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立构复合化聚乳酸纳纤膜的制备及高效滤除PM2.5性能

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高等学校化学学报 2024年第2期45卷 9-16页

作者：宋欣译唐梦珂王存民朱金佗黄胜徐欢何新建中国矿业大学安全工程学院中国矿业大学材料与物理学院

聚乳酸(PLA)纳米纤维在环境友好型纤维过滤材料领域有良好的应用前景,但受制于其本征螺旋分子链构象和低介电常数的不足,导致其驻极性能差、过滤性能(过滤效率及压降)易衰减以及有效服役周期短.本文将高旋光性的聚L-乳酸(PLLA)和聚D-乳... 详细信息

聚乳酸(PLA)纳米纤维在环境友好型纤维过滤材料领域有良好的应用前景,但受制于其本征螺旋分子链构象和低介电常数的不足,导致其驻极性能差、过滤性能(过滤效率及压降)易衰减以及有效服役周期短.本文将高旋光性的聚L-乳酸(PLLA)和聚D-乳酸(PDLA)溶液共混,并通过静电纺丝过程的高压静电场诱导C=O基团加速取向极化,形成高电活性的立构复合晶体(SCs),显著提高聚乳酸纳纤膜的表面电位、介电常数及驻极效果等电活性特征,增大纤维表面静电斥力,促进PLA纳纤膜(PLA NFMs)的纤维细化,从而使其压降大幅降低(85 L/min, 209.2 Pa),过滤PM2.5效率显著提高至96.32%(纯PLLA对比样为72.44%).更重要的是,立构复合化PLA纳纤膜(SC-PLA NFMs)的过滤性能受气体流量变化影响较小(10～85 L/min),当气流增大时,过滤效率的衰减远远低于纯PLLA,在高气流下的稳定性使其能更好地满足在空气过滤领域的实际应用需求.此外,提高PLA纳纤膜电活性可显著增强摩擦生电输出性能和呼吸振动激发电信号,为基于人体呼吸的生理特征监测奠定理论基础.本文研究结果为扩大PLA材料在高性能呼吸防护领域和智能健康监测领域的应用提供了新颖的结构设计策略和可借鉴的解决方案.

关键词：聚乳酸立构复合化电活性组分驻极性能空气过滤

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三维动静加载下煤的本构模型及卸荷破坏特征

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 61-72页

作者：解北京栾铮李晓旭张景顺于瑞星丁浩中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,... 详细信息

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响;其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性;然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性;最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R~2≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏;非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

关键词：动静组合卸荷破坏本构模型分离式霍普金森压杆响应曲面法交互作用

超低阻呼吸防护用聚乳酸纳米纤维膜制备及长效过滤性能

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煤炭学报 2024年第4期49卷 1952-1963页

作者：朱金佗梁琛裕朱桂英王存民徐欢王亮中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学材料与物理学院江苏徐州221116

长期暴露于大气环境中高浓度的细颗粒物(PM_(2.5))会对人类的长期健康效应产生消极影响,传统空气过滤材料难以兼顾高效、低阻的防护效果,且不可降解,不仅加剧全球塑料污染,还易产生更强的微塑料危害。为此,制备了一种具有空气滑移效应... 详细信息

长期暴露于大气环境中高浓度的细颗粒物(PM_(2.5))会对人类的长期健康效应产生消极影响,传统空气过滤材料难以兼顾高效、低阻的防护效果,且不可降解,不仅加剧全球塑料污染,还易产生更强的微塑料危害。为此,制备了一种具有空气滑移效应、自供能且可生物降解的纳米纤维膜,以保障长效、低阻呼吸防护。提出两步水热法制备平均粒径49.6 nm、易分散的BaTiO_(3)电介质,同时利用“静电纺丝-静电喷雾”法将BTO纳米颗粒(BTO NPs)原位嵌入PLA纤维膜,利用BTO NPs的摩擦电效应和尺寸效应同步调控纤维膜的过滤效率和空气阻力。通过控制喷雾悬浮液中BTO NPs的浓度,探讨其与PLA/BTO纤维膜电活性、过滤性能和力学性能之间的关系。微观表征和性能测试结果表明:PLA/BTO纤维膜具有优异的电活性、过滤性能及力学性能。PLA/BTO纤维膜表面电势可高达5.9 kV,介电常数达1.20 F/m,平均输出电压高达12.4 V;得益于增强的空气分子滑移效应和电活性,PLA/BTO10纤维膜在显著降低空气阻力(低至20 Pa)的同时,对PM_(0.3)过滤效率提升了7.78%~9.05%,对PM_(2.5)过滤效率提升了2.90%~13.19%,即使在85 L/min高测试流量下仍能保证高达97.25%的PM_(2.5)过滤效率;同时,PLA/BTO纤维膜拉伸强度增幅高达60%(拉伸强度22.5 MPa),断裂伸长率增幅高达68%(断裂伸长率25%),而断裂韧性最高可提升1.3倍(断裂韧性3.6 MJ/m^(3))。因此,提出的兼具长效、低阻过滤且可降解纤维膜在呼吸防护领域具有广阔的应用前景,也为缓解废弃口罩加剧的塑料污染现状提供了一种新思路。

关键词：可降解自供能电活性过滤性能空气阻力

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基于通道性能度量的神经网络结构搜索算法

控制与决策 2024年第7期39卷 2151-2160页

作者：潘杰郑学驰邹筱瑜中国矿业大学信息与控制工程学院中国矿业大学机电工程学院

卷积神经网络的表征与预测能力往往依赖结构合理性,但其主流结构均由人工设计,存在设计难度高、算力要求强、时间开销大等问题.如何让神经网络自主搜索合理结构并节约计算资源是当前的研究重点.目前,基于部分通道连接的可微分结构搜索算... 详细信息

卷积神经网络的表征与预测能力往往依赖结构合理性,但其主流结构均由人工设计,存在设计难度高、算力要求强、时间开销大等问题.如何让神经网络自主搜索合理结构并节约计算资源是当前的研究重点.目前,基于部分通道连接的可微分结构搜索算法,以其高效的显存利用率在搜索速度和分类性能上表现良好.然而,其针对通道的随机采样策略易造成重要信息丢失,当通道连接不足时性能明显下降.为此,提出一种基于通道性能度量的神经网络结构搜索算法,利用注意力机制提取通道重要性系数,并以此对通道进行排序采样.此外,考虑到预热阶段导致搜索不充分,产生较大离散化误差,在结构权重连续化的过程中设计温度正则化系数,提升权重差异.实验表明,所提算法能够在节约计算资源的基础上搜索出更优的卷积神经网络结构.

关键词：卷积神经网络可微分结构搜索通道注意力通道排序离散化误差温度正则化系数

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颗粒煤基质尺度计算新方法及应用

煤炭科学技术 2024年第2期52卷 115-125页

作者：王亮李子威郑思文安丰华赵伟吴淞玮中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤与瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

煤基质内部富含复杂孔隙,为瓦斯提供了大量的存储空间和运移通道。孔隙内的瓦斯流进裂隙需要经过扩散过程,基质尺度在一定程度上决定了扩散到裂隙的阻力,影响着瓦斯扩散的难易程度。研究以瓦斯扩散与煤基质尺度内在联系为出发点,通过处... 详细信息

煤基质内部富含复杂孔隙,为瓦斯提供了大量的存储空间和运移通道。孔隙内的瓦斯流进裂隙需要经过扩散过程,基质尺度在一定程度上决定了扩散到裂隙的阻力,影响着瓦斯扩散的难易程度。研究以瓦斯扩散与煤基质尺度内在联系为出发点,通过处理颗粒煤解吸瞬态过程数据得到不同解吸时刻煤的双重孔隙结构内的瓦斯浓度与质量交换速率的定量关系,结合时变扩散系数对基质形状因子进行计算,提出了基于瞬态扩散的颗粒煤基质尺度计算方法,并进行了试验验证。结果表明:与较小颗粒煤相比,保存完整基质形态的大颗粒煤初始扩散系数基本不变,因此初始扩散系数的值在一定程度上可以表征基质的破坏程度。基质形状因子随解吸时间的延长而减小,可划分为急降阶段、缓降阶段和稳定阶段,其中稳定阶段基质形状因子能够准确反映扩散后期拟稳态下的基质形态,最适合求解基质尺度。该方法可以反映颗粒煤粉化损伤过程中的基质尺度变化规律,为解释扩散极限粒径的存在提供依据。糯东煤样的3种试验粒径基质尺度随煤颗粒的增大而增大,分别为0.059、0.287、0.457 mm,并且在大粒径范围具有无差性,证明了该方法的准确性。颗粒煤基质尺度可以用来修正K1值的计算参数,使瓦斯损失量计算模型在粉化程度高的煤样中同样具有很好的适用性。

关键词：基质尺度瓦斯扩散瞬态扩散扩散模型颗粒法

基于CT扫描技术的煤试件力学特性及裂隙扩展规律研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 611-622页

作者：弓昊李地元李铮胡皓宇中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

我国中东部矿区相继进入深部开采阶段,随着构造应力的增大与开采扰动效应的增强,工作面煤体内部裂隙发育程度逐渐升高,导致煤壁失稳现象频发。为研究煤体在高地应力环境下的力学特性及裂纹扩展规律,基于CT扫描技术实现煤试件内部各组分... 详细信息

我国中东部矿区相继进入深部开采阶段,随着构造应力的增大与开采扰动效应的增强,工作面煤体内部裂隙发育程度逐渐升高,导致煤壁失稳现象频发。为研究煤体在高地应力环境下的力学特性及裂纹扩展规律,基于CT扫描技术实现煤试件内部各组分的精准识别,建立煤试件三维重构模型和精细化数值模型,并结合单轴压缩试验研究煤试件内部各组分空间分布特征对试件变形参数、峰值强度和裂隙扩展路径的影响。结果表明:原生裂隙倾角越大,试件初始模量值Ei降低,试件容易发生纵向劈裂破坏;原生裂隙倾角越小,试件峰值强度σ_(c)降低,试件容易发生拉剪混合破坏;高密度杂质体积占比越大,煤试件弹性模量值E_(t)增大,试件所呈现的脆性特征越强;原生裂隙体积占比越大,试件应变硬化特征明显,且试件压缩破坏后的裂隙体积占比与复杂程度也明显增大。煤试件裂隙的扩展路径主要沿着原生裂隙横向扩张和纵向延伸,由于裂隙的快速扩展,常常伴随着分叉裂隙的产生,且原生裂隙的倾向分布越复杂,产生分叉裂隙的数目就越多;当原生裂隙未经过高密度杂质时,裂隙扩展路径往往会绕过其位置扩展;当原生裂隙经过高密度杂质时,裂隙的扩展路径会贯通其位置扩展。数值模拟结果与室内试验结果吻合程度较高,数值模型微裂隙的扩展模式与CT扫描所得的裂隙扩展路径一致,验证了精细化数值模型的可靠性。

关键词： CT扫描三维重构力学特性裂隙扩展精细化数值模型

粉煤灰添加对城市多源有机废弃物联合堆肥效能及堆体细菌群落的影响

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环境科学 2024年第6期45卷 3638-3648页

作者：邹嘉成杜闫彬苏凯文于彩虹刘迎超王晨晨徐德卓中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

为实现粉煤灰和多源有机废弃物的高效资源化利用,采用好氧堆肥的方法,以厨余垃圾、鸡粪和锯末(15∶5∶2)混合原料为底物,添加底物总湿重的5%和10%的粉煤灰作为处理组(5%FA和10%FA),并以不添加粉煤灰作为对照处理(CK),通过测定联合堆肥... 详细信息

为实现粉煤灰和多源有机废弃物的高效资源化利用,采用好氧堆肥的方法,以厨余垃圾、鸡粪和锯末(15∶5∶2)混合原料为底物,添加底物总湿重的5%和10%的粉煤灰作为处理组(5%FA和10%FA),并以不添加粉煤灰作为对照处理(CK),通过测定联合堆肥过程中理化性质、养分元素和细菌群落结构的变化,探究不同粉煤灰添加量对联合堆肥的促进效果.结果表明,添加5%和10%粉煤灰可以显著提高联合堆肥的最高温度(56.6℃和56.9℃)并延长高温期持续时间(9 d),相较于对照处理,堆体总养分含量分别提高了4.09%和13.55%.在整个堆肥过程中,细菌群落结构发生了较大变化,各处理的细菌多样性均出现了明显的提高.在堆肥前期,变形菌门(Proteobacteria)是主要的优势门类,相对丰度在35.26%~39.40%之间.进入堆肥高温期,添加5%和10%粉煤灰处理中厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度达到最高值,分别为52.46%和67.72%.芽孢杆菌属(Bacillus)和放线菌属(Thermobifida)是5%和10%粉煤灰添加量处理高温期的优势菌属,相对丰度分别为33.41%和62.89%(芽孢杆菌属)、33.06%和12.23%(放线菌属).冗余分析(RDA)结果表明不同理化指标对细菌群落均有不同程度影响,其中有效磷、速效钾、有机质以及pH是影响细菌群落结构的主要环境因子.综上,添加粉煤灰促进了城市多源有机废弃物联合好氧堆肥的无害化和腐熟化,优化了微生物群落结构,提高堆肥产品的质量和效率.

关键词：粉煤灰多源有机废弃物联合堆肥环境因子细菌群落结构

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粉尘粒径分布检测技术现状与应用进展

安全与环境学报 2024年

作者：郑丽娜范钰雪刘豆任碧琳韩默楠胡缤文吴睿洁张清扬中国矿业大学安全工程学院

粉尘粒径分布的精确监测对于矿工健康及矿井安全至关重要，在预防职业性疾病和避免安全事故上发挥着关键作用。系统评述了现有的粉尘粒径分布检测方法，包括显微观察法、空气动力学法、电迁移率法及光学测量法，并对比了它们在粉尘监测... 详细信息

粉尘粒径分布的精确监测对于矿工健康及矿井安全至关重要，在预防职业性疾病和避免安全事故上发挥着关键作用。系统评述了现有的粉尘粒径分布检测方法，包括显微观察法、空气动力学法、电迁移率法及光学测量法，并对比了它们在粉尘监测中的优势与局限。显微观察法提供颗粒的形态学特征，空气动力学法和电迁移率法基于颗粒的物理行为进行分类，光学测量法依靠散射光的特性进行实时监测。尽管各方法在操作便利性、测量范围和精度等方面各有千秋，但在实际应用中的选择需考虑到具体监测场景的需求。展望未来，预计粉尘粒径分布监测技术将向着高分辨率、宽测量范围及智能化分析方向发展，更好地保护矿工健康和提升矿井安全。

关键词：安全卫生工程技术粉尘粒度分布矿井安全检测技术粉尘防治

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低碳化现代煤基能源技术体系及开发战略

煤炭学报 2024年第1期49卷 203-223页

作者：葛世荣樊静丽刘淑琴宋梅鲜玉娇王兵滕腾中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)管理工程学院北京100083

煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重... 详细信息

煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重大难题。面向生态文明社会发展,煤炭清洁高效利用迫在眉睫,现代煤基能源技术创新势在必行。首次提出现代煤基能源技术体系定义及内涵,将其定义为基于煤炭原料的创新转化而生产具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电等能源产品,并在矿区原位消纳二氧化碳,形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统,其技术内涵包括煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和,共有5个技术模块、19个技术单元和61项关键技术。现代煤基能源技术体系在未来新型能源体系中将发挥“一主体三支撑一突破”的重要作用,即煤基电在我国电力保障中的“以煤稳电”主体作用,煤制油在我国油品安全的“以煤增油”支撑作用,煤基气对我国燃气安全的“以煤补气”支撑作用,煤基氢气对我国氢能发展的“以煤助氢”支撑作用,实现煤基能源动态碳中和技术的“以煤固碳”重大突破。当非化石能源与低碳化煤基能源之比保持在2.5~3.0,煤基能源及油气能源与风光水核能源可实现合理融合,组成具有强互补性、高可靠性、低碳排放的新质能源系统。研究预测,基于现代煤基能源技术实现重大突破和实际应用,2060年我国低碳化煤基能源产量可达10.2亿~14.6亿t标准煤,相当于全国能源需求量的18%~24%,二氧化碳排放量控制在5亿t以下,与目前基于“去煤化”的能源转型规划路径相比,煤炭在我国能源体系中的占比从10%提高到20%以上,二氧化碳排放量降低了50%。届时,现代煤基能源体系对我国能源安全保供和二氧化碳减排具有重大技术创新意义,助力我国走向能源自主独立强国。

关键词：现代煤基能源煤炭清洁高效利用矿区动态碳中和能源安全二氧化碳减排