Mitigating Impact of Devils Lake Flooding on the Sheyenne River Sulfate Concentration

Devils Lake is a terminal lake located in northeast North Dakota. Because of its glacial origin and accumulated salts from evaporation, the lake has a high concentration of sulfate compared to the surrounding water bodies. From 1993 to 2011, Devils Lake water levels rose by ~10 m, which flooded surrounding communities and increased the chance of an overspill to the Sheyenne River. To control the flooding, the State of North Dakota constructed two outlets to pump the lake water to the river. However, the pumped water has raised concerns about of water quality degradation and potential flooding risk of the Sheyenne River. To investigate these perceived impacts, a Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model was developed for the Sheyenne River and it was linked to a coupled SWAT and CE‐QUAL‐W2 model that was developed for Devils Lake in a previous study. While the current outlet schedule has attempted to maintain the total river discharge within the confines of a two‐year flood (36 m³/s), our simulation from 2012 to 2018 revealed that the diversion increased the Sheyenne River sulfate concentration from an average of 125 to >750 mg/L. Furthermore, a conceptual optimization model was developed with a goal of better preserving the water quality of the Sheyenne River while effectively mitigating the flooding of Devils Lake. The optimal solution provides a “win–win” outlet management that maintains the efficiency of the outlets while reducing the Sheyenne River sulfate concentration to ≤600 mg/L.     

核壳结构KNbO3@Co(OH)2的制备及其活化过一硫酸盐降解帕珠沙星的研究

制备了以KNbO₃为载体材料的Co（OH）₂复合材料并对其进行了详细的表征,分析了材料的组成成分、组成形态进而确定了其为核壳结构形貌的KNbO₃@Co（OH）₂.利用合成的样品作为催化剂活化过一硫酸盐（peroxymonosulfate,PMS）来降解帕珠沙星（pazufloxacin,PZF）,结果表明制备的催化剂对PZF的去除效率显著增加.讨论了不同初始PMS剂量对降解效率的影响,发现随着PMS增加可活化生成更多的硫酸根自由基（sulfate radicals,SO₄^·-）和羟基自由基（hydroxyl radicals,HO^·）来降解PZF,但继续增大PMS用量降解效率未见明显提升.酸性和中性pH值条件下利于反应活化PMS降解PZF,而碱性体系减缓反应,甚至强碱体系更易形成Co（OH）₂沉淀不利于反应体系中活性组分CoOH⁺的形成,大大抑制了催化性能.此外,在体系中加入淬灭剂叔丁醇（tert-Butanol,TBA）或者乙醇（ethanol,ETOH）进行自由基的淬灭实验,结果表明SO₄^·-自由基为体系降解PZF过程中主要贡献的自由基,而HO^·自由基的贡献较少.催化剂具有较好的稳定性5次循环之后仍能在10 min之内完全去除PZF.本研究提出了新的思路为制备其他载体的Co（OH）₂核壳结构提供参考依据,同时将该催化剂结合高级氧化技术应用到水体新兴有机污染物净化领域具有很好的应用前景.     

长三角背景点夏季大气PM2.5中水溶性无机离子污染特征及来源解析

为研究长三角背景点夏季PM_2.5污染特征,于2018年5月30日—8月15日在上海市崇明岛对PM_2.5样品进行昼夜采集,并对其中水溶性无机离子(Cl-、NO₃-、SO₄2-、Na+、NH₄+、K+、Mg2+、Ca2+)进行了分析.运用PSCF(潜在源贡献)方法判别污染物排放源区,并结合PCA(主成分分析)和PMF(正交矩阵因子)源解析探究PM_2.5来源.结果表明:①观测期间崇明岛ρ(PM_2.5)平均值为(33±21)μg/m3,低于GB 3095—2012《环境空气质量标准》一级标准限值(35 μg/m3),但在部分时段存在显著超标现象,ρ(PM_2.5)最高值在120 μg/m3以上.②水溶性无机离子质量浓度平均值为(14±9.3)μg/m3,占PM_2.5的42.4%,其中SNA(SO₄2-、NO₃-、NH₄+三者统称)为主要离子,占水溶性离子总质量浓度的85.7%.③n(NH₄+)/n(SO₄2-)(NH₄+与SO₄2-的摩尔浓度比)显示,清洁期〔ρ(PM_2.5) < 15 μg/m3〕呈贫铵状态,过渡期〔15≤ρ(PM_2.5)≤35 μg/m3〕和污染期〔ρ(PM_2.5)>35 μg/m3〕均呈富铵状态;过渡期SNA主要以NH₄HSO₄和NH₄NO₃形式存在,而污染期则主要以(NH₄)₂SO₄和NH₄NO₃形式存在.④通过对两次典型污染事件进行离子相关性分析和PSCF分析发现,E1污染事件(5月30日—6月8日)为局地生物质燃烧型污染事件,E2污染事件(7月23日—8月1日)为区域传输污染事件.源解析结果进一步表明,两次典型污染事件期间气态污染物的二次转化对PM_2.5的贡献最显著,贡献率分别为62.8%和59.8%;其次是生物质燃烧,其贡献率分别为32.5%和20.1%;E2污染事件期间海盐源对崇明岛PM_2.5贡献率较高(16.6%),远超过E1污染事件期间对PM_2.5的贡献率(2.7%).研究显示,区域输送对崇明岛PM_2.5有显著贡献,二次颗粒物累积是崇明岛PM_2.5超标的主要原因.      

新型防腐涂层对直升机典型结构材料防护性能研究

目的研究新型防腐涂层对直升机典型结构用铝合金及复合材料在热带海洋性气候环境下的防护性能,并与原防护涂层进行对比。方法通过测试涂层腐蚀后的形貌、光泽度、色差、电化学阻抗等,对比新/原涂层对直升机典型结构用铝合金和复合材料的防护性能。结果经过2年腐蚀后,新涂层表面无明显变化,而原涂层表面有轻微腐蚀,光泽度和色差下降较大。电化学阻抗测试表明,暴露前后涂层结构无明显变化,涂层阻抗值呈现持续下降的趋势,但是原涂层阻抗下降更快。结论新涂层对直升机典型铝合金和复合材料有更好的防护性,更加适于海洋性环境的使用。     

新型Fe3O4@α-MnO2活化过一硫酸盐降解水中偶氮染料

采用两步水热法制备了新型磁性纳米Fe₃O₄@α-MnO₂复合材料作为催化剂,用于活化过一硫酸盐（PMS）产生强氧化性的硫酸根自由基（SO₄^-·）氧化降解偶氮染料活性黑5（RBK5）.采用透射电子显微镜（TEM）,X射线粉末衍射仪（XRD）和振动样品磁强计（VSM）对制备的催化剂进行表征,证明成功合成了纳米α-MnO₂包覆Fe₃O₄形态的Fe₃O₄@α-MnO₂催化剂,催化剂的饱和磁化强度为39.89emu/g.Fe₃O₄@α-MnO₂催化剂活化PMS与单一的Fe₃O₄和α-MnO₂活化PMS相比,具有更高的催化效率,说明铁锰双金属存在协同作用.同时研究了催化剂的投加量、PMS的浓度和初始pH值等各种因素对RBK5的降解效率以及反应动力学的影响.实验结果表明,Fe₃O₄@α-MnO₂催化剂活化PMS降解RBK5的过程符合准一级反应动力学,在催化剂投加量为1.2g/L,PMS的浓度为4mmol/L,初始pH值为7.0,反应时间为60min的情况下,浓度为30mg/L的RBK5的降解效率可达到91%,此时RBK5的降解速率常数也达到最高值0.023min^-1.此外,通过加入自由基淬灭剂甲醇、叔丁醇和硝基苯判断了Fe₃O₄@α-MnO₂/PMS体系中起主要氧化降解作用的活性物种为SO₄^-·.     

7B04铝合金和30CrMnSiA钢短期腐蚀的电化学行为研究

目的研究7B04铝合金和30CrMnSiA合金钢试样的电化学性能。方法采用电化学实验、扫描电子显微镜(SEM)、腐蚀坑深度测试分别对7B04铝合金和30CrMnSiA合金钢试样在是否经过天然海水浸泡的情况下进行测试分析,得到微观腐蚀形貌和腐蚀坑深度以及试样表面不带锈和带锈时的电化学性能。结果随着Na Cl浓度增大,7B04铝合金和30CrMnSiA钢的自腐蚀电流变大,两者之间存在明显的电位差,接触后会发生电偶腐蚀。电偶电流与阴阳极面积比和Na Cl浓度有关,阴阳极面积比增大或Na Cl浓度升高均会导致电偶效应增强。经过海水短期浸泡后,7B04铝合金表面的锈层不仅没有起到抑制腐蚀的作用,反而使自腐蚀加重,但电偶效应确实有所减弱。结论沿海设备在使用过程中应竭力避免铝合金在锈层下工作。     

飞机用铝合金腐蚀行为和腐蚀预测研究现状及问题分析

针对不同的航空铝合金结构及部位,从腐蚀机理、腐蚀行为和腐蚀预测技术三方面较为系统地分析了研究现状及进展。在此基础上,明确了航空铝合金腐蚀预测技术需要进一步研究的问题,分别为飞机结构表面腐蚀环境的确定问题,材料在海洋大气环境下腐蚀电化学性能的准确测量问题,腐蚀预测模型的选取问题。     

硫酸盐还原菌对EH40焊接钢海水腐蚀的影响

目的研究无菌和SRB体系中EH40钢焊接接头的母材区、热影响区和焊缝区腐蚀差异。方法利用金相显微镜观察、失重法、电化学测试、扫描电镜和X射线光电子能谱仪等分析手段。结果焊缝区微观组织由块状铁素体(BLF)和魏氏组织(W)组成;热影响区可再分为粗晶区(CGHAZ)和细晶区(FGHAZ)两个区;母材区主要由BLF、AF和少量珠光体组成。在无菌对照体系中,焊缝区腐蚀速率为0.0026 mm/a,混合区次之,为0.0023 mm/a,母材区最小,为0.0019 mm/a。含SRB体系中,各区的腐蚀速率为:焊缝区(0.0037 mm/a)混合区(0.0034 mm/a)母材区(0.0030 mm/a)。热影响区腐蚀产物形貌粗大,点蚀孔也较大。结论焊缝区比母材区容易腐蚀,由此易造成小阳极大阴极加速腐蚀,热影响区容易发生点蚀。SRB能促进三个区域试样腐蚀加速。     

铝合金的实验室盐雾试验腐蚀行为图像特征提取

目的提取铝合金材料在盐雾箱试验中可以表征腐蚀程度的表面形貌图像特征量。方法首先,对采集于表面化学清洗过的试样原始图像进行图像增强等预处理,突出腐蚀部位;其次,基于数字图像处理的分形和小波分解方法提取出分形维数和小波能量特征值。结果与以质量损失量为基础的腐蚀深度特征值进行相关性对比,基于图像分析的特征提取法的准确度和精度比较高。结论该方法可以应用于对试样的腐蚀程度进行定性和定量分析,判断并预测试样的腐蚀速度。     

高强预腐蚀铝合金单轴拉-拉疲劳断口定量分析

目的通过断口定量分析获得7A09铝合金的疲劳裂纹扩展规律,为7A09铝合金结构的寿命评估提供依据。方法使用EXCO溶液对试验件进行预腐蚀,利用疲劳拉伸机进行疲劳加载直至断裂,使用扫描电镜对疲劳断口进行定量化分析。结果疲劳裂纹在试件的腐蚀坑处萌生,从自由界面附近向纵深发展导致试件的断裂。通过断口分析和Paris公式确定了裂纹的萌生寿命和扩展寿命。结论腐蚀之后的试件裂纹萌生寿命占总寿命的比例下降,当裂纹扩展程度较大之后,受腐蚀影响减轻,得出裂纹扩展速率和应力强度因子的关系。