表面化学处理方法

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表面化学处理方法范文第1篇

矿产资源开发利用中,矿物分离与富集的依据是有用矿物与脉石矿物之间的物理化学性质差异。这种物理化学性质指的是矿物比重、磁性、电性、表面化学性质等,与这些性质对应的矿物分离与富集方法分别是重力选矿、磁电选矿、浮选等。利用重力选矿和磁电选矿分离与富集矿物的方法受到矿物比重、磁性和电性难以改变的限制,应用范围相对较窄,而矿物表面性质可以通过人为改变,对应的浮选在矿物加工工程得到广泛的应用。可以说,所有的矿物都可以通过浮选方法进行分离与富集。正是由于浮选成为矿物分离与富集应用最为广泛的方法,而浮选的理论基础又是化学,所以化学是矿物加工工程学科的重要基础成为公认的事实,浮选作为矿物加工的主要方法,本身就是化学在矿物加工工程学科中的一种应用,因此,化学教育在矿物加工工程学科的基础理论教育中占有非常重要的地位。矿物和岩石是自然界中天然形成的,具有固定组成的固体化合物,由于成分不同、成矿条件不同,不同的矿物表面性质是不同的,即使相同组成的矿物,由于成矿地点和成矿条件不同也会具有不同的表面性质。对于浮选分离矿物而言,不同的矿物表面性质又有相似之处,矿物与岩石之间、矿物与矿物之间、岩石与岩石之间的表面性质异同,成为浮选分离与富集这些矿物的根本依据。浮选工程中,矿物与岩石的表面性质可以根据需要人为调节和改变,从而扩大需要分离的矿物之间的表面性质差异,实现矿物之间的有效分离。化学是学生需要学习的基础课程,从初中开始,就涉及到化学的学习,直到博士研究生,化学仍然是矿物加工工程学科学生需要继续学习的课程。甚至作为高层次的矿物加工工程学科的教授专家,仍在不间断的学习化学。化学与浮选是不可分的,可以说,无论多么深厚的化学知识,都不能说对于浮选已经足够了。化学有多深奥,浮选就有多深奥。矿物加工工程学科人才培养过程中,化学教育是根本之一,不同层次的人才对应不同程度的化学教育。只有重视化学教育,才能做好矿物加工学科的人才培养。

1浮选是化学在矿物加工工程中的应用

无机化学研究元素、单质和无机化合物的来源、制备、结构、性质、变化和应用的一门化学,是化学中最古老的化学分支学科。浮选的对象为矿物岩石,本身就是无机物,矿物的表面性质决定于矿物本身的结构和性质,矿物表面性质的研究离不开矿物内部组成、结构及性质的研究。矿物与岩石的研究将涉及无机化学的所有领域与内容,无机化学成为矿物加工工程学科学生的必修课程。有机化学又称为碳化合物的化学,是研究有机化合物的结构、性质、制备的学科,是化学中极重要的一个分支。含碳化合物被称为有机化合物是因为以往的化学家们认为含碳物质一定要由生物(有机体)才能制造;然而在1828年的时候,德国化学家弗里德里希•维勒,在实验室中成功合成尿素(一种生物分子),自此以后有机化学便脱离传统所定义的范围,扩大为含碳物质的化学。矿物浮选是通过改变矿物表面的疏水性来实现的,而增加矿物表面疏水性的方法是采用含烃基的异极性分子在矿物表面吸附,含烃基的异极性分子就是典型的有机物质分子,研究捕收剂、起泡剂等浮选药剂,将涉及广泛的有机化学。有机化学也是矿物加工工程学科学生的必修课程。物理化学的内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质,以热力学的三个基本定律为理论基础,研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础,研究原子和分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。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体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。物理化学是一门内容丰富,外延广阔的化学,浮选涉及的矿物岩石、矿浆溶液、有机分子以及泡沫浮选气体介质与矿物之间的相互作用等等,都涉及到物理化学。物理化学在矿物加工工程本科课程设置,占有最多的学时数,分两学期学习,是矿物加工工程学科至关重要的一门化学课程。物理化学学习好坏直接关系到浮选学习。物理化学也是矿物加工工程学科研究生入学考试的必考课程。分析化学的内容主要是:物质中元素、基团的定性分析;每种成分的数量或物质纯度的定量分析;物质中原子彼此联结而成分子和在空间排列的结构和立体分析。研究对象从单质到复杂的混合物和大分子化合物,从无机物到有机物,从低分子量到高分子量。样品可以是气态、液态和固态。称样重量可由100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的残渣测定,只取10微克样品,便属于超微量分析。所用仪器从试管直到附自动化设备并用电子计算机程序控制、记录和储存等的高级仪器。分析化学以化学基本理论和实验技术为基础,并吸收物理、生物、统计、电子计算机、自动化等方面的知识以充实本身的内容,从而解决科学、技术所提出的各种分析问题。矿物加工工程学科涉及的矿物岩石、溶液、有机和无机药剂、矿物加工原料及产品都需要通过分析检测得以定性或定量的描述,理论研究过程中的仪器分析检测,对矿物加工过程中的行为机理也才能进行研究和了解,所以矿物加工也与分析化学密切相关。矿物加工工程学科课程设置中,在本科阶段或者在研究生阶段需要对分析化学进行系统学习。结构化学、高分子化学、络合物化学、电化学、量子化学等是比以上四大化学更加细化的化学分支方向,在进行矿物浮选研究中,针对具体的研究内容和目的,不同程度地将涉及到这些更加深入和细化的内容。为了使化学与矿物加工工程学科结合的更加紧密,在研究生阶段还开设了浮选表面化学、浮选药剂化学、浮选电化学、浮选溶液化学等。尽管在矿物加工工程学科不同阶段开设了大量的化学课程，涉及的化学内容几乎涵盖了化学领域的所有内容，但对浮选的深入研究和理解仍然不够。矿物浮选发展至今，还有大量的浮选理论问题没有解决，浮选工艺的水平还有待提升，进一步强化化学教育和矿物浮选化学研究对矿物浮选的发展具有重要的基础作用。

2各层次人才培养中的化学教育

以技术工人为培养目标的中专和职业教育,由于生源大多是初中和高中毕业生,化学知识非常有限,仅对一些化学基础知识有所了解,特别是初中文化水平的学生,只能了解一些初步的化学现象,因此,在进行矿物加工专业知识教学的过程中,必须补充一些学习浮选技术必要的化学知识。这种化学知识的补充,可以贯穿在专业知识的学习过程中,也可以单独开设简单的化学课程。只有在学生初步了解和掌握了浮选技术必备的基本化学知识以后,浮选技术专业课程的教学才能有效开展,学生也才能真正理解矿物浮选的技术知识。对于以生产技术管理和技术应为目标的专科和本科教育,系统的课程设置已经考虑了化学对矿物加工工程的重要性,无机化学、有机化学、物理化学都是必修课程,学时数占到专业基础课程学时数很大的比例,经过系统的化学知识的学习,学生在学习浮选专业课程时,已经能够较深入理解矿物浮选中的化学问题,也能较好掌握浮选理论和浮选工艺专业知识。在生产技术管理和技术应用过程中,也基本能根据矿石性质的变化,应用所学到的化学知识和浮选理论,分析解决生产过程中出现的一般性的技术问题。以科学研究为目标的研究生教育,为了使学生能够从生产中发现和解决生产技术问题,具备独立从事矿物加工工程领域科学研究的能力,在大学期间学习无机化学、有机化学、物理化学的基础上,还需要进一步学习分析化学。通过分析化学的学习,可以让研究生掌握常规的分析检测技术,了解和掌握科学研究过程中所要使用的现代检测手段,发现、分析和研究试验过程中获得的数据、结果,从而解决科学技术问题。对于博士研究生,是要让他们更深层次理解矿物浮选的机理,培养其创新精神和意识,为此,从电子、原子、分子层面上理解矿物浮选理论是必要的,所以,在已经较好掌握了无机化学、有机化学、物理化学、分析化学的基础上,量子化学的学习和了解对于博士研究生来说是需要的。从以上的分析可知,浮选跟化学是不可分的,浮选实际上就是应用化学的一部分。无论是技术操作工人,还是从而浮选理论研究的博士研究生,不同程度都必须将化学作为基础,没有相应的化学基础,从事浮选技术应用、技术开发及浮选理论研究都是难以想象的。化学是浮选的基础,浮选是矿物加工工程最重要的方法,因而矿物加工工程学科的化学教育是极端重要的。

3重视矿物加工工程学科的化学教育

矿产资源是不可再生的,随着矿产资源的不断开发利用,资源枯竭已经成为制约社会和经济发展的重要问题之一,资源高效利用成为矿产资源开发与利用必须坚持的原则。如何实现资源的高效利用,显然矿物加工先进技术的开发与利用是实现资源高效的重要支撑。矿物加工工程中,浮选是最为主要的方法,而化学优势浮选的基础,通过浮选回收和利用矿产资源,实际上就是利用化学或者表面化学方法回收和利用矿产资源。重视矿物加工工程学科的化学教育问题,才可能从根本上提高人才质量,才能从源头上解决矿产资源高效利用的根本问题。矿产资源开采出来以后,多种资源共伴生,性质复杂,给资源中各种矿物的分离与富集带来了很多困难,为了实现资源的综合利用,只要有价值的矿物,都要进行回收,此时,这种矿物的物理化学性质研究,通过化学的方式改变各种矿物的性质,扩大彼此间性质的差异就成为矿物加工工程学科的重要课题,而所使用的方法基本上都是化学的方法,所以,矿物加工工程学科中的化学,决定着矿产资源的综合利用,也只有重视矿物加工工程学科的化学教育问题,才可能从根本上提高人才质量,才能从源头上解决矿产资源综合利用的根本问题。矿产资源天然形成的,其中的组分有的是对人类社会有益的,但同样存在对人类社会有害的组分,在矿产资源回收利用过程中,高效、综合回收有益组分的同时,处理好有害成分也是矿物加工工程学科的任务。只有解决了有害组分的处理,使得矿物加工过程中和矿物加工以后剩下来无用组分无害于人类和社会,矿产资源才能实现清洁利用。矿产资源中有害组分的处理,首先也必须掌握这些组分的性质,然后通过化学的、物理的方法对其进行分离、无害化处理等,而这些过程也与化学密切相关,所以,矿产资源的清洁利用也离不开化学。矿物加工工程学科的化学教育也是矿产资源清洁利用所要求的。矿物加工过程大都需要将矿石磨细,使矿石中的有用矿物与脉石矿物解离,而有用矿物与脉石矿物的分离大多是在水中进行的,矿物加工工程废水排放成为影响环境的重要问题。当今的矿物加工工程领域,要求选矿废水零排放,确保废水对环境不造成影响。废水零排放意味着废水必须回用,而废水回用将带来对选矿技术指标产生影响的问题,为了尽可能不是回水影响选矿技术指标,必须对回水进行性质研究,有的还要进行适当的化学处理,无论是回水性质的研究和回水的化学处理,都需要涉及化学知识,所以,矿物加工过程中废水对环境的影响、废水回用的处理等都直接与化学相关。矿物加工的环境问题也要求矿物加工工程学科重视化学教育。矿物加工过程中,做好了资源高效、综合、清洁利用,做好了废水的循环利用和实现了废水的零排放,就能实现矿产资源开发利用的可持续发展,而矿产资源高效、综合、清洁利用与废水处理均与化学密切相关,由此看出化学在矿物加工工程领域的重要性,重视化学教育是矿物加工工程学科的必然要求。

表面化学处理方法范文第2篇

关键词：艺工结合 金属着色 化学实验 理性思维 表现力 创造力

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一、课程简述

在北京服装学院珠宝首饰专业首饰设计与制作的教学实践中，笔者作为艺术类的任课教师，邀请本校材料科学与工程学院的工科类的教师一起承当首饰设计与制作的实验教学工作，应该说，这种艺工结合的教学实践在国内还是不多见的，原因在于，其一：目前我国艺术类高校中，所设置的专业基本为纯艺术类或艺术设计类；其二：长期以来所形成的“封闭式”的教学模式降低了“交叉教学”的可能性；其三：不同专业背景的学生面对同一课程，可能会产生截然不同的反应和作用力，从而造成教学结果的不可控性。

不过，近年来，随着跨界、交叉与互动等等教学理念的甚嚣尘上，不少高校在实际的教学实践中，逐步摒弃门户之见，倒也或多或少地实现了多部门、多学科、多专业之间的互通有无以及交叉教学。正是在这种大势之下，笔者组织了一次为期四周的、艺工结合的教学实践，在此次教学实践中，分别由艺术类和工科类教师承当教学讲解和指导，学生共60名，其组成如下：40名首饰设计专业的学生以及20名其他专业的学生。这20名其他专业的学生包括应用化学专业、轻化专业、服装工程专业、高分子专业，以及皮革专业的学生，其构成较为复杂，但均为工科类学生。课程中，60名学生分为10个组，每组6人，分别由4位艺术类学生和2位工科类学生组成。本次课程以首饰常用金属表面的化学处理工艺的试验为实践内容，探索对纯金、白金、K金、纯银、标准银、钛金属、铜材、新型高分子、水玻璃等首饰常用金属材料进行表面化学处理。目的在于教学实践中，用化学实验来开创金属表面处理的新工艺，并用这些新工艺来设计和制作具有创造性的现代首饰作品。

二、金属着色化学实验阶段

本次实验教学主要分为两个阶段进行，第一阶段以金属着色化学实验为主、教师的讲授为辅；第二阶段为具体的首饰作品的设计制作阶段。在第一阶段中，两名来自于不同专业的教师分别给学生上课，讲授金属表面着色化学实验方法、金属着色处理的相关工艺流程，以及如何运用相关工艺来设计制作首饰作品。课堂分成10个小组，每组6人，每个小组都有艺工专业的学生。各小组可根据自身的兴趣点来选择不同的试验对象和手段，充分发挥团队合作精神，共同实验，获取实验数据和图片资料。教师亦参与到小组的实验中去，进行具体辅导。这个阶段主要解决的问题在于实验数据和金属表面处理效果的对应，使试验结果经得起反复操作的检验，从而形成操作规范。

不可否认的是，在这个阶段中，起主导作用的是工科类的学生，由于具有一定的化学实验知识，他们懂得如何正确使用相关的化学实验仪器、器具，并且完全可以按照正确的操作规范来进行一系列的化学实验，从而获得规范的实验结果。

实验之初，学生通过前期的资料收集工作，准备了大量的化学试剂，并确立了实验目标。应该说，这个过程中，艺术类的学生也是功不可没，他们从艺术表现这个方面，积极提供首饰用金属材料的表面着色的色系，并在短时间之内，通过网络、杂志、书籍等媒介，掌握了一定的金属着色的理论知识，为接下来的金属着色化学实验打下了良好的基础。

实验中，学生尝试了现代首饰常用金属如：白银、黄铜、紫铜、钛金等金属的着色实验，使用硫化钾、硫化钠、硝酸铜、硝酸铁、高锰酸钾、硫酸亚铁、氯化钠、氯化铵、硫代硫酸钠等等化学试剂，甚至受到艺术类学生创造性思维的影响，动用一些纯天然的、或者在日常生活中司空见惯的物质来进行着色实验，如：香椿树汁、臭鸡蛋、可乐饮料等等。这些实验有成功的，也有失败的，无论成败，都有数据和实验过程的记录，可为进一步的实验探索做好铺垫。

三、艺工结合的设计制作阶段

有了先期成功的实验结果作为依据，学生已经掌握了一定量的金属着色工艺技能，首饰常用金属的着色工艺已见雏形。应该说，此时，对于大多数学生来讲，金属着色实验的结果还是比较新鲜的，大家从未想过，金属还能以如此五彩缤纷的面貌展现在世人面前，所以，大家的创作冲动空前旺盛，设计思维相当活跃，冒出了许多有意思的想法。

毋庸置疑的是，这个阶段艺术类学生已然占据了主导地位。凭借多年培养起来的艺术素质、首饰设计行业眼光以及较为扎实的艺术造型能力，艺术类的学生不出意外地承担了大部分的设计和制作任务，在作品制作阶段，首饰设计专业的学生由于接受过首饰制作工艺的专业训练，他们较为清楚作品的制作流程以及工艺的可操作性，知道设计稿在多大的程度上能够转化为现实的成品。尽管还有些磕磕碰碰，但首饰专业的学生能够在这个阶段取得主导地位，也是不足为奇的。

然而，工科类的学生在作品设计之初并没有袖手旁观，由于每一个小组都由艺术类和工科类的学生组成，每一个小组只需设计一套某主题的系列首饰作品，所以，小组的成员都要对系列作品的设计稿出谋划策，有权利提出自己对设计主题的理解，并对作品的造型提出自己的看法。工科类学生虽然缺乏专业的造型训练，也没有多少首饰行业知识，但正因为此，他们提出的许多想法对于首饰专业的学生来说，却是全新的、带有启发性的。即便是在作品的造型方面，工科类学生画出的设计草图往往非同寻常，有的设计图甚至让人耳目一新，只不过，他们的设计图带有很强的主观臆断性，因为不懂得首饰制作工艺，所以，他们许多的设计图都是难以实现或者无法实现的。此处可见首饰设计相关专业规律的重要性，换言之，首饰制作工艺是首饰设计的根本保证，没有具体的加工工艺作为支持，再好的设计图也只不过是一张装饰画而已。

四、艺工结合教学的启发

实际上，在艺术设计界，所谓“跨界”的例子并不鲜见，我们经常会听到一些趣事，比如：某某电影导演一直从事绘画艺术，其绘画造诣还挺高；某著名建筑师也曾参与服装设计等等。在首饰设计界，这样的例子也不少，有雕塑家、画家、电影演员从事首饰设计的，也有会计师、律师从事首饰设计的。这些例子，说明行业之间的“藩篱”并非牢不可破，相反，由“跨界”而引发的设计反而更有新意，更能引起人们的兴趣。故而，所谓“艺工结合”的设计教学实际上是完全有必要的，也是开发创新型设计人才、拓展设计视野的一大途经。

此次的艺工结合教学，不仅对任课教师是一次挑战和机遇，最主要的，是解放了学生的设计思维，使学生能够认识到，无论是理性还是感性的思维模式，对于首饰设计都是不可或缺的创作源泉，理性与感性，只不过设计思维的互补。

可以说，这次教学实践带来的启发如下：

（一）严谨的实验带来艺术表现力的拓展

我们知道，在传统的首饰设计中，或者一部分现代的首饰作品中，使用金属的固有色来制作首饰是十分普遍的做法，这种做法源于贵金属的价值符号的限制，以及加工技术条件的限制。而随着现代首饰设计对个性观念表达的加强，金属的固有色在艺术表现力方面显得捉襟见肘，无法继续满足设计者和佩戴者的需要了。

艺工结合的设计教学，以金属着色化学实验作为先导，经过严谨的实验，我们获得了不少了实验数据，最重要的，是实现了首饰常用金属的可重复性着色，这种着色法获得的颜色具有一定的色牢度，色谱较广，色彩度较为鲜明，达到了首饰加工的要求，完全能够满足金属首饰创作的需要，从而极大地拓展了首饰常用金属的艺术表现力。而这些实验的开展，如果仅仅依靠艺术类学生来操作，恐怕是难以达到既定目标的。

（二）首饰制作的程序化、系统化

一般来讲，艺术类学生从首饰设计之初，到完成作品的制作，整个过程会相对松散，尤其是在设计阶段，艺术类学生天马行空的思维惯性往往左右了设计作品的整体面貌。进入到制作环节，这种感性的操作方式渐渐露出弊端，具体的体现就是制作程序的混乱、加工工艺选择的随意性。由此产生的结果就是不得不频繁地修改原先的设计稿，强行使之适应当下的加工条件和制作程序，最终导致成品与设计稿发生偏离，最初的设计想法没有得到充分体现。

然而，由于有了工科类的同学的参与，课程中的设计作品的制作显得井然有序，从材料的选择、模型的制作、加工进程的控制和调整等等方面，都呈现出有条不紊的特点，每一个设计小组都制定了严密的加工制作程序，并由此展开系列化的操作，这样，最终的首饰作品虽然少了一些即兴的东西，但却为首饰作品的成本核算以及批量制作提供了可能。

（三）具有创造活力的理性思维

表面化学处理方法范文第3篇

关键词：城市污水；下水道管渠；中小城镇

中图分类号： U664.9文献标识码： A

随着未来我国中小城镇经济快速发展，污水的排放量也会迅速增长，这势必加剧我国水环境的恶化程度。因此，中小城镇污水处理也应该引起人们足够的重视。由于，经济发展水平、排水体制、基础资料、融资渠道等有很大的差异，所以不可能也不应该把大城市的污水处理工艺、技术装备等搬用到中、小城镇中去。

1 我国城镇污水处理的现状

长期以来，我国城镇污水处理面临着污水处理技术落后、资金短缺、投资力度不够、管理水平低等一系列问题，中小城镇的污水处理设施急切需要进行改革。针对传统污水处理方法中存在的问题，提出了污水处理技术的发展方向是高效率、低能耗。作为中小城镇，高效率、低能耗的污水处理技术应具有以下特点：总投资省、运行费用低、抗冲击负荷能力强、管理简便、运行稳定、维修方便、占地省。

现阶段我国已有简易、高效、低能耗的污水处理技术如下：强化一级处理技术；城市污水生态工程处理技术；高负荷城市污水生物化学处理技术；厌氧及不完全厌氧处理技术；高负荷生物曝气滤池。这些技术与中小城镇目前的经济和技术发展水平相比，依然存在投资大、占地大、技术水平要求高等问题。因此，研究开发基建投资省、效率高、能耗低、运行管理简便的实用型污水处理技术就成为我国水污染防治的当务之急。

2国内外对下水道内处理污水技术的研究

2.1压力式下水道处理污水技术的研究

将压力管道作为处理系统使用的观点源自为了防止管网和处理设施受腐蚀所进行的降低气体生成量的试验所取得的成果。英国的一项工程应用研究表明，夏季在长8km、直径750mm的压力管道内每天充入足量的空气，在管道内停留2.5h后，成功地将43000的污水中BO降低了50％左右，在冬季，也能维持在30％以上。同时通过比较研究还发现，如果采用将处理厂的规模扩大的方式得到相同的出水水质，则需要将污水处理厂的规模扩大50％，而且扩大规模后每年仅消耗在曝气系统上的运行费用就比采用直接对管道进行充氧的方式高出24倍[1]。

在美国的加利福亚某地，利用了压力式管道作为生物处理设备，在污水进入压力管道前，先经过活性污泥活化器处理，再将活化后的混合液送入压力管道并充以高压氧气，管道出水经过浮选、砂滤后即可回用。该管道处理法与普通活性污泥法相比，造价可以节约近40％，运转费大大降低[2]。

2.2利用重力式下水道处理污水技术的研究

Bjerre[3]等人在1995年通过调查发现：无论在有氧或无氧条件下，均会发生有机物质的生物转化，这种转化与水中的生物量、管壁生物膜和管中沉淀物有关，对易生物降解的有机物的去除、转化是与溶解氧浓度密切相关的。

Raunkjaer[4]曾经利用污水中的BOD5的作为考察指标，在重力下水道内考察了污水中BOD5的变化，结果表明:在25℃，BOD5去除率达到30%一40%。

M.Green[5]等人在1985年采用SBR生物反应器模拟了DAN REGION的污水管道处理系统，系统形成了“分段进水推流式好氧污水处理装置”。试验结果表明，该系统能够充分利用分段进水反应器和推流式反应器的优点，其COD去除率达到了79%～80.8%，BOD的去除率达到了85%～93%，最终出水BOD低于25mg/L。通过经济分析可知，利用重力式管道系统处理污水的基建投资比普通活性污泥法要节省50%以上。

陈辅利[6]等人曾在排水明渠内放置特制载体增加沟渠中的微生物量，并以加快明渠污水反应速度的方式进行了试验，还分别在试验室和某天然河渠内对沟渠处理污水的工艺、效率、抗冲刷能力等进行了试验，试验结果表明：在1.5h内COD去除效率可以达到80%以上。

3下水道内生物膜的形成及状态分析

3.1下水道内生物膜的形成

下水道管渠内壁生物膜的形成过程可以分为4个阶段:有机物吸附；微生物粘附；微生物群集；生物膜扩散。当污水进入下水道管渠后，不同材料制成的污水管道与进入管渠的原污水接触，水中的各种物质如蛋白质、细菌微生物、聚多糖等都可能通过疏水作用，发生表面化合反应等吸附到下水道管渠的内壁。在下水道管渠内流动的污水中富含各种各样的微生物和有机质，受范德华力和静电力的相互作用，在氢键、偶极矩、色散力等理化作用力的控制下，部分个体与下水道管渠内壁接触，进而发生粘附。

当下水道管渠中的微生物和有机质与管渠内壁接触并发生粘附的开始阶段，下水道附生微生物斑块状散布在管渠内壁上。由于数量少，加上流动水体不断的“运送”各种营养物质，微生物分裂增生速度快。当微生物的粘附速度超过微生物的降解速度时，粘附管壁生物量就不断增加，形成的菌落或细胞群体连接成片，相对均匀地覆盖存管道内壁，形成生物膜。

3.2下水道管渠内壁生物膜的状态分析

下水道管渠内壁生物膜是一个复杂的微生物系统，主要表现在以下几个方面：不同深度处的膜的密度是不一样的，在生物膜生长期，膜的密度较大，到达临界厚度后相对稳定在一个低值；下水道管渠内壁生物膜是相对固定的膜系统，通过激光扫描下水道生物膜的二维结构，发现下水道管渠内壁生物膜的种群密度和生物活性相对稳定；形成下水道管渠内壁生物膜的细菌微生物分泌细胞外聚合物的能力很强，下水道生物膜在生长初期生物量很小，随着时间延长，生物量逐渐积累并维持在一个相对稳定的水平；当膜生长达到一定厚度后，由于下水道水流及较大的阻力等原因而阻止了基质、溶解氧向其纵深的扩散传递，当生物膜超过一定厚度后，其内部将出现厌氧区，在膜深处出现缺氧状况，可能影响生物膜的活性。

结束语

对目前尚未建污水厂的中、小城镇，可以在有限的资金投入情况下改善水环境污染状况，并且有利于减小今后新建污水处理厂的规模。对于那些已建有污水处理厂的城镇，则可用以缓解污水厂超负荷运转的压力。与传统城镇污水处理技术相比，该工艺无论是在经济还是环境效益上均有较大的优势。

参考文献：

[1]A W kennil water pollution control Teehnology l965

[2]王彩霞主编,城市污水处理新技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1990

[3] Elmaleh S,Delgado S,Alvarez M,et al.Forecasting of H2S build-upin a reclaimedwastewater pipe[J].Water Science & Technology,1998,38(10):241-247.

[4]Raunkjaer K,HvitVed-JacobsenT,Nielsen PH.Transformation of organic matter in a Gravity sewer.Wat.Env.&Res 1995:VoI.67 No.2.

表面化学处理方法范文第4篇

引言

在工农业生产和科学研究中，经常需要做大量试验，以求达到预期的目的。例如在工农业生产中希望通过试验达到高质、优产、低消耗，特别是在新产品试验中，由于未知的因素很多，需要通过试验来摸索工艺和条件，在这种情况下，试验设计安排妥当与否，直接影响着研究进度与效果。试验设计得好，会事半功倍;反之会事倍功半，甚至劳而无功。如何安排实验能够使实验次数少且实验效果好，就成了人们比较关心的问题。这里就涉及到试验优化设计的问题。所谓试验优化，是指在最优化思想的指导下进行最优设计的一种优化方法。它从不同的优良性出发，合理设计试验方案，有效控制试验干扰，科学处理试验数据，全面进行优化分析，直接实现优化目标。试验优化已成为现代化技术的一个重要方面，析因设计、正交设计、均匀设计及响应面设计是试验优化设计中最常用的几种方法。本文针对这4种优化方法的概念、应用及优缺点等方面进行对比性阐述。

1析因设计

1．1析因设计的定义和特点完全随机、随机区组、拉丁方设计资料的方差分析，均只能分析各因素水平间的差异有无显著性［1］，在医药、食品研究中常用到实验中涉及到的两因素有交互作用，这时采用析因设计比较好。析因设计是一种多因素多水平的交叉分组进行全面试验的设计方法。它不仅可检验每个因素各水平间的差异，研究2个或2个以上因素的主效应，而且可检验各因素间的交互作用，通过比较各种组合，可以找出最佳组合［2］。它是一种全面的高统计效率的设计，当因素数目和水平数都不太大，且效应与因素之间的关系比较复杂时，常常采用该种设计。例:在评价药物疗效时，除需知道A药和B药各剂量的疗效外(主效应)，还需知道两种药同时使用的交互效应。析因设计及相应的方差分析能分析药物的单独效应、主效应和交互效应。

1．2析因设计表析因设计数据处理均采用方差分析，析因设计对各因素不同水平的全部组合进行试验，故具有全面性和均衡性;析因设计可以提供三方面的重要信息:各因素不同水平的效应大小;各因素间的交互作用;通过比较各种组合，找出最佳组合。通过合理的设计表，对得到的数据进行方差分析，可以求出主效应和交互效应，一般分为:正交互效应(协同作用)———两因素联合(共同)作用大于其单独作用之和;负交互作用(拮抗作用)———两因素联合作用小于其单独作用之和。常用的析因设计表如表1～3所示。

1．3析因设计的优缺点析因设计的优点之一是可以用来分析全部主效应(即各个单因素的作用)和因素之间的各级交互作用的效应(即任何两个因素之间的交互作用效应、任何三个因素之间的交互作用效应等)的大小［3］;但有时高阶交互作用是很难解释的，实际工作中常只考虑一、二阶交互作用。析因设计与完全随机设计是有区别的，完全随机析因设计与完全随机设计表面类似，但是其设计理念不同、方差分析方法不同。完全随机设计为单因素设计，不能分析因素间交互作用，析因设计为多因素设计，可以分析交互作用。将析因设计的资料做完全随机设计的方差分析，会掩盖交互作用，得出错误的结论。析因设计比单处理因素设计能提供更多的实验信息，效率高，从得到的信息来看，它节省了组数和例数，可用来分析全部因素的主效应，以及因素间各级的交互作用，在医学上可以用于筛选最佳治疗方案、药物配方、实验条件等研究。缺点是由于所需要的实验次数很多(因该设计的原名也叫做“有重复实验的全因子设计”)，故因素过多或因素的水平数过多时，所需要的实验次数太多，研究者常无法承受。当考虑的因素增加时，试验组数呈几何倍数增加，所需试验的次数很多，不但计算复杂，而且给众多交互作用的解释带来困难(比如，4个因素各3个水平的处理数为34=81种)。因此，当因素与水平数都较多时，一般不采用完全交叉分组的析因设计，而采用正交设计。

2正交设计

2．1正交设计的原理正交试验设计是试验优化的一种常用技术。它是建立在概率论、数量统计和实践经验的基础上，运用标准化正交表安排试验方案，并对结果进行计算分析，从而快速找到最优试验方案的一种设计方法［4］。正交试验设计较之于析因设计的优点在于它大大减少了试验次数，提高了工作效率。它的优点来自于它的特点，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些点并不是随便找的点，而是一些具备“均匀分散、齐整可比”的点。然后我们通过对代表性点的试验进行结果分析，进而推广到整体试验，以实现工艺的优化。

2．2正交设计表如何保证正交试验点的均匀分散性和齐整可比性就成了正交设计的关键，这就涉及到正交表的设计和选取。正交表是将正交试验选择的各种水平组合列成表格，然后在具体的设计时，参照表格安排试验方案［5］。正交表是一整套规则的设计表格，用Ln(tq)表示，其中:L为正交表的代号;n为试验的次数;t为水平数;q为列数，也就是可能安排最多的因素个数。例如L9(34)，它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平(见表4)。一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表，如L8(4×25)，此表的5列中，有1列为4水平，4列为2水平。正交表的出现使得试验设计标准化了，从正交表中，我们可以确定出因素的主次效应顺序，同时也可以运用方差分析对试验数据进行分析，分析出各因素对指标的影响程度，从而找出优化条件或最优组合来安排试验。

2．3正交设计的优缺点正交试验设计由于其诸多优点而被广泛应用于科研中。正交设计使用上按表格安排试验，比较方便;其布点均衡，试验次数减少;它能保证主要因素的各种可能都不会漏掉;它能提供一种分析结果(包括交互作用)的方法，结果直观容易分析，且每个试验水平都重复相同次数，可以消除部分试验误差的干扰;因其具有正交性，易于分析出各因素的主效应。但其也有一些缺点:它提供的数据分析方法所获得的优选值，只能是试验所用水平的某种组合，优选结果不会超越所取水平的范围;另外，也不能给进一步的试验提供明确的指向性，使试验仍然带很强的摸索性色彩，不很精确。这样，正交试验法用在初步筛选时显得收敛速度缓慢，难于确定数据变化规律，增加试验次数。尤其在试验工作烦琐、费用昂贵的情况更显突出。

3均匀设计

3．1均匀设计的原理均匀设计［6］是统计试验设计的方法之一，它的发明涉及数论、函数论、试验设计、随机优化、计算复杂性等领域，开创了一个新的研究方向，形成了中国人创立的学派，并获得国际认可，已在国内外诸如航天、化工、制药、材料、汽车等领域得到广泛应用。均匀设计法是一种建立在正交设计上的试验设计方法。均匀设计的数学原理是数论中的一致分布理论，此方法借鉴了“近似分析中的数论方法”这一领域的研究成果，将数论和多元统计相结合，是属于伪蒙特卡罗方法的范畴［7］。与所有的试验设计方法本质一样，其本质是在试验的范围内给出挑选代表性点的方法。与正交设计不同的是，均匀设计只考虑试验点在试验范围内均匀散布，挑选试验代表点的出发点是“均匀分散”，而不考虑“整齐可比”，它可保证试验点具有均匀分布的统计特性，可使每个因素的每个水平做一次且仅做一次试验，任两个因素的试验点点在平面的格子点上，每行每列有且仅有一个试验点。它着重在试验范围内考虑试验点均匀散布以求通过最少的试验来获得最多的信息，因而其试验次数比正交设计明显的减少，使均匀设计特别适合于多因素多水平的试验和系统模型完全未知的情况。例如，当试验中有m个因素，每个因素有n个水平时，如果进行全面试验，共有nm种组合，正交设计是从这些组合中挑选出n2个试验，而均匀设计是利用数论中的一致分布理论选取n个点试验。如某项试验影响因素有5个，水平数为10个，则全面试验次数为105次，即做十万次试验;正交设计是做102次，即做100次试验;而均匀设计只做10次。很明显，均匀设计比正交设计更简便。

3．2均匀设计表和正交设计需要标准正交表一样，均匀设计也需要其专业的标准表，我们称之为均匀设计表［8］。每个均匀设计表有一个代号，其中U表示均匀设计，n表示水平数亦表示试验次数，m表示该表最多可安排的因素数量。如U5(53)(见表5)。右上角加“*”的U表均匀性较好，应优先选用。均匀设计表的列是不平等的，每次试验选取的列与试验因素的数目密切相关。因此，每个均匀设计表都有一个使用表供参考(见表6)。而且适合相同因素的均匀设计表通常不止一个，可根据使用表挑选既满足自己试验因素要求的、均匀性好的，即偏差小的，同时又是试验次数相对较少的均匀设计表［9］。

3．3均匀设计的优缺点均匀设计使得试验次数大大减少，能够自动将各试验因素分为重要与次要，并将因素按重要性排序;同时过程数字化，可通过电脑对结果与因素条件进行界定与预报(如天气预报)，进而控制各因素。但同时它也存在一些缺点。由于均匀设计是非正交设计，所以它不可能估计出方差分析模型中的主效应和交互效应，但是它可以估出回归模型中因素的主效应和交互效应［10］。另外，值得注意的是，在具体的试验设计中，不可以一味地只图少的试验次数。除非有很好的前期工作基础和丰富的经验，否则不要企图通过做很少的试验就可达到试验目的，因为试验结果的处理一般需要采用回归分析方法完成，过少的试验次数很可能导致无法建立有效的模型，也就不能对问题进行深入的分析和研究，最终使试验和研究停留在表面化的水平上。一般情况下建议试验的次数取因素数的3～5倍为好。

4响应面设计

4．1响应面设计原理响应面分析是一种优化工艺条件的有效、快速、精确的试验方法，系通过中心组合试验，采用多元线性回归方法为函数估计的工具，将多因素试验中的因素与水平的相互关系用多项式进行拟合，然后对函数的响应面等值线和用回归方程的分析来寻求最优工艺参数，可精确地描述因素与响应值之间的关系［11］。响应面是指响应变量η与一组输入变量(ζ1，ζ2，…，ζk)之间的函数关系式:η=f(ζ1，ζ2，…，ζk)。响应面顾名思义需要一个模型，在实际操作中，需要通过大量的试验，获得大量的试验数据，然后通过多元线性回归方法去建模。建立模型后以两因素水平为X坐标和Y坐标，相应地由模型计算的响应值为Z坐标作出三维空间的曲面。如图1、图2所示。响应面法(RSM)主要有三种常用的试验设计方案:Box-Behnken设计(BBD)、均匀外壳设计(UniformShellDesign，USD)和中心组合设计(CentralCompositeDesign，CCD)。前两种较少使用，中心组合设计是响应曲面中最常用的二阶设计。CCD设计是多因素5水平的实验设计，是在二水平析因设计的基础上加上极值点和中心点构成的［12］。

4．2CCD设计表CCD设计表由三部分组成:①2k或2k×1/2析因设计。②极值点。由于二水平的析因设计只能用作线性考察，需再加上第二部分极值点，才适合于非线性拟合。如果以坐标表示，极值点在坐标轴上的位置称为轴点或星点，表示为(±α，0，…，0)，(0，±α，…，0)，…，(0，0，…，±α)星点的组数与因素数相同。③一定数量的中心点重复试验。中心点的个数与CCD设计的特殊性质如正交或均一精密有关［13］。不同因素数CCD设计方案见表7。

4．3响应面设计优缺点相比于正交设计和均匀设计，响应面设计法得到的回归方程精度高，能够得到几种因素间交互作用等优点，并且它不是一种点对点之间的优化方法，RSM能够将优化过程延伸到面的程度，呈现三维立体效果。同时RSM能够减少最佳条件下效应的预测值和实测值偏差，具有突出的优越性。当然响应面法也不能完全替代传统的设计，它相对于因子分析，精度仍不够，它要求自变量必须是连续的而且能被试验者自由控制，如果先用CCD找到最优区，再使用因子分析在较小的范围内应用效应面优化法则效果会更好。

4．4响应面的广泛应用20世纪50年代，CCD最先应用于化学工业中，目的在于确定最优操作过程［14］。现在，CCD被频繁地用来确定各种反应物的剂量，使得响应达到最优值或预期值。例如:用于优化各种培养基和有机合成中工艺优化。同时，CCD在其他领域中也发挥了重要的作用。在生物学方面，用于研究反应混合物中各化学反应成分所占比例与其生物学活性之间的关系，确定生物材料的最优试验条件。在食品工业方面，用来确定食品中各成分作用以确定各种成分所占比例和确定最优反应条件。在工程学方面，用于结构优化、可靠性分析和车辆动力学等方面。响应面法还被广泛应用到生态学和环境学等领域中。值得一提的是，在国外影响因子较高的SCI期刊中，响应面更是得到了广泛的应用，具有更高的适用性［15-16］。