复合材料的研究与进展

第一篇：复合材料的研究与进展

复合材料的研究与进展

摘要：所谓复合材料，指的是由两种或两种以上的材料经过复合而制备的多相材料，是一种混合物。复合材料可以由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等复合而成，各种材料的性能之间相互补充或增强，取长补短，产生协同效应，从而使复合材料的整体性能优于原组成材料。复合材料具有许多优点，如：质量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀性好等。被广泛应用于航空航天，汽车工业，化工纺织和医疗等领域。关键词：复合材料碳纤维复合材料

一.复合材料的发展历史

早在五千年年以前，在中东地区就有用芦苇混合沥青来造船的技术了，在古埃及，修建金字塔时用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。而在古代中国，复合材料的应用则更为瑰丽广泛，如：从西安东郊半坡村仰韶文化遗址，发现早在公元前2000年以前，古代人已经用草茎增强土坯作住房墙体材料；中国沿用至今的漆器是用漆作基体，麻绒或丝绢织物作增强体的复合材料；1957年江苏吴江梅堰遗址出土有油漆彩绘陶器，1978年浙江余姚河姆渡遗址出土的朱漆木碗，就是两件最早的漆器实物；汉墓出土的漆器鼎壶、盆具和茶几等，用漆作胶粘剂，丝麻作增强体。在湖北随县出土的2000多年前曾侯乙墓葬中，发现有用于车战的长达3米多的戈戟，用木芯外包纵向竹丝，以漆作胶粘剂，丝线环向缠绕，其设计思想与近代复合材料相仿；1000多年以前，中国已用木料和牛角制弓，可在战车上放射；至元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面贴单向纤维，受压面粘牛角片，丝线缠绕，漆作胶粘，弓轻巧有力，是古代复合材料中制造水平高超的夹层结构；在金属基复合材料方面，如越王剑，是金属包层复合材料制品，不仅光亮锋利，而且韧性和耐蚀性优异，埋藏在潮湿环境中几千年，出土后依然寒光夺目，锋利无比。【1】 到了近现代，随着高技术发展的需要，在复合材料的基础上又发展出性能高的先进复合材料。例如在第一次世界大战前，用胶粘剂将云母片热压制成人造云母板，在20世纪初市场上有虫胶漆片与纸复合制成的层压板出售，但真正的纤维增强塑料工业，是在用合成树脂代替天然树脂、用人造纤维代替天然纤维以后才发展起来的。第一次世界大战期间，德国人拖动脚踏车轮拉拔玻璃纤维丝。20世纪30年代，美国发明用铂柑涡生产连续玻璃纤维的技术，从此在世界范围内领域开始取代金属材料。【2】

到了现代，随着航空航天工业汽车工业对于具有质量轻，强度高，耐腐蚀等优越性能的材料的需求，发展了比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好的先进复合材料。二．复合材料对于国民经济发展、工业技术变革的作用

复合材料的主要应用领域有：航空航天领域、汽车工业、化工纺织领域还有医学领域。1.航空航天领域

运用于航天航空领域的复合材料具有热稳定性好，比强度、比刚度高的特性，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的verton复合材料壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。【3】由于复合材料的出现，可以有效降低航天航空业的研究发展成本，而由于先进复合材料本身的优越性能，也使得航天飞机飞行器等的性能有了极大改善。例如高性能碳(石墨)纤维复合材料在导弹、运载火箭和卫星飞行器上就发挥着不可替代的作用，它的应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料。在美国75%的碳纤维复合材料应用于航天航空领域。【4】在二十一世纪人们对于地球的探索已臻完善，下一步是对太空的探索，一个国家只有掌握了更高的航空航天技术，能研制出性能更优越的航空器才能在对太空的探索中占得先机。而复合材料五一是一个很好的发展方向。2.汽车工业

从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，可降解复合材料由于具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，而受到汽车工业的青睐。复合材料可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。同时复合材料在汽车中的应用仍有极大的发展空间，例如：为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板【5】；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。就我国来看，汽车工业是我国经济的一个重要组成部分，在汽车工业方面，复合材料应用前景广阔，产生的利润高，生产成本较低，可以很好的推动我国汽车工业的发展，从而促进我国的经济，使我国更好更快地发展。

化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。

在医学领域，复合材料已用于制造人工心脏、人工肺及人工血管等，用人造复合材料器官挽救生命的设想将成为现实，而复合材料牙齿，复合材料骨骼及用于创伤外科的复合材料呼吸器、支架、假肢、人工肌肉、人工皮肤等均有成功事例。【6】由于碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等，碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，在生物医疗器材方面也有着光明的应用前景。

此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。正因为复合材料能在如此之多的产业中得到运用，所以复合材料的发展前景是美好的，所含有的经济意义也是不可忽视的，复合材料不再是单一的运用各种材料，而是有机的将各种材料结合起来，扬其所长避其所短，这种协同作用在现代的材料研究中也是非常有利的。同时正因为复合材料的巨大潜力，必将推动我国的国民经济发展和引领一个材料风潮。三.复合材料的发展前景

21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。

由材料、结构和电子互相融合而构成的智能材料与结构，是当今材料与结构高新技术发展的方向。随着智能材料与结构的发展还将出现一批新的学科与技术。包括： 综合材料学、精细工艺学、材料仿生学、生物工艺学、分子电子学、自适应力学以及神经元网络和人工智能学等。智能材料与结构已被许多国家确认为必须重点发展的一门新技术，成为21 世纪复合材料一个重要发展方向。参考文献： 【1】：复合材料发展史潘福森济南大学 【2】：复合材料发展史佚名豆丁网 【3】：掺杂改性C /C复合材料研究进坛崔红习联生刘勇琼张强孟祥西安航天复合材料研究所 【4】：碳纤维复合材料的应用及国外的最新进展任杰西安科技大学 【5】：先进复合材料在航空航天中的应用及发展胡军 【6】：复合材料的发展概述李旭飞江苏大学

第二篇：稠油污水处理进展与研究

稠油污水处理进展与研究

李柳逸

（长江大学，湖北省，430100）

摘要

辽河油田采用蒸汽吞吐的方式开采稠油，这些数量巨大的稠油污水的合理处置是摆在油公司面前的一个非常严峻的经济和技术难题，已直接影响和制约了油田的可持续发展。显

然解决油田蒸汽锅炉供水和稠油污水处理双重矛盾的最直接方法就是将稠油污水经过适当处理后回用于高压蒸汽锅炉。一方面可将稠油污水进行深度处理，不污染周围环境，另一方面又可为锅炉提供水温较高的补给水，变废为宝，具有较大的经济效益。

关键词： 稠油 污水 蒸汽锅炉

Abstract Liao he oil field discovered a humming in mining thick steam in the way,.These huge amounts of a proper sewage disposal of oil and oil companies are in a very serious economic and technical difficulties, has direct impact andrestrain the field of sustainable development.Clearly resolve the thick steam the water and oil with the most direct way to double the contradictions are thick with proper waste treatment oil back to note the boiler.On substance can be dealt with in depth the sewage and does not pollute the environment around, and to provide water for the higher the supply of water, make waste profitable, has significant efficiency.Keywords：thickened oil waste water steam generator 前言

在油气田勘探开发过程中，随着原油和天然气的采出，通常会产生大量的含油污水。这部分污水被称为油气田污水、油气田含油污水或油气田采出水。根据油品性质的不同，油田污水又可分为稠油污水、稀油污水和高凝油污水等[1-3]。由于各油气田所处的油藏地质、开采工艺和开采年限等不同，因此不同的油气田污水，其水质水量迥异。即使是同一油藏区块，随着开采时间的变化，其水质水量也在不断发生变化。通常原油含水率由开采初期的 5%~10%逐步上升到中后期的 80%~90%。油井开采年限越长，原油含水率就越高，原油脱出水水量就越大，水质就越差，因而处理难度也就越大。在所有油气田污水处理中，稠油污水因其水质成分复杂、油水密度差小、乳化严重、处理难度最大。

目前国内外对稠油污水合理处置的方法有三种： ① 回注 代替清水资源直接回注地层或配制聚合物后回注地层[4]； ②

回用 处理后作为热采锅炉的给水；

③

外排 处理后达到国家污水排放标准，直接排放。

1稠油污水的基本特征

1.1 稠油的基本概念以及来源

“稠油”是指在油层温度下脱气原油粘度大于 100mPa·S，相对密度大于 0.92 的 原油，国外称之为“重油”。稠油与其他原油的主要区别在于它的粘度高、流动性能差。在稠油的开采过程中，通常会产生大量的采出液，它是原油、砂和水的混合液。采 出液中水与油的比例变化很大，取决于很多因素，包括油藏地质、油井年限以及油井和 蒸汽之间的关系。然而在大多数情况下，采出液中水的体积是油的 2~20 倍，通常为 4 倍左右。从开采的含水稠油中分离出的含油污水常称为稠油污水，或稠油采出水。稠油开采及处理的典型工艺见图 1-1。

图1-1 处理工艺图

1.2 稠油污水的毒性以及组成

稠油污水水质较复杂，不仅被原油所污染，而且在高温高压的油层中还溶解了地层 中的各种盐类和气体；在采油过程中，从油层里携带了许多悬浮固体；在油气集输过程 中还掺进了各类化学药剂；稠油污水中还含有大量的溶解性有机物。总之稠油污水是一 种水质比较复杂的污水。世界上许多地区，稠油污水都是经过一定的处理后回用于热采 锅炉或回注地层。而在海上平台或其他地方，稠油污水一般是经过一定的处理直接排海 或排到周围环境，这些数量巨大的污染物将严重污染周围环境。任由稠油污水直接外排 是由于人们对稠油污水的组成及其对环境的副作用缺乏了解和认识[5]。稠油污水处理工艺技术研究

2.1稠油污水回用于热采锅炉的工艺流程简介

稠油蒸汽开采起始于 50 年代后期，目前已成为稠油开采的主要方法。稠油热采所需蒸汽通常由蒸汽发生器产生提供，这些蒸汽发生器为平行加热炉，炉管为单向流布置，只能产生干度为70-80%的蒸汽，这些蒸汽以及液相中残留的 20-30%的水全部注入到油层，不产生浓缩液，因此需要大量的补给水[6]。由于环境保护方面的原因，地下清水被限制使用。显然解决油田蒸汽驱锅炉供水和稠油污水的处理双重矛盾的最直接的方法就是将稠油污水经过适当的处理后回用于高压蒸汽锅炉。一方面可将稠油污水进行深度处理，不污染周围环境，另一方面又可为锅炉提供水温较高的补给水，变废为宝，具有较大的经济效益。然而绝大多数的油田蒸汽发生器需要的是不含油、零硬度、低二氧化硅和低盐度的补给水。但是许多稠油污水都是高含油量、高硬度、高二氧化硅和高含盐，稠油污水和锅炉补给水的典型水质的对比见表 1-1。

表 1-1 油田蒸汽发生器水质要求和稠油污水典型水质的对比

参数

蒸汽发生器补给水

稠油污水典型水质 油 悬浮物 硬度 二氧化硅 TDS 总铁 溶解氧 1 0.5 50 7 000~8 000

0.05 0.01~0.04

200-2 000 60-1 500 100-1 500 30-300 3 000-30 000 0.1-2.0 —

锅炉给水必须不含 Ca2+、Mg2+等离子，以防炉管或油层结垢。稠油污水的软化工艺 不仅难以管理而且非常昂贵，当稠油污水的总硬度大于 200mg/L 时，就不能单独采用离 子交换树脂，而应采用石灰软化与离子交换相结合的软化工艺。石灰软化可将硬度降至 30mg/L 左右，离子交换可降至 0。当稠油污水中的 TDS 大于 3000mg/L 时，就需要采用 酸碱联合再生的弱酸离子交换树脂，而不能采用价格便宜的盐再生的强酸钠离子交换树 脂[7]。该工艺需要酸碱化学药剂储罐、进料系统和昂贵的再生液处理系统。

2.2 稠油污水回用于热采锅炉的工艺过程

稠油污水回用热采锅炉的前段处理工艺与回注处理基本相同，都是采用物化法等成熟处

[8]理工艺，主要去除油及悬浮物。后续深度处理主要着眼于污水的软化。与常规清水软化相比，油田污水的软化具有更大的技术难度。

稠油污水处理后回用于热采锅炉的工艺流程其实可以归纳为三段分步处理，图 1-2 为稠油污水回用于注汽锅炉的典型处理工艺图，这个工艺流程包括油和悬浮物的去除、硬度和二氧化硅的去除以及硬度的最终去除。如图 1-2 所示，油的去除通常是采用撇油罐、IGF 和颗粒填料过滤等处理单元相结合。硬度的去除通常采用石灰软化和离子交换相结合的方法或单独采用离子交换，这主要取决于处理水中的硬度。如果二氧化硅浓度超标，那么就要采用热石灰软化或者温石灰软化去除二氧化硅。

[9-11]

图1-2稠油污水处理的典型工艺流程

稠油污水深度处理后回用，其水质应满足热采锅炉给水水质标准，中国石油天然气总公司在稠油集输及蒸汽系统设计规范（SY 0027—94）中规定了热采锅 炉给水的各项水质指标，详见表1-2。

表1-2 热采锅炉给水水质指标

项 目 含油(mg/L)悬浮物(mg/L)总硬度(mg/L)总碱度(mg/L)二氧化硅(mg/L)可溶性固体(mg/L)总铁(mg/L)pH 溶解氧(mg/L)

标 准 ≤2.0 ≤2.0 ≤0.1 ≤2000 ≤50 ≤7000 ≤0.05 7.5 ~ 11 ≤0.05

备 注 不计溶解油

以CaCO3计 以CaCO3计

2.3 稠油污水水质特性对处理工艺的影响

针对稠油污水黏度大、油水密度差小、乳化严重、水温高、水质水量变化大、处理 难度大的特点，认为高效净水药剂的研制和开发是稠油污水深度处理的基础和关键[12-14]。强 化前段除油效果，减轻后段过滤系统的压力，使整个工艺技术合理、紧凑和高效；同时 必须充分考虑污水的均质均量，避免来水对整个工艺流程造成冲击。基于稠油污水的 多变性和复杂性，本研究提出稠油污水处理应充分考虑和研究的几个方面：

（1）强化调节池的功能。由于稠油污水油水密度差小以及水质水量变化较大的原 因，因此强化调节池的功能显得非常重要，可以在调节池中布置曝气装置，对稠油污水 进行预曝气，这将有利于提高油水密度差，有利于浮油的去除，有利于水质的稳定，有 利于去除稠油污水中挥发性的有机物。

（2）加强高效净水药剂的研制和开发。由于稠油污水乳化严重，为使油、水分离，破乳是先决条件。因此高效净水药剂的研制和开发是稠油污水深度处理的基础和关键，为使高效净水药剂发挥其高效的破乳功能，应通过实验来确定最佳投药量、加药点、搅 拌方式以及反应时间等。

（3）选择适合稠油污水处理的装置。为强化稠油污水处理效果，工艺流程中必须

采用高效的油水分离设备，如斜板隔油和溶气气浮等设备。但它们也必须在投加高效的 净水药剂以及保持良好的水力条件下方能发挥预期的作用。

（4）稠油污水处理流程与原油脱水工艺应统筹考虑。原油脱水的水质对稠油污水 处理效果的影响很大。原油脱水用的破乳剂与污水处理所采用的药剂应有良好的配伍 性。另外应保证脱水中油含量的稳定性。

（5）稠油污水处理工艺流程应紧凑、合理、高效以及耐冲击。由于稠油污水水质 水量变化较大，因此高效、紧凑、合理以及耐冲击的工艺流程就显得极为重要。

参考文献：

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第三篇：物理化学的研究与进展

《物理化学的研究与进展》结课总结

姓名：关怀 学号：12013017

摘要：

作为一门simina课程，《物理化学的研究与进展》的课堂形式以展示交流为主，小组成员之间分工合作，就某一物理化学研究前沿领域进行信息收集，整理和展示。我们小组先后对锂离子电池、传感器的原理与应用、相变化的原理与应用、先进材料等方面进行探究。以互联网资源为主，查阅相关领域的理论研究发展轨迹及相应的应用，并以小组为单位将探究成果用ppt的形式展现。在这个过程中，每个人的搜索信息整理信息的能力以及成员之间的交流合作都得到了明显的提升。

关键词：物理化学的进展、锂离子电池、传感器、相平衡、先进材料

正文

一、物理化学的研究与进展

物理化学是以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系中特殊规律的学科。随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗透，物理化学与物理学、无机化学、有机化学之间存在着越来越多的互相重叠的新领域，从而不断地派生出许多新的分支学科，如物理有机化学、生物物理化学、化学物理学等。物理化学还与许多非化学的学科有着密切的联系，如冶金过程物理化学、海洋物理化学。

一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面：

1.化学体系的宏观平衡性质 以热力学的三个基本定律为基础，研究宏观化学体系（含有分子数目量级在10左右的体系）在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡态物理化学性质及其规律性。由于以平衡态为前提，时间不再是变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学、化学统计力学、溶液化学、胶体化学和表面化学。

2.化学体系的微观结构和性质 以量子力学为理论基础，研究分子、分子簇和晶体的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性之间的关系与规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学、晶体化学和量子化学。

3.化学体系的动态性质 研究由于化学或物理因素的扰动而引起的体系的化学变化过程速率和变化机理。此时，时间是与过程密切相关的重要变量之一。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、化学动态学、催化科学与技术、光化学、电化学、磁化学、声化学、力化学（以摩擦化学为代表）等。

在理论研究方面，快速大型电子计算机和数值方法的广泛应用，扩展了量子化学在定量计算方面的能力。研究对象不仅涉及大分子，还可用以模拟复杂体系的动态过程。福井谦一提出的前线轨道理论以及R.B.伍德沃德和R.霍夫曼提出的分子轨道对称守恒原理，是量子化学应用于具体化学体系时的重要理论成果。但是仍然没有达到人们所期望的利用量子化学为基础解决和认识所有化学问题的水平。量子力学基本原理和化学实验的紧密结合将有助于解决这个问题。为此，发展能够应用于复杂分子体系的量子化学计算方法是实现上述目标的前提之一。因而W.科恩以电子密度泛函理论和J.波普尔以量子化学计算方法及模型化学等研究成果获得了1998年的诺贝尔化学奖。

二、探究内容

1、锂离子电池

锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。

锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。

2、传感器

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

3、相平衡

一个系统可以是多组分的并含有许多相。当相与相间达到物理的和化学的平衡时，则称系统达到了相平衡。相平衡的热力学条件是各相的温度和压力相等，任一组分在各相的化学势相等。

4、先进材料

激光材料（laser material）把各种泵浦（电、光、射线）能量转换成激光的材料。激光器的工作物质。激光材料主要是凝聚态物质，以固体激光物质为主；光电材料是指用于制造各种光电设备（主要包括各种主、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等）的材料，主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、非线性光学材料等；光电材料是指用于制造各种光电设备（主要包括各种主、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等）的材料，主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、非线性光学材料等；纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度；吸收电磁波而很难被雷达发现的材料叫做隐性材料。这种材料主要应用在军事上，也被称作为“隐形材料”。它既非自然界中的材料，也并非来自哈利·波特的魔法学校，而是英美研究人员发明的材料，是用来控制光线及物体周围其他的电磁射线，让这些光线和射线给人“隐身”的感觉，就像是隐藏在太空的黑洞里一样。

总结

在课堂上，除了本组成员的展示之外，还可以看到其他小组的成果演示，将自己的探究成果分享给他人的同时，也分享到了其他小组的探究成果，极大地提高了获取知识的效率，同时也通过不同的视觉角度，了解到更多领域的前沿科技的风采；更重要的是，老师不仅从专业的角度给学生以建议和指教，还在ppt的制作，内容的选择，演示的技巧给予意见和分享经验，在课堂上极大程地扩展了学生的知识面，培养了学生对物理化学领域的兴趣，提高了学生的探究交流的能力，虽然在有限的课堂时间内不可能对众多的高新领域进行深度的研究和学习，但是让学生充分感受到了物理化学的精彩与魅力。

第四篇：焦化废水处理研究现状与进展

焦化废水处理研究现状与进展

焦化废水是炼焦、煤气在高温干馏、净化及副产品回收过程中，产生含有挥发酚、多环芳烃及氧、硫、氮等杂环化合物的工业废水，是一种高CODcr、高酚值、高氨氮且很难处理的一种工业有机废水。其主要来源有三个： ①剩余氨水，它是在煤干馏及煤气冷却中产生出来的废水，其水量占焦化废水总量的一半以上，是焦化废水的主要来源； ②煤气净化过程中产生出来的废水，如煤气终冷水和粗苯分离水等；③在焦油、粗苯等精制过程中及其它场合产生的废水。氨氮和COD是焦化废水的主要污染物。氨氮是导致水体富营养化的重要因素，当含有大量氨氮的污水进入湖泊时，会加快藻类和微生物的繁殖生长，造成水体缺氧，使水质恶化变臭。我国是焦炭生产和消费大国，2011年全国焦炭的产量达

4.28亿吨，同比增长11.78 %。传统废水处理工艺对氨氮的去除率极低，全国有80%以上的焦化企业存在着废水氨氮和COD排放不达标的状况。20世纪90年代以后，国家颁布《污水综合排放标准》（GB8978-1996）和《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456-1992）中，对焦化工业排放废水中的氨氮和COD提出了更高要求（见表1）[1]。如果焦化废水未得到很好的治理，将会对环境造成严重的污染。

表1 氨氮、COD的排放标准

氨氮/（mg/L）

一级二级 25 三级-一级 100 COD/（mg/L）二级 200 三级 1000

1.焦化废水处理技术

焦化废水的水质很差，要达到排放或者回用标准，目前常用的是物理化学工艺、生物处理工艺还有一些废水处理新技术。

1.1物理化学工艺

1.1.1混凝法

化学混凝法主要的作用是去除水中微小悬浮物和胶体杂质。焦化废水经过生化处理后会残留一些微小的固体悬浮物，造成COD和色度不能达到国家或地方规定的排放标准。采用混凝沉淀方法进行后续处理，可有效的降低COD和色度，从而实现焦化废水处理指标全面达标[1]。该法处理费用低，既可以间歇使用也可以连续使用。陈劲松[2]等人对焦化废水生化处理二沉池出水进行氧化处理后投加一定量的混凝剂，焦化废水COD去除率为70.6%，出水水质达到

GB8978-1996《国家污水综合排放标准》一级排放标准，此工艺生产成本低，易于工业化。

1.1.2吸附法

吸附法处理废水，就是利用多孔性吸附剂吸附废水中的一种或几种溶质，使废水得到净化。常用吸附剂有粉煤灰、活性炭、磺化煤、矿渣、硅藻土等。

（1）粉煤灰吸附

粉煤灰主要成分是二氧化硅和硅酸盐。粉煤灰含有多孔玻璃体、多孔碳粒、呈多孔性蜂窝状组织，比表面积较大，一般在2500~5000cm2/g，同时还具有活性基团，具有较高的吸附活性。粉煤灰具有显著地去除COD和脱色效果，其主要成分二氧化硅和具有弱酸性的氧化铝可以与有机物羟基氧上的孤电子形成很强的化学键，发生物化吸附。

周静[3]等人对焦化废水中的氨氮的深度处理进行了一系列研究，考察了pH值、药剂投加量、吸附时间等因素对处理效果的影响。采用粉煤灰-石灰体系作吸附剂，试验结果表明：调节废水pH值为5，每100ml废水中加入粒径为100目以上的粉煤灰15g，生石灰0.25g，吸附时间为1h，处理后焦化废水中的NH3-N可达到污水综合排放标准GB8978-96中的二级排放标准。

（2）活性炭吸附

活性炭吸附对有机物质的去除能力比化学氧化法好，但活性炭价格昂贵且填料塔需经常再生，给生产运行和管理带来一定的困难。

滕济林[4]等研究了褐煤活性炭吸附处理焦化废水的性能，以河南某气化厂的焦化废水为吸附原水进行了静态和动态试验。试验表明，用褐煤活性炭吸附焦化废水酚的去除率可达92%以上，吸附容量为21.38mg/g。白玉兴[5]等用焦炭一活性炭双级吸附法深度处理济南钢铁公司某焦化厂的生化车间出水，其结果表明，本法对COD 和悬浮物的去除效果较好，对硬度、氨氮的去除率较低。

1.1.3光催化氧化法

光催化氧化法是一种新兴的高级氧化技术，通过光激发半导体催化剂产生光电子和光生空穴，进而与吸附在催化剂表面上的物质发生化学反应的过程，对酚类和其他有机物都有较高的去除率[1]。其工艺结构简单、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染。刘红[6]等人以TiO2为催化剂，H2O2为氧化剂，在紫外

光照射下采用多相光催化氧化法对焦化废水进行处理，结果表明该法可使焦化厂二沉池废水COD从350.3mg/L降至53.1mg/L，COD去除率可达84.8%。光催化氧化法德缺点是光浪费严重，效率相对较低，反应后从水中除去TiO2费用较高。

1.2生物处理工艺

1.2.1SBR工艺

SBR工艺是一种生物降解和除氮脱磷于一体的间歇运行的废水处理工艺，一切过程都在一个设有曝气或搅拌装置的反应池内进行，分为流入、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段。我国于20世纪80年代中期开始对SBR工艺进行研究，到现在应用已经比较广泛，昆明、天津、广州等地的污水处理厂都采用次工艺进行污水处理。李春杰[7]等采用SMSBR工艺处理焦化废水，使出水COD达到新的排放标准（<100 mg/L），并提高了脱氮效率。

1.2.2活性污泥法

生物絮凝体及污泥与废水中的有机物充分接触，溶解性的有机物被细胞吸收和吸附，并氧化为最终产物（主要是CO2），非溶解性有机物先被转化为溶解性有机物，然后被代谢和利用。该法最早用于生活污水的处理，经过长期对微生物的驯化和培养，成功用于处理焦化废水。活性污泥法存在污泥结构细碎，絮凝性能低，污泥活性弱，生长缓慢，抗冲击能力差等缺点。同时进水污染物浓度的变化对曝气池微生物生长影响较大，操作运行不够稳定，运行装置复杂，占用体积大。

1.2.3A /O法(厌氧一好氧)

A/O工艺是充分利用微生物的反硝化和硝化作用进行脱氮。利用水中有机物和回流污泥作为碳源，污泥在缺氧和好氧之间往复循环，污泥中既有硝化菌，也有反硝化菌。硝化菌是在好氧条件下发挥作用，在缺氧条件下受到抑制，而反硝化菌则正好相反[8]。彭宗胜[9]等对马鞍山钢铁股份有限公司排出的焦化废水在原有基础上进行A/O法改造，使出水COD和氨氮都得到了有效控制，完全达到国家现行排放标准。

1.2.4A2/O法(厌氧一缺氧一好氧)

A2/O法是在A/O法流程前加一个厌氧段，废水中难以降解的芳香族有机物在厌氧段开环变为链状化合物，链长化合物开链为链短化合物。A2/O法提高了

废水的可生化性，为缺氧段提供了较好的碳源。李捍东[10]等将投菌法与A2/O工艺结合，对石家庄焦化厂焦化废水进行处理了研究。结果表明：通过对焦化废水进行GC-MS分析，选择出焦化废水中含量较高的难降解物质，然后进行单一碳源优势菌培养，获得优势菌群。优势菌群投加于工艺的好氧段。整个中试过程分为污泥的培养及驯化阶段，稳定运行阶段及冲击恢复阶段。经过半年的实验，整套工艺具有较好的稳定性及抗冲击能力。对未经稀释的焦化废水的CODcr平均去除率为94.2%，氨氮平均去除率为85.6%。

1.3其他废水处理新技术

1.3.1催化湿式氧化

催化湿式氧化是在高温、高压下，利用氧化剂将废水中的有机物氧化成二氧化碳和水，达到去除污染物的目的。付迎春[11]等人以过渡金属氧化物CuO为主火星组分，通过对MnO2的复合和掺入电子助剂CeO2的考察，研制出适用于催化湿式氧化处理氨氮废水的复合催化剂。试验表明，新型催化剂可使氨氮去除率达到98%，经处理后的废水达到国家二级排放标准。

1.3.2Fenton试剂技术

亚铁离子与H2O2组合形成的Fenton试剂在处理一些难降解有机物方面有一定的优越性。赵晓亮[12]等人以实际焦化废水经A2/O工艺处理后的出水为研究对象，考察了Fenton试剂氧化法深度处理焦化废水的效果和影响因素。结果表明，出水COD和色度等指标均可达到《城市污水再生利用工业用水水质》的要求。

1.3.3固定化细胞技术

固定化细胞技术是国际上从20实际60年代后期开始迅速发展的一项技术，它是通过化学或物理手段将游离的微生物固定在载体上使其高度密集，并使其保持活性，反复利用，可去除氮和高浓度有机物或某些难降解物质[1]。徐英[13]采用固定化微生物小球技术结合厌氧—好氧工艺处理焦化废水，结果表明，经固定化微生物厌氧酸化24h、好氧曝气24h后，出水COD为132.1mg/L，氨氮为24mg/L，达到国家GB8978-1996二级排放标准。

1.3.4超临界水氧化法

超临界水氧化技术是由Modell提出的一种能够彻底破坏有机物结构的新型氧化技术。其原理是在超临界状态下，将废水中所含的有机物用氧化剂迅速分解

成水、二氧化碳等简单无害的小分子化合物。刘彦华[14]等人采用采用超临界水氧化技术对焦化厂焦化原水进行试验研究，处理后的水氨氮、COD和色度均达到或低于国家一级排放标准。

2.结语与展望

焦化废水处理技术在近几年内发展很快，在传统的物理化学法、生物处理法的基础上又研究出来了很多新技术、新工艺，但焦化废水是一种很难处理的高浓度有机废水，所以其处理技术仍有广阔的发展空间。

（1）在将来的焦化废水处理方法中生化法仍将是主要技术手段，因为它处理量大、成本低、无二次污染。

（2）高级氧化法能高效快速地将有机物氧化为二氧化碳、水以及其他低分子无机化合物，去除率高，氧化速度快，无二次污染。虽然运行成本相对较高，但随着我国经济发展对环境的要求日益严格，所以仍然具有广泛的应用前景。

（3）多种处理工艺相互组合联用也是焦化废水处理技术的发展方向。

参考文献

[1]单明军，吕艳丽，丛蕾.焦化废水处理技术.化学工业出版社.2007.30~211.[2]陈劲松，文一波，王凯等.Fenton氧化混凝沉淀法处理焦化废水研究[J].水科学与工程技术,2009,1:18~20.[3]周静，李素芹，苍大强.粉煤灰深度处理焦化废水中氨氮的研究.能源环境保护，2007，21(6):3~6

[4]滕济林，张猛，李若征等.褐煤活性炭吸附处理焦化废水.环境工程学报

[J].2011.5(1):117~120

[5]Zidovee Davor F, et al.Calcium carbonate scale controlling method [P].US 5 562 830, 1996

[6]刘红，刘潘.多相光催化氧化处理焦化废水的研究[J].环境科学与技术.2006,29

（2）

[7]李春杰,耿琰.顾国维.焦化废水的一体化膜-序批式生物反应器处理[J].上海环境科学.2001,20(1):24~27.[8]张春晖.褐煤提质冷凝水的回用处理工艺研究[D].中国矿业大学博士论文.2009.9~23.[9]彭宗盛，马超，张芳.A/O法处理焦化污水在马钢的成功实践与探讨.冶金动力，2006，115(3):30~32

[10]李捍东，凌海波，王强，等.投菌法应用于A/O工艺处理焦化废水的中试研究.环境工程，2005，23(5):22~25

[11]付迎春,钱仁渊,金鸣林.催化湿式氧化法处理氨氮废水的研究[J].煤炭转化,2004,27(2):72~75.[12]赵晓亮，魏宏斌，陈良才等.Fenton试剂氧化法深度处理焦化废水的研究[J].中国给水排水，2010,26（3）：93~95

[13]徐英.固定化微生物厌氧-好氧处理焦化废水中COD及氨氮的研究[J].电力学报，2007，22（2）：162~165.[14]刘彦华，申英俊，杨超等.超临界水氧化技术处理焦化废水的试验研究[J].环境工程，2010,28（3）：56~59

第五篇：我国复合材料力学研究与教学的先驱之一

我国复合材料力学研究与教学的先驱之一

下一页 1 2 周履（１９１７—），结构力学和固体力学家。长期从事复合材料结构力学和弹塑性理论的教学与研究工作。在复合材料叠层板的弯曲和屈曲分析的研究工作中作出了贡献。

周履，１９１７年４月３０日出生于浙江省湖州县的一个书香之家。祖父是清朝举人，担任过地方官员和驻奥地利外交官员，做官时重视兴修水利，所筑堤坝被称为“周公堤”。父亲周宗清早年留学德国，攻读医学，是个反帝爱国、进步的无党派知识分子。母亲王宗浈，支持并参与周宗琦的爱国进步活动，曾经亲自给新四军送过药品。受家庭的熏陶，周履青少年时就喜爱读书，养成了勤奋好学、刻苦钻研的习惯。１９３４年，他以全校第一名的成绩考入上海交通大学土木系。毕业后留校担任助教。１９４２年上海沦陷，日本侵略军进驻租界，周履不愿过亡国奴的生活，遂只身离家转赴内地，到重庆綦江铁路工程处任帮工程师，在农村工地的艰苦条件下为抗日战争效力。后来，他抱着“科学救国”的幻想，于１９４４年底赴美国康奈尔大学进修。他选修的课程之多，使他的导师都无法理解地惊问道：“你不要命啦！”１９４６年，他仅用一年时间获得工学硕士学位。当时正值抗战胜利，他以为国家富强有望，毅然放弃了攻读博士学位的奖学金机会，怀着满腔的爱国热忱，返回祖国，在上海市工务局技术室担任技士。但是当时社会政治腐败，经济崩溃，民不聊生，使周履痛感知识分子仍然报国无门。１９４７年，他再度赴美国康奈尔大学深造。１９５０年，他获得工学博士学位，并在麻省波士顿市杰克逊·摩兰德工程咨询公司任工程师。

中华人民共和国成立后，祖国人民生活安定、经济建设突飞猛进的消息使他十分激动，加上父母及其他亲友的宣传动员，重新燃起了周履的报国心、爱国情，他于１９５１年重返祖国，历任岭南大学和华南理工大学（原华南工学院）教授至今。

回国后，周履亲身体验到祖国建设迫切需要人才，因而将其全部精力都投入到祖国的高等教育事业和科学研究工作中去。１９５４年，他组建了结构力学教研组，并着力抓教学法建设，编写讲义、指导青年教师、健全试讲制度等，使教学工作日益走上正轨。他十分重视师资队伍的建设，亲自为中、青年教师举办多期学术讲座。１９５６年，他率先招收副博士研究生，促进了土木系学术水平的提高。在教学工作中，周履以其一丝不苟、诲人不倦的精神赢得了广大学生和中青年教师的爱戴，因此于１９５６和１９５８年两度被评选为广东省教育先进工作者。１９６０年，华南工学院成立数学力学系，周履调任该系结构力学教研组主任，后任系副主任。他根据土木系的成功经验，为应用力学专业师资队伍的建设作出了新的贡献。

周履一贯主张大学教师既要担任教学，也要从事科学研究，并以自己的实际行动作出了表率。５０年代，他在担任繁重的教学任务之余，积极研究结构设计，并以其思想活跃、见解独到，深受同行们的赞誉。例如，针对当时结构力学界对“力矩分配法”的过份崇拜，周履正确地评价了该方法在学术上的地位，指出它实质上是数学中的迭代逼近法，而在运算时赋予了直观的物理概念，使工程人员易于掌握。他认为，对古人和洋人的好的东西是应该学习的，但不要盲目崇拜，以至迷信。５０年代后期，为适应我国大规模经济建设的需要，寻求更合理的设计理论，周履把科研方向转移到塑性理论方面，是我国最早从事塑性力学研究的学者之一。７０年代末，他根据国家科技发展规划，承担了复合材料力学这个新课题。他主持建立研究室，组织培养研究梯队，筹建中国力学学会复合材料专业组，多次参与筹备国际和全国性学术会议，在宣传和推动我国复合材料的研究方面起了带头作用。１９６３年１月，周履遭歹徒袭击，大脑受重伤，留下后遗症，且体质孱弱，慢性疾病不断。几十年来，他在与病魔的顽强抗争中坚持带病工作，依然为寻求更合理的设计理论和推进我国复合材料力学的研究做了大量工作。

寻求更合理的设计理论

早在美国学习时期，周履对土木工程和结构力学就有很深的造诣。４０年代末，随着厚壁结构在工业建筑中的使用增多和大型块件的兴起，作为结构单元之一的深梁引起了工程界巨大的兴趣，正在攻读博士学位的周履也注意到了这一研究动向。

深梁一般可分三类：受周期荷重作用的无限长梁、受非周期荷重作用的无限长梁和有限长深梁。前两类问题可用傅立叶级数和傅立叶积分求解，第三类问题的求解比较困难，当时还甚少研究，原因是不易满足所有边界条件。周履在《深梁的分析》一文中采用了应变能方法，用两个应力函数相叠加求得了有限长深梁的应力公式，画出了曲线，并和有限差分法以及经典梁理论进行了对比，这在当时条件下，是属于首创性的工作，有较大的理论和使用价值。

后来，他又在美国《土木工程》学报上发表了《深梁中的应力》一文，按弹性平面应力问题给出了各类荷载作用下分布的数值解。这对当时结构工程界深入了解深梁的特征和指导设计起了很大的作用。美国土木工程协会于１９５３年２月对这篇论文进行了讨论，还出版了讨论文选。当时有些著名教授如Ｍ．古兹曼（Ｇｕｚｍａｎ）和Ｊ．路易塞尼（Ｌｕｉｓｏｎｉ）亦参加了讨论，并给予了它很高的评价，认为单跨深梁的分析是一个困难问题，作者的差分解是相当成功的，与光弹性实验比较，当高跨比为１时，跨中截面最大弯曲应力的误差不超过２０％。周履在这篇论文中列出的数据和图表，已为后人引为设计依据。

为了适应我国大规模经济建设的需要，寻求更合理的设计理论，从１９５４年开始，周履把研究的主攻方向移到塑性理论方面。当时，我国全面学习苏联，在钢筋混凝土和钢结构设计等方面都部分采用了按极限状态计算的方法。为了适应工程实际的需要，周履努力学习塑性力学，研究了大量的资料。他通过举办讲座，积极宣传和推行极限设计理论，向中青年教师介绍了这一领域中重要作者的工作。

１９５６年，周履在校庆报告会上作了“塑性理论中的极限定理及其应用”的报告。这是一篇很有意义的综述报告，引起工程界极大的关注，被国家建委主编的《经验报导》杂志所刊用。后来，他又参加了《土木工程》学报关于《杆件系统中极限荷重的计算》一文的讨论。他在讨论文章中阐明的观点得到作者李立和同行们的好评。

１９５６年，周履出席了全国第一届力学大会。这一年，他首次招收了副博士研究生。根据高等教育部规划的分工，他与清华大学一道率先研究薄壳理论和推广薄壳结构设计。为了给研究生和年轻教师打基础，他主讲了В．З．符拉索夫（Власов）专著《薄壳理论及其在工程中的应用》一书。他对该书许多公式都认真推导，发现了不少错误或刊误之处。有人评论说：“国内还很少有人像周先生这样仔细地钻研这本巨著。”

率先研究复合材料力学

１９７８年，周履应教育部科技局的邀请，参加了教育部理论与应用力学规划会议，接着又参加了全国的力学规划会议。国家宏伟的发展规划给周履以巨大的鼓舞。他放弃了原已准备申报的研究项目，承担了新兴学科复合材料力学的研究。当时，我国虽在玻璃钢方面的研究已有相当的基础，但在复合材料力学领域几乎还是未开垦的“生荒地”，既缺乏资料、设备，也缺乏受过这方面训练的人才。周履认识到这一学科的研究对我国四个现代化建设的重要意义，立志组织队伍攻克这一科学难关。在学院领导的关心和支持下，他主持筹建研究室。通过国外亲友，他个人订阅了几种国外期刊和书籍，提供并指导研究室的同志们学习。他不顾自己身体多病，亲自为大家讲授“张量分析”和“复合材料细观力学”，为以后的研究打下了较好的基础。

１９８０年３月，根据中美文化交流协定，他受教育部委托，聘请美国南方大学Ｒ．Ｍ．琼斯（Ｊｏｎｅｓ）教授来华讲学和交流，组织了我国复合材料力学第一次大规模的学术活动。５月，他又邀请美国复合材料首席科学家、美国复合材料杂志主编蔡伟伦教授访华，进行了更进一步的学术座谈，同时邀集了国内部分单位代表进行商讨，组织与协调我国复合材料力学的研究工作。在王震鸣的建议下，周履与中国科学院力学研究所、上海交通大学、大连工学院等单位磋商并发起筹建中国力学学会固体力学委员会复合材料力学专业组，经批准，周履担任了专业组第一任组长。

周履认识到，复合材料的发展必须与有关学科相互渗透、相互促进，因此，他积极推动各种联合形式的国内、国际学术交流。为了联合活动，他担任了中国航空学会复合材料专业委员会的副主任委员。通过中国航空学会、中国力学学会、中国宇航学会的共同努力，从１９８０年起，我国定期举行全国复合材料学术会议，迄今已举行了６届全国性的和２次国际大型学术交流会。近年，他又参与筹建了中国复合材料学会，并当选为副理事长。

身为教育工作者的周履，深知培养人才对发展科研事业的重要性。他在研究室内建立并坚持定期进行学术讨论的制度，精心指导和培养研究梯队。他在我国率先招收了复合材料力学方面的硕士研究生。１９８０年７月，他接受教育部干部局的聘请，委托范赋群为全国力学讲习班首次开设复合材料力学课程，并出版了《复合材料力学通讯》内部交流资料，达到了宣传、普及的效果。为满足本科生和研究生教学需要，他应高等教育出版社之约，与范赋群合作撰著了《复合材料力学》教材。该书较系统地反映了周履等人对复合材料力学中一些基本问题的看法，其中并包含有作者们的研究成果。

鉴于复合材料力学是一门新兴学科，许多基本理论问题有待继续发展。譬如，现有的复合材料细观统计断裂理论，实质上是套用了最弱环统计链式模型。它无法描述真实复合材料的非自相似随机扩展的破坏方式。周履及其同事们创立了随机扩大临界核、亚临界核理论，用统计断裂力学的方法定量地描述了复合材料的多种形式的就位强度。这一工作被同行们认为是突破了现有的理论构架，可望获得更进一步的发展。又如，现有的结构临界力的线性理论，用于求解具有几何和或物理耦合变形的复合材料结构，有时会得出不真实的结果。这一问题已为国内外学者所注意。周履及合作者们在指出问题的同时，提出了“非线性－耦合前屈曲二级线性－一级线性”的临界力理论，将后屈曲理论转移到了前屈曲，并可给出满意的结果。

周履在注重复合材料力学基本理论研究的同时，还十分重视对求解方法的研究。１９８０年，在全国第一届计算力学学术讨论会上，周履应大会主席钱令希之邀，作了《复合材料力学分析的有限元法及计算机化简介》的综述报告。在这篇报告中，他强调了复合材料的特点，介绍了复合材料细观和叠层分析的有限元方法，以及叠层破坏的宏观分析，他强调指出了计算机在复合材料力学分析与计算中的重要性。这是我国计算力学领域中涉及复合材料最早的一篇综述报告。

在《双模量复合材料十字叠层矩形薄板的弯曲》一文中，作者们首次成功地将加权残数法用于双模量复合材料，表明了该方法用于双模量材料的可行性及该文所用试函数的有效性。该文发表后，有关评论认为“用加权残数法分析层合板弯曲问题已基本上解决了”；该文内容被收入有关加权残数法的专著；其方法后来被引用到厚板问题、热应力问题及叠层扁壳的弯曲问题。下一页 1 2