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关键词： 碳中和能源系统   气候变化   混合余能利用   碳转移处理   市场激励  

摘要： 如何实现能源系统的绿色转型一直被各国政府所关心,“双碳”政策的提出也表明了能源系统零碳化的大势所趋。而在实现“双碳”目标的过程中,“长周期运行”和“能源系统改进”是研究能源系统绿色转型需要重点关注的两个方向。 在长周期的运行过程中,综合能源系统(Integrated Energy System,IES)会受到气候变化的影响。为了研究气候变化对IES的影响,并在能源系统实现“双碳”目标,首先本文提出了一种集成机器学习(Integrated Machine Learning,IML)来对负荷进行预测,其次研究了设备效率与气候的关系,然后建立碳达峰能源系统(Carbon Peak Energy System,CPES)和碳中和能源系统(Carbon Neutral Energy System,CNES),最后采用蜜獾算法对CPES和CNES进行优化配置。结果表明:IML能够准确地进行负荷预测;当气候发生变化时,负荷和设备效率的变化会让IES的成本和碳排放每10年分别提高1.18%和0.92%。CPES、CNES实现年限每提前10年,运行成本分别提高0.93%和1%。 除了充分考虑气候因素外,对现有的IES进行改进,能够为CNES绿色转型提供理论依据。在IES中,电转气装置(Power to Gas,P2G)在反应过程中产生的热量通常被忽视,若能对这部分热量进行合理考量与利用,P2G的储能性能将得到显著提升。同时,碳市场的建立也带来了碳捕捉与盈利之间的冲突与矛盾,能源企业如何顺利实现绿色经济转型,成为一个亟待解决的问题。为了解决上述问题,首先本文提出了一种基于阶梯式碳惩罚响应的碳捕集装置的运行策略,并将其应用于改进的综合能源系统(Improved Integrated Energy Systems,IIES)。其次,IIES还改善了P2G的热利用,并加强了P2G与碳捕集的能量耦合。然后,提出一种改进的蜜獾算法用来解决该案例的最佳配置。结果表明,与IES相比,IIES减少了碳排放和能源消耗,并降低了运营成本。提出的改进算法在整体性能方面优于其他的比较算法。 为了持续推进碳中和的可持续性,对CNES进行更为深入的改进显得尤为重要。目前单一的储能方式和市场激励未能充分挖掘多种储能及激励的潜力。此外,传统的运行方式经常造成能源供需失衡,而传统的求解算法在面对多变量复杂问题时也显得力不从心。为了解决上述问题,首先,本文提出了一种改进型碳中和能源系统(Improved Carbon Neutral Energy Systems,ICNES),ICNES采用了双层余电处理、双层余热处理、双层碳捕捉驱动、阶梯碳惩罚、碳奖赏和绿色证书交易。其次,为了进一步提高ICNES的表现,提出了一种动态混合运行方式。然后,为了对多变量的ICNES进行求解,提出了一种蜜獾—模式搜索算法对ICNES的优化配置进行求解。结果表明:所提出的ICNES在实现碳中和的前提下,比传统CNES还分别降低了6.686%的年运行成本、9.538%的二氧化碳排放、12.826%的一次能源消耗和17.465%的能源浪费率,所提出的新算法成功将优化率由原本的局部最优值48.693%提升至53.88%。 综合考量环境变迁与系统优化,当前研究尚显不足,忽视了长期负荷变动对CNES的潜在影响,且ICNES仍存在进一步改进之空间。为了解决以上问题,首先,除了考虑了上文所述的气候变化,本文还进一步研究了经济增长对CNES电负荷的影响。其次,提出了一种基于碳转移处理系统和混合余能利用系统的ICNES。然后,提出了一种能够适应负荷变化和碳政策变化的多阶段配置方法。结果表明:电负荷的增长让系统提高33.79%的总成本,29.64%的碳排放,提高38.68%的能源消耗。提出的ICNES减少了10.17%的总成本,2.01%的碳排放,16.08%的能源消耗。系统减少了99%的电能浪费,27%的热能浪费,36%的碳捕捉所需能量。ICNES能够抑制碳中和提前带来的成本提高。

关键词： 温室效应   二氧化碳   CCS   吸附剂   金属氧化物  

摘要： 二氧化碳作为温室气体(GHGs)的主要组成部分，其大量排放会加剧温室效应。工业化以来，全球经济增长和人口增加使得化石燃料的使用量剧增，这就导致二氧化碳的排放量激增，造成了全球变暖、极端天气等气候影响。然而，有机燃料预计在未来很长一段时间内仍然是我国能源的主要提供者。因此，从二氧化碳排放的源头出发，从有机燃料烟气中捕集二氧化碳可以从根本上缓解温室效应。二氧化碳捕集是二氧化碳捕集与封存技术(CCS)的第一步也是最关键的一步。本文总结了现有的二氧化碳捕集技术，包括燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧，并对燃烧后捕集技术进行了阐述，包括吸收法、吸附法和膜分离法。此外，还分析了各技术的运行成本。

关键词： 线上+线下   BOPPPS   大气污染控制工程   教学模式   学生中心  

摘要： 大气污染控制工程是环境科学与工程专业的核心课程，新时代背景下如何学好和教好这门课对于学科人才培养至关重要。立足学生学情和“以学生为中心”的教学理念，结合新时代生态文明建设要求和环境科学专业背景，该文在总结目前课堂教学中现存问题的基础上，采用“线上+线下BOPPPS”精讲教学模式进行教学设计，开展系列教学活动。研究表明：“线上+线下BOPPPS”混合式教学有助于培养环境科学专业本科生的自主学习能力和专业责任感，使其成为新时代环保工程应用型人才。

关键词： 碳中和   气候变化   极端气候变化  

摘要： 利用第6次国际耦合模式比较计划（CMIP6）26个模式的3种共享社会经济路径（SSP）结果，选取了SSP1-2.6情景下全球大气CO2浓度达峰时间以确定全球碳中和时间，预估了未来全球碳中和时期相比于历史参考时期（1995—2014年）的中国气候与极端气候的响应变化，并与未实现碳中和的情景结果进行比较。结果表明，SSP1-2.6情景下全球达到碳中和时间为2062年左右（与中国的碳中和实现目标时间接近），相较于历史参考时期，SSP1-2.6碳中和时期中国区域平均升温（1.61±0.46）℃，降水增加（9.15±5.46）%，最大升温和增湿区域位于中国西北，增暖和增湿幅度分别达到（1.84±0.50）℃和（10.05±8.61）%；中国平均白天最高气温和夜间最低气温分别增加（1.78±0.76）℃和（1.83±0.69）℃，白天极端高温在青藏高原存在最大增幅（17.05±5.16）%，夜间极端低温在中国南方下降最为明显（-6.08±0.73）%；极端降水事件整体呈增加趋势，极端强降水在青藏高原最大增幅超过20%，最大连续干旱日数在中国北方减少而在南方增加。相比于未碳中和情景SSP2-4.5和SSP5-8.5，碳中和目标的实现可减缓未来中国的气候变化，极大防控中国大部分区域极端暖事件和极端湿事件的加剧，以及未来中国南方连续干旱日数的增加。因此，为缓解未来中国区域气候变化的加剧，需要合理控制CO2排放以实现“双碳”目标。

关键词： 钼基催化剂   氢析出反应   氧还原反应   氢氧化反应   电解水   氢氧燃料电池  

摘要： 氢能作为绿色能源的代表,可有效减少对化石燃料的依赖和环境污染。电解水是生产高纯度H2的有效方式,氢氧燃料电池能将氢能直接转化为电能。然而,这两种设备中广泛使用的贵金属催化剂成本高昂,限制了其大规模应用。此外,以“灰氢”为主的氢气燃料中残留的CO会导致Pt催化剂毒化,影响氢氧燃料电池的性能。因此,开发高效的低（非）Pt催化剂尤为重要。本论文研究利用Mo和Ni形成的合金作为电解水的催化剂,并探索Mo基化合物的类Pt特性,以减少Pt的使用并提高其性能,同时增强对CO的耐受性。 以氧化石墨为基底,采用硼氢化钠还原及后续热处理的方式制备了Ni4Mo合金与石墨烯复合材料（Ni4Mo/r GO）,在碱性介质中具有优异的氢氧化反应（HOR）和氢析出反应（HER）活性,与商业Pt/C催化剂相当。以Ni4Mo/r GO作为阳极材料组装氢氧燃料电池,具有优异的功率密度和稳定性。和Ru O2组装电解水装置,性能优于Pt/C/NF||Ru O2/NF。理论计算也进一步探讨了Mo与Ni合金化对氢分子结合能的影响。 利用吡咯中氮物种对金属离子的锚定作用结合热分解策略制备了Mo2N-Mo2C/RGO复合材料,负载2.9%的Pt纳米粒子得到Pt-Mo2N-Mo2C/RGO催化剂。Pt-Mo2N-Mo2C/RGO在酸性介质的HOR反应中表现出超越商业Pt/C催化剂的性能,并在含有1000 ppm CO的H2中具有优异的耐受性。理论计算研究了Mo2N-Mo2C异质节对Pt电子结构的调控,以及对Pt的氢结合能和CO吸附能的影响。将Pt负载量提升至6.4%制备了Pt-Mo2N-Mo2C/RGO-h催化剂。在酸性介质中,Pt-Mo2N-Mo2C/RGO-h的ORR活性和反应动力学均超越了商业Pt/C催化剂。

关键词： ICP-MS   金属和类金属   大气污染   PM 2.5   来源解析  

摘要： 目的 了解合肥市大气PM2.5中金属和类金属污染水平，分析其来源和评估对人群健康影响。方法 利用石英滤膜采集2018—2022年合肥市大气PM2.5,利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定石英滤膜中铝（Al）、铬（Cr）锰（Mn）、镍（Ni）、砷（As）、硒（Se）、镉（Cd）、锑（Sb）、铊（Tl）、铅（Pb）等10种金属和类金属元素含量；采用相关性分析、聚类分析和主成分分析方法进行污染来源解析；利用健康风险模型评估4种致癌元素As、Cd、Cr、Ni和5种非致癌元素Pb、Mn、Se、Al、Sb污染对人群健康的影响。结果 合肥市大气PM2.5中10种金属和类金属元素含量的年平均浓度为Al>Pb>Mn>As>Se>Sb> Ni>Cr>Cd>Tl,各元素平均浓度呈冬春高、夏秋低的季节性变化，大部分元素年度平均浓度呈逐年下降趋势；污染来源分为包括燃煤、交通和工业生产的混合污染源、以地壳元素Al元素为代表的自然源和工业活动污染源三种；致癌和非致癌元素经呼吸途径对暴露人群的年均超额危险度在4.22×10-15～1.67×10-7之间，较人群可接受的危险度水平(10-6)低。结论 合肥市PM2.5中被测元素主要来源有混合污染源、工业污染源以及自然源三类，9种元素的年均超额危险度远低于可接受的危险度水平(小于10-6),均处于可接受水平。

关键词： 净生态系统碳交换量   荒漠光伏生态系统   Biome-BGC   气候变化  

摘要： 光伏发电作为一种重要产能方式受到了人们的广泛关注,已成为我国实现“双碳”目标的重要途径,然而大规模光伏开发必然会对区域生态环境及碳循环过程产生一定的影响。在规模化光伏开发影响下,荒漠与荒漠地区会形成一种独特的生态系统——荒漠光伏生态系统,这种生态系统是由光伏场内的超强耐旱生物及其干旱环境相互作用所构成的生态整体。本研究以青海省共和县光伏园区内的荒漠光伏生态系统为研究对象,通过涡度相关系统对碳通量和环境因子进行长期监测,基于Biome-BGC构建碳通量估算模型,预测了未来不同气候变化情景下净生态系统碳交换量的年际变化趋势,在全球气候变化对区域碳循环的影响研究方面有着重要意义。取得的主要研究成果包括以下几方面: (1)探究了涡度相关系统在青海共和光伏园区的适用性。结果表明:2021年6月至2022年5月,青海共和光伏园区线性回归斜率为0.65,截距为8.92W/m2,R2为0.81,能量平衡比率为0.77;2022年6月至2023年5月研究区线性回归斜率为0.51,截距为10.24W/m2,R2为0.79,能量平衡比率为0.64。青海共和光伏园区通量观测场近两年能量闭合状况良好,涡度相关系统观测的通量数据具有实际意义。 (2)阐明了研究区不同时间尺度下碳通量的变化特征。结果表明:①在日尺度上,研究区净生态系统碳交换量日变化呈现“U”型,夏季碳吸收能力最强,秋季次之,春季、冬季碳吸收能力最弱;生态系统呼吸强度夏季最大,冬季最小且变化最平缓;总初级生产力日变化呈现倒“U”型。②在月尺度上,除3月、4月研究区净生态系统碳交换量月累计值为正值外,其余月份均为负值;生态系统呼吸、总初级生产力的月变化趋势相似。青海共和光伏园区2021年6月至2022年5月净生态系统碳交换、生态系统呼吸、总初级生产力年总量分别为-66.00、163.97、229.35gC/m2/yr,2022 年 6月至2023年5月分别为-48.63、156.67、205.30gC/m2/yr,总体表现为“碳汇”。 (3)明晰了研究区碳通量与环境因子之间的响应关系。结果表明:净辐射、光合有效辐射、总辐射、空气温度、饱和水汽压差与净生态系统碳交换量均具有较强的负相关性,相对湿度与净生态系统碳交换量具有较强的正相关性,剩余环境因子与净生态系统碳交换量的相关性都较弱。辐射是影响净生态系统碳交换量日间变化的主要环境因子,温度是影响净生态系统碳交换量夜间变化的主要环境因子。 (4)构建碳通量估算模型,预测了未来气候变化情景下净生态系统碳交换量年际变化趋势。结果表明:①参数优化后,Biome-BGC模型的模拟效果有着明显的提升,可用于预测研究区碳通量变化。②三种气候变化情景(SSP126、SSP245、SSP585)下共和荒漠光伏生态系统生长季CO2吸收强度均高于非生长季,年净生态系统碳交换量增幅为-0.0023gC/m2/yr、-0.0198gC/m2/yr和-0.0366gC/m2/yr。气候变化对生长季碳循环的影响显著高于非生长季,荒漠光伏生态系统未来仍保持较强的碳汇潜力。 总的来说,本研究为荒漠光伏生态系统碳交换预测提供了新的视角,同时也为今后气候变化趋势预估和环境恢复等方面提供了参考价值,具有较强的现实意义。

摘要： 腐植酸是气候因子，占地球碳库的1%，占土壤碳库的65%，自然界中无处不在，牵一发而动全身。土壤碳库投入产出最频繁，因为农业生产最频繁。地球四大圈（大气圈、岩石圈、水圈、生物圈），与生物圈中的土壤圈交流最频繁，其中与腐植酸碳交流最敏感。腐植酸作为土壤最大的碳库，决定着土壤的良性循环。稳定土壤碳库，必须稳定土壤腐植酸。没有腐植酸土壤就死了，地球碳循环可想而知，农业生产可想而知。