金屬/土壤界面液膜分布及其與局部腐蝕相關(guān)性研究

研究金屬在土壤這一氣/液/固多相、多界面復(fù)雜體系中的腐蝕問題意義重大。液膜不均勻分布易引發(fā)局部腐蝕,研究金屬/土壤界面內(nèi)液膜分布的影響十分必要。首先，本項(xiàng)目利用絲束電極（WBE）技術(shù)結(jié)合薄液膜厚度測試和控制技術(shù)研究了大氣液膜厚度對金屬腐蝕速度的影響和腐蝕傾向性。結(jié)果表明，減小液膜厚度使電偶電流增大和腐蝕速度加快，當(dāng)厚度減為約40微米時(shí)，電偶電流最大和腐蝕速度最快。此外，針對金屬在土壤中的腐蝕過程，本項(xiàng)目采用傳統(tǒng)電化學(xué)方法研究了整體腐蝕特征，又用絲束電極連續(xù)監(jiān)測了腐蝕誘導(dǎo)期和發(fā)展期金屬/土壤界面處的電偶電流、局部電位、腐蝕形態(tài)變化等。結(jié)果表明濕度增加，金屬表面液膜整體變厚且分布均勻，陽極反應(yīng)速率增加，易于發(fā)生均勻腐蝕；而土壤粒度更易影響到孔隙結(jié)構(gòu)和液膜分布的變化，粒度增加其不均勻程度增加，微區(qū)陽極電流明顯較大，易于誘發(fā)局部腐蝕。因此，絲束電極技術(shù)可以準(zhǔn)確、快速地反映出孔隙結(jié)構(gòu)及氣/液分布的變化，進(jìn)行薄液膜下的腐蝕特征及速率預(yù)測。最后，本項(xiàng)目開展了一些旨在對埋地管線進(jìn)行腐蝕防控的研究，發(fā)明了一種長壽命、低成本的金屬氧化物涂層電極，并在環(huán)氧樹脂涂料中添加納米鈦黑進(jìn)行改性使其力學(xué)性能和防腐性能大為改善。

金屬材料的土壤腐蝕是地下工程建設(shè)急需解決的難題。金屬與土壤接觸界面上有大量由空氣和液膜構(gòu)成的孔隙，影響電化學(xué)腐蝕過程的各種環(huán)境因素都要通過界面液膜起作用，土壤粒度和含水量的變化會導(dǎo)致液膜分布特征改變。當(dāng)金屬表面液膜厚度和分布不均勻時(shí)，氧濃差電池將引起金屬局部腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。因此，研究液膜分布及其與局部腐蝕的相關(guān)性具有非常重要的科學(xué)價(jià)值。本項(xiàng)目擬利用薄液膜（TEF）技術(shù)，研究液膜厚度與氧陰極還原反應(yīng)（ORR）過程電化學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系；采用絲束電極（WBE）技術(shù)輔以腐蝕形貌和產(chǎn)物成分表征，探索局部腐蝕誘導(dǎo)期和發(fā)展期對應(yīng)的陰、陽極反應(yīng)區(qū)的位置變化；結(jié)合兩種技術(shù)獲取金屬/土壤界面的液膜厚度和分布，研究液膜分布對土壤腐蝕電化學(xué)反應(yīng)過程的影響、與土壤局部腐蝕的相關(guān)性及其作用規(guī)律，為建立利用液膜分布測量來快速評價(jià)土壤局部腐蝕傾向性和局部腐蝕陰極保護(hù)效果的分析方法提供理論依據(jù)。

本項(xiàng)目從土壤污染的生物標(biāo)志物篩選與分子診斷、土壤污染微界面過程和典型復(fù)合污染土壤調(diào)控原理等3個層面開展系統(tǒng)研究。第一層面的研究涉及生物化學(xué)與生理學(xué)響應(yīng)、基因轉(zhuǎn)錄（mRNA）水平變化、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)組學(xué)和種群或群落水平的生物標(biāo)志物篩選研究與分子診斷；對篩選獲得的潛在生物標(biāo)志物，分別以我國具有代表性的棕壤、褐土和紅壤為供試土壤，對其反應(yīng)靈敏度和特異性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對其檢測方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，從而使其方法的可操作性得到了較大提高；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了生物電化學(xué)系統(tǒng)生物毒性傳感器及其在土壤污染的早期診斷與在線表征中的應(yīng)用研究，并結(jié)合上述研究獲得的敏感性和特異性生物標(biāo)志物，開展了對現(xiàn)場實(shí)際土壤污染分子診斷的應(yīng)用研究，取得了預(yù)期效果。第二層面的研究主要包括：人工麝香和抗生素污染物在土壤微界面的傳輸過程及影響因素、在水-土界面中的傳輸過程及其影響因素、與重金屬共存條件下在水-土界面中的傳輸過程及影響因素、植物或動物參與條件下的多界面?zhèn)鬏斶^程和石墨烯等新型納米污染物的土壤微界面過程等。第三層面的研究主要有：針對畜禽糞便施肥以及污泥農(nóng)用的源頭阻斷調(diào)控原理；針對復(fù)合污染物殘留于土壤的生態(tài)修復(fù)調(diào)控原理，具體涉及復(fù)合污染土壤的植物-微生物聯(lián)合修復(fù)以及強(qiáng)化作用原理；以根-土微界面過程為基礎(chǔ)的根際阻控調(diào)控原理；和生物電化學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)合污染土壤修復(fù)調(diào)控原理等。 本項(xiàng)目至今已出版學(xué)術(shù)著作1部。發(fā)表學(xué)術(shù)論文96篇，待發(fā)表和接受論文15篇，兩者合計(jì)111篇；在已發(fā)表的96篇論文中，SCI論文61篇，發(fā)表在《Environmental Science & Technology》和《Water Research》上各有3篇，發(fā)表在《Scientific Reports》和《Carbon》上各有2篇。特別是，還在IF=45.661的《Chemical Reviews》上還發(fā)表了1篇份量很重的學(xué)術(shù)論文。申報(bào)國家發(fā)明專利16項(xiàng)，其中授權(quán)6項(xiàng)。獲天津市科技進(jìn)步二等獎和遼寧省技術(shù)發(fā)明獎各1項(xiàng)，排名均第一。組織了“土壤污染分子診斷”國際論壇和“定量蛋白質(zhì)組學(xué)解決方案應(yīng)用技術(shù)交流會”，還組織了與本項(xiàng)目有關(guān)的國際會議1次、國內(nèi)會議3次。受邀在國際會議上做大會報(bào)告7次。培養(yǎng)博士后4人，招收、培養(yǎng)博士生7名和碩士生20名。本項(xiàng)目取得了預(yù)期目標(biāo)。 2100433B

根據(jù)我國土壤污染現(xiàn)狀和趨勢，選擇Cd、Pb和石油烴等典型傳統(tǒng)污染物以及PPCPs新型污染物（包括加樂麝香、吐納麝香、羅紅霉素、氯四環(huán)素和土霉素等），重點(diǎn)研究導(dǎo)致其土壤復(fù)合污染的氣-土、水-土界面之間在微觀尺度上的多界面遷移轉(zhuǎn)化過程；從模式生物蚯蚓、小麥和大白菜暴露復(fù)合污染土壤的分子毒理著手，重點(diǎn)通過DNA分子損傷與多態(tài)性、mRNA與蛋白質(zhì)水平變化及典型生物化學(xué)與生理學(xué)響應(yīng)的生物標(biāo)志物較為系統(tǒng)的篩選研究，并以棕壤、褐土和紅壤等代表性土壤對其反應(yīng)靈敏度、特異性及可操作性進(jìn)行驗(yàn)證基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展對現(xiàn)場實(shí)際土壤污染進(jìn)行分子診斷的應(yīng)用研究，為我國今后全面、系統(tǒng)開展該方向研究積累經(jīng)驗(yàn)與方法，為建立土壤污染暴露危害和早期預(yù)警的有效檢測手段打下基礎(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，以上述復(fù)合污染土壤的生態(tài)修復(fù)調(diào)控為重點(diǎn)，結(jié)合畜禽糞便施肥及污泥農(nóng)用的源頭阻斷與作物根際阻抗調(diào)控研究，探尋有效解決我國土壤復(fù)合污染的新技術(shù)原理。

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）冷卻技術(shù)日益受到關(guān)注。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在熱物體表面形成完整的薄液膜時(shí)，噴霧和噴淋沖擊冷卻性能最好。本項(xiàng)目旨在以理論和實(shí)驗(yàn)手段研究在熱物面形成薄液膜的細(xì)小噴淋沖擊冷卻機(jī)理，側(cè)重分析細(xì)小噴淋沖擊熱物面形成的薄液膜狀態(tài)，與其冷卻性能的內(nèi)在關(guān)系。擬基于格子波爾茲曼方法建立數(shù)學(xué)模型，描述細(xì)小噴淋液滴沖擊熱物體表面薄液膜的傳熱、傳質(zhì)和流動過程，提出氣液界面上蒸發(fā)冷凝和相間作用力模型，研究相應(yīng)的數(shù)值方法，進(jìn)行定量的數(shù)值計(jì)算分析。開展液滴沖擊薄液膜的實(shí)驗(yàn)觀測和測量，驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法。采用長波理論，建立細(xì)小噴淋沖擊形成的薄液膜的演化方程，研究細(xì)小噴淋沖擊的薄液膜的穩(wěn)定性。通過上述研究，將定量分析主要因素對細(xì)小噴淋沖擊熱物面形成的薄液膜形狀、厚度和穩(wěn)定性的影響，預(yù)測細(xì)小噴淋沖擊冷卻的冷卻性能。本項(xiàng)研究在芯片等微電子器件冷卻技術(shù)中將有重要應(yīng)用，將促進(jìn)薄膜的力學(xué)和熱學(xué)特性研究的發(fā)展。 2100433B