阮方毅, 薛傳成, 王 艷, 劉干斌
多孔介質(zhì)中懸浮顆粒滲透遷移特性的試驗(yàn)研究
阮方毅, 薛傳成, 王 艷*, 劉干斌
(寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211)
通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn), 研究硅微粉和聚苯乙烯微球兩種不同的懸浮顆粒的遷移特性, 考慮pH、溫度和滲流速度對(duì)懸浮顆粒遷移的影響, 結(jié)合理論解對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 并確定遷移參數(shù), 進(jìn)而討論pH對(duì)遷移參數(shù)的影響. 結(jié)果表明: pH是影響多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移的重要因素, 當(dāng)溫度為5℃時(shí), 兩種懸浮顆粒質(zhì)量濃度峰值隨著pH值的增大而提高; 當(dāng)溫度增大至30℃和58.3℃時(shí), 懸浮顆粒的遷移特性發(fā)生了變化, 溫度升高導(dǎo)致顆粒表面電荷發(fā)生改變, 隨著pH值的增大質(zhì)量濃度峰值呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì); 當(dāng)溫度和滲流速度一定時(shí), 兩種懸浮顆粒的相對(duì)速度隨著pH值的增大而略微增大, 在流速較高時(shí)表現(xiàn)尤為顯著, 表明懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中存在加速效應(yīng); 隨著孔隙水流速的增大, 水動(dòng)力影響增強(qiáng), 懸浮顆粒受pH的影響相對(duì)減弱, 不同pH時(shí)質(zhì)量濃度峰值變化減小; 兩種懸浮顆粒的彌散度都表現(xiàn)為隨著pH值的增大而降低, 且硅微粉的彌散度整體比聚苯乙烯微球大.
多孔介質(zhì); 懸浮顆粒; 滲透遷移; 穿透曲線; 參數(shù)分析
懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中受到物理、化學(xué)和生物過(guò)程的影響, 其遷移過(guò)程包含顆粒、流體、多孔介質(zhì)之間的相互作用, 非常復(fù)雜. 了解懸浮顆粒的運(yùn)輸對(duì)污染物在孔隙介質(zhì)中遷移至關(guān)重要[1-3]. 污染物可能會(huì)附著在懸浮顆粒表面隨著水流一起移動(dòng),從而加速污染物的擴(kuò)散. 研究多孔介質(zhì)中懸浮顆粒的遷移特性對(duì)土壤和地下水的污染治理, 以及核廢料的處置等具有重要意義[4-6].
懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中的遷移受懸浮顆粒尺寸、形狀和特性等因素的影響較大[6-8], 同時(shí)也受pH和溫度的影響. 在自然環(huán)境中, 土體中pH會(huì)隨著降雨變化而發(fā)生變化, 隨著季節(jié)的改變土體溫度也隨之改變[2,9-14]. 一些學(xué)者做了關(guān)于pH對(duì)懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中遷移的影響研究. 如Hamamoto等[2]使用玻璃珠進(jìn)行一維土柱試驗(yàn), 研究pH對(duì)納米級(jí)氣泡在多孔介質(zhì)中運(yùn)輸行為的影響, 結(jié)果表明: pH值較高時(shí)納米級(jí)氣泡更加穩(wěn)定, pH值較低的水中, 捕獲較大納米級(jí)氣泡增強(qiáng). Chen等[11]進(jìn)行了磺胺甲惡唑(SMZ)和環(huán)丙沙星(CIP)兩種抗生素在飽和多孔介質(zhì)中的轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn), 結(jié)果表明: SMZ的遷移率比CIP高很多, pH值的改變對(duì)飽和柱中SMZ遷移沒(méi)有影響; 然而, 當(dāng)pH值增至9.5時(shí), 約93%的CIP從砂柱中洗脫. Gao等[12]分析了孔隙水pH值和孔隙水流量瞬變對(duì)非飽和砂柱內(nèi)膠體大小黏土顆粒沉積和遷移的影響, 發(fā)現(xiàn)伊利石在穩(wěn)定流條件下的沉積速率基本與pH值無(wú)關(guān), 而隨著pH值從7.4降至4.6, 高嶺石的沉積速率幾乎翻倍. Roy等[13]通過(guò)砂柱試驗(yàn), 研究了不同pH值和離子強(qiáng)度條件下, 膠體對(duì)兩種強(qiáng)吸附性溶質(zhì)遷移的影響, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶質(zhì)吸附在膠體顆粒上遷移時(shí), 膠體的沉積效率對(duì)溶質(zhì)的遷移影響顯著, 膠體沉積效率與pH和溶質(zhì)的質(zhì)量濃度相關(guān). Bradford等[14]提出了一個(gè)連續(xù)模型來(lái)描述瞬態(tài)物理化學(xué)條件下地下膠體的釋放, 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)溶液離子強(qiáng)度減小和pH值增大會(huì)促進(jìn)大腸桿菌的釋放, 類似于減少次級(jí)最小納米級(jí)化學(xué)異質(zhì)性的預(yù)期趨勢(shì). 現(xiàn)有研究大多僅考慮pH值單獨(dú)對(duì)懸浮顆粒遷移的影響, 鮮有同時(shí)考慮其他因素, 諸如顆粒類型、溫度等作用.
本文針對(duì)硅微粉和聚苯乙烯微球兩種不同懸浮顆粒, 通過(guò)室內(nèi)滲透遷移試驗(yàn), 研究懸浮顆粒在pH值、溫度、滲流速度等變化時(shí)的遷移特性, 并用理論解來(lái)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線, 得到擬合參數(shù), 進(jìn)而分析pH對(duì)遷移參數(shù)的影響.
試驗(yàn)裝置如圖1所示, 有機(jī)玻璃制成的圓柱土柱長(zhǎng)200mm, 直徑50mm, 長(zhǎng)徑比4, 可以看作是一維滲透. 選用保定融柏恒流泵制造有限公司生產(chǎn)的蘭格精密蠕動(dòng)泵(BT100-2J), 將儲(chǔ)水箱中的超純水以恒定流速輸入到圓柱試樣中, 該蠕動(dòng)泵(單管)的流量范圍為0.002~380mL?min-1. 采用上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的生化培養(yǎng)箱(LRH-150)提供試驗(yàn)所需的恒定溫度, 該培養(yǎng)箱控溫范圍為0~60℃, 溫度分辨率為0.1℃. 在圓柱試樣的進(jìn)出水口處均設(shè)置孔徑為0.4mm的不銹鋼篩網(wǎng), 防止多孔介質(zhì)流出試樣. 為保證超純水pH值的準(zhǔn)確性, 試驗(yàn)前選用瑞士Mettler toledo FE28實(shí)驗(yàn)室酸度計(jì)測(cè)定超純水的pH值, 該酸度計(jì)測(cè)量范圍為2~16, 精度為±0.01. 收集流出液, 采用上海悅豐儀器儀表有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯濁度儀(SGZ-2)測(cè)量其濁度, 再將濁度轉(zhuǎn)換成質(zhì)量濃度, 進(jìn)而分析懸浮顆粒質(zhì)量濃度的變化規(guī)律.
圖1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)選用硅微粉和聚苯乙烯微球?yàn)樽⑷腩w粒. 硅微粉的平均粒徑為4μm, 密度為2.26g?cm-3. 聚苯乙烯微球平均粒徑同樣為4μm, 密度為1.05g·cm-3. 選取透明的1級(jí)熔融石英為多孔介質(zhì), 密度為2.65 g·cm-3, 二氧化硅的含量高于99.96%.
試驗(yàn)前將熔融石英酸洗, 除去表面鐵、鋁等氧化物和有機(jī)物[15-17]. 熔融石英粒徑分布在0.60~2.36mm之間, 中位粒徑1.55mm, 其中粒徑為0.60~1.18mm約占29%, 粒徑為1.18~2.36mm約占71%. 不均勻系數(shù)(u)為2.1, 曲率系數(shù)(c)為1.1, 熔融石英試樣的平均孔隙率()為46.4%. 由此可知, 熔融石英的粒徑較為均勻, 足以保證粒徑4μm懸浮顆粒在熔融石英中不會(huì)產(chǎn)生堵塞.
每次試驗(yàn)開(kāi)始前, 用高純?nèi)ルx子水沖洗熔融石英至無(wú)雜質(zhì), 然后置于烘箱中, 在105℃下烘干. 采用濕裝法填充圓柱土樣, 均分10層進(jìn)行填裝, 每次填裝時(shí)保證水面高于多孔介質(zhì)頂面1~2cm, 保證試樣為飽和多孔介質(zhì). 同時(shí), 每次進(jìn)行相同的搗實(shí)次數(shù), 使飽和試樣均勻.
試驗(yàn)在恒溫箱中進(jìn)行. 把恒溫箱調(diào)節(jié)到試驗(yàn)所需溫度(5.0、30.0、58.3℃)后靜置24h, 以確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度穩(wěn)定. 在蓄水箱中加入適量HCl或NaOH來(lái)調(diào)節(jié)pH值至4、7、10, 采用蠕動(dòng)泵將儲(chǔ)水箱中的超純水泵入土柱中, 蠕動(dòng)泵流量用流量計(jì)測(cè)量, 然后轉(zhuǎn)換成孔隙水滲流速度分別為0.042、0.127、0.212cm?s-1.
采用注射器將20mL質(zhì)量濃度為0.5mg?mL-1的懸浮顆粒溶液注入土柱中, 注入過(guò)程用時(shí)2s, 可近似為瞬時(shí)注入. 由于懸浮顆粒溶液體積相比多孔介質(zhì)孔隙體積小很多, 故可忽略注入過(guò)程對(duì)試驗(yàn)的影響. 在試驗(yàn)過(guò)程中, 間隔一定時(shí)間收集一次流出液, 用濁度儀測(cè)量濁度, 然后轉(zhuǎn)換成質(zhì)量濃度, 收集流出液時(shí)試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行.
本試驗(yàn)采用已知質(zhì)量濃度的兩種懸浮顆粒, 試驗(yàn)時(shí)室內(nèi)平均溫度為30℃, pH值分別為4、7、10, 在超純水中不斷進(jìn)行稀釋, 每稀釋一次就測(cè)量一次濁度, 最終通過(guò)計(jì)算得到質(zhì)量濃度與濁度的關(guān)系(圖2和圖3), 其擬合公式為:
式中: C為懸浮顆粒的質(zhì)量濃度, mg?mL-1; x為濁度, NTU.
圖3 聚苯乙烯微球質(zhì)量濃度與濁度關(guān)系
擬合結(jié)果同文獻(xiàn)[18]一致, 相關(guān)系數(shù)2>0.998, 表明用一元二次函數(shù)可以很好地描述質(zhì)量濃度與濁度的相關(guān)性. 本試驗(yàn)采用的兩種懸浮顆粒受pH的影響較小, 關(guān)系曲線沒(méi)有明顯的差異, 對(duì)應(yīng)的擬合系數(shù)變化也很小. 結(jié)合雷諾數(shù)定義[19]:
式中:為溫度.
試驗(yàn)的最大流速為0.00212m?s-1,的范圍為5.0~58.3℃, 取為0.01m,為1000kg?m-3, 可求得水的黏性系數(shù)為0.00048~0.00152kg?(m?s)-1, 于是得到雷諾數(shù)在14~44之間, 小于2320, 所以本次試驗(yàn)均為層流.
懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中遷移可以用對(duì)流彌散方程描述[7,18,20]:
控制方程的初始邊界條件為:
結(jié)合控制方程與初始邊界條件, 參考文獻(xiàn)[18, 20], 推導(dǎo)出對(duì)流彌散方程(4)和(5)的解析解為:
式中:
圖4為=5℃時(shí)pH值對(duì)懸浮顆粒遷移曲線的影響. 從圖4可以看出, 在溫度為5℃, 孔隙水滲流速度一定時(shí), 懸浮顆粒穿透曲線的質(zhì)量濃度峰值均隨著pH值的變大而增加. 懸浮顆粒電位隨pH值的增大而變大, 而兩種懸浮顆粒與熔融石英帶有相同的電荷, 所以pH值增大時(shí)懸浮顆粒與多孔介質(zhì)之間斥力增大, 從而有利于懸浮顆粒的釋放, 因此對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度峰值也隨之增大. 結(jié)合圖4(a)~(c)可以發(fā)現(xiàn), 孔隙水滲流速度越大, pH值對(duì)懸浮顆粒遷移影響越大, 遷移曲線規(guī)律越明顯. 聚苯乙烯微球的遷移規(guī)律與硅微粉相同, 例如當(dāng)為0.127cm?s-1, pH分別為4、7、10時(shí), 硅微粉質(zhì)量濃度峰值分別為0.0213、0.0253、0.0385mg?mL-1, 聚苯乙烯微球質(zhì)量濃度峰值分別為0.0501、0.0742、0.0883mg?mL-1.
圖4 T=5℃時(shí)不同pH和滲流速度下懸浮顆粒的穿透曲線
當(dāng)=30℃時(shí), 硅微粉和聚苯乙烯微球的遷移規(guī)律如圖5所示. 對(duì)比=30℃與=5℃發(fā)現(xiàn),pH值從4升至7, 質(zhì)量濃度峰值增加, pH值從7升至10, 質(zhì)量濃度峰值略微減小. 孔隙水滲流速度的變化對(duì)懸浮顆粒遷移規(guī)律無(wú)明顯影響.例如, 當(dāng)=0.042cm?s-1, pH值分別為4、7、10時(shí), 聚苯乙烯微球顆粒質(zhì)量濃度峰值分別為0.0632、0.0943、0.0920mg?mL-1. 在pH值較小的酸性條件時(shí), 懸浮顆粒表面正電荷量增加, 更易向固相基質(zhì)移動(dòng); 在pH值較大的堿性條件下, 帶有相同電荷相互排斥的懸浮顆粒更易團(tuán)聚發(fā)生沉積, 所以在中性條件下更利于懸浮顆粒的遷移. 同時(shí), 溫度升高影響懸浮顆粒表面電荷方向[21], 在堿性環(huán)境下, 溫度升高導(dǎo)致懸浮顆粒之間相互作用能增加, 質(zhì)量濃度峰值增加.
圖5中懸浮顆粒質(zhì)量濃度峰值對(duì)應(yīng)的孔隙體積數(shù)均小于1. 與圖4相比可以發(fā)現(xiàn), 溫度升高使懸浮顆粒質(zhì)量濃度到達(dá)峰值的時(shí)間提前, 說(shuō)明兩種懸浮顆粒的滲流速度均大于平均孔隙水滲流速度, 表現(xiàn)出懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中的加速效應(yīng). 例如圖5(a)中pH為4、7和10時(shí), 聚苯乙烯微球質(zhì)量濃度峰值對(duì)應(yīng)的孔隙體積數(shù)分別為0.96、0.86和0.91, 硅微粉質(zhì)量濃度峰值對(duì)應(yīng)的孔隙體積數(shù)分別為0.96、0.91和0.91, 均小于1.00.
圖5 T=30℃時(shí)不同pH和滲流速度下懸浮顆粒的穿透曲線
當(dāng)=58.3℃時(shí), 發(fā)現(xiàn)硅微粉的穿透曲線質(zhì)量濃度值跳動(dòng)較大, 如圖6所示. 圖6可以解釋為在較高溫度時(shí), 硅微粉布朗運(yùn)動(dòng)較大, 同時(shí)硅微粉的尺寸不同, 所以=58.3℃時(shí)的穿透曲線比=5℃和=30℃時(shí)的質(zhì)量濃度值跳動(dòng)大. 隨著pH值的增加, 聚苯乙烯微球的質(zhì)量濃度峰值變化十分明顯, 當(dāng)pH為4、7、10時(shí), 質(zhì)量濃度峰值先增加再減小, 并且在pH為10時(shí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度峰值大于pH為4時(shí). 例如當(dāng)=0.042cm?s-1時(shí), pH為4、7、10時(shí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度峰值為0.028、0.092、0.070mg?mL-1,在=58.3℃時(shí), 聚苯乙烯微球受pH值的影響更大. 說(shuō)明隨著試驗(yàn)溫度的升高, 聚苯乙烯微球表面電荷發(fā)生改變. 隨著孔隙水滲流流速的增加, 水動(dòng)力影響增強(qiáng), 懸浮顆粒受pH值的影響相對(duì)減弱, 所以在不同pH值下其質(zhì)量濃度峰值變化減小.
圖6 T=58.3℃時(shí)不同pH和滲流速度下懸浮顆粒的穿透曲線
穩(wěn)態(tài)流速下懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中的遷移試驗(yàn)可以用一維經(jīng)典對(duì)流彌散修正方程來(lái)描述, 結(jié)合短時(shí)注入情況, 應(yīng)用式(10)的解析解來(lái)進(jìn)行理論擬合, 解析解中參數(shù)可以通過(guò)試驗(yàn)得到,0=0.5mg?mL-1,0=2s.
因?yàn)樵谛拚P椭锌紤]了懸浮顆粒的沉積再釋放過(guò)程, 但是根據(jù)以往的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn), 釋放系數(shù)僅為沉積系數(shù)的幾百分之一至幾十分之一, 釋放系數(shù)在試驗(yàn)過(guò)程中的影響相當(dāng)有限. 同時(shí), 本試驗(yàn)中多孔介質(zhì)的滲透性大, 孔隙水滲流速度較大, 使懸浮顆粒沉積再釋放的情況減小, 釋放系數(shù)的影響可以忽略不計(jì). 因此, 在懸浮顆粒穿透曲線擬合中, 令釋放系數(shù)r=0.0001s-1, 取=30℃,= 0.042cm?s-1時(shí)懸浮顆粒遷移的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖7所示.
圖7 懸浮顆粒穿透曲線擬合結(jié)果
表1 硅微粉擬合參數(shù)的確定
表2 聚苯乙烯微球擬合參數(shù)的確定
定義相對(duì)速度/為懸浮顆粒滲流速度與平均孔隙水滲流速度之比. 從表1和表2可知, 隨著孔隙水滲流速度的增加, 兩種懸浮顆粒的滲流速度都增加, 這與文獻(xiàn)[22-23]的研究結(jié)果一致, 但是相對(duì)速度規(guī)律不明顯. 當(dāng)溫度和孔隙水滲流速度一定時(shí), 兩種懸浮顆粒的相對(duì)速度隨著pH值的增加而略微增加, 在較高流速下表現(xiàn)尤其明顯, 這也是因?yàn)閼腋☆w粒表面電荷受pH值影響較大, 當(dāng)pH為4時(shí), 水溶液中增加的正電荷會(huì)中和懸浮顆粒表面的負(fù)電荷, 使原來(lái)懸浮顆粒與多孔介質(zhì)表面的排斥力減弱, 促使懸浮顆粒沉積, 從而影響懸浮顆粒的流速, 導(dǎo)致相對(duì)速度減小. 兩種懸浮顆粒的相對(duì)速度均大于1, 說(shuō)明懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中存在加速效應(yīng)[24-25].
通過(guò)表2與表3, 可以求得彌散系數(shù)與孔隙水滲流速度的關(guān)系, 其表達(dá)式為:
當(dāng)=5℃,=0.042cm?s-1時(shí), 通過(guò)式(11)可以得到彌散系數(shù)與滲流速度關(guān)系的擬合關(guān)系(圖8).
表3 彌散系數(shù)擬合參數(shù)的確定
圖8 懸浮顆粒彌散系數(shù)與滲流速度的擬合結(jié)果
隨著pH值的降低, 沉積系數(shù)增大, 許多學(xué)者得到了類似的結(jié)論[8,11], 這是因?yàn)殡S著pH值降低, 懸浮顆粒表面的Zeta電位減小, 使得懸浮顆粒與多孔介質(zhì)之間的能量勢(shì)壘減小, 導(dǎo)致懸浮顆粒產(chǎn)生更多的不可逆沉積, 因此沉積系數(shù)增大.
本文在不同溫度、pH值、孔隙水滲流速度下對(duì)兩種懸浮顆粒進(jìn)行了一維土柱試驗(yàn), 結(jié)合短時(shí)注入情況下的理論解, 分析了pH值對(duì)遷移參數(shù)的影響. 得到以下結(jié)論:
(1)當(dāng)溫度小于30℃時(shí), pH值越大, 懸浮顆粒穿透曲線的質(zhì)量濃度峰值越大; 當(dāng)溫度超過(guò)30℃時(shí), 在pH值較大的堿性條件下, 懸浮顆粒質(zhì)量濃度峰值減小, 在中性條件(pH值為7)時(shí)質(zhì)量濃度峰值最大. 隨著孔隙水滲流速度的增大, 水動(dòng)力影響增強(qiáng), 懸浮顆粒受pH值的影響相對(duì)減弱, 所以在不同pH值時(shí)的質(zhì)量濃度峰值變化減小.
(2)當(dāng)溫度和滲流速度一定時(shí), 兩種懸浮顆粒的相對(duì)速度隨著pH值的增加而略微增加, 在較高孔隙水滲流速度時(shí)表現(xiàn)尤為明顯, 表明懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中存在加速效應(yīng).
(3)聚苯乙烯微球由于尺寸較為均勻, 彌散系數(shù)與彌散度呈線性關(guān)系, 但線性不能準(zhǔn)確地描述硅微粉彌散系數(shù)與彌散度之間的關(guān)系. 兩種懸浮顆粒的彌散度都隨pH值的增大而降低, 并且硅微粉的彌散度整體比聚苯乙烯微球大.
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Experimental study on permeation and transport behavior of suspended particles in porous media
RUAN Fangyi, XUE Chuancheng, WANG Yan*, LIU Ganbin
( School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China )
Soil column experiments were carried out considering two different suspended particles (i.e., silicon powder and polystyrene microspheres), and different pHs, temperatures and flow rates were considered to obtain a series of migration curves. The analytical solution was used to fit the experimental data and the migration parameters were then determined. The effect of pH on migration parameters was discussed. Studies have shown that pH is an important factor affecting the transport of suspended particles in porous media. When the temperature is 5℃, the peak concentrations of the two suspended particles increase with the increasing of pH. When the temperature increases over 30℃, the breakthrough curves of suspended particles change. The surface charges of suspended particles have changed with increasing temperature, and as the pH increases, the concentration peak first increases and then decreases. When the temperature and percolation velocity are constant, the relative velocity of the two suspended particles increases slightly with increasing pH, especially at higher flow rates, indicating the acceleration effect of suspended particles in porous media. As the permeation velocity becomes greater, the effect of hydrodynamic force also gets more obvious, and the effect of pH on migration of suspended particles becomes smaller, with peak concentration being of little change at the same time. The dispersion of both suspended particles decreases with increasing pH, and the dispersion of silicon micro powder is larger than that of polystyrene microspheres.
porous media; suspended particles; permeation and transport; breakthrough curve; parameter analysis
TU431
A
1001-5132(2022)03-0001-09
2021?03?17.
寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/
國(guó)家自然科學(xué)基金(51678311); 浙江省自然科學(xué)基金(LY19E080011).
阮方毅(1996-), 男, 浙江紹興人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 環(huán)境巖土工程. E-mail: 2195689516@qq.com
通信作者:王艷(1985-), 女, 湖北隨州人, 博士/副教授, 主要研究方向: 環(huán)境巖土工程. E-mail: wangyan@nbu.edu.cn
(責(zé)任編輯 史小麗)