机器学习在碳基环境功能材料领域的应用研究进展

随着环境功能材料领域产生的数据量及其数据复杂性急剧增加,高成本、长周期的传统实验手段已无法迎合目前功能材料的发展趋势。近年来迅速发展的机器学习能对数据进行深入挖掘和解析,有望为此类问题提供有效的解决方案。机器学习具备效率高、精度高等优势,有效弥补了传统"试错"方式的不足。介绍了机器学习的基本工作原理和算法,从预测理化性质、辅助微观表征和指导新型材料合成3个方面简述了机器学习在环境碳基功能材料领域中的应用研究进展,分析了机器学习在该领域的问题与挑战,展望了机器学习方法在环境碳基功能材料领域的前景与发展趋势。     

Humification characterization of biochar and its potential as a composting amendment

Biochar has received increasing attention due to its applications as a soil amendment. Here, the chemical properties of solid and water-extractable fractions of four biochar samples were investigated. The results showed that wood biochar and bamboo biochar samples were 60%–80% more hydrophobic than those of rice husk biochar and rice husk ash. In addition, the acidity was 3.88 mmol/g from the total functional groups and 1.03 mmol/g from the carboxyl groups/lactones/phenols found in the wood biochar sample, which were about 1.5 times greater than those of the bamboo biochar sample. These functional groups could be used to determine the sorptive capacity of biochar for ionic solutes and water content and to increase the degradation of compost organics. The wood biochar sample was found to have the most humification materials(fulvic acid-like material + humic acid-like material) in the water-extractable fraction, which was 3–10 times higher than that in the rice husk biochar and rice husk ash; humified materials were not detected in the bamboo biochar sample. Humification materials in biochar may be involved in increasing the proportion of humic acid-like materials in humic-like substances within the compost product. Wood biochar had better hydrophobic, sorptive, aromatic, and humification properties compared to other biochars, suggesting that it may be used in composting in order to exert its effect as both a bulking agent and a composting amendment during the solid waste composting process.     

考虑暴露人群面积及声功能区的噪声评价模型

文章提出了一种考虑暴露人群面积及声环境功能区的噪声评价模型(NEM),并根据城市声环境质量标准及噪声对人体健康的影响程度进行分级表征。该模型在噪声地图的基础上,根据噪声主观感受性和污染局部性特点,综合考虑噪声对暴露人群、暴露区域面积和各类声环境功能区的影响差异,量化了噪声污染的大小,适用于大区域噪声污染程度的整体评价。文章运用该噪声评价模型,对广州某区域交通噪声污染进行了评价。结果表明,利用噪声地图,考虑噪声对人群暴露和声环境功能区的影响,能更加科学地评估噪声污染程度。     

Se（IV）在改性水滑石和膨润土的吸附行为

79Se是高放废物地质处置安全评价中的重点关注的核素之一,如何有效地阻滞其在处置库环境中的迁移扩散是目前研究的热点。将金属盐溶液和有机溶剂与水滑石和膨润土混合制备,分别得到2种无机改性水滑石和9种不同的有机和无机改性膨润土,通过批次实验研究这些改性材料对Se(IV)的吸附性能。结果表明无机改性的水滑石和膨润土对Se(IV)均有较好的吸附,吸附率超过57%。而有机改性的膨润土吸附效果很差,吸附率低于10%。采用SEM和XRD对这些改性材料进行表征,结果表明：无机改性后的膨润土的比表面积和层间距均增大,有利于对Se(IV)的吸附。     

Zn/Cr型阴离子黏土的制备、表征及其对活性艳橙X-GN的去除性能研究

采用共沉淀法制备了Zn/Cr摩尔比为1∶1～5∶1的Zn/Cr型阴离子黏土(Zn/Cr-LDHs),选取2∶1 Zn/Cr-LDHs分别在300、400、500℃条件下放入马弗炉中煅烧2 h,制备了煅烧阴离子黏土(Zn/Cr-LDO).采用X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、原子吸收法(ASS)、比表面积测试法(BET)对上述制备的材料结构形态进行表征.研究2∶1 Zn/Cr-LDHs和Zn/Cr-LDO在紫外和避光条件下对活性艳橙X-GN的去除.实验表明,2∶1 Zn/Cr-LDHs的吸附效果不受紫外光照射的影响,煅烧后形成的Zn/Cr-LDO在紫外光的照射下,对活性艳橙X-GN的去除率是避光条件下的2倍,说明煅烧后的Zn/Cr阴离子黏土具有光催化性能,Zn/Cr-LDO对活性艳橙X-GN的去除是吸附和光催化的共同作用.     

煤矿瓦斯爆炸事故隐患及风险的表征方法

为治理煤矿瓦斯爆炸事故隐患,管控其风险大小,基于证据对瓦斯爆炸事故隐患进行了系统辨识,利用逻辑图分析了隐患之间的耦合关系和风险演化路径;从事件发生的可能性、事件自身的严重性以及受体的暴露程度3个方面对瓦斯爆炸风险进行表征,并提出三维风险矩阵对事故风险进行分级评价。该方法可以为瓦斯爆炸事故隐患辨识、风险分析、风险评价以及设计事故预防措施提供借鉴。     

Cu-Mn-Ce/分子筛催化剂吸附甲苯后的微波原位再生及床层温度分布探究

实验考察了Cu-Mn-Ce/分子筛催化剂吸附甲苯后的微波原位再生效果,分析了固定床温度场分布及催化剂多次再生后的吸附穿透曲线,并对Cu-Mn-Ce/分子筛催化剂进行了比表面积和表面形貌的表征测试.研究表明,微波功率117 W、空气流速0.5 m3·h-1和催化剂用量800 g下,吸附催化剂的微波再生效果良好,脱附甲苯在催化剂表面被氧化降解并使催化剂恢复吸附能力.再生时床层温度水平截面上由内向外缓慢降低,垂直方向从下而上逐渐升高,并在床层中上部达到最高的250~350℃.6次吸附穿透曲线和催化剂表征证实,微波原位再生时催化剂表面存在烧结与团聚现象,催化剂的比表面积和微孔体积有所减少,从而缩短了催化剂的穿透时间;微波再生2次后,催化剂结构趋于稳定,吸附穿透时间维持在70 min左右.研究发现,催化剂表面形貌和孔径的变化与床层温度场的分布呈正相关关系.     

改性活性炭对水溶液中双酚-A的吸附研究

采用HNO3、NaOH及高温N2对商用炭WV A1100进行表面改性处理,并利用BET、XPS、pH.及Boehm方法对活性炭进行物化表征.结果表明,HNO3改性明显降低了W20的比表面积,增加了其表面酸性含氧官能团数量,使等电点(pHpae)由4.95降至1.50;高温N2和NaOH改性处理后炭表面化学性质变化与HNO3氧化基本相反,pHp.升至近中性,其中高温N2处理降低了43.81%的表面积.另外,活性炭对双酚-A(BPA)的吸附实验结果表明,吸附体系中溶解氧的存在不会促使BPA在W20表面发生酚氧自由基氧化耦合,并且原炭W20、高温N2和NaOH改性处理后炭对BPA的吸附等温线结果满足Langmiur模型,而HNO3改性炭的吸附行为更符合Freundlich模型,其中高温N2改性炭表现出最好的吸附BPA能力,饱和吸附量值达到了526.32mg/g,是能力最差炭(HNO3改性)的3倍,结合表征结果分析得出,在吸附体系中炭表面的憎水性和静电荷密度,是控制分子态BPA吸附过程的主要因素,即吸附主要遵循π-π理论.     

大气模拟烟雾箱中HONO的表征

NO2与H2O在烟雾箱表面生成HONO的异相反应是导致烟雾箱实验数据不确定性增加的主要原因之一,因此.必须对该反应进行表征.本研究采用烟雾箱实验与箱式模型模拟相结合的方法,确定实验系统特有的HONO释放速率.实验在室内烟雾箱实验系统完成,通过NO、NO2沉积实验获得的气态反应物在烟雾箱壁面(Teflon膜)上的沉积速率分别为0.0026 h-1及0.0025 h-1;光解实验得到NO2的光解速率为0.21min-1,在此基础上利用量子产率、吸收截面积、光谱分布计算出其它6个光解反应的速率常数.将实验获取的速率常数与CB-Ⅳ反应机理联合使用建立箱式模拟系统,利用c0一NO实验数据对模拟参数进行优化,得到该系统的HONO的释放速率为1.65×10-5cm3·mol-1·s-1.由此提供了一种表征实验与箱式模型联合使用确定烟雾箱系统HONO释放速率的有效方法.     

我国陆域水体系统表层水中微塑料生态风险评估

针对我国陆域水体系统表层水微塑料（MPs）生态风险问题,通过Science Direct和Web of Science等网站查询关键词microplastics、urban和river等获取相关文献及数据,从2017~2021年的研究,覆盖15个省份33个水体,并基于MPs丰度、聚合物占比和化学危害数据构建了生态风险表征比率（RCR）的评价方法.结果表明,我国自然水体的MPs丰度平均值为（3604.2±5926.4） n ·m^-3,城市水体中MPs丰度平均值为（7722.6±9505.7） n ·m^-3;相应的,自然水体的RCR平均值为22.09±45.2,城市水体RCR平均值为15.67±34.8.因此,根据RCR的值将生态风险程度划分为4个等级.其中,无显著风险（≤1）有17个,占42.5%;低生态风险（1~10）有12个,占30%、中生态风险（10~100）有9个,占22.5%;高生态风险（>100）有2个,占5%.数据分析显示,自然水体的MPs丰度与RCR值（R²=0.875,P<0.01）存在显著的相关性,但在城市水体的MPs丰度与RCR值间不存在显著的相关性.这表明MPs的丰度高并不能说明该地区的生态风险程度高.此外,各地的RCR值与流域面积呈正相关（R²=0.864,P<0.01）,同时,MPs丰度与GDP （R²=0.679,P<0.05）、流域常住人口（R²=0.922,P<0.05）呈显著相关性.这项研究为评估MPs的生态风险提供了基线数据,是陆域水体系统表层水MPs生态风险评价的重要方式.