试到冷热自适应调控系统优化构建和性能评价的各个角度,提出中低温热能跨季节合理分配的全套技术解决方案,从而为跨季节冷热联储/联供提供新策略.     

改性秸秆膨胀床与固定床吸附去除SO_4~(2-)

含硫酸根离子(SO42-)废水可对环境造成危害,在排放之前需降低SO42-浓度.本文利用改性秸秆阴离子吸附剂制备吸附柱,分别在膨胀床和固定床操作下进行动态吸附实验,研究改性秸秆阴离子吸附柱去除SO42-的性能.结果表明,在改性秸秆膨胀床操作中,膨胀率随流速提高而线性增大;随膨胀率的增加,膨胀床去除SO42-的穿透时间缩短,柱吸附量降低,膨胀率不宜大于25%;在改性秸秆固定床操作中,随高径比的增加,吸附柱去除SO42-的穿透时间延长;而随进水SO42-浓度和流量的增加,床层工作时间显著缩短;在实验流量下,膨胀床的处理效果略优于固定床.SO42-解吸实验表明,0.1 mol/L NaOH溶液解吸效果最佳,是合适的吸附柱再生液.     

MD 模拟研究带静电ACF 对甲醇的吸附

为了探索静电荷在极性分子的物理吸附过程中的控制作用, 对甲醇在带静电荷的活性炭纤维(ACF)纳米孔中的吸/脱附情况进行了分子动力学(MD)模拟研究. 在引入静电荷的中孔ACF/甲醇吸附系统中, 从模拟结果可以观测到孔内的甲醇分子扩散到吸附位的时间缩短、吸附冷凝的准液态甲醇密度增大、甲醇分子的空间排列有取向性、达到吸附平衡时系统能量显著降低等特殊现象, 表明了静电荷增强了中孔ACF 对甲醇分子的吸附作用, 使吸附强度、稳定性和有序性有所提高, 能够提高吸附容量和加快吸附速率. 系统达到吸附平衡后再消除静电荷, 升温至60℃左右进行模拟, 可以观察到比较明显的脱附趋势.     

应变对量子材料新奇物性的调控

新型量子材料具有丰富的新奇物性,是现代凝聚态物理和材料科学研究的重要主题之一.常见的物性调控手段有很多,比如应变场、外电场、磁场、光场以及化学吸附等.其中,应变作为调节材料物性的有效手段被广泛地应用于研究中.本文对近年来发现的多种新型量子材料(拓扑材料和二维材料)进行介绍,并重点阐述本课题组在这些材料中应变效应的相关研究进展.在拓扑材料方面,主要介绍拓扑绝缘体、拓扑狄拉克半金属以及拓扑节线半金属中应变导致的拓扑相变等;在单层二硫化钼和黑磷中,对应变调节载流子输运和超导电性等研究结果进行讨论;最后对二维铁磁、铁电材料方面应变调节磁矩、电极化、居里温度以及磁光效应等问题进行了相关分析.     

微生物细胞电镀磁性金属化研究

本文以钝顶螺旋藻细胞为模板,通过电镀工艺在其表面沉积磁性合金来制造螺旋形磁性微粒,对微生物细胞电镀磁性金属化工艺进行研究.通过光学显微镜、扫描电子显微镜、电子能谱、X射线衍射、振动样品磁强计等对电镀磁性化后螺旋藻的细胞形态、表层成分、相结构及静磁性能进行观察与分析.结果表明螺旋藻细胞经电镀处理后表面包覆上一层不含非金属相的铁磁性材料,实现了微生物细胞电镀磁性金属化,这为生物约束成形技术提供了新工艺.在金属化过程中,微生物形体保持良好,细胞表面镀层厚度均匀,镀层为面心立方结构的NiFe合金,颗粒具有软磁特性.此外,对微生物细胞电镀磁性金属化工艺过程的电化学反应机理进行了分析,表明NiFe合金在微生物表面的沉积为异常共沉积.     

氯化钙-氨的吸附特性研究及在制冷中的应用

目前的研究普遍认为, 氯化钙-氨(CaCl₂-NH₃) 吸附制冷工质对在吸附、解吸过程中的膨胀、结块等现象限制了这一吸附剂的应用. 通过调整吸附剂膨胀空间与吸附剂所占用体积的比例r_as, 研究了吸附剂吸附过程中的膨胀与结块对吸附性能的影响. 研究中发现, CaCl₂吸附中的衰减情况与r_as有关, 在r_as较大时, 吸附剂的衰减现象较严重. CaCl₂的吸附过程相对于解吸过程所存在的滞后现象已经超出物理吸附滞后圈理论所能够解释的范围, 该成因与化合物的稳定常数以及非稳定常数有关. 同时还发现, r_as过大或过小都会影响吸附剂的吸附性能, 说明吸附剂适度的结块有助于“氨合氯化钙”这一络合物的形成. 对r_ass为3︰1以及 2︰1时的活化能分析表明, r_as为2︰1时形成络合物所需的活化能要小于r_as为3︰1时所需要的活化能. 通过对实际制冷应用的分析表明, r_as为2︰1时, 在蒸发温度为0℃的条件下, 每个循环周期的制冷量可以达到945.4 kJ/kg吸附剂.     

高吸水性能的新型复合吸附剂SiO2·xH2O·yCaCl2的孔隙结构测试与分析

介绍了一种由粗孔球形硅胶和氯化钙组成的新型复合吸附剂SiO₂·xH₂O·yCaCl₂. 为了分析它的吸附机理, 对粗孔球形硅胶和4个不同氯化钙含量的复合吸附剂, 采用扫描电子显微镜技术和ASAP2010吸附仪测试了它们的氮气吸附/解吸等温线、BET比表面积、孔径分布、孔容和平均孔径. 通过分析吸附、解吸等温线和滞后圈的形状, 推断出了粗孔球形硅胶和复合吸附剂的孔道结构主要包括两种类型: 一端开口的圆锥形和两端开口的圆锥形或双曲锥形管状孔隙. 通过对比分析孔径的分布, 结合滞后圈的形状, 给出了氯化钙在粗孔球形硅胶孔隙中填充过程的示意图. 实验测得了复合吸附剂和常用吸附剂(粗孔球形硅胶、细孔球形硅胶和分子筛13X)的25℃吸水等温线, 结果表明: 复合吸附剂的吸水量明显高于常用吸附剂的吸水量, 并结合孔隙分析结果对吸附等温线和液解现象进行了分析.     

水中Cr(Ⅵ)在改性生物质吸附剂表面还原转化的电子供体

为揭示生物吸附过程中Cr(Ⅵ)的还原转化机理,以改性玉米秸秆(corn stalk based anion exchanger, CS-AE)为模型吸附剂,通过XPS、13C-NMR和FT-IR等手段表征吸附Cr(Ⅵ)前后的材料表面组成和结构,并结合对吸附溶液中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、硝态氮(NO3--N)等产物分析,探讨Cr(Ⅵ)还原的电子供体及可能反应路径.通过批吸附实验证实了CS-AE吸附去除Cr(Ⅵ)过程中存在Cr(Ⅵ)还原转化现象,在实验条件下10%～35%被吸附Cr(Ⅵ)还原转化为Cr(Ⅲ),且大部分( 65%)Cr(Ⅲ)产物被固定在CS-AE表面.XPS表征中Cr 2p3/2谱图分析证明了Cr(Ⅲ)的大量存在,且N 1s、C 1s和O 1s谱图分析发现CS-AE与Cr(Ⅵ)反应后表面含氮物质特别是季铵基相对含量降低.13C-NMR和FT-IR表征也进一步地说明了吸附Cr(Ⅵ)后CS-AE表面季铵基减少,羧基结构有所增加,表明了季铵基是Cr(Ⅵ)还原转化的主要电子供体基团.吸附反应后溶液中TOC、TN和NO3--N含量随Cr(Ⅵ)初始浓度增加而增加,与Cr(Ⅲ)生成量呈正相关关系,可以确认CS-AE表面季铵基被Cr(Ⅵ)氧化,主要反应路径为季铵基经过碳-氮键氧化断裂,形成有机胺进入溶液,且部分有机胺被Cr(Ⅵ)进一步氧化为硝酸盐.     

基于二维材料的压电光电子学器件

二维(2D)材料由于原子级超薄、可调带隙和优异的光电性质,在柔性光电子学领域有着巨大的潜力.利用应变诱导的压电势或压电极化电荷可以调控二维材料界面载流子的传输和光电过程,这种将压电、半导体特性、光激发三者耦合产生的压电光电子学效应推动了新型二维材料光电器件的开发,特别是压电光电子学增强的光电探测、光电化学、气体传感和太阳能电池等方向.本文简要综述了近年来二维材料在压电光电子学领域取得的研究进展,并对这一新兴领域未来的挑战和科学突破进行了展望.     

介孔有机膦酸盐材料的合成及应用研究进展

介孔有机膦酸盐材料作为一类新型的有机-无机杂化材料,凭借其独特的结构可剪裁性和丰富的化学表面性质在催化、分离与吸附、生物分子的固定等诸多领域都具有巨大的潜在应用价值,因此近几年来越来越受到人们的关注。本文系统地概述了介孔有机膦酸盐材料的发展历程及其合成和应用研究的发展现状,并对这种新型杂化介孔材料的应用前景进行了展望。     

炭化造孔法制备木屑氯化钙复合吸附剂

为了解决氯化钙吸脱附氨气过程中的膨胀结块以及提高氯化钙基复合吸附剂的传质性能,本文采用浸泡的方法将氯化钙嵌入木屑中,然后采用高温炭化的方法将氯化钙木屑混合物炭化造孔制备复合吸附剂.SEM图像以及元素分析表明,在700°C的炭化温度下,氯化钙木屑炭化后所制备的复合吸附剂具有发达的孔隙结构,而且氯化钙均匀的分散在吸附剂中.复合吸附剂对氨气的吸附性能测试表明：在蒸发温度为5°C,冷凝温度为40°C的工况下,吸附时间为5,10和15min时,吸附量分别为0.204,0.253和0.285kg/kg,SCP（单位质量吸附剂的制冷功率）分别为868.96,540.02和405.16W/kg,平均吸附速率分别为6.79×104,4.22×104和3.17×104（kg/kg）/s,同时解决了氯化钙的膨胀结块.     

俄正研制非锕系元素核反应堆

俄罗斯高能物理研究所前些日宣布 ,该所专家正在研制以非锕系元素铅和铋为核燃料的核反应堆。目前世界各国正在运营的核反应堆所使用的核燃料是铀和钚 ,这两种放射性元素都属于锕系元素。锕系元素还包括钍、钅拿、锔等 10多种元素。俄高能物理研究所物理学家伊格尔·奥斯特列佐夫在新闻发布会上宣布 ,他领导的科研小组最近使用铅和铋这两种非锕系元素 ,成功进行了第二次反应实验 ,实验目的在于开发新型核反应堆 ,生产不产生核废料的安全核能。奥斯特列佐夫指出 ,使用非锕系元素材料作为核燃料的反应堆在整个运营过程中 ,所使用的核燃料可以…     

泡沫油形成过程及其影响因素研究进展

泡沫油是对井口产出泡沫状原油的描述,一些稠油油藏溶解气驱过程中表现出反常的高产和较高的采收率现象,在深层稠油油藏注天然气吞吐过程中也观察到了泡沫油现象,对此有观点认为是由于在特定的油藏开采条件下泡沫油流动的作用。虽然泡沫油被广泛的研究,但是对于泡沫油流动的模拟依然存在困难,泡沫油理论仍然存在争议。本文对传统溶解气驱和稠油油藏泡沫油溶解气驱进行了对比;对目前关于泡沫油形成过程中过饱和、气泡成核、气泡生长以及气泡迁移、合并和破裂等各个阶段及其影响因素的最新研究成果进行了总结,尤其是对存在争议的成核理论进行了对比和总结,以期对泡沫油的形成过程有进一步的认识。     

仿生软体吸附机器人:从生物到仿生

生物吸附是自然界中一种典型的运动模式,许多生物在进化中由于生存背景和物种的不同演变出各种各样的吸附系统,吸附系统是功能系统,其目的是让生物暂时或永久地附着在基体或另一个生物体上,防止脱落.生物系统的吸附机制可分为互锁、摩擦和黏结.黏结可进一步分为干吸附(范德华力)、湿吸附(毛细作用)、负压吸附、胶合(黏液),它们可独立或同时作用.基于自然界丰富的吸附方式,本文详细介绍了陆上/水下典型生物(壁虎、树蛙、章鱼、鮣鱼)的吸附机理,并对清道夫、海胆、蚍蜉幼虫、跳蛛、叶甲虫幼虫等生物的吸附机理进行简述.概述依据上述特定吸附机理而设计的仿生吸附装置,从仿生软体吸附机器人、仿生软体吸附设备、仿生吸附软材料结构等方面,对仿生吸附的研究成果进行列举,并提及部分性能研究和应用前景.以仿生鮣鱼吸盘为例,阐述了如何模拟生物系统制作仿生样机,并验证其性能,挖掘其潜在应用.对生物吸附方式分类归纳,总结被其带动的仿生吸附研究意义、发展现状和面临的问题,并指出仿生软体吸附机器人吸附机理细微化、结构刚柔耦合、仿生复合软材料应用、柔性驱动-传感-控制一体化、多学科交叉融合的发展方向.     

汽车制动过程中摩擦层结构的发展及其对摩擦性能的影响

汽车制动过程中摩擦材料和摩擦盘表面形成摩擦层,摩擦层的组成和结构与摩擦材料的本体组成和结构不同.摩擦层结构的生成与破坏过程即摩擦层结构的发展是理解摩擦材料组成和摩擦性能关系的桥梁.本文综述了汽车制动过程中摩擦层形成的两种主要机理：磨屑聚集和物质选择性转移,分析了这两种机理在摩擦材料表面形成摩擦层结构生成与破坏的发展过程,讨论了摩擦层结构发展对摩擦系数和磨损率的影响.     

美研制成致命鼠痘病毒引发争议

美国研究人员利用基因工程手段开发出一种新型鼠痘病毒,能杀死所有接种了普通鼠痘疫苗的老鼠。这一成果公布后在美国引发了有关生物技术研究与反恐之间关系的新争议。 据《华盛顿邮报》报道,圣路易斯大学布勒领导的小组在研究中为鼠痘病毒额外添加了一个基因,由此获得的新型病毒杀伤力远远大于普通鼠痘病毒。常规疫苗对它几乎不起作用。     

MgH2-V体系H原子的扩散与吸附性能研究

基于MgH₂-5at%V机械合金化检测到VH_0.81/MgH₂相界的实验结果, 采用第一原理赝势平面波方法, 研究了MgH₂-V体系H原子的扩散与吸附性能. 结果显示: V合金化MgH₂形成VH/MgH₂相界, 靠近VH相区域的H原子形成的空位比未合金化时稳定, 而靠近MgH₂相区域的H原子形成的空位则不及未合金化时稳定; V合金化后, MgH₂-V体系中H原子在扩散过程中最大迁移屏障能较未合金化时减少, 即MgH₂-V体系较MgH₂相而言, H原子在其中更容易扩散; 对VH相而言, 容易形成V空位; 与H替代VH相中V原子相比, H原子更易以间隙位存在; 对于H原子通过VH/MgH₂相界的迁移, 以H原子占据VH相中的V空位时, 最为有利, 其次是H原子占据间隙位, 再次是H原子替代V原子位; 对VH不同表面吸附H而言, 物理吸附比化学吸附更容易发生, 与靠近MgH₂相区域表面吸附H比较, 靠近VH相区域表面H更容易被吸附.