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1、答卷编号（参赛学校填写）：答卷编号（竞赛组委会填写）：论文题目：水污染物颗粒净化问题（F）组 别：本科生参赛学校：吉林化工学院报名序号：（可以不填）参赛队员信息（必填）：姓名参赛队员1盘清妮参赛队员2佟玉娇参赛队员3焦永婷答卷编号（竞赛组委会填写）:评阅情况（省赛评阅专家填写）:省赛评阅1:省赛评阅2：省赛评阅3：省赛评阅4：省赛评阅5：水污染物颗粒净化问题摘要水体受到人类或自然因素的影响，使水的感光性状、物理化学性质、化学 成分、生物组成及底质等产生了恶化，影响了水的使用价值。因此，水污染物颗 粒净化问题成为人们现在急需解决的问题。问题一，运用excel软件对附件中给定的数据拟合出粒径随时间
2、变化的曲 线和分布，求出了多项式公式y =-7.8e -20x6 +1.7e -15xT -1.4e -11xA4 + 5.8e - 8xA3 -0.0001x9 + 0.2276x +66.609 并由此可以得出污染物粒径随时间的变化趋势。问题二，通过所给的数据大致可以看出粒径随时间的变化，在一定时间内 随着粒径迅速增大，说明污染物颗粒的扩散速度很快。但达到一定时间后，粒径 不再增大，趋于一种平衡状态，说明该颗粒在没有特殊催化剂的作用下已经达到 了饱和状态，说明该测量方法在一定的时间范围内有一定的优点。但有些异常数 据在拟合曲线上是体现不出来的，由此可说明该测量方法在一定程度上是有一定 误差
3、的。问题三，通过纳米材料与纳米技术对水污染物进行检测与选择性消除，通 过附表中已给数据假定出符合该污染物的纳米材料的组成、形状、尺寸、孔径、 表面修饰、纳米特性与其在水污染物传感和去除方面性能的相关性，寻找其内在 规律性，构建半经验模型，最终达到净化污水的目的。关键词：excel软件，数据拟合，半经验模型，纳米技术，相关性，净化一、问题重述水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物 性污染三大类。水中杂质按尺寸分，可分为溶解物、胶体颗粒和悬浮物3种。有 些杂质可以用基于高浓度、外加计量反应试剂为基础的传统的物化方法（如沉降、 吸附、湿式氧化等）以及生化技术等进行处理。而对
4、于天然水体和饮用水中低浓 度、高毒性、难降解污染物（如多溴联苯醚、全氟辛酸（磺酸）、消毒副产物、内 分泌干扰物、PPCPs（抗生素）等）很难用前述传统的物化方法和生化技术等技术 进行处理，迫切需要提出建立新型的高效选择性检测和消除的原理和方法。附件中给定的数据是利用动态光反射仪器测量出水中某污染物粒径随时间 的变化值，请就给定的数据拟合出粒径随时间变化的曲线和分布，并就给定的数 据评价该测量方法的优缺点。分析天然水体和饮用水中低浓度、高毒性、难降解污染物，试建立模型说明 如何对这类的污染物进行处理，达到净化污水的目的。二、问题背景人类在经过漫长的奋斗历程后，在改造自然和发展社会经济方面取得了辉
5、煌 的业绩,与此同时,生态破坏与环境污染，对人类的生存和发展已构成了现实威 胁。如今，地球生态环境已被人类活动严重破坏，尤其是水的污染更为突出。人 类现在用水量越来越大，且污染也越来越严重，这就要求我们要保护水资源。我 们的水资源正在遭受各种污染的侵袭，水污染严重破坏生态环境、影响人类生存， 要想实现人类社会的可持续发展，首先要解决水污染问题。水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。对于天然水体和饮 用水中低浓度、高毒性、难降解污染物，很难用前述传统的物化方法和生化技术 等技术进行处理。因此，我们需要用纳米技术进行检测和消除。三、基本假设1. 忽略时期和温度等的影响。2. 污染物在较
6、短时间内能基本混合均匀。3. 水流量和水流速以恒定值流动。4假设模拟出的纳米材料仪器可用于此污染物。四、定义符号说明1.X:Time (s)2.y：Aggregati on Size (nm)3.R：相关指数4.e：自然常数5. pi ：反射光的功率6. p2:入射光的功率7. A：入射光的折射率8. B反射光的折射率9. a：入射角10. b:折射角11. R(dB):折射率五、模型的分析、建立与求解5.1给定的数据拟合出粒径随时间变化的曲线和分布下图为利用给定的数据拟合出的水中某种污染物粒径随时间变化的曲线和 分布。如图5-1所示，可以看出污染物的分布情况。+ Aggregatio n S
7、ize （nin 纳米）多项式 （Aggregati on Size （nm纳米）图5-1粒径随时间变化的拟合曲线及分布根据曲线拟合得出多项式：y =-7.8e -20x6 +1.7e -15xT -1.4e -11xA4 + 5.8e - 8xA3 -0.0001x9 + 0.2276x +66.609下图是用MATLAB对给定数据拟合出粒径随时间变化的分布，有图我们可以 明显看出粒径随时间的分布趋势。如图5-2所示。图5-2某污染物粒径随时间变化分布从0-2500秒左右该粒径随时间的变化有一定的规律，近似于一条光滑的曲 线，并且分布比较密集，集中在拟合曲线的附近，粒径增长速度很快，并且相对
8、 比较集中，说明污染物颗粒的扩散速度很快。自2500秒以后粒径随时间的变化分布比较散乱，有些异常数据出现了大幅 度的跳跃，这些散乱的点很难得出一条使它们都大致分布在其上的一条光滑曲 线。可以从分布图中看出随时间的增加，粒径的增长速度开始减慢，最终趋于了 一种平衡状态，说明了污染物颗粒的扩散速度减慢，最终达到了平衡状态。5.2就给定的数据评价该测量方法的优缺点5.2.1该测量方法的优点所有数据点都在该拟合曲线的附近，运用该拟合曲线可以消除所给数据的局 部波动，并且拟合曲线不要求所有数据点都在其上，该曲线可以反映数据的基本 趋势，它的实质是离散情况下的最佳平方逼近。根据数据可以知道粒径随时间变 化
9、是有一定规律的，并且由此规律可以大致的写出它的变化多项式，这就体现了 该测量方法具有一定的优点。动态放射仪是指光在介质传播过程中遇到折射率不同的介质面时产生的一 种现象，其反射光功率和放射率可用P和P2p = p ( A cos a-Bcosb)212 A cos a+B cos b折射率为：R（dB）R （dB ） = 101g也 C A cos a-Bcosb）2 p2 A cos a+B cos b动态光反射仪是根据光在介质中传播时出现菲涅耳反射和瑞利散射的机制 制成的，其工作原理如下，首先由激光器向测量物体发出激光脉冲，在光纤中产 生反射的散射光传回光纤端面，通过耦合器传送到光电探测器
10、上，将光信号转化 为电信号，再将电信号放大显示出来。对测量结果影响较大的参数是设定测量范围。脉宽和折射率，测量范围定得 太大，显示的范围就会太大，这样就不能利用仪器的测量精度。脉宽越小测量精 度就越高，但其能量越小测量时将会受到限制。从实验结果可以看出，正常情况 下由于光反射而引起的衰减非常小，颗粒变化不大，在光反射过程中没有发生故 障，则衰减的过程是均匀的几乎呈线性衰减，把光线内的能量衰减进行分段测量, 即得到每一个时段颗粒的粒径大小，用动态反射仪测污染物的粒径可以利用不同 粒径的形状大小来控制光反射的折射率脉宽测量范围，从而很精确的测量出粒径 的大小。利用动态放射仪测量数据的过程中。5.2
11、.2该测量方法的缺点有的数据波动很大，这样对函数的建立会造成很大的误差，很难将所有的点 连成一条光滑的曲线或直线，该测量方法的缺点是：1、能量（颗粒放射的光） 如果太小，在一定的衰减情况下，很容易彻底消失；2、在测量中脉冲宽度较宽 输出能量较大可测的距离较远，使事件的盲区较大，降低了分辨率和测试精度。 主要的误差是：一、仪器固有的误差。这是在仪器设计和制作过程中固有的，一旦仪器确定 就无法再改变。二、反光镜可能不洁净各种污点可能会导致物理性能下降从而引起测量误 差，这是日常工作中很常见的情况。三、仪器设置不当引起的误差，例如折射率设定不当引起的误差等等。5.3建立数学模型对这类水污染物进行处理
12、随着工业化的发展，水源地及饮用水安全形势越来越严峻，严重威胁着居民 的身体健康。传统的水质安全检测方法虽然有较高的精度和灵敏度，但检测步骤 复杂，费时费力。而且水体中的毒素成分繁多、复杂，很难实现同时检测多种毒 物。我国天然水体和饮用水中低浓度、高毒性、难降解污染物（如多溴联苯醚、全 氟辛酸（磺酸）、消毒副产物、内分泌干扰物、PPCPs（抗生素）等）很难用基于高浓 度、外加计量反应试剂为基础的传统的物化方法（如沉降、吸附、湿式氧化等）以 及生化技术等进行处理，迫切需要提出建立新型的高效选择性检测和消除的原 理和方法。因此我们应用纳米材料与纳米技术对水中低浓度、高毒性、难降解污 染物进行检测和选
13、择性消除。经过深入研究该原理的普适性和可行性，实现高效选择性地检测和消除新型 污染物的目的。选择性是贯穿本项目的主线，为实现选择性，研究必须做三方面 的工作。一是有针对性的筛选和制备纳米材料和纳米组装结构；二是研究纳米材料和纳米结构与典型目标污染物在表界面的相互作用和触 发反应的规律；三是以水中典型污染物为目标，依据选择性原理设计和制作纳米材料和组 装技术单元，完成单元技术集成和示范装置，并进行技术的效果和安全性评价。下图为研究思路总体设计图流程。如图5-3所示，纳米技术处理水污染总体设计思路。通过纳米材料与纳米技术对水污染物进行检测与选择性消除，通过附表中已 给数据假定出符合该污染物的纳米材
14、料的组成、形状、尺寸、孔径、表面修饰、 纳米特性与其在水污染物传感和去除方面性能的相关性，寻找其内在规律性，构 建半经验模型。分析预测纳米材料对此水污染物的除性能，从分子水平上深入理 解纳米传感机制及纳米催化、吸附等材料的界面反应机理，实现纳米净化剂功能 设计和调控。假设通过在第一问中拟合出的曲线恰好满足纳米材料的处理范围，然而又存 在很多奇异点，这样通过特殊的催化处理使那些不在处理范围内的颗粒也能够净 化，设计有序的金属、氧化物及半导体纳米线和纳米管阵列，通过在其表面修饰 不同纳米材料实现污染物的高效催化降解。设计以有序微孔结构为基础的复合材 料，使之具备很强的吸附功能，再将催化剂粒子均匀分
15、散到微孔结构中，使催化 反应能够在被吸附物富集的区域发生。因此，发展新型纳米分析材料的设计和合成方法，实现纳米材料尺寸、形状、 组成可控十分重要。针对不同的研究对象，采用水热合成、溶剂热合成、模板法、 微胶束法、热分解法、自组装法、湿化学、超声、微波、气相沉积法、电化学等 方法，制备出高质量单分散性好的纳米材料，所得到的纳米材料应具有高的反应 活性，较广泛的溶解性和较好的稳定性，便于进行化学修饰和功能化，以适应在 环境保护中的应用。纳米材料的多元化污染水体中含有各种低浓度、高毒性、难 降解的污染物质，不同污染物性质差异大，因此，它们的特异性检测和选择性去 除要求纳米材料制备的多元化。拟开展多种纳米材料的制备研究，包括金属，量 子点，氧化物、无机、有机杂化材料，纳米簇，硅基纳米材料、碳基纳米材料、 磁性纳米材料、多功能复合纳米材料等,并将其用于不同的分析对象和检测方法。 纳米材料制备的可控化深入研究纳米材料形成机理,优化控制合成方法并总结规 律，开拓和发展拥有自主知识产权的用于典型水污染物检测和治理的新型纳米材 料制备技术，建立对该体系结构参数可调控的新原理，新方法。纳米材料制备的 环境友好化以绿色合成和加工技术为导向，发展环境友好的纳米材料制备技术是 本项的一个基本考虑，
