郎印海,劉 偉,王 慧

(中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實驗室,山東 青島266100)

生物炭對水中五氯酚的吸附性能研究

郎印海*,劉 偉,王 慧

(中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實驗室,山東 青島266100)

利用小麥秸稈和花生殼在300,400,600℃條件下制備生物炭,運(yùn)用元素分析儀、掃描電鏡和比表面積儀對生物炭的理化性質(zhì)進(jìn)行表征,同時探討其對水中五氯酚(PCP)的吸附特性.結(jié)果表明,隨炭化溫度升高,生物炭芳香性增加,極性降低.花生殼生物炭對水中 PCP的吸附效果優(yōu)于小麥秸稈生物炭,3種溫度制備的生物炭對PCP吸附量表現(xiàn)為400℃>600℃>300℃.隨著生物炭添加量增大,水中PCP去除能力由81.79%提高至89.02%,生物炭的吸附量由30.32減小至5.54mg/g.生物炭對PCP的吸附動力學(xué)更符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程,吸附等溫線符合Freundlich方程.吸附過程主要受快速反應(yīng)控制,降低反應(yīng)溫度有利于生物炭對水中PCP的吸附.

生物炭；花生殼；小麥秸稈；五氯酚；吸附

五氯酚(PCP)有穩(wěn)定的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu),具有毒性和致癌性,是環(huán)境優(yōu)先檢測污染物之一[1-2].五氯酚常作為防腐劑、除草劑、殺蟲劑和滅菌劑等被廣泛使用[3].我國曾將其大量用于殺滅釘螺,致使五氯酚進(jìn)入水體,對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了很大的影響[4-5].如何從水中將這類物質(zhì)快速有效地去除是亟待研究的課題.

近年來,生物炭的制備及其對有機(jī)污染物的吸附研究已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.限氧控溫炭化法作為制備生物炭的有效方法被廣泛應(yīng)用.Ahmad等[6]、Yao等[7]采用馬弗爐炭化制備出具有較好吸附性能的花生殼生物炭; Kasozi等[8]、張繼義等[9]在厭氧條件下進(jìn)行控溫炭化,制備了小麥秸稈生物炭.生物炭具備較強(qiáng)吸

北美刺龍葵是一種多年生雜草，直立，高 0.3～1.2 m，分枝松散，莖上有近5 mm長的淡黃色的刺，且具星狀短絨毛；根有水平和垂直之分，且根上能產(chǎn)生新芽。葉卵形至長圓形，具不規(guī)則波狀齒，長4～14 cm，寬2～6 cm，葉兩面均具有微黃色的星狀短毛，葉柄長2 cm。開放式圓錐花序，花梗有刺，萼裂片長6～7 mm，無刺；花冠紫色，偶有白色，5裂，直徑約3 cm；雄蕊5枚，花藥6～9 mm 長；花粉具3孔溝，直徑約26 μm(圖1-A、圖1-B)；成熟時呈漿果球狀，直徑10～20 mm，淡橙色或黃色，光滑無毛(圖1-C)；種子倒卵形，扁平，淺橙色或黃色，長約2 mm(圖1-D)[8]。

附能力和抗氧化能力等特性,能夠有效去除環(huán)境中多種污染物,可作為一種廉價高效的吸附劑用于有機(jī)污染治理[6-14].Shih等[12]研究發(fā)現(xiàn)生物炭對水中四氯酚的吸附是一種吸熱反應(yīng)的化學(xué)吸附.Park等[12]研究表明生物炭對水中菲的吸附效果與其理化性質(zhì)密切相關(guān).

“控內(nèi)容”是將課題合作聚焦在某一點(diǎn)上，這樣便于大家聚焦同一主題開展對話與交流，同時校企合作課題研究必須是為了解決教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，因此需要設(shè)定一定的難度的研究課題才有可能達(dá)到提升教師的教科研能力的整體水平。

目前,國內(nèi)對于生物炭去除水中五氯酚的研究較少,且主要集中于研究某一種生物炭的吸附作用[6,9].對于不同原料或不同制備溫度生物炭吸附特性研究尚待深入.本文以小麥(Triticum aestivuml)秸稈和花生(Arachis hypogaea)殼為原料,分別在3種溫度(300,400,600℃)條件下制備生物炭,旨在考察不同材質(zhì)、不同制備溫度和不同添加量的生物炭吸附五氯酚的性能,為采用生物炭高效、快速去除水中五氯酚及類似污染物提供理論依據(jù).

在日后的人生旅途上，每當(dāng)我哼起印度尼西亞民歌《鴿子》，就會想起舒曼，想起了我們在學(xué)校燒大茶爐的生活，想起西天大海灘一樣的火燒云。想起舒曼離開我們的那個黃昏。

1 材料與方法

1.1 生物炭的制備

進(jìn)一步采用元素分析儀測定生物炭中C、H、O和N元素的質(zhì)量組成及原子比,同時運(yùn)用全自動比表面積和孔隙度分析儀測定生物炭的比表面積及孔徑分布,結(jié)果見表1.隨著炭化溫度升高,生物炭中C元素含量增加,H和O元素的含量呈減少趨勢.生物炭中有機(jī)組分的原子比 H/C和(N+O)/C可分別用來表征吸附劑的芳香性和極性指數(shù)的大小[15],H/C 比越小則芳香性越高,(N+O)/C比越大則極性越大.由表1可見,隨炭化溫度的升高,生物炭的芳香性增加,極性降低,這意味著生物炭逐漸從“軟碳質(zhì)”過渡到“硬碳質(zhì)”[16].生物炭的比表面積和微孔體積隨炭化溫度升高也呈現(xiàn)增大趨勢,表明原料的裂解程度隨熱解溫度的升高而加劇,孔隙結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)育,導(dǎo)致微孔逐漸增多,孔隙度和比表面積增大.生物炭的平均孔徑表現(xiàn)出400℃>300℃>600℃的現(xiàn)象,這可能是由于熱解溫度從300℃升至400℃時,生物炭表面的中孔和大孔逐漸發(fā)育,致使其平均孔徑增大;而熱解溫度由400℃升至600℃時,高溫導(dǎo)致生物炭表面部分大孔塌陷,微孔比例增大,從而導(dǎo)致平均孔徑減小[17].

生物炭制備參照文獻(xiàn)[6-9]中的限氧控溫炭化方法,并略作改進(jìn).分別取適量原料于坩堝中,蓋緊蓋子后置于馬弗爐.保持厭氧條件,100℃加熱1h后,分別升溫至目標(biāo)溫度(300,400,600℃)后繼續(xù)炭化2h,自然冷卻至室溫后取出.制得炭化產(chǎn)物磨碎過0.25mm篩,然后用1mol/L的鹽酸溶液沖洗12h,再用去離子水洗至中性,于80℃下烘干,裝于棕色瓶中備用.

代表不滿意率2.4%，數(shù)字雖小，卻折射出了代表建議辦理工作中的一些問題。為更加真實地了解代表建議的承辦情況和代表滿意度，區(qū)人大常委會聯(lián)合各街鎮(zhèn)人大集中開展 “回頭看”，并建立健全代表建議辦理考核獎懲辦法，從辦理時限、辦理質(zhì)量、辦理結(jié)果等方面對承辦單位進(jìn)行統(tǒng)一考核，戴上“緊箍”。從“回頭看”的情況看，7人次對代表建議辦理結(jié)果說了“不”，區(qū)政府隨之開展了建議“再辦理、再反饋”活動，對存在的問題積極整改落實，并向人大代表解釋說明。在聽取區(qū)政府專項工作匯報時，孫德順說：“我們不能只看滿意率，更要對這2.4%的不滿意率有著清醒的認(rèn)識，要堅持實事求是的態(tài)度做好代表建議辦理工作?！?/p>

Langmuir方程[21]:

1.2 吸附試驗

生產(chǎn)實踐表明，渣中SiO2含量控制在2%～2.5%時對渣流動性影響較小，同時有利于雜質(zhì)鉛的造渣脫除。正常情況下，銅锍夾帶的SiO2含量基本穩(wěn)定在0.3%以下，需要量可在入爐銅锍粉中添加一定粒度的石英砂補(bǔ)充。

1.2.1 吸附動力學(xué)實驗 準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的生物炭于100mL比色管中,加入10mL濃度為20mg/L的PCP溶液,在溫度為(25±1)℃條件下恒溫振蕩.每間隔一定時間取樣測定,利用式(1)計算出不同時間生物炭的吸附量:式中:q為t時刻生物炭對PCP的吸附量,mg/g;C0為PCP的初始濃度,mg/L;Ce為t時刻(吸附后)的PCP濃度,mg/L;V為溶液體積,L;W為生物炭質(zhì)量,g.

1.2.2 等溫吸附實驗 準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的生物炭于100mL比色管中,分別加入10mL一系列濃度(0,4,8,12,16,20,30mg/L)的PCP溶液,在3種溫度(298,308,318K)下恒溫振蕩24h.吸附達(dá)平衡后,測定溶液中PCP濃度.

1.3 分析方法

水中PCP濃度測定采用紫外分光光度法.生物炭中C、H、O和N含量用元素分析儀(Vario ELⅢ,德國)測定.生物炭顆粒微結(jié)構(gòu)利用掃描電鏡(SEM,Quanta200型,FEI)觀察.生物炭比表面積及孔徑分布采用全自動比表面積和孔隙度分析儀(TriStar3020,USA)測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭理化特性

采用掃描電鏡(SEM)對6種生物炭的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征(圖1),發(fā)現(xiàn)生物炭表面均存在較為規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu),其中,花生殼炭孔道上有細(xì)小而密集的微孔,小麥秸稈炭上微孔比花生殼炭的大且數(shù)量較少,這種差異可能與制備原料有關(guān).同種原料不同溫度下制備的生物炭結(jié)構(gòu)表明,溫度對于炭化產(chǎn)物的表面形貌影響較大.隨著炭化溫度升高,生物炭的孔道結(jié)構(gòu)及孔道上微孔的形態(tài)數(shù)量也有較明顯的改變.

小麥秸稈采自青島市周邊農(nóng)村,花生殼取自青島農(nóng)貿(mào)市場,均洗凈烘干后粉碎過0.25mm篩,待用.

圖1 小麥秸稈生物炭和花生殼生物炭的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of wheat straw and peanut hull biochars

表1 小麥秸稈生物炭和花生殼生物炭的理化性質(zhì)Table1 The physico-chemical properties of wheat straw and peanut hull biochars

2.2 生物炭對PCP的吸附

2.2.1 不同生物炭對PCP的吸附 不同生物炭因自身性質(zhì)不同,會表現(xiàn)出不同的吸附特性.本研究以小麥秸稈和花生殼為原料,分別在3個炭化溫度下制備6種生物炭,進(jìn)行PCP吸附試驗.生物炭的用量均為3.0g/L,PCP初始質(zhì)量濃度為20mg/L.由圖2可見,同一炭化溫度制備的花生殼生物炭吸附效果優(yōu)于小麥秸稈生物炭,同種原料不同炭化溫度制備的生物炭吸附量均表現(xiàn)為400℃>600℃>300℃.不同炭化溫度生物炭吸附量的差異可能與生物炭的比表面積和孔徑特性有關(guān).300℃制備的生物炭比表面積和孔體積最小,其吸附性能較差,對PCP吸附量最小;400℃制備的生物炭比表面積和孔體積較大,且平均孔徑最大,對水中PCP吸附量最大;600℃時生物炭比表面積和孔體積最大,但其平均孔徑最小,從而抑制了其對PCP吸附.

1997年10月，國際炒家首次沖擊了香港金融市場，10月21日、22日香港恒生指數(shù)連續(xù)兩天大幅下挫9%，累計跌幅近1200點(diǎn)；23日，恒生指數(shù)報收于10426.3點(diǎn)，跌幅超過10%。

2.2.2 生物炭添加量對PCP的吸附 在初始濃度為20mg/L的 PCP溶液中分別加入0.5,1.0,3.0g/L的花生殼生物炭 (H400),考察生物炭用量對PCP吸附的影響(圖3和表2).隨著生物炭用量的增大,水中PCP去除率提高,生物炭的吸附量下降,這表明生物炭用量越多,其吸附容量利用越不充分.

圖2 生物炭對PCP的吸附量隨時間的變化Fig.2 Time course of the adsorbed amount of PCP adsorption onto biochars

圖3 花生殼生物炭用量對PCP吸附的影響Fig.3 Effect of peanut hull biochar dosages on the adsorption of PCP

表2 花生殼生物炭不同用量的吸附性能Table2 Adsorption capacity of PCP onto peanut hull biochars at different dosages

2.3 PCP的吸附動力學(xué)

吸附動力學(xué)主要用來描述吸附劑吸附溶質(zhì)的速率快慢,利用動力學(xué)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可初步探討其吸附機(jī)理.分別用以下3種動力學(xué)方程擬合小麥秸稈和花生殼生物炭吸附PCP動力力學(xué)數(shù)據(jù),擬合結(jié)果見表3和表4.

準(zhǔn)一級動力學(xué)方程表達(dá)式[18]:

《營業(yè)稅改增值稅試點(diǎn)實行辦法》(財稅[2016]36號文)第45條規(guī)定：納稅人提供建筑服務(wù)租賃服務(wù)采取預(yù)收款的方式，其納稅義務(wù)發(fā)生時間為收到款項的當(dāng)天。一項工程在簽訂合同時的甲方乙方，若在合同中規(guī)定預(yù)付條款，乙方收到款項并計算進(jìn)項稅額。若工程處于尚未開工或前期準(zhǔn)備階段，進(jìn)項稅抵扣不足則會造成資金成本增加、資金運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢，從而影響施工進(jìn)程。

準(zhǔn)二級動力學(xué)方程表達(dá)式[18]:

[1] Sanches S, Penetra A, Rodrigues A, et al. Nanofiltration of hormones and pesticides in different real drinking water sources [J]. Separation and Purification Technology,2012,94(19):44-53.

式中:qe指單位質(zhì)量的吸附劑在達(dá)到吸附平衡時的吸附量,mg/g;qm為最大吸附量,mg/g;Ce指平衡時溶液中 PCP的濃度,mg/L;kL、kF、n、A和 B均為常數(shù).由表5和表6可知,不同吸附溫度下生物炭對PCP的吸附均符合Langmuir、Freundlich和Temkin吸附等溫方程, Freundlich方程更適于描述生物炭對 PCP的吸附等溫過程(R2>0.960, P<0.01).

式中;qe和 qt分別為吸附平衡及 t時刻的吸附量,mg/g;k1、k2和 kid均為速率常數(shù),單位分別為h-1、g/(mg·h)和g/(mg·h);c為與邊界層厚度有關(guān)的常數(shù).

準(zhǔn)一級動力學(xué)、準(zhǔn)二級動力學(xué)和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程描述的吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.5726～0.9935、0.9991～1.0000 和0.6526～0.9327,均達(dá)到顯著水平.準(zhǔn)一級動力學(xué)模型可得出表觀吸附速率,但k1變化不明顯,且擬合的平衡吸附量qe,cal與實驗值qe,exp差別較大,不能準(zhǔn)確描述整個吸附過程;顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程常用 c值來描述表觀擴(kuò)散速率,相關(guān)系數(shù)表明,顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程不能較好描述生物炭對PCP的吸附過程;準(zhǔn)二級動力學(xué)方程具有較好的擬合性,計算得出的 qe,cal與實驗值 qe,exp非常接近,能準(zhǔn)確反映生物炭對PCP吸附過程.動力學(xué)曲線(圖2,圖3)和k2值的變化表明,生物炭對PCP的吸附表現(xiàn)為快速反應(yīng)和慢速反應(yīng),且k2變化明顯,說明生物炭對PCP的吸附過程主要由快速反應(yīng)控制.

2.4 等溫吸附模擬

吸附反應(yīng)溫度分別為298,308,318K時,小麥秸稈和花生殼生物炭對五氯酚的吸附等溫線如圖4所示,生物炭對PCP的平衡吸附量隨吸附溫度的升高而減小.分別采用Langmuir、Freundlich和Temkin吸附等溫方程對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.

社區(qū)獲得性肺炎是指在醫(yī)院外感染引起的肺實質(zhì)性炎癥，主要由支原體、細(xì)菌及病毒等感染引起，患者的臨床表現(xiàn)主要為咳嗽、鼻塞、胸悶等，嚴(yán)重影響著我國居民的生活質(zhì)量［1］。社區(qū)獲得性肺炎的發(fā)病和發(fā)展，與患者的炎癥程度及凝血功能相關(guān)指標(biāo)有關(guān)，但作用機(jī)制不明確［2］。莫西沙星的主要優(yōu)點(diǎn)是抗菌能力強(qiáng)、抗菌譜廣［3］，國內(nèi)關(guān)于莫西沙星治療社區(qū)獲得性肺炎過程中的藥代動力學(xué)研究較少，本文探討莫西沙星對社區(qū)獲得性肺炎患者的藥代動力學(xué)及凝血功能的影響，報告如下。

表3 小麥秸稈生物炭吸附PCP的動力學(xué)參數(shù)Table3 Kinetic parameters of PCP adsorption onto wheat straw biochars

表4 花生殼生物炭吸附PCP的動力學(xué)參數(shù)Table4 Kinetic parameters of PCP adsorption onto peanut hull biochars

300,400,600℃炭化制備的小麥秸稈生物炭分別標(biāo)記為X300、X400和X600,花生殼生物炭標(biāo)記為H300、H400和H600.X、H分別表示小麥秸稈和花生殼炭,數(shù)字表示炭化溫度.

[10] Li J, Li Y, Wu M, et al. Effectiveness of low-temperature biochar in controlling the release and leaching of herbicides in soil [J]. Plant and Soil,2013,370:333-344

Temkin方程[22]:

顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程表達(dá)式[19-20]:

一般來說,Freundlich方程中非線性指數(shù)n反映吸附質(zhì)吸附位點(diǎn)能量分布特征,吸附常數(shù)kF反映吸附能力的強(qiáng)弱[23-24].kF值越大,表征吸附能力越大;n值越大,表征吸附強(qiáng)度越大.由表5可見,隨吸附溫度的降低,kF值變大,說明降低溫度有利于生物炭對PCP的吸附.不同溫度下n值為1～10,表明該吸附過程為優(yōu)惠吸附.在同一吸附溫度下,400℃條件制備的生物炭的 kF值最大,說明該炭吸附能力最強(qiáng),300℃條件下制備生物炭n值最大,說明該炭吸附強(qiáng)度最大.

采用SPSS20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行理干預(yù)前、護(hù)理干預(yù)后一周、護(hù)理干預(yù)后兩周、出院前一周的焦慮分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計與分析,兩組間比較采用t檢驗,兩組患者不同護(hù)理干預(yù)后的計量資料以均數(shù)(±s)表示,當(dāng)兩組患者的各指標(biāo)存在顯著差異時,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

信息科技時代的來臨，電子產(chǎn)品的使用使學(xué)生的“鍵盤輸入”逐漸代替了“手寫”，給學(xué)生帶來便利的同時也讓學(xué)生減少了動筆寫字的機(jī)會，加之教師對識字教學(xué)的忽略，這讓學(xué)生的識字寫字學(xué)習(xí)舉步維艱。

圖4 生物炭對PCP的吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherms of PCP onto biochars

表5 小麥秸稈生物炭吸附PCP等溫方程參數(shù)Table5 Isotherm equation parameters for PCP adsorption onto wheat straw biochars

表6 花生殼生物炭吸附PCP等溫方程參數(shù)Table6 Isotherm equation parameters for PCP adsorption onto peanut hull biochars

3 結(jié)論

3.1 花生殼生物炭對PCP吸附效果優(yōu)于小麥秸稈生物炭.同種原料不同制備溫度下生物炭吸附效果表現(xiàn)為400℃>600℃>300℃.隨著生物炭用量增加,PCP吸附效果增強(qiáng),生物炭吸附量減小.

3.2 準(zhǔn)二級動力學(xué)方程能較好地描述生物炭對PCP的吸附過程,吸附主要由快速反應(yīng)控制.

3.3 Freundlich方程較好地描述生物炭對 PCP的吸附等溫過程,該吸附過程為優(yōu)惠吸附,低溫條件更利于生物炭吸附五氯酚.

目前臨沂市城市飲用水水源較為單一，屬于飲水安全保障風(fēng)險程度較高的城市。因此，臨沂市編制了《山東省臨沂市備用水源地可行性研究報告》，制定了城市飲用水水源地安全應(yīng)急控制預(yù)案，提出城市應(yīng)急飲用水水源和儲備水源工程建設(shè)項目。

[2] 孫 瑞,凌婉婷,黨紅交,等.檸檬酸對土壤吸附五氯酚的影響 [J].中國環(huán)境科學(xué),2011,31(8):1321-1326.

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綜上所述，自貿(mào)園區(qū)與自由貿(mào)易協(xié)定兩者同時存在相互沖突與相互協(xié)調(diào)的矛盾關(guān)系，因而如何防止兩者之間互相掣肘，而發(fā)揮兩個貿(mào)易制度工具之間的協(xié)同效應(yīng)，是構(gòu)建兩種法律制度應(yīng)當(dāng)思考的重要問題。

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Freundlich方程[21]:

我想到袁缺和我同一所小學(xué)，他拿走這把傘也是完全有可能的。我伸手拿起了那把傘，回頭看了看袁缺。他看到我選了這把傘似乎也有點(diǎn)不安，猶豫了一會兒，他說：“廖哥你能換一把嗎？這把也是我借的，改天要還別人?！?/p>

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Adsorption efficiencies of pentachlorophenol from aqueous solution onto biochars.

LANG Yin-hai*, LIU Wei, WANG Hui
(Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao266100, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2017～2023

The biochars were produced from wheat straw and peanut hull at three pyrolysis temperatures of300,400 and600 ℃, respectively. The physico-chemical properties of biochars were characterized by elemental analyzer, scanning electron microscope and BET surface area analyzer, and the adsorption capability of biochars for the removal of pentachlorophenol (PCP) from aqueous solution was evaluated. The results showed that the aromaticity of biochars gradually increased and the polarity decreased with the increasing pyrolysis temperature. The adsorption capability of peanut hull biochars was higher than that of wheat straw biochars. In addition, the adsorption amount of peanut hull and wheat straw biochars under different carbonization temperature followed the order of400 ℃ >600 ℃ >300 ℃. The removal capacity for PCP increased from81.79% to89.02% with biochar dosages increase, while the adsorption amount of biochars decreased from30.32to5.54mg/g. The adsorption kinetics and isotherms of PCP onto biochars were better fitted by pseudo-second-order kinetic and Freundlich equation, respectively. The fast adsorption reaction was the controlled process and lower temperature enhanced the adsorption of PCP from aqueous solution.

t：biochar；wheat straw；peanut hull；pentachlorophenol；adsorption

X703.1

：A

：1000-6923(2014)08-2017-07

郎印海(1973-),男,山東高唐人,教授,博士,主要從事環(huán)境污染控制化學(xué)及生態(tài)修復(fù)研究.發(fā)表論文30余篇.

2013-11-22

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013Z07202-007);教育部優(yōu)秀新世紀(jì)人才支持計劃 (NCET-10-0758)

* 責(zé)任作者, 教授, yhlang@ouc.edu.cn