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作者：孙鹤洲兰州交通大学

学位级别：硕士

河岸带作为连接水陆两域的关键区域,对非点源污染控制和水域水质环境改善有重要意义。河岸带沉积物中吸纳足够的营养物质(也称为内部负荷)时,它们会释放到上覆水中造成“二次污染”的风险。为探究黄河(兰州段)河岸带沉积物对氨氮的环境... 详细信息

河岸带作为连接水陆两域的关键区域,对非点源污染控制和水域水质环境改善有重要意义。河岸带沉积物中吸纳足够的营养物质(也称为内部负荷)时,它们会释放到上覆水中造成“二次污染”的风险。为探究黄河(兰州段)河岸带沉积物对氨氮的环境容量和吸纳能力,本研究以天然黄河河岸带沉积物为研究对象,探究了其对氨氮释放和吸附特征,以及温度、p H、水力扰动、上覆水溶液浓度等环境因子对氨氮释放和吸附的影响作用。基于实验基础,利用动力学和热力学数学拟合模型对沉积物吸附/释放氨氮的规律和机理进行讨论分析。为了提升河岸带对氨氮污染的吸纳能力,本次研究通过对比分析沸石、混凝土土渣和活性炭三种材料对氨氮的吸附效果,选择了沸石作为原位覆盖技术的覆盖材料,建立了污染沉积物中污染物控制释放试验拟合模型,进行观测,发现沸石上层覆盖能有效阻止污染物质向上覆水释放和吸纳上覆水污染物质。研究成果如下:(1)由沉积物中氨氮释放过程及影响因素研究得出,氨氮释放平衡时间为180 min,平衡释放量为8.20 mg/kg。温度的升高有助于沉积物中氨氮的释放,沉积物中的氨氮的平衡释放量和温度呈正相关关系。沉积物氨氮释放量与p H值呈现抛物线型变化趋势,表现为酸碱性较强的水体环境,即p H为3和11时,氨氮释放量较大,平衡释放量分别为10.43 mg/kg、10.16 mg/kg;弱酸弱碱或中性环境中释放量较低,p H=9时平衡释放量最低,为8.89 mg/kg,p H为5和7时,释放量分别为9.51 mg/kg、9.49 mg/kg。0～200 r/min水力扰动条件下,水溶液中沉积物对氨氮的释放浓度和扰动频率呈正相关关系,扰动频率为200 r/min时的释放量是50 r/min时的3.03倍,50 r/min时释放浓度达到1.79 mg/L。(2)通过沉积物对氨氮的吸附行为及影响因素分析,120min为沉积物吸附氨氮的吸附平衡时间,到达平衡时间时沉积物对氨氮的吸附量约为1200.19mg/kg,其吸附率为60.0%。准二级动力学模型和Elovich模型拟合后的R大于0.85,说明沉积物吸附氨氮的过程是非均相扩散过程,由多种吸附机理控制。对等温吸附结果进行热力学吸附模型拟合,其中Freundlich模型和Langmuir模型对实验数据的拟合结果R均达到0.90以上,Langmuir模型拟合结果更好,不同温度情况的R均大于0.95,说明该吸附过程是单分子层吸附。ΔH>0,ΔG0表明该反应属于吸热过程,是熵增过程,吸附过程,不需要外界能量推动可以自发进行,另外沉积物对氨氮的吸附属于化学吸附,发生在沉积物表面。15℃、20℃和25℃时的达到吸附平衡时吸附率分别为50.5%、56.0%和56.9%,温度与氨氮吸附量呈正相关关系。p H环境会影响氨氮吸附的效率,吸附量由大到小为p H=5>p H=7>p H=3>p H=9>p H=11。不同水力扰动条件,随着扰动频率的增加,沉积物对氨氮的吸附量相应增大,在扰动条件为0、50、100、150、200r/min时吸附率依次分别为25.5%、43.0%、50.6%、56.2%和74.3%,扰动频率和氨氮的吸附效果呈正相关关系。环境氨氮溶液浓度会影响沉积物对氨氮的吸附量,当溶液浓度为5、10、15、20、40、60mg/L时的吸附率分别为50.2%、73.5%、62.1%、56.9%、58.9%和52.9%,溶液浓度和氨氮吸附量呈正相关关系。(3)实验选用沸石、混凝土土渣和活性炭三种原位覆盖材料对其吸附氨氮的能力和吸附特征进行研究,发现三种材料对氨氮都是吸热反应,非均相多分子层吸附,沸石吸附氨氮属于化学吸附,混凝土土渣吸附氨氮是物理吸附,活性炭吸附氨氮是物理吸附过程,三种吸附过程都可以自发进行,是熵增过程。为了提升河岸带沉积物对氨氮的吸纳能力,向沉积物中添加覆盖材料,在添加沸石等添加剂后,对氨氮的去除率得到很大的提升,其中添加混凝土、沸石和活性炭分别对氨氮的去除率提高了9.41%、15.04%和23.72%,提升效果明显。释放控制实验中发现活性炭在控制氨氮释放方面的作用显著,与对照组相比对氨氮释放效果提升了约38.67%。(4)通过效果对比选取了沸石作为原位覆盖技术应用的覆盖材料,建立实验装置模拟实验,原氨氮浓度为5.00 mg/L的溶液经过7 d观测发现原位沸石覆盖后的模型水质为2.26 mg/L,去除率为54.8%,对照组的水质氨氮浓度为3.32mg/L,去除率为33.6%,表明沸石原位覆盖有效吸附来自上覆水中的氨氮污染物质;在氨氮控释实验中,经过7 d的观测,各装置水质氨氮浓度逐渐降低,沉积物对照组由0.93 mg/L降至0.17 mg/L,沸石原位覆盖组由0.67 mg/L降至0.13mg/L,表明沸石原位覆盖可以有效控制了沉积物中氨氮的释放,防止了沉积物中的氨氮释放引发的内源污染。

关键词：河岸带沉积物氨氮吸附释放环境要素原位覆盖

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黄河兰州段消落带表层沉积物对磷的吸附

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环境工程学报 2023年第1期17卷 343-350页

作者：王若凡田甜刘骅王煜钧田开栋杨光孙鹤洲兰州交通大学环境与市政工程学院兰州730070

为探究黄河消落带表层沉积物对磷的吸附特征,基于吸附动力学、吸附热力学及单因子实验,现场采集黄河(兰州段)消落带表层沉积物进行实验室模拟研究。结果表明:沉积物对磷的吸附动力学经历快速吸附、慢速吸附、吸附平衡3个阶段,扰动条件下... 详细信息

为探究黄河消落带表层沉积物对磷的吸附特征,基于吸附动力学、吸附热力学及单因子实验,现场采集黄河(兰州段)消落带表层沉积物进行实验室模拟研究。结果表明:沉积物对磷的吸附动力学经历快速吸附、慢速吸附、吸附平衡3个阶段,扰动条件下,在10 min内吸附量达到最大吸附量的85%以上,480 min达到吸附平衡;沉积物对磷的吸附符合Langmuir吸附等温方程,随着温度的升高最大理论吸附量Qm随之增加,25℃时Qm达到119.831 mg·kg^(-1);单因子实验中,扰动频率增加对磷的吸附量具有明显的促进作用;pH为7~8时沉积物吸附效果最佳,偏酸性条件次之,偏碱性条件下吸附效果较差;增大上覆水KH2PO4浓度,吸附量增加,吸附率整体呈下降趋势。由此可知,黄河消落带表层沉积物对磷元素具有一定的拦截效应,河水的扰动能够促进沉积物对PO43--P的吸附,但是水体的pH值变化及高浓度陆源污染物均会削弱消落带对磷元素的吸附拦截作用。该研究结果可为黄河上游的水污染防治及消落带的生态管理提供研究依据。

关键词：沉积物环境因子吸附热力学动力学

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人工湿地基质处理效果分析及发展趋势研究

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绿色科技 2022年第2期24卷 156-158,163页

作者：孙鹤洲刘骅田甜王煜钧王若凡兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州730070

人工湿地作为一种新型的且行之有效的污水处理兼具生态效应的环境治理手段越来越受到重视,其中湿地基质作为湿地系统的关键是当下研究的重点。在国内外研究的基础上,对人工湿地基质的分类及各种基质对各类污染物的去除效果进行了具体的... 详细信息

人工湿地作为一种新型的且行之有效的污水处理兼具生态效应的环境治理手段越来越受到重视,其中湿地基质作为湿地系统的关键是当下研究的重点。在国内外研究的基础上,对人工湿地基质的分类及各种基质对各类污染物的去除效果进行了具体的分析,以此作为湿地基质选择的参考。通过分析当前人工湿地在发展过程中存在的问题,如地域差别、处理对象、研究的指标以及管理等问题,认为人工湿地污水处理系统在我国有巨大的发展前景,当前人工湿地的发展主要在工艺改进、基质的选择和组合以及基质改性等方面,并给出了相应的改进建议。

关键词：人工湿地基质特征污染物发展趋势

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混凝土渣对PO_(4)^(3-)-P的吸附研究

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绿色科技 2023年第8期25卷 167-171,177页

作者：刘骅王若凡田甜杨光田开栋孙鹤洲程博兰州交通大学环境与市政工程学院甘肃兰州730070

以混凝土渣材料为研究对象,探究了混凝土渣作为固磷吸附剂对PO_(4)^(3-)-P的吸附特征,分析了不同环境下混凝土渣对PO_(4)^(3-)-P的吸附情况。通过动力学实验及等温吸附实验分析,混凝土渣吸附平衡时间为12 h,较符合准二级动力学方程及Lan... 详细信息

以混凝土渣材料为研究对象,探究了混凝土渣作为固磷吸附剂对PO_(4)^(3-)-P的吸附特征,分析了不同环境下混凝土渣对PO_(4)^(3-)-P的吸附情况。通过动力学实验及等温吸附实验分析,混凝土渣吸附平衡时间为12 h,较符合准二级动力学方程及Langmuir方程,粒径越小,吸附效果越好,理论饱和吸附量达21210 mg/kg,温度、扰动增大均提升混凝土渣吸附量。扰动频率小于150 r/min时,水力扰动增大,使混凝土渣吸附量显著上升,扰动频率大于150 r/min时,水力扰动对吸附量影响不显著。pH值增大混凝土渣吸附量减小,pH值为9.0时吸附量呈最小值。综上所述,建筑废弃物混凝土渣应用于去除水体中PO_(4)^(3-)-P有着很好的效果和应用前景。

关键词：吸附材料混凝土渣建筑废弃物吸附作用解吸作用动力学扰动温度

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生物炭折流湿地对生活污水的净化效果

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农业环境科学学报 2020年第9期39卷 2001-2007页

作者：王若凡汪文飞王煜钧孙鹤洲刘傲展兰州交通大学环境与市政工程学院兰州730070

为提升西北地区农村生活污水的治理水平,结合西北地区气温特征,以生物炭为主体构建了折流湿地,并分析其对生活污水中污染物的净化效果。结果表明:在水温8~12℃条件下,折流湿地的最佳水力停留时间(HRT)为2.5 d,此时,湿地中污水的化学需氧... 详细信息

为提升西北地区农村生活污水的治理水平,结合西北地区气温特征,以生物炭为主体构建了折流湿地,并分析其对生活污水中污染物的净化效果。结果表明:在水温8~12℃条件下,折流湿地的最佳水力停留时间(HRT)为2.5 d,此时,湿地中污水的化学需氧量(COD)、氨氮(NH4^+-N)、磷酸盐(PO4^3--P)、悬浮物(SS)的去除率分别为90.51%、72.38%、90.73%、94.57%。此外,各自污染物去除率与其停留时间和沿程均呈显著正相关(P0.91),并且对SS具有较快的去除速率。研究表明,生物炭作为折流湿地填料具有良好的应用价值,对解决西北地区农村水污染问题具有重要的意义。

关键词：折流湿地生物炭水力停留时间一级动力学模型

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基于PSR模型的黑河中游湿地生态系统健康评价

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湖北农业科学 2021年第8期60卷 55-62,69页

作者：杜红霞孙鹤洲西北师范大学地理与环境科学学院兰州730070 兰州交通大学环境与市政工程学院兰州730070

为从时空尺度上对黑河中游湿地生态系统健康状况进行定量评价,基于PSR(Pressure-State-Response)模型,从压力、状态、响应3个目标层选取11个指标构建指标体系。采用层次分析法(AHP)确定各指标权重,并结合综合指数法对黑河中游近18年的... 详细信息

为从时空尺度上对黑河中游湿地生态系统健康状况进行定量评价,基于PSR(Pressure-State-Response)模型,从压力、状态、响应3个目标层选取11个指标构建指标体系。采用层次分析法(AHP)确定各指标权重,并结合综合指数法对黑河中游近18年的湿地生态健康状况进行了整体评价。结果表明,黑河中游湿地的健康状况在2000、2005、2011、2018年分别为差、良好、良好和一般的等级;其中,肃南裕固族自治县明花乡的湿地生态系统状况在这4年均处于差的水平;状态层的影响性最大(0.650),而响应层最小(0.120);归一化植被指数(NDVI)、人类干扰指数和景观多样性指数(SHDI)是影响该区域湿地生态系统健康状况的主要因素。

关键词：黑河中游湿地 PSR模型定量评价生态系统状况层次分析法

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基于无模型的PMLSM改进自适应滑模自抗扰控制

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电机与控制学报 2024年第1期28卷 142-151页

作者：李争张梓豪王康涛孙鹤旭河北科技大学电气工程学院河北石家庄050018 燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004

为了提高永磁直线同步电机的自抗扰控制的动态响应性能和抗干扰性能,增强系统整体的控制性能,提出了一种基于无模型控制的改进滑模自抗扰控制策略。首先,基于滑模变结构原理以及无模型控制理论对自抗扰控制器中的扩张状态观测器和非线... 详细信息

为了提高永磁直线同步电机的自抗扰控制的动态响应性能和抗干扰性能,增强系统整体的控制性能,提出了一种基于无模型控制的改进滑模自抗扰控制策略。首先,基于滑模变结构原理以及无模型控制理论对自抗扰控制器中的扩张状态观测器和非线性状态误差反馈进行优化,建立了超局部模型,采用非奇异快速终端滑模控制代替原有的非线性状态误差反馈,同时设计相应滑模面与扩张状态观测器相结合,提高观测器对扰动因素的观测精确度的同时增强控制器的动态响应性能和抗干扰能力。然后设计了改进指数趋近率,通过引入系统状态变量使得控制器可以进行自适应调节,进一步提高系统的控制性能。通过李雅普诺夫理论证明了控制策略的稳定性,仿真和实验结果表明,该控制策略相对传统的自抗扰控制器所具备的优越性。

关键词：永磁直线同步电机无模型控制非奇异快速终端滑模改进滑模趋近率自抗扰控制改进扩张状态观测器

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硅废料基锂离子电池负极材料的制备及性能研究

硅废料基锂离子电池负极材料的制备及性能研究

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作者：孙鹤航北方民族大学

学位级别：硕士

全球对清洁能源的巨大需求促进了光伏产业的发展,在光伏硅组件的生产过程中会产生大量的硅废料,其对环境和生产成本有显著影响,因此,硅废料的回收利用成为一个重大技术难题。硅作为锂离子电池负极材料应用时,具有比容量高和工作电位较... 详细信息

全球对清洁能源的巨大需求促进了光伏产业的发展,在光伏硅组件的生产过程中会产生大量的硅废料,其对环境和生产成本有显著影响,因此,硅废料的回收利用成为一个重大技术难题。硅作为锂离子电池负极材料应用时,具有比容量高和工作电位较低等优势,但硅在发生电化学嵌脱锂反应时会因锂嵌入与脱出发生巨大的体积膨胀与收缩,导致硅的粉化以及电极的开裂,从而造成电池容量急剧衰减。针对上述问题,本文将硅废料的回收利用与高容量、低成本硅基负极材料需求相结合,制得基于硅废料原料的高容量锂离子电池负极材料。研究先对硅废料进行纯化除杂制得高纯度的硅原料,然后进行球磨、氧化和碳包覆以及预锂化处理制得硅基复合负极材料,再对制得复合负极材料进行结构和形貌表征以及电化学性能测试分析,探究其结构对电化学性能的影响。本文通过设计制备合适的氧化层和碳层结构可有效的抑制硅电极充放电过程的体积膨胀,通过预锂化处理提升首次库伦效率,从而提高硅废料基负极材料的电化学性能。本论文的研究内容及结果如下:（1）硅废料的提纯及氧化制备Si@SiO复合负极材料。将硅废料进行酸洗除杂纯化,球磨细化颗粒再加入一定量的HO进行表面氧化处理,然后高温煅烧得到Si@SiO。硅废料颗粒表面原位氧化形成硅氧化物结构层,纯化除杂后仍残留的Fe与Si在负极材料制备过程中生成FeSi相并且表面包裹一层硅氧化物层,这可作为缓冲层用来抑制Si在充放电过程中发生的体积变化。所制备的Si@SiO复合材料具有较好的结构稳定性,其在0.5 A·g电流密度下循环300圈后的充电比容量为652.4mAh·g,容量保持率达到77.1%。（2）碳包覆制备Si@C复合材料。采用PVP、NaCl与硅废料进行混合包覆,然后高温碳化处理来改善硅废料的电化学性能。研究结果表明,当PVP、硅废料与NaCl的比例为1:1:3时,制得的复合负极材料具有优异的电化学性能。这是因为具有良好分散性的PVP能够将硅废料颗粒进行完整包覆,而添加Na Cl之后球磨处理,使PVP附着更均匀,能够更好的抑制硅的体积变化。实验所制备的Si@C-1:1:3的复合负极材料在0.5 A·g电流密度下循环200圈容量高达910.4 mAh·g,其容量保持率为78.6%,即使在3 A·g的大电流下仍发挥出590.1 mAh·g的高比容量。（3）预锂化处理提升Si@C复合负极材料的首次库伦效率。首先将锂粉、萘与四氢呋喃以一定的比例进行混合制得预锂化悬浮液,再对Si@C-1:1:3负极极片进行预锂化处理,以提高其首次库仑效率。研究发现,使用Li-Np/THF悬浮液进行预锂化处理能够改善硅基负极电化学性能和提高首次库伦效率。基于Si@C-15m负极材料在0.1 C电流密度下表现出1429.2 mAh·g的初始充电比容量,首次库伦效率达到84%,甚至在3 A·g的大电流下预锂化15 min的Si@C复合材料仍发挥出高达596.1 mAh·g的比容量。

关键词：硅废料锂离子电池负极材料预锂化

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动态约束下船舶固定时间非奇异滑模包容控制

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电机与控制学报 2024年第4期28卷 167-176页

作者：马俊达孙鹤方谭冲辛华健刘可哈尔滨理工大学自动化学院黑龙江哈尔滨150080 黑龙江省复杂智能系统与集成重点实验室黑龙江哈尔滨150000 广西工业职业技术学院智能制造学院广西南宁530200 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院黑龙江哈尔滨150080

为了解决动态约束下的无人船鲁棒包容控制问题,以固定时间稳定性理论为基础,结合预设性能函数和滑模控制技术,提出一种固定时间非奇异滑模鲁棒包容控制律。首先,设计固定时间扩张观测器,对速度不可测以及集总不变项进行估计。然后,通过... 详细信息

为了解决动态约束下的无人船鲁棒包容控制问题,以固定时间稳定性理论为基础,结合预设性能函数和滑模控制技术,提出一种固定时间非奇异滑模鲁棒包容控制律。首先,设计固定时间扩张观测器,对速度不可测以及集总不变项进行估计。然后,通过设计性能函数实现对包容跟踪偏差的约束,结合转换函数转换成无约束问题对包容控制偏差进行约束控制。进一步,构造非奇异滑模面并设计固定时间趋近律,实现跟随船在固定时间内收敛至虚拟领导船张成的凸包内。最后,利用固定时间稳定性理论证明系统误差在固定时间内收敛于平衡点。仿真结果说明,所提控制律可以使多无人船在固定时间内形成高精度且稳定的编队形式并且在设置的预设性能下实现包容控制偏差的收敛。

关键词：多船编队包容控制固定时间控制扩张观测器非奇异滑模动态约束

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无线电能传输零电压开关角跟踪和动态电容补偿矩阵复合控制策略

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电工技术学报 2024年第12期39卷 3602-3615页

作者：李争唐明磊解波朱乙丁孙鹤旭河北科技大学电气工程学院石家庄050018 燕山大学电气工程学院秦皇岛066004

为了保证动态无线电能传输(DWPT)系统工作于较高的电能传输效率和传输功率,减小由于系统参数变化导致的传输功率和传输效率的下降。该文提出一种零电压开关角(ZVSA)跟踪和动态电容补偿矩阵(DCCM)相结合的无线电能传输系统频率跟踪控制... 详细信息

为了保证动态无线电能传输(DWPT)系统工作于较高的电能传输效率和传输功率,减小由于系统参数变化导致的传输功率和传输效率的下降。该文提出一种零电压开关角(ZVSA)跟踪和动态电容补偿矩阵(DCCM)相结合的无线电能传输系统频率跟踪控制策略。采用电流传感器来获取谐振电流的相位,并利用处理器产生的参考信号来测量谐振电流的相位。微控制根据频率漂移的程度计算补偿电容的大小,粗略地将自然谐振频率调至85 kHz,然后系统自动跟踪谐振电流相位,对谐振频率精确跟踪。该方法通过直接对相位检测电路输出的直流信号进行采样,轻松地获取高频电流的相位,大大降低了对微控制器的占用。该文提出的控制策略和系统结构结合了模拟电路和数字控制的优点,不仅对系统参数变化有高动态响应,而且极大地节省了处理器资源。

关键词：动态无线电能传输(DWPT) 零电压开关角(ZVSA) 动态电容补偿矩阵(DCCM) 频率跟踪

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