分布形态（共9篇）
分布形态 篇1
汞是一种剧毒、高挥发性物质, 它进入生物体后很难被排出, 并在生物体内沉积并影响生物体的生长, 在生物体内部, 在多种情况作用下可以转化为其他毒性更强的物质。目前燃煤电厂已成为主要的人为汞排放源之一, 占人为排放的1/3。
我国是世界上最大的燃煤国, 据联合国环境规划署资料, 2005年全球人为汞排放的40%来自中国[1,2,3,4,5,6,7]。为了进一步探索燃煤电厂汞排放量、汞排放标准限值和燃煤电厂烟气汞脱除控制排放技术, 本文对燃煤电厂汞的形态分布和监测方法进行了分析。
1 汞的形态分布
煤粉进入炉膛经过燃烧后, 其中的汞一部分伴随着灰渣的形成, 以固态的形式留在灰渣和飞灰中, 另一部分汞以气态的形式释放到烟气中。从形态分布来看, 燃烧后进入大气中的汞有气态单质汞 (Hg0) 、气态二价汞 (Hg2+) 和颗粒态汞 (HgP) 等3种存在形态[8,9,10]。
燃炭在燃烧过程中, 一般认为在燃烧温度下, 煤中的汞几乎全部以气态单质汞的形式释放到烟气中。随着烟气温度降低, 部分单质汞和烟气中氧化性物质 (如S和Cl等) 发生均相氧化反应生成气态二价汞。当温度进一步下降, 在400 k~600 k之间时, 汞会在飞灰和未燃尽碳的作用下发生异相催化氧化反应。同时, 烟气中的部分汞飞灰或飞灰中的未燃尽碳等物质会吸附气态汞, 形成颗粒态汞[11]。
气态二价汞可以形成许多有机和无机化合物。其无机化合物比较稳定, 易溶于水, 易被烟气中的颗粒物吸附, 在通过除尘器时被脱除。因此大气排放中, 颗粒态汞比例极低, 常可以近似不计[12]。
气态单质汞是环境大气中汞的主要形式, 它具有较高的挥发性和较低的水溶性, 极易在大气中通过长距离的大气传输形成全球性的汞污染。它在大气中的平均停留时间长达半年至两年, 是最难控制的形态之一。因此, 汞污染控制主要是控制气态单质汞。目前, 气态单质汞如何转化为易被吸收的气态二价汞, 便于捕集和去除已成为研究的重点[13,14,15]。
2 监测方法
燃烧烟气中汞的监测过程分为现场取样和实验室分析两个方面。选择合适的监测方法是准确测定汞含量及形态分布的前提。经过多年的发展, 现场取样分析方法不断改进和更新, 已非常成熟。目前, 按照吸收剂的不同, 汞的取样分析方法可以分为3类, 即: (1) 溶液吸收液法, 如美国EPA方法29、美国EPA方法101A、安大略法 (Ontario Hydro Method, OHM法) 和扩散网技术等; (2) 固体吸附剂法, 如汞形态吸附法、MIT固体吸附剂法、有害元素取样链方法、扩散管技术和固体吸附法 (美国EPA方法30B) 等; (3) 在线连续测试方法 (美国EPA方法30A) [16,17]。
以上方法中, 目前比较常用是安大略法和固体吸附法。
2.1 安大略法
该方法采样系统由石英采样管、加热装置、过滤装置 (石英纤维滤纸和滤纸固定部分) 、一组放在冰浴中的吸收瓶、流量计、真空计和抽气泵等组成。
采样开始后, 颗粒态汞首先被取样枪前端的石英纤维滤纸捕获, 经过滤后的气体再依次进入后续的8个吸收瓶。依次为气态二价汞首先被3瓶盛有1 mol/L KCl溶液的吸收瓶收集;气态单质汞由1瓶装有HNO3-H2O2吸收液 (5%体积分数的HNO3+10%体积分数的H2O2) 和3瓶装有KMn O4 (4%质量分数的KMn O4+10%体积分数H2SO4) 吸收液的吸收瓶收集, 烟气最后由盛有干燥剂的吸收瓶验收烟气中的水分, 以免水分进入后面的设备中。取样结束后, 进行样品的恢复和消解, 以求得烟气中汞的形态分布和汞含量。
此方法被认为是采集和分析燃煤烟气中不同形态汞的有效方法, 被美国环保署 (EPA) 和能源部 (DOE) 等机构推荐位美国的标准分析方法, 测量范围为0.5~100μg/m3 (标准状态) 。
此方法的优点是可用于不同位置的手工采样监测, 可分析烟气中3种不同形态的汞, 得到采样时间段内的平均汞浓度, 数据精度高, 结果准确[12]。但是该方法操作复杂, 对采样人员技术要求较高, 不适合大规模采用, 在采样过程中不能发生汞蒸汽的冷凝和被吸附;此外, 样品经恢复和消解后, 使用冷蒸汽原子吸收光谱法进行分析的, 所用各种试剂都必须符合美国材料实验协会的标准。该方法仪器安装复杂, 分析操作过程繁琐, 分析所需时间较长。因此一般用来标定其他监测方法。
段钰锋等采用此方法对我国多个燃煤电厂的汞排放特性的监测结果显示, 烟气中的氯元素可以提高气态二价汞的比例, 循环流化床燃烧方式可以减少气态汞的含量[18]。
2.2 固体吸附法
该方法的原理是利用装有专用吸附材质 (活性炭等) 的吸附管进行等速采样。一定体积的烟气从烟道内被抽出, 通过吸附管后被活性炭所吸附, 采样气体流速为0.2~0.6 L/min。采样结束后对吸附材质解析进行浓度分析, 计算烟道中汞的浓度, 分析方法采用冷蒸汽原子吸收光谱法和原子吸收光谱法等。吸附管内一般装有两段吸附剂, 第一段吸附剂用来捕获烟气中的汞, 第二段用来测试汞穿透率及加标汞等。此方法是开展汞在线比对试验的标准参比方法, 同时也适用于电厂的汞排放测试, 测量范围为0.1~50μg/m3。
该方法仪器结构简洁, 操作方便, 轻巧便携;附件内置8种热解分析模式, 可用于分析不同类型样品;该方法测量数据准确性较高, 分析结果较快;后续使用和分析成本也较低。固体吸附法的不足之处在于此方法仅适用于颗粒物浓度较低的点位, 取样监测位置常需设置在除尘器后。此外, 该方法质量控制要求严格, 第二段吸附剂中的汞浓度不能超过第一段的10%, 且两个平行采样捕集管中的汞浓度的相对误差不能超过10%, 否则视为无效[1,12]。
武成利等采用此方法对135 MW的循环流化床燃烧机组的汞采样分析显示, 底灰中对脱汞的贡献率仅0.55%, 飞灰脱除汞的效率高达83.37%, 有16.08%的汞排放进入大气环境[2]。
2.3 国内现行推荐方法
我国目前推荐的汞监测方法为《固定污染源废气总汞的测定冰浴吸收瓶采样-冷原子吸收分光光度法 (暂行) 》 (HJ543-2009) 和《固定污染源排气中颗粒物测定和气态污染物采样方法》 (GB/T16157-1996) 。
该方法的操作过程为在采样装置上串联两支各装10 m L吸收液 (0.1 mo L/L高锰酸钾溶液与10%硫酸溶液等体积混合) 的大型气泡吸收管, 采样流量为0.3 L/min, 采样时间为5~30 min。该方法的分析原理是废气中的汞被酸性高锰酸钾溶液吸收并氧化形成汞离子, 汞离子被氧化亚锡还原为原子态汞, 用载气将汞蒸气从溶液中吹出带入测汞仪, 用冷原子吸收分光光度法测定。
该方法只能捕集烟气中的气态汞, 无法捕集颗粒态汞, 且无法区分气态汞的形态。按照此方法捕集的颗粒态汞, 目前也无对应的分析方法和分析仪器。采样过程中, 采样装置前端未要求伴热, 会导致汞在采样管线上的凝结、吸附, 使分析结果偏低, 不确定度较大。
3 结论
(1) 我国汞污染较重, 应该加强对汞的产生、形态转化和控制技术的研究。
(2) 从形态分布来看, 汞经燃烧后, 在大气中主要以气态单质、气态二价和颗粒态3种形态存在。由于气态单质汞水溶性较低, 在大气中的停留时间长, 因此, 如何脱除气态单质汞是汞脱除研究的重点。
(3) 比较目前常用的汞监测方法, 首选是安大略法和固体吸附法。其中, 安大略法仪器安装复杂, 分析所需时间较长, 此方法一般用来标定其他监测方法。固体吸附法具有仪器结构简单、操作方便和轻巧便携等特点。
我国目前推荐的汞监测方法在测量范围、测量准确度等方法还需要改进。
分布形态 篇2
矿山附近农田土壤中Pb和Zn的形态分布
采用消解方法对某矿山附近农田土壤进行Pb和Zn总量分析,并应用Tessier连续提取法对Pb和Zn的形态进行连续提取,结果表明,该矿山附近农田土壤中Pb和Zn总量高于正常土壤背景值;形态分析结果表明,Pb和Zn主要以残渣态的形态存在,其次是铁锰氧化物结合态,可交换态含量较低,该结果可以为该地区土壤修复方法的选择提供理论支持.
作 者：詹燕云 张志军 作者单位：詹燕云(云南省地勘局第五地质大队,云南・普洱,665000)张志军(山东省第一地质矿产勘查院,山东・济南,250014)
刊 名：科教文汇 英文刊名：The Science Education Article Collects 年，卷(期)： “”(14) 分类号：P61 关键词：重金属 Tessier连续提取法 形态分析分布形态 篇3
在磨削加工过程中, 磨具的表面形貌可以影响到磨粒和工件的接触作用, 从而对磨削力、功率消耗、磨削区域温度以及工件表面质量产生影响[1]。
目前针对砂轮表面形貌的测量方法有很多种, 如复印法、触针法、声发射法、热点偶法、光截法、显微镜法以及激光功率谱法等[2,3,4]。利用这些方法可以较好地获得砂轮表面三维形貌信息。通过对砂轮表面形貌的分析, 学者们发现磨粒分布形态对磨削加工性能有着重要的影响。Malkin等[5]通过推算得出了固结磨粒工具表面磨粒的分布形态会影响未变形切屑的尺寸大小及其变化, 从而影响到加工效率以及加工件质量的结论。Nakayama等[6]通过理论计算得出了砂轮表面磨刃间距的非均匀分布会引起未变形切屑尺寸的变化, 从而影响被加工零件的表面粗糙度的结论。Mark等[7]利用ARIX系统对金刚石锯片中的金刚石磨粒进行均匀排布, 使得锯片寿命提高一倍, 锯切效率提高30%。虽然学者们已经注意到磨粒在砂轮表面的分布形态会对加工结果产生重要影响, 但是遗憾的是, 目前关于磨粒在砂轮表面分布形态评价的研究并不多见。
Chang等[8]利用单颗磨粒受力以及磨粒分布情况推导出了砂轮动态磨削力的计算式, 并利用随机磨粒密度函数描述了磨粒的分布情况。但是磨粒的分布经常是无规律并且随机的, 磨粒的分布情况不仅与磨粒密度有关, 还与磨粒分布均匀性有关。牛明远等[9]利用锐角比率法定量评价了金刚石钻头表面金刚石的分布情况, 该方法是以随机取样点分别与距离它最近的两点的连线的夹角为基础的, 因此计算的结果容易受随机样点取样次数的影响。Pan等[10]采用聚集度、分形维数以及泰森多边形面积变异系数的方法对磨粒的分布进行评价, 该方法需在砂轮表面轮廓具有分形特征的情况下才可以使用。
本文提出采用静态磨刃密度Cs与磨粒分布均匀性CV两个评价指标来定量描述磨粒在磨具表面分布信息的方法。针对砂轮的SEM观察图片, 利用图像处理技术, 给出了两项评价指标的具体计算方法, 并利用该指标评价了同一磨具表面及不同磨粒排布磨具表面的磨粒分布形态。
1 磨粒分布形态的定量评价指标及计算方法
图1为金属结合剂金刚石烧结砂轮的SEM图, 金刚石粒度为45~55μm, 浓度为50%。可以观察到砂轮表面的金刚石磨粒呈随机状态分布, 并且在一定的局部区域出现磨粒的偏聚。为了完整地描述磨粒在砂轮表面的分布形态。本文提出用静态磨刃密度Cs与分布均匀性CV两个参数对磨料的分布形态进行评价的方法。两个参数的具体分析方法如图2所示。
由于处理对象一般为JPGE等格式的彩色位图, 因此需要对图片进行预处理。首先将彩色位图转换成二值图, 效果如图3a所示。二值化后的图片存在许多比金刚石颗粒小很多的白点, 其原因是金属结合剂中存在颜色与金刚石颜色相近的杂质, 由于杂质点的面积相比金刚石的面积很小, 因此设定50像素点的面积阈值将杂质点过滤掉, 过滤后的效果如图3b所示。二值化的效果与图片的质量有关, 磨粒与结合剂之间的色差越大, 二值化效果越好。
由于本文是对磨粒的分布形态进行评价, 与磨粒的大小无关, 所以二值化后将磨粒质点化, 从而将对磨粒的分析转变成对点的分析。质点化后的效果如图4所示。为了方便计算磨粒分布形态的参数, 将质点进行编号。编完号可以得到磨粒的总个数n, 通过像素与标尺之间的换算可获得测量区域的大小。
静态磨刃密度Cs定义为磨具单位面积内磨粒的总个数:
式中, n为测量区域内磨粒总个数;s为测量区域面积。
从图4中可以计算得图1所示金刚石砂轮的静态磨刃密度Cs为38.50个/mm2。
静态磨刃密度只能描述测量区域内磨刃的分布数量, 无法表征磨粒间的相对分布情况。因此提出采用泰森多边形法计算第二个评价指标CV, 以此来定量评价磨粒的分布情况。
泰森多边形 (Voronoi) 图又称为Dirichlet镶嵌 (tessallation) , 是由Thiessen于1911年提出的一种插值分析方法, 最初用于从离散分布气象站的降雨量数据中进行平均降雨量的计算[11]。目前被广泛地应用于多相颗粒分布均匀性的评价。
泰森多边形插值方法的原理比较简单, 该方法是一种极端的边界内插方法, 它只使用最近的单个点进行区域插值。对于给定的n个在Rd上的点集P={p1, p2, …, pn}, 泰森多边形V将每个点pi划分成n个多边形, 每个泰森多边形单元o (p) 只包括一个点。两个点之间的边界为两点连线的垂直平分线。与p组成边界的点相比其他点要更邻近p点, 因此:
其中, dist为欧几里德距离函数[12]。
根据泰森多边形的插值原理, 边界点缺乏构成多边形的邻近点, 会产生不封闭的多边形, 并且作为无限大来处理, 会对计算的结果产生影响, 因此提出创建n×n的新边界点的方法来解决此问题。针对图4创建10×10的边界点, 将磨粒包围在内, 然后对点阵进行泰森多边形分析, 如图5所示, 以获得磨粒的泰森多边形面积。
对图5所示的磨粒的泰森多边形面积进行分析, 作出面积数据的直方图, 如图6所示。对于实验所用的金刚石砂轮而言, 其表面磨粒的泰森多边形面积呈单峰分布, 且向左偏倚 (右端有长尾巴) 。符合单峰性、数值都为正数、向左偏倚的分布有很多种。Okabe等[13]用大量的随机泊松分布证明了γ分布对泰森多边形面积分布的拟合性最好。因此选择γ分布作为泰森多边形面积的变异系数来定量评价磨粒分布的均匀性。γ分布的表达式为[14]
式中, Pn, a为n个点落在区域a的概率;ρ为点的平均密度。
分布均匀性CV表征磨粒之间的相对位置分布, 表达式为
式中, A为泰森多边形面积;E (A) 为γ分布的数学期望;D (A) 为γ分布的方差。
CV值越小, 表明磨粒分布越均匀。从图6中可以计算出图1所示金刚石砂轮的分布均匀性CV=0.17。
2 讨论
2.1 静态磨刃密度与超硬磨料工具浓度之间的关系
在金刚石磨具和CBN磨具的制备过程中, 经常会用到浓度来表现磨具的特性。其含义为:单位体积工作层内金刚石或CBN磨料的质量 (或所占体积) 。金刚石的浓度同时也决定了切割表面磨粒的数目[15]。李远等[16]在假设磨粒近似为直径为da的球体情况下, 推导单位工作面积上暴露的金刚石粒数Ne (个/mm2) 为
式中, c为金刚石的浓度;da为金刚石的平均粒径, mm;k为金刚石出露系数。
一般认为当金刚石的出入高度达到kda时, 金刚石就会脱落。从式 (3) 中可以看出, 通过金刚石浓度指标来计算金刚石磨具表面的磨粒个数, 需要确定金刚石磨粒的出露系数k。图7所示为图1的金刚石磨具表面磨粒数与磨粒出露系数的关系。从图中可以看出, 随着出露系数的增大, 磨具表面的金刚石磨粒数随之增加。
结合本文中计算出来的静态磨刃密度Cs, 可大致推导出此磨具表面的金刚石磨粒出露系数k为0.4。
金刚石浓度是从磨具制备的角度提出的指标, 为金刚石磨具的制备提供参考依据。而本文提出的静态磨刃密度则是从磨具的使用角度提出的评价指标。通过这两个参数的结合, 可以迅速地推导出磨粒的出露系数。
2.2 同一种砂轮表面的比较
图8所示为金刚石砂轮不同位置的SEM微观图。采用上述评价方法对其进行评价, 结果如表1所示。
根据表1的分析结果可知, 虽然三张图的磨刃密度基本相等, 但是图1的CV值略低于图8的CV值, 也就是说图1的磨粒分布要比图8的磨粒分布均匀些。因此, 评价时视场的选择会影响评价结果。
视场大小的选择不仅会影响到图片的质量, 也会影响评价的结果是否能体现整体的特征。视场大小的选择与图片的放大倍数及视场中的磨粒数量有关。视场太大, 即图片的放大倍数太小, 则视场中的磨粒尺寸过小, 容易在对图片进行二值化处理时导致磨粒被误去除。视场太小, 即图片的放大倍数太大, 则所分析的数据不能代表整体的分布特征。在实际操作时, 视场大小约为磨粒尺寸大小的50倍比较适合。
2.3 不同的磨粒排布方式的比较
文献[17]中给出了两种典型的磨粒排布的SEM图片, 其中随机分布的金刚石切片是在放大倍数为35倍下获取的, 见图9a所示, 排布的金刚石切片是在25倍下获取的, 见图9b所示。
采用上述评价方法对两种切片的表面磨粒分布进行评价, 评价结果如表2所示。从表2可以看出, 随机分布的金刚石切片的密度要明显大于排布的切片的密度, 而其均匀性要明显低于排布切片的均匀性。分析结果与文献[18]中的实验结论一致。
3 结语
金刚石磨具表面磨粒的分布形态可以采用静态磨刃密度Cs与磨粒分布均匀性CV两个参数来定量评价。其中静态磨刃密度Cs表示磨具表面单位面积上所有的磨粒数;磨粒分布均匀性CV表示磨粒的分布均匀性。利用磨具表面的SEM图, 可计算获得这两个评价参数。利用这两个评价参数对不同的砂轮表面状态进行评价, 可以得到令人满意的结果。
摘要：为了定量评价磨粒在磨具表面的分布形态, 采用静态磨刃密度Cs与磨粒分布均匀性CV两个评价指标来描述磨粒在磨具表面的分布信息。针对金刚石磨具的SEM图, 对图片进行二值化处理及磨粒质点化, 通过对质点的统计获得静态磨粒密度Cs, 另一方面, 采用泰森多边形法, 获取各质点所占据的面积, 利用γ分布的变异系数来评价磨粒的分布均匀性CV。利用所提出的两项指标, 评价了同一磨具表面及不同磨粒排布磨具表面的磨粒分布形态, 结果表明所提出的指标能较好地用于磨粒分布形态的评价。
分布形态 篇4
按三类典型工业聚合氯化铝的生产条件制得铝浓度为2.50mol・l-1,盐基度为0%-92%的A,C,D系列样品,同时采用慢速滴碱法制得铝浓度为0.150mol・l-1-0.336mol・l-1,盐基度为0%-92%的B系列聚合氯化铝.Ferron试验结果表明:相同盐基度不同系列样品的Alb值大小变化规律为:盐基度等于20%时,C>D>A>B;盐基度等于30%时,A>D>B>C;盐基度大于30%时,B>A>D>C;四个系列样品的Ala均随盐基度的升高而减小,Alc则随盐基度的.升高而增加.27A1-NMR测试结果表明:四个系列所有样品的Al单均随盐基度的升高而减小;相同盐基度的不同系列样品Al13值大小顺序为B>A>C>D;A,C,D系列样品的Al其他均随盐基度的升高而增加,B系列样品的Al其他则先随盐基度的升高而增加,达到最大值后开始降低,然后再开始上升,最大值为B4样品的44.40%. A,C,D三个工业系列样品中的Alb和Al13的绝对值均不大,在所研究的盐基度范围内Alb和Al13均不是其中的优势形态. B系列样品在盐基度大于60%时,Alb和Al13成为其中的优势形态.
作 者：宁寻安 李润生 温琰茂 NING Xun-an LI Run-sheng WEN Yan-mao 作者单位：宁寻安,NING Xun-an(中山大学环境科学与工程学院,广州,510275;广东工业大学环境科学与工程学院,广州,510006)
李润生,LI Run-sheng(深圳市中润水工业技术发展有限公司,深圳,518057)
温琰茂,WEN Yan-mao(中山大学环境科学与工程学院,广州,510275)
分布形态 篇5
自从日本水俣病事件之后,汞污染引起了人们广泛的关注。汞污染具有持久性、易迁移性,在环境中任何形式的汞均可在一定条件下转化为剧毒的甲基汞。目前对土壤中汞含量分析主要集中在总汞和汞的各种化学形态上,总汞含量可以反映土壤的污染程度,但并不能有效地反应出汞在土壤中的潜在环境风险[1]。环境中重金属的生物毒性与生物可利用性主要取决于其在环境中的存在形态,而与重金属总量无直接对应关系[2]。因此,对重金属赋存形态的研究可更加深入的了解重金属的来源、迁移转化规律和生物有效性。
焦家金矿位于山东省莱州市城北32 km处金城镇焦家村西侧(37°23′-37°26′E,120°07′-120°10′N),大地构造位置位于沂沭断裂带北段东侧,胶北隆起西缘,南接胶莱凹陷。焦家金矿1975年建矿,1980年建成投产,日处理矿量1 500 t,年产黄金0.3万kg。焦家金矿采用氰化法提金工艺,专门处理多金属硫化物金精矿。由于特殊的地球化学性质,汞在金矿矿石中可自然富集[3]。焦家金矿区内普遍存在含硫黄铁矿,是主要载金矿物。汞是亲硫元素,含硫矿石对汞往往具有较强的吸附能力[4]。汞作为金矿伴生元素,在金矿开采的同时,很可能对矿区周边环境造成污染。
目前,对金矿区汞污染的研究主要集中在有混汞法冶金历史的小规模金矿上[5,6,7],汞污染来源主要为人为外源输入,而对金矿区自然地质背景下汞从矿物中人为干扰释放的研究较少。本文采用改进的Tessier连续提取法对焦家金矿表层土壤样品中总汞及各形态汞进行数据分析,并结合监测和调查资料,初步研究了总汞及不同形态汞在金矿区水平剖面上的分布特征,以期为焦家金矿区生态环境和农业的整治和改善提供基础资料和参考信息。
1材料与方法
1.1样品采集
为了探寻金矿区土壤中各形态汞在水平空间上的分异,沿东西方向贯穿焦家金矿布设采样点。在所布点处采集表层土壤样品。采样时,使用竹勺采集地表至20 cm深度的土柱,并去除杂草、草根、砾石、砖块等杂物。为了增加土壤样品的代表性,在小范围内(10 m)多点(3点以上)均量采集,组合成一个约1 kg样品,大致以中心子样作为定点位置。所有样点的采集均用全球定位系统(GPS)定位。所采样品用聚乙烯密封袋封装保存。样品带回实验室后自然风干,研磨后过100目筛,用聚乙烯密封袋封装保存待测。
1.2分析测定及实验数据质量控制
土壤中总汞采用王水消解法测定[8]。采用改进的顺序提取法,将土壤中的汞分为水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化物结合态、强有机结合态、残渣态。采用《生态地球化学评价样品分析技术要求(试行)》[9]中的形态分析方法对土壤样品中汞元素的形态进行提取。土壤pH用电位测定法(土水比为1∶2.5)测定。
总汞及各形态汞用氢化物原子荧光光谱仪(XGY-1011型,中国)测定,仪器最低绝对检出限为1 ng/g。样品分析测试过程中作全程序空白,以控制和检查样品在测试和处理过程中可能的污染。同时,用标准物质对实验数据进行质量控制,并采用平行样和样品的平行测定控制样品测试数据的精确度。形态分析方法的准确度是以土壤中元素全量分析作为标准,与各分态之和比较。通过对王水消解法所测总汞和7步提取法所测各形态汞总和之间的相关性分析可得,两者相关性达到了0.99(y=0.871 x+14.986,R2=0.991 5),表明本文所选形态分析方法可有效地将土壤中不同形态汞提取出来,且具有较高的准确性。本文土壤总汞及不同形态汞的分析测定均在安徽省地质实验研究所完成。
2结果与讨论
2.1金矿土壤中总汞含量及分布
采样点沿东西方向贯穿焦家金矿,土壤中总汞及各形态汞含量见表1。
土壤中总汞含量为100.2～852.5 ng/g,平均值为295.7 ng/g,超出山东东部土壤均值(13 ng/g)22倍、全省土壤均值(15 ng/g)20倍、全国土壤均值(44 ng/g)6.7倍,汞在金矿中的富集程度较高。土壤总汞含量在金矿附近含量较高,如采样点4的总汞含量高达852.5 ng/g,远离金矿的土壤中总汞含量明显降低,且分布较均匀。这反映了距金矿越近,土壤中总汞的含量受金矿等人为活动的影响越明显。如丢弃在金矿周边地表的低品位岩石,可通过风化作用或降雨淋溶进入土壤,造成土壤中总汞浓度的增高。同时,土壤中的汞容易呈气态扩散、迁移,具有较快的空间扩散能力,造成汞的空间分布相对均一[10],远离金矿的土壤由于受金矿风化矿石影响较小,汞的获取途径可能为大气干湿沉降或地表径流。一般认为,在无污染的背景区域,决定土壤重金属含量与分布特征的主要因素包括成土作用和土壤母质种类[11];在污染区,则包括人类活动引起的外源性输入[12]。金矿区成土过程中发生的一系列风化、黏化、腐殖化和淋溶等化学作用不断改变汞的含量与分布,但在水热差别很少的地理跨度内,土壤中汞的淋溶、积累和重新分布的强度很少发生显著变化。因此,与表层环境中汞的地球化学作用相比,人类活动引起的汞的外源性输入对矿区土壤汞的分布作用明显[13]。
2.2金矿土壤中不同形态汞的生物有效性
对土壤中重金属总量的分析只能给出重金属在土壤中的富集信息,并不能反映出重金属在土壤中的存在形态、迁移能力及生物有效性[14]。本文对金矿区土壤中不同形态汞含量进行了分析,金矿区土壤中不同形态汞平均含量由大到小排列依次为:残渣态>腐殖酸结合态>强有机结合态>水溶态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>离子交换态。由于重金属的生物活性随着连续提取步骤的进行而下降[15],水溶态和离子交换态重金属对环境的活性最高。残渣态重金属由于被固定在矿物晶格中[16],通常情况下难以释放出来。因此可用非残渣态重金属总量作为活性重金属的一种指标来表示重金属的生物有效性[17]。焦家金矿土壤中非残渣态汞含量占总汞的27%左右,其中离子交换态、水溶态、碳酸盐结合态是植物最容易吸收的形态,分别占总汞的0.36%、1.30%和0.53%左右;腐殖酸结合态和铁锰氧化物结合态是植物较易利用的形态,分别占总汞的13.80%和0.62%左右;强有机结合态是植物较难利用的形态,占总汞的10.76%左右;残渣态是植物几乎不能利用的形态[18],可占总汞的70%以上。焦家金矿区表层土壤中汞主要以残渣态存在,也存在相当一部分非残渣态汞,表明焦家金矿土壤中汞具有较高的生物有效性,对周边环境可能存在较大的潜在危害。汞很容易发生迁移并在作物体内吸收富集,最终通过食物链进入人体对人体健康造成影响。
2.3金矿土壤中不同形态汞的分布特征
图1反映了金矿土壤中各形态汞含量在水平剖面不同采样点间的变化。可以看出,焦家金矿土壤中各形态汞分布规律与总汞的分布规律大致相同:在金矿附近的土壤中各形态汞含量较高,而在远离金矿的土壤含量较低,说明土壤中不同形态汞有向金矿富集的趋势。其中,碳酸盐结合态含量表现出呈锯齿状的上下波动,其含量并没有明显的变化规律,这可能与碳酸盐结合态的易迁移性有关。包正铎等人[19]对贵州万山汞矿土壤中汞的形态分布特征进行了研究,结果表明,碳酸盐结合态汞含量不随污染源距离增加而变化。
由于各形态汞含量受总汞的影响较大,总汞含量可直接影响不同形态汞的含量,从而使各形态汞含量分布表现出与总汞分布相类似的规律。而各形态汞占总汞的比例可客观的表达出不同形态汞相对含量的变化,本文对金矿区土壤水平剖面采样点中各形态汞占总汞百分比的变化规律作出了分析。
2.3.1水溶态及离子交换态
离子交换态为非专性吸附态,是金属离子通过热运动和静电引力等平衡作用,吸附在腐殖质、黏土及其他成分上形成的,这部分金属离子的活性较大,与土壤颗粒结合较弱,在自然界中易迁移转化,能被植物吸收,对环境影响较大[20]。金矿土壤中水溶态及离子交换态汞可在地表径流及降雨淋滤等自然作用下发生迁移,进而转移到金矿周边土壤及地下水中。Biester和Scholz[21]用去离子水及1M NH4Ac对矿区土壤中水溶态及离子交换态汞进行了提取,提取出来的水溶态及离子交换态汞分别占到了总汞的0.12%及0.012%。而Renneberg和Dudas[22]用去离子水及1M MgCl2分别对受到汞及碳氢化合物共同污染的土壤中的水溶态及离子交换态汞进行了提取,观察到了较高比例的水溶态(10%)及离子交换态汞(2%～5%)。
金矿土壤中离子交换态及水溶态汞占总汞的比例仅为1.3%,但是由于汞的总量较大,离子交换态与水溶态汞的含量仍然较高。从图2可知,同远离金矿的样点相比,在金矿附近的土壤中离子交换态与水溶态汞占总汞比例较低,例如,在靠近金矿的土壤样点1、2中,水溶态汞含量分别占到了总汞的0.9%和0.34%,而在远离金矿的1、2点土壤中,这一比例分别为1.61%和1.73%。以上结果表明,金矿开采活动可能对离子交换态与水溶态汞的赋存形态造成影响。有研究表明[19],矿区土壤中离子交换态与水溶态形式存在的汞占总汞的比例低于背景区。
2.3.2碳酸盐结合态
碳酸盐结合态是指土壤中重金属元素在碳酸盐矿物上形成的共沉淀结合态。当土壤理化性质改变如pH值下降时,碳酸盐结合态会重新释放到环境中[23]。焦家金矿区土壤中碳酸盐结合态占总汞的比例较低,均值仅为0.53%。焦家金矿的土壤主要为酸性石质土,成土母质主要是花岗岩、花岗片麻岩等酸性岩石残坡积物,土壤酸性较大,土壤pH值为4.13～5.72,这可能是土壤中碳酸盐结合态汞占总汞比例较低的主要原因。在金矿附近的土壤中碳酸盐结合态汞占总汞比例较低,在金矿附近的3、4点这一比例分别为0.12%、0.14%,而远离金矿的土壤中这一比例较大,如1、2点土壤中碳酸盐结合态汞占总汞比例分别达到了0.76%和0.45%。这说明金矿的存在可能会促使土壤中碳酸盐结合态汞向其他汞形态转化。
2.3.3铁锰氧化物结合态
铁锰氧化物结合态重金属广泛地分布在土壤中,具有巨大的比表面积,对金属离子有很强的吸附能力[24]。王海等人[25]的研究表明,重金属能与铁锰氧化物之间能发生静电结合而且不容易被释放。然而,当氧化能力下降时,Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)会很容易被还原释放到环境中,对环境造成二次污染。土壤pH值对铁锰氧化物结合态有重要影响,当pH较大时,有利于铁锰氧化物的形成[16]。焦家金矿东西方向土壤中铁锰氧化物结合态汞占总汞的比例为0.15%～1.03%,同水溶态、离子交换态及碳酸盐结合态汞相似,金矿附近土壤中铁锰氧化物结合态汞占总汞的比例较小,而远离金矿的土壤中这一比例迅速升高,金矿开采对铁锰氧化物结合态汞的分布造成了影响。
不同形态重金属之间经常处于动态平衡状态。例如,在植物-土壤系统中,当某种可被植物吸收的重金属形态被植物吸收而减少时,便主要由其他形态重金属来补充,而当可被植物吸收的重金属形态因外界输入而增多时,可促使可吸收形态向难吸收形态转化,各种形态在某一时刻可达到平衡状态。当外界环境条件变化时,这种平衡就会被打破,使不同形态重金属相互转化[26]。有研究表明[27],铁锰氧化物结合态汞可以向离子交换态、水溶态、碳酸盐结合态转化,具有潜在的生物有效性和环境威胁。同时,该形态可反映人文活动对环境的污染[28]。
2.3.4腐殖酸结合态及强有机结合态
腐殖酸结合态及强有机质结合态统称有机结合态,为重金属离子被有机质吸附、螯合或络合而固定在土壤中的形态[29]。腐殖酸结合态为金属离子与土壤腐蚀酸中小分子有机酸结合的形态,其性质活泼,当土壤理化性质发生变化时,腐殖酸结合态重金属会重新释放到土壤中。强有机结合态是土壤中大分子如胡敏酸和重金属离子相结合形成的形态,较腐殖酸结合态稳定[20]。在酸性环境中,有机物特别是还原性硫族有机物是汞最重要且有效的吸附剂[30]。一般用氧化剂或具有提取腐殖质能力的溶剂如NaOH和Na4P2O7对腐殖酸结合态汞进行提取,Na4P2O7是最常用的提取剂,提取出的有机结合态汞不受提取时间和样品与试剂体积比的影响[31]。Biester等人[32]用HNO3/H2O2提取有机结合态汞研究了矿区汞形态。然而,H2O2并不能完全地破坏有机物,而且硫化物也部分被溶解[33]。
金矿土壤中有机结合态汞占总汞的比例较大,仅次于残渣态汞,由图2可知,腐殖酸结合态汞在金矿区土壤中占总汞百分比的变化规律表现为:在采样点4、5、6数值较大,而在远离金矿的土壤中该形态汞占总汞的百分比较小,且金矿东部地区高于西部地区。和腐殖酸结合态相比,强有机质结合态汞占总汞百分比的波动范围较小,原因可能是其较腐殖酸结合态稳定,较难转化。金矿附近土壤中受金矿开采活动的影响较大,可能使腐殖酸结合态及强有机质结合态汞与其他形态汞之间相互转化,有研究表明[34],有机结合态汞具有向生物有效性汞形态转化的潜力。
2.3.5残渣态
残渣态一般存在于硅酸盐原生或次生矿物等土壤晶格中,在土壤中不易释放,难以被生物吸收利用。残渣态重金属主要受矿物成分及岩石风化和土壤侵蚀的影响[35],只有通过化学反应转化成其他活性态才能对生物产生影响[36]。金矿区土壤中残渣态汞可占总汞的70%以上,是土壤中汞的主要存在形态。残渣态汞占总汞的比例在金矿土壤中的变化表现为:距金矿越近,土壤中残渣态汞占总汞比例越低。在金矿附近土壤中,残渣态汞占总汞的比例为59.21%～71.47%,而远离金矿的采样点,这一比例高达82.35%。残渣态汞含量一般取决于土壤母质,其含量随土壤总汞含量的增加而增加。
3结论
焦家金矿土壤受到了严重的汞污染,污染土壤中各形态汞平均含量的分布为:残渣态>腐殖酸结合态>强有机结合态>水溶态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>离子交换态;除碳酸盐结合态外,其他各形态汞都有在金矿附近富集的现象,说明焦家金矿的开采是影响矿区土壤中不同形态汞空间分布的主要因素;非残渣态汞占总汞的27%左右,土壤中汞的生物有效性较高。同远离金矿的土壤相比,金矿附近土壤中活性较高的形态(离子交换态、水溶态、碳酸盐结合态及铁锰氧化物结合态)占总汞比例较低,而活性较低的形态(腐殖酸结合态及强有机结合态)占总汞比例较高。金矿开采活动可能对土壤中汞形态的分布造成影响。
分布形态 篇6
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验中受试海水取自中国近海, 淡水和沉积物取自三峡库区香溪河支流回水区。模型采用2根高度为1 m和2根高度为2 m、直径为16 cm的有机玻璃管, 管底封闭, 玻璃管外壁贴1层黑色遮光膜。沉积物混合均匀后置于实验模型内, 1 m淡水和1 m海水模型中沉积物厚度为12 cm, 水深为70 cm, 2 m淡水和2 m海水模型中沉积物厚度为20 cm, 水深为160 cm。
1.2 试验方法
本次模拟实验过程中采用Orion便携式多参数仪测定水体p H值、Eh、DO等, 通过每天早、晚各1次对模型内水体的p H值、Eh、DO等指标进行监测至指标保持稳后停止监测, 监测于2012年4月15日开始, 截止时间为2013年4月22日。监测结束后无扰动取出模型内沉积物并以2 cm厚分层, 采用Christophoridis和Fytianos[7]改进后的方法分步提取沉积物中磷形态的含量。
2 结果与分析
2.1 沉积物p H值垂直方向变化
p H值是湖泊水库水体水质的一个重要指标, 影响着磷与沉积物之间的吸附和离子交换过程[8]。试验结果表明, 1 m淡水环境下沉积物p H值相对较高, 最大值为7.3, 在表层0~2 cm, 最小值为6.74, 在8~10 cm;1 m海水环境下沉积物p H值在6.32~6.47, 随深度增加变化幅度不是很明显;2 m淡水环境下沉积物p H值在6.60~6.86, 随深度增加变化幅度减缓;2 m海水环境下沉积物p H值相对较小, 最大值为6.61, 最小值为6.02。
2.2 沉积物中磷形态沿垂向变化
沉积物中NH4Cl-P表示沉积物中的弱吸附态磷。试验结果表明, NH4Cl-P含量范围为0.49~1.92 mg/kg。在垂向上, 1 m淡水和海水环境下NH4Cl-P含量总体上随深度增加逐渐增大, 2 m淡水和海水环境下NH4Cl-P含量都呈现波形变化且变化趋势一致, 在2~4、6~8、12~14 cm处分别出现峰值。
沉积物中BD-P表示氧化还原敏感性磷。试验结果表明, BD-P含量范围在18.5~27.5 mg/kg。在1 m淡水和1 m海水环境下BD-P含量总体上随深度增加先减小后增大, 2 m淡水环境下BD-P含量在0~4 cm减小, 4~10 cm增大, 10~16 cm又逐渐减小, 2 m海水与2 m淡水环境下BD-P含量变化趋势则刚好相反, 但含量较1 m海水与1 m淡水环境下BD-P含量。
沉积物中Na OH-P是可被碱性溶液溶解的无机磷。试验结果表明, Na OH-P含量范围在28~33 mg/kg。1、2 m淡水和2 m海水环境下沉积物中Na OH-P含量沿垂向上先减小后增大, 且0~2 cm层含量最高, 分别为22、33、29 mg/kg, 且BD-P与Na OH-P含量相近。
沉积物中HCl-P表示的是钙结合态磷。试验结果表明, HCl-P含量范围为72~107 mg/kg。1 m淡水环境下HCl-P含量在垂向上先增加后减小, 最小值出现在表层, 为94 mg/kg, 而1 m海水环境下HCl-P含量在2~10 cm变化趋势与之相反;2 m淡水环境下HCl-P含量变化与2 m淡水环境下NH4Cl-P含量变化一致, 在0~2、6~8、14~16 cm处出现谷值, 而2 m海水环境下HCl-P含量变化趋势与之刚好相反。
Res-P是指残渣态磷。试验结果表明Res-P含量范围为11~23 mg/kg。1、2 m淡水环境下Res-P含量在0~4 cm逐渐降低, 之后逐渐增加;1 m海水环境下Res-P含量在0~8 cm呈上升趋势, 8~10 cm降低, 2 m海水环境下Res-P含量则总体出现下降的趋势。
沉积物中各形态磷含量排序为HCl-P>BD-P>Na OH-P>Res-P>NH4Cl-P。其中HCl-P含量占各形态磷累加和的百分含量在47%~67%, 平均值为59.5%, 含量最高;BD-P百分含量在11.4%~17.2%;Na OH-P百分含量在11.8%~21.5%;Res-P百分含量在7.4%~13.8%;NH4Cl-P在0.3%~1.2%, 平均值为0.8%, 含量最低。
3 结论与讨论
研究结果表明, 淡水、海水环境下p H值在沉积物中分层较明显, p H值垂直方向呈现随沉积物深度增加逐渐下降趋势, 淡水比海水环境下的沉积物p H值要高。淡水、海水环境下1 m淡水和1 m海水以及2 m淡水和2 m海水之间沉积物各磷形态含量沿着深度变化趋势相似, 1 m淡水和2 m淡水之间各形态含量沿着深度变化趋势无明显相似性, 1 m海水和2 m海水之间的则变化趋势相近。淡水、海水环境下沉积物中各形态磷含量占累加和百分含量排序为HCl-P>BD-P>Na OH-P>Res-P>NH4Cl-P。其中HCl-P含量在47%~67%, 含量最高;BD-P百分含量在11.4%~17.2%;Na OH-P百分含量在11.8%~21.5%;Res-P百分含量在7.4%~13.8%;NH4Cl-P在0.3%~1.2%, 含量最低。
摘要：模拟在不同深度淡水和海水环境下沉积物中各形态磷分布特征, 试验结果表明, 淡水、海水环境下pH值在沉积物中出现分层现象, pH值呈现垂直方向逐渐下降趋势, 范围在6.027.30之间, 在相同深度上, 淡水比海水环境下的沉积物pH值要大;1 m淡水比2 m淡水环境下沉积物pH值要大, 210 cm之间1 m海水比2 m海水环境下沉积物pH值要大, 沉积物中各形态磷含量排序为HCl-P>BD-P>NaOH-P>Res-P>NH4Cl-P。
关键词：淡水,海水,沉积物,磷形态,分布特征
参考文献
[1]彭近新, 陈慧君.水质富营养化与防治[M].北京:中国环境科学出版社, 1988.
[2]范成新, 张路, 王建军, 等.湖泊底泥疏浚对内源释放影响的过程与机理[J].科学通报, 2004, 49 (15) :1523-1528.
[3]尹大强, 覃秋荣, 阎航.环境因子对五里湖沉积物磷释放的影响[J].湖泊科学, 1994, 6 (3) :240-244.
[4]刘静静.巢湖内源氮磷的形态, 释放规律及控制研究[D].合肥:合肥工业大学, 2006.
[5]WANG Guo-ping, LIU Jing-shuang, ZHAO Hai-yang, et al.Phosphorus sorption by freeze-thaw treated wetland soils derived from a winter-cold zone (Sanjiang Plain, Northeast China) [J].Geoderma, 2007, 138 (1) :153-161.
[6]金相灿, 孟凡德, 姜霞, 等.太湖东北部沉积物理化特征及磷赋存形态研究[J].长江流域资源与环境, 2006, 15 (3) :388-394.
[7]CHRISTOPHOROS C, KONSTANTINOS F.Conditions affecting the release of phosphorus from surface lake sediments[J].Journal of Environmental Quality, 2006, 35 (4) :1181-1192.
分布形态 篇7
21世纪的今天已进入了高科技、现代化生产的时代, 产品质量的标准也被进一步的提升了。在机械产品的设计仿真和加工制造过程中, 科学地提高形位公差要求, 做到对误差的精准检测、严格控制, 从而确保产品的高质量、生产当中无事故而又高效率的顺利进行是极其重要的。而平面度在所有形位公差项目当中是相当重要的一种。现在, 平面度误差的检测, 在几何量的数控机床在线检测的测量中的意义是相当重要的。而就目前而言, 对平面度的在线检测所采取的检测方法当中仍然还有一些关键的问题需要解决, 其中检测点的布置方案问题就是一个值得研究和处理的问题。由于在线检测形位误差的布点方案有多种, 而且各种方案得出的结果却又不尽相同, 所以很可能会导致了产品不合格, 进而直接影响产品的加工质量和加工成本[1]。
本文在研究了国内外加工平面检测点的布置方案的基础上, 根据叶序相关理论, 提出了一种用于使加工平面上检测点的布置更合理的叶序布点法, 即应用叶序理论对具有一定形状、一定尺寸的加工平面上的一定数量的检测点进行位置的设定, 使这些检测点的位置能够在总体上达到更进一步的优化, 以使在检测点数不变的情况下, 能够更全面、更精确、更广泛的反映所要检测的加工平面的平面度情况。
1 叶序理论
叶序排布是植物学中一种常见的现象, 指的是植物叶片沿径向以斐波那契数为基础的叶序理论来生长的方式, 并且植物的叶子在径向上都是呈螺旋状排列的。植物之所以以这种方式生长是自然选择的结果[2]。
柱面叶序模型矩形叶序形式是本文所采用的加工平面检测点的布置形式。植物叶序模型生物籽粒、花瓣、鱼鳞结构排布规律模型, 这种结构的排布在几何学上实现空间互补并满足黄金分割率, 此种排布具有表面对光、热辐射的最大吸收能力和均布效应[2]。因此, 在加工平面检测点的分布设计时可把每个检测点看作是植物籽粒点, 并据此模型来布置加工平面检测点, 以期实现加工平面检测点的布置能够充分的反映加工平面的加工情况, 从而提高被检测加工平面的平面度误差的精度[2]。
因植物叶序的特殊生长现象让人们对叶序领域给予愈来愈高的关注, 所以人们逐渐从植物叶序这一奇特现象中总结出了以下特点[3]:植物叶序分布的顺时针螺旋线数目和逆时针螺旋线数目都遵循斐氏级数, 并且顺时针螺旋线数目与逆时针螺旋线数目之比接近黄金分割数:
斐氏级数的角度为360t2, 近似等于137.508°。另外, 柱面叶序模型最初由van Iterson提出, 随后由Erickson做了深入的研究[4]。其数学公式可表述为:圆柱面的相邻序数植物籽粒或籽粒族之间的旋转角度为:
相邻植物籽粒或籽粒族之间的Z轴间距为:
其中n为籽粒或鳞片序数, h为生长系数[3]。
根据公式 (2) 、 (3) 可得到柱面叶序模型, 然后将其转换为平面的矩形叶序模型, 其转换后的矩形叶序展开如图1所示。
2 检测点在加工平面上的布置以及数据获取的建模
2.1 常规矩形布点及其数据获取方案
1) 根据被测实际平面的形状与尺寸以及与其相对应的检测点数的布置要求, 得到实际被测加工平面所需布点的坐标X和Y矩阵。
2) 调用MATLAB当中的meshgrid函数, 以生成网络数据矩阵X1, Y1。
3) 应用MATLAB当中的二维矩阵插值函数interp2, 得到以上各个检测点的Z轴坐标。
常规矩形布点示意图, 如图2所示。
2.2 叶序布点及其数据获取方案
1) 根据被测实际平面的形状与尺寸以及与其相对应的检测点数的布置要求, 还有叶序布点的公式 (2) 和公式 (3) , 将上述公式 (2) 和公式 (3) 转化成平面直角坐标系当中的含有x、y的公式, 最后即可得到实际被测加工平面所需布点的坐标X和Y矩阵。
2) 调用MATLAB中的meshgrid函数, 以生成网络数据矩阵X2和Y2。
3) 应用M A T L A B中的二维矩阵插值函数interp2, 经过相应的插值运算得到叶序检测点的Z轴坐标值。
叶序布点示意图如图3所示。
上述布点和获取数据的方案都是以仿真的加工平面为基础进行的, 其中加工平面三维仿真如图4所示。
3 数据处理部分
3.1 平面度定义及其评定方法
根据国家标准规定, 实际被测平面相对其理想平面的变动量, 此即为平面度误差的定义, 其中理想平面的位置应符合最小条件。平面度最小包容区域的宽度也就是平面度的误差值[5]。
最小包容区域法、最小二乘法、对角线平面法和三远点平面法等方法是平面度误差的主要评定方法。最小包容区域法在评定平面度的方法中, 就精度而言是优于其他方法的。所以, 目前在进行平面度评定的过程当中, 最小区域法是最被通常采用的方法。所以, 本文在此主要对最小区域法进行相应的介绍。
3.2 最小区域法数学模型
平面的标准性方程为:
由在线检测系统的接触性探测头测得n (n (29) 3) 个点的坐标为 (xi, yi, zi) (i (28) 1, ..., n) 。
由点到平面的数学公式, 可知:以上各检测点到平面的距离为:
根据最小区域法构造的下列函数即为最小包容区域平面应该满足的方程[6]为:
式中, dimax、dimin分别为di中的最大值和最小值。
当F取最小值时, 对应的A、B、C、D即为最小区域平面标准方程的系数。这样评定最小区域平面度误差的实质也就转化为求解A、B、C、D的最优化问题, 本文采用改进单纯形算法[7]对公式 (6) 进行迭代, 以期得到A、B、C、D的最优值。
3.3 MATLAB的最小区域法程序实现
1) 首先从数控机床在线检测系统的接触式探测头测得的n (n (29) 3) 个点中任意挑选三个随机检测点, 此三点的坐标为P1 (x 1, y1, z1) , P2 (x 2, y2, z2) , P3 (x 3, y3, z3) , 然后将此三点的坐标值代入下列方程[8]中, 即可求出平面方程参数的迭代初值, 即A0、B0、C0、D0。
2) 将用测头获取的n (n (29) 3) 个点的坐标值分别代入上边的距离公式 (5) 中, 从而求出各点到指定平面的距离di;
3) 按照公式 (6) 构造出函数F (A, B, C, D) ;
4) 将A0、B0、C0、D0作为初值代入步骤6) 当中的构造出的函数F (A, B, C, D) , 用改进单纯形算法迭代求出符合此函数和求解精度的标准平面方程参数A、B、C、D, 以这四个参数为标准参数的标准平面方程即为所求的评定基准面的方程。
5) 再根据 (5) 式求出各点相对评定基准面的距离iD;
6) 平面度误差值f (28) Dmax-Dmin即为最终所求, 式中Dmax、Dmin分别为各点相对于评定基准面的距离中的最大和最小偏离值[9]。
4 仿真结果比较
500×600的加工平面仿真如图4所示, 表1为在上述加工仿真平面上常规矩形法所布检测点数和叶序法所布检测点数分别为50、40、30、25、20个点时所得的平面度误差值。
在表1中的这五组数据, 不管是哪一组数据, 采用叶序布点法所得的平面度误差值都要比采用矩形布点法所得的平面度误差值更靠近仿真平面的真实值;另外, 从数据的对比也能看出, 在要求同样的误差精度的前提下, 用叶序布点法所布的点数要小于用常规矩形布点法所布的点数, 比如:要求的误差精度为27.30 mm时, 若采用矩形布点法就得布置50个检测点, 若采用叶序布点法只需布30多个点就能达到这个精度要求。
5 结束语
本文针对平面度的数控加工机床的在线检测, 提出了一种基于叶序理论的加工平面检测点的布置方法。并对该研究所涉及到的加工平面仿真、检测点数据以及加工平面平面度误差的数据获取与计算等重要问题, 给予了相应的研究。最后, 基于MATLAB平台, 开发出加工平面、检测点坐标值的获取的仿真系统, 与此同时也开发出了平面度误差数据计算处理系统, 并对仿真结果进行了验证。验证的结果得出, 用叶序布点法布点得到的平面度误差不但在精度上要优于常规矩形布点法, 并且在效率方面也有了一定的提高, 从而验证了叶序布点法的可行性。
参考文献
[1]沙定国.误差分析与测量不确定度的评定[M].中国计量出版社, 2003.
[2]张田.基于葵花籽粒结构的仿生抛光垫设计制造及抛光液流场的研究[D].沈阳理工大学, 2011, 12.
[3]朱永胜.植物与斐波那契数[D].镇江市高等专科学校, 2006.1.
[4]S.James, F.Hanan.David Fracchia Deborah Fowle.TheAlgorithmic Beauty of Plants Springer-Verlag[J].New York, 1990:188-200.
[5]陈永鹏.基于MATLAB的平面度评定方法[J].工具技术, 2004, 38 (2) .
[6]刘永超, 陈明.形位误差的进化算法[J].计量学报, 2001, 22 (1) :18-22.
[7]Lagarias J C, J A Reeds, M H Wright, P-E Wright.Convergence properties of the nelder-m-ead si-mplex method in low dimensions.SIAM Journal of Optimization, 1998, 9 (1) .
[8]X Zhou, F.X.Modeling and predicting surface roughness of the grinding process[J].Internationa l Journal of Machine Too ls&Manufacture, 2002, 42:969-977.
分布形态 篇8
1 材料
1.1 试验动物
小鼠40只(雌雄各半),购于黑龙江中医药大学实验动物中心。随机抽取雌雄各10只小鼠作为饥饿组,剩余20只为正常喂食组。饥饿处理48 h后处死,解剖分离出胃肠道,按照胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠、直肠进行取材,立即用生理盐水冲洗,然后用改良的Bouin’s试剂固定48 h,常规脱水透明后石蜡包埋,用组织切片机(型号为820)切出6μm厚度的蜡带,贴片烘干。
1.2 试验试剂
1.2.1 固定液
改良的Bouin’s试剂:苦味酸饱和水溶液75 m L,甲醛25 m L,冰醋酸5 m L。
1.2.2 银染液
硝酸银0.05 g,乙酸盐缓冲液100 m L,p H值为5.8。
1.2.3 还原液
无水亚硫酸钠5 g,对苯二酚1 g,纯化水100 m L。
2 方法
2.1 银染
银染法的具体操作步骤参照方福德等[17]方法中的Grimelius法。
2.2 拍照、计数及数据的统计分析
在BH-2显微镜(40倍镜)下,对小鼠胃肠道每个部位分别取10个视野计数,并用SPSS 18.0统计分析软件中的Duncan’s多重比较方法分别对饥饿组和正常喂食组小鼠胃肠道各部位嗜银细胞进行统计学分析,运用独立样本t检验对饥饿组和正常喂食组小鼠胃肠道同一部位嗜银细胞分布密度进行统计学分析,数据以“平均数±标准差”表示。应用LEI-CA DC50显微成像系统拍照。
3 结果与分析
采用Grimelius银染法处理后嗜银细胞呈黑色或棕黑色,背景细胞为黄色,颜色对比反差强,容易辨认。
3.1 饥饿组与正常喂食组小鼠胃肠道嗜银细胞的形态学特征
饥饿组和正常喂食组小鼠从胃至直肠各段均有嗜银细胞分布,两组小鼠胃肠道的嗜银细胞分布位置与形态相似,结果见表1。
3.2 正常喂食组与饥饿组小鼠胃肠道嗜银细胞的分布密度
正常喂食组小鼠胃肠道内嗜银细胞的分布密度高峰位于胃与十二指肠,低谷位于回肠至直肠各段;饥饿组小鼠胃肠道内嗜银细胞的分布密度高峰位于胃,低谷位于盲肠与直肠。饥饿组小鼠胃肠道同一部位嗜银细胞的数量与正常喂食组小鼠相比有极显著差异(P<0.01),且各部位均是饥饿组小鼠低于正常喂食组小鼠,见表2。
4 讨论
4.1 饥饿对小鼠胃肠道嗜银细胞形态的影响
试验结果表明,饥饿对小鼠胃肠道嗜银细胞的形态无明显影响,但有部分嗜银细胞仍然处于分泌状态,这与付雪枫等[13]对东方蝾螈(Cynops orientalis)和华子暄等[15]对胎生蜥蜴(Lacerta vivipara)的研究结果一致。这可能是小鼠应对饥饿生活环境的一种策略,嗜银细胞分泌的激素具有调节胃肠道运动、黏膜层上皮生长以及消化腺分泌的作用[18]。在饥饿环境下,小鼠仍然保留部分处于分泌状态的嗜银细胞,可能有助于其在环境好转时快速提升消化吸收速率,尽早适应新的生活环境。
个·视野-1
注:同列数据肩标小写字母不同表示差异显著(P<0.05),小写字母相同表示差异不显著(P>0.05);**表示饥饿组与正常喂食组相比差异极显著(P<0.01)。
4.2 饥饿对小鼠胃肠道嗜银细胞分布密度的影响
正常喂食组小鼠胃肠道内嗜银细胞的分布密度高峰位于胃与十二指肠,这与李淑兰等[19]对小鼠(Mus musculus)以及刘霞等[20]对贵州小型猪(Sun scrofa domestica var.mino Guizhounensis Yu)的研究结果相似,但与王春蕾等[21]对麻雀(Passer montanus)以及王淼等[22]对东亚腹链蛇(Amphiesma vibakari)的研究结果显示的高峰位于胃而十二指肠分布密度较小存在差异。饥饿组小鼠胃肠道嗜银细胞的分布密度高峰为胃,低谷位于盲肠与直肠,这与付雪枫等[13]对东方蝾螈(Cynops orientalis)研究结果显示的禁食组东方蝾螈胃肠道嗜银细胞高峰位于贲门,低谷位于十二指肠、回肠及直肠以及华子暄等[15]对胎生蜥蜴(Lacerta vivipara)的研究结果显示的高峰位于幽门和胃体,低谷位于十二指肠存在差异,但与楚德昌等[23]对中华蟾蜍(Bufo gargarizans)的研究结果相似,这可能与动物的食物组成和生境有关。
饥饿对不同动物胃肠道内嗜银细胞的分布密度影响不同。付雪枫等[13]对东方蝾螈(Cynops orientalis)的研究表明,禁食组胃肠道除幽门外的其他部位嗜银细胞分布密度均显著高于正常喂食组。华子暄等[15]对胎生蜥蜴(Lacerta vivipara)的研究表明,除饥饿组胎生蜥蜴除贲门和十二指肠嗜银细胞低于正常喂食组外,其他部位均高于正常喂食组。试验中,饥饿组小鼠与正常喂食组相比,胃肠道各部位嗜银细胞的分布密度均有极显著差异(P<0.01),且饥饿组胃肠道各部位均低于正常喂食组,这与以上的研究结果不同,但与陈慧等[14]对牛蛙的研究结果相同。原因可能与动物消化生理状态的改变有关,因为在饥饿状态下,缺少食物对胃肠黏膜的刺激使胃肠道活动减慢,黏液分泌减少,无需更多嗜银细胞分泌激素参与作用,导致饥饿组胃肠道嗜银细胞的数量明显低于正常喂食组。
5 结论
饥饿条件下,小鼠胃肠道嗜银细胞的形态与正常喂食组相似,且部分细胞仍处于分泌状态。但饥饿环境可使小鼠胃肠道各部位的嗜银细胞密度明显低于正常喂食组,这种变化与小鼠胃肠道消化生理状态的改变相适应,也是小鼠对不利环境的一种适应策略。
摘要：为了研究饥饿对小鼠胃肠道内嗜银细胞的形态和分布密度的影响,试验采用Grimelius银染法对饥饿组小鼠和正常喂食组小鼠胃肠道内嗜银细胞的形态和分布密度进行比较研究。结果表明:两组小鼠胃肠道内嗜银细胞形态相似,有圆形、椭圆形和锥体形等,正常喂食组小鼠嗜银细胞高峰位于胃和十二指肠,低谷位于回肠至直肠各段;饥饿组小鼠胃肠道嗜银细胞的分布密度高峰为胃,低谷位于盲肠与直肠。饥饿组小鼠胃肠道同一部位嗜银细胞数量与正常喂食组小鼠相比有极显著差异(P<0.01),且各部位均是饥饿组小鼠低于正常喂食组小鼠,这可能与小鼠对于不利环境的适应策略有关。
分布形态 篇9
1 材料与方法
1.1 样品
枕纹锦蛇10条, 采自黑龙江省海林市威虎山影视基地。参照王淼等[11]的方法进行取材及固定。
1.2 试剂
固定液 (改良的Bouin’s液) :甲醛25 m L, 苦味酸75 m L。银染液:乙酸盐缓冲液100 m L, 硝酸银0.05 g, p H值为5.8。还原液:对苯二酚1 g, 无水亚硫酸钠5 g, 双蒸水100 m L。
1.3 染色
采用Grimelius法进行银染。
1.4 照相及细胞计数
参照李淑兰等[4]的方法进行照相, 并计数。
2 结果与分析
2.1 消化道各段嗜银细胞的分布密度
在Grimelius法的切片标本中, 嗜银细胞的嗜银颗粒被染成棕黑色或黑色, 背底呈淡黄色, 对比强烈, 容易辨认。采用Duncan’s多重比较的方法, 对枕纹锦蛇消化道8个部位嗜银细胞进行计数, 所得数据见表1。
个·视野-1
注:同列数据肩标含相同字母表示差异不显著 (P>0.05) , 字母完全不同表示差异显著 (P<0.05) 。
2.2 嗜银细胞的组织学分布及形态特征
嗜银细胞形态多样, 分布位置各异, 具体分布位置及形态见表2。
3 讨论
3.1 嗜银细胞的分布范围
研究表明, 嗜银细胞在不同脊椎动物消化道的分布范围不同。在两栖爬行类动物中, 除版纳鱼螈的食管和大肠[12]及埃及蟾蜍的直肠[13]没有嗜银细胞外, 其他动物的嗜银细胞在消化道全长均可见, 如中国林蛙[4]等。鸟类除了其特有的结构嗉囊没有嗜银细胞分布外, 其余部位均有分布, 如黄雀[14]等。哺乳动物除在食管部未检测到嗜银细胞外, 消化道其他部位均有分布, 如家兔[15]等。本研究中, 嗜银细胞在枕纹锦蛇的整个消化道中均有分布, 这与绝大多数两栖爬行动物的分布特点相同, 而与以上其他各纲动物消化道嗜银细胞的分布不同。这可能与其栖息环境及食性不同有关。
3.2 嗜银细胞的分布密度及特点
嗜银细胞的分布密度高峰在消化道, 不同动物存在较大差异, 如两栖纲的极北鲵[16]嗜银细胞密度高峰在直肠, 爬行纲的多疣壁虎[17]在十二指肠, 鸟纲的黄雀[14]在腺胃和回肠, 哺乳纲的家兔[15]在盲肠。
枕纹锦蛇的嗜银细胞在整个消化道均有分布, 胃幽门部密度最低, 这与东亚腹链蛇[11]消化道嗜银细胞在胃幽门部分布密度最高的情况相反。而在已研究的23种爬行动物中, 有2/5的嗜银细胞分布密度高峰位于胃幽门部[9], 是因为胃幽门部控制胃的排空速度, 其肌层发达且运动机能较强, 而胃体部是内分泌腺最发达的部位, 因此需要较多嗜银细胞参与调节[11]。同时R.A.Conlson等[18]研究认为, 进入十二指肠的食物能够反向通过幽门括约肌, 重新反流入胃, 由此引起胃幽门部5-HT细胞分布密度较高。而枕纹锦蛇对食物进行消化时, 可能没有反向进入胃, 而是直接进入十二指肠后下行, 因此嗜银细胞在胃幽门部分布密度最低。虽然枕纹锦蛇食管处有嗜银细胞分布, 但密度较低, 这与无蹼壁虎[7]和棕黑锦蛇[6]的分布情况相似, 而与巴西彩龟[19]消化道嗜银细胞在食道还有第3分布密度高峰的情况相差较大。另外, 枕纹锦蛇、无蹼壁虎和棕黑锦蛇均属于陆栖爬行动物, 而巴西彩龟属于半水栖动物, 它们的栖息环境有很大差别。因此, 枕纹锦蛇消化道嗜银细胞的分布型可能与其栖息地环境、食性类型、食物组成有关。
3.3 嗜银细胞的位置形态与功能
嗜银细胞可接受多种物理和化学刺激, 其分泌的5-HT, 释放到循环血中, 具有扩张血管和促进平滑肌收缩的作用, 说明其具有内分泌功能。枕纹锦蛇消化道内的嗜银细胞形态各异, 有的是椭圆形的, 说明其分泌的激素直接进入血液, 行使内分泌功能。研究中, 观察到枕纹锦蛇消化道内的嗜银细胞形态有的是锥体形的, 其突起指向肠腔或腺泡腔, 这进一步证实了消化道内分泌细胞具有外分泌功能。同时, 枕纹锦蛇消化道内的嗜银细胞形态还有长梭形的, 其突起分别指向固有膜和肠腔, 说明这种形态的嗜银细胞兼有外分泌和内分泌两种功能, 至于嗜银细胞分泌激素的种类及作用还有待于进一步研究。
A.食管部嗜银细胞 (梭形) ;B.食管部嗜银细胞 (锥体形) ;C.胃贲门部嗜银细胞 (锥体形) ;D.胃贲门部嗜银细胞 (椭圆形) ;E.胃体腺泡之间嗜银细胞 (锥体形) ;F.胃幽门部嗜银细胞 (锥体形) ;G.胃幽门部腺泡之间嗜银细胞 (椭圆形) ;H.十二指肠嗜银细胞 (锥体形) ;I.十二指肠嗜银细胞 (蝌蚪形) ;J.十二指肠嗜银细胞 (梭形) ;K.空肠嗜银细胞 (梭形) ;L.空肠嗜银细胞 (锥体形) ;M.空肠嗜银细胞 (蝌蚪形) ;N.回肠嗜银细胞 (梭形) ;O.回肠嗜银细胞 (锥体形) ;P.直肠嗜银细胞 (椭圆形) 。
摘要：为了研究枕纹锦蛇消化道嗜银细胞的分布、密度及形态, 试验采用Grimelius法对其进行研究。结果表明:在枕纹锦蛇的消化道中嗜银细胞分布广泛, 见于消化道全长。从其分布密度曲线可以看出, 胃体部是嗜银细胞分布密度的最高峰, 食管、胃幽门部及直肠分布密度最低。嗜银细胞形态多样, 主要有锥体形、长梭形、蝌蚪形及椭圆形。广泛分布于上皮细胞基部、上皮细胞之间、腺泡上皮细胞之间。根据其形态认为, 枕纹锦蛇消化道内嗜银细胞具有内分泌、外分泌功能, 同时枕纹锦蛇消化道内嗜银细胞分布型的形成可能与其食性、生活环境及消化道各部位功能有关。