泥沙吸附重金属铜离子后表面形貌及结构特征研究

论文摘要

天然水体中的泥沙颗粒具有复杂的表面形貌,水体中的各种污染物质容易与其发生吸附-解吸作用,并随着泥沙颗粒的输移而迁移转化。污染物质被泥沙颗粒吸附后,一方面改变了水体中污染物浓度及污染物在泥沙颗粒表面的分布规律,以至影响水质模型的各种参数;另一方面,泥沙吸附污染物质后,其表面形貌也随之发生改变,使得自身的力学运动特性发生变化。泥沙颗粒对于污染物的吸附总量过去已有广泛地研究,但污染物被泥沙颗粒吸附后泥沙颗粒表面形貌的变化及污染物质在其表面的分布特性还缺乏研究,而这是研究泥沙颗粒与污染物质相互作用关系的基础。细颗粒泥沙的表面形貌及泥沙吸附重金属铜离子后的形貌改变是本论文研究的重点。研究手段主要包括电镜实验和吸附实验两个方面,其中电镜实验是通过拍摄干净泥沙和污染泥沙颗粒的外形轮廓和表面形貌,获得泥沙颗粒的形貌结构和表面特征;吸附-脱附实验是得到大量污染泥沙的研究样本。研究方法则采用统计方法与傅立叶形状分析方法,对各类泥沙形貌进行表述,定量分析天然沙、干净泥沙与污染泥沙的差异。通过上述研究表明:（1）泥沙颗粒的表面形貌十分复杂,基于傅立叶形状分析方法而建立的“数学泥沙”平台具有空间分析的能力,通过该平台可以提取、计算和分析泥沙颗粒的表面信息,是研究泥沙颗粒与污染物质相互作用关系的基础;（2）重金属铜离子被泥沙颗粒吸附后,颗粒表面有铜离子的聚积、其孔隙结构被铜离子所填充,颗粒的形貌和结构发生改变,包括表面积、总孔体积和孔径分布等结构特征,这些变化又将对泥沙运动产生影响;（3）通过X射线显微分析技术所提供的铜离子吸附后在泥沙颗粒表面的分布结果显示:铜离子的吸附点位主要位于泥沙颗粒的边脊和凹谷区域,这些区域的吸附能力与其表面的曲率有较好的相关关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 泥沙颗粒形貌的研究
• 1.2.1 泥沙颗粒的形状
• 1.2.2 泥沙颗粒的投影形状研究
• 1.2.3 表面形貌的分形维数
• 1.3 泥沙的吸附研究
• 1.3.1 泥沙颗粒的吸附现象
• 1.3.2 吸附理论
• 1.3.3 影响重金属吸附的因素
• 1.3.4 重金属迁移转化模型的研究进展
• 1.4 本文的研究工作
• 第2章 天然水体中泥沙颗粒的形貌与元素观测
• 2.1 引言
• 2.2 几种泥沙颗粒形貌研究的电子显微镜简介
• 2.2.1 实验前期准备
• 2.2.2 颗粒图像的采集
• 2.2.3 表面元素探测～X 射线显微分析技术
• 2.3 天然水体中泥沙颗粒的形貌观测
• 2.4 干净态泥沙颗粒的形貌观测
• 2.4.1 泥沙颗粒表面清洁实验
• 2.4.2 干净泥沙的电镜图像
• 2.5 小结
• 第3章 泥沙颗粒的投影形状研究
• 3.1 引言
• 3.2 泥沙颗粒的形状
• 3.3 颗粒投影形状的统计
• 3.3.1 单颗粒泥沙的投影形状分析
• 3.3.2 投影形状的概率统计
• 3.4 傅立叶形状分析法
• 3.4.1 傅立叶级数分析方法
• 3.4.2 离散傅立叶分析方法
• 3.5 小结
• 第4章 泥沙颗粒表面的形貌研究
• 4.1 引言
• 4.2 泥沙表面形貌的特征
• 4.2.1 表面结构
• 4.2.2 多孔隙结构
• 4.3 泥沙颗粒的分形维数
• 4.3.1 泥沙颗粒的表面分形维数
• 4.3.2 泥沙颗粒的形貌结构分形维数
• 4.3.3 讨论
• 4.4 泥沙颗粒图像灰度值统计描述
• 4.4.1 研究方法
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.4.3 重构泥沙颗粒的表面形貌
• 4.5 小结
• 第5章 描述泥沙与污染物相互关系平台的构建
• 5.1 引言
• 5.2 理论说明
• 5.2.1 立论基础
• 5.2.2 构建方法
• 5.2.3 数学泥沙方程的构建
• 5.3 数学泥沙的重构
• 5.3.1 重心重构法
• 5.3.2 表面重构法
• 5.4 数学泥沙的空间特性
• 5.4.1 数学泥沙表面高程模型
• 5.4.2 数学泥沙的形貌特征要素
• 5.5 小结
• 第6章 重金属Cu 离子吸附在泥沙颗粒表面的分布特征
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 吸附实验
• 6.2.2 电镜实验
• 6.3 分析方法
• 6.3.1 灰度值表面形貌模型
• 6.3.2 吸附点位的形貌特征
• 6.3.3 形貌特征的吸附能力分析
• 6.4 讨论
• 6.5 小结
• 第7章 泥沙颗粒吸附重金属Cu 离子后的形貌结构变化
• 7.1 引言
• 7.2 泥沙颗粒表孔吸附的表征
• 7.2.1 多孔性固体的吸附
• 7.2.2 多孔性固体的吸附理论
• 7.3 吸附作用造成孔隙表征的变化
• 7.3.1 重金属Cu 离子吸附实验
• 7.3.2 氮分子吸附-脱附实验
• 7.4 讨论
• 7.4.1 孔径分布
• 7.4.2 比表面积
• 7.4.3 孔体积
• 7.4.4 平均孔径
• 7.4.5 泥沙颗粒形貌结构的分形维数
• 7.5 小结
• 第8章 重金属Cu 离子在数学泥沙上的分布模拟
• 8.1 引言
• 8.2 数学泥沙的生成
• 8.2.1 基本方程
• 8.2.2 参数确定
• 8.2.3 结果演示
• 8.3 数学泥沙的验证
• 8.3.1 验证方法～分形BET 理论
• 8.3.2 数学泥沙的分形维数
• 8.3.3 验证结果
• 8.4 数学泥沙的形貌特征
• 8.5 基于数学泥沙的Cu 离子吸附模拟
• 8.5.1 Cu 离子的表面分布特征
• 8.5.2 结果演示
• 8.6 小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 本文主要创新点
• 9.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果