碳化三聚氰胺海綿制備及其光熱重油吸附研究

林子媚,婁國生,康耀明,劉會娥*,陳 爽,楊相宜

碳化三聚氰胺海綿制備及其光熱重油吸附研究

林子媚1,婁國生2,康耀明3,劉會娥1*,陳 爽1,楊相宜1

(1.中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580；2.91286部隊,山東 青島 266021；3.中國石油青海油田格爾木煉油廠,青海 格爾木 816000)

在氬氣氣氛下,經(jīng)高溫煅燒三聚氰胺海綿(MS),制備了碳化三聚氰胺海綿(HMS),利用SEM、XPS、FI-IR對HMS的碳化情況進(jìn)行分析,測定了海綿碳化前后的密度、親水性、孔隙率、吸收光譜及壓縮回彈性能.結(jié)果表明,MS部分碳化形成HMS,疏水性增強(qiáng)且親油性不變,孔隙率略有降低,具有優(yōu)異的吸光性能及機(jī)械性能.HMS海綿對輕質(zhì)油品和重油吸附實驗的結(jié)果顯示:HMS海綿對輕質(zhì)油品飽和吸附體積為92.20cm3/g;在一個太陽光(1kW/m2)照射下,HMS海綿溫度快速升高,有效降低底面接觸的重油粘度并加快吸附重油速度,吸附量高達(dá)99.1g/g左右;利用HMS海綿重復(fù)對重油進(jìn)行10次吸附-擠壓脫附,發(fā)現(xiàn)其對重油的飽和吸附量可保持在81.00 g/g以上.這些特性使得HMS海綿成為一種有前景的高效節(jié)能、可重復(fù)利用的石油泄漏吸附劑.

三聚氰胺海綿；碳化改性；光熱性能；機(jī)械性能；重油吸附

隨著工業(yè)的快速發(fā)展,海上石油開采與貿(mào)易運(yùn)輸日益增加[1-2].海洋油田泄漏井噴、輸油管道破裂、游輪碰撞等事故導(dǎo)致海上石油泄漏屢屢發(fā)生[3-4],這給環(huán)境和生態(tài)帶來巨大危害[5-7],因此亟需尋找快速高效清理溢油的方法.目前,用于處理并回收溢油的人工吸油材料有吸油性樹脂[8]、秸稈纖維素[9-10]、纖維素氣凝膠[11]等,但基本局限于輕質(zhì)溢油的處理.而在溢油事故中,重油占溢油總量較大比例.重油的粘度和溫度有著極為密切的關(guān)系[12-15],在較低溫下重油的高粘度導(dǎo)致其難以處理和回收,因此人工吸油材料需具有快速處理回收重質(zhì)溢油的特性.開發(fā)具有光熱性能的吸油材料極具吸引力,利用對太陽光的吸收實現(xiàn)重油升溫降黏,從而提升吸附回收重油速度.

三聚氰胺海綿(MS)是以三聚氰胺為原料制得的三維柔性泡沫材料,具有成本低、質(zhì)量輕、彈性好、易于改性等優(yōu)勢[16],其豐富的孔道結(jié)構(gòu)為吸附油品提供了空間,但由于其具有兩親性[17-18]使其難以有效分離油水,因此,有研究人員采用浸漬試劑法對MS進(jìn)行了疏水親油改性,例如Liu等[19]通過浸漬法制備的石墨烯/三聚氰胺復(fù)合海綿具有疏水親油、穩(wěn)定性高、對柴油吸附容量大等特性,可將其用于吸附輕質(zhì)油品;Wang等[20]研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合海綿具有良好的光熱性能,可利用光照使重油升溫降粘,加快吸附重油速度.但大部分改性使用的浸涂試劑價格昂貴,或者浸涂后不能顯著提高產(chǎn)品性能,因此,有必要尋找廉價高效的改性方法.

三聚氰胺的結(jié)構(gòu)為含氮的六元環(huán),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易分解,且具有較高的含氮量,使其具有良好阻燃特性.Xin等[21]已有研究發(fā)現(xiàn)MS海綿在500℃乃至更高的溫度下碳化后,仍具有三維多孔結(jié)構(gòu)和一定的抗壓強(qiáng)度,溫度越高,抗壓強(qiáng)度越低.本研究在氬氣氣氛中高溫煅燒MS海綿一步退火制備碳化三聚氰胺海綿(HMS)并進(jìn)行一系列表征分析,測定其吸光性能、機(jī)械性能和吸附性能.自行搭建了模擬海上漏油吸附處理的實驗裝置,考察了HMS光熱吸附重油的能力.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺海綿(MS,表觀密度為14.2kg/m3),北京可琳美高新材料有限公司;無水乙醇(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;環(huán)己烷(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲苯(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;鄰苯二甲酸二丁酯(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;四氯化碳(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;重油(22℃時粘度為110873mPa·s),中國石化.

高功率數(shù)控超聲波清洗器(KQ-300KDE),昆山市超聲儀器有限公司;智能型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9246A),上海瑯玕實驗設(shè)備有限公司;單溫區(qū)管式爐(OTF-1200X),合肥科晶材料技術(shù)有限公司.

1.2 碳化三聚氰胺海綿(HMS)的制備

將MS切割成5×1.6×1.2cm3的長方體,用乙醇與去離子水超聲交替清洗3次,放入烘箱在60℃下干燥.將清洗干燥后的MS放入管式爐中,氬氣氣氛下400℃保持30min,一步退火后得到碳化三聚氰胺海綿,命名為HMS.

1.3 表征與測試

采用Gemini 500型掃描電子顯微鏡(德國Zeiss公司)觀察HMS的表面微觀形貌;采用ZR-SDJ-01型水接觸角測試儀(蘇州德菲諾電子有限公司)測試HMS的疏水性;采用Escalab 250XI型X射線光電能子譜儀(美國Thermo Scientific公司)、IS10型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Scientific公司)對HMS組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;采用Cary 5000型紫外-可見-近紅外分光光度計(美國Agilent公司)對HMS的光吸收譜進(jìn)行分析;采用WDW-200型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(上海雙旭電子有限公司)測試HMS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;采用CEL-HXF300型氙燈光源系統(tǒng)(北京中教金源科技有限公司)模擬太陽光,并采用H16型紅外攝像儀(杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司)與K型熱電偶溫度計(臺灣泰仕TES儀器儀表有限公司)測試HMS在光照下吸附重油的光熱性能.

1.4 吸附海上漏油模擬實驗

模擬吸附海上泄漏重油情況,將HMS(1.5×1.5× 1.0cm3)吊起,一端連接天平,將盛有40mL水及20mL重油的燒杯置于升降臺,通過調(diào)整升降臺高度使HMS剛好接觸至油面,使用氙燈模擬太陽光,在一個太陽光(1kW/m2)下,天平記錄HMS在不同時刻吸油重量,紅外相機(jī)記錄海綿頂面溫度,K型熱電偶記錄海綿底面溫度.同時,為減少光照直接加熱重油而帶來的誤差,將帶有一方孔的一塊保溫泡沫置于燒杯頂層,使光僅照射至HMS表面.裝置示意圖如圖1所示.

圖1 吸附海上漏油模擬裝置示意

2 結(jié)果與討論

2.1 HMS表觀形貌及疏水親油性能

由MS與HMS的表觀照片(圖2)可以觀察到,HMS體積明顯收縮,收縮至MS的74.8%;同時HMS的質(zhì)量減少到MS的54.8%.測其表觀密度,MS的表觀密度為14.2mg/cm3,而HMS的表觀密度顯著降至10.4mg/cm3.

圖2 MS與HMS的照片

為測試其疏水親油性,將亞甲基藍(lán)染色的水和甲基橙染色的柴油滴在MS與HMS表面.如圖3所示,柴油均能被快速吸收;水滴只能被MS快速吸收,而不能被HMS吸收,這表明HMS在變?yōu)槭杷缘耐瑫r保留了MS親油性的特征.進(jìn)一步測試HMS的疏水角,如圖4所示,MS水接觸角為0°,為超親水;而HMS的疏水角為121.6°,為疏水性.HMS的疏水親油特性為利用其進(jìn)行油水分離提供有力支持.

圖3 MS和HMS的疏水親油性測試

圖4 MS與HMS的水接觸角

HMS中孔隙體積的大小是決定其吸油容量的關(guān)鍵因素,基于MS與HMS共同的親油性,利用“排正丁醇法”[22]測其骨架體積,并用下式計算海綿的孔隙率(η).

式中:1、2分別為海綿骨架密度、表觀密度,mg/cm3;為海綿質(zhì)量,mg;1、2分別為海綿骨架體積、表觀體積,cm3;為海綿的孔隙率,%.

計算得到MS的孔隙率為98.1%,HMS的孔隙率為96.4%,孔隙體積為92.23cm3/g.表明HMS雖體積收縮,但仍具有較高孔隙率,為吸附油品提供豐富孔道空間.

2.2 SEM分析

圖5 MS和HMS的SEM圖像

Fig.5 SEM image of MS and HMS

由圖5可知,MS具有豐富的孔道結(jié)構(gòu),孔徑在45～100μm,并且骨架表面平整光滑.經(jīng)歷高溫碳化得到的HMS骨架收縮扭曲,孔徑縮小至25～85μm,且部分骨架斷裂,但仍具有豐富的孔道結(jié)構(gòu).這應(yīng)與在400℃下HMS并未完全碳化有關(guān)[23],高溫使海綿骨架收縮扭曲,從而部分?jǐn)嗔?但溫度并未達(dá)到使海綿完全斷裂坍塌的臨界溫度,仍存在豐富的孔道結(jié)構(gòu),利于油品的吸附.

2.3 XPS分析

利用XPS技術(shù)研究了HMS的化學(xué)元素組成.如圖6所示,MS與HMS均在相同位置出現(xiàn)C(284eV)、O(531eV、532eV)、N(398eV)、Na(1071eV)、S(168eV)元素的譜峰,但峰值與峰面積不同.根據(jù)峰面積計算得到HMS的C原子所占比例較MS顯著升高,由59.71%升高至64.33%;O原子所占比例降低,由18.8%降低至15.68%,C/O原子比由3.18升高至4.10.這表明海綿熱解過程中去除了部分氧元素,實現(xiàn)部分碳化.

2.4 FT-IR分析

圖7 MS與HMS的FT-IR圖

為研究碳化后HMS的官能團(tuán)變化,對MS和HMS進(jìn)行了FT-IR表征分析,如圖7所示.其中MS的主要特征峰為:3361cm-1(N—H伸縮振動),1551cm-1(三聚氰胺環(huán)的呼吸振動),812cm-1(三嗪環(huán)的面內(nèi)伸縮振動)這些均屬于三聚氰胺的特征峰,且還有1339cm-1(C—H面內(nèi)彎曲振動),以及氧化組分(1000～1200cm-1);而HMS的三聚氰胺特征峰均減弱,且1000～1200cm-1的氧化組分的特征峰消失,1339cm-1處C—H伸縮振動增強(qiáng),表明HMS經(jīng)歷碳化后含氧基團(tuán)大部分去除,三聚氰胺含量下降,C含量增加,這與之前XPS分析結(jié)果基本一致.

2.5 吸收光譜分析

材料對光的吸收能力是影響材料光熱性能的關(guān)鍵因素.MS與HMS在250～2500nm太陽光全光譜范圍內(nèi)的吸收率如圖8所示.未改性的MS在全光譜范圍內(nèi)的吸收率較低,平均光吸收率為24.9%.而HMS的光吸收率明顯提升,其中在可見光光譜范圍(400～780nm)和紫外光范圍(250～400nm)吸收率最高(97.08%);紅外光范圍(780～2500nm)較低,但仍明顯高于MS.HMS全光譜的平均光吸收率為79.1%,表明其具有良好的光吸收能力.

圖8 MS和HMS的吸收率

Fig.8 Absorption spectra of MS and HMS

2.6 壓縮回彈能力測試

電子萬能試驗機(jī)以100mm/min的速度加載,18mm/min的速度卸載,在70%應(yīng)變下對MS與HMS進(jìn)行了500次壓縮測試,其應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖9所示.MS與HMS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在一個滯后回環(huán),表明二者在壓縮過程中的力學(xué)響應(yīng)屬于典型的黏彈性行為,幾乎所有可壓縮碳材料都會發(fā)生這種現(xiàn)象[24-25].對于MS,隨著壓縮次數(shù)的增加,由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加緊實,最大應(yīng)力呈增大趨勢,第1次、100次、300次、500次最大應(yīng)力分別為47.1、54.6、54.5、56.7kPa,第300次較第100次略下降,可歸因于在此區(qū)間MS結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,應(yīng)力變化不明顯,第500次的最大應(yīng)力相比第1次增加了20.4%.MS經(jīng)歷高溫碳化后,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變及碳含量的增加導(dǎo)致HMS機(jī)械性能降低,隨著壓縮次數(shù)的增加,海綿緊縮,最大應(yīng)力先降低;當(dāng)海綿被壓縮緊實到一定程度后,呈現(xiàn)出MS特性,最大應(yīng)力又逐漸增加,第1次、100次、300次、500次壓縮HMS至70%形變的應(yīng)力分別為16.5、14.7、22.3、24.9kPa.HMS經(jīng)歷500次壓縮后,最大應(yīng)力相比第1次增加了50.9%,如圖10所示,500次壓縮后的HMS外觀沒有明顯破損,但兩側(cè)向內(nèi)收縮,呈現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)[26],仍具有一定彈性,高度仍能維持到原來的80%以上(壓縮前高度0.98cm,500次壓縮后中心高度0.80cm),表明HMS經(jīng)歷碳化后仍具有良好的抗壓耐久性和循環(huán)性能,可以通過機(jī)械擠壓的方式回收油品,多次循環(huán)使用.

圖9 70%應(yīng)變下MS和HMS的應(yīng)力應(yīng)變

圖10 500次壓縮前后HMS照片

2.7 輕質(zhì)油品/有機(jī)溶劑吸附

圖11 吸附油品密度ρ與吸附量q關(guān)系

表1 文獻(xiàn)報道的三聚氰胺海綿改性方法及輕質(zhì)油品/有機(jī)溶劑飽和吸附量對比

HMS豐富的孔道結(jié)構(gòu)為吸附油品提供了充分的空間.選擇油品/有機(jī)溶劑密度由小到大的正己烷、環(huán)己烷、甲苯、鄰苯二甲酸二丁酯、四氯化碳測試HMS飽和吸附量,稱量吸附前后HMS質(zhì)量變化.吸附所用油品密度與其飽和吸附量基本呈線性關(guān)系,如圖11所示,斜率即油品飽和吸附體積[27]為92.20cm3/g,而HMS計算得到的孔隙體積為92.23cm3/g,二者基本一致,孔道占有率約為100%,表明HMS內(nèi)部孔隙基本被油品填滿,展現(xiàn)其優(yōu)異的吸附性能.HMS對油品/有機(jī)溶劑的飽和吸附量為61-144g/g,表1對比了不同文獻(xiàn)的結(jié)果,與其他改性海綿相比,HMS的水接觸角較低,但吸附輕質(zhì)油品/有機(jī)溶劑的能力較強(qiáng).

2.8 HMS光熱吸附重油測試

圖12為所用重油的密度與粘度隨溫度變化的曲線,隨著溫度的升高,重油的密度變化不大,而粘度急劇降低,當(dāng)升溫至46℃時,重油的粘度下降至1.7×103mm2/s,相比25℃下的粘度1.7×104mm2/s下降一個數(shù)量級.

圖12 重油密度與粘度隨溫度變化曲線

為考察HMS光熱性能對加熱吸附重油效果影響,在無光照和有光照下分別進(jìn)行滴油測試.如圖13所示,無光下,HMS表面溫度為17.9℃,將一滴重油滴在HMS上,高粘度的重油在6h后仍然無法完全被吸附;而在1個太陽光 (1kW/m2)下,HMS表面溫度可以達(dá)到85.1℃,底面溫度可以達(dá)到55.5℃,將一滴重油滴在HMS表面后,僅在30s內(nèi)重油即被完全吸附.結(jié)果表明,HMS海綿有潛力通過太陽能輔助加熱降低重油粘度,對其有效、快速地吸收.

圖13 HMS吸收一滴重油測試

采用圖1所示的海上漏油模擬吸附裝置進(jìn)行實驗,吸油過程中(圖14所示),在0～2min的初始階段吸油速率較慢,為4.3g/(g·min),該階段屬于HMS表面導(dǎo)熱傳至底面并加熱重油的階段,HMS表面與底面溫度持續(xù)升高;在2～5min階段,隨著HMS持續(xù)加熱重油并吸附重油,吸油速度加快,為9.8g/(g·min), HMS表面溫度與底面溫度達(dá)到最大值;在5min之后,隨著吸附孔道的填滿,HMS表面由于重油的進(jìn)入溫度稍有降低,底面溫度隨之略有降低,吸油速度逐漸降低,直至吸附飽和,飽和吸附量為99.1g/g.吸油平均速度約為5.5g/(g·min),展現(xiàn)了HMS優(yōu)異的吸附性能和光熱性能.計算20～70℃重油的平均密度為0.9347g/cm3,由此估算吸附重油體積為106.02cm3/g,高于孔隙體積(92.20cm3/g),這是由于在此溫度范圍內(nèi)重油的運(yùn)動粘度雖然已顯著降低(最低為325.7mm2/s),但仍然偏高,例如環(huán)己烷在20℃下的運(yùn)動粘度為1.2mm2/s,重油粘度仍要明顯高于輕油,吸附飽和后重油附著在HMS外表面,導(dǎo)致計算吸附體積偏大.

如圖15所示,重油的主要特征峰為: 2923cm-1、2858cm-1(C-H伸縮振動),1577cm-1、1705cm-1(雙鍵伸縮振動), 1456cm-1、1375cm-1(C-H面內(nèi)彎曲振動),1056cm-1(C-O伸縮振動)及600～1000cm-1的C-H面外伸縮振動.吸附重油后HMS的主要特征峰與重油特征峰基本一致,重油主要成分并未變化,吸附為物理吸附.由于海綿表面粘稠的重油掩蓋多孔的海綿,未檢測到HMS的特征峰.

圖15 重油及HMS吸油前后FT-IR圖

表2對比了其他文獻(xiàn)中改性MS方法及材料光熱吸附重油能力,相較于石墨烯改性、聚多巴胺及聚二甲基硅氧烷改性,在較低的光照強(qiáng)度下,HMS表面可以升至較高溫度,吸附重油能力處于兩者之間;相較于碳納米管及聚吡咯改性,在相同光照強(qiáng)度下, HMS表面最高溫度較低,但吸附重油能力較強(qiáng).

表2 文獻(xiàn)報道的三聚氰胺海綿改性方法及光熱吸附重油能力對比

為節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境,吸附劑的再生是關(guān)鍵因素.目前,報道的方法主要有燃燒法[35]、蒸餾法[36]、有機(jī)溶劑法[37]和機(jī)械擠壓法[38].燃燒法難以回收油品且易造成二次環(huán)境污染,蒸餾法雖可回收油品但耗能較大,有機(jī)溶劑法消耗大量有機(jī)溶劑溶解油品且降低油品純度,而機(jī)械擠壓法僅需外界加力,是一種簡單經(jīng)濟(jì)環(huán)保的再生方式.將上述吸滿油的HMS在光照下機(jī)械擠壓回收重油,再重新用于光熱吸油,重復(fù)多次實驗,記錄其飽和吸附量及擠壓后材料重量,如圖16所示.由于重油的粘度仍較高,因此在擠壓回收過程中不可避免仍有重油殘留,首次脫附后,仍有一定的含油量,為20.5g/g.

圖16 HMS重復(fù)光照吸油飽和吸附量變化

圖17為HMS在一次光熱吸附重油并擠壓前后的照片,擠壓后HMS略有收縮.第一次與第二次飽和吸附量相差較大,這可能是由于在機(jī)械擠壓過程中,改變了HMS內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu),導(dǎo)致飽和吸附量減小.但隨著重復(fù)次數(shù)的增加,HMS內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,飽和吸附量趨于穩(wěn)定,10次吸附脫附后的吸附量由99.1g/g下降至81.6g/g,存在少量損失(17.7%),這說明HMS具有優(yōu)良的循環(huán)吸附性能,在重油回收方面將會有很大前景.

圖17 HMS光熱吸附重油前后照片

3 結(jié)論

3.1 與浸涂試劑改性MS相比,MS高溫碳化改性,制備成本低、周期短,所制備的材料HMS具有較強(qiáng)的親油性、密度低、孔隙率高等特點.

3.2 MS在全光譜范圍內(nèi)吸收率較低,平均光吸收率為24.9%;而HMS在太陽全光譜范圍內(nèi)具有較高的吸收率,平均光吸收率為79.1%.

3.3 用萬能試驗機(jī)對HMS進(jìn)行壓縮回彈測試發(fā)現(xiàn),HMS具有優(yōu)異的壓縮回彈能力,在70%應(yīng)變下壓縮回彈500次后HMS仍能快速回彈至原始高度的80%以上,外觀沒有破損.

3.4 HMS可以快速吸附輕質(zhì)油品,飽和吸附體積為92.20cm3/g,與HMS的孔隙體積92.23cm3/g基本一致,孔道占有率近100%.

3.5 HMS模擬吸附海上漏油情況,在1個太陽光下,HMS海綿溫度快速升高,有效降低了底面接觸的重油粘度并加快了吸附重油速度,最大吸附速率為9.8g/(g·min),吸附量高達(dá)99.1g/g左右;HMS海綿重復(fù)吸附重油10次時,對重油的飽和吸附量仍可保持在85.00g/g以上.

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Preparation of carbonized melamine sponge for photo assisted heavy oil adsorption.

LIN Zi-mei1, LOU Guo-sheng2, KANG Yao-ming3, LIU Hui-e1*, CHEN Shuang1, YANG Xiang-yi1

(1.College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China；2.91286 Troops, Qingdao 266021, China；3.Golmud Refinery of PetroChina Qinghai Oilfield, Golmud 816000, China)., 2022,42(7)：3184～3192

Carbonized melamine sponge (HMS) was prepared by calcining of melamine sponge (MS) in argon atmosphere. The carbonization effect of HMS was analyzed by SEM, XPS and FI-IR. The density, hydrophilicity, porosity, absorption spectra and compression resilience of the sponge before and after carbonization were measured. The results showed that MS was partly carbonized into HMS, with the hydrophobicity enhanced, the lipophilicity unchanged, and the porosity slightly reduced. HMS exhibited excellent light absorption and mechanical properties. The saturated adsorption volume of HMS sponge on light oil was 92.20cm3/g. Under 1sun irradiation (1kW/m2), the temperature of HMS sponge rose rapidly, which effectively reduced the viscosity of heavy oil in contact with its bottom surface and sped up the adsorption rate of heavy oil, with the adsorption capacity reaching about 99.1g/g. When HMS sponge repeatedly adsorbed heavy oil for 10times, its saturated adsorption capacity on heavy oil could maintain at higher than 81.00g/g. These characteristics made HMS sponge a promising high-efficiency, energy-saving and reusable oil spill adsorbent.

melamine sponge；carbonization modification；photothermal properties；mechanical properties；heavy oil adsorption

X703

A

1000-6923(2022)07-3184-09

林子媚(1999-),女,山東煙臺人,中國石油大學(xué)(華東)碩士研究生,主要研究方向為吸油材料研究.發(fā)表論文3篇.

2021-12-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(22078366)

* 責(zé)任作者,教授, liuhuie@upc.edu.cn