水污染物顆粒物凈化

答卷編號（參賽學(xué)校填寫）：答卷編號（競賽組委會(huì)填寫）：論文題目：水污染物顆粒凈化問題（F）組別：本科生參賽學(xué)校：吉林化工學(xué)院報(bào)名序號：（可以不填）參賽隊(duì)員信息（必填）：姓名參賽隊(duì)員1盤清妮參賽隊(duì)員2佟玉嬌參賽隊(duì)員3焦永婷答卷編號（競賽組委會(huì)填寫）:評閱情況（省賽評閱專家填寫）:省賽評閱1:省賽評閱2：省賽評閱3：省賽評閱4：省賽評閱5：水污染物顆粒凈化問題摘要水體受到人類或自然因素的影響，使水的感光性狀、物理化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)成分、生物組成及底質(zhì)等產(chǎn)生了惡化，影響了水的使用價(jià)值。因此，水污染物顆粒凈化問題成為人們現(xiàn)在急需解決的問題。問題一，運(yùn)用excel軟件對附件中給定的數(shù)據(jù)擬合出粒徑隨時(shí)間變化的曲線和分布，求出了多項(xiàng)式公式y(tǒng)=-7.8e-20x^6+1.7e-15xT-1.4e-11xA4+5.8e-8xA3-0.0001x9+0.2276x+66.609并由此可以得出污染物粒徑隨時(shí)間的變化趨勢。問題二，通過所給的數(shù)據(jù)大致可以看出粒徑隨時(shí)間的變化，在一定時(shí)間內(nèi)隨著粒徑迅速增大，說明污染物顆粒的擴(kuò)散速度很快。但達(dá)到一定時(shí)間后，粒徑不再增大，趨于一種平衡狀態(tài)，說明該顆粒在沒有特殊催化劑的作用下已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，說明該測量方法在一定的時(shí)間范圍內(nèi)有一定的優(yōu)點(diǎn)。但有些異常數(shù)據(jù)在擬合曲線上是體現(xiàn)不出來的，由此可說明該測量方法在一定程度上是有一定誤差的。問題三，通過納米材料與納米技術(shù)對水污染物進(jìn)行檢測與選擇性消除，通過附表中已給數(shù)據(jù)假定出符合該污染物的納米材料的組成、形狀、尺寸、孔徑、表面修飾、納米特性與其在水污染物傳感和去除方面性能的相關(guān)性，尋找其內(nèi)在規(guī)律性，構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停罱K達(dá)到凈化污水的目的。關(guān)鍵詞：excel軟件，數(shù)據(jù)擬合，半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停{米技術(shù)，相關(guān)性，凈化一、問題重述水污染可根據(jù)污染雜質(zhì)的不同而主要分為化學(xué)性污染、物理性污染和生物性污染三大類。水中雜質(zhì)按尺寸分，可分為溶解物、膠體顆粒和懸浮物3種。有些雜質(zhì)可以用基于高濃度、外加計(jì)量反應(yīng)試劑為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的物化方法（如沉降、吸附、濕式氧化等）以及生化技術(shù)等進(jìn)行處理。而對于天然水體和飲用水中低濃度、高毒性、難降解污染物（如多溴聯(lián)苯醚、全氟辛酸（磺酸）、消毒副產(chǎn)物、內(nèi)分泌干擾物、PPCPs（抗生素）等）很難用前述傳統(tǒng)的物化方法和生化技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行處理，迫切需要提出建立新型的高效選擇性檢測和消除的原理和方法。附件中給定的數(shù)據(jù)是利用動(dòng)態(tài)光反射儀器測量出水中某污染物粒徑隨時(shí)間的變化值，請就給定的數(shù)據(jù)擬合出粒徑隨時(shí)間變化的曲線和分布，并就給定的數(shù)據(jù)評價(jià)該測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。分析天然水體和飲用水中低濃度、高毒性、難降解污染物，試建立模型說明如何對這類的污染物進(jìn)行處理，達(dá)到凈化污水的目的。二、 問題背景人類在經(jīng)過漫長的奮斗歷程后，在改造自然和發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面取得了輝煌的業(yè)績,與此同時(shí),生態(tài)破壞與環(huán)境污染，對人類的生存和發(fā)展已構(gòu)成了現(xiàn)實(shí)威脅。如今，地球生態(tài)環(huán)境已被人類活動(dòng)嚴(yán)重破壞，尤其是水的污染更為突出。人類現(xiàn)在用水量越來越大，且污染也越來越嚴(yán)重，這就要求我們要保護(hù)水資源。我們的水資源正在遭受各種污染的侵襲，水污染嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境、影響人類生存，要想實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，首先要解決水污染問題。水的污染有兩類：一類是自然污染；另一類是人為污染。對于天然水體和飲用水中低濃度、高毒性、難降解污染物，很難用前述傳統(tǒng)的物化方法和生化技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行處理。因此，我們需要用納米技術(shù)進(jìn)行檢測和消除。三、 基本假設(shè)忽略時(shí)期和溫度等的影響。污染物在較短時(shí)間內(nèi)能基本混合均勻。水流量和水流速以恒定值流動(dòng)。4?假設(shè)模擬出的納米材料儀器可用于此污染物。四、定義符號說明1.X:Time(s)2.y：AggregationSize(nm)3.R：相關(guān)指數(shù)4.e：自然常數(shù)

pi：反射光的功率p2:入射光的功率A：入射光的折射率B反射光的折射率a：入射角b:折射角R(dB):折射率五、模型的分析、建立與求解5.1給定的數(shù)據(jù)擬合出粒徑隨時(shí)間變化的曲線和分布下圖為利用給定的數(shù)據(jù)擬合出的水中某種污染物粒徑隨時(shí)間變化的曲線和分布。如圖5-1所示，可以看出污染物的分布情況。+AggregationSize（nin納米）—多項(xiàng)式（AggregationSize（nm納米））圖5-1粒徑隨時(shí)間變化的擬合曲線及分布根據(jù)曲線擬合得出多項(xiàng)式：y=-7.8e-20x^6+1.7e-15xT-1.4e-11xA4+5.8e-8xA3-0.0001x9+0.2276x+66.609下圖是用MATLAB對給定數(shù)據(jù)擬合出粒徑隨時(shí)間變化的分布，有圖我們可以明顯看出粒徑隨時(shí)間的分布趨勢。如圖5-2所示。圖5-2某污染物粒徑隨時(shí)間變化分布從0-2500秒左右該粒徑隨時(shí)間的變化有一定的規(guī)律，近似于一條光滑的曲線，并且分布比較密集，集中在擬合曲線的附近，粒徑增長速度很快，并且相對比較集中，說明污染物顆粒的擴(kuò)散速度很快。自2500秒以后粒徑隨時(shí)間的變化分布比較散亂，有些異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)了大幅度的跳躍，這些散亂的點(diǎn)很難得出一條使它們都大致分布在其上的一條光滑曲線。可以從分布圖中看出隨時(shí)間的增加，粒徑的增長速度開始減慢，最終趨于了一種平衡狀態(tài)，說明了污染物顆粒的擴(kuò)散速度減慢，最終達(dá)到了平衡狀態(tài)。5.2就給定的數(shù)據(jù)評價(jià)該測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)5.2.1該測量方法的優(yōu)點(diǎn)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都在該擬合曲線的附近，運(yùn)用該擬合曲線可以消除所給數(shù)據(jù)的局部波動(dòng)，并且擬合曲線不要求所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都在其上，該曲線可以反映數(shù)據(jù)的基本趨勢，它的實(shí)質(zhì)是離散情況下的最佳平方逼近。根據(jù)數(shù)據(jù)可以知道粒徑隨時(shí)間變化是有一定規(guī)律的，并且由此規(guī)律可以大致的寫出它的變化多項(xiàng)式，這就體現(xiàn)了該測量方法具有一定的優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)放射儀是指光在介質(zhì)傳播過程中遇到折射率不同的介質(zhì)面時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，其反射光功率和放射率可用P和P2p=p(Acosa-Bcosb)21 2Acosa+Bcosb折射率為：R（dB）R（dB）=101g也CAcosa-Bcosb）2]p2Acosa+Bcosb動(dòng)態(tài)光反射儀是根據(jù)光在介質(zhì)中傳播時(shí)出現(xiàn)菲涅耳反射和瑞利散射的機(jī)制制成的，其工作原理如下，首先由激光器向測量物體發(fā)出激光脈沖，在光纖中產(chǎn)生反射的散射光傳回光纖端面，通過耦合器傳送到光電探測器上，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再將電信號放大顯示出來。對測量結(jié)果影響較大的參數(shù)是設(shè)定測量范圍。脈寬和折射率，測量范圍定得太大，顯示的范圍就會(huì)太大，這樣就不能利用儀器的測量精度。脈寬越小測量精度就越高，但其能量越小測量時(shí)將會(huì)受到限制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，正常情況下由于光反射而引起的衰減非常小，顆粒變化不大，在光反射過程中沒有發(fā)生故障，則衰減的過程是均勻的幾乎呈線性衰減，把光線內(nèi)的能量衰減進(jìn)行分段測量,即得到每一個(gè)時(shí)段顆粒的粒徑大小，用動(dòng)態(tài)反射儀測污染物的粒徑可以利用不同粒徑的形狀大小來控制光反射的折射率脈寬測量范圍，從而很精確的測量出粒徑的大小。利用動(dòng)態(tài)放射儀測量數(shù)據(jù)的過程中。5.2.2該測量方法的缺點(diǎn)有的數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，這樣對函數(shù)的建立會(huì)造成很大的誤差，很難將所有的點(diǎn)連成一條光滑的曲線或直線，該測量方法的缺點(diǎn)是：1、能量（顆粒放射的光）如果太小，在一定的衰減情況下，很容易徹底消失；2、在測量中脈沖寬度較寬輸出能量較大可測的距離較遠(yuǎn)，使事件的盲區(qū)較大，降低了分辨率和測試精度。主要的誤差是：一、 儀器固有的誤差。這是在儀器設(shè)計(jì)和制作過程中固有的，一旦儀器確定就無法再改變。二、 反光鏡可能不潔凈各種污點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致物理性能下降從而引起測量誤差，這是日常工作中很常見的情況。三、 儀器設(shè)置不當(dāng)引起的誤差，例如折射率設(shè)定不當(dāng)引起的誤差等等。5.3建立數(shù)學(xué)模型對這類水污染物進(jìn)行處理隨著工業(yè)化的發(fā)展，水源地及飲用水安全形勢越來越嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅著居民的身體健康。傳統(tǒng)的水質(zhì)安全檢測方法雖然有較高的精度和靈敏度，但檢測步驟復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而且水體中的毒素成分繁多、復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測多種毒物。我國天然水體和飲用水中低濃度、高毒性、難降解污染物（如多溴聯(lián)苯醚、全氟辛酸（磺酸）、消毒副產(chǎn)物、內(nèi)分泌干擾物、PPCPs（抗生素）等）很難用基于高濃度、外加計(jì)量反應(yīng)試劑為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)的物化方法（如沉降、吸附、濕式氧化等）以及生化技術(shù)等進(jìn)行處理，迫切需要提出建立新型的高效選擇性檢測和消除的原理和方法。因此我們應(yīng)用納米材料與納米技術(shù)對水中低濃度、高毒性、難降解污染物進(jìn)行檢測和選擇性消除。經(jīng)過深入研究該原理的普適性和可行性，實(shí)現(xiàn)高效選擇性地檢測和消除新型污染物的目的。選擇性是貫穿本項(xiàng)目的主線，為實(shí)現(xiàn)選擇性，研究必須做三方面的工作。一是有針對性的篩選和制備納米材料和納米組裝結(jié)構(gòu)；二是研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)與典型目標(biāo)污染物在表界面的相互作用和觸發(fā)反應(yīng)的規(guī)律；三是以水中典型污染物為目標(biāo)，依據(jù)選擇性原理設(shè)計(jì)和制作納米材料和組裝技術(shù)單元，完成單元技術(shù)集成和示范裝置，并進(jìn)行技術(shù)的效果和安全性評價(jià)。下圖為研究思路總體設(shè)計(jì)圖流程。如圖5-3所示，納米技術(shù)處理水污染總體設(shè)計(jì)思路。通過納米材料與納米技術(shù)對水污染物進(jìn)行檢測與選擇性消除，通過附表中已給數(shù)據(jù)假定出符合該污染物的納米材料的組成、形狀、尺寸、孔徑、表面修飾、納米特性與其在水污染物傳感和去除方面性能的相關(guān)性，尋找其內(nèi)在規(guī)律性，構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀７治鲱A(yù)測納米材料對此水污染物的除性能，從分子水平上深入理解納米傳感機(jī)制及納米催化、吸附等材料的界面反應(yīng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)納米凈化劑功能設(shè)計(jì)和調(diào)控。假設(shè)通過在第一問中擬合出的曲線恰好滿足納米材料的處理范圍，然而又存在很多奇異點(diǎn)，這樣通過特殊的催化處理使那些不在處理范圍內(nèi)的顆粒也能夠凈化，設(shè)計(jì)有序的金屬、氧化物及半導(dǎo)體納米線和納米管陣列，通過在其表面修飾不同納米材料實(shí)現(xiàn)污染物的高效催化降解。設(shè)計(jì)以有序微孔結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的復(fù)合材料，使之具備很強(qiáng)的吸附功能，再將催化劑粒子均勻分散到微孔結(jié)構(gòu)中，使催化反應(yīng)能夠在被吸附物富集的區(qū)域發(fā)生。因此，發(fā)展新型納米分析材料的設(shè)計(jì)和合成方法，實(shí)現(xiàn)納米材料尺寸、形狀、組成可控十分重要。針對不同的研究對象，采用水熱合成、溶劑熱合成、模板法、微膠束法、熱分解法、自組裝法、濕化學(xué)、超聲、微波、氣相沉積法、電化學(xué)等方法，制備出高質(zhì)量單分散性好的納米材料，所得到的納米材料應(yīng)具有高的反應(yīng)活性，較廣泛的溶解性和較好的穩(wěn)定性，便于進(jìn)行化學(xué)修飾和功能化，以適應(yīng)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。納米材料的多元化污染水體中含有各種低濃度、高毒性、難降解的污染物質(zhì)，不同污染物性質(zhì)差異大，因此，它們的特異性檢測和選擇性去除要求納米材料制備的多元化。擬開展多種納米材料的制備研究，包括金屬，量子點(diǎn)，氧化物、無機(jī)、有機(jī)雜化材料，納米簇，硅基納米材料、碳基納米材料、磁性納米材料、多功能復(fù)合納米材料等,并將其用于不同的分析對象和檢測方法。納米材料制備的可控化深入研究納米材料形成機(jī)理,優(yōu)化控制合成方法并總結(jié)規(guī)律，開拓和發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的用于典型水污染物檢測和治理的新型納米材料制備技術(shù)，建立對該體系結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)控的新原理，新方法。納米材料制備的環(huán)境友好化以綠色合成和加工技術(shù)為導(dǎo)向，發(fā)展環(huán)境友好的納米材料制備技術(shù)是本項(xiàng)的一個(gè)基本考慮，發(fā)展制備方法和過程的環(huán)境友好化，避免在環(huán)保應(yīng)用中產(chǎn)生二次污染。假設(shè)所采用的納米技術(shù)與擬合的曲線一致。y=-7.8e-20x^6+1.7e-15xA5-1.4e-11xA4+5.8e-8xA3-0.0001x9+0.2276x+66.609通過所作出的曲線分析得出其相關(guān)指數(shù)R平方值為：RV=0.9417,說明曲線的擬合度較佳，相關(guān)性較強(qiáng)能夠很好的處理該污染物。六、模型的評價(jià)與改進(jìn)建立針對我國典型水污染物新型快速檢測方法，發(fā)展基于納米材料與技術(shù)的新型無二次污染凈化材料和微小型納米傳感器。在方法學(xué)層面，發(fā)展針對我國典型水污染物檢測或治理納米材料的綠色合成和性能調(diào)控方法、表面原位分析方法、環(huán)境納米材料與微小型納米傳感器件的設(shè)計(jì)技術(shù)；應(yīng)用掃描探針顯微和同步輻射相位襯度顯微成像技術(shù)來檢測氧氣納米氣泡，能得到高選擇性和高分辨率的圖像；基于新原理、新方法的納米傳感器及微小型化器件基于新原理、研究上述體系納米傳感機(jī)制并總結(jié)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于新原理、新方法的納米傳感器，探索納米尺度上不同污染物檢測體系在小型化器件上的有機(jī)集成和優(yōu)化，以期發(fā)展高精密、高靈敏、在線、多通道、抗干擾能力強(qiáng)、廉價(jià)的小型化器件，將檢測與樣品前處理、數(shù)據(jù)分析等其它功能一體化，集成為一個(gè)智能化的全分析系統(tǒng)。納米材料的水固界面反應(yīng)過程，研究納米材料在吸附、催化反應(yīng)過程中，界面所發(fā)生的結(jié)構(gòu)、電子轉(zhuǎn)移、活性中心以及周圍配位環(huán)境的微觀變化，揭示納米吸附劑的吸附機(jī)理、納米催化劑的催化氧化機(jī)制，構(gòu)建納米材料表面性能與吸附或催化活性的關(guān)系，為高效納米材料的制備提供依據(jù)。因此此模型在不同的水質(zhì)特征條件下，納米吸附劑對目標(biāo)污染物吸附解吸機(jī)理，進(jìn)一步對吸附劑進(jìn)行定向修飾，提高吸附劑對目標(biāo)物的吸附能力和選擇性。進(jìn)而優(yōu)化吸附反應(yīng)工藝，發(fā)展高效吸附水處理技術(shù)。七、模型的推廣半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿藗冊O(shè)法對復(fù)雜的過程作必要的合理的簡化，描述所建立的數(shù)學(xué)模型，需經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和修正，并確定其模型參數(shù)，因?yàn)榛ぁ⒖諝鈨艋?、土壤凈化中大多?shù)過程是相當(dāng)復(fù)雜的，往往難以進(jìn)行如實(shí)的數(shù)學(xué)描述，所以利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透苡行У慕鉀Q此類問題。建立針對我國典型水污染物新型快速檢測方法，發(fā)展基于納米材料與技術(shù)的新型無二次污染凈化材料和微小型納米傳感器。將氧氣納米氣泡應(yīng)用于大面積水體污染和底質(zhì)污染的治理，形成穩(wěn)定的氧氣納米氣泡治理水體和底質(zhì)污染的原理。特色：1?本項(xiàng)目針對我國最新技術(shù)與我國出現(xiàn)的大面積的典型水污染問題直接結(jié)合：出現(xiàn)的大面積的典型水污染問題直接結(jié)合典型水污染問題，利用納米科學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和成果開展研究，將加深對納米科學(xué)內(nèi)涵的全面認(rèn)識，促進(jìn)用于水污染物檢測、治理及生態(tài)修復(fù)的納米材料與納米技術(shù)新原理、新規(guī)律和新方法在更深層面上進(jìn)行研究，從而取得有國際影響的重大突破。2?在考慮納米材料的環(huán)保應(yīng)用，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兼顧環(huán)境安全和可持續(xù)利用，減少在考慮納米材料的環(huán)保應(yīng)用，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兼顧環(huán)境安全和可持續(xù)利用，納米材料的環(huán)保應(yīng)用次級污染的策略：本項(xiàng)目從發(fā)展水資源保護(hù)新材料與新技術(shù)的國家重大需求出發(fā)，選擇我國天然水體和飲用中低濃度、高毒性、難降解的典型水污染物為主要研究對象，揭示納米材料與技術(shù)在這類水污染物檢測、治理和生態(tài)修復(fù)應(yīng)用中的優(yōu)異性，搶先發(fā)展自主創(chuàng)新的納米傳感器、水污染物治理及生態(tài)修復(fù)技術(shù)，提升我國在次領(lǐng)域的國家競爭力。同時(shí)，充分考慮研究納米材料的綠色合成、回收和再生利用，以降低納米材料進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。3.基于納米材料與技術(shù)發(fā)展高效、高通量、智能檢測表征系統(tǒng)的新原理、新方法主要研究內(nèi)容：制備生物相容性納米材料、現(xiàn)場培養(yǎng)微生物膜，實(shí)現(xiàn)水中有機(jī)物的高效降解，用于快速在線測定生化需氧量(BOD)；制備光電催化納米修飾電極，用于化學(xué)需氧量(COD)的快速在線檢測；研究溶解氧(DO)在微、納米陣列電極及其修飾電極上的反應(yīng)機(jī)理，用于水體中DO的靈敏在線檢測。通過對媒介體、微生物的篩選等研究，建立水體總毒性快速分析方法；探索利用拉曼光譜指紋效應(yīng)，不經(jīng)分離直接從水中檢測多種特定污染物的可能性。預(yù)期目標(biāo)：通過水中污染物被微生物膜高效降解，實(shí)現(xiàn)水體中BOD的快速在線檢測；利用光電催化法制備COD傳感器，實(shí)現(xiàn)水體中COD的快速在線檢測；研制高靈敏度、高穩(wěn)定性的DO傳感器，實(shí)現(xiàn)水體中DO的靈敏在線檢測；基于微生物膜反應(yīng)器，建立水體總毒性的快速分析方法；針對水體的微污染主要特征(低濃度，高毒性，多種有機(jī)物無機(jī)物共存)發(fā)展高效智能檢測和表征的新原理、新方法。參考文獻(xiàn)羅固源，水污染物化控制技術(shù)原理與技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003。逯樂慧，納米材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