Please wait a minute...
本期目录
2022年 第73卷 第10期 刊出日期:2022-10-05
上一期   
    本期中英文目录、封面
    化工学报. 2022, 73(10):  1. 
    摘要 ( 61 )   PDF (13595KB) ( 81 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    高效分离乙烷/乙烯的烷烃选择性吸附剂研究进展
    张博, 陈晓霏, 赵思尧, 周欣
    化工学报. 2022, 73(10):  4255-4267.  doi:10.11949/0438-1157.20220599
    摘要 ( 198 )   HTML ( 28 )   PDF (3131KB) ( 113 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    乙烯是石油化学工业的基础原材料,聚合级乙烯工业纯化的关键挑战是去除其中的乙烷杂质,这一步骤难度大、能耗高。近年来,以乙烷选择性吸附剂为核心的吸附分离纯化技术快速发展,并得到学术界和工业界的关注。该技术可在温和工况下高选择性分离出乙烯中的乙烷杂质,显现出巨大潜力。本文总结了近年来乙烷选择性吸附剂(特别是乙烷选择性MOFs)的研究进展,并归纳阐释其选择性吸附机理。同时,在前人研究成果的基础上,总结可行的乙烷选择性吸附剂的设计策略,指出当前开发高效乙烷选择性吸附剂面临的挑战和未来的研究方向。

    负载型离子液体吸附分离CO2的研究现状及展望
    吴建猛, 郑爽, 曾少娟, 张香平, 杨灿, 董海峰
    化工学报. 2022, 73(10):  4268-4284.  doi:10.11949/0438-1157.20220600
    摘要 ( 178 )   HTML ( 24 )   PDF (3919KB) ( 198 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    人口增长与全球工业化的加速发展促使化石能源需求量逐年递增,由此导致大气中二氧化碳(CO2)含量快速上升并引发了全球系列气候问题,“碳达峰·碳中和”背景下的CO2减排刻不容缓。传统工业捕集CO2方法由于能耗高、选择性较差、溶剂损耗大等问题限制了其大规模推广应用,离子液体因其极低挥发性、强的气体亲和性、可调的结构性质等特点在CO2捕集分离领域逐渐显示出独特优势,但离子液体特别是功能化后通常黏度较高或室温呈固态,导致气液传质效果差或无法直接应用于吸收分离过程。负载型离子液体兼具离子液体和多孔材料的共同优势,不仅能提升选择性分离效果,有效避免离子液体直接吸收造成的高黏度,还可拓展离子液体应用范围,具有广阔的发展前景。重点总结了近些年物理和化学负载型离子液体在CO2吸附分离方面的研究现状和进展,并对负载型离子液体捕集分离CO2研究的发展趋势进行了展望。

    超细晶体的研究进展
    郑海峰, 贾晟哲, 王崧成, 韩瑞, 韩丹丹, 高振国, 龚俊波
    化工学报. 2022, 73(10):  4285-4297.  doi:10.11949/0438-1157.20220468
    摘要 ( 113 )   HTML ( 15 )   PDF (1553KB) ( 73 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    超细晶体由于其尺寸小、比表面积大等独特性质而被广泛应用于医药、化工等领域。综述了超细晶体的制备方法,以及各种制备方法的原理和粒度控制参数。总结了超细晶体在吸入剂、含能材料以及难溶药物等领域的应用,同时对超细晶体悬浮液的稳定性、颗粒聚结进行了讨论分析,并对超细晶体的发展提出展望。

    CO2光热催化还原研究进展
    闫帅, 杨海平, 陈应泉, 王贤华, 曾阔, 陈汉平
    化工学报. 2022, 73(10):  4298-4310.  doi:10.11949/0438-1157.20220863
    摘要 ( 112 )   HTML ( 7 )   PDF (2996KB) ( 98 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    CO2光热催化转化是一种新型的CO2利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO2光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO2还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO2还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO2的高效转化和利用提供参考。

    维生素A生物合成的研究进展
    王欣慧, 王颖, 姚明东, 肖文海
    化工学报. 2022, 73(10):  4311-4323.  doi:10.11949/0438-1157.20220838
    摘要 ( 83 )   HTML ( 10 )   PDF (2096KB) ( 51 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    维生素A是维持人体代谢的必需维生素,在食品、药品及护肤品等多个领域占有重要地位,是三大维生素支柱产品之一,应用前景广阔。市场上的维生素A主要来源于化学合成和天然提取。近年来,随着绿色生物制造的发展,维生素A的生物合成研究取得了重大的进展。总结了维生素A生物合成的研究现状,并对维生素A生物合成的优化改造方案进行了分析归纳,概述了维生素A发酵生产以及产品组分调控和储存策略,最后对生物合成维生素A的现状进行总结与展望。

    热力学
    功能型离子液体协同吸收NH3和CO2的密度泛函理论研究
    朱先会, 王甫, 夏杰成, 袁金良
    化工学报. 2022, 73(10):  4324-4334.  doi:10.11949/0438-1157.20220603
    摘要 ( 69 )   HTML ( 2 )   PDF (3108KB) ( 43 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    离子液体(ILs)由于其独特的结构可调性,作为添加剂可有效抑制氨法碳捕集中NH3的逃逸并同时促进CO2的吸收。揭示其吸收NH3和CO2的作用机理对于构建特定的功能型ILs结构具有重要意义。本文采用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-31'++G(d,p)基组水平下对设计的五种功能型ILs进行了结构优化、频率计算以及原子电荷分析,获得了优化后的结构参数、振动频率以及原子电荷等数据。在此基础上对ILs吸收CO2和NH3进行了相互作用分析。计算结果表明:[HEBim][His]的稳定性最好,经过BSSE校正后的相互作用能为-415.73 kJ·mol-1。通过静电势和电荷分析找到了设计的ILs与气体作用的最佳位点:NH3主要与ILs阳离子的羟基形成 O—H…N型氢键,其中,[HEBim][His]吸收NH3的能力最强,形成的氢键结合能为38.52 kJ·mol-1,具有较强的氢键作用;CO2主要与阴离子中的氨基形成C—N…C型氢键,[HEBim][Ala]吸收CO2的能力最强,形成的氢键结合能为10.15 kJ·mol-1,具有较弱的氢键作用。当ILs同时与NH3和CO2相互作用时,其吸收能力均有不同程度的下降,[HEBim][His]与[HEBim][Ala]的综合吸收效果最佳。

    298.2 K四元体系Li+, K+NH4+ // Cl--H2O相平衡研究
    任思颖, 于旭东, 罗军, 冯霞, 赵志星, 姚智豪
    化工学报. 2022, 73(10):  4335-4344.  doi:10.11949/0438-1157.20220894
    摘要 ( 74 )   HTML ( 2 )   PDF (3855KB) ( 44 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    采用等温溶解平衡法研究了298.2 K三元体系Li+NH4+ // Cl--H2O和四元体系Li+,K+NH4+ // Cl--H2O的相平衡。采用湿渣法和XRD测定了三元体系共饱点处平衡固相组成,发现固溶体(NH4Cl) x (LiCl·H2O)1-x 形成;采用XRD和SEM测定了四元体系共饱点处平衡固相组成,发现固溶体(NH4Cl) x (LiCl·H2O)1-x 、(NH4Cl) x (KCl)1-x 和 (KCl) x (NH4Cl)1-x 形成。研究发现:298.2 K下,三元体系相图由2个共饱点、3条单变量曲线和3个结晶相区组成,结晶区面积按照NH4Cl > (NH4Cl) x (LiCl·H2O)1-x > LiCl·H2O顺序依次减小;四元体系相图包含3个共饱点、8条单变量曲线和6个结晶相区,结晶区面积按 (KCl) x (NH4Cl)1-x > NH4Cl > KCl > (NH4Cl) x (KCl)1-x > (NH4Cl) x (LiCl·H2O)1-x > LiCl·H2O顺序依次减小。结果表明:298.2 K时,在氯化物体系中,锂铵和钾铵均可形成固溶体,且钾铵比锂铵更容易形成固溶体而大量析出,增加了锂钾铵氯化物的分离难度。

    流体力学与传递现象
    波浪结构超疏水表面对液滴聚并弹跳的影响
    李英杰, 李奇侠, 王宏, 朱恂, 陈蓉, 廖强, 丁玉栋
    化工学报. 2022, 73(10):  4345-4354.  doi:10.11949/0438-1157.20220680
    摘要 ( 82 )   HTML ( 0 )   PDF (3494KB) ( 35 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    液滴自发聚并在自然和工业中广泛存在,如何高效去除聚并液滴是强化滴状冷凝换热、防结冰等的重要环节。采用数值模拟方法研究了不同半径比液滴在超疏水平壁面和超疏水波浪形壁面上的聚并起跳行为。研究发现,在平壁面上聚并的液滴水平速度与竖直速度差1~2个数量级,液滴的水平方向位移小,聚并后难以有效去除;在波浪形壁面上,由于液桥撞击在斜面上,产生较大的水平分力,聚并后其水平速度保持与竖直速度在同一数量级,水平位移显著增大;并且波浪结构对液滴弹跳过程影响显著,随波浪高宽比的增大液滴水平位移增大且弹跳高度减小,有效促进了液滴的水平运动,且当高宽比为0.21时,促进作用接近峰值。研究结果为聚并液滴的有效去除提供了新参考。

    双出口分级气流床气化炉内颗粒速度和浓度分布
    朱华兴, 王景效, 许建良, 代正华, 刘海峰
    化工学报. 2022, 73(10):  4355-4365.  doi:10.11949/0438-1157.20220608
    摘要 ( 60 )   HTML ( 1 )   PDF (1623KB) ( 37 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    煤炭分级利用是煤炭高效低碳利用的主要途径之一,提出一种同时制备热解气和合成气的分级气流床气化炉,炉体上部为煤热解室,下部为煤焦气化室。采用PV6M颗粒测速仪对气化炉内固体颗粒的速度和浓度分布进行测量,并运用CFD软件对气化炉内气固两相流场进行模拟。结果表明,在射流发展区域与射流碰撞后的折射流发展区域,颗粒速度较高;边壁区域颗粒速度较低且出现回流现象。在惯性和气流曳力作用下,热解室内大部分颗粒自流进入气化室。热解室上部径向颗粒浓度中心高边壁低;气化室下部径向颗粒浓度中心低边壁高。热解室与气化室进气量比、喷嘴角度及颗粒直径等对气化炉出口颗粒流出量分配有重要的影响。热解室进气量增大,颗粒从热解室出口流出占比先减小后增大;热解喷嘴偏转角与颗粒Stokes数增大,颗粒从热解室出口流出占比减小。

    肋片和多孔介质强化梯级相变储热系统性能的对比研究
    沈永亮, 张朋威, 刘淑丽
    化工学报. 2022, 73(10):  4366-4376.  doi:10.11949/0438-1157.20220670
    摘要 ( 41 )   HTML ( 1 )   PDF (3361KB) ( 27 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对于相变材料(PCM)导热性能差引起的梯级相变储热系统传热速率低的问题,利用三维数值仿真研究肋片和多孔介质对梯级相变储能系统放热性能的强化作用,在此基础上提出了梯度孔隙率进一步提升系统的放热性能,从PCM的放热速率和放热效率两个方面对梯级相变储能系统的不同强化方法进行了分析对比。结果表明肋片在显热放热阶段强化传热作用更显著,而多孔介质在潜热放热阶段强化传热更显著。整个放热过程只加入多孔介质比只加入肋片表现出更好的放热性能。同时添加肋片和多孔介质时,梯级相变系统放热性能最优,PCM完全凝固时间减少了40%。三种孔隙率梯度工况下,系统的放热效率无明显差异,但在负梯度孔隙率情况下,放热速率更高且更均匀。相比于正梯度孔隙率的情况,负梯度孔隙率具有更优的热性能。

    基于丝网探针的螺旋管内气液两相流气泡行为研究
    戴军涛, 刘莉, 刘帅, 顾汉洋, 王科
    化工学报. 2022, 73(10):  4377-4388.  doi:10.11949/0438-1157.20220610
    摘要 ( 70 )   HTML ( 2 )   PDF (4656KB) ( 40 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    核反应堆蒸汽发生器的传热面由螺旋管束组成。螺旋管的三维螺旋结构使得泡状流和塞状流等气液两相流中的气泡在重力、离心力和浮力等作用下在管道内部呈现不对称的相分布状态,两相滑移速度增大,显著影响换热性能并导致DNB型传热恶化难以预测。实验介质为空气-水,结合自主开发的电导式丝网探针技术并发展先进的数据后处理算法,实现了复杂流场的三维时空重构和离散气泡粒径的精细测量,获得了螺旋管内泡状流和塞状流的截面空泡分布规律。基于研究结果,可根据气泡分布规律对螺旋管道的几何结构进行调整以避免传热恶化,为螺旋管式蒸发器的安全设计提供了基础数据和优化思路。

    脉动条件下旋流场内气液两相流流型及其转变机理
    杨蕊, 朱宝锦, 吕超, 张磊, 肖迎松
    化工学报. 2022, 73(10):  4389-4398.  doi:10.11949/0438-1157.20220769
    摘要 ( 40 )   HTML ( 0 )   PDF (2273KB) ( 21 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    运用高速摄像技术对流量脉动条件下旋流分离器内气泡动力学行为及气液两相流流型展开研究。研究发现,在完整脉动周期内,流量在3.62~4.18 m3/h范围内波动,流量增大段的气核整体向溢流口方向运移,流量减小段的气核整体向底流口方向运移,气核大小及形态变化呈现周期往复性。通过脉动周期内特殊帧的分析,得出流量脉动条件下旋流场内气液两相流流型主要包括:气泡流、塞状流、弹状流、丝状流及波状流等五种形式。根据实验得出的气液两相折算速度,确定了脉动条件下气液两相流流型转换界限图,而气泡间的聚并破碎行为是产生气液两相流型的主要原因,最终构建了表征截面含气量和分离效率之间关系的评价模型。

    基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理
    张欣宇, 杨晓宏, 张燕楠, 徐佳锟, 郭枭, 田瑞
    化工学报. 2022, 73(10):  4399-4409.  doi:10.11949/0438-1157.20220669
    摘要 ( 68 )   HTML ( 3 )   PDF (3327KB) ( 48 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。

    催化、动力学与反应器
    工业窑炉烟气氧含量对钒钛系催化剂NH3-SCR脱硝反应的影响
    谢玉仙, 刘涛, 苏胜, 刘利军, 钟毓秀, 马智伟, 许凯, 汪一, 胡松, 向军
    化工学报. 2022, 73(10):  4410-4418.  doi:10.11949/0438-1157.20221034
    摘要 ( 56 )   HTML ( 3 )   PDF (1281KB) ( 30 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    目前,工业窑炉主要采用钒钛系SCR催化剂对烟气中氮氧化物(NO x )进行控制,然而工业窑炉部分工序烟气O2含量高,且高O2含量对SCR反应过程的机理影响尚不明确。因此,实验研究了烟气中不同O2含量下钒钛催化剂的脱硝活性,并采用多种表征方法系统分析了O2含量对催化剂物理化学结构的影响;同时结合原位红外技术,进一步揭示了不同O2含量下钒钛催化剂SCR脱硝反应机理。研究表明:在150~400℃的反应温度下,较高O2含量可一定程度提高催化剂的低温脱硝效率,钒负载量增加可使催化剂脱硝活性温度窗口扩展且向低温区移动;催化剂在不同O2含量条件下经过NH3-SCR脱硝反应后,其物理结构变化不明显,反应过程中较高的O2含量可促进催化剂表面酸循环和氧化还原循环,加速SCR脱硝反应;较高O2含量使得SCR反应过程活性中间体 NH3(L)和NH4+(B)消耗加快,促进桥型硝酸盐物种的形成,从而提高其SCR脱硝活性。

    基于MP-PIC方法的冶金硅氢氯化流化床反应器模拟
    吴诗鸣, 陈皓宁, 宗原, 许志美, 赵玲
    化工学报. 2022, 73(10):  4419-4428.  doi:10.11949/0438-1157.20220701
    摘要 ( 35 )   HTML ( 2 )   PDF (1560KB) ( 22 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    冶金硅氢氯化流化床是目前多晶硅生产工艺中实现四氯化硅(silicon tetrachloride, STC)循环利用的关键反应器。基于MP-PIC方法建立了冶金硅氢氯化流化床反应器模型。模型中反应源项采用总包反应动力学进行计算。在网格以及计算颗粒包含的真实颗粒数量无关性检验的基础上,对反应器内三氯氢硅(trichlorosilane, TCS)初始浓度进行了无关性检验。模型验证结果表明,模拟结果与实验值符合良好。反应器特征分析结果表明:TCS产率受化学平衡与气固两相流动因素共同控制;反应器操作压力对TCS产率的影响较小;提高进口H2/STC摩尔比,可以提高TCS产率但会降低H2的转化率。

    NbO x 掺杂对Pt/TiO2催化燃烧氯乙烯的促进作用
    高奕吟, 付睿, 王丽, 郭耘
    化工学报. 2022, 73(10):  4429-4437.  doi:10.11949/0438-1157.20220649
    摘要 ( 35 )   HTML ( 3 )   PDF (1950KB) ( 18 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    通过制备Pt/Nb x /TiO2研究了NbO x 在催化燃烧氯乙烯中的作用;采用XRD、XPS、H2-TPR、NH3-TPD与Py-FT-IR表征了NbO x 对于催化剂组织结构、氧化还原以及酸碱性的影响。负载NbO x 可促进Pt/TiO2反应性能的提高,当Nb/Ti摩尔比为0.09时,即Pt/Nb0.09/TiO2可在246℃实现90%氯乙烯的转化;与Pt/TiO2相比,达到相同转化率的温度向低温偏移69℃。NbO x 也影响了催化燃烧过程中的含氯副产物的总浓度和分布。催化剂表征结果发现NbO x 的引入可进一步增加Pt与载体(TiO2)之间的相互作用,提高催化剂的表面活性氧物种的浓度,进而促进了催化剂氧化还原性能的提高。催化剂表面的总酸量随着NbO x 含量的增加而降低,尤其是表面Lewis酸量。因此,催化剂表面的酸量和酸分布不是决定反应性能的唯一因素,而低温的氧化还原性更有利于催化剂性能的提高。

    微反应器研究陈化过程对铜锰催化剂的影响
    方凯伦, 陈帅帅, 付家崴, 蒋新
    化工学报. 2022, 73(10):  4438-4447.  doi:10.11949/0438-1157.20220798
    摘要 ( 68 )   HTML ( 7 )   PDF (1919KB) ( 23 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    陈化过程是共沉淀法制备Cu-Mn复合催化剂的关键步骤,沉淀物在形成初期快速的结构变化过程是研究的难点和盲点。采用微反应器制备Cu-Mn催化剂,并利用延长管进行陈化以研究极短陈化时间对Cu-Mn沉淀物及催化剂结构的影响,采用高倍电镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、拉曼光谱(Raman spectra)、X射线光电子能谱(XPS)对不同陈化时间的沉淀物和催化剂的理化性质进行分析。结果显示,在陈化过程中沉淀物中的MnCO3在数分钟内快速完成了从无定形到结晶态的转变,而Cu2+进入结晶态MnCO3结构的过程需要数十分钟才能完成。结晶态MnCO3的形成使Cu和Mn相互分离,而Cu-Mn复合碳酸盐的形成使得Cu-Mn分散性又逐渐变好。这导致了催化剂的结构参数呈现规律变化,使催化剂性能随陈化时间呈现先迅速变差后缓慢变好的规律。

    PdCo/SiO2双金属催化剂用于杂环储氢载体的高效脱氢
    龚翔, 李林森, 姜召
    化工学报. 2022, 73(10):  4448-4460.  doi:10.11949/0438-1157.20220857
    摘要 ( 54 )   HTML ( 0 )   PDF (4336KB) ( 44 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    乙基咔唑/十二氢乙基咔唑(N-ethylcarbazole/dodecahydro-N-ethylcarbazole,NECZ/12H-NECZ)体系被认为在有机液体储氢领域具有较大的开发应用前景,但高活性、选择性的脱氢催化剂的设计开发制约着其工业应用。基于此,设计开发出一种具有高脱氢活性和高选择性的双金属催化剂Pd1Co3/ SiO2(Pd质量分数为1.25%),对其结构进行了XPS、XRD、HRTEM等表征分析,并评价了其催化十二氢乙基咔唑的脱氢性能。与5.0%(质量分数)Pd/SiO2相比,表明引入一定量的Co金属形成的PdCo合金可提高12H-NECZ脱氢反应效率和NECZ选择性,动力学与DFT计算发现双金属催化剂可以有效降低三步基元反应的能垒,大幅提升第二步基元反应(8H-NECZ到4H-NECZ)的脱氢反应速率。研究结果为揭示12H-NECZ脱氢反应机理和高效脱氢反应催化剂的设计与开发提供了新的思路。

    TiAl基羰基硫水解催化剂的中毒机制与抗氧性能研究
    黄俊, 刘羿良, 吴鹏, 沈凯, 张亚平
    化工学报. 2022, 73(10):  4461-4471.  doi:10.11949/0438-1157.20220883
    摘要 ( 36 )   HTML ( 0 )   PDF (4530KB) ( 25 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    高炉煤气脱硫是实现钢铁行业多工序全流程超低排放的关键。高炉煤气中主要有机硫组分是羰基硫(COS),常用γ-Al2O3基催化剂水解脱除,但是其抗氧性能有待提高。采用共沉淀法制备了Ti0.5Al和K0.2Ti0.5Al催化剂,考察了催化剂在含氧气氛下的COS水解催化性能,并分析了氧体积分数对COS转化率和H2S产率的影响规律。活性测试结果表明,Ti0.5Al催化剂的初始COS转化率接近90%,随着反应时间增长效率逐渐降低至60%以下;K0.2Ti0.5Al催化剂在0.5% (体积分数) O2的气氛下持续反应22 h后,其COS转化率仍可保持在93.44%。表征结果显示,催化剂失活后比表面积大幅减小,表面碱性显著减弱。此外,活性中心Al原子硫酸化是导致催化剂失活的主要原因,而硫酸盐的沉积为次要原因。原位红外结果表明,K的引入可显著减弱O2在催化剂表面的吸附,并且阻断中间过渡物种的氧化,这是K提高催化剂抗氧性能的关键。

    低温等离子体协同Mn基催化剂降解氯苯研究
    石秀娟, 梁文俊, 尹国彬, 王金柱
    化工学报. 2022, 73(10):  4472-4483.  doi:10.11949/0438-1157.20220696
    摘要 ( 51 )   HTML ( 6 )   PDF (3285KB) ( 21 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以氯代挥发性有机物(CVOCs)中的典型代表氯苯为研究对象,分别采用硝酸锰(MN)和乙酸锰(MA)为前体,通过浸渍法制备Mn基催化剂,考察了低温等离子体协同Mn基催化剂降解氯苯性能以及抑制反应副产物臭氧生成的影响。研究发现对于不同反应系统,提升电压可以提高氯苯降解效率;催化剂引入能够大幅度提高氯苯降解性能,与MnO x (MN)/γ-Al2O3相比,MnO x (MA)/γ-Al2O3引入对氯苯降解效果更好,对臭氧生成的抑制性能更高。利用N2吸附-脱附、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对反应前后催化剂进行表征分析,发现放电并未对催化剂的孔径及晶相结构产生影响;通过无机氯选择性和尾气质谱结果分析氯苯降解过程中氯元素变化;与MnO x (MN)/γ-Al2O3催化剂相比,MnO x (MA)/γ-Al2O3催化剂的比表面积相对较大,活性组分分散性更高、更均匀,从而导致反应系统内更多的臭氧在催化剂表面分解为活性氧原子,提高了氯苯的降解性能并抑制了反应系统内臭氧的生成。

    NH4Cl辅助热解制备镍-氮-碳纳米管催化剂及其电还原CO2性能
    吴诗德, 易峰, 平丹, 张逸飞, 郝健, 刘国际, 方少明
    化工学报. 2022, 73(10):  4484-4497.  doi:10.11949/0438-1157.20220507
    摘要 ( 48 )   HTML ( 8 )   PDF (3566KB) ( 57 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    二氧化碳(CO2)的资源化利用是实现“碳达峰,碳中和”的重要手段。在众多CO2转化技术当中,电催化CO2还原反应因反应条件温和、工艺过程简单等优点,被认为是极具应用前景的减碳技术之一,其关键在于高效、高稳定性电催化剂的开发。过渡金属-氮-碳(M-N-C)材料是电还原CO2生成CO的有效催化剂,针对其高温热解制备过程中活性金属原子容易聚集且氮原子流失严重,进而使得活性位密度降低,催化性能下降等问题,本文提出以双氰胺(DCDA)为碳源和氮源,以乙酰丙酮镍(Ni(acac)2)为金属源,以氯化铵(NH4Cl)为第二氮源和造孔剂,采用简单的NH4Cl辅助热解-酸刻蚀的方法制备得到镍-氮-碳纳米管(Ni-N-CNTs)电还原CO2催化剂,并详细考察NH4Cl添加量对催化剂结构和催化性能的影响。表征结果表明:NH4Cl的加入有利于催化剂纳米管状形貌和多级孔结构的生成,同时有利于催化剂中Ni-Nx (1.6%,摩尔分数)和pyridinic-N (1.75%,摩尔分数)物种含量的增加。一系列性能测试结果表明:催化剂的活性中心为Ni-Nx,同时pyridinic-N的存在也有利于催化性能的提高,当前体中NH4Cl加入量与氮源和金属源总质量比为1∶1时,所得Ni-N-CNTs-1催化剂催化性能最好,在电压为-0.65 V (vs RHE)时,CO法拉第效率最高达92%,此时CO部分电流密度为8 mA·cm-2。此外,该催化剂还表现出良好的催化稳定性,连续恒电位电解12 h,催化性能基本不变。该催化剂制备工艺简单,制备条件可控,研究结果可为高效M-N-C电还原CO2催化剂的设计和制备提供一种切实有效的研究思路和方法。

    溶剂效应对木质素酚类化合物加氢反应的影响机理
    尤红运, 林景骏, 黄凯越, 舒日洋, 田志鹏, 王超, 陈颖
    化工学报. 2022, 73(10):  4498-4506.  doi:10.11949/0438-1157.20220826
    摘要 ( 56 )   HTML ( 3 )   PDF (1746KB) ( 28 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    系统研究了木质素酚类化合物在Ru/C和Al2O3催化体系下溶剂效应对加氢反应的影响。在乙醇溶剂中,苯酚在35℃下即可完全转化为环己醇,具有最佳的加氢效果。研究表明极性溶剂比非极性溶剂的加氢效果更好,是因为催化剂分散均匀,强化了催化剂和反应物间的传质与扩散。在醇类极性溶剂中,乙醇的加氢反应效率最高,对比研究显示溶剂的极性越强,苯酚加氢的转化效果越好。还建立了Kamlet-Taft表达式参数与苯酚转化率间的关系关联式,分析了各参数的影响效果,详细阐述了Ru/C和Al2O3催化体系下详细的苯酚加氢反应路径和机理,并将该催化体系应用于其他木质素酚类化合物的加氢反应,也取得了很好的反应效果,大部分木质素酚类化合物均加氢饱和转化成稳定的环状醇类化合物。

    分离工程
    M-MOF-74吸附分离H2/He混合物的分子模拟研究
    王玉杰, 李申辉, 赵之平
    化工学报. 2022, 73(10):  4507-4517.  doi:10.11949/0438-1157.20220531
    摘要 ( 32 )   HTML ( 0 )   PDF (6082KB) ( 26 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为了探究有机金属框架MOF-74能否作为一种优良的固体吸附剂,分离H2/He混合物中H2,并达到提纯He的目的,采用分子模拟的手段研究了H2、He及H2/He混合物在M-MOF-74(M=Mg、Co、Ni、Cu、Zn)上的吸附性能及吸附机理。结果表明,在1 bar(1 bar=105 Pa)压力和25℃条件下,纯H2对纯He在Ni-MOF-74上的选择性达6.58,而Mg-MOF-74对H2的吸附量最大,其值为0.19 mmol·cm-3,为He吸附量的6.46倍。当H2/He混合物的浓度发生变化时,对其在M-MOF-74上的吸附分离因子没有较大影响,说明浓度变化不会影响M-MOF-74上吸附位点容纳H2和He的能力。吸附位点和吸附热分析表明,MOF-74上的金属离子未饱和位点能够显著增强其对H2的吸附能力。其结果对判断M-MOF-74是否具有分离H2/He混合物的潜力,以及定量分析MOFs金属未饱和位点对H2/He混合物分离的贡献提供了一定的理论基础。

    原甲酸三甲酯-醋酸萃取精馏全局多目标优化
    柳旭, 许松林, 王燕飞
    化工学报. 2022, 73(10):  4518-4526.  doi:10.11949/0438-1157.20220747
    摘要 ( 46 )   HTML ( 3 )   PDF (1303KB) ( 21 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在生产杀菌剂嘧菌酯中间体过程中,反应物原甲酸三甲酯(TMOF)与生成物醋酸(HAc)发生共沸,导致反应物堆积和原料损耗。为解决共沸物分离问题,使用Hayden-O'Connell修正的UNIFAC基团贡献法研究其汽液平衡,设计常规萃取精馏(CED)、侧线萃取精馏(SED)、隔壁塔萃取精馏(EDWC)三种工艺,以分离组分摩尔纯度、再沸器热负荷(Q)、年度总费用(TAC)为目标,运用灵敏度耦合箱线图响应面法(S-BBD)对三种工艺参数分别优化。结果表明,优化方法预测值与实际值存在较优拟合关系, CED、SED、EDWC对TAC和Q的预测误差均不超过1%。分离纯度相同时,SED较CED节约10.37%TAC和6.88%热负荷,EDWC较CED节约10.65%TAC和10.53%热负荷,三种工艺方案均可为化工实际生产提供理论基础。

    Pebax/a-MoS2/MIP-202混合基质膜的制备及CO2分离性能
    靳卓, 王永洪, 张新儒, 白雪, 李晋平
    化工学报. 2022, 73(10):  4527-4538.  doi:10.11949/0438-1157.20220628
    摘要 ( 21 )   HTML ( 1 )   PDF (3254KB) ( 11 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为了获得高性能的CO2/N2分离膜,把空气中氧刻蚀的二硫化钼(a-MoS2)和金属有机框架材料MIP-202通过机械力化学反应制备的双功能填料作为分散相,聚醚嵌段酰胺(Pebax-1657)作为连续相,采用溶液浇铸法制备了Pebax/a-MoS2/MIP-202混合基质膜。采用FT-IR表征了填料的化学结构,借助ATR-FTIR、SEM、TG和力学性能测试表征了混合基质膜的化学结构、微观形貌结构、热稳定性和物理力学性能。研究了水含量、双功能填料配比、含量、膜两侧压差和操作温度对膜气体分离性能的影响,并考察了模拟烟道气(CO2/N2体积比15/85)条件下混合基质膜的长时间运行稳定性。结果表明:在温度为25℃、膜两侧压差为0.1 MPa的操作条件下,a-MoS2与MIP-202质量比为5∶5和双功能填料含量为6%(质量)时,膜的气体分离性能达到最优,CO2渗透性和CO2/N2选择性分别为380 Barrer和124.7,超过了2019年McKeown等提出的上限值。连续测试360 h后,混合基质膜的性能没有明显降低,其平均CO2渗透性和CO2/N2选择性分别为358 Barrer和120.1。这主要是由于a-MoS2和MIP-202协同提高了膜的气体分离性能。

    CD-MOF二维层状膜制备及混合溶剂精准分离研究
    张后虎, 吴晓莉, 陈冲冲, 陈静静, 王景涛
    化工学报. 2022, 73(10):  4539-4550.  doi:10.11949/0438-1157.20220543
    摘要 ( 35 )   HTML ( 2 )   PDF (4989KB) ( 29 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    随着膜分离技术的迅速发展,其应用于混合溶剂分离以替代传统高能耗精馏等操作受到了越来越多研究者的关注,但制备具有均匀亚纳米筛分孔的分离膜是其面临的挑战。利用苯甲酸诱导各向同性的环糊精金属有机框架(CD-MOF)三维立方颗粒产生错层结构,再通过液相超声剥离法制得CD-MOF纳米片,以此为构筑单元制备二维层状MOF膜。膜内CD-MOF纳米片含有丰富、连通且均匀的本征亚纳米孔(0.78 nm),可识别分子间微小的尺寸差异,实现混合溶剂精准分离。如CD-MOF层状膜对溶解在苯中的均三异丙基苯与二异丙基苯混合液(摩尔比为1∶3)的分离因子达到7.4。此外,膜对溶解在甲醇中的甲基橙染料(1.0 nm)截留率达到99.6%,且甲醇通量达84.3 L·m-2·h-1·bar-1

    过程系统工程
    乙炔加氢串联反应器全周期乙炔转化率最优分配研究
    王峥, 许锋, 罗雄麟
    化工学报. 2022, 73(10):  4551-4564.  doi:10.11949/0438-1157.20220753
    摘要 ( 47 )   HTML ( 3 )   PDF (3180KB) ( 21 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在乙炔加氢反应器的实际生产运行过程中,乙炔加氢反应大部分在第一床层,加氢反应放出的大量热量使得床层内温度高于最佳反应温度范围,致使乙烯选择性降低,乙烯产量下降,而在进行全周期操作优化时并未考虑到此问题。因此,首先考虑温度对绿油累积的影响,修正了催化剂失活动力学方程;其次,为保证反应器各床层内温度都在最佳反应温度范围,从化学反应工程理论和实际生产过程中的安全性两个角度出发,给出两种反应器各床层乙炔转化率分配方案;最后,在常规全周期操作优化模型中添加乙炔转化率约束,建立全周期乙炔转化率分配操作优化模型,并对两种乙炔转化率分配方案进行全周期操作优化。优化结果表明,两种乙炔转化率分配方案操作优化的乙烯产量要远远高于常规操作优化,且乙炔转化率方案为33∶33∶33时,乙烯产量最高,而考虑实际生产过程中的安全性,乙炔转化率分配方案为43∶47∶10时具有更好的效果。

    不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究
    季东, 王健, 王可, 李婧玮, 孟文亮, 杨勇, 李贵贤, 王东亮, 周怀荣
    化工学报. 2022, 73(10):  4565-4575.  doi:10.11949/0438-1157.20220778
    摘要 ( 42 )   HTML ( 1 )   PDF (1678KB) ( 29 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO2,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO2捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO2的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO2捕集和CO2合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO2捕集技术的CO2制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO2捕集技术情景下的CO2制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH3OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH3OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH3OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO2高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。

    表面与界面工程
    多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析
    孟祥铠, 孟令超, 马艺, 江锦波, 彭旭东
    化工学报. 2022, 73(10):  4576-4584.  doi:10.11949/0438-1157.20220845
    摘要 ( 37 )   HTML ( 2 )   PDF (2593KB) ( 22 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    考虑多孔质材料内密封介质渗流与密封端面润滑液膜间的传质耦合关系,建立了一种多孔质机械密封的流体润滑模型,采用有限单元法求解液膜润滑方程和多孔质内部渗流控制方程,研究了膜厚、渗透率、多孔质环几何参数对密封性能的影响规律,揭示了多孔质机械密封的工作机理。结果表明:多孔质机械密封依靠流体静压效应在密封端面成膜,相较于普通平行端面密封,其液膜承载力和轴向刚度更大;随多孔质渗透率的增大,多孔质机械密封泄漏率和开启力逐渐增大,而液膜刚度逐渐减小;液膜厚度的增大会导致泄漏率的增大和开启力的减小,而液膜刚度先增大后减小,且不同渗透率下的最大刚度分别对应不同的膜厚值。研究结果可为多孔质机械密封的工程设计提供新的思路和理论指导。

    非规则V形表面织构化机械端面密封性能研究
    赵文静, 屠治荣, 孟祥铠, 江锦波, 彭旭东
    化工学报. 2022, 73(10):  4585-4593.  doi:10.11949/0438-1157.20220898
    摘要 ( 32 )   HTML ( 3 )   PDF (1325KB) ( 25 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对一种新型非规则V形表面织构化机械密封端面,建立了界面液膜的润滑模型,采用有限单元方法求解雷诺方程,研究了表面织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力对端面密封的承载力、泄漏率、摩擦因数和液膜刚度等密封性能参数的影响规律,并对经典三角形织构和圆形织构化端面密封进行了对比分析。结果表明:端面新型非规则V形织构具有收集和汇聚液膜的作用,增强了动压效应;织构开孔面积比、深度比、特征数和密封介质压力的变化对V形与三角形表面织构的密封性能影响较大,而对圆形织构表面的密封性能影响不明显;在研究几何和工况参数范围内,这种新型V形表面织构的机械密封性能相对较优,其承载力、摩擦因数与液膜刚度均略优于三角形织构,远优于圆形织构,研究结果可为织构化端面密封的设计开发提供支持。

    Ni-P-PTFE复合镀层对颗粒污垢沉积特性影响研究
    王景涛, 宋凡福, 徐志明, 贾玉婷
    化工学报. 2022, 73(10):  4594-4602.  doi:10.11949/0438-1157.20220909
    摘要 ( 17 )   HTML ( 0 )   PDF (1677KB) ( 11 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为探究Ni-P-PTFE复合镀层对颗粒污垢沉积特性的影响,利用化学镀工艺在碳钢表面制备Ni-P-PTFE复合镀层,以TiO2纳米颗粒为研究对象,通过实验和理论分析的方式研究了不同表面能(PTFE浓度)下Ni-P-PTFE复合镀层在TiO2悬浮液中的颗粒污垢沉积特性。结果表明:相比于碳钢试样,Ni-P-PTFE复合镀层对于TiO2颗粒沉积具有较好的抑制效果。随着PTFE浓度的增加,复合镀层的表面能降低,污垢沉积量呈下降趋势,在表面能为26.8 mJ/m2(PTFE=12 ml/L)时,TiO2颗粒污垢在Ni-P-PTFE复合镀层的沉积量最小。实验结果与应用扩展的DLVO理论计算出的最佳表面能结果相一致,也为针对不同类型颗粒在换热表面的沉积的抑垢提供了指导施镀的依据。

    生物化学工程与技术
    电压扰动对EAD代谢通量中微生物与关键酶活性的影响
    刘海波, 王楠, 刘洪周, 陈铁柱, 李建昌
    化工学报. 2022, 73(10):  4603-4612.  doi:10.11949/0438-1157.20220502
    摘要 ( 30 )   HTML ( 0 )   PDF (1584KB) ( 14 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为探究电压扰动对EAD代谢通量中微生物与关键酶活性的影响,实验采用单室EAD反应器,以电解电压为扰动变量,利用CNA构建代谢模型,对扰动前后微生物群落、酶活水平及通量变化进行讨论。结果表明,电压扰动后,产甲烷途径偏向于氢营养型产甲烷,约占38.5%,且0.6 V扰动时表现出最佳的甲烷通量,为0.5222 g。EAD体系中的H2的主要来源是阴极和NADH,电解电压的扰动会影响H2的产生,进而会影响产甲烷通量。在0.6 V扰动后,生物膜中Trichloromonas的相对丰度高达 40.2%,分别是1.0 V和1.4 V的1.52倍和1.13倍,同时CoI、PTA、AK与CoF420均表现出最佳的酶活水平,关键酶活水平和Trichloromonas的相对丰度与产甲烷代谢通量表现出较好的一致性,而阳极生物膜中微生物多样性也是影响EAD产甲烷通量的重要因素。

    能源和环境工程
    重质油稳定性的耗散粒子动力学模拟
    关冬, 张霖宙, 赵锁奇, 徐春明
    化工学报. 2022, 73(10):  4613-4624.  doi:10.11949/0438-1157.20220768
    摘要 ( 42 )   HTML ( 0 )   PDF (4580KB) ( 21 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    重质油的稳定性关乎其开采、储运及加工过程安全。准确的重质油稳定性判定方法对重质油生产及加工过程具有重要指导意义,然而重质油稳定性的经验判定法存在一定的局限性。从理论层面建立重质油稳定性的判定方法将提高重质油稳定性的预测准确度,本文基于耗散粒子动力学方法(DPD)模拟了不同重质油体系分子的微观聚集态。模拟结果表明,重质油体系的沥青质聚集率与胶体不稳定指数(C.I.I.)及稳定性判定图的判定结果吻合,验证了模拟体系的准确性。在此基础上,基于DPD模拟结果对C.I.I.及稳定性判定图的局限性进行了讨论,提出了改进的稳定性判定图用于重油稳定的快速判定。提出的重质油稳定性判定方法有望用于实际工业过程。

    流道布置对风冷燃料电池性能影响的研究
    彭明, 夏强峰, 蒋理想, 张瑞元, 郭凌燚, 陈黎, 陶文铨
    化工学报. 2022, 73(10):  4625-4637.  doi:10.11949/0438-1157.20220764
    摘要 ( 35 )   HTML ( 0 )   PDF (1925KB) ( 26 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    风冷燃料电池在无人机上应用具有较大的优势,但其仍然面临着性能低、水热管理复杂等问题。采用数值模拟研究了阴阳极流道顺流、逆流以及交叉流布置方式对风冷燃料电池性能的影响,讨论了各物理量之间的耦合机制。研究发现阴极流道布置对风冷燃料电池关键物理量分布影响显著,受水含量分布不均影响,交叉流布置催化层中电流密度呈现孤立点状分布,相较于顺流流道布置与逆流流道布置,交叉流流道布置具有较好的热管理特性,能够显著提高膜电极中水含量,继而提升风冷燃料电池性能,在0.6 V操作电压下,交叉流流道布置电流密度相比较顺流流道设计提升了约20%,此外研究还发现,环境相对湿度的降低会显著降低风冷燃料电池性能。

    不同气氛下Ca-Fe二元助剂改变高硅铝煤灰熔融温度的规律和机制
    石文举, 白进, 孔令学, 曹景沛, 李文
    化工学报. 2022, 73(10):  4638-4647.  doi:10.11949/0438-1157.20220844
    摘要 ( 43 )   HTML ( 2 )   PDF (2527KB) ( 18 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    准格尔高硅铝煤灰熔融温度(AFT)高,易引发液态排渣气化炉排渣口堵塞问题,需添加助熔剂降低AFT。利用灰熔融温度测试仪研究了不同质量比CaO/Fe2O3(Ca/Fe)助剂的助熔效果,结合热机械分析仪、热重-示差扫描量热仪、XRD以及热力学计算对比分析了氩气气氛与弱还原气氛下Ca-Fe协同助熔机理。研究发现,弱还原与氩气气氛下,AFT均随Ca/Fe增加先降低后升高,在Ca/Fe=1/1时AFT最低,但弱还原气氛下Ca-Fe的助熔效果优于氩气气氛。不同Ca-Fe助剂煤灰在变形温度(DT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)和流动温度(FT)时对应的收缩程度差异较大,并且氩气气氛下熔融温度范围(DT~FT)内灰柱的收缩速率显著高于弱还原气氛下的收缩速率。氩气与弱还原气氛下煤灰的收缩过程均可分为三个阶段,且其收缩程度依次递增,但弱还原气氛下第一、二阶段收缩程度较氩气气氛下高。进一步研究表明第一阶段的收缩主要以化学反应引起的固相烧结为主,第二阶段以初始液相形成的液相烧结为主,而第三阶段的收缩行为最终决定煤灰的AFT。高温矿物演化行为显示莫来石和钙长石单独存在时AFT很高,但两者可以与含铁组分形成低共熔物降低AFT,并且Fe2+可以促进低共熔物的形成,促使弱还原气氛下低共熔物的生成温度低于氩气气氛下的。

    气氛和化学组成对高铁煤灰熔融特性的影响机理
    贺冲, 白进, 郭晶, 孔令学, 鲁浩, 李怀柱, 秦育红, 李文
    化工学报. 2022, 73(10):  4648-4658.  doi:10.11949/0438-1157.20220770
    摘要 ( 48 )   HTML ( 2 )   PDF (3053KB) ( 33 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    采用灰熔点仪、XRD和热力学模拟,研究气氛和化学组成对高铁煤灰熔融特性的影响机理。研究结果表明,灰熔融温度随铁含量、钙含量或硅铝比增加而降低。弱还原气氛下低钙或低硅铝比煤灰熔融存在明显的初始熔融阶段,熔融过程遵循“软化-熔融”机理,而空气气氛下高钙或高硅铝比煤灰熔融过程属于“熔融-溶解”机理。弱还原气氛下铁含量增加显著促进石英和钙长石熔融,空气气氛下钙含量增加促进刚玉和石英熔融或转化为钙基硅铝盐。弱还原气氛下液相含量随硅铝比或铁含量增加而增加,液相黏度随钙含量或铁含量增加而降低,促进熔融传质;空气气氛下低钙或低硅铝比煤灰中铁存在于含铁固溶体,导致液相黏度高或液相含量低,熔融传质受阻。

    低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学
    胡慧慧, 杨亮, 刘道平, 张柯
    化工学报. 2022, 73(10):  4659-4667.  doi:10.11949/0438-1157.20220722
    摘要 ( 27 )   HTML ( 0 )   PDF (2115KB) ( 15 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量[0.1%~1.0%(质量)]的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散,制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下,研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明,松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积,为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成,储气速率可达5.15~8.78 cm3·g-1·min-1,储气量高达158.0~175.0 cm3·g-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量,且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm3·g-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。

    BGL煤气化动力学模型构建与验证
    张利合, 张凡, 李昌伦, 许德平, 徐振刚, 王永刚
    化工学报. 2022, 73(10):  4668-4678.  doi:10.11949/0438-1157.20220815
    摘要 ( 38 )   HTML ( 2 )   PDF (1425KB) ( 20 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在目前节能减排需求下,针对BGL煤气化技术的装备研发与性能优化正越来越受重视。BGL煤气化性能分析和预测仍主要采用平衡模型和整体反应模型,但在预测准确度上仍显不足。本文针对BGL煤气化过程,改进缩核模型,将碳核细分为界面反应区和内部反应区,改善了模型适应性。煤热解气最终产率和组成预测采用装置标定数据和热解数据相结合预测,简化了迭代寻优过程。煤热解层高度预测采用通用热解动力学模型,计算值为1.22 m,较符合实际情况。本文构建的BGL煤气化一维模型计算结果表明:粗煤气组成计算值与标定校核值很接近;烧嘴邻近区气相温度2012℃,颗粒相温度1978℃,与经验估测值一致;粗煤气出口温度549℃,实测粗煤气出口温度约538℃。

    电极超滤膜生物反应器处理阴离子表面活性剂废水
    张兰河, 汪露, 李梓萌, 唐宏, 郭静波, 贾艳萍, 张明爽
    化工学报. 2022, 73(10):  4679-4691.  doi:10.11949/0438-1157.20220862
    摘要 ( 40 )   HTML ( 1 )   PDF (6591KB) ( 21 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    化妆品生产过程中产生大量的阴离子表面活性剂废水,具有有机物浓度高和易产生泡沫的特点,影响普通超滤膜生物反应器(UMBR)的处理效果和稳定运行。采用自制的电极超滤膜生物反应器(EMBR)处理阴离子表面活性剂废水,考察电流强度对EMBR污染物处理效果和活性污泥性质的影响,探索膜污染的机理。结果表明:与UMBR相比,在电场能的作用下,EMBR滤饼层的有机物含量较低,跨膜压差(TMP)降低50%左右,膜污染较轻。当电流强度为10 mA时,COD去除率和微生物活性最高,分别为97.92%和41.6 mg/(g TSS·h);滤饼层有机物含量最低,PN、PS和HA的浓度分别为5.6、8.02、0.85 mg/L。较低的电流强度即可促进微生物活性和污染物去除率的提高,有效控制膜污染。

    超声雾化/表面活性剂强化吸收耦合生物洗涤净化甲苯废气
    侯晓松, 刘晨星, 任爱玲, 郭斌, 郭渊明
    化工学报. 2022, 73(10):  4692-4706.  doi:10.11949/0438-1157.20220590
    摘要 ( 24 )   HTML ( 0 )   PDF (4299KB) ( 10 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为提高生物法净化疏水性VOCs的效率,构建了以微米级雾滴结合表面活性剂为特色的超声雾化/表面活性剂耦合生物洗涤器(ultrasonic atomization/surfactants-biological washing reactor,USBWR)。考察了USBWR对甲苯废气的去除能力及停运恢复性能,探讨USBWR最佳工艺条件及雾滴粒径分布,并分析系统中微生物群落结构,对比其与传统生物洗涤器(traditional biological washing reactor,TBWR)净化性能差异。结果表明:USBWR较TBWR系统有较高的甲苯去除能力和去除负荷,更适应企业非连续工况条件;在进气浓度2000 mg·m-3、雾化量450 ml·h-1条件下,响应曲面法优化USBWR最佳工艺条件为洗涤液pH 7.07、停留时间54.60 s、液气比0.23,USBWR去除率达97.26%;将实验室前期筛选得到的复配表面活性剂溶液(50 mg·L-1皂角苷+500 mg·L-1柠檬酸钠+200 mg·L-1柠檬酸+50 mg·L-1氯化钠)应用到超声雾化装置中,雾滴粒径均在15 μm以下,中位径为(6.911±0.326)μm,比表面积为(359.60±50.02)m2·kg-1,雾滴小而均匀,更有利于气液充分接触;USBWR系统中主要微生物细菌门为变形杆菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)和绿弯菌门(Chloroflexi),与TBWR系统相比,USBWR系统促进了优势菌种变形杆菌门(Proteobacteria)的富集生长,更有利于降解甲苯废气。

    材料化学工程与纳米技术
    聚间苯二甲酰间苯二胺平板膜的制备及其性能研究
    郑喜, 王涛, 任永胜, 赵珍珍, 王雪琪, 赵之平
    化工学报. 2022, 73(10):  4707-4721.  doi:10.11949/0438-1157.20220715
    摘要 ( 53 )   HTML ( 1 )   PDF (7114KB) ( 30 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)为制膜原料,氯化锂(LiCl)、聚乙二醇(PEG-400)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为添加剂,通过非溶剂诱导相转化法制备了PMIA平板膜,系统考察了聚合物浓度、添加剂种类和含量对PMIA膜结构和性能的影响。结果表明,聚合物浓度和LiCl含量增加,铸膜液黏度增大,导致膜孔径减小,纯水通量降低。而PEG含量的增加,使得聚合物链呈现舒展状态,膜孔径增大,纯水通量升高,亲水性增强。随着PVP含量的增加,膜的纯水通量先升高后降低,膜的亲水性变差。当PMIA的质量分数为9%,LiCl的质量分数为2.8%,PVP的质量分数为1.2%时,膜的纯水通量高达1421.55 L·m-2·h-1·bar-1,对牛血清蛋白(BSA)的截留率为80%,展现出较高的渗透性,为制备高性能膜材料提供了新的思路。

    PET/PEG共聚酯连续熔融终缩聚过程两相稳态模型分析
    张雅曼, 邢玉林, 蒋杰, 赵玲, 奚桢浩
    化工学报. 2022, 73(10):  4722-4733.  doi:10.11949/0438-1157.20220621
    摘要 ( 42 )   HTML ( 1 )   PDF (2409KB) ( 22 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对高性能共聚酯PET/PEG缩聚过程,建立了圆盘反应器中连续熔融聚合两相稳态模型,模拟分析了缩聚反应温度、压力、停留时间以及传质系数对气相组成、共聚酯数均分子量、端羧基浓度以及副产物二甘醇和水浓度的影响。结果表明:挥发组分主要在反应器的前半部分产生,在z > 0.4后气相挥发总量已经很小;乙二醇占气相组成的比例极高,约为90%,而二甘醇的含量极低,只为0.5%左右;随反应器温度、真空度、停留时间、传质系数的增加,共聚酯产物的分子量增大,当传质系数大于0.1 s-1后,反应器出口的共聚酯分子量几乎不再变化,此时已不受传质控制,最终产物的分子量约26000。

    硅氧烷预聚体改性热塑性酚醛树脂的交联结构及其力学性能
    徐力, 吴谦秋, 雷子萱, 李嘉玄, 刘育红
    化工学报. 2022, 73(10):  4734-4744.  doi:10.11949/0438-1157.20220579
    摘要 ( 30 )   HTML ( 0 )   PDF (3066KB) ( 14 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    通过不同预聚程度的环氧化硅氧烷(ES)与酚醛树脂共固化及固化物理状态的调控,构建不同拓扑结构的交联网络,探讨了不同预聚程度的硅氧烷预聚体(PES)改性热塑性酚醛树脂(NR-PES)交联网络的调控及其强韧化的构建方法。首先,合成了一种不同预聚程度的环氧化硅氧烷(PES),通过DSC和流变分析,明确了NR-PES的固化反应和物理状态特征,在此基础上,确定了不同交联结构NR-PES的制备方法。接着,采用DMA、TGA、力学测试研究了PES的预聚程度对NR-PES交联网络和性能的影响规律。结果表明,当PES预聚程度较低时,NR-PES的交联密度较低,导致其热稳定性和弯曲强度较低;随着PES预聚程度的增加,NR-PES的交联密度不断增加,其热稳定性、弯曲强度随之增加,但KIC不断降低。特别是,PES的预聚程度为30%时,2-NR-PES展现出优异的热稳定性、弯曲强度和断裂韧性,残炭率C800℃为53.43%,弯曲强度为20.51 MPa,KIC为0.389 MPa·m1/2。此外,当PES预聚程度过高时,NR-PES的热稳定性、弯曲强度和断裂韧性显著降低。

    熔融盐法制备煤基多孔碳纳米片用于钠离子电池负极
    任博阳, 车晓刚, 刘思宇, 王满, 韩兴华, 董婷, 杨卷
    化工学报. 2022, 73(10):  4745-4753.  doi:10.11949/0438-1157.20220473
    摘要 ( 62 )   HTML ( 5 )   PDF (2978KB) ( 45 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    低成本、高性能钠离子电池负极材料的开发是其走向商业化应用的关键。以富含芳香结构单元的煤液化固体残渣为碳源,结合KCl/CaCl2熔融盐的结构导向作用,可控制备了二维多孔碳纳米片(carbon nanosheets, CTx),并探究其用于钠离子电池负极材料的电化学性能。研究发现,通过调控碳化温度可对煤基多孔碳纳米片的微观结构进行优化,在1000℃下制备的二维碳纳米片样品(CT1000)具有相对高的比表面积和丰富的缺陷结构。作为钠离子电池的负极材料,在0.1 A·g-1 的电流密度下,其可逆比容量为221.4 mAh·g-1,当电流密度增加至10 A·g-1时,比容量可以保持在124.4 mAh·g-1,倍率性能优异。此外,在1 A·g-1 的电流密度下经2000次循环后,比容量保持率高达94.2%,展现出较大的应用潜力。

    过程安全
    惰性气体对氢气/空气爆轰传播的抑制作用
    雷明川, 喻健良, 闫兴清, 吕先舒, 侯玉洁, 詹潇兵
    化工学报. 2022, 73(10):  4754-4761.  doi:10.11949/0438-1157.20220795
    摘要 ( 46 )   HTML ( 2 )   PDF (1449KB) ( 21 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    常温常压条件下,在内径52 mm的不锈钢管道中开展了惰性气体对氢气/空气(H2/air)爆轰的抑制实验研究,通过改变当量比(0.6、0.8、1.0、1.2、1.4)和惰性气体种类(CO2、N2、Ar)探讨了三种惰性气体对爆轰火焰速度的影响。结果表明,H2/air爆轰通过可燃气与惰性气体分界面后,爆轰波发生解耦,火焰速度大幅度下降。整个速度下降过程分为快速下降、波动缓慢衰减、火焰消失三个阶段。三种惰性气体中CO2的抑制效果最明显,其次是Ar和N2。相较比热容差异影响,Ar和N2的分子量差异在爆轰抑制中起到主导性作用。贫燃和富燃条件下爆轰在惰性介质中衰减程度均比化学计量比工况下明显,其中富燃条件下爆轰在惰性介质中的衰减更为明显。

    全氟三乙胺热解机理的实验与理论研究
    梁天水, 王新科, 刘德智, 钟委
    化工学报. 2022, 73(10):  4762-4768.  doi:10.11949/0438-1157.20220725
    摘要 ( 56 )   HTML ( 4 )   PDF (1255KB) ( 34 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    氟胺类物质是最有希望作为哈龙替代品的含氮化合物之一,全氟三乙胺作为典型的氟胺类物质具有良好的灭火效果。为研究全氟三乙胺热解机理,在管式加热炉内对全氟三乙胺进行热分解,通过GC-MS分析全氟三乙胺在不同温度条件下的热解产物,并用Gaussian软件对其热解反应路径进行理论计算。结果表明:保持停留时间为10 s,全氟三乙胺的初始热解温度为600℃,750℃完全热解,热解产物有C4F9N、C3F7N、C2F6和C3F8,热解温度较低时C4F9N体积分数最大,热解温度较高时C3F7N体积分数最大。在全氟三乙胺热解反应路径计算中,全氟三乙胺分子中的C—C键断裂后存在1条反应路径,可生成实验产物中的C3F8;全氟三乙胺分子的C—N键断裂后存在3条反应路径,可生成实验产物中的C3F7N、 C4F9N和C2F6。全氟三乙胺热解后产生的CF3自由基可与H、OH自由基发生反应,从而产生灭火作用。此外,其热解产物C4F9N和C3F7N具有CN双键,更容易与燃烧活泼自由基·OH、·H发生化学作用,对研究全氟三乙胺的灭火机理具有十分重要的意义。

    甲烷/石墨粉与甲烷/煤粉爆炸特性对比研究
    裴蓓, 徐梦娇, 韦双明, 郭佳琪, 李世梁, 胡紫维
    化工学报. 2022, 73(10):  4769-4779.  doi:10.11949/0438-1157.20220850
    摘要 ( 17 )   HTML ( 0 )   PDF (3064KB) ( 13 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    借助20 L球形爆炸系统研究了甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉复合体系爆炸特性异同,结果表明:甲烷浓度对甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉两相体系的爆炸特性有重要影响,当甲烷的浓度为6%(体积)时,随着石墨粉粒径的增加,甲烷/石墨粉体系的压力曲线由单峰转为双峰,三种粒径的石墨粉(D50:7、18、75 μm)浓度分别在60、200、30 g/m3达到爆炸压力最大值0.691、0.657、0.611 MPa;甲烷/煤粉体系则在400 g/m3达到最大值0.724 MPa,高于甲烷/石墨粉体系。当甲烷浓度接近当量比时,三种粒径石墨粉的爆炸压力峰值均呈现逐渐减小的趋势,石墨粉的粒径越小,甲烷/石墨粉两相体系的爆炸压力峰值越小,甲烷/石墨粉体系在质量浓度为10 g/m3时达到最大值;甲烷/煤粉体系的爆炸压力则在60 g/m3时达到最大值0.776 MPa。甲烷浓度由6%增加至9%时,甲烷/石墨粉和甲烷/煤粉的爆炸火焰由不规则形状转为近似球形发展,火焰表面褶皱消失,同时两相体系的爆燃指数显著增高,当粉尘质量浓度大于30 g/m3时,甲烷/煤粉的爆燃指数大于甲烷/石墨粉体系,这是由于煤粉挥发分含量高,燃烧更为充分,且焦炭参与了爆炸过程;石墨粉本身的挥发分含量低,含碳量远超过煤粉,爆炸中仅有少部分石墨粉参与了爆炸。研究结果将对气粉两相混合物爆炸防治提供指导。

    垂直圆管内掺氢甲烷燃烧不稳定性研究
    吴一, 温小萍, 张素梅, 郭志东, 邓浩鑫, 纪文涛
    化工学报. 2022, 73(10):  4780-4790.  doi:10.11949/0438-1157.20220805
    摘要 ( 41 )   HTML ( 1 )   PDF (2348KB) ( 28 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    为了研究垂直圆管内掺氢甲烷燃烧的不稳定性,自行搭建了上端为开口下端为闭口的透明圆形燃烧管道(半径r=30 mm,管长L=600 mm),火焰在开口端被点燃,向闭口端传播,在化学当量比条件下,通过改变氢气体积分数进行实验。结果表明,当氢气体积分数γ50%后,火焰在传播过程中出现了数量众多的小尺寸胞状结构,并逐渐演变为平滑的弯曲火焰锋面结构,而在γ<50%的工况中没有出现此现象;对初级不稳定性振荡以及次级不稳定性振荡出现的原因进行了分析,火焰表面积的快速变化是形成初级不稳定性振荡的主要原因,燃烧过程中产生的有限振幅的声学振荡是次级不稳定性振荡产生的原因;对不同工况反应过程组分流量的敏感性分析可以得出,链式反应R1(H+O2̿O+OH)为促进燃烧反应速率的主导链式反应;火焰传播过程中的最大压力出现在次级不稳定性振荡阶段,由于开口声压损失以及开口预混未燃气体损失,最大压力的数值随氢气体积分数的增加而减小。