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基于数值稳定型神经网络的Villain-Lai-Das Sarma方程的动力学标度行为研究

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物理学报 2024年第16期73卷 28-35页

作者：宋天舒夏辉中国矿业大学信息与控制工程学院徐州221116 中国矿业大学材料与物理学院徐州221116

Villain-Lai-Das Sarma(VLDS)方程因其能够有效描述分子束外延生长过程而在表面生长动力学等领域中备受关注.然而,长程关联噪声驱动下的VLDS方程的标度结果尚不明确,不同解析近似方法所得的标度结果仍不自洽.在数值模拟方面,由于非线性... 详细信息

Villain-Lai-Das Sarma(VLDS)方程因其能够有效描述分子束外延生长过程而在表面生长动力学等领域中备受关注.然而,长程关联噪声驱动下的VLDS方程的标度结果尚不明确,不同解析近似方法所得的标度结果仍不自洽.在数值模拟方面,由于非线性项的存在,VLDS方程一直存在数值发散的问题.当前主要引入指数衰减技术替换非线性项以缓解数值发散的问题,但是最近研究表明,这种方法会导致所获得的标度指数发生歧变.因此本文基于深度神经网络来表征VLDS方程中的各个确定项,并基于数值稳定型神经网络分别对含长程时间和空间关联噪声的VLDS系统进行有效的数值模拟.结果表明,我们所构建的深度神经网络具有良好的数值计算稳定性和泛化性,可以获得不同关联噪声驱动下的VLDS方程的可靠标度指数.同时,本文还发现长程时间关联噪声驱动的VLDS系统在时间关联指数较大时呈现谷堆状的表面形貌,而空间关联噪声驱动下的表面形貌则仍然呈现自仿射分形结构.

关键词：神经网络分子束外延生长 Villain-Lai-Das Sarma方程动力学标度

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电活性聚乳酸纳纤膜的形态调控及高效捕集PM_(0.3)性能

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高等学校化学学报 2024年第1期45卷 154-163页

作者：黄荣廷朱桂英李欣雨唐道远张勇王斌朱金佗何新建徐欢中国矿业大学安全工程学院徐州221116 中国矿业大学材料与物理学院徐州221116 安徽森泰木塑集团股份有限公司广德242299

通过静电喷雾沸石咪唑框架-8(ZIF-8)分散液对同步电纺聚乳酸(PLA)纳米纤维进行表面功能化,以增强PLA/ZIF-8纳米纤维膜(简称纳纤膜)表面的电荷俘获及储存能力,从而提高静电吸附效果和过滤性能.通过在分散液中添加不同量的ZIF-8来调控锚... 详细信息

通过静电喷雾沸石咪唑框架-8(ZIF-8)分散液对同步电纺聚乳酸(PLA)纳米纤维进行表面功能化,以增强PLA/ZIF-8纳米纤维膜(简称纳纤膜)表面的电荷俘获及储存能力,从而提高静电吸附效果和过滤性能.通过在分散液中添加不同量的ZIF-8来调控锚定于纤维表面的ZIF-8负载量,探究ZIF-8含量与纤维膜形态和性能演变之间关系.采用扫描电子显微镜(SEM)对纤维膜的微观形态进行表征,并结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射谱(XRD)分析了纤维膜的化学性质、界面相互作用和晶体结构的演变机理.采用静电测试仪、电介质测试仪和静电计分别评价表面电势、相对介电常数和输出电压,表征纤维膜的电活性和摩擦电输出性能.通过万能试验机测试聚乳酸纳米纤维膜的力学性能,并使用自主搭建的空气过滤测试平台探究纤维膜高效过滤机理.结果表明,PLA/ZIF-8纳纤膜具有高电活性、高过滤效率、低空气阻力和优异的力学性能:其表面电势和最大开路输出电压分别可达5.9 kV和30.9 V,与纯PLA对比样相比分别提升5.6倍和5.3倍,同时拉伸强度和拉伸韧性增幅分别高达78%和111%.更重要的是,PLA/ZIF-8纳纤膜的PM0.3过滤性能得到大幅提升(增幅可达12.6%),且空气阻力有所降低(40 Pa,65 L/min).所制备的环境友好型PLA/ZIF-8纳纤膜在滤除超细颗粒物和阻断病毒气溶胶传播等领域具有广阔应用前景.

关键词：聚乳酸纳纤膜金属-有机骨架功能化电活性空气过滤

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基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制

物理学报 2024年第3期73卷 225-235页

作者：包西程邢耀文张凡凡张德轲刘秦杉杨海昌桂夏辉中国矿业大学炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室徐州221116 中国矿业大学化工学院徐州221116 中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心徐州221116 郑州大学关键金属河南实验室郑州450000

疏水力作为胶体物理化学及生物大分子体系中重要作用力,具有典型的多尺度作用程特征,其中亚稳态液膜空化气泡桥接诱发长程疏水力和固液界面水分子重排熵效应诱导短程疏水力假说占据着当前学术主流,但仍缺少系统理论研究.为进一步阐明基... 详细信息

疏水力作为胶体物理化学及生物大分子体系中重要作用力,具有典型的多尺度作用程特征,其中亚稳态液膜空化气泡桥接诱发长程疏水力和固液界面水分子重排熵效应诱导短程疏水力假说占据着当前学术主流,但仍缺少系统理论研究.为进一步阐明基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制,借助原子力显微镜(AFM)及分子动力学模拟对全氟辛基三氯硅烷疏水化颗粒与表面间长程疏水力进行了系统研究.AFM力测试结果表明:长程疏水力作用程随接近次数增加而逐渐增大并逐渐趋于稳定,第十次接触时进针曲线跳入黏附距离达到502.01 nm,退针曲线中观察到了预示空化气泡毛细桥断裂的台阶.此外,发现经典毛细力数学模型可以较好地拟合进针曲线,通过计算得到毛细桥体积约为0.30μm^(3),从理论角度直接验证了亚稳态液膜空化气泡毛细桥的存在.进一步借助GROM ACS(GROningen M A chine for Chemical Simulations)大尺度牵引分子动力学模拟从分子尺度探索疏水颗粒分离过程中空化气泡毛细桥产生、演化过程与力学行为的内在关联机制,结果表明:疏水颗粒从基板表面跳出分离瞬间,产生的局部压降吸引氮气分子向液膜内部扩散从而形成空化气泡毛细桥,同时,在毛细桥断裂时刻在计算弹簧势力曲线中观察到了力跳跃行为.最后研究了溶液气体含量对长程疏水力的影响规律,发现气体分子含量和空化气泡毛细桥体积增长速率与毛细桥拉伸断裂长度呈现正相关关系,进一步表明了长程疏水力的气体浓度依赖效应.基于亚稳态液膜空化的长程疏水力作用机制的揭示有助于进一步完善胶体物理化学及生物大分子间相互作用理论体系,同时对调控实际矿物浮选过程具有重要指导意义.

关键词：长程疏水力原子力显微镜空化毛细力分子动力学模拟

矸石磨料射流冲击煤体的破碎行为及其力学特性研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 623-633页

作者：王青祥王通唐佳旭刘应科王凤超高天昊钮月中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学低碳能源与动力工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

创新性提出了矸石磨料射流破煤技术,针对矸石磨料射流冲击破碎煤体动态过程,采用SPH-FEM耦合算法,构建了矸石磨料射流破煤数值模型,研究了破煤过程中应力损伤机制及射流参数对煤体破碎效果的影响规律。研究结果表明:随着射流速度由150 ... 详细信息

创新性提出了矸石磨料射流破煤技术,针对矸石磨料射流冲击破碎煤体动态过程,采用SPH-FEM耦合算法,构建了矸石磨料射流破煤数值模型,研究了破煤过程中应力损伤机制及射流参数对煤体破碎效果的影响规律。研究结果表明:随着射流速度由150 m/s增加到350 m/s,煤体的冲蚀深度和冲蚀纵截面面积近似线性增加,冲蚀宽度先增大后趋于稳定值,冲蚀宽度峰值为5.2 mm;随着射流柱直径的增加,煤体冲蚀宽度和冲蚀纵截面面积不断增大,冲蚀深度缓慢减小;磨料粒径由0.8 mm增加到1.2 mm时,最佳破煤粒径为0.8 mm;当t=2μs时,沿轴向深度和径向宽度方向,所选煤体单元的有效应力依次减小;当t>2μs时,径向上所有煤体单元的有效应力随时间增大而逐渐减小;随着磨料射流不断冲击,轴向煤体单元的有效应力峰值接替出现;沿着径向和轴向,从冲击表面中心到射流远端,损伤失效速率逐渐减小,分别呈瞬时和阶梯形损伤失效特征。研究结果为揭示磨料射流冲蚀破煤行为及其机理提供重要理论支撑。

关键词：矸石磨料射流煤体破碎应力损伤机制 SPH⁃FEM耦合

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定向断裂控制爆破下层理页岩的致裂机理

爆炸与冲击 2024年第6期44卷 1-15页

作者：杨国梁毕京九董智文赵桐德赵建宇赵康朴中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为探究定向断裂控制爆破下层理页岩的爆破致裂机理,采用切缝药包,对四种切缝角度下的页岩立方体试件进行爆破试验,采用数字图像相关技术(DIC)对页岩试件表面应变场的演化过程进行监测,分析了微裂纹孕育至宏观裂纹贯通的内在机理,并基于... 详细信息

为探究定向断裂控制爆破下层理页岩的爆破致裂机理,采用切缝药包,对四种切缝角度下的页岩立方体试件进行爆破试验,采用数字图像相关技术(DIC)对页岩试件表面应变场的演化过程进行监测,分析了微裂纹孕育至宏观裂纹贯通的内在机理,并基于盒维数理论计算了不同切缝角度下页岩试件表面裂纹的分形维数,采用Matlab软件对爆后块度的筛分方法进行了编程分析,开发了全自动的粒径分析程序,实现了粒径圈定的可视化。试验结果表明:试件在不同比例爆距内的裂纹总密度与比例爆距之间存在负相关的幂函数关系,切缝方向与层理弱面的夹角对微观损伤区域出现的位置影响显著,当层理弱面与切缝方向平行时,损伤区域多集中于层理弱面处,对宏观裂纹的扩展路径影响显著,易于形成单一裂纹;层理弱面处的能量泄漏是造成页岩爆破破碎效果较差的重要因素,当切缝方向与层理弱面一致时,试件爆后的大块占比较高,爆后块度的分形维数平均值在各组间最低,仅为0.7843,而当切缝方向与层理面垂直时,试件的爆后块度分布较为均匀,爆后块度的分形维数平均值达到了2.5233,爆破破碎效果相对较好。

关键词：页岩爆破裂隙场数字图像相关技术块度筛分程序分形维数

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高硫无烟煤制备柱状活性炭对Cu^(2+)的吸附规律及影响机制

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洁净煤技术 2024年第1期30卷 124-133页

作者：赵金柯郭子一段晨龙黄冬艳董婷玉王皓雪周恩会中国矿业大学孙越崎学院江苏徐州221116 中国矿业大学化工学院江苏徐州221116 中国矿业大学经济管理学院江苏徐州221116

高硫无烟煤燃烧时会产生大量硫氧化物,破坏大气环境,随着环保要求日益严格,需寻求高硫无烟煤由传统燃料向高端材料发展的途径。由于活性炭制备与应用在特定领域尚无技术指标,造成制备目标模糊,活性炭定向制备问题亟需解决。采用晋城地... 详细信息

高硫无烟煤燃烧时会产生大量硫氧化物,破坏大气环境,随着环保要求日益严格,需寻求高硫无烟煤由传统燃料向高端材料发展的途径。由于活性炭制备与应用在特定领域尚无技术指标,造成制备目标模糊,活性炭定向制备问题亟需解决。采用晋城地区高硫无烟煤,通过物理活化法制备,并采用磷酸浸渍处理,得到了比表面积1066.42 m^(2)/g(AC-1)和1568.79 m^(2)/g(AC-2)的2种活性炭。采用FTIR、XPS、SEM等方法进行表征。结果表明,AC-1的最几可孔径为1.688 nm,AC-2的最几可孔径为0.718 nm,前者具有更发达的介孔结构。以Cu^(2+)为吸附质研究2种活性炭的吸附性能。结果表明,AC-1的吸附性能显著优于AC-2,吸附行为由孔径分布和表面官能团含量2个因素共同决定。最佳吸附条件为pH=4,温度35℃,活性炭投加量0.30 g,吸附时间2 h。动力学研究表明2种活性炭对Cu^(2+)的吸附过程均由化学吸附而不是颗粒内扩散控制。吸附等温线拟合结果表明Langmuir等温模型不适用于AC-2,这可能与其以物理吸附为主导有关。本研究讨论活性炭孔隙分布和表面官能团含量对其吸附性能的影响,为高硫无烟煤定向制备具有良好水相重金属离子去除能力的活性炭提供指导。

关键词：高硫无烟煤煤基活性炭孔隙分布铜离子净化吸附机理

功率超声对废旧锂离子电池资源化回收利用过程的影响研究进展

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化工进展 2024年第1期43卷 514-528页

作者：卜祥宁任玺冰童正倪梦茜倪超谢广元中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学化工学院江苏徐州221116

近些年,随着电动汽车行业的快速发展,电动汽车动力电池常用的锂离子电池废弃物保有量也随之激增。废旧锂离子电池的资源化回收利用不仅可以避免固废堆放导致的环境问题,还可以为新电池的制造提供原材料。功率超声被证明是强化废旧锂离... 详细信息

近些年,随着电动汽车行业的快速发展,电动汽车动力电池常用的锂离子电池废弃物保有量也随之激增。废旧锂离子电池的资源化回收利用不仅可以避免固废堆放导致的环境问题,还可以为新电池的制造提供原材料。功率超声被证明是强化废旧锂离子电池资源化回收利用的一种有效手段,独特的物理和化学效应是产生强化效果的主要机制。本文在介绍超声空化理论的基础上论述了超声波强化废旧锂离子电池资源化回收利用的路径,并综述了超声波辅助技术在废旧锂离子电池金属集流体表面电极材料剥离过程、电极材料资源化回收过程、电极材料修复过程中的应用与研究进展。最后,论述了超声波辅助技术在工业化应用中存在的不足,展望了超声波在废旧锂离子电池资源化回收利用中工业化应用的前景。

关键词：废旧锂离子电池分离回收修复超声波

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煤矿井下智能超表面非视距无线覆盖技术综述

中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 613-622页

作者：李世银杨瑞鑫杨磊沈胜强李飞飞胡青松中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学地下空间智能控制教育部工程中心江苏徐州221116

煤矿井下环境存在大量的弯道、岔道、硐室和大型设备遮挡等非视距(Non-Line of Sight, NLOS)场景,导致煤矿井下无线通信覆盖范围受限且盲点和盲区多.在综采工作面等关键场景,无线通信覆盖能力与传输需求的矛盾更为突出.近年来出现的智... 详细信息

煤矿井下环境存在大量的弯道、岔道、硐室和大型设备遮挡等非视距(Non-Line of Sight, NLOS)场景,导致煤矿井下无线通信覆盖范围受限且盲点和盲区多.在综采工作面等关键场景,无线通信覆盖能力与传输需求的矛盾更为突出.近年来出现的智能超表面(Reconfigurable Intelligence Surface, RIS)技术为解决煤矿井下NLOS场景无线覆盖难题提供了新途径和新思路.本文在介绍了RIS系统结构与特点基础上,讨论了RIS在煤矿井下巷道、硐室和综采工作面等典型NLOS场景的应用优势,以及需要进一步研究解决的信道测量与建模、近场效应、波束成形和部署规划等关键技术问题与基本思路,为解决煤矿智能化开采所需要的可靠通信技术难题指明了新方向.

关键词：智能超表面(RIS) 非视距(NLOS)覆盖被动中继煤矿井下

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煤矿矿井水资源化绿色短流程关键技术与装备

煤炭学报 2024年第2期49卷 958-966页

作者：何绪文王绍州张学伟季晓晴中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083

煤炭是我国重要的工业原料,与我国经济发展关系密切。煤炭开采过程中会产生大量矿井水,是重要的非常规水资源,需妥善处理。然而现有矿井水处理技术普遍存在占地大、流程长、需加药、运行维护复杂和出水水质不稳定等问题,为缩短处理流程... 详细信息

煤炭是我国重要的工业原料,与我国经济发展关系密切。煤炭开采过程中会产生大量矿井水,是重要的非常规水资源,需妥善处理。然而现有矿井水处理技术普遍存在占地大、流程长、需加药、运行维护复杂和出水水质不稳定等问题,为缩短处理流程、提高处理效率和保证出水水质,亟需研发新的关键技术与装备。采用聚瓷膜直滤技术处理矿井水,通过对膜通量、膜比通量、运行压力和循环流量等条件的对比分析,确定最佳运行参数为:运行压力0.2 MPa,循环流量18 m3/h,处理过程无需加药,出水悬浮物质量浓度稳定表面污染和膜孔的堵塞。通过水力反洗及时清除膜表面污染,最佳反洗时间为60 s,通量恢复率为85.12%;通过定时化学清洗清除膜孔污堵,用复配制剂清洗3 h,通量恢复率可达95%以上。工程案例表明,聚瓷膜直滤可直接取代“混凝沉淀-过滤-超滤”(一代三),且已连续稳定运行2 a,满足设计产水量要求,系统回收率均在90%以上,处理后水质达到GB 3838—2002地表水环境质量III类24种标准限值要求,且自动化程度高,可无人值守,实现了矿井水资源化利用绿色短流程、节能高效和智能化新要求,可为该技术大规模推广应用提供技术参考。

关键词：煤矿矿井水聚瓷膜直滤膜污染资源化