水污染物颗粒物净化

答卷编号（参赛学校填写）：答卷编号（竞赛组委会填写）：论文题目：水污染物颗粒净化问题（F）组别：本科生参赛学校：吉林化工学院报名序号：（可以不填）参赛队员信息（必填）：姓名参赛队员1盘清妮参赛队员2佟玉娇参赛队员3焦永婷答卷编号（竞赛组委会填写）:评阅情况（省赛评阅专家填写）:省赛评阅1:省赛评阅2：省赛评阅3：省赛评阅4：省赛评阅5：水污染物颗粒净化问题摘要水体受到人类或自然因素的影响，使水的感光性状、物理化学性质、化学成分、生物组成及底质等产生了恶化，影响了水的使用价值。因此，水污染物颗粒净化问题成为人们现在急需解决的问题。问题一，运用excel软件对附件中给定的数据拟合出粒径随时间变化的曲线和分布，求出了多项式公式y=-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径随时间的变化趋势。问题二，通过所给的数据大致可以看出粒径随时间的变化，在一定时间内随着粒径迅速增大，说明污染物颗粒的扩散速度很快。但达到一定时间后，粒径不再增大，趋于一种平衡状态，说明该颗粒在没有特殊催化剂的作用下已经达到了饱和状态，说明该测量方法在一定的时间范围内有一定的优点。但有些异常数据在拟合曲线上是体现不出来的，由此可说明该测量方法在一定程度上是有一定误差的。问题三，通过纳米材料与纳米技术对水污染物进行检测与选择性消除，通过附表中已给数据假定出符合该污染物的纳米材料的组成、形状、尺寸、孔径、表面修饰、纳米特性与其在水污染物传感和去除方面性能的相关性，寻找其内在规律性，构建半经验模型，最终达到净化污水的目的。关键词：excel软件，数据拟合，半经验模型，纳米技术，相关性，净化一、问题重述水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。水中杂质按尺寸分，可分为溶解物、胶体颗粒和悬浮物3种。有些杂质可以用基于高浓度、外加计量反应试剂为基础的传统的物化方法（如沉降、吸附、湿式氧化等）以及生化技术等进行处理。而对于天然水体和饮用水中低浓度、高毒性、难降解污染物（如多溴联苯醚、全氟辛酸（磺酸）、消毒副产物、内分泌干扰物、PPCPs（抗生素）等）很难用前述传统的物化方法和生化技术等技术进行处理，迫切需要提出建立新型的高效选择性检测和消除的原理和方法。附件中给定的数据是利用动态光反射仪器测量出水中某污染物粒径随时间的变化值，请就给定的数据拟合出粒径随时间变化的曲线和分布，并就给定的数据评价该测量方法的优缺点。分析天然水体和饮用水中低浓度、高毒性、难降解污染物，试建立模型说明如何对这类的污染物进行处理，达到净化污水的目的。二、 问题背景人类在经过漫长的奋斗历程后，在改造自然和发展社会经济方面取得了辉煌的业绩,与此同时,生态破坏与环境污染，对人类的生存和发展已构成了现实威胁。如今，地球生态环境已被人类活动严重破坏，尤其是水的污染更为突出。人类现在用水量越来越大，且污染也越来越严重，这就要求我们要保护水资源。我们的水资源正在遭受各种污染的侵袭，水污染严重破坏生态环境、影响人类生存，要想实现人类社会的可持续发展，首先要解决水污染问题。水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。对于天然水体和饮用水中低浓度、高毒性、难降解污染物，很难用前述传统的物化方法和生化技术等技术进行处理。因此，我们需要用纳米技术进行检测和消除。三、 基本假设忽略时期和温度等的影响。污染物在较短时间内能基本混合均匀。水流量和水流速以恒定值流动。4•假设模拟出的纳米材料仪器可用于此污染物。四、定义符号说明1.X:Time(s)2.y：AggregationSize(nm)3.R：相关指数4.e：自然常数

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、建立与求解5.1给定的数据拟合出粒径随时间变化的曲线和分布下图为利用给定的数据拟合出的水中某种污染物粒径随时间变化的曲线和分布。如图5-1所示，可以看出污染物的分布情况。+AggregationSize（nin纳米）—多项式（AggregationSize（nm纳米））图5-1粒径随时间变化的拟合曲线及分布根据曲线拟合得出多项式：y=-7.8e-20x^6+1.7e-15xT-1.4e-11xA4+5.8e-8xA3-0.0001x9+0.2276x+66.609下图是用MATLAB对给定数据拟合出粒径随时间变化的分布，有图我们可以明显看出粒径随时间的分布趋势。如图5-2所示。图5-2某污染物粒径随时间变化分布从0-2500秒左右该粒径随时间的变化有一定的规律，近似于一条光滑的曲线，并且分布比较密集，集中在拟合曲线的附近，粒径增长速度很快，并且相对比较集中，说明污染物颗粒的扩散速度很快。自2500秒以后粒径随时间的变化分布比较散乱，有些异常数据出现了大幅度的跳跃，这些散乱的点很难得出一条使它们都大致分布在其上的一条光滑曲线。可以从分布图中看出随时间的增加，粒径的增长速度开始减慢，最终趋于了一种平衡状态，说明了污染物颗粒的扩散速度减慢，最终达到了平衡状态。5.2就给定的数据评价该测量方法的优缺点5.2.1该测量方法的优点所有数据点都在该拟合曲线的附近，运用该拟合曲线可以消除所给数据的局部波动，并且拟合曲线不要求所有数据点都在其上，该曲线可以反映数据的基本趋势，它的实质是离散情况下的最佳平方逼近。根据数据可以知道粒径随时间变化是有一定规律的，并且由此规律可以大致的写出它的变化多项式，这就体现了该测量方法具有一定的优点。动态放射仪是指光在介质传播过程中遇到折射率不同的介质面时产生的一种现象，其反射光功率和放射率可用P和P2p=p(Acosa-Bcosb)21 2Acosa+Bcosb折射率为：R（dB）R（dB）=101g也CAcosa-Bcosb）2]p2Acosa+Bcosb动态光反射仪是根据光在介质中传播时出现菲涅耳反射和瑞利散射的机制制成的，其工作原理如下，首先由激光器向测量物体发出激光脉冲，在光纤中产生反射的散射光传回光纤端面，通过耦合器传送到光电探测器上，将光信号转化为电信号，再将电信号放大显示出来。对测量结果影响较大的参数是设定测量范围。脉宽和折射率，测量范围定得太大，显示的范围就会太大，这样就不能利用仪器的测量精度。脉宽越小测量精度就越高，但其能量越小测量时将会受到限制。从实验结果可以看出，正常情况下由于光反射而引起的衰减非常小，颗粒变化不大，在光反射过程中没有发生故障，则衰减的过程是均匀的几乎呈线性衰减，把光线内的能量衰减进行分段测量,即得到每一个时段颗粒的粒径大小，用动态反射仪测污染物的粒径可以利用不同粒径的形状大小来控制光反射的折射率脉宽测量范围，从而很精确的测量出粒径的大小。利用动态放射仪测量数据的过程中。5.2.2该测量方法的缺点有的数据波动很大，这样对函数的建立会造成很大的误差，很难将所有的点连成一条光滑的曲线或直线，该测量方法的缺点是：1、能量（颗粒放射的光）如果太小，在一定的衰减情况下，很容易彻底消失；2、在测量中脉冲宽度较宽输出能量较大可测的距离较远，使事件的盲区较大，降低了分辨率和测试精度。主要的误差是：一、 仪器固有的误差。这是在仪器设计和制作过程中固有的，一旦仪器确定就无法再改变。二、 反光镜可能不洁净各种污点可能会导致物理性能下降从而引起测量误差，这是日常工作中很常见的情况。三、 仪器设置不当引起的误差，例如折射率设定不当引起的误差等等。5.3建立数学模型对这类水污染物进行处理随着工业化的发展，水源地及饮用水安全形势越来越严峻，严重威胁着居民的身体健康。传统的水质安全检测方法虽然有较高的精度和灵敏度，但检测步骤复杂，费时费力。而且水体中的毒素成分繁多、复杂，很难实现同时检测多种毒物。我国天然水体和饮用水中低浓度、高毒性、难降解污染物（如多溴联苯醚、全氟辛酸（磺酸）、消毒副产物、内分泌干扰物、PPCPs（抗生素）等）很难用基于高浓度、外加计量反应试剂为基础的传统的物化方法（如沉降、吸附、湿式氧化等）以及生化技术等进行处理，迫切需要提出建立新型的高效选择性检测和消除的原理和方法。因此我们应用纳米材料与纳米技术对水中低浓度、高毒性、难降解污染物进行检测和选择性消除。经过深入研究该原理的普适性和可行性，实现高效选择性地检测和消除新型污染物的目的。选择性是贯穿本项目的主线，为实现选择性，研究必须做三方面的工作。一是有针对性的筛选和制备纳米材料和纳米组装结构；二是研究纳米材料和纳米结构与典型目标污染物在表界面的相互作用和触发反应的规律；三是以水中典型污染物为目标，依据选择性原理设计和制作纳米材料和组装技术单元，完成单元技术集成和示范装置，并进行技术的效果和安全性评价。下图为研究思路总体设计图流程。如图5-3所示，纳米技术处理水污染总体设计思路。通过纳米材料与纳米技术对水污染物进行检测与选择性消除，通过附表中已给数据假定出符合该污染物的纳米材料的组成、形状、尺寸、孔径、表面修饰、纳米特性与其在水污染物传感和去除方面性能的相关性，寻找其内在规律性，构建半经验模型。分析预测纳米材料对此水污染物的除性能，从分子水平上深入理解纳米传感机制及纳米催化、吸附等材料的界面反应机理，实现纳米净化剂功能设计和调控。假设通过在第一问中拟合出的曲线恰好满足纳米材料的处理范围，然而又存在很多奇异点，这样通过特殊的催化处理使那些不在处理范围内的颗粒也能够净化，设计有序的金属、氧化物及半导体纳米线和纳米管阵列，通过在其表面修饰不同纳米材料实现污染物的高效催化降解。设计以有序微孔结构为基础的复合材料，使之具备很强的吸附功能，再将催化剂粒子均匀分散到微孔结构中，使催化反应能够在被吸附物富集的区域发生。因此，发展新型纳米分析材料的设计和合成方法，实现纳米材料尺寸、形状、组成可控十分重要。针对不同的研究对象，采用水热合成、溶剂热合成、模板法、微胶束法、热分解法、自组装法、湿化学、超声、微波、气相沉积法、电化学等方法，制备出高质量单分散性好的纳米材料，所得到的纳米材料应具有高的反应活性，较广泛的溶解性和较好的稳定性，便于进行化学修饰和功能化，以适应在环境保护中的应用。纳米材料的多元化污染水体中含有各种低浓度、高毒性、难降解的污染物质，不同污染物性质差异大，因此，它们的特异性检测和选择性去除要求纳米材料制备的多元化。拟开展多种纳米材料的制备研究，包括金属，量子点，氧化物、无机、有机杂化材料，纳米簇，硅基纳米材料、碳基纳米材料、磁性纳米材料、多功能复合纳米材料等,并将其用于不同的分析对象和检测方法。纳米材料制备的可控化深入研究纳米材料形成机理,优化控制合成方法并总结规律，开拓和发展拥有自主知识产权的用于典型水污染物检测和治理的新型纳米材料制备技术，建立对该体系结构参数可调控的新原理，新方法。纳米材料制备的环境友好化以绿色合成和加工技术为导向，发展环境友好的纳米材料制备技术是本项的一个基本考虑，发展制备方法和过程的环境友好化，避免在环保应用中产生二次污染。假设所采用的纳米技术与拟合的曲线一致。y=-7.8e-20x^6+1.7e-15xA5-1.4e-11xA4+5.8e-8xA3-0.0001x9+0.2276x+66.609通过所作出的曲线分析得出其相关指数R平方值为：RV=0.9417,说明曲线的拟合度较佳，相关性较强能够很好的处理该污染物。六、模型的评价与改进建立针对我国典型水污染物新型快速检测方法，发展基于纳米材料与技术的新型无二次污染净化材料和微小型纳米传感器。在方法学层面，发展针对我国典型水污染物检测或治理纳米材料的绿色合成和性能调控方法、表面原位分析方法、环境纳米材料与微小型纳米传感器件的设计技术；应用扫描探针显微和同步辐射相位衬度显微成像技术来检测氧气纳米气泡，能得到高选择性和高分辨率的图像；基于新原理、新方法的纳米传感器及微小型化器件基于新原理、研究上述体系纳米传感机制并总结规律，在此基础上构建基于新原理、新方法的纳米传感器，探索纳米尺度上不同污染物检测体系在小型化器件上的有机集成和优化，以期发展高精密、高灵敏、在线、多通道、抗干扰能力强、廉价的小型化器件，将检测与样品前处理、数据分析等其它功能一体化，集成为一个智能化的全分析系统。纳米材料的水固界面反应过程，研究纳米材料在吸附、催化反应过程中，界面所发生的结构、电子转移、活性中心以及周围配位环境的微观变化，揭示纳米吸附剂的吸附机理、纳米催化剂的催化氧化机制，构建纳米材料表面性能与吸附或催化活性的关系，为高效纳米材料的制备提供依据。因此此模型在不同的水质特征条件下，纳米吸附剂对目标污染物吸附解吸机理，进一步对吸附剂进行定向修饰，提高吸附剂对目标物的吸附能力和选择性。进而优化吸附反应工艺，发展高效吸附水处理技术。七、模型的推广半经验模型人们设法对复杂的过程作必要的合理的简化，描述所建立的数学模型，需经实验检验和修正，并确定其模型参数，因为化工、空气净化、土壤净化中大多数过程是相当复杂的，往往难以进行如实的数学描述，所以利用半经验模型更能有效的解决此类问题。建立针对我国典型水污染物新型快速检测方法，发展基于纳米材料与技术的新型无二次污染净化材料和微小型纳米传感器。将氧气纳米气泡应用于大面积水体污染和底质污染的治理，形成稳定的氧气纳米气泡治理水体和底质污染的原理。特色：1•本项目针对我国最新技术与我国出现的大面积的典型水污染问题直接结合：出现的大面积的典型水污染问题直接结合典型水污染问题，利用纳米科学领域的最新研究进展和成果开展研究，将加深对纳米科学内涵的全面认识，促进用于水污染物检测、治理及生态修复的纳米材料与纳米技术新原理、新规律和新方法在更深层面上进行研究，从而取得有国际影响的重大突破。2•在考虑纳米材料的环保应用，项目设计了兼顾环境安全和可持续利用，减少在考虑纳米材料的环保应用，项目设计了兼顾环境安全和可持续利用，纳米材料的环保应用次级污染的策略：本项目从发展水资源保护新材料与新技术的国家重大需求出发，选择我国天然水体和饮用中低浓度、高毒性、难降解的典型水污染物为主要研究对象，揭示纳米材料与技术在这类水污染物检测、治理和生态修复应用中的优异性，抢先发展自主创新的纳米传感器、水污染物治理及生态修复技术，提升我国在次领域的国家竞争力。同时，充分考虑研究纳米材料的绿色合成、回收和再生利用，以降低纳米材料进入生态系统的风险。3.基于纳米材料与技术发展高效、高通量、智能检测表征系统的新原理、新方法主要研究内容：制备生物相容性纳米材料、现场培养微生物膜，实现水中有机物的高效降解，用于快速在线测定生化需氧量(BOD)；制备光电催化纳米修饰电极，用于化学需氧量(COD)的快速在线检测；研究溶解氧(DO)在微、纳米阵列电极及其修饰电极上的反应机理，用于水体中DO的灵敏在线检测。通过对媒介体、微生物的筛选等研究，建立水体总毒性快速分析方法；探索利用拉曼光谱指纹效应，不经分离直接从水中检测多种特定污染物的可能性。预期目标：通过水中污染物被微生物膜高效降解，实现水体中BOD的快速在线检测；利用光电催化法制备COD传感器，实现水体中COD的快速在线检测；研制高灵敏度、高稳定性的DO传感器，实现水体中DO的灵敏在线检测；基于微生物膜反应器，建立水体总毒性的快速分析方法；针对水体的微污染主要特征(低浓度，高毒性，多种有机物无机物共存)发展高效智能检测和表征的新原理、新方法。参考文献罗固源，水污染物化控制技术原理与技术，北京：化学工业出版社，2003。逯乐慧，纳米材料与纳米技术在水污染物检测与治理中的应用基础研究，/view/c6da3b8271fe910efl2df8b6.html。张环，负载型纳米铁铜二元金属的合成与改性及其修复地下水中有机氯污染物的基础研究，南开大学环境科学专业，2006。彭泽洲，杨天行，梁秀娟，谷照升，水环境数学模型及其应用，北京，化学工业出版社，2006。附件MATLAB程序代码:clearelfx=0:21:6300;y二［50.7267.9673.1382.683.689.0993.16101.1106.3104.6108.6115.1112122.1132132.9131.9128.7142.8142.6152.7152.6147.8149.5156.2170.1159.4167.3171.5165.1178.6174.5169.8174.4179176.1165.6166181.4190.2185.2188.4187.4197.9193.7210.6212.5196.5195.3215.3208.2217.5206.7232.3215212.2210.4227.6221.3225.8240.5224.3215.7241.6220.6230254.6252242.3244.9254.9250.6265.2254.6253.7239.2245.1237.1255.4227243.4262.8263.1275.7259274.6271.7256.9256.1275.6260.6267259.8258.1250.5279.2277.8273.9285280.7307263.6285.2277.3291.5278.6298.7287.7279.7272.8288.6277.8307.6301.4317.8296.1312306.6293.7318.3332.6299.1332.9328.8296.1342.7327.6321.3381.7348.9314.3353.8326.5357.3347.9319.1308.1319.3311.1331.8332298.1324.5306.4318.7312.3307.9349.5291.3320.7298.8306.7304.5323.9325.1287.8318.4318.3316319.4322.2325.3356.7313.4328.4321.7330.9337.5350.4377.8337.3351.3343