《内蒙古科技大学学报》稿约

合集下载

石墨相氮化碳的研究进展

石墨相氮化碳的研究进展李伦;宋金玲;王宝英;段成林【摘要】氮化碳近年来在光催化领域备受关注,具有特殊的电子光学结构以及优异的化学稳定性能,且禁带宽度非常有利于可见光的吸收,在利用太阳能降解有机污染物方面具有很大的前景.由于它本身比表面积小,产生的光生电子和空穴易复合,抑制了催化剂的光催化活性.在此本文系统的介绍了氮化碳的结构,性能和催化机理,综合了近年来的改性手段,包括改善制备工艺,以及对其进行纳米化,掺杂,官能化,复合等方法,提高比表面积和改善能带结构,并对其以后的发展进行了展望.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】6页(P377-382)【关键词】光催化剂;光生电子和空穴;能带结构【作者】李伦;宋金玲;王宝英;段成林【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010【正文语种】中文【中图分类】TQ426近年来，环境污染，资源短缺已经愈发成为困扰人类的主要问题.怎样降解污染，使资源能够循环使用，是人类面临的巨大挑战.对于我们赖以生存的家园，太阳能是我们自古以来，取之不尽用之不竭的清洁能源，如何把用不尽的太阳能转化为我们所需的能量，去创造更多的有益价值，这就是我们所探索的问题.于是，人们发现了光催化剂.简单来说，就是在光的照射下，光催化剂捕获电子，能够更加有效的、高速的催化反应的进行，把有机大分子污染物质迅速分解为无污染的小分子[1，2]，以实现污染物的降解.随着光催化剂研究的发展，光催化剂也有了日新月异的更新换代，从最开始研究的二氧化钛[3]到如今的氮化碳[4～7]，催化剂一直在向廉价、稳定、高性能、环保等方向进行.而今，氮化碳以其稳定的化学性质和热力学性能，引起了广泛关注.1 氮化碳的结构性能和光催化机理石墨相氮化碳是氮化碳中结构最为稳定的同素异形体.与石墨结构类似，石墨相氮化碳呈平面网状，空间层状结构，层间距略小于石墨层间距.其中，C与N元素以sp2方式杂化形成高度离域的Π电子共轭体系，Npz轨道组成氮化碳聚合物的价带(HOMO)，Cpz轨道组成氮化碳聚合物的导带(LUMO)，价带导带之间的禁带宽度大约为2.7 eV[8]，非常有利于吸收可见光.氮化碳在光催化方面表现了极强的优越性.能够吸收大部分的可见光，作为光催化剂，在自然光照射下，光解水制氢，光解CO2，光解有害气体[9，10]，光解有机污染物等效率都有大幅度提升.如图1所示[11]，当半导体受到光源照射时，光子能量大于或等于禁带宽度时，位于价带上的自由电子受到激发跃迁到导带上，这样价带上留下空穴，形成光生电子空穴对，也就是载流子.载流子有四种迁移途径[12]，一种是迁移到催化剂表面复合；第二种是迁移过程中在催化剂内部复合.这两种迁移过程，复合之后不再参与光催化作用，所以极大程度上限制了催化剂的效率.第三种是迁移到催化剂表面的空穴可以直接与表面的有机分子发生反应，或者与吸附的水分子或羟基反应生成羟基自由基；第四种是迁移到表面的光生电子与催化剂表面的氧分子或水分子反应生成这两种方式生成的活性基团参与到后续的光催化反应中，从而有效降解有机污染物.图1 g-C3N4光催化机理图Fig.1 Photocatalytic mechanism of g-carbon nitride2 氮化碳的制备方法由于光催化反应大多在光催化剂的表面发生，所以制备比表面积较大的氮化碳，可以大大提高光催化剂的催化效率.目前，通常用含氮前驱体通过热缩聚反应生成的氮化碳，往往是一些块状或片层状聚合物，比表面积较小.如果通过改变制备方法来得到不同形貌的氮化碳，氮化碳的发展将会有很大的提升空间.2.1 缩聚法最传统的制备氮化碳的方法就是缩聚法，这种方法是将含氮前驱体置于坩埚中，高温马弗炉中煅烧，研磨，如此就制备出了氮化碳.由于这种方法制备的氮化碳比表面积较小，所以前驱体的选择还是至关重要的，人们也一直在探索效果较好的前驱体：单氰胺、双氰胺、三聚氰胺[3]、尿素等.实验发现三聚氰胺和尿素制备出的氮化碳催化效率比较高.另外一种增大比表面积的方法就是对制备出的氮化碳继续煅烧两到三次，也能使其变得疏松，比表面积增大.2.2 模板法采用模板法制备多孔氮化碳，可以在一定程度上提高氮化碳的比表面积.这种方法是将孔径可调的纳米孔结构加入到氮化碳的结构中，这样比表面积增大，催化效率就会提高.模板法分为硬模板法和软模板法两种.硬模板法一种是将有序硅基材料作为硬模板，含氮前驱体乙二胺和四氯化碳注入到模板当中，加热或回流条件下蒸干或聚合，然后高温焙烧，最后用氢氟酸或氢氧化钠刻蚀除去二氧化硅.另一种硬模板法是采用二氧化硅纳米颗粒作为模板，和含氮前驱体腈氨合成介孔氮化碳，其最大比表面积可达439 m2/g.由硬模板法合成出的氮化碳材料孔隙较多且规则整齐，比较面积和孔容较大，在氮化碳内部的孔隙中就能进行催化反应，且自身性质保持稳定，因此化学稳定性较好，催化能力较高.除此之外是软模板法，方法是表面活性剂自组装法，用含氮化合物作为前驱体，经过聚合，碳化，高温焙烧得到多孔氮化碳.这种方法制作的介孔氮化碳方法简单，周期较短.李敏等[14]采用这种方法，发现由于焙烧时温度高，容易使模板剂分解，破坏多孔结构，所以，这种方法还待进一步研究.2.3 超分子自组装法与模板法相比，超分子自组装法无需模板，操作简便.这种超分子自组装法就是利用含氮前驱体分子之间弱的相互作用，范德华力、氢键以及静电力等，自发的构成高级有序的超分子组装体，再进行焙烧聚合成氮化碳材料.Thomas等[15]做法是在二甲基亚砜溶剂中，将摩尔比相等的三聚氰胺和三聚氰酸溶解，通过自组装形成超分子，进一步将其焙烧，就制备出由纳米片构成的氮化碳空心球.这其中，通过控制溶剂、温度、氢键等可以改变氮化碳形貌、光的吸收和发射性能.通过提高焙烧时的温度，还可以增大氮化碳的比表面积，从而提高光催化效率.Shalom等[16]详细研究了溶剂和焙烧温度与氮化碳结构形貌的关系，当用乙醇、水和氯仿分别作为溶剂时，得到的分别是规则的薄饼状三聚氰胺-三聚氰酸超分子，棒状形貌和针状结构.并且发现延长焙烧时间能够使空心纳米结构生长的更完整，如图2所示.综合超分子组装法制备氮化碳发现，与一般方法制备的氮化碳相比，结构没有什么变化，但是可见光吸收性能更强，带隙更宽，光生电子寿命更长.图2 三聚氰酸-三聚氰胺组装体在550 ℃氮气气氛中焙烧12 h后的SEM照片Fig.2 SEM photographs of cyanuric acid melamine composite after calcination in 12 h at 550 ℃ in N2 atmosphere3 氮化碳的改性氮化碳在光催化方面前景非常广阔，如何提高光催化效率就成为备受关注的问题.提高效率的关键在于提高氮化碳作为催化剂的光生电子和空穴的分离效率，所以大致上从掺杂、官能化以及复合几个方面入手.3.1 氮化碳纳米改性纳米改性现在也是研究热点之一，有些研究人员把氮化碳的改性转移到了这一方面.张千[17]等人通过醇处理，酸处理，煅烧法三种方法得到了氮化碳的纳米薄片.通过一系列表征方法发现煅烧法得到的纳米薄片在尺寸和形貌上都是最佳的，纳米片片薄透明，厚度大约50 nm，且结晶区域较多，克服了氮化碳本身比表面积小的缺陷，提供了更多的反应活性位点，对罗丹明B的降解效率达到了82%.张明文等[18]通过在氮化碳纳米片层加入芳环基团，调控g-C3N4的共轭结构，既增强了表面传质，又降低了带隙宽度，促进了光生电子和空穴的分离与迁移，使420 nm 处的量子效率达到8.8%.3.2 氮化碳官能化由于氮化碳的能带位置，导致不能像羟基自由基一样产生氧空穴，这就大大限制了氮化碳的应用范围.针对这一点，人们做了大量的工作，在不破坏氮化碳结构的条件下，对氮化碳表面进行官能化处理.官能化包括对表面羟基化，羧基化，质子化等.目前所做的研究中，表面羟基化对于光生空穴的产生起到缺陷作用，反过来，又能产生活跃的羟基自由基.Zheng等[19]对这方面进行了深入的研究，他们将制备好的g-C3N4和不同浓度的H2O2进行简单的超声处理，如此一来，就得到有浓度梯度的羟基化的氮化碳.从表征结果来看，表面羟基化保留了氮化碳原有的分子结构，20%的双氧水降解效率最好，这催化反应过程中，通过抑制反应发现，超氧自由基对于降解起到了关键性作用.超氧自由基是将羟基引入到g-C3N4表面后形成的，具体形成机制以及催化机理还待进一步研究发现.图3 氮化碳表面羟基化前后结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the surfacestructure of carbon nitride before and after hydroxylation3.3 氮化碳掺杂氮化碳掺杂主要分为两类掺杂，金属掺杂和非金属掺杂，掺杂可以使氮化碳内部结构发生一些改变.能够使波长吸收阈值增大，扩宽光吸收范围.还能使禁带宽度变窄，有效降低带隙能.3.3.1 金属离子掺杂半导体氮化碳中掺杂金属，可以有效增大比表面积；与此同时，金属对于电子的俘获能力很强，抢占电子，使半导体中电子被激发，从而降低催化剂内部光生电子和空穴的复合.不仅如此，掺杂金属可以在能级中加入杂质能级或形成缺陷，减少带隙能.金属掺杂的稳定性与所掺杂的金属的原子半径，以及核外电子排布有关.Ni，Ru，Pd，Ag金属掺杂之后，导致单层g-C3N4发生较大形变，从而破坏了原来的二维平面结构.李鹏[20]等做了过渡金属元素Mn，Cu，Au与氮化碳的掺杂实验，通过软件包CASTEP和密度泛函数计算得出结论，掺杂这些金属元素后，并不影响氮化碳本身的构型，而且还有效降低了带隙能.当中，Mn的带隙能量减小最为明显，吸收阈值甚至扩大到了红外范围.Au原子的掺杂在单层氮化碳结构的价带顶处引进了新能级，这种特性使价带电子仅需相对较低的能量就能够跃迁至导带，从而提高了氮化碳的光催化活性.其他的，Fe[21]，Ag[22]，Co[20]，K[23]，Ce[24]等，都可以使氮化碳保持结构，并且提高氮化碳的催化性能.Rh, Os, Ir, Pt等[20]还有待进一步研究.3.3.2 非金属离子掺杂2001 年，Asahi发表了氮掺杂TiO2的研究成果，该项研究开创了非金属元素掺杂制备光催化剂的先河[25].非金属掺杂可有效的调控催化剂的光吸收范围，而且实验过程简单方便，引来大量研究学者的目光.经报道，能够成功掺杂的非金属元素有B，C，O，F，P，S，I等.B掺杂可使进入氮化碳阵列，形成一种二维结构.C主要是以碳纳米管形式掺杂，形成异质结平面.随着C纳米管的增加，氮化碳的比表面积增大，但是掺杂量不宜过大，容易堵塞，低含量的掺杂能够有效抑制光生载流子的复合，提高光催化效率.李江华等掺杂O，氧进入到催化剂内部，打破原有平衡，电子多余出来的就会重新分到碳周围，形成缺陷能级，降低导带电势[26].F 掺杂后，C-F键掺杂进氮化碳晶格内，会使一部分sp2C变为sp3C，催化剂平面发生扭曲.徐赞等用磷酸氢二氨一步法合成了P掺杂的催化剂，制备出的催化剂对罗丹明B和甲基橙的降解率显著提高[27].Ma等从理论上叙述了S的掺杂原理，S 掺杂进g-C3N4采取取代式，优先取代边缘的氮原子.Zhang等掺杂I光解产氢，使光波长吸收范围增加到600 nm，且产氢效率明显提高[28].3.4 氮化碳复合氮化碳的激子结合能很高可是结晶度低，不过我们可以利用氮化碳较高的导带位置以及较好的光吸收能力和其他材料复合，这样形成异质结构，扬长避短，促进激子解离，加速光生电子空穴的迁移效率.利用这些优良性能，人们已经开发了一系列的两元复合材料.例如与宽禁带半导体复合，包括与TiO2，ZnO等，氮化碳将产生的光电子注入到宽禁带宽度的导带上，可以提高半导体的稳定性.可以和窄禁带宽度的半导体复合，包括和TaON形成异质结构，和BiOX[13]等复合模拟降解水中污染物.可以与石墨烯等碳材料复合，能够有效抑制光生载流子的复合.Liqun Ye等[29]BiOBr-g-C3N4 10 mg/L Rhodamine B，光催化效率效率达95%.Yu Zheng等[19]羟基化g-C3N4，20 min时几乎将罗丹明B降解完全.Simin Matloubi Aghdam等[30]制备了BiOI-BiOCl/C3N4，BiOI(50)-BiOCl(30)/ C3N4(20)复合材料最高的光催化活性，对acid orange 7 (AO7)酸性橙最高降解率98%，比g-C3N4提高38%.Junze Zhao等[31]制备了g-C3N4/Bi4O5Br2，10% g-C3N4/Bi4O5Br2复合材料光催化性能最高.对CIP降解率能达到70%，对RhB能达到85%.本课题组主要在做半导体之间复合，形成异质结.将Bi系材料与氮化碳复合，提高光生电子和空穴的效率，从而提高催化效果.此外，氮化碳还可以与聚合物复合，与聚苯胺复合可以用于降解甲基蓝的研究中.最近，三元复合体系逐渐发展起来.Tang[32]课题组制备了三元磁性氮化碳，将Fe3O4以及聚氮-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)[33～35]与氮化碳复合.Fe3O4由于其良好的物理化学性能，现在收到越来越多的关注.Fe3O4导电性能非常好，能够很快的传输电子，并且能降低光生电子和空穴的结合率，这一点能够有效的增强光催化活性.其次，Fe3O4本身具有磁性，这样就能利用这一特性，用外部磁铁将其从反应当中分离出来[36～38].PNIPAM是一种热敏聚合物，当温度低于最低临界温度(32 ℃)时，聚合物和水之间的氢键就会使得聚合物表现出亲水性和膨胀性.相反的，升高温度的话，随着氢键断裂，PNIPAM分子链也会断裂，导致疏水性能产生.这样，就使得PNIPAM具有良好的可控性能.氮化碳本身不可控而且不方便回收，基于以上几点，先把氮化碳和Fe3O4复合，然后在其表面加上聚合物PNIPAM.这样制备的三元体系，既能提高催化剂活性，又能使得反应在温度的调控下具有可逆性，反应结束便于回收.三元体系能够更好的调控氮化碳，所以这方面的研究在与日俱增.4 展望氮化碳的改性，对未来的光催化领域影响很大.改性三个比较重要的问题，首先，光的捕获，其次，光生电子和空穴的分离，再者就是提高实用价值.氮化碳催化效率提高了，对于污染物的降解就能迅速高效.我们最终的目标是应用于实际，对我们的生产和生活起到实质性的作用[39].在以后的研究方向上，可以在调控催化剂能带结构方面，共聚纳米改性，掺杂金属盐类、贵金属、稀土方面，以及在Z型光催化反应体系方面和催化剂的回收方面继续研究[40，41].克服氮化碳本身光生载流子易复合的缺陷，利用氮化碳本身的优异性能，提高应用范围.参考文献：[1] Zhang J, Wang X. Solar Water Splitting at λ=600nm: A Step Closer to Sustainable Hydrogen Production[J]. Angewandte Chemie, 2015,54(25):7230-7232.[2] Huang C, Chen C, Zhang M, et al. Carbon-doped BN nanosheets for metal-free photoredox catalysis[J]. Nature Communications, 2015, 6:7698-7705.[3] Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J]. Nature, 1972, 238(S8): 37-38.[4] Zheng Y, Lin L, Wang B, et al. ChemInform Abstract: Graphitic Carbon Nitride Polymers Toward Sustainable Photoredox Catalysis[J]. Angewandte Chemie, 2015, 54(44):12868-12884.[5] Zheng Y, Lin L, Ye X, et al. Helical Graphitic Carbon Nitrides with Photocatalytic and Optical Activities[J]. Angewandte Chemie, 2014,53(44):11926-11930.[6] Wang S, Yao W, Lin J, et al. Cobalt imidazolate metal-organic frameworks photosplit CO2 under mild reaction conditions[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53(4):1052-1056.[7] Lin Z, Wang X. Nanostructure engineering and doping of conjugated carbon nitride semiconductors for hydrogen photosynthesis[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(6):1735-1738.[8] Sun J, Zhang J, Zhang M, et al. Bioinspired hollow semiconductor nanospheres as photosynthetic nanoparticles[J]. Nature Communications, 2012, 3(4):1139-1146.[9] Wang X C, Blexhert S, Antonietti M. Polymeric graphitic carbon nitride for heterogeneous photocatalysis. ACS Catalysis, 2012, 2: 1596-1606. [10] Wang X C, Maeda K, Thomas A, et al. A metal-free polymeric photocatalyst for hydrogen production from water under visible light[J]. Nature Materials, 2009,8: 76-80.[11] 张金水,王博,王心晨. 氮化碳聚合物半导体光催化[J]. 化学进展,2014,26(01):19-29.[12] 谢运超. 改性氮化碳材料的制备及其光催化性能的研究[D]. 上海：上海理工大学, 2014.[13] 王鹏远, 郭昌胜, 高建峰, 等. 石墨相氮化碳 (g-C3N4) 与Bi系复合光催化材料的制备及在环境中的应用[J]. 化学进展, 2017,29 ( Z2 ):241-251.[14] 李敏, 李海岩, 孙发民, 等. 高比表面积石墨化氮化碳的制备及应用[J]. 石油学报(石油加工),2014,30(01):158-168.[15] Jun Y S, Lee E Z, Wang X C, et al. From Melamine-Cyanuric Acid Supramolecular Aggregates to Carbon Nitride Hollow Spheres[J]. Advanced h'urrctiorral Materials.2013, 23 (29):3661-3667.[16] Shalom M, lnal S, Fettkenhaner C, et al. Improving carbon nitride photocatalysis by supramolecular preorganization of monomers[J]. Journal of the American Chemical Society. 2013, 135 (19):7118-7121.[17] 张千, 张纪梅, 李颖. 新型氮化碳纳米材料的制备与性能测试[J]. 天津化工, 2017,31(03):10-12,24.[18] 张明文. 共聚合改性的氮化碳纳米片的合成、表征及其光解水性能研究[A]. 中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C].北京：中国化学会,2014:85-85.[19] Zheng Y , Zhang Z , Li C , et al. Surface hydroxylation of graphitic carbon nitride: Enhanced visible light photocatalytic activity [J]. Materials Research Bulletin,2016,84:46-56.[20] 李鹏. 金属掺杂单层类石墨相氮化碳g-C3N4电子性质的理论研究[D]. 贵州：贵州大学, 2016.[21] 吴文倩, 邓德明. 铁掺杂氮化碳的制备及其可见光催化性能[J/OL]. 武汉大学学报 ( 理学版) , 2017,63(03):227-233.[22] 李芳芳, 聂锦丽, 黄英, 等. Ag掺杂的石墨型氮化碳材料光致发光性能的研究[J]. 化学研究与应用, 2013,25(11):1470-1474.[23] 张健, 王彦娟, 胡绍争. 钾离子掺杂对石墨型氮化碳光催化剂能带结构及光催化性能的影响[J]. 物理化学学报,2015,31(01):159-165.[24] 梁瑞钰, 徐冬冬, 查文莹, 等. 铈掺杂石墨相氮化碳的合成及可见光光催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2016,37(11):1953-1959.[25] Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, et al. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides[J]. Science, 2001, 293(5528): 269-271. [26] 李江华. 氧掺杂g-C3N4可见光催化剂的制备及性能研究[D].福建：华侨大学, 2013.[27] 徐赞, 于薛刚, 单妍, 等. 一步法合成磷掺杂石墨相氮化碳及其光催化性能[J].无机材料学报, 2017,32(02):155-162.[28] 张贵刚. 碘掺杂改性石墨相氮化碳及其光解水产氢性能研究[A]. 中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集第28分会：绿色化学[C].北京：中国化学会:,2014:42-42.[29] Ye L, Liu J, Jiang Z, et al. Facets coupling of BiOBr-g-C3N4, composite photocatalyst for enhanced visible-light-driven photocatalytic activity[J].Applied Catalysis B Environmental, 2013, 142-143(10):1-7.[30] Aghdam S M, Haghighi M, Allahyari S, et al. Precipitation dispersion of various ratios of BiOI/BiOCl nanocomposite over g-C3N4 for promoted visible light nanophotocatalyst used in removal of acid orange 7 from water[J]. Journal of Photochemistry & Photobiology A Chemistry, 2017, 338:201-212.[31] Zhao J , Ji M , Di J, et al. Synthesis of g-C3N4 /Bi4O5Br2 via reactable ionic liquid and its cooperation effect for the enhanced photocatalytic behavior towards ciprofloxacin degradation[J]. Journal of Photochemistr& Photobiology, A: Chemistry,2017,347:168-176. [32] 唐旭, 倪良, 韩娟, 等. 三元磁性氮化碳复合光催化剂的制备和表征及其在可见光下去除四环素的应用(英文)[J]. 催化学报, 2017,38(03):447-457.[33] Ganachaud F, Monteiro M J, Gilbert R G, et al. Living free-radical polymerization and molecular weight characterization of poly (N-isopropyl acrylamide[J]. Macromolecules, 2000, 33: 6738-6745.[34] Hua Z D, Chen Z Y, Li Y Z, et al. Thermosensitive and Salt-Sensitive Molecularly Imprinted Hydrogel for Bovine Serum Albumin[J]. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids, 2008, 24(11):5773-5780.[35] Zhu M Q , Wang L Q, Exarhos G J, et al. Thermosensitive Gold Nanoparticles[J]. Journal of the American Chemical Society, 2004,126(9):2656-2657.[36] Zhou X, Jin B, Chen R, et al. Synthesis of porous Fe3O4 /g-C3N4, nanospheres as highly efficient and recyclable photocatalysts[J].Materials Research Bulletin, 2013, 48(4):1447-1452.[37] Zhu Z, Lu Z, Wang D, et al. Construction of high-dispersedAg/Fe3O4/g-C3N4, photocatalyst by selective photo-deposition and improved photocatalytic activity[J]. Applied Catalysis B Environmental, 2016, 182:115-122.[38] Ren L, Huang S, Wei F, et al. One-step preparation of hierarchical superparamagnetic iron oxide/graphene composites via hydrothermal method[J]. Applied Surface Science, 2011, 258(3):1132-1138.[39] Yang S, Feng X, Wang X, et al. Graphene-based carbon nitride nanosheets as efficient metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reactions.[J]. Angewandte Chemie, 2011, 50(23):5451-5455.[40] Wang Y , Wang X , Antonietti M . Polymeric Graphitic Carbon Nitride as a Heterogeneous Organocatalyst: From Photochemistry to Multipurpose Catalysis to Sustainable Chemistry[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(1):68-89.[41] Zhang J, Zhang M, Sun R Q, et al. A facile band alignment of polymeric carbon nitride semiconductors to construct isotype heterojunctions[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2012,124(40):10292-10296.。

医学影像获取与传输平台的研究与设计

医学影像获取与传输平台的研究与设计吕晓琪;刘静【摘要】结合DICOM标准和PACS系统,详细分析了影像获取、传输及存储技术,搭建医学影像获取与传输平台.利用DCMTK,VS2005软件包编写相关应用程序.实现了标准医学影像的获取、传输与短期存储,并测试通过.该平台的实现为医生的诊疗过程提供了便利.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2011(030)001【总页数】4页(P43-46)【关键词】医学影像;获取;传输;存储;DCMTK【作者】吕晓琪;刘静【作者单位】内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古,包头,014010;内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古,包头,014010【正文语种】中文【中图分类】TP391随着计算机技术的迅猛发展、医疗设备的更新换代，医院人员在诊断、教学、科研等工作中越来越多的依赖医疗设备的检查结果.获取高质量的医学影像信息，是医师诊断、临床治疗最为关键的前提条件;快速获取影像设备产生的影像，是提高医院工作效率，缩短患者痛苦时间的直接方法.为了实现医学影像信息在不同系统、不同应用之间的交换共享，规范不同厂商医疗设备影像的存储方式以及其传输方式，美国放射学会(ACR)和全美电子厂商联合会(NEMA)联合制定了医学影像传输标准，DICOM(Digital Imaging and CommunicatiOIlS in.Medicine)即医学数字影像和通信标准.目前DICDM标准已经发展到3.0版，它已经成为医学领域影像获取与传输的通用标准，为各厂商设备之间的交互衔接提供了统一接口.医院PACS(Picture Archiving and Communication System)系统都是在完全遵循DICOM标准的基础上搭建而成的，这使得医院获益匪浅.PACS即影像归档和通信系统［1］，是应用在医院影像科室的系统，其主要的任务就是把日常产生的各种医学影像(包括核磁、CT、超声、X光机、红外仪、显微仪等设备产生的图像)通过各种接口(模拟、DICOM，网络)以数字化的方式海量保存起来，当需要的时候在一定的授权下能够很快地调回使用，同时增加一些辅助诊断管理功能.由于医疗影像设备接口类别众多，同时每天产生大最数据，所以如何在各种影像设备间传输数据和如何组织存储数据对于系统至关重要.本文所设计的平台是在影像科室级PACS系统的基础之上搭建的，它介于成像设备、影像存储服务器和医生工作站之间，是PACS系统的一部分.其作用是获取、保存短期内成像设备产生的影像，并将这部分影像分别传送给影像服务器和相关的医生工作站;或等待医生工作站对短期影像的查询下载，以减少医生工作站与影像存储服务器的频繁接触;同时也可以提高影像的查询速率，便于医生快速诊断. PACS系统中最重要的组成部分是影像获取.影像获取是指从医疗影像设备中获取患者一定检查部位的相关影像信息的过程.该过程是PACS影像归档与传输系统的影像来源，获取影像的质量好坏不仅关系到医生对患者病情的诊断是否准确，而且关系到患者的切身利益，因此其在整个PACS系统中的地位是不可替代的.影像传输是指由影像设备产生的影像数据在网路上传输的过程［2～4］.影像传输的目的在于实现医学影像信息的共享，提高影像信息利用率，便于不同医师的诊断与治疗.随着医疗技术的不断提高，医疗设备也逐步改进.目前大部分的医疗影像设备都可以按照DICOM标准来输出影像，该部分影像可以直接通过网线连接进入PACS传输系统.为了实现不同医疗影像设备之间的互联，DICOM标准定义了基于ISO/OSI网络模型和TCP/IP网络模型的网络通信协议和消息交换机制.首先来分析一下DICOM 的通信过程.DICOM通信过程一般包括连接建立、连接协商、数据传输和连接关闭等.连接建立.请求方向接收方发送一个连接请求协议数据单元PDU，接收方在接收到该PDU时对其进行解析，然后确定接收或拒绝该PDU，并返回一个响应给请求方.只有当接收方返回接收响应时双方通信才会成为可能.连接协商.连接协商的目的是确定通信双方传输的数据类型以及数据编码方式等. 数据传输.连接协商之后，传输的数据会被封装成DICOM标准中定义的P DATA TF PDU结构形式进行传输.连接关闭.数据传输完毕后，为了不妨碍其他用户的连接请求，通信双方任一方都可以终止连接.完成一次通信过程.针对医院影像数据的特点，PACS系统对存储做出了一定的要求［5］:(1)海量存储.PACS中可以存放大量的医学影像资料.(2)高速传输.对访问存储的速度要求很高.(3)高可靠性和高可用性.不间断使用的过程中如果出现故障应能够在最短时间内恢复使用.(4)可扩展性和兼容性.影像资料数据随时间的推移不断增加，系统的存储容量应当便于扩展以满足医院对容量的需求.(5)数据安全、备份与恢复.确保影像数据不被泄露、篡改，同时可以将过时的影像数据备份到其他存储设备中，以减轻系统存储负担，提高访问速率.目前，PACS中影像存储的方式主要有三种:在线存储、近线存储和离线存储.在线存储是指将影像保存在各科室的影像工作站中，本地硬盘作为在线存储设备.主要存储使用频率高的影像数据.近线存储是指将影像存储在医院影像存储服务器中.目的是存储使用频率较低的影像数据.离线存储主要针对年限较长、使用几率很低的影像数据.医院中都有各自专用的医学影像服务器来存储影像.搭建影像服务器的工具有很多，如SQL，Oracle等，专门用于搭建大型的影像存储服务器，以满足医院的海量存储需求.本平台是PACS系统的一部分，目的是从成像设备获取DICOM影像并在较短的期限内保存这些影像，因此系统存储的影像量并不是很大.所以根据其需求分析，采用近线存储的方式来存储从成像设备获取的医学影像，并采用DCMTK的dcmqrdb来搭建一个简易影像数据库.本系统介于成像设备与影像服务器、医生工作站之间，其功能如下:(1)接收成像设备推送过来的影像，保存短期常用影像;(2)将即时影像直接推送给各科室，以便于诊断医师的及时诊断治疗;(3)将影像上传至影像存储服务器，便于影像的集中管理;(4)监听医生工作站的查询请求，满足医生诊断所需的短期内的影像资料，减少医生工作站对影像存储服务器的频繁接触，减轻其负担，同时也能够提高影像查询传输的速率，便于医生快速诊断治疗.系统开发环境为:操作平台为简体中文Windows 2000，开发工具包为 DCMTK，编程环境为VS2005，测试工具为JDICOM.DCMTK的dcmqrdb模块含了一个简易的影像归档文件，用于管理若干存储区域并允许影像通过DICOM的存储服务类存储在这些区域中.它也支持图像属性的查询以及图像本身的检索.dcmqrdb模块包含了以下三个工具:dcmqridx:将DICOM图像文件添加注册到图像数据库索引文件中. dcmqrscp:提供一个简易DICOM图像数据库服务器SCP.dcmqrti:提供Telnet客户程序的终端指示器.本文重点设计的是dcmqrscp，在客户端不同的情况卜，它既可以充当与存储服务类使用者storescu相对应的存储服务类提供者storescp的角色，也可以充当findscu及movescu的查询检索服务类提供者的角色.使用dcmqrscp建立影像数据库服务器需要经以下步骤［1］:dcmqrscp.cfg文件配置.该配置文件包括四个部分，分别是:网络全局参数设置NetworkType=”tcp” //网络类型为TCPNetworkTCPPort=104//网络端口号为104MaxPDUSize=16384 //最人接收数为16384MaxAssociations=16 //最大连接数为16Display=”no” //不显示HostTable主机表.网络DICOM应用实体集，它为网络中的每个DICOM应用实体定义一个相应的符号名，其定义格式为:符号名=(应用实体名，主机名，端口号)，…”以及“符号名=符号名，符号名，…”.HostTable BEGINfindscu=(FINDSCU，HostName，104)movescu=(MOVESCU，HostName，5678)storescu=(STORESCU，HostName，104)storescp=(STORESCP，HostName，5678)ANY=findscu，movescu，storescu，storescpHostTable ENDVendorTable厂商表，dcmqrdb在提供C-MOVE服务时可以使用VendorTable 来限定移动目的地的应用实体名.其定义格式为“供应商名=符号名”，符号名必须在HostTable中已定义.VendorTable BEGTN”DCMTK AEC”=ANY”DCMTK AET”=ANYVeIadorTable END应用实体表.从左到右依次为应用实体名、该应用实体名所对应的存储区域的路径、对应存储区的访问属性(R│RW│W)、配额格式和符号名，AETable BEGINCOMMON\home\dicom\db\COMMON RW (200，1024mb)ANYACME STORE\home\dicom\db\ACME STORE RW(9，1024mb)ANY UNITED STORE\home\dicom\db\UNITED STORE R(9，1024mb)ANY AETable END使用dcmqridx对应用实体指定的存储路径下的影像文件添加注册到影像数据库索引文件中.使用dcmqrscp建立影像数据库服务器.服务器应在系统运行时同时开启，以便于影像的接收与传送.该模块的实现涉及到的服务类工具主要有:storescu，storescp，movescu以及dcmqrscp.storescu:影像存储服务类使用者，用来传输DICOM影像.storescp:影像存储服务类提供者，用来接收DICOM影像.movescu:同时实现了一个查询/检索服务类的SCU和一个存储服务类的SCP，即在服务器查询到符合条件的DICOM文件后会将文件传送给movescu指定的目的地.实际上文件并没有被“移动”，而是产生一个副本后传送副本［3］.影像接收主要依赖于成像设备向本系统的推送.系统运行时开启影像数据库服务器，开始监听配置文件中已定义的应用实体(成像设备以及医生工作站).当成像设备向服务器发出连接请求时双方协商建立连接，然后开始传输影像数据，将影像数据存储在既定的路径下，传完毕后断开连接，服务器继续监听其他应用实体;同时在指定存储路径下注册接收到的影像文件便于检索［6］.该过程中，客户端(成像设备)使用storescu来实现影像传输功能.此时dcmqrscp充当存储服务类提供者storescp的角色来接收存储影像.影像传送主要是将系统服务器中的影像分别传送给各医生工作站和上传至医院影像数据库.二者在程序实现的方法上是一致的.该过程用movescu来实现.此时movescu与dcmqrscp处于同一用用程序中.具体实现流程如图1.影像查询下载主要是医生工作站按照影像属性主动查询下载所需影像的过程.该过程由movescu，storescp来实现，二者同时处于医生工作站系统中.具体实现流程如图2所示.本系统成功从成像设备获取了影像并将其保存在由dcmqrscp搭建的简易影像服务器中.经测试，系统可以向影像服务器和医生工作站传送系统中存储的医学影像，也可以监听医生工作站发来的查询请求，根据查询条件在系统影像服务器中查询到相关影像后将其传输给医生工作站，完成影像的获取与传输过程.系统界面如图3. ［1］陈衍斯，李彬，田联房.PACS中DICOM图像传输与存取系统的设计［J］.生物医学工程研究，2008，27 (2):103-106.［2］何清华，胡建华，欧晓光，等.基于DICOM协议的医学图像传输的实现［J］.医疗卫生装备，2002，23(4):25-27.［3］龚迅炜.医学图像存储与传输系统部分关键技术的研究与实验［D］.长春:吉林大学，2005.［4］许若飞，刘立辉，任志刚，等.PACS影像采集与通信的应用与维护［J］.医疗卫生装备，2007，28(12):39-41.［5］陆海波.PACS系统中存储技术的探讨［J］.科技前沿，2009，3(1):155. ［6］吴喆.基于DICOM的数字式乳腺机图像工作站设计［D］.长沙:湖南大学，2009.。

基于DICOM标准的医学图像查询与获取技术的研究与实现

基于DICOM标准的医学图像查询与获取技术的研究与实现吕晓琪;任海霞【摘要】针对DICOM标准的相关协议,对DICOM标准中Query/Retrieve(查询/获取)服务类的实现进行详细分析.利用VC2005,DCMTK软件包编写符合DICOM 标准的相关应用程序.实现了DICOM医学图像的存储、查询和获取,并测试通过.该功能的实现为建立PASC系统奠定了基础.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2010(029)003【总页数】5页(P246-249,259)【关键词】DICOM;医学图像;查询;获取;DCMTK【作者】吕晓琪;任海霞【作者单位】内蒙古科技大学,信息工程学院,内蒙古,包头,014010;内蒙古科技大学,信息工程学院,内蒙古,包头,014010【正文语种】中文【中图分类】TP391随着现代医疗设备的大量出现,计算机与网络技术的迅速发展,医院管理信息系统——尤其是PACS(Picture Archiving and Communication System医学影像存档与通信系统)和远程医疗系统应运而生,可是与此同时,也产生了许多的问题,比如 CT, MR I等设备生成的高质量、形象直观的图像给医疗诊断带来便利的同时,所产生的大容量数据如何存储和有效管理?不同生产厂商、不同型号的设备产生的图像格式有可能不同,是否可以直接连接?是否能够共享信息资源?等等,而解决问题的方法就是要遵循统一的标准.因此,ACR(American college of radiology)和NEMA(National electricalmanufacturers association)共同制定了 DICOM(Digital Imaging and Communications inMedicine)医学数字图像通信标准[1],它为医学图像及其它数字信息在各种医疗设备之间的传送定义了统一的规范,目前版本为D I COM 3.0.现在,全球绝大多数医学影像制造厂商都承诺采用这一标准,并提供符合D ICOM 3.0的数字通讯接口.D ICOM 3.0已成为医学数字成像和通信的国际标准.本文基于 D I COM标准的相关协议,实现 D ICOM医学图像的远程查询及获取功能,使在局域网范围内的诊断医生、患者和其他信息交流者能方便地访问 D ICOM 医学图像信息,实现共享和远程诊断.D ICOM标准利用面向对象的技术,基于详细的信息模型(实体 -关系模型),给出了 D ICOM标准中的信息对象定义 (Information Object Definitions, IODs),以及对这些信息对象的操作——D ICOM消息服务单元 (D ICOM messageservice elements; D IMSE);同时还定义了消息 (包含医学图像或相关信息以及对他们的操作)交换的网络及点对点通讯的支持.应用这一标准的数字图像医疗设备以及PACS 只需进行一些简单的参数设置就可以交换医学图像及其相关标准.D ICOM标准主要采用了在实际中广泛应用的TCP/IP协议和影响较大的OSI协议,作为对D I COM网络支持的基础,在成熟的标准化网络环境基础上增加对医学图像的支持,而不是从最低层开始定义,可以直接利用现有的网络硬件和软件资源,促进D I COM标准的开发与应用.D ICOM标准按照提供服务或者使用服务把设备分为D ICOM服务提供者 SCP和D ICOM服务使用者 SCU,它们基于 Socket机制并采用D ICOM定义中的消息交接机制完成相关信息的交换,具体通信过程如下:建立连接:SCU建立连接时,将协商的内容,即传送内容的编码方法、字节发送的次序、图像的封装形式等内容,封装成 A-ASSOC IATE-RQ PDU(建立关联请求 PDU)通过TCP传输服务发送给 SCP.SCP收到该 PDU后,进行协商的校验,将响应数据通过TCP传输服务发送回 SCU,SCU收到连接确认 AASSOC IATE-AC PDU(建立关联允许 PDU),连接建立成功,若收到A-ASSOC IATE-RJ PDU(建立关联拒绝 PDU),连接失败.传输数据:连接建立成功后发送数据,SCU将消息数据装进 P-DATA(数据传输)PDU,通过套接字 Socket将 PDU发出.释放连接:数据传送完毕或者因某种原因不能再继续,都要释放连接.SCU释放连接时,协商信息封装成A-RELEASE-RQ PDU(释放关联请求 PDU)通过 TCP传输服务发送给 SCP.SCP收到该 PDU后,进行资源和连接的释放,发出响应数据,通过TCP传输服务发送到 SCU,SCU收到释放确认 ARELEASE-RSP PDU(释放关联响应 PDU)或A-Abort PDU(强行释放关联 PDU)后释放连接[2].Query/Retrieve服务类是D ICOM标准中一个重要的服务类,它的功能是用一些常用关键属性作为查询值,对基本的 SOP(Service Object Pair服务对象对——D ICOM信息传递的基本功能单位)Instances进行查询,并允许一个D I COM应用实体从一个远程D I COM应用实体获取 SOP Instances或者请求远程D I COM应用实体将 SOP Instances传输到另一个D ICOM应用实体.Query/Retrieve服务类采用 D IMSE-C服务中的C-F IND,C-MOVE和 C-GET服务.具体如下:C-F IND图像查询:查询客户端 C-F IND SCU发送基于图像相关信息的查询属性信息到支持 C-F IND SCP的设备 (如图像归档中心、图像产生设备等),提出查询请求,提交查询标识符;SCP在相应的层次(即病人、检查、系列、图像层)做查询;SCP返回查询的结果,把查询结果发送至请求端.在这个过程中,根据需要,SCU可以结束查询.C-MOVE图像传递:C-MOVE SCU负责把要传输图像的信息以及获取这些符合条件图像的目的端的信息发送到支持 CMOVE SCP的设备上,提出带有关键字属性的请求; SCP初始化一个存储服务 C-ST ORE,激发别的应用实体(AE)去进行图像及相关信息的传送,并处于等待状态;当图像传送完毕后,SCP返回执行情况清单给SCU,并把查询结果发送到请求信息的目的端.C-GET图像获取:这个过程与C-MOVE很相似,不过它不触发别的应用实体(AE),C-ST ORE是在本次连接中执行.DI COM标准内容多,如果完全自己编写代码来实现这些功能,是一个浩大的工程.DC MTK工具包是由德国offis公司开发的,提供了实现DI COM协议的一个平台,可以在它的基础上完成自己的主要工作,而不必把太多的精力放在实现DI COM 协议的细节问题上.故本文以W INDOWS XP+VC2005为开发平台,基于DCMTK 工具包,编写符合DI COM标准的相关应用程序来实现医学图像查询/获取功能[3,4].3.1 DCMTK工具包首先使用C Make软件得到DC MTK的工程文件,然后用VC2005编译DC MTK 工程,生成一些静态链接库.这些生成的静态链接库和头文件分别存放在 lib和include文件中,以便VC2005编程时引用.DCMTK工具包包含了十几个执行D ICOM标准的程序包,在该软件的设计中主要涉及到 dcmnet和dcmqrdb程序包,具体介绍如下:(1)dcmnet程序包.dcmnet是一个网络库,并包含实用的程序.该模块包含了实现D ICOM网络通信的所有函数集.该模块主要接口是文件 assoc.h和dimse.h中声明的结构体和函数.—assoc.h:这个文件包含为 D ICOM应用提供关联管理的程序.它维护描述活动关联的结构,提供对关联特定信息的访问,也提供程序帮助关联协议association negotiation(presentation contexts,abstract syntaxes,transfer syntaxes,max imum PDU length,and other extended negotiation).该包使用了D ICOM上层机制接收/发送关联请求/响应.每一个活动的关联由 T_ASC_Association结构表示,包含了所有相关的信息.模块前缀ASC_.—dimse.h:这个文件包含为 D ICOM应用提供dimse层的服务的程序.工具:—echoscu:D ICOM verification(C-ECHO)SCU—findscu:D ICOM query(C-F IND)SCU—movescu:D I COM retrieve(C-MOVE)SCU—storescp:D ICOM storage(C-STORE)SCP—storescu:D ICOM storage(C-STORE)SCU—termscu:D I COM termination SCU(2)dcmqrdb程序包.dcmqrdb是一个图像数据库服务器.此模块管理存储区域,并允许使用 D ICOM存储服务类将图像存储在这些存储区域中.它也允许使用D I COM查询/获取服务类查询图像属性并检索图像.工具:dcmqridx:在图像数据库检索文件中注册一个D I COM图像文件dcmqrscp:D I COM图像归档(中心测试节点) dcmqrti:互动性的程序,检查dcmqrscp图像数据库并且发送这些图像文件:下面这些文件提供进一步信息.—dcmqrcnf.txt file:—dcmqrset.txt file:3.2 功能的实现(1)查询\获取服务器端第一步:配置 dcmqrscp.cfg文件,该配置文件中定义了:全局参数,例如:NetworkType="tcp"NetworkTCPPort=104MaxPDUSize=16384MaxAssociations=16网络中D ICOM应用实体集,包含AETitle、主机名和端口号,例如:findseu:(F INDSCU,HostName,104)movescu:(MOVESCU,HostName,5678)storescu:(STORESCU,Hos tName,104)storescp:(STRESCP,HostName,5678)ANY=findscu,movescu,storescu,storescp属于相同厂商的应用实体,用于限制传送目的地为同一厂商的主机,例如: "DCMTKAEC"=ANY"DCMTKAET"=ANY存储区域并指定存储区域的访问权限,可存储字节等,例如:COMMON\home\dicom\db\COMMON RW (200,1024mb)ANYACME_STORE\home\dicom\db\ACME_STORE RW(9,1024mb)ANYUN ITED_STORE\home\dicom\db\UN ITED_ STORE R(9,1024mb)ANY第二步:利用 demqridx建立一个 index.dat索引文件,列出数据库检索文件的内容,它并没有复制D I COM图像,只包含了 D I COM图像的基本属性和路径信息,方便图像的快速查询和检索.第三步:建立 dcmqrscp服务器dcmqrscp是 dcmqrdb程序包中最重要的工具,实现图像归档功能,并执行访问受限规则对指定应用实体限制操作.具体实现过程如下:①读取配置文件,初始化网络;②加载数据字典;③使用文本数据库;④等待客户端的连接,处理客户端请求并返回结果.(2)查询\检索客户端第一步:findscu查询功能findscu只支持C-F IND message进行查询,它发送查询关键字到SCP并等待连接响应.具体实现过程如下:①检查查询关键字的数据集格式是否规范,如果不规范输出错误消息;如果规范,在数据字典里查询,若没有找到输出错误消息;找到后,进行解析并把结果返回;②加载查询文件,并推入查询文件链表;注意:查询关键字或文件必须有其一,否则提示“either que ry file or override keys(or both)must be specified”错误信息.①加载数据字典;②初始化网络参数,设定角色、端口号等;③初始化连接参数,设置可接收最大 PDU长度等;④设置客户端和服务器的 AETitle,并增加表达式上下文,建立连接;⑤根据给定查询文件或关键字多次进行查询,次数取决于参数 opt_repeatCount,读取文件,并发送C-F IND-RQ查询请求消息,接收 C-F IND-RSP查询响应消息;⑥查询完毕,断开连接.第二步:movescu获取功能movescu支持使用 C-COVE message获取图像.它同样发送查询关键字到 SCP并等待响应.movescu应用可以传输图像到第三方或者自己获取图像.并且该过程中movescu需初始化一个存储服务 CSTORE,扮演存储服务类的 SCP.注意:C-MOVE 操作只是执行了图像的复制,并没有删除 SCP的原图像.具体实现过程同 findscu. 本软件利用DCMTK工具包实现了D ICOM医学图像的查询及传送,局域网内实现三方传送图像成功,并利用 JD ICOM测试工具测试通过.测试结果如图 1,2所示.【相关文献】[1] NEMA.Digital Imaging and Communications in Medicine (D ICOM)[Z].USA:ACR-NEMA standard publication, 2007.ps3.1-ps3.7.[2] 王晓楠.D ICOM通信的设计与实现[J].计算机工程与应用,2004,40(13):131-132.[3] 张晓琼.D ICOM标准查询/找回功能模块的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2006.[4] 王敏.基于 D I COM标准的医学图像通信过程的实现[D].西安:西安电子科技大学,2007.。

《内蒙古科技大学学报》第28卷(2009年)总目次

ＩｆｕｎｃｆＦ，ａｄＮａｏｎｒｌｃｍｐｓｔｏｎｉｒｓｒｃｕｒｆｔｉｔｒｎｅｅｏＫｎｎｍｉｅａｏｏｉｎａｄｍｃｏｔｕｔｅｏｈｅｓｎｅｌｉ
・・・・－・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・－・・－・・・・・・・－・・－－－・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・－・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・－・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
ＬＵＧｏｑａＺＨＮＧＪｎｑｎＳＩｕ —ｕｎＡｕ —ｉｇＯＮＧＹ—ｕｎｉｑａ
伽，ｕｎｖＹａ ⅣＧａ．ｉＸｉｏ１
Ｆ —ａＯ金属熔体作用浓度计算模型 … …… … ……… … ……… …… … 张ｅＬ．
Ｃｏｐｔｎｌｍｏｅｆａｔｎｃｎｃｎｒｔｎｏ・－ｍｅａｌｍｕｉａｄｌｏｃｏｏｅｔａｉｆＦｅ・－ｏｏＬａＯｔｌｍｅｔ
Ｔｏａｎｅｔｆｌｍｅ２２０ｔｌＣｏｔｎｓｏＶｏｕ８，０９
第Ｏ１期（第８总８期）Ｎｏ１Ｓｍ．８．（ｕ８）
０１
Ｆ，Ｋ和Ｎａ对烧结矿组成与结构的影响 …… … ……… …… …… …… …… …… … 李

基于RS和ArcGis的乌海风环境影响因素分析

２０２１年３月第４０卷第１期内蒙古科技大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒｃｈ，２０２１Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１基于ＲＳ和ＡｒｃＧｉｓ的乌海风环境影响因素分析丁玉贤１，孙维娜２，王雪３（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头　０１４０１０）摘　要：为了改善乌海市的人居环境，基于乌海市的高程数据、卫星遥感数据及建筑矢量图，利用遥感技术（ＲＳ）和ＡｒｃＧｉｓ１０６分析该城市的风环境影响因素，研究结果发现，乌海耕地面积、植被覆盖少，市中心建筑密度大于３０％，迎风面积密度大于０３５，风速低于１６ｍ／ｓ，与风环境舒适性标准不符由此，提出规划产业布局、优化占地类型、改善建设形态、提取通风廊道等策略关键词：风环境；ＲＳ；ＡｒｃＧｉｓ１０．６；影响因素；优化策略中图分类号：ＴＵ９８６文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－２２９５（２０２１）０１－００５８－０５ＤＯＩ：１０．１６５５９／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５－２２９５．２０２１．０１．０１０目前，针对城市现状通风环境差，空气污染严重现象，许多学者对其展开了不同方法、不同方面的研究，如黄文锋［１］等用ＣＦＤ数值模拟探究建筑群在行列式、错列式及围合式这３种建筑布局下的风环境情况；王薇［２］等运用Ｐｈｏｅｎｉｃｓ，研究了合肥市混合住区的建筑高度、规划布局、建筑朝向对风环境的影响；ＴＥＴＳＵＫＵＢＯＴＡ［３］等利用风洞实验，研究了日本２２个住宅小区的建筑密度与平均风速比之间的关系；詹庆明［４］等结合遥感（ＲＳ）及地理信息技术（ＧＰＳ）为福州市区提取了潜在的通风廊道；刘滨谊［５］等利用实测加模拟的方法对同济大学某宿舍区风环境进行了绿化布局优化研究；尹杰［６］等基于武汉市主城区的粗糙度、长度和迎风面积密度，对风道进行了划分由此可见，城市的产业布局、占地类型及建筑形态都会对通风产生影响，以污染严重的乌海市为例，基于乌海市的高程数据、卫星遥感数据及建筑矢量图，利用ＡｒｃＧｉｓ１０６软件对该城市的占地类型及建成区环境进行分析，并提出优化策略１　研究区概况乌海位于东经１０６°３６′００″～１０７°４６′１４″，北纬３９°１０′００″～３９°５５′００″，是内蒙古主要工业城市之一，春季风沙天气多，冬季逆温现象也较为平常，通过查阅并统计分析了２０１５～２０１９年乌海市气象局地面气象观测站每日观测的风向、风速数据，绘制了乌海市近５ａ的风向频率图，如图１所示，就全年而言，主导风不明显，但春季（３～５月）主导风西北风，风向频率接近２６％；冬季（１２～２月）主导风西北风，风向频率在２５％以上；而在夏季（６～８月），东北风、东南风出现的频率最高，其中东北风风向频率接近２５％，东南风风向频率接近３０％，风速大小普遍在３４～５４ｍ／ｓ之间由乌海市监测站实时发布的关于２０１５～２０１９年的空气质量报告，绘制了全年、各个季节的日均空气污染指数（ＡＱＩ）值及５ａ内空气污染天数的变化曲线，如图２所示就全年而言，空气污染指数及空气污染天数呈下降趋势，空气质量有所改善，但在夏季，空气污染指数呈显著上升趋势，而在春季，虽整体呈下降趋势，但相比其他季节，空气污染指数仍是最高的其中，２０１８年的日均ＡＱＩ值超过了１２０，在５ａ中最高作者简介：丁玉贤（１９７８－），女，内蒙古科技大学讲师，研究方向为建筑ＢＩＭ技术与应用、城市风环境通信作者：ｅｍａｉｌ：１３６９３０５２６２＠ｑｑ．ｃｏｍ收稿日期：２０２０－０８－２８丁玉贤，等：基于ＲＳ和ＡｒｃＧｉｓ的乌海风环境影响因素分析图１　２０１５～２０１９年乌海市风向频率图图２　２０１５～２０１９年乌海市空气质量变化图由于乌海市是一座以煤为主的工业城市，地处乌兰布和、库布齐和毛乌素３大沙漠的交汇处，因此，风速过小，不利于空气中的污染物稀释扩散，但过大又会产生沙尘暴，因此，分析和研究乌海市风环境的影响因素是减少空气污染、缓解沙尘暴现象的燃眉之举，这对进一步改善乌海市人居环境及推进城市经济持续发展具有现实意义２　数据来源和方法２．１　数据来源乌海市２０１５～２０１９年的空气污染指数（ＡＱＩ）值及空气污染天数来源于乌海市监测站实时发布的空气质量报告，气象资料风速、风向来源于乌海市气象局地面气象观测站每日观测的数据对采集的数据进行日、年、季均值处理，探析全年及各个季节的主导风风向及其污染情况分析而卫星遥感数据Ｌａｎｄｓａｔ和Ｄｅｍ高程图来源于地理空间数据云，乌海市建筑轮廓的获取来源于建筑矢量图２．２　研究方法（１）对乌海市２０１５～２０１９年近５ａ的风速、风向、空气污染指数（ＡＱＩ）及污染天数进行日、季、年均值处理，并通过统计分析方法了解其近５ａ的分布情况及变化趋势（２）结合乌海市的高程数据、卫星遥感数据和建筑矢量图，利用ＡｒｃＧｉｓ１０６软件分析占地类型及建成区环境特点，并对此分析对风环境的影响，选取建筑密度、迎风面积密度这２个指标对建筑内部风环境进行定量分析，进而提取出乌海市主要污染区潜在的通风廊道３　影响因素分析３．１　占地类型分析乌海市在东、南、西方向分别连着鄂尔多斯高原、阿拉善草原、银川平原，北边紧挨着河套沃野，拥有着桌子山、岗德尔山、五虎山构成的“三山两谷”地形格局［７］，图３为乌海市高程图，图４是根据下载的Ｌａｎｄｓａｔ８０遥感图，提取波段Ｂａｎｄ５，Ｂａｎｄ４，Ｂａｎｄ３，在ＡｒｃＧｉｓ进行波段合成，形成假彩色图案，随后根据土地利用类型进行影像分类得到影像图如图４结合图３，４来看，乌海市地势高低明显，东西两边高、中间低占地类型复杂多变，有水文、草地、丘陵区、耕地、荒漠地等类型，由属性表中各类型的栅格数统计占用面积及百分比，如表１所示图３　乌海高程图表１　占地类型的面积及百分比表占地类型栅格数面积／ｍ２百分比岛屿７３５６３７８１６３９０２．３５％荒漠５７６２２２９６２２８４００１８．４３％水文５３１２４２７３１０４６００１６．９９％耕地２６８９４１３８２５９１００８．６％丘陵８４６８１４３５３３５７００２７．０８％绿地１５５００７９６８３７９０４．９６％山体阴影１３１０６６３７６５００４．１９％建设用地５４４３６２７９８４９５００１７．４１％９５内蒙古科技大学学报２０２１年３月　第４０卷第１期图４　乌海影像图由表１可知，占地类型最多的是丘陵，面积约为４３５ｋｍ２，占乌海总面积的２７０８％；其次是荒漠，面积约２９６ｋｍ２，占地１８４３％；建设用地面积约２８０ｋｍ２，占地１７４１％；水文用地面积约２７３ｋｍ２，占地１６９９％；而耕地、绿地及山体占地面积较少，分别为８６％、４９６％和４１９％这与黄园园［８］等利用ＧＩＳ分析乌海矿区土地退化因素中提到的关于该区土地利用逐渐由草地大面积变为建设用地和荒漠面积的事实一样，植被覆盖少，耕地面积也少，但丘陵、建设用地与未利用的荒漠地区较多另外，引入植被归一化指数对植被覆盖进行量化分析，其方法是根据波段Ｂａｎｄ５，Ｂａｎｄ４，利用ＡｒｃＧｉｓ中的栅格计算器进行计算，见式（１），对得到的ＮＤＶＩ叠加图进行唯一值赋值（－１，０，１），发现ＮＤＶＩ的值大多数为０，即植被覆盖很少，基本都是裸土与岩石ＮＤＶＩ＝Ｂａｎｄ５－Ｂａｎｄ４Ｂａｎｄ５＋Ｂａｎｄ４（１）风是气流水平运动的结果，当气流经过复杂的地形地貌、密集的建筑地区时，近地流动风的风速、风压和湍流结构将会随之改变，如陈平采用数值模拟方法，系统分析了典型地形在平面及空间区域的风流场风速、风压及湍流结构，发现在相同高度的山丘中，坡顶近地风速、涡流强度会随坡度的增大而增大［９］，同时，城市绿地能有效调节城市内部的风环境，在建成区，因温度升降不同产生的林源风，能促进城市内部空气的流通，并在局部区域产生微风，降低夏季的气温，增加城市空气的湿度，但若植被覆盖少，则冷空气源少，人体风环境舒适度较低３．２　建成区环境分析乌海市管辖的市辖区有海勃湾区、乌达区及海南区，它的建筑分布较为分散，主要以乌海的主要功能建筑居住小区及住宿区为研究对象，因为分布相对集中密集，具有城市建筑的代表性为对建成区环境进行定量定性分析，引入指标建筑密度及主导风下的迎风面积密度（１）建筑密度某单元地块中建筑的占地总面积与单元地块总面积之比为建筑密度，能体现出一定用地范围内的空地率和建筑密集程度利用ＡｒｃＧｉｓ中，根据乌海市区一级道路网对建筑进行单元划分，单元地块面积由编辑的面要素进行字段几何尺寸计算，而建筑占地面积根据建筑的矢量轮廓几何尺寸计算，对得到的某单元地块的建筑密度以点数据的形式进行显示，如图５图５　乌海市建筑密度分布图由图可知，距离城市市中心越近，建筑密度越大，３个市辖区中，海勃湾区建筑密集程度最明显，其次是海南区，根据曹象明等［１０］利用Ｐｈｏｅｎｉｃｓ软件对西安市曲江新区风环境与建筑密度关联性的研究得知，当建筑密度达到３０％以上且有高层建筑分布时，风速将处于１６ｍ／ｓ以下，意味着城市自然通风不理想图中乌海市海勃湾区的市中心，存在明显的建筑密度在３０％以上，意味着该区不能有效地进行换气，风环境恶劣（２）建筑迎风面积密度迎风面的投影面积与单元地块面积的比值是迎０６丁玉贤，等：基于ＲＳ和ＡｒｃＧｉｓ的乌海风环境影响因素分析风面密度建筑，具有群体性与方向性，与自身的形式、朝向、尺度、上风向的建筑及风向相关，能够反映城市形态对于特定方向风的阻碍作用，其值越大，说明该城市区域内在该风向下的通风能力越不好其公式见式（２），（３）：λｆ（Ｚｉθ）＝Ａ（θ）ｐｒｏｊ（ΔＺ）ＡＴ，（２）λｆ（Ｚｉ）＝∑８θ＝１λｆ（Ｚｉθ）×Ｐθ （３）式中：λｆ（Ｚｉθ）为主导风迎风面积密度，Ａ（θ）ｐｒｏｊ（Δｚ）为该风向下总的迎风面积，ｍ２；ＡＴ为一级道路网划分的单元地块面积，ｍ２；Δｚ为计算投影面积高度方向的计算范围；θ为计算风向（以统计的全年８个方位风向计算），Ｐθ为θ风向的风频率值（取值参照图１）其中，单元地块面积与建筑密度中的计算一样，而迎风面积是指在该单元地块中，所有建筑分别在８个方位风向下的迎风面积之和，最后乘以各风向的频率值进行加权叠加，得到综合迎风面积密度，如图６图６　乌海市迎风面积密度分布图由图６可知，乌海的迎风面积密度普遍在０２５以下，３个区的市中心普遍比周边的高，而分布最明显的还是海勃湾区，根据香港中文大学吴恩融教授团队［１１］利用风洞实验模拟，得出的关于风速比与近地面高度层（０～１５ｍ）的迎风面积密度的负相关关系结果，当迎风面积密度大于０６，风速比值小于０１，意味着城市的通风效能和人行高度的风渗透性不理想，而图中，市中心的迎风面积密度普遍在０３５～０７，尤其在海勃湾区最明显，由于市中心区普遍为密集的高层建筑，所以越接近市中心，迎风面积密度越大，通风效果越不好４　结论与建议利用ＡｒｃＧｉｓ１０６软件分析了乌海市的占地类型及建成区环境，并基于分析结果对风环境进行了影响因素分析，结论与建议如下４．１　结论（１）通过乌海市的高程图，了解到乌海市地势高低明显，东西两边高、中间低再由波段合成的假彩色图案进行影像分类得到的影像图可知，占地类型复杂多变，其中，占地面积最多的类型是丘陵、荒漠及建设用地，这对近地流动风的风速、风压和湍流结构影响显著，如在岩石裸露、坡度较大的地区，风向会改变，山顶风速及涡流强度会增大（２）乌海的植被覆盖及耕地面积少，利用ＡｒｃＧｉｓ中的栅格计算器计算植被归一化指数，对植被覆盖进行量化分析，发现ＮＤＶＩ值大多数为０，即植被覆盖很少，基本都是裸土与岩石，与影像图得到的结论一样，即冷空气源少，对城市内部的局地微气候不能有效调节（３）结合乌海市建成区环境的建筑密度及迎风面积密度，发现距离城市市中心越近，建筑密度及迎风面积密度就越大，其中，海勃湾区最明显，市中心的建筑密度普遍大于３０％，迎风面积密度大于０３５，风速低于１６ｍ／ｓ，通风效果不理想，不符合风环境舒适性标准４．２　建议（１）乌海市夏季的主导风为东南风、西南风，而民用建筑的上风向普遍分布着工业建筑，在市中心，建筑密度及建筑楼层普遍高，通风环境不理想，对于以后拟建的建筑，应根据自然地形地貌、地区盛行季风条件、产业功能合理规划布局，对于已建成区，适当调整区域人口密集的地方，如增加绿地布局，构建城市通风廊道等图７　乌海市海勃湾区通风廊道规划建议图（２）保护城市生态空间环境，确保城市风源畅１６内蒙古科技大学学报２０２１年３月　第４０卷第１期通，对乌海居住用地较为集中的海渤湾区进行通风廊道的构建，其方法就是借助城市的水系、道路通道将潜在的补偿空间（如山体、水体、绿地）产生的冷空气引入到城市中心由乌海市全年的盛行风向来看，大致走向为南北方向，依据海渤湾区现有的河道、绿地布局及主要街道走向，构建３条南北走向的一级通风廊道，对该区的整体风环境进行调节改善，并在低矮零碎的建筑区引入南北走向１条、东西走向２条的二级通风道，对局地微气候进行调节改善（３）加强城市建设开发管控，绿地率不小于３０％，建筑密度控制在３０％以内，合理规划并控制城市内部高层建筑的布局，保证建筑高度由市中心向外呈现梯度降低，力求高低错落，有利于气流的循环，增强通风潜力，同时，为尽可能多地引入风源，应对建筑形态严格控制，如建筑高度、朝向、布局、宽度等，对于高层建筑，底层可做成裙房状态，而大型板房建筑可留空参考文献：［１］　黄文锋，周桐，陈星．基于ＣＦＤ数值模拟的典型建筑群风环境评估［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２０１９，４２（３）：４１５．［２］　王薇，邓卓剑，胡春．合肥城市混合住区风环境的模拟比较与评价［Ｊ］．工业建筑，２０１８，４８（７）：５４．［３］　ＴＥＴＳＵＫ，ＭＡＳＡＯＭ，ＹＯＳＨＩＨＩＤＥＴ，ｅｔａｌ．Ｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｓｏｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｐｅｄｅｓｔｒｉａｎｌｅｖｅｌｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓｆｏｒｒｅａｌｉｚｉｎｇａｃｃｅｐｔａｂｌｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄｓ［Ｊ］．ＢｕｉｌｄｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００７，４３（１０）：１６９９．［４］　詹庆明，欧阳婉璐，金志诚，等．基于ＲＳ和ＧＩＳ的城市通风潜力研究与规划指引［Ｊ］．规划师，２０１５，３１（１１）：９５．［５］　刘滨谊，司润泽．基于数据实测与ＣＦＤ模拟的住区风环境景观适应性策略———以同济大学彰武路宿舍区为例［Ｊ］．中国园林，２０１８，３４（２）：２４．［６］　尹杰，詹庆明．武汉市城市通风廊道挖掘研究［Ｊ］．现代城市研究，２０１７（１０）：５８．［７］　刘克利，尤莉，王旭东．乌海市气象要素与大气污染物浓度的灰色关联分析中国气象学会第２８届中国气象学会年会———Ｓ７城市气象精细预报与服务［Ｃ］．北京：中国气象学会，２０１１．［８］　黄园园，闫庆武，雷少刚，等．基于ＧＩＳ的乌海矿区土地退化因素分析［Ｊ］．生态与农村环境学报，２０１６，３２（３）：３６１．［９］　陈平．地形对山地丘陵风场影响的数值研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００７．［１０］　曹象明，王超．基于风环境的西安市高层建筑区规划布局策略———以曲江新区为例［Ｊ］．城市发展研究，２０１７，２４（８）：２０．［１１］　ＮＧＥ，ＹＵＡＮＣ，ＣＨＥＮＬ，ｅｔａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｃｉｔｉｅｓｂｙｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｕｒｂａｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ：ａＳｔｕｄｙｉｎＨｏｎｇＫｏｎｇ［Ｊ］．ＬａｎｄｓｃａｐｅａｎｄＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇ，２０１１，１０１（１）：５９．（责任编辑：李波）ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆＷｕｈａｉｕｒｂａｎｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＲＳａｎｄＡｒｃＧｉｓＤＩＮＧＹｕｘｉａｎ，ＳＵＮＷｅｉｎａ，ＷＡＮＧＸｕｅ（ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＲＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｒｃＧｉｓ１０６ｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆＷｕｈａｉｃｉｔｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｉｔｙ’ｓｅｌｅｖａｔｉｏｎｄａｔａ，ｓａｔｅｌｌｉｔｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｖｅｃｔｏｒｄｉａｇｒａｍｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｌｉｖｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｌｅｓｓｃｕｌｔｉｖａｔｅｄｌａｎｄａｒｅａａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｃｏｖｅｒａｇｅｉｎＷｕｈａｉｃｉｔｙ，ｗｉｔｈｔｈｅｄｏｗｎｔｏｗｎｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ３０％，ｗｉｎｄｗａｒｄａｒｅａｄｅｎｓｉｔｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ０３５ａｎｄｔｈｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｌｏｗｅｒｔｈａｎ１６ｍ／ｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｃｏｍｆｏｒｔｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｓｕｃｈａｓｐｌａｎｎｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｌａｙｏｕｔ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｔｙｐｅｏｆｌａｎｄｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｍａｎｄｅｘｔｒａｃｔｉｎｇｔｈｅｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｃｏｒｒｉｄｏｒｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｗｉｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ＲＳ；ＡｒｃＧｉｓ１０６；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ２６。

地沟油脱色工艺条件优化

Ｋｅｒｓｗａｔｉ；ｅｏｏｉｇｂｏｉｓｌｓａｃｎｉｏａｐｉｚｔｎｙｗｏｄ：ｓｅｏｌｄｌｒ；ｉｄｅｅ；ｏｐ；ｏｄｔｎｌｏｔｓｃｎｉｍｉａｉｏ
ＡｂｔａｔＷａｔｉｏｏｐｏｉｄｅｅｒｄｃｉｎｎｅｅｄｏｏｅ．ｓｎａａｔｒａｄｏｔｏｏａｘｅｍｅｔｅｉｎｗｓａｏｔｓｒｃ：ｓｅｏｌｆｒｓａｒｂｏｉｓｌｐｏｕｔｅｄｔｂｅｌｒｄＡｉｇｌｃｏｎｒｇｎｅｐｒｎｓｇａｄｐ－ｓｏｏｃｆｈｌｉｄ
２ｉ，０ｍｎ硅藻土用量１％，０硅藻土脱色时间３ｉ，０ｍｎ考察不同脱色温度，６，Ｏ８，０１０ ℃对脱色即０７，０９，０
率的影响，果见图１结．
由图１可知，温度从６０升高到８Ｏ℃，脱色率不断升高，度超过８ ℃ ，色率开始下降，８温Ｏ脱从Ｏ升高到９０℃ ，脱色率明显下降，Ｏ℃ 后下降趋势减９
脱色温度８０℃ ，氧水用量０１Ｌｇ硅藻双．２ｍ／，土用量１％，藻土脱色时间３ｉ，察不同双０硅０ｍｎ考氧水脱色时间，０１，０３，０ｍｉ脱色率的即，０２，０４ｎ对
交换，加热可以降低油的粘度，有利于分子扩散，可促进反应快速进行并达到平衡，此，因当温度小

真空消失模法制备高锰钢表面耐磨材料的研究

文章编号:1004-9762(2007)03-0212-03真空消失模法制备高锰钢表面耐磨材料的研究Ξ程　军,郭长庆(内蒙古科技大学科学技术研究中心,内蒙古包头　014010)关键词:真空消失模;表面合金化;高锰钢中图分类号:TG 1741445 文献标识码:A摘　要:为了提高高锰钢表面初始硬度,采用真空消失模铸造工艺(V 2E PC)对高锰钢表面合金化进行了研究,分析了合金铸渗层的组织和性能1结果表明,合金铸渗层由表及里分为3个区域,即烧结区、过渡区和熔合区,其与基体呈冶金结合1该材料表面合金层具有良好抗磨性能1Study of abrasion 2r esistant mater ial on the surface of highmanganese steel by V 2EPCCHE NGJun ,G U O Chang 2qing(Research Center of Science and T echn ology ,Inner M ong olia Un iversity o f Science and T echn ology ,Baot ou 014010,China )K ey w or ds :V 2EPC ;surface alloy ing ;h igh man ganese steelAbstract :T he effect of V 2EPC process w ith dry sand on the surface alloy ing o f high mangan ese steel was studied in order to improve the initial sur face hardness of the high manganese s teel.T he s tru cture and performance of the casted in filtration 2alloy ing layer was analy zed.T he results sh ow that this lay er consists of three zones w ith the increase of the d istance from the surface in the state o f metallurgical combination with the matrix ,wh ich are named as sin ter zon e ,transition zon e and fusion zone ,respectively.T he surface alloying layer has b etter abras ion resis tantce. 目前高锰钢在耐磨材料中仍占据比较重要的地位,它广泛用于矿山机械、工程机械、农业机械、建材行业、电力机械和铁路运输等工业部门,主要用于制造强冲击载荷下各种挖掘机铲齿、各种硫碎机磨损件、拖拉机及坦克履带板、各类磨机衬板、风扇磨冲击板、铁道辙叉等1高锰钢之所以有如此广泛的用途,是因为其具有很强烈的加工硬化能力,而且冲击载荷愈大表面硬化层愈深,硬度愈高,抗磨能力愈强,且工件心部仍保持其固有的高韧性和高塑性,这是其他耐磨材料无法比拟的[1]1但是,在非强冲击载荷下,高锰钢铸件在使用过程中硬化速度慢、硬化层浅,致使使用初期磨损率较大1目前国外大都采用表面静压、抛丸、爆炸硬化等方法,特别是把WC ,T iC ,S iC 等硬的碳化物在零件表面上制作复合层,来显著地提高材料的耐磨性[2]1但对于球磨机衬板、板锤、锤头等矿山机械零件,表面涂层工艺复杂,成本高而不能广泛使用,而采用化学热处理需用时间长,且渗层较浅也不适用1干砂负压消失模铸造也称真空消失模或V 2EPC 法铸造,该工艺具有不需分型、不需下芯、设备简单、铸件精度高、成本低等优点1被誉为20世纪铸造界的一场革命[3,4]1结合真空消失模铸造工艺的特点进行高锰钢表面合金化,充分利用高温金属液浇注和凝固时产生的余热,实现表面耐磨材料与高锰钢母材相结合,从而使铸件表面形成具有高耐磨性组织和优异性能的金属基复合材料1它可简化工序,降低能耗,大幅度减少贵重金属的消耗,同时还可以解决传统砂型铸渗存在的气孔、夹渣等铸造缺陷,可以大幅度提高高锰钢铸件的表面初始硬度,减小工件使用初期的磨损速率,从而获得表面高耐磨性的高锰钢铸件1因此,此项技术的研究与开发可以拓宽高锰钢的应用范围,提高高锰钢铸件的使用寿命12007年9月第26卷第3期内蒙古科技大学学报Journal o f Inner M on golia Univers ity of Science and T echn ology September ,2007Vol.26,No.3Ξ收稿日期6基金项目内蒙古自然科学基金资助项目(8)作者简介程　军(6),男,湖北武汉人,内蒙古科技大学讲师1:2007-0-21:20071102071:199-1　试验方法干砂负压消失模铸造(V2EPC)表面合金化的具体操作方法是将合金粉、粘结剂、助熔剂、少量附加物和稀释溶剂按所需比例调成糊状,涂覆在可发性聚苯乙烯泡沫模样的表面上,自然干燥后再涂挂一层消失模专用防粘砂涂料,烘干后置于砂箱中,填充干砂并震实1然后浇注熔炼合格的高锰钢金属液,在浇注的同时抽真空,真空负压度为0105～0.07 MPa,浇注温度1460～1480℃1熔炼设备为50kg 中频感应电炉,母材金属为普通Mn13高锰钢,其化学成分见表11表1　表面合金化母材的化学成分(质量分数,%)T a ble1　Compositio n of matr ix s teelC Si Mn P S1121016512130104201036试验采用50m m×70m m×100mm的可发性聚苯乙烯(EPS)泡沫模样,表面合金化用合金粉选用高碳铬铁粉和硼铁粉,助熔剂选用碳酸钠和硼砂,粘结剂为聚乙烯醇水溶液,稀释溶剂为水1采用L9(34)正交试验考察:(1)合金粉配比;(2)助熔剂加入量;(3)粘结剂加入量;(4)合金化涂层厚度等4个因素对试样表面合金化效果及合金化层组织性能的影响12　试验结果及分析211　合金化涂料的确定通过正交试验结果分析可知,当表面合金化用合金粉配比为70%～80%高碳铬铁粉、20%～30%硼铁粉时,试样合金化表面质量较好1铬是人们使用较为广泛的耐磨合金元素,它的特性是易和铁形成连续固溶体,还能与碳形成多种强硬化相的复杂碳化合物1加入硼铁粉可以提高合金粉与金属液的浸润性,而且在凝固过程中还可以析出含硼碳化物,含硼碳化物的显微硬度较高,属硬质相,因此提高了材料的耐磨性1助熔剂的组成以硼砂和碳酸钠为主,其主要作用是为了在浇注初期包裹合金粉颗粒表面使之不被氧化,还可以把已经产生的氧化膜去除,起到清洁合金颗粒表面的作用,从而提高金属液对合金粉的浸润能力,其加入量以4%～6%为宜1在合金化涂料中粘结剂聚乙烯醇水溶液的加入量以%左右为宜,当加入量过低时,涂层的粘结强度低,易被高温金属液冲掉,使铸渗时表面合金化难以进行;加入量过高时,则在合金粉颗粒表面包裹一层较厚的粘结剂,影响金属液与合金粉颗粒的接触反应,同时粘结剂燃烧产生大量气体和残渣短时间内不易迅速排去,容易造成铸造缺陷1涂覆厚度由所需合金铸渗表面层厚度、附着合金层部位的壁厚等因素来确定1当涂层过薄时,不足以形成一定厚度的合金铸渗层,同时也易被金属液冲散;过厚时,合金粉将消耗大量的热量,金属液降温较快,使合金粉颗粒不能完全被金属液浸透和熔化,且在浇注时合金层易形成裂纹甚至剥落1采用上述合理工艺配制的合金化涂料,当试样厚度为60m m,合金化涂料涂覆层厚度为4mm时,所得到的合金化铸渗层表面质量良好,其厚度可达615mm1213　合金化铸渗层的显微组织分析试验中,在适当的工艺条件下采用最佳涂料配方所获取试样的合金铸渗层铸态金相组织见图1,由图1可明显看出层次分明的3个区域(Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ区),由左向右依次为烧结区、过渡区和熔合区1当高温金属液充型时,可发性聚苯乙烯泡沫模样和合金化涂料中的粘结剂等遇高温分解气化,产生大量的气体在负压吸力作用逸出,导致合金化涂料的合金粉颗粒之间产生大量的空隙,而且金属液与合金化涂料层直接接触1此后,高温金属液在毛细管力、负压吸力、金属液静压力等作用下,向合金粉颗粒之间的空隙渗入[5],由内向外渗透1这个过程同时存在热量传输、质量传输和动量传输,当渗入的金属液最终与防粘砂涂料层接触时,铸渗过程结束1图1　合金层组织Fig.1　Microstr uctur e of alloying layer在金属液和合金粉颗粒相界面处Cr,B等合金元素不断向金属液中扩散,并发生一系列的物理、冶金化学反应1在金属液凝固后,这一过程也会缓慢的进行1靠近母液的合金粉颗粒在强烈热作用下完312程　军等:真空消失模法制备高锰钢表面耐磨材料的研究4全熔化,并进行较充分的液态扩散,凝固后形成了熔合区,其相组成主要是由先共晶奥氏体及分布在奥氏体中的共晶组织,此区域与高锰钢奥氏体基体呈冶金结合,见图1中Ⅲ区1靠近外表面的合金颗粒,由于远离母液,此处的金属液渗透作用不充分,渗入的金属液保持液态的时间也极短,合金元素的扩散很不充分,因此有部分未熔的合金粉颗粒残留下来,形成了很薄的合金颗粒烧结区(Ⅰ区)1在烧结区与熔合区之间为传质和传热作用由弱转强的过渡区域,即过渡区(Ⅱ区)1过渡区内合金颗粒由于熔化不完全,该区域中初生奥氏体晶粒较熔合区(Ⅲ区)要小,其间分布有许多大小不等的块状碳化物、共晶组织及少量未完全熔化的合金微粒1而基体区为高锰钢奥氏体组织,同时在奥氏体晶界处及基体中弥散着少量细小的特殊合金碳化物微粒1这些都有利于强化高锰钢基体的性能,即使在铸渗合金层磨损掉后,其基体也保持着良好的耐磨性能1为确定高锰钢表面合金化合金铸渗层的相组成,用X 射线衍射仪对铸渗合金层进行了XR D 分析,其结果如图2所示1XR D 分析表明,高锰钢表面合金化后,在铸渗合金层中主要相有:γ2Fe ,M 7C 3,(C r ,F e)2B 等,此外,还有少量的Fe 3C 和FeB.图2　铸渗合金层X RD 图Fig.2　The XRD o f a lloying layer图3为从合金铸渗层表面到高锰钢基体所测得的铸态显微硬度曲线(注:图中Z 为距离耐磨表层外表的深度)1由于烧结区和过渡区中分布着大量的碳化物,所以从曲线上可看出此区的硬度值较高,过渡区中显微硬度最高可达到H V =1290,而在此区域只有M C 3型碳化物能达到如此高的硬度值1随着距表面层深度的增加,硬度值逐渐降低至高锰钢基体组织的硬度值1此曲线的变化规律与金相组织观察结果相吻合1图3　硬度与合金层深度的关系Fig.3　Rela tionship bet w een depth and har dness由以上分析可知,在铸渗合金层中形成了多种组织,有抗磨性能较好的烧结区和过渡区,还有综合性能较好的熔合区,且与基体呈冶金结合1即形成了在试样截面上具有不同成分和组织的梯度功能材料,使得其具有良好的综合使用性能13　结论(1)合金化涂料配比较优方案为:70%～80%Cr 2Fe 粉,20%～30%B 2F e 粉,复合熔剂含量为4%～6%,聚乙烯醇水溶液含量为4%1涂覆层厚度为4mm 时,所获得的合金铸渗层厚度可达到615mm 1(2)合金铸渗层由表及里依次为烧结区、过渡区和熔合区,其性能为外层具有高硬度、高耐磨性,内层是综合性能较好的熔合区1而基体为高韧性、高塑性的奥氏体组织1参考文献:[1]　张增志.耐磨高锰钢[M ]1北京:冶金工业出版社,2002132623271[2]　李明山1高锰钢爆炸硬化的微观机制[J ]1金属学报,1990,(6):3911[3]　G oria C A ,Cairon i G .Coating permeability:a critical parame 2ter o f eraporative pattern process[J ]1AFS T ransactions ,1986,101:58925961[4]　G audio G D.As pects concerning o f the coating in the produc 2tion of iron castin gs by “poly 2cast ”process[J ]1Metallurg ical Science and T echn ology ,1985,3(3):762871[5]　王恩泽,郑燕青,邢建东,等1铸渗法制备颗粒增强钢基复合材料的研究[J ]1复合材料学报,1998,15(2):122171412内蒙古科技大学学报2007年9月　第26卷第3期7。

Ni(OH)2石墨相氮化碳石墨烯复合材料的制备及电化学性能

ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＮｉ（ＯＨ）２／ｇｒａｐｈｉｔｅｐｈａｓｅｃａｒｂｏｎｎｉｔｒｉｄｅ／ｇｒａｐｈｅｎｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＫＡＮＧＭｉｎ，ＨＥＷｅｎｘｉｕ，ＺＨＡＮＧＹｏｎｇｑｉａｎｇ，ＬＩＵＢｉｎ
（ＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）
１．１原料及试剂
Ｎｉ（ＯＨ）２／石墨相氮化碳／石墨烯复合材料的制备及电化学性能
康敏，赫文秀，张永强，刘斌
（内蒙古科技大学化学与化工学院，内蒙古包头０１４０１０）
关键词：微波法；电极材料；石墨相氮化碳；石墨烯；电化学性能中图分类号：ＴＱ１５０．７文献标识码：Ａ摘要：通过微波法制备氢氧化镍Ｎｉ（ＯＨ）２、石墨相氮化碳（ｇＣ３Ｎ４）、石墨烯（ＲＧＯ）复合材料，研究了不同配比组合对复合材料结构、形貌和电化学性能的影响通过Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、扫描电子显微镜（ＳＥＭ）及傅里叶红外光谱（ＦＴＩＲ）表征材料的表面微观结构和还原程度．采用循环伏安（ＣＶ）、恒流充放电（ＧＣＤ）及电化学阻抗（ＥＩＳ）测试电极材料的电化学性能结果表明：由Ｎｉ（ＯＨ）２，ｇＣ３Ｎ４，ＲＧＯ制备的三元复合材料为三维片层空间互相交错结构，当电流密度为１Ａ／ｇ时，电极材料的比电容为７４１９Ｆ／ｇ，显示出良好的电化学性能
当今时代快速发展，能源危机日益加重，二次电池作为缓解能源危机的一个可行性方法，倍受研究者的关注由于ＲＧＯ，ｇＣ３Ｎ４优异的性能，在实际生活中具有良好的应用前景［１－４］现将ｇＣ３Ｎ４，

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

体
、照片清提供罔
技术人！以搜ｌ卡｝１关的决策人！，！：
片格式（ＪＰ（，ＰＳＩ）），、照片【｝Ｉ的义符弓一一ｔ为小５
３史干『５的并作ｌ卡义，除《：作杖法》另有规定外，于
清投稿时声明，陔文若经刊载，将不再纳入此系统小川所付稿酬位ｆ１Ｊ物『人Ｊ容删服务报酬，
４．２文稿求打印 ห้องสมุดไป่ตู้Ａ４复印纸
一
・式两份（【｝Ｊ
故不再 ”付。７依照《作权法》关规定，夺川可以对来作文
量、单化符、数宁川法等必须符合Ｉ叫家标准和
Ｉ刊际标准。注ｆ』ｉ】外义义种、大小写和止斜。写清
科技息等２本Ｉ－－Ｉ
、
上、下标
、表ＪＪｕ起米一般不超过６个，许附Ｉ｝Ｉ
《内蒙古科技大学学报》稿约
ｌ《Ｉ』、Ｊ蒙ｆＩＩ ‘ 科技大、：报》足由『大Ｊ蒙科技火学主
办，１人Ｊ外公开发仃的术性刊物主要报道地质果矿、冶化、材料、机电、ｎ动化计算机、
）．１Ｉ：艾５‘ 术，ｊｌＩ＿・绒题４‘ ‘ 黑体，级怀
宁修改、删节：，川Ｉ后，即付佻Ｉ．并赠作、 ‘ ｛学
报两册切勿一确两投或多投８收稿邮箱：ｉｍｌｔｓｌ＠ｖｉｐ．１２６，ｉ＇ｌｌ，作肯啦详沣州通地址、［ＩＩＩ￣政编码、联系电及【乜ＩＩＩ５箱
位的英
、英文摘、
蜒义关键叫、笫一作简介（ｆｎ生年、性别、籍、职称、学技所研究的力 ‘ 等）、该文于何种基金资
ｌ１ＪＪ及编、参考文献
《万厅数据络系统数宁化期ｌ：ＩＪ群》，凡 ¨ 意，
作
化（明所地）及邮政编码、中文摘、
天键（３—８）、中冈分类、Ｉ文（次标题连续编
，
如“ ｌ ” ． “ ２．１ ” ， “ ３．１．２ ” 等，左顶格）、英文文题、作
姓的汉拼、作
３黑体，作者汉语拼５标准体，Ａｂｓｌ￣ Ⅲｌｌ、
ＫｅｙＷＯＩ－ｌｓ小５号黑体（１人】窬小５标准体）许提供
文稿电子版。
ｌ小建筑、环境ｌ程Ｉｊ保护、节能、ｌ＿、Ｉ经济与僻以及砌、科领域的术沦文、学术报、综合述
交义性及ｆｆ｝！）或川价值（实践指导性及增Ｊ增效Ｈ－）米稿嵫求论Ｊ确、沦据｜】ｒ谍、层次条分
内』ＩＪ办 ‘ 括Ｅ标怀，其菩录格式参小Ｉｉｊｊ－，￣二《本刊文参考文献丧编排格式》
份可以址复印件）ｆ：王贞般４３ｉ，每行４４个宁
（５术）艾题为２粗网体，作行姓为小４惜体．作化为小５ ‘ 宋体，摘要、天键训、中
法分类３个词为小５号黑（内容小５
义作行广１负４来稿求干ＩＪ意０｝项４．Ｉ来舶Ｊ行较的学术价值（独创性、新颖、４
列的参考义献必须是作白：接阅陂过、发表
在Ｉ卜式ｆｆＪ版物ｒ的义献，以少Ｊ：ｌ０篇为，文献号按』在丈内Ｈ｛现的允后，以阿ｆ数亨编排，许在史
、
６米稿请自留稿，无论ｆｕｊ恕不退确，６个Ｊ内没有【口Ｉ复，作者可自行处、本刊』Ｊｌ１入《中ｌ玉Ｉ学术期刊（光版）》和《万力 ‘ 数据络系统数化蝴川群》，本ｆ１Ｊ投稿并被录川１的稿件，将一律南编辑部统一纳入《－ＩＩ学术期『１Ｊ（光僦版）》和
明、艾：半ｆｊ烁、数据准确，引川资料给文献，１人Ｊ容
心注意、家机密文稿宇数（、表）一般以
５今埘不符合ｆＩＪ稿约的稿件，允退作精简或
补允，再送审一
６０００宁为Ｉ ’ 来稿必须包括（按顺Ｊ）：题名、作姓
滇者对象ｊ内同行、Ｉ高等院校的帅
文ｌ冬１题、表题，稿色黑、线条均匀、ｆ大小适
利．研院所Ｉ，ｉ｛Ｊ利．技人ｉ、厂矿、Ｉ干ｌＩｌ设计部的ｌ
中照片黑闩清晰、层次分｝』ｌｊ