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基于显微拉曼光谱的微塑料定量分析研究

光谱学与光谱分析 2023年第5期43卷 1645-1650页

作者：郑丽娜冯子康韩臻李佳林冯温婷中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

微塑料在环境中分布广泛,具有潜在的健康暴露风险,开发一种准确可靠的监测方法十分必要。研究了两种基于拉曼光谱的微塑料定量分析方法。一是悬浮液中微塑料质量浓度的定量分析,通过拉曼光谱测定加入定量二氧化硅进行标定后的不同浓度... 详细信息

微塑料在环境中分布广泛,具有潜在的健康暴露风险,开发一种准确可靠的监测方法十分必要。研究了两种基于拉曼光谱的微塑料定量分析方法。一是悬浮液中微塑料质量浓度的定量分析,通过拉曼光谱测定加入定量二氧化硅进行标定后的不同浓度微塑料悬浮液特征峰强度,探究微塑料悬浮液特征峰强度与质量浓度之间的关系,结果表明微塑料质量浓度与标定后的特征峰强度具有良好的相关性(R^(2)=0.96),但此方法需要提前收集环境中的微塑料并采用搅拌与超声振荡等方法进行处理以制备测量所需的悬浮液样品,测量前需采用定标物质对悬浮液特征峰强度进行标定,以及在微塑料浓度高时无法完全悬浮所有的微塑料从而导致测量效果不佳等问题均会降低该方法的实用性。二是滤膜表面上微塑料质量的定量分析,通过气溶胶发生器产生微塑料气溶胶,并将其收集在滤膜表面,通过拉曼光谱面扫描模式测定滤膜上微塑料样品的特征峰以确定微塑料样品的存在状态,从而探究沉积在滤膜表面的微塑料气溶胶样品的峰识别频率与微塑料质量之间的相关性,结果表明微塑料气溶胶样品的峰识别频率与质量之间具有较好的相关性(R^(2)=0.95)。传统采样方法使得微塑料样品在滤膜上大面积分布且分布不均匀,以及测量区域占比太小导致较大相对测量误差(2%~6%)的出现。该研究在保持样品表面沉积密度不变的情况下采用气溶胶微浓缩技术采样,缩小样品沉积面积,减少微塑料样品的收集量,提高测量区域占比。结果表明,采用气溶胶微浓缩技术可以有效提高微塑料气溶胶样品的峰识别频率与质量之间的相关性(R^(2)=0.97),相对测量误差也降低至2%~4%。该方法不需要微塑料悬浮液制备与定标等繁琐的操作,可将空气中的微塑料直接收集到滤膜表面进行微塑料的定量分析,减少测量所需的时间,有望应用于环境中微塑料颗粒的实时监测。

关键词：微塑料拉曼光谱定量

原位MOF化聚乳酸纤维膜制备及空气过滤性能

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煤炭学报 2023年第10期48卷 3885-3894页

作者：李欣雨朱桂英王存民朱金佗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

颗粒物(PMs)是主要的空气污染物，对生态环境和人体健康构成严重威胁，特别是PM0.3颗粒小、穿透性强、危害性大。传统空气过滤材料难以有效去除PM0.3，且不可降解，易产生塑料污染和微塑料危害。为此，开发了一种高力学性能、高表面电... 详细信息

颗粒物(PMs)是主要的空气污染物，对生态环境和人体健康构成严重威胁，特别是PM0.3颗粒小、穿透性强、危害性大。传统空气过滤材料难以有效去除PM0.3，且不可降解，易产生塑料污染和微塑料危害。为此，开发了一种高力学性能、高表面电势、高PM0.3过滤效率、低空气阻力且可生物降解的原位MOF化纤维过滤膜。提出了原位MOF化改性聚乳酸纤维膜，同时结合机械极化增强纤维膜表面荷电，提升静电过滤能力。通过调控MOF化时间，探究其与纤维膜综合性能之间关系。采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱仪(EDS)进行微观表征；采用X射线衍射分析仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析晶体结构；采用万能试验机测试力学性能；采用静电测试仪和电介质测试仪检测表面电势和介电常数，探究极化特性；通过自主搭建的过滤测试系统研究纤维膜的过滤性能并探讨其过滤机理。结果表明MOF化聚乳酸纤维膜具有优异力学性能和过滤效率：拉伸强度增幅高达27%(4.4 MPa)，而断裂伸长率最高增加6倍(36.1%)，断裂韧性可提升8倍(1.46 MJ/m3),PM0.3过滤效率最高提升17.1%且不影响滤阻；经极化后，复合纤维膜的表面电势最高近4 kV，过滤效率可再次提升4.3%～7.7%。提出的全降解环境友好型多功能纤维膜在超细颗粒物的过滤中具有广阔应用前景。

关键词：聚乳酸 MOF化极化空气过滤 PM0.3

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煤自燃大分子量气态产物生成规律研究

中国矿业大学学报 2023年第6期52卷 1119-1128页

作者：李增华苗国栋中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

除了常见的煤自燃预报标志气体外,煤在低温氧化过程中会生成许多分子量相对较大的气态产物,这些尚未被人们关注的大分子量气态产物同样携带着能够反映煤自燃进程的关键信息.为了探究煤自燃过程中大分子量气态产物的生成规律,使用气相色... 详细信息

除了常见的煤自燃预报标志气体外,煤在低温氧化过程中会生成许多分子量相对较大的气态产物,这些尚未被人们关注的大分子量气态产物同样携带着能够反映煤自燃进程的关键信息.为了探究煤自燃过程中大分子量气态产物的生成规律,使用气相色谱分析技术对煤低温氧化和热解过程中生成的气态产物进行检测.结果表明:在煤的低温氧化和热解过程中共检测到19种大分子量气态产物,包括16种C_(4)~C_(7)烃类化合物和3种醛酮类化合物,绝大部分大分子量气态产物的体积分数随煤温升高表现出规律性的增长趋势;煤氧化过程中大分子量气态产物的生成量高于热解过程,且仅在煤的氧化过程中检测到了醛酮类气态产物,说明醛酮类气态产物仅来源于煤的氧化反应;煤自燃大分子量气态产物的初始出现温度能有效填补使用常规标志气体时存在的预报空白区间.采用原位红外光谱分析技术分析了煤氧化过程中活性基团的变化规律,发现烃类基团的含量在煤温达到110℃后表现出明显的减少趋势,而含氧官能团的含量在煤氧化前期增长缓慢,当温度达到150℃后其增长速率明显增大.使用灰色关联分析法分析了煤氧化过程中大分子量气态产物与活性基团之间的关联度,结合灰色关联分析结果探讨了不同类型的煤自燃大分子量气态产物的生成机理.

关键词：煤自燃大分子量气态产物标志气体活性基团灰色关联分析

高应力作用下硬岩马蹄形巷(隧)道破坏行为:现象和机理

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2022年第2期32卷 639-656页

作者：吴浩赵国彦马少维中国矿业大学矿业工程学院徐州221116 中南大学资源与安全工程学院长沙410083

首先采用颗粒流程序(PFC)研究含马蹄形孔洞板状岩石模型在双轴压缩下的力学响应;其次,采用改进的复变函数法推导孔洞周边应力分布;最后,对锦屏二级水电站因岩爆引起的隧道破坏实例进行分析和讨论。结果表明,在低侧限应力作用下,孔洞周... 详细信息

首先采用颗粒流程序(PFC)研究含马蹄形孔洞板状岩石模型在双轴压缩下的力学响应;其次,采用改进的复变函数法推导孔洞周边应力分布;最后,对锦屏二级水电站因岩爆引起的隧道破坏实例进行分析和讨论。结果表明,在低侧限应力作用下,孔洞周围共出现4种类型裂纹,即孔洞顶底板的初始拉伸裂纹、侧壁上的剥落裂缝、拐角处的次生拉伸裂纹和对角线上的剪切裂纹。随着侧限应力的增加,拉伸裂纹逐渐消失,而剥落破坏愈发严重。隧道模型的破坏现象与实际引水隧道的非常吻合,且解析获得的应力分布可以阐明裂纹的萌生机理。

关键词：马蹄形隧道破裂行为岩爆应力分布复变方法颗粒流程序

基于高能自由基化学活化的煤孔隙演化规律及增透机制研究

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采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1335-1346页

作者：辛海会卢梁杨永良唐佐吴津峰徐泽怡张鹏程田文江中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

提高煤层渗透率是实现煤层瓦斯高效抽采、防治矿井瓦斯灾害的重要途径。针对瓦斯在煤结构微孔堆积、孔隙渗透率低的问题,提出孔壁反应性消解的煤结构扩孔增容思路,采用活化过硫酸盐生成羟基和过硫酸根等高能自由基活化消解煤有机结构,... 详细信息

提高煤层渗透率是实现煤层瓦斯高效抽采、防治矿井瓦斯灾害的重要途径。针对瓦斯在煤结构微孔堆积、孔隙渗透率低的问题,提出孔壁反应性消解的煤结构扩孔增容思路,采用活化过硫酸盐生成羟基和过硫酸根等高能自由基活化消解煤有机结构,分析了作用煤体的孔隙分布、孔容、比表面积及孔隙分形特征的演变规律,阐明了煤活性官能团及结构特征参数的变化规律,揭示了煤孔壁芳香结构反应性溶蚀的扩孔增容机制。结果表明,羟基和过硫酸根高能自由基活化作用煤体后,煤样的微孔增加主要集中在0.7nm以下的超微孔,且微孔扩孔作用显著,生成了大量的介孔和大孔,含瓦斯高阶烟煤介孔体积增长了50%以上,大孔体积增长了40%以上。随着煤阶增加,扩孔增容率显著提升,无烟煤介孔体积增长达到了578.91%,大孔体积增长达到了331.37%。煤的比表面积增大均在50%以上,同时处置后煤体分形维数D1增大,孔隙粗糙度增大,增加了孔隙宽度和孔隙连通性。煤侧链的甲基亚甲基含量降低,芳香环含量和芳香度显著增大,阐明了煤孔壁中侧链脂肪烃和低聚合度芳香环反应消解的扩孔增容机制。研究结果为活化过硫酸盐在煤层瓦斯增透抽采中的现场应用提供了理论基础。

关键词：煤孔隙分布高能自由基比表面积官能团增透机制

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煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展

煤炭科学技术 2023年第8期51卷 129-139页

作者：张超林蒲静轩宋世豪严吉立陆杰中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋,严重威胁煤矿的安全生产。揭示煤与瓦斯突出两相流运移规律及其主控因素,对于厘清突出发生致灾机理、指导现场防灾避灾具有重要意义。近年来,相关学者... 详细信息

煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象,主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋,严重威胁煤矿的安全生产。揭示煤与瓦斯突出两相流运移规律及其主控因素,对于厘清突出发生致灾机理、指导现场防灾避灾具有重要意义。近年来,相关学者开展了大量的煤与瓦斯突出两相流试验和理论研究,并取得了丰硕的研究成果,本文就两相流模拟试验装置及国内外学者在突出两相流领域取得的研究成果2个方面进行总结与分析。首先,系统回顾了现有的煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置,对比分析了不同试验装置的关键参数及功能优势;在此基础上,深入总结了突出煤粉流的运移速度、运移形态和堆积分布特征,以及突出冲击波的形成原因、传播速度和衰减规律;最后,重点梳理了巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等因素对突出两相流的影响和控制作用。分析认为,现阶段煤与瓦斯突出两相流研究呈现出突出过程可视化、巷道结构复杂化、数据采集多元化、影响因素全面化、研究手段多样化等特点,基本掌握了突出两相流的发生机理及传播致灾规律,但在相似体系(相似准则和相似材料)的建立和完善、两相流与通风系统共存互扰机制、两相流多因素耦合致灾机理、两相流“致灾-防控一体化”研究等方面仍需进一步深入探索。

关键词：煤与瓦斯突出两相流冲击波运移规律流体力学

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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多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

岩土力学 2019年第7期40卷 2673-2685页

作者：马秋峰秦跃平周天白杨小彬中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸... 详细信息

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。

关键词：岩石力学非线性损伤应力-应变关系泊松比弹性模量

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液氮溶浸对不同煤阶含水煤样渗流特性的影响

岩土力学 2022年第11期43卷 3015-3026页

作者：张磊田苗苗曾世攀郭鲁成卢硕唐俊中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

中国包含多种煤阶煤层,由于煤质、地质条件等差异,不同煤层中的水分赋存情况也具有较大差异性。煤阶、饱水度作为影响液氮低温致裂效果的两个重要因素,有必要对其进行深入研究。为此,分别选择褐煤、烟煤与无烟煤3种煤阶煤样,并制备得出... 详细信息

中国包含多种煤阶煤层,由于煤质、地质条件等差异,不同煤层中的水分赋存情况也具有较大差异性。煤阶、饱水度作为影响液氮低温致裂效果的两个重要因素,有必要对其进行深入研究。为此,分别选择褐煤、烟煤与无烟煤3种煤阶煤样,并制备得出饱水度分别为0%、33%与99%的煤样进行液氮溶浸处理,使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙处理前后的演化规律,并对煤样进行氮气渗流试验。试验结果表明:液氮溶浸后褐煤因产生的一条与多条贯穿裂隙发生整体结构上的断裂,烟煤表面有新裂隙产生,原生宏观裂隙有一定的扩展与延伸,无烟煤表面宏观裂隙无明显发育;煤样饱水度越高,液氮的致裂增透效果越显著;液氮溶浸对3种煤阶煤样的致裂增透效果关系为:褐煤>烟煤>无烟煤,在完全干燥状态下,由于热应力不足以破坏颗粒间链接,烟煤与无烟煤的增透效果近似相等;对于褐煤,液氮溶浸处理对完全干燥状态下的煤体即产生有效致裂,渗透率平均增幅高达559.35%,对于烟煤,在饱水度为33%和99%的状态下,液氮溶浸对煤体具有明显致裂效果,渗透率平均增幅分别为330.60%和448.77%,对于无烟煤,在饱水度为99%的状态下液氮溶浸处理才能对煤体产生有效致裂,渗透率平均增幅为185.53%。

关键词：煤阶饱水度液氮溶浸无因次渗透率渗透率增幅