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关键词： 疫情   在线教育   物理化学   教学模式  

摘要： 由于疫情的影响,全国各地大中小学校2020年春季学期均延期开学。教育部要求实施并保障高校在疫情防控期间的在线教学,实现"停课不停学"。在此大的教育背景下开展大范围网络在线教学,面临诸多的挑战,也迎来了教育发展难得的机遇。本文以珠海科技学院网络线上课堂教学融合模式为例,对新冠肺炎疫情下线上教学模式开展情况进行了探讨,为接下来实施长期、稳定、有序、高效的网络线上教学模式提供借鉴。

关键词： groundwater   clusters analysis   heavy metals   correlations  

摘要： Groundwater heavy metal pollution is a major concern all around the world. For the assessment of heavy metals and physico-chemical characteristics. groundwater samples were collected from different locations of the Karak District, Pakistan. With the help of the global information system device (GIS), groundwater samples were collected and studied from 47 locations. The present study focused on the water table (WT), water source depth (WSD), pH, electrical conductivity (EC), dissolved oxygen (DO), total dissolved solids (TDS), lead (Pb(II)), silver (Ag(I)), iron (Fe(II)) and chromium (Cr(VI)) parameters. Heavy metals were analyzed by the Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS). The Pearson's matrix of correlation showed relationships between several parameters, such as the EC and the TDS which had close interactions between all the three different groundwater samples (collected by hand pump (HP), bore holes (BH) and tube wells (TW)). The strong correlation was detected in all the sources of water between the TDS and the EC, the regression coefficient (r) of which was 1. In the hierarchical clustering (by dendrograms) the HP samples show two clusters: Cluster 1 contains seven parameters and Cluster 2 has four parameters. The BH samples have two clusters: Cluster 1 contains three parameters and Cluster 2 has eight parameters. The TW dendrogram also shows two clusters: Cluster 1 contains six parameters while Cluster 2 has five parameters.

关键词： 中职学校   物理化学   教学改革  

摘要： 近几年,随着我国中职学校课程改革的不断深化,中职学校的教学模式、教学理念、教学策略等都和之前大有不同。教师除了向学生传授知识外,还需注重提高学生的创新能力和人文素养。对此,笔者结合自身的教学经验与对中职教育体系的了解,立足于中职学生的实际情况,对当前我国中职学校物理化学教学中存在的问题进行分析,探索提高教学有效性、促进学生全面发展的教学改革策略。

关键词： 质子交换膜燃料电池   电极   微观结构   孔尺度模型   格子玻尔兹曼方法  

摘要： 质子交换膜燃料电池的成本与耐久性是目前限制其广泛商业化的两大问题,而这两个问题都与燃料电池的电极紧密相关。电极被认为是燃料电池的心脏,包含气体扩散层(GDL),微孔层(MPL)和催化层(CL)。每一个部件都拥有着独特且异质构成的多孔微观结构,并控制着内部发生的物理化学耦合过程。而电极微观结构与组成物质的变化也最终会影响到燃料电池的性能与耐久性。因此,为了实现质子交换膜燃料电池的大规模市场化,燃料电池的电极部件需要进一步优化,而这需要深入理解电极内复杂过程与电极微观结构间的相互影响关系。孔尺度模型重点关注微观结构,输运过程与电池性能三者间的耦合关系,近年来已经发展成功能强大的仿真工具,并被广泛用于电极模拟研究。本论文建立了一个综合的孔尺度模拟平台,用于深入研究电极内物理化学耦合过程的机理。模拟平台包括用于构建电极真实微观结构的随机重构算法,重构的电极结构作为仿真计算域,还有一个多功能的格子玻尔兹曼模型(LBM)用于求解电极微观结构内的耦合反应输运以及多相流现象。随机重构算法可以真实描述电极内所有部件的微观结构,并且在重构中考虑所有真实存在的材料。重构的微观结构通过与实验量化数据对比得以验证。格子玻尔兹曼模型作为数值模拟工具得到了进一步的提升,弥补了原有的一些缺陷,比如高虚假速度,低密度以及粘度比,热力学连续性差,计算时间尺度小等问题。模型通过传统的标准验证以及与实验数据进行对比得到验证。独立开发的格子玻尔兹曼模型可以在图形处理器(GPU)工作站上高效并行从而实现大规模的数值计算。利用这个强大的模拟平台,本文首次研究了气体扩散层微观结构对流道内液滴运动的影响,并且考虑了真实的多组分多相流。气体扩散层的微观结构可以强化材料的亲疏水性效果,影响液滴运动的方向以及降低液滴运动的速度。液滴在疏水的气体扩散层上运动较亲水工况更快。并且发现了受气体扩散层微观结构的影响,液滴会运动至流道的侧壁并会堵塞在流道内,这一现象很难避免且不利于燃料电池的水管理。针对这一问题,可将流道壁面作亲水处理,这样滴液可以从气体扩散层上被引至流道的上部空间,从而可以有效降低压降并防止反应气体分布不均。然后本文研究了气体扩散层和微孔层组合体的微观结构对于内部两相流的影响,考虑了疏水性,孔径分布以及装配设计的影响。研究发现疏水的材料和较小的孔径会阻碍液态水的输运。微孔层的缺失会导致水淹,使反应气体的传输空间大幅降低。无裂痕微孔层会将液态水封锁在催化层内,这会有利于气体扩散层和微孔层内气体的输运,但是会导致催化层内的水淹。为了平衡电极内的水含量,提出了气体扩散层与微孔层有序化打孔设计,经过模拟验证该设计可以自动使液态水和反应物的输运分离,实现理想的水管理策略。接下来本文研究了催化层,为了实现催化层制备的优化,研究了制备材料和结构对输运和性能的影响。在0.3毫克每平方厘米铂载量下,高铂/催化剂比(Pt/C)催化剂会降低催化层的厚度从而大幅降低反应气体输运损失进而提升性能。在相同的铂/催化剂比下,高电解质/催化剂比(I/C)会带来更大的电化学反应面积但同时会提高传质损失,二者需要相互平衡达到最优化性能。为了同时满足低传输阻力和高电化学反应面积,本文提出了含有人工介观孔隙通道的催化层结构设计,介观孔隙通道可以在高电解质含量下大幅降低传质阻力,从而提升性能。此外,高比表面积的碳载体可降低传质阻力并增加电化学反应面积,实现性能提升,从而可以实现更低的铂载量。最后,为了深入理解不纯净氢气中含有的硫化氢对催化层的污染机理,本文首次使用孔尺度模型研究了阳极催化层的污染衰减过程。提出了基于“时间积分”理念的迭代算法,解决了格子玻尔兹曼模型中固有的计算时间尺度过小的问题,该算法可以有效拓宽模型的工程应用背景。模型通过与实验数据对比得到验证,并且可以准确预测硫化氢污染物对性能衰减随时间的影响。硫化氢会影响催化剂的反应面积和催化效率,结果显示,当铂颗粒表面70%的反应面积被污染时,该铂颗粒的催化效率会大幅降低。阳极催化层的铂载量对性能影响不明显,但适当增加铂载量可以提供更多的缓冲电化学反应面积并且降低电极内的平均硫化氢浓度,从而显著提升电极抵抗衰减的寿命。此外,氢气中的硫化氢含量需要被严格限制,因为硫化氢浓度直接影响了污染的速率并决定电极的耐久性。

关键词： 课程思政   教学信息化   融合式教学   物理化学  

摘要： 文章探讨了思想政治教育与"物理化学"教学有机融合的主要路径和具体方法,紧密结合学校办学特色与专业优势,确定了"能力+态度""实践+创新""精神+意识""情怀+自信"四位一体的思政教学目标,借助信息技术手段打造线上课堂,充分发挥传统线下课堂的整体优势,进一步推动融合式教学方式的应用,拓展和优化"课程思政"的开展成效,形成"以学生为中心"、以"学—教—行"为主线的层次化、进阶式教学模式,让学生通过课程学习把知识技能上的"成长"和精神上的"成人"统一起来。

ISBN: (纸本)9787040563696

关键词： 煤泥脱水   复合助滤剂   表面改性   滤饼结构   颗粒迁移  

摘要： 在碳达峰、碳中和的大背景下，优化和调整能源结构、高效清洁利用煤炭资源势在必行。煤泥水作为煤炭工业的主要污染源之一，有效的煤泥水固液分离技术成为煤炭清洁利用的关键环节。本文首先研究了化学助滤剂及骨架构建体助滤剂对煤泥脱水效果的影响规律，在此基础上，设计了一种物理化学复合助滤剂以进一步改善煤泥脱水效果。其次，通过原子力显微镜、分子模拟、扩展的DLVO理论计算等手段揭示了助滤剂与煤泥颗粒间的相互作用机理并分析了骨架构建体助滤剂对煤泥滤饼的骨架支撑作用机理，同时，采用低场核磁共振技术和CT扫描技术分析了复合药剂对滤饼水分分布的影响规律以及对煤泥滤饼结构的优化机理。最后，通过颗粒流数值模拟分析了滤饼动态生长规律及细颗粒在滤饼中的迁移规律，研究了不同助滤剂对煤泥颗粒迁移的影响及滤饼结构的调控机制。得到主要结论如下：　　（1）十八烷基三甲基氯化铵STAC可以提高煤泥水过滤速度，降低滤饼水分，减小滤饼平均质量比阻，显著改善过滤效果。阴离子聚丙烯酰胺5250和非离子聚丙烯酰胺333均可以显著提高煤泥的过滤速度，降低滤饼平均质量比阻，但是会增加滤饼水分。硅藻土、珍珠岩、纤维素均可以不同程度上提高煤泥过滤速度，降低滤饼平均质量比阻，球形SiO2由于粒度大且均匀，在煤泥滤饼中起到了很好的骨架支撑作用，过滤效果改善最为明显。相较于单一助滤剂，本文设计的GH型复合药剂能够进一步提高煤泥过滤性能，随着GH型复合药剂中Micron-SiO2球用量的增加，过滤速度明显增加，滤饼水分和滤饼比阻逐渐降低。　　（2）原子力显微镜（AFM）原位测试结果表明：在去离子水中，两个煤表面之间的粘附力随pH的增加而降低，并在pH10时从负值变为正值。在阴离子聚丙烯酰胺5250溶液中，pH4时粘附力为-2.71nN，大于pH10的值。但是，在pH10时观察到最大的絮凝力（-1.87nN）和最广的作用范围（45nm），与沉降试验和絮团尺寸结果相吻合。STAC分子以簇状或短条状吸附到煤表面上，以单层和多层吸附为主。STAC分子在高岭石硅氧面的吸附形态呈现出斑点和点状外观，吸附厚度存在2nm和4nm左右两种情况，发生了单层吸附和双层吸附。STAC分子在高岭石铝氧面的吸附主要表现为斑片状吸附，吸附高度大部分集中在2-3nm，以单层吸附为主。同时，分子模拟结果表明：由于高岭石铝氧面上的-OH官能团，额外的水分子存在于高岭石001面和STAC分子之间，这些分子可能充当STAC分子在高岭石001表面吸附的桥梁。与STAC分子的其余部分相比，STAC分子的氮原子更靠近颗粒表面吸附。因此STAC分子的烷基链伸入水中，水分子在颗粒表面的移动受到的限制减小，从而使煤和高岭石的疏水性增加，改善了煤泥的固液分离效果。　　（3）硅藻土骨架构建体的孔多数为通孔，有利于水分流通，而活性炭的孔多数为盲孔，不能形成有效的水分迁移路径，球形SiO2形成的滤饼孔隙率更大，更有利于脱水。同时，CT测试结果表明，复合药剂可以提高滤饼的孔隙率和孔隙的连通性。加入GH型复合药剂后，滤饼孔隙率从1.54%升高到6.67%。孔隙配位数明显增大，出现配位数大于10的孔隙，说明骨架构建体可以有效改善滤饼孔隙的连通性，在过滤过程中为水分的迁移创造出更多的路径，进而降低滤饼水分。另外，滤饼中的孔吼半径比从1.18降低到1.09，降低了水分迁移过程中的毛细阻力，从而显著提高过滤速度，改善过滤效果。GH型复合药剂可以增加煤泥滤饼中吸附水和束缚水的自由度，随着GH型复合药剂用量的增加，煤泥滤饼中吸附水和束缚水的含量从99.059%降低至96.214%，自由水的含量从0.941%升高至3.786%。　　（4）滤饼中的大颗粒在压力作用下主要发生滑移现象，而细颗粒由于迁移钻隙作用，促使滤饼孔隙率降低。随着细颗粒粒度的减小，颗粒在Y方向上的迁移距离基本呈增大趋势，对于30μm的滤饼主体颗粒而言，颗粒粒度小于15μm时，细颗粒的钻隙现象显著发生。两种表面活性剂均可以对煤泥颗粒产生疏水团聚作用，提高颗粒的粒度，进而提高滤饼的孔隙率及疏松度。加入STAC后，细颗粒的迁移现象明显减弱，煤泥中的小絮团在滤饼形成过程中构成了较为蓬松的结构，使得煤泥滤饼厚度增加了0.014mm，滤饼总孔隙率增加了0.042，过滤效果得到改善。由于絮凝作用，聚丙烯酰胺可以提高颗粒的粒度，形成一定数量的大絮团，降低了细颗粒的迁移，提高了孔隙率。球形SiO2骨架构建体使煤泥滤饼厚度增加了0.014mm，总孔隙率增加了0.041，避免了颗粒的压缩变形，降低了细颗粒的迁移，因此改善了煤泥过滤效果。GH型复合药剂形成的滤饼结构更加疏松，煤泥滤饼厚度增加了0.034mm，总孔隙率也明显增加，进一步改善了煤泥的脱水效果。

关键词： 熔融铝   动力学特性   蒸汽膜   爆炸机理   产氢机理  

摘要： 在冶金厂以及核反应堆中,当冷却水与高温熔融金属发生意外接触后,可能会引发由爆炸现象所导致的工业安全事故,从而造成严重的人员伤亡和经济损失。而两者相接触后的相互作用过程是一种涉及到相变、传热及化学变化等较为复杂的瞬态过程,故对其机理的探究较为困难,国内外对此至今有未有全面、深入的认识。综上,进一步地研究冷却水与高温熔融金属接触后的相互作用过程对相关安全事故的分析仍然有着极为重要的意义。本文自主设计了一种主要由注水装置、高速摄像图像采集系统及中频熔融炉所组成的可视化实验装置,借此开展了一系列水滴与熔融铝相互作用的实验。具体研究工作如下:开展了单水滴撞击熔融铝表面的动力学及热力学特性研究。在不同水滴下落高度以及熔融铝温度条件下,实验中出现了三种典型的实验现象:射流现象、射流-弹起现象和弹起现象。在射流现象中,水滴撞击熔融铝后形成射流结构,但始终未离开熔融铝表面。当水滴的下落高度增大后,其与熔融铝碰撞后先形成射流结构,后被弹离熔融铝表面,即射流-弹起现象。当水滴的下落高度及熔融铝温度均较大时,水滴撞击熔融铝后被直接弹离熔融铝表面,即弹起现象。且水滴的最大射流高度与水滴下落高度和熔融铝温度成反比,而水滴的最大弹起高度和其下落高度成正比,与熔融铝温度成反比。提出了水滴与熔融铝之间蒸汽膜的蒸发-冷凝模型,发现随着熔融铝温度的升高,两者之间的辐射传热量大幅提升,使得水滴完全蒸发时间明显减少。结合水滴撞击熔融锡表面的实验,发现当蒸汽膜因瑞利-泰勒不稳定性及开尔文-亥姆霍兹不稳定性发生局部塌陷后,触发水滴发生蒸汽爆炸的直接接触温度下限不高于208.67℃,且蒸汽爆炸的剧烈程度与熔融金属温度成正比。当熔融金属温度超过500℃后,相互作用过程中再无蒸汽爆炸现象产生。因此推断当熔融金属温度较高时,蒸汽膜越厚(稳定),因此其无法在自身不稳定性的作用下发生局部塌陷。此时,水滴与熔融金属之间无法通过塌陷的蒸汽膜发生直接接触换热,从而使水滴升温到其均相成核温度以触发蒸汽爆炸现象。开展了水滴与熔融铝相互作用的物理化学耦合特性研究。发现在不同连续水滴下落高度以及熔融铝温度下,连续水滴撞击熔融铝表面后出现了三种典型实验现象:水滴聚合现象、水滴飞溅现象及(两者的)过渡现象,三种现象的分布情况取决于连续水滴的下落高度,而与熔融铝温度无明显关系。同时,当熔融铝温度较低时(700-900℃),冷却水的完全蒸发时间随熔融铝温度的升高约呈线性减小。而当熔融铝温度超过900℃以后,其对冷却水的辐射传热程度相对熔融铝温度较低时急剧上升,导致冷却水完全蒸发时间的降低趋势增大。研究了不同熔融铝温度和冷却水初始体积条件下,冷却水与熔融铝表面接触后所产生的氢气体积,发现所收集到的氢气量与熔融铝温度成正比,而随着冷却水初始体积的增大呈先增大后逐渐趋于稳定的趋势。建立了反应中的产氢机制模型图,并对相关的物化机理进行了详细的分析。提出了蒸汽膜以及化学反应中生成的氢气在冷却水与熔融铝之间起到了“隔热层”的作用,其大幅降低了两者之间传热过程的剧烈程度,且其稳定性(厚度)较高故难以在自身不稳定性的作用下发生局部坍塌。因此,在两者的相互作用过程中始终无蒸汽爆炸现象出现。

摘要： 2022年全国报刊杂志征订工作已经开始，敬请向贵单位推荐订阅2022年《物理化学学报》。《物理化学学报》是由中国科学技术协会主管，中国化学会和北京大学共同主办，北京大学化学与分子工程学院学报编辑部编辑出版的学术刊物。设有“通讯”、“展望”、“专论”、“综述”、“论文”等栏目，报导物理化学学科及交叉学科的基础研究及应用研究的创新成果。

关键词： CO2捕集   柱撑   甜菜碱   传递通道   离子传递  

摘要： 膜分离技术作为新一代的碳捕集技术,具有经济、节能减排、高效便捷和设备体量小等优势,已经成为当前的研究热点。对于传统的聚合物膜而言,由于通量和选择性之间的trade-off效应,很难将气体的通量与选择性协调到最佳状态。为了克服这一重大挑战,越来越多的研究人员致力于开发新型的膜材料。二维纳米片目前被认为是一种有前途的高性能膜材料,因为它们可以通过堆叠在多孔支撑层上制备具有超薄选择性层（<100 nm）的膜。较薄的选择层有利于产生较高的通量,较规整的片层堆积产生的有序通道容易带来较高的选择性。气体传递纳米通道可以跨越或沿着纳米片创建,其低渗透阻力有助于实现较高的气体渗透性,因此,在有限膜厚范围内的传递通道构筑（包括物理化学结构协同调控,多重选择机制协同工作）,同时兼顾膜的加工性能是一项重大挑战。基于此,本文的主要研究内容与结论如下:（1）磺酸甜菜碱插层构筑CO2高效传递通道:本章合成了一种小分子磺酸甜菜碱,将磺酸根引入GO层间,发现其性能较GO膜有大幅提高（90°C,GO纯膜的CO2通量为898 GPU,选择性2.4,磺酸甜菜碱含量10%时,CO2通量2424 GPU,选择性61）,有水的情况下,磺酸甜菜碱上的阴阳离子可以在层间通道中创造双离子跳跃位点,控制沿途中和,从而提供促进CO2传递的离子通道,实现CO2高效传递。此外,将不同小分子插层的GO膜进行性能对比,发现加快质子传递对加快两性离子的介导有很大促进作用（90°C,羧酸甜菜碱含量10%时,CO2通量1931 GPU,选择性62）。然后对磺酸甜菜碱及哌嗪的比例进行调控,发现CO2的传递受反应选择机制及离子传递机制的协同控制,并最终通过离子传递强化促进传递（90°C,哌嗪含量10%时,CO2通量2219 GPU,选择性86,磺酸甜菜碱与哌嗪配比7:3时,90°C,CO2通量2591 GPU,选择性162.3）。最后通过压力实验发现离子传递可以有效减弱促进传递带来的“载体饱和”现象,从而得以有效发挥膜性能。（2）柱撑结构和甜菜碱插层协同构筑CO2高效传递通道:本章通过在GO层间原位生成量子点,对层间距进行精准调控。通过原位微波辅助缩聚的方法在层状膜内构筑量子点柱撑结构,并对该柱撑结构进行调控,通过增加膜内自由体积,构建有利于气体传递的膜结构。数据表明,填充量4wt%时该柱撑膜具有较好的性能（GO-4%QDs,60°C,CO2通量882 GPU,选择性10.5）,而加入两性离子后,膜内的物理结构与层间两性离子的化学环境协同作用,更有利于离子传递机制的发挥。90°C,羧酸甜菜碱插层的柱撑结构CO2通量4390 GPU,选择性61.8。插层磺酸甜菜碱后,CO2通量达到4780 GPU,选择性达到71。其次,探究了碳化度对膜性能的影响,发现随甘油含量的增加,CO2通量增加,90°C时,甘油含量1%时,插层磺酸甜菜碱后CO2通量5346 GPU,选择性81。当甘油与水的体积比为20%时,插层磺酸甜菜碱,CO2通量提高到10600 GPU,选择性55。通过对膜的物理结构以及化学环境进行调变,再次证明超薄膜离子化CO2传递通道物理化学结构的协同调控有助于实现较好的气体分离性能。