从化学反应工程的角度分析了煤热解过程中挥发物逸出方向与传热方向相反的现象,阐述了反应温度和反应时间对挥发物反应(二次反应)的不同作用,指出提高热源温度加快热解速度的方法反而会促进挥发物二次反应,导致焦油损失与结焦增加,进而提出抑制挥发物二次反应的关键是降低挥发物在反应器中的温升幅度。

CO₂化学利用对碳资源利用、化解产能过剩、完善相关产业链有重要意义,CO₂转化催化剂研究因此受到广泛关注。针对具有规模应用前景的CO₂加氢合成甲醇、CO₂甲烷化和甲烷CO₂重整催化剂研究现状与存在问题,讨论了计算催化和催化剂强化制备在研究新型高效CO₂转化催化剂中的重要应用,说明了CO₂负离子的潜在应用价值;以等离子体强化制备催化剂为例,强调了多学科交叉的重要性。讨论了制备有利于传热、活性组分优化的结构化催化剂在进一步改进催化剂活性中的重要作用。指出了CO₂温室效应的复杂性,还有一些问题(如人类活动对地球磁场影响进而对气候的影响)并不清楚,强调了加强基础研究对解决这些问题的重要性。

为进一步提高膜分离过程的精度,同步提升选择性和渗透性,分离膜孔径均一化是必然途径,均孔膜因此应运而生。首先讨论了均孔膜概念及其结构特点。均孔膜是孔径均一、孔道形状一致且垂直贯穿整个分离层的分离膜。然后介绍了制备均孔结构的不同方法,探讨了这些方法的优势和固有缺陷。利用嵌段共聚物微相分离的特性,可获取规整排列的、孔径在10～50 nm范围内连续可调的均孔结构,具有方法简便、无须特殊设备、易于放大制备等突出优势,是最有可能实现规模化生产的均孔膜制备方法。着重介绍了两亲嵌段共聚物选择性溶胀成孔方法的原理及其在孔径和孔型调节(圆柱孔、槽形孔)、自发永久亲水和制备过程绿色少污染等方面的特点。最后,讨论了嵌段共聚物基均孔膜发展的瓶颈,并指出应加强在孔径小于10 nm的均孔膜、孔型调变和应用领域等方面的研究。认为均孔膜不仅是一种新结构的分离膜,更代表着膜分离的发展方向。

发展从源头消除污染的绿色技术是过程工业可持续发展的必然要求,任何单元技术的突破对过程工程的绿色化都是不可或缺的。然而过程工程是一个系统科学,不仅要考虑单个技术,重点还要考虑从原料替代、介质创新到单元强化及系统集成的整个链条,归根到底是要通过新介质(如催化剂、溶剂等)的原始创新和新工艺集成创新实现过程工业的绿色化。基于系统论的科学思想综合考虑过程工程这一复杂大系统,以离子液体介质创新为核心,综述了在原料替代、新型介质设计、传递规律、系统集成方面的新进展,以期为绿色化工技术的发展提供重要的科学基础。

沸腾换热是一种非常高效的热传递方式,不论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用。强化表面结构是一种有效的无源强化换热技术,而强制对流和射流冲击作为高效的直接冷却方式,在有源强化换热技术中被认为是最有发展前景的冷却方式。结合无源强化换热技术和有源强化换热技术同时进行强化沸腾换热是进一步提高换热能力的有效途径。以电子器件高效冷却技术为背景,对自主开发的微米级柱状微结构表面强化沸腾换热研究现状进行了综述,包括常重力条件下池沸腾、流动沸腾、射流冲击、流动-喷射复合式沸腾换热以及微重力条件下的池沸腾换热。同时,与其他强化沸腾换热表面结构进行了对比,总结并分析了各种强化表面结构及换热方式的优缺点,为下一步的学术研究和工业应用提供相应的参考。

油页岩作为一种非常规能源,储量巨大,是最具潜力的石油替代资源之一。将油页岩干馏炼油、半焦燃烧发电、页岩油气提质、灰渣生产建材和化工品等工艺技术进行集成,可提升能效、改善经济效益,符合我国能源发展战略需求,具有广阔应用前景。本文专题论述在油页岩开发利用过程中主要关键单元技术,系统集成技术的现状及研究进展。为深入研究和高效环保开发利用油页岩资源提供理论和技术基础。

合成生物学即生物学的工程化,因其打破了非生命化学物质和生命物质之间的界线,推动了生命科学由理解生命到创造生命的革新,因此对科学发展和技术创新起到了颠覆性作用,引发了化学品绿色制造的巨大变革。合成生物学作为化学品绿色制造的核心技术,主要从原料到菌种再到过程进行全链条设计和优化。本文首先从原料多样化、产品的合成与底盘细胞的选择这三个方面,综述了化学品绿色制造过程中合成生物学所起到的关键核心作用。在此基础上系统阐述了人工体系的设计与构建,并对今后如何通过发展合成生物学来促进化学品绿色制造,从“原料、底盘细胞、反应过程”这三个方面提出了相应的展望。

以离子交换、亲和结合和疏水性吸附为主的蛋白质吸附层析是药用蛋白质生产过程的核心技术,开发新技术和提高蛋白质吸附层析操作的分离效率(如选择性和动态吸附容量等)是该领域的主要研究目标。近年来聚合物配基接枝的层析介质由于同时具有较高的吸附容量和传质速率,得到产学界的广泛关注。本文针对聚合物配基接枝修饰的蛋白质吸附层析介质的配基化学特征、吸附和传质特性、层析分离应用和设计等方面进行评述。首先介绍不同种类的聚合物接枝介质,然后系统阐述聚合物配基化学特性对介质吸附和传质性能的影响机制,并分析上述性质对聚合物配基接枝层析介质分离特性的影响机理和应用,最后讨论和展望了高效聚合物配基接枝介质设计、开发和应用的前景。

细胞器的研究一直是认识细胞结构和功能的重要手段。线粒体是细胞的能量工厂,参与众多的新陈代谢过程,许多病理学过程均与它相关,是一种重要的细胞器,一直以来都是研究的热点。定位于线粒体的荧光探针主要分为3大类,本文重点介绍并讨论近10年基于带有正电荷的荧光团或者在荧光团中引入三苯基膦等定位基团实现对线粒体染色荧光探针的研究进展。

氟离子是电负性最强、离子半径最小的阴离子,是一个强路易斯碱,在化学、生物学、医学和军事等方面都具有重要作用。适量的氟化物摄入人体可以预防龋齿、治疗骨质疏松症,但是过量的摄入会导致氟斑牙、氟骨症、尿石症以及癌症等疾病,因此氟离子的识别与检测具有重要意义。化学荧光探针具有选择性好、灵敏度高、方便快捷、成本低廉等优点,近年来化学研究者设计合成了大量的氟离子荧光探针。根据识别机理不同,氟离子荧光探针主要划分为3种:氢键型、路易斯酸受体型、氢键和路易斯酸混合型。综述了近年来不同类型的氟离子荧光探针的研究进展,总结了氢键型和路易斯酸型氟离子荧光探针的优缺点,对未来氟离子荧光探针的研究方向进行了展望。

纳米受限流体因其异于宏观流体的特殊性,在膜分离、介孔催化等领域均具有广阔的应用前景。壁面附近流体的分层有序结构及其对流体动力学特性的影响,是纳米受限流体区别于宏观流体的关键所在。从纳米受限流体的分子堆积结构及双电层结构出发,总结了模拟计算及实验研究中发现的规律,对纳米受限流体自扩散性质、壁面滑移现象等方面的进展进行了综述,探讨了宏观连续介质模型在纳米受限流体中的适用性,并就纳米受限流体动力学的发展进行了展望。

梯度共聚物是近年来伴随着活性聚合方法而发展起来的一种新型共聚物,其特点在于单体单元组成沿着分子链方向逐渐变化,链结构界于常见的无规共聚物和嵌段共聚物之间。本文从梯度共聚物的结构特点入手,总结了其可控制备方法、表征手段、物化性质以及应用前景。基于共聚动力学模型控制单体加料速率的半连续活性/可控自由基聚合可实现梯度共聚物的结构定制,基于多步单体进料方式的RAFT乳液聚合则由于其简单和高效将成为梯度共聚物可控制备的重要方法。梯度共聚物的自组装行为和微观聚集态不同于嵌段共聚物,表现出独特的界面活性、热学特性和力学性能,组成梯度结构有望成为调控高分子材料性能的新参数,梯度共聚物有望在乳化剂、相相容剂、阻尼材料、多形状记忆材料等领域得到应用。

离子液体由于具有不易挥发、结构可调、对CO₂有良好的吸收性能等特点而成为当前CO₂分离领域的研究热点,但因高黏度和高成本问题而限制了其工业化应用。将离子液体与气体分离膜材料结合,得到的新型分离膜材料兼具离子液体和膜的优势,成为当前离子液体研究领域的趋势之一。针对这一热点问题,综述了离子液体支撑液膜、聚离子液体膜和离子液体共混/杂化膜在CO₂分离方面的研究现状和进展,讨论了离子液体结构和含量对膜分离性能、稳定性等的影响。相关研究表明,离子液体共混/杂化膜具有较高的分离性能和稳定性,是一种很有应用前景的CO₂分离材料。提出该领域的重点发展方向,即开发新的功能化离子液体共混/杂化膜材料是解决高渗透通量与高稳定性之间矛盾、强化CO₂分离性能的有效途径,深入研究离子液体共混/杂化膜的形成机制、气体在膜中的渗透行为以及CO₂分离机理。

酶催化转化在食品、医药和精细化工等领域起着越来越重要的作用。然而,目前大多数酶反应需要在较温和的条件下进行以维持其正常活性,而在实际应用的逆境中(如高热、高酸、高盐等),酶的耐受性却较差、容易失活从而导致反应效率下降,极大地限制了其推广和应用。因此,对酶分子进行抗逆改造以提高其稳定性和催化活性,是当前研究的热点也是难点。本文从化学修饰和分子改造两个方面总结了酶分子稳定性改造的新进展,从定向进化、半理性设计、理性设计和糖基化修饰4个角度重点阐述了分子改造提高酶稳定性的方法,重点介绍了糖基化作为一种新的酶分子稳定性改造技术的思路。

石化工业是高能耗行业,发展面临资源紧缺的约束。基于信息化和工业化深度融合的能源管理系统,大幅度提高了能源的定量管理水平,在支撑企业节能方面应用前景广阔。中国石化应用信息技术构建能源管理信息系统促进企业实现节能,取得了较好的效果。论文阐述了能源优化系统的整体规划,并基于石化业务特点进行了能源优化系统的功能设计。以蒸汽动力优化系统为例,分析了优化系统的业务功能,并从机理模型构建、数据检测、数据校验、在线优化以及在线模型校验等方面论述了优化流程。最后,从中国石化下属的三家试点企业的应用成效出发,为石化企业推进节能降耗信息化建设提供参考。

纽兰德催化剂催化乙炔二聚反应生产乙烯基乙炔是乙炔法生产氯丁二烯的关键步骤。考察了添加剂种类、DL-丙氨酸助剂添加量、乙炔空速和气体分布器孔径对乙炔二聚反应过程的影响,并进行了两级串联乙炔二聚反应试验。结果表明,添加DL-丙氨酸对乙炔二聚反应有抑制作用,但有利于提高乙烯基乙炔选择性。较大的乙炔空速会降低气体停留时间和增加返混现象,从而造成乙炔转化率和乙烯基乙炔选择性同时降低。缩小分布器孔径有利于降低气泡尺寸、增加气液传质面积和减少返混,可同时提高乙炔转化率和乙烯基乙炔选择性。当采用两级串联反应时,乙炔转化率大幅度提高,并且使乙烯基乙炔选择性保持较高水平。在乙炔空速100 h^-1的条件下,乙炔转化率为32.5%,乙烯基乙炔选择性为95.3%。

主要研究了MIL-101材料对乙醇的吸附性能和吸附机理。采用水热合成法制备了MIL-101(Cr),并分别应用N₂静态吸附、X射线粉末衍射(PXRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)等分析手段对MIL-101晶形结构、孔隙结构参数进行分析表征。应用静态吸附法测定乙醇和水蒸气在不同温度下的吸附等温线,并讨论乙醇吸附在MIL-101(Cr) 4种吸附位的机理,根据吸附等温线估算出乙醇和水蒸气在MIL-101上的等量吸附热,并测试了乙醇在MIL-101上的吸附循环性能。研究表明,在298 K下,MIL-101的乙醇吸附容量为20.3 mmol·g^-1,远高于传统吸附材料。在低压下MIL-101对乙醇的吸附量高于水蒸气的吸附量,这是由于乙醇的偶极矩和分子动力学直径均比水大,使得乙醇分子在孔道中受到更大吸附力场作用;在低吸附量范围,乙醇在MIL-101上的等量吸附热要高于水蒸气的等量吸附热。在较高吸附压力条件下,主要发生多层吸附或孔填充,受吸附剂的孔容限制效应,尺寸越大的分子被吸附的物质的量会越少,由于乙醇的动力学直径(0.45 nm)大于水分子的动力学直径(0.268 nm),所以在较高吸附压力下乙醇在MIL-101上吸附量要小于水蒸气的吸附量。多次吸附脱附等温线测试显示MIL-101具有良好的乙醇吸附循环性能。

选取Neosepta BP-1,Fumasep FBM,CJ-BPM三种商业标准双极膜作为研究对象,以水-乙醇为研究体系,通过改变不同乙醇含量,测定双极膜的交流阻抗谱,并且对双极膜的耐溶剂性能进行评价,结果表明BP-1具有良好的耐溶剂性,FBM,CJ-BPM耐溶剂性相对较弱;水解离现象发生在LiCl水-乙醇混合溶液中,随着乙醇含量的增加,双极膜的阻值增加,而水解离程度降低。这种现象可以解释为醇解离能力要远远小于水解离能力,因此乙醇的存在使得中间界面层区域的水浓度降低,进而降低了水解离程度;通过简化算法计算出了不同乙醇含量下,BP-1,FBM的中间界面层厚度,更直观地看出乙醇对双极膜水解离性能的影响。

利用工程化微生物生产天然药物如紫杉醇在近年来受到研究者广泛关注。本工作研究如何设计和构建人工酵母以生产紫杉醇生物合成途径中第一个由细胞色素P450酶催化的羟化产物——5α羟化紫杉二烯醇(taxadien-5α-ol)。利用组合设计原理,选用3种不同红豆杉来源的紫杉二烯5α羟化酶和2种不同植物源的细胞色素P450还原酶,分别对其进行N端穿膜区域的预测和截短,并对还原酶使用2种不同强度启动子进行调控,所得羟化酶模块和还原酶模块之间分别表达共产生72种组合方式。然后将其分别整合入紫杉二烯生产菌株基因组中,最终在72个组合中筛选到48个可以生产5α羟化紫杉二烯醇的菌株,最高产量67.3 μg·L^-1,在酿酒酵母中实现紫杉二烯C₅位羟化产物的从头合成。研究结果表明,利用组合设计策略研究模块间相互作用及其与底盘间适配性将为在微生物细胞中实现细胞色素P450酶系介导的催化反应过程提供重要参考。

微生物油脂作为胞内代谢产物,其脂肪酸组成和植物油类似,是生物柴油和油脂工业理想替代原料。为了进一步了解底物中碳氮比对油脂合成的影响,通过恒化培养的方法,研究了圆红冬孢酵母在不同稀释率条件下,消耗碳氮比和底物在油脂和非油生物量之间的分配以及和油脂得率之间的关系。通过碳、氢、氧和氮的化学反应计量学分析,并根据不同稀释率稳态时所消耗C/N比,构建了底物碳在油脂和非油生物量之间的分配模型。利用实验数据确定了模型参数:最大油脂碳得率Y_L^max为0.51 mol C·(mol C)^-1,最大菌体碳得率Y_L^max为0.52 mol C·(mol C)^-1,促使油脂合成的临界C/N比为12.1 mol C·(mol C)^-1。利用该分配模型预测不同消耗C/N比的油脂得率,预测值为实验值的 95.2%～116.7%,表明模型可靠性较好。

利用1,4-丁磺酸内酯作为磺化剂,1,6-二溴己烷作为烷基化桥联剂对碱木质素进行改性,通过一步反应制备了兼有烷基磺酸基和烷基链的交联结构的新型聚合物——烷基桥联丁基磺酸磺化木质素 (AASLS),并系统研究了AASLS在碳纳米管(CNT)悬浮液体系的分散性能。结果表明,当分散剂质量掺量为2%时,AASLS分散的CNT悬浮液在660 nm处的吸收高于由聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分散的CNT悬浮液,悬浮稳定性更高;透射电镜测试结果进一步表明AASLS的掺入有效解决了CNT的团聚问题;拉曼光谱表明,通过AASLS的非共价功能化修饰,CNT的I₁₃₅₀/I₁₅₈₀值有效降低;电化学测试表明AASLS与CNT形成的复合物在酸性电解液中可进行准可逆的氧化反应。

为了深入研究煤焦燃烧的机理并提高对煤焦燃烧过程的预测精度,建立了一个综合的煤焦燃烧模型。该模型考虑了煤焦颗粒孔隙内二次反应与扩散的耦合作用、煤焦燃烧反应阶数的变化和反应过程中CO/CO₂比例等问题。使用热天平(TGA)对11种煤焦的燃烧特性进行分析,测得各种煤焦的表观活化能与指前因子,以确定模型中的待定参数。在沉降炉(DTF)中对这11种煤焦做燃烧实验,用TGA基于灰分守恒测得DTF炉管出口处的煤焦样品的转化率。运用建立的模型模拟这些煤焦的燃烧过程,预测的转化率与实验结果有较好的吻合度,相比传统的本征动力学模型,该模型预测的精度有了较大提高,证明了该模型能适用于从褐煤到无烟煤的较广煤焦范围。研究还发现,煤焦燃烧的表观反应阶数在燃烧过程中不断减小并最终趋于稳定。

系统研究了纳米腐殖酸基离子交换复合树脂在多离子共存体系中对Ni²⁺/Cd²⁺的选择吸附性能。以此为基础,通过多柱串联、饱和吸附、洗脱液套用方法完成了对Ni²⁺、Cd²⁺冶金废水资源化治理研究,用扫描电镜(SEM)、红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG-DTA)、X射线光电子能谱仪(XPS)及N₂吸附-脱附分析仪(BET)等物理手段对复合树脂的微观形貌、化学结构、耐热性、元素组分变化及孔径分布进行表征。研究结果表明:纳米腐殖酸基复合树脂对Ni²⁺、Cd²⁺离子具有吸附速度快[0.55～1.50 mg·(g·min)^-1]、交换容量高(Ca²⁺、Mg²⁺共存体系中对Ni²⁺、Cd²⁺吸附容量分别为139 mg·g^-1和148 mg·g^-1)、选择性能好等优点,回收溶液中镍和镉离子浓度和纯度高(分别为45.15 g·L^-1和 39.17g·L^-1,且C_Ni(Ⅱ)/C_total 0.989,C_Cd(Ⅱ)/C_total 0.994);吸附-洗脱200次后,其物理、化学结构性能稳定;断面形貌变化不明显,交换容量基本不变,可重复使用;比表面积、平均孔径及孔容分别为1189.85 m²·g^-1、30.2 nm 和0.96 cm³·g^-1,热稳定性能好;氮含量从16%降至12%、氧含量由26.49%升至29.96%,交换容量由5.38mmol·g^-1升至6.06 mmol·g^-1。

制备了两种磷酸化改性的介孔二氧化硅亚微米球形颗粒,分别为仅外表面接枝磷酸根基团的颗粒(PMPS-Ⅰ)和内外表面均接枝磷酸根基团的颗粒(PMPS-Ⅱ)。颗粒具有均一的尺寸和规则排布的六面体一维贯通孔道。将制备的二氧化硅颗粒与磺化聚醚醚酮(SPEEK)溶液共混制备杂化膜。与填充PMPS-Ⅰ的杂化膜相比,填充PMPS-Ⅱ的杂化膜显示出较好的质子传导性能。当PMPS-Ⅱ的填充量为5%(质量)时,杂化膜在60℃、100%相对湿度下最高质子传导率为0.241 S·cm^-1。研究结果表明,连续贯通的质子传递通道有助于提高杂化膜的质子传导率。