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石油化工催化劑基礎知識（第三版）

為了解決甲烷用途的問題，作者朱洪法 這樣論述：

本書從工業實用角度出發，較完整地介紹了石油化工催化劑的基礎知識，包括催化劑的基本概念和生產原理、評價及測試方法，催化劑及載體的選擇和設計、催化劑使用和保護，以及催化劑的推廣應用和選購等有關知識；同時還重點介紹了一些重要石油化工過程催化劑的種類和性能及近年來石油化工催化劑和催化新材料、新技術的進展。

黏土礦物的摻雜機制與吸附特性

為了解決甲烷用途的問題，作者趙健 這樣論述：

黏土礦物是天然存在的、含量豐富、價格低廉、無污染的納米材料，除了陶瓷和紙張塗層等傳統用途，還有許多新的用途，如具有優異吸附性能的新型有機黏土的設計、污染控制和環境保護等。長期以來，對黏土礦物的研究主要集中在地質、岩土和礦物等方向的實驗測試和理論分析，但從物質構成出發，對黏土礦物電子結構、摻雜機制、吸附性能等進行數值計算的研究尚不系統、不完善。 本書採用數值模擬和理論分析相結合的研究方法，從原子尺度對黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石的晶體結構進行了較為系統和深入的研究，並探討了不同雜質存在時其對多種小分子和重金屬原子的吸附行為，揭示了黏土礦物的電子性質、摻雜機制和吸附特性的微觀機理，為深入認識和

理解黏土礦物的物理化學性質提供了理論基礎和支援。 本書共6章，主要內容包括緒論、黏土礦物晶體結構及其微觀特徵、黏土礦物內部摻雜機制、黏土礦物表面的吸附特性、雜質成分對黏土礦物表面吸附性質的影響、結論與展望。 本書可供岩土工程、地質工程、礦物學、環境等專業的專業技術人員、科研人員和研究生參考。 趙健   中國礦業大學（北京），副教授，2015年到中國礦業大學（北京）任教，主要研究方向為量子力學原理和岩土工程實踐交叉領域，具體包括軟岩黏土礦物的原子與分子結構、摻雜機制、吸附特性和力學性質等。2015年獲得中國岩石力學與工程學會“青年人才托舉工程”專案（2015-2017年）

。主持國家自然科學基金青年項目1項，作為技術骨幹參與國家重點研發計畫、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金面上專案等6項國家縱向研究課題。發表學術論文20餘篇，其中以第一作者或通訊作者發表SCI論文16篇。參編專著2部。獲國家發明專利5項。教授2門本科生課程《大學物理A》和《大學物理B》。 第1章 緒論1 1．1黏土和黏土礦物3 1．2黏土礦物晶體結構研究現狀10 1．3黏土礦物摻雜機制研究現狀16 1．4黏土礦物吸附特性研究現狀18 第2章 黏土礦物晶體結構及其微觀特徵23 2．1黏土礦物的晶體結構25 2．1．1高嶺石1∶1層結構25 2．1．2蒙脫石2∶1層結

構27 2．2理論基礎與計算方法28 2．2．1量子力學基礎28 2．2．2密度泛函理論31 2．2．3第一性原理計算方法35 2．2．4VASP套裝程式介紹37 2．3高嶺石分子結構和電子性質37 2．3．1分子結構39 2．3．2電子結構和電荷分佈40 2．3．3能帶結構42 2．4蒙脫石分子結構和電子性質43 2．4．1分子結構44 2．4．2電子結構和電荷分佈45 2．4．3能帶結構48 第3章 黏土礦物內部摻雜機制49 3．1高嶺石內部單摻雜機制52 3．1．1單雜質形成能和躍遷能級55 3．1．2雜質在高嶺石內部的電荷密度和態密度分佈56 3．2蒙脫石內部單摻雜機制58 3．2．

1單雜質形成能和躍遷能級58 3．2．2雜質在蒙脫石內部的電荷密度和態密度分佈61 3．3高嶺石內部雙摻雜機制62 3．3．1雙雜質形成能和躍遷能級63 3．3．2雙雜質在高嶺石內部的電荷密度和態密度分佈65 第4章 黏土礦物表面的吸附特性67 4．1H2O在高嶺石表面（001）的吸附特性69 4．1．1清潔的高嶺石表面（001）70 4．1．2H2O分子的性質71 4．1．3單個H2O在高嶺石表面（001）的吸附73 4．1．4H2O分子在高嶺石表面（001）的擴散過程76 4．1．5H2O分子在高嶺石表面（001）的解離過程77 4．1．6H2O分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附7

7 4．2CO2在高嶺石表面（001）的吸附特性78 4．2．1CO2分子的性質79 4．2．2單個CO2在高嶺石表面（001）的吸附79 4．2．3CO2分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附83 4．3CO在高嶺石表面（001）的吸附特性87 4．3．1CO分子的性質88 4．3．2單個CO在高嶺石表面（001）的吸附88 4．3．3CO分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附91 4．4H2在高嶺石表面（001）的吸附特性93 4．4．1H2分子的性質94 4．4．2單個H2在高嶺石表面（001）的吸附94 4．4．3H2分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附97 4．5CH4在高嶺

石表面（001）的吸附特性101 4．5．1CH4分子的性質102 4．5．2單個CH4在高嶺石表面（001）的吸附102 4．5．3CH4分子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附106 4．6重金屬在高嶺石表面（001）的吸附特性109 4．6．1單個重金屬原子在高嶺石表面（001）的吸附109 4．6．2重金屬原子團簇結構在高嶺石表面（001）的吸附112 4．6．3重金屬在高嶺石表面（001）的擴散過程114 第5章 雜質成分對黏土礦物表面吸附性質的影響117 5．1軟岩黏土礦物中常見的雜質成分119 5．2不同雜質對高嶺石原子和電子結構的影響119 5．3不同雜質對高嶺石表面吸附水分

子的影響120 5．4不同雜質對高嶺石表面吸附水分子團簇的影響124 5．5不同雜質對高嶺石表面滲透水分子的影響126 第6章 結論與展望129 參考文獻133 黏土礦物是地殼礦物家族中最年輕的成員，也是天然存在的含量豐富、價格低廉、無污染的材料。黏土礦物由不同的母岩在不同的條件下形成，其化學成分、結構和賦存方式各不相同。目前沒有任何無機材料具有如此多的種類，表現出如此廣泛的反應性和改性傾向，具有如此多樣的實際應用價值，黏土礦物引起了各個行業的技術、科研人員的廣泛關注並對其進行系統深入的研究。粗略估計，每年有成百上千篇關於黏土礦物的科技論文發表。其中，黏土礦物晶體結構、

結構缺陷和雜質的存在、吸附特性是眾多研究中的三個熱點問題，對黏土礦物晶體結構的深入認識是研究其物化性質的堅實基礎，對其結構缺陷和雜質的存在的研究是鑒別和定量分析黏土礦物的關鍵問題，對其吸附特性的研究為其廣泛實際應用提供理論依據和基礎。 眾所周知，黏土礦物晶體結構的研究從實驗開始，並隨著實驗技術的不斷發展，對黏土礦物晶體結構特徵的研究分別使用了X射線衍射、電子衍射、中子衍射、掃描電鏡、透射電鏡、紅外光譜以及固體核磁共振等測試分析手段。這些實驗測試獲得了各類黏土礦物晶體結構等極具價值的資訊，為人們認識黏土礦物奠定了重要的基礎。同樣，對黏土礦物結構缺陷和雜質的存在、吸附特性的研究也主要集中在地質、

岩土和礦物等方向的實驗測試和理論分析，然而實際環境中黏土礦物的顆粒微小、雜質較多並且實驗研究方法具有較強局限性，很難直接準確地得到黏土礦物的相關性質資訊。因此，應用新的基礎理論和數值模擬方法探討黏土礦物的相關問題已勢在必行。隨著科學技術的蓬勃發展，利用高性能計算集群進行數值模擬已成為當今科學研究中的一種重要研究方法，並成為在微觀尺度上研究材料微觀結構、物化性質及力學特性的強有力手段，能夠獲得實驗測試方法中難以獲得的微觀資訊。基於量子力學和密度泛函理論的第一性原理計算方法具有計算精度高、速度快的優點，是從原子尺度上研究黏土礦物的微觀結構和物化性質的強有力手段，能夠準確獲得實驗手段難以得到的微觀資

訊，近些年廣泛應用於黏土礦物晶體結構、表面性質、化學反應和微觀力學性能等多個領域。 《黏土礦物的摻雜機制與吸附特性》在國家自然科學基金專案（41702317）以及相關課題的資助下，利用基於量子力學的第一性原理計算方法，研究了黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石的晶體結構及其微觀特徵，得到了實驗手段和經驗理論難以得到的微觀資訊。建立了黏土礦物主要成分高嶺石和蒙脫石內部替代這類摻雜模型，得到了其微觀摻雜機制以及雜質對其物化性質的影響。計算了黏土礦物主要成分高嶺石對水、二氧化碳、甲烷、氫氣、一氧化碳及重金屬鉛離子的吸附特性，揭示了其表面對多種小分子的吸附機理，量化了吸附能力及對其結構、電子性質等的影響。

最後比較了不同種類、不同比例雜質對黏土礦物主要成分高嶺石吸水特性的影響機理，指出雜質引起高嶺石原子和電子結構及吸附特性的變化，有望為深入認識和理解黏土礦物物化性質提供理論基礎和支持。 《黏土礦物的摻雜機制與吸附特性》出版過程中，承蒙中國礦業大學（北京）深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室多位元教授的指導，同時參與撰寫的還有陶志剛教授，化學工業出版社也提出了許多寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。 由於作者水準有限，書中難免不妥之處，在此抛磚引玉，懇請同行學者和讀者批評指正。

微生物燃料電池作為生物傳感器線上監測異丙醇應用於生物反應槽之研究

為了解決甲烷用途的問題，作者楊雲捷 這樣論述：

利用微生物燃料電池降解水中有機質產生電子，做為生物傳感器來監測進流廢水中有機質濃度，微生物在進行厭氧消化作用時會將有機物降解成二氧化碳及甲烷並且釋出電子，而微生物燃料電池就是利用此一特性，利用電線傳遞電子給電子受體形成迴路而形成一個不需要額外能源的電化學裝置。市面上現在主要的線上監測儀器大多採用光學方式來進行監測，但其會受到水體混濁度等因素而受到干擾，因此選擇使用單純與有機物反應的微生物燃料電池來當作研究主題。本研究利用不同濃度的有機物進流至微生物燃料電池當中所產生的電壓訊號製作成檢量線來判定水體中有機物濃度，並將其結合生物反應槽用以達到實際應用於檢測，微生物燃料電池生物傳感器在進流流量

的比較中當中，有機物去除率分別為31%、57%、80%，進流流量1.593 ml/min時有最佳平均電壓0.0771 V的表現。後續使用了其廢水中有機汙染物質在COD＝1000~7000 mg/L濃度間的電壓訊號改變，以濃度COD＝1000 mg/L增加，記錄其電壓訊號製作檢量線，利用此電壓訊號用以來判斷其水體中有機物質的濃度，其每個濃度所表現出的電壓依濃度低到高分別為0.0771 V、0.0862 V、0.0971 V、0.1051 V、0.1177 V、0.1332 V、0.1590 V，在有機質濃度COD＝1000~7000 mg/L電壓訊號與濃度成一個線性相關（電壓訊號 = 0.012

9 COD濃度 + 59.3、R2=0.9592），並且在與生物反應槽中實際監測時與標準檢定法所呈現的濃度誤差在10 %之內。