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2017年 第68卷 第5期 刊出日期:2017-05-05
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    本期封面、广告页、中英文目次表
    化工学报. 2017, 68(5):  0-0. 
    摘要 ( 246 )   PDF (29994KB) ( 334 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    高级氧化技术处理难降解有机废水的研发趋势及实用化进展
    孙怡, 于利亮, 黄浩斌, 羊家威, 成少安
    化工学报. 2017, 68(5):  1743-1756.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161787
    摘要 ( 1037 )   PDF (4273KB) ( 1339 )  
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    工业生产活动产生的难降解有机废水需要有效处理,否则对生态环境和人类健康造成极大危害。高级氧化技术具有处理速率快、降解效率高、适用范围广等优点,是处理难降解有机废水最具应用前景的方法之一。但目前高级氧化技术仍存在高耗能、高成本等缺点,为了降低处理成本,近年来,以高级氧化技术为主结合生物处理方法的耦合/复合处理技术得到广泛研究。在综述高级氧化法处理难降解有机废水最新技术如等离子体高级氧化法、太阳光催化氧化和Bio-electro-Fenton氧化法等的基础上,重点介绍了高级氧化法复合处理技术和高级氧化法与生物法耦合处理技术,并结合高级氧化技术实用化发展方向,总结了复合/耦合高级氧化技术扩大化处理实例。本文还对高级氧化技术的研究方向和实用化的前景进行了展望。

    热力学
    PAMAM树状大分子负载和释放阿霉素的耗散粒子动力学模拟
    苏运祥, 全学波, 闵文凤, 乔来聪, 李理波, 周健
    化工学报. 2017, 68(5):  1757-1766.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161736
    摘要 ( 440 )   PDF (4134KB) ( 656 )  
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    采用耗散粒子动力学模拟方法研究了药物输送载体聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子对抗癌药物阿霉素(DOX)的负载和释放行为。构建了PAMAM树状大分子的粗粒化模型,该模型能准确地重现树状大分子的构象性质。考察了PAMAM树状大分子代数(G)对DOX负载以及pH环境对DOX释放的影响。模拟结果表明,PAMAM树状大分子主要通过疏水作用将DOX包封于内部空腔,G6和G7 PAMAM树状大分子的负载能力较强,因为其孔隙率较高,内部有更多的疏水空腔。在低pH环境下,PAMAM树状大分子结构发生变化,DOX分子能快速地从其中释放,主要原因是PAMAM的伯胺、叔胺和DOX伯胺发生质子化,质子化基团间的静电排斥作用使得PAMAM树状大分子发生溶胀,导致其内部空腔暴露,促进了DOX的释放。本工作可以为基于树状大分子的药物输送体系的设计和优化提供参考。

    成纤性粉煤灰的低熔区组成及分布
    吴萍萍, 张泽武, 陈建定
    化工学报. 2017, 68(5):  1767-1772.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160778
    摘要 ( 379 )   PDF (573KB) ( 264 )  
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    粉煤灰的熔融温度分布图对粉煤灰成纤的降熔配比具有指导意义。利用X荧光光谱仪和灰熔点测试仪,分别测得5种不同来源粉煤灰样品的组成和熔融特性温度。运用实验所测值与117种粉煤灰组成及熔融温度的文献值,以Al2O3+SiO2、CaO+MgO、Fe2O3+TiO2为三相坐标制成三元相图,按照熔融温度高低划分不同区域,得到粉煤灰熔融温度分布图,找出低熔区(流动温度FT<1350℃)的组成及其组成与熔融温度的分布规律。同时将次要组分通过等电量换算后标在CaO-Al2O3-SiO2三元相图中,发现所研究粉煤灰在低熔区的组成与CaO-Al2O3-SiO2三元相图中1350℃低温共熔区的组成具有良好的一致性,由此找出高熔融温度粉煤灰成纤的降熔调配方法。

    40%DCP溶液的热分解模型
    董泽, 陈利平, 陈网桦, 马莹莹
    化工学报. 2017, 68(5):  1773-1779.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161516
    摘要 ( 494 )   PDF (622KB) ( 470 )  
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    准确的热分解动力学模型有助于人们采取各种安全措施预防和控制物料热失控导致的燃烧爆炸事故。以40%过氧化二异丙苯(DCP)的2,2,4-三甲基戊二醇二异丁酯(DIB)溶液为研究对象,运用差示扫描量热仪(DSC)和绝热量热设备(VSP2)进行了量热实验,并采用TSS软件(Thermal Safety Software)对数据进行动力学分析,建立了两种分解模型:“N级+N级”模型(模型1)和“N级+自催化”模型(模型2),采用Friedman法和非线性拟合方法求算其动力学参数。在运用所建立的两种模型拟合曲线时,发现两种模型对同种量热模式数据拟合的相关系数非常接近,说明单一量热模式在求算动力学上存在局限性。联合采用基于动态扫描模式的DSC数据及基于绝热模式的VSP2数据共同求算动力学,发现相对于模型2,模型1可以更好地反映分解过程,其两步反应的活化能分别为115.5 kJ·mol-1和135.7 kJ·mol-1,指前因子的对数分别为28.3和31.6,反应级数分别为0.40和0.84。研究结果表明采用基于不同量热模式的数据求算动力学有助于确定正确的动力学模型,从而获得准确的动力学参数,并克服单一量热模式下动力学求算的局限性。

    CO2在正戊醇中的溶解度和体积传质系数
    何茂刚, 白里航, 刘思琦, 刘向阳, 贺永东
    化工学报. 2017, 68(5):  1780-1785.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161745
    摘要 ( 362 )   PDF (622KB) ( 453 )  
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    基于等体积饱和法搭建了气体在液体中溶解度与体积传质系数的实验测量系统,该实验系统温度、压力、溶解度、体积传质系数的扩展不确定度分别为0.02 K、0.01%、2%、4%。利用该实验系统测量了温度为323~343 K、压力为0.9~5.0 MPa范围内CO2在正戊醇中的溶解度和体积传质系数。CO2在正戊醇中的摩尔分数随着压力的升高而升高,在温度为323 K时,压力从2.5 MPa升高到3.2 MPa,溶解度升高26%。CO2在正戊醇中的摩尔分数随着温度的升高而减小,在压力为0.9 MPa时,温度从323 K升高为343 K,溶解度降低26%。升高温度和压力都有利于提高体积传质系数,当温度和初始压力分别由323 K、1.1 MPa升高至343 K、5.0 MPa时,CO2在正戊醇中的体积传质系数由0.0089 s-1升高至 0.0175 s-1

    流体力学与传递现象
    纳米狭缝中水流动非平衡分子动力学模拟
    南怡伶, 孔宪, 李继鹏, 卢滇楠
    化工学报. 2017, 68(5):  1786-1793.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161527
    摘要 ( 439 )   PDF (1411KB) ( 1060 )  
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    采用非平衡分子动力学模拟(non-equilibrium molecular dynamics simulation)方法研究了不同间距纳米狭缝之间水的流动行为。研究了纳米狭缝间距、壁面性质和外部压力对水流动速度径向分布、有效黏度、壁面速度和滑移长度的影响,讨论了Navier-Stoke(N-S)方程的适用性。研究结果表明,N-S方程仅适用于3 nm以上的孔道;狭缝尺寸的增加和施加压力的增加均会使得管内流速增加,而造成表观黏度降低以及滑移长度增加。壁面亲水性的增加仅使得滑移长度降低,表观黏度并没有发生较大变化。

    喷嘴释放单气泡的声发射特性
    王鑫, 李美慧, 李晓磊, 杨转, 何利民
    化工学报. 2017, 68(5):  1794-1802.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161794
    摘要 ( 489 )   PDF (13773KB) ( 277 )  
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    利用声发射技术在单气泡发生实验装置中研究了气液两相流中单气泡的动力学特性,使用自行开发的采集处理程序进行气泡声信号的参数提取,采用统计分析、小波变换和快速傅里叶变换对声信号进行时域和频域范围的分析。分析结果表明,声发射技术可以检测到管内气泡的声信号,具有较高的信噪比,且声信号随着喷嘴尺寸的增大而增大,随着液相表面张力的减小而减小。比较不同喷嘴直径下气泡的频率谱,发现喷嘴释放气泡发出的声信号频率为150~200 kHz,且随着喷嘴直径的增大,峰值频率相应增大,提出了声信号峰值频率与气泡尺寸之间的关联式。同时得到了气泡上升过程中的连续形态变化,分析了气泡产生声音的机理。研究表明,声发射技术是一种灵敏度高、测量手段方便的方法,可用于气液两相流气泡运动特性的检测。

    等截面和变截面通道硅基微型脉动热管传热特性比较
    孙芹, 屈健, 袁建平
    化工学报. 2017, 68(5):  1803-1810.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161461
    摘要 ( 306 )   PDF (4079KB) ( 444 )  
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    为了解截面结构对微型脉动热管传热性能和内部工质流动特征的影响,采用可视化和温度测量的方法对比研究了等截面和变截面硅基微型脉动热管内的工质运动和传热特性。实验工质为R141b,充液率为40%~60%。实验结果发现,变截面通道结构的设计不仅有利于降低微型脉动热管的热阻,提高其传热能力,同时可有效改善其启动性能。随着充液率的增大,该优势更加明显,当充液率约60%时变截面微型脉动热管的启动功率和启动蒸发段平均温度比等截面热管分别下降约0.4 W和17.3℃。另外,因变截面结构而形成的附加毛细作用可使微型脉动热管内工质发生短暂定向运动,而在等截面热管中则未观察到上述现象。

    双层配碳烧结过程的传热传质分析
    张斌, 周孑民, 李茂
    化工学报. 2017, 68(5):  1811-1822.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161334
    摘要 ( 404 )   PDF (777KB) ( 667 )  
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    为了研究双层配碳下的铁矿石烧结过程及其节能效益,建立了铁矿石烧结过程的二维非稳态数学模型。模型基于多孔介质理论,考虑了烧结过程中的主要物理变化和化学反应,以烧结杯为求解对象,利用FLUENT软件及C语言自定义编程对烧结过程进行了数值模拟,并利用烧结杯实验数据对模型进行了验证。通过对常规均匀配碳和双层非均匀配碳烧结的传热传质过程进行仿真计算,分析了两种烧结方式下床层温度和物料熔化分数分布,并通过熔化分数对烧结矿成品率进行判定。研究结果表明:在不改变整个床层配碳量的条件下,相对于单层均匀配碳,双层配碳条件下热效率更高,床层温度和物料熔化分数沿料层高度分布更加均匀;上下层物料配碳分别为5%和3.4%且料层厚度相同时,烧结成品率提高10%;降低上层高配碳区料层厚度,即当上下层厚度比为5:9,配碳为5%和3.756%时,成品率能够进一步提高。

    二次热回收热管式空调系统
    周智勇, 吴青青, 韦中师, 李春霞
    化工学报. 2017, 68(5):  1823-1832.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20160935
    摘要 ( 518 )   PDF (3716KB) ( 676 )  
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    提出一种二次热回收热管式空调系统,其利用热管换热器做到二次热回收,设计该系统并搭建实验台,通过理论计算和实验比较该系统与其他系统之间的差异。以合肥为例,从理论上分析了二次热回收热管式空调系统的冬、夏季能耗,通过对实验数据的分析得出本系统冬季新风风速在1.20~1.85 m·s-1之间热回收率能达到10%~23.2%;夏季新风风速在1.20~2.0 m·s-1,室内外温差在4.2~8.0℃时热回收率能达到35%~55%,并提供了0~7.4℃的再热温差,表明了这种新的中央空调系统具有独特节能优势。

    具有预制孔隙多孔介质冷冻干燥的多相传递模型
    牛利娇, 王维, 潘思麒, 张大为, 陈国华
    化工学报. 2017, 68(5):  1833-1844.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161289
    摘要 ( 421 )   PDF (5930KB) ( 824 )  
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    基于局部质量非平衡假设,建立了多相多孔介质热、质耦合传递数学模型,理论验证具有预制孔隙的初始非饱和多孔物料对冷冻干燥过程的强化作用。模型考虑了多孔介质的吸湿效应,构建了3种吸附-解吸平衡关系。模型使用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件平台数值求解,并与实验数据进行了比较。结果表明,初始非饱和冷冻物料能够有效地强化冷冻干燥过程。采用不同函数形式的吸附-解吸平衡关系模拟的干燥曲线均与实验数据非常吻合。通过分析物料内部的饱和度、温度和质量源分布,探讨了初始非饱和物料冷冻干燥过程的传热传质机理。初始非饱和物料的干燥速率控制因素主要是传热。模拟考察环境辐射温度对冷冻干燥过程影响的结果表明,所建模型具有良好的预测能力。

    空心铝合金结构填充相变材料的换热特性
    张嘉杰, 屈治国, 马素霞, 杨艳霞
    化工学报. 2017, 68(5):  1845-1851.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161417
    摘要 ( 383 )   PDF (1302KB) ( 563 )  
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    实验研究了空心铝合金结构承载件内部填充相变材料的非稳态换热特征,通过测试试件加热面与背热面的温度响应分析了孔隙率、孔径等因素对换热过程的影响规律。研究结果表明:填充石蜡试件的换热过程可划分为熔化前显热区间、熔化区间、熔化后显热区间3个阶段;熔化区间的潜热吸收使得试件填充石蜡时的温控时间可达到不填充石蜡时的2.5倍;试件孔隙率越大或孔径越大,则其加热面与背热面的温差越大,熔化时间越长。

    非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性
    柴永志, 张伟, 李亚, 赵亚东
    化工学报. 2017, 68(5):  1852-1859.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161587
    摘要 ( 415 )   PDF (7047KB) ( 712 )  
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    采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部(θ=8.6°)和超疏水顶部(θ=156.1°)的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面(θ=88.1°)提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明:非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。

    多壁碳纳米管嵌入13X/MgCl2复合吸附剂的性能实验
    赵惠忠, 程俊峰, 唐祥虎, 张少波
    化工学报. 2017, 68(5):  1860-1865.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161739
    摘要 ( 422 )   PDF (488KB) ( 735 )  
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    配制了将不同含量的多壁碳纳米管(MWCNT)加入复合吸附剂13X/MgCl2中制成的新型复合吸附剂,并对其吸附、脱附和导热性能进行了测试。实验结果表明:新型复合吸附剂在闭式200℃脱附完成后,新型复合吸附剂的吸附残余量随着MWCNT含量的升高而减小,13X的吸附残余量是MWCNT含量最高的13X/MgCl2/MWCNT(CNT-5)复合吸附剂的吸附残余量的2倍,虽然MWCNT的加入不会对13X/MgCl2复合吸附剂在室温下的吸附性能有影响,CNT-5在开式、闭式的平衡吸附量可以达到0.52 g·g-1和0.38 g·g-1,分别是13X吸附量(0.24 g·g-1)的2.2和1.6倍,但新型复合吸附剂可以脱附更多的水蒸气。新型复合吸附剂的热导率随着MWCNT含量的增大而升高,CNT-5的热导率可以达到0.265 W·m-1·K-1,是13X热导率的4.9倍。

    二氧化碳微通道蒸发器压降特性的模拟验证
    吕静, 李昶, 石冬冬, 陈启
    化工学报. 2017, 68(5):  1866-1873.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161165
    摘要 ( 404 )   PDF (587KB) ( 404 )  
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    分析二氧化碳微通道蒸发器的物理结构及二氧化碳两相段及过热段的流动特性,基于有限元分析法,采用分段研究的方法建立微通道二维分布参数模型。研究各参数对二氧化碳在微通道中流动特性的影响,根据模拟结果可得压降主要发生在蒸发器入口经集流管进入扁管处,二氧化碳在过热段压降远小于两相段压降。蒸发压力对扁管内的压降影响很小,随着二氧化碳质量流率增大,压降增大,两相区与过热区分界线右移。对比分析模拟与实验结果,误差在10%之内,验证所建立数学模型的合理性。

    催化、动力学与反应器
    陶瓷膜反应器中环己酮氨肟化的催化剂失活机制与再生
    晋东洋, 张峰, 陈日志, 仲兆祥, 邢卫红
    化工学报. 2017, 68(5):  1874-1881.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161772
    摘要 ( 366 )   PDF (2587KB) ( 525 )  
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    基于陶瓷膜反应器开发出无有机溶剂的环己酮氨肟化新工艺,探讨TS-1催化剂失活机制。采用XRD及Rietveld全谱拟合、FT-IR、N2吸附-脱附、TGA/DSC、GC-MS等手段对TS-1分子筛的骨架结构、晶胞参数、比表面积和有机物种类进行了表征分析。结果表明,无有机溶剂的环己酮氨肟化反应过程中,存在硅流失的现象,但TS-1骨架完整,晶胞参数未明显变化;环己酮、环己酮肟及反应副产物等吸附在TS-1催化剂的表面及孔道内,使比表面积下降52.6%、孔体积减少了41.6%,是造成TS-1失活的主要原因,空气氛围中于600℃煅烧3 h,可以恢复催化剂的活性。

    2-氯-5-三氯甲基吡啶电化学氢化脱氯合成2-氯-5-甲基吡啶
    王一想, 陈泽伟, 张雯, 徐颖华, 马淳安
    化工学报. 2017, 68(5):  1882-1891.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161591
    摘要 ( 361 )   PDF (890KB) ( 705 )  
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    2-氯-5-三氯甲基吡啶(TCMP)选择性氢化脱氯制备2-氯-5-氯甲基吡啶(CCMP)或2-氯-5-甲基吡啶(CMP)在农药“吡虫啉”合成中具有重要应用价值。首先在弱酸性的甲醇/乙酸/水混合溶剂中研究了TCMP电化学脱氯合成CCMP或CMP的可行性;其次,研究了阴极材料和电解液组成对TCMP选择性脱氯反应的影响;最后,采用膜厚度极距的板框式电解槽分别研究了阴、阳极支持电解质对电解槽压和电流密度与底物浓度对脱氯反应效率的影响。实验结果表明,在弱酸性的甲醇/乙酸/水混合溶剂中,TCMP能在银网阴极上高选择性的氢化脱氯成CMP;CMP收率从高到低的阴极依次为:银> 铜> 锌> 铅> 钛> 石墨> 镍。阴阳极支持电解质从四丁基高氯酸铵分别换成乙酸锂和硫酸,电解槽压大幅度下降。降低电流密度和提高底物浓度有利于TCMP电化学氢化脱氯效率。在优化条件下(阴极液:含10%乙酸+5%水+0.2 mol·L-1乙酸锂的甲醇溶液;阴极:银网;电流密度:333 A·m-2;温度:30℃),0.2 mol·L-1 TCMP 能高效地转化为CMP(收率:91%),电流效率可达54%,电解槽压大约为3.0 V。

    硅羟基对二氧化硅固载有机锡酯交换催化性能的影响
    张元卓, 王松林, 肖忠良, 陈彤, 王公应
    化工学报. 2017, 68(5):  1892-1898.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161517
    摘要 ( 311 )   PDF (597KB) ( 723 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    采用新方法制备了二氧化硅固载有机锡。以无机SnCl4为锡源,在合成有机锡的同时制备有机锡硅烷试剂,再将其固载到二氧化硅上,用于碳酸二甲酯与苯酚酯交换合成碳酸二苯酯的反应。通过不同的制备方法和处理方法,制得不同硅羟基含量的二氧化硅载体;研究硅羟基对锡固载量及固载有机锡催化性能的影响。TG与ICP表征显示,锡固载量与二氧化硅载体的硅羟基含量正相关。29Si MAS NMR表征发现,制备的固载有机锡中含有较多的T2和T3物种,利于有机锡的稳定固载。二氧化硅硅羟基含量越高,催化剂的锡固载量越高,活性越好。介孔二氧化硅为载体制备的Sn-MSiO2表现出最好的催化活性:用量1.0 g,在150~180℃反应9 h,苯酚转化率达50.4%,酯交换选择性高于99.9%;用0.5 g考察重复使用性能,重复使用5次,苯酚转化率由41.2%降低到35.0%。锡流失是活性下降的主要原因。

    分离工程
    离子筛吸附与陶瓷膜耦合用于盐湖卤水提锂
    孟庆伟, 张峰, 陈璐, 夏永生, 居沈贵, 邢卫红
    化工学报. 2017, 68(5):  1899-1905.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161727
    摘要 ( 666 )   PDF (4640KB) ( 913 )  
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    将锰系离子筛吸附与陶瓷膜耦合,用于高镁锂比盐湖卤水的提锂研究。采用水热法制备了高效锂离子筛H1.6Mn1.6O4,考察离子筛用于卤水提锂效果和陶瓷膜的分离性能。结果表明:制备的离子筛粉体粒径分布在100~500 nm之间,平均粒径为160 nm,用于察尔汗盐湖卤水中对Li+吸附容量达到31.44 mg·g-1;孔径50 nm的陶瓷膜对离子筛的截留率达到100%,膜渗透通量大于150 L·m-2·h-1;反冲操作可有效维持吸附-膜分离过程的稳定性,吸附与陶瓷膜的耦合过程对盐湖卤水中的锂提取率超过97%,盐酸和双氧水清洗可有效恢复膜渗透通量。研究结果为高镁锂比盐湖卤水提锂提供了新方法。

    热泵精馏隔壁塔分离宽沸程物系的模拟
    李沐荣, 许良华, 辛春伟, 袁希钢
    化工学报. 2017, 68(5):  1906-1912.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161638
    摘要 ( 437 )   PDF (664KB) ( 511 )  
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    将中间换热和热泵精馏两种精馏节能技术应用到隔壁塔中,提出了带中间换热器的热泵精馏隔壁塔流程,以解决隔壁塔在分离宽沸程物系时出现的塔顶与塔底温差过高而不宜应用热泵精馏的问题。利用精馏塔总复合曲线图,可确定中间产品塔板采出流股的相态,从而得到不同类型的热泵精馏隔壁塔流程。宽沸程物系分离实例的模拟计算结果表明,该类流程在主塔气液相流量较大的情况下具有较高的节能效率。

    直接接触式膜蒸馏过程的膜曝气强化
    董畅, 高启君, 吕晓龙, 贾巍
    化工学报. 2017, 68(5):  1913-1920.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161542
    摘要 ( 415 )   PDF (1006KB) ( 640 )  
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    针对直接接触式膜蒸馏(direct contact membrane distillation,DCMD)过程存在的膜通量小及膜污染问题,设计了一种新型结构的膜蒸馏组件。以蔗糖溶液为处理液,考察了膜组件装填密度Φ、膜曝气量q、蔗糖浓度c与温度T0对DCMD过程的影响。结果表明:随着Φq的增加,DCMD过程的膜通量先增大,后逐渐降低,Φq均存在最优值;随着c的增加,膜通量逐渐降低;随着T0的增加,膜通量增大;对c为30%(mass)的蔗糖溶液进行DCMD法处理330 min时,膜曝气可使DCMD的初始膜通量Jinitial提升24.7%、膜通量衰减率ΔJ降低55.0%,维持高膜通量的连续运行时间t0延长4倍。主要原因是膜曝气强化了DCMD过程的传热传质,进而强化过程的分离性能;有效控制了DCMD过程的浓差极化,进而延缓过程的膜污染进程。研究结果有利于推进DCMD的工程化应用。

    水力旋流器溢流管结构对微细颗粒分离的影响
    刘鸿雁, 王亚, 韩天龙, 黄青山
    化工学报. 2017, 68(5):  1921-1931.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161478
    摘要 ( 531 )   PDF (1229KB) ( 721 )  
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    针对直径为50 mm的小直径水力旋流器,考察了溢流管插入深度和壁厚以及进口流量对微细物料分离效率的影响,并利用正交分析法得到了溢流管最优的插入深度、壁厚及最适的进口流量。此外,考察了两种套筒式溢流管对水力旋流器分离性能的影响。最后,在最优溢流管结构的基础上,探讨了分流比对分离效率的影响。结果表明:水力旋流器的直筒段具有一定的分离作用;对于微细物料的分离,溢流管采用薄壁且插入深度与水力旋流器直筒段长度相当的设计,有利于提高微细颗粒的分离效率。针对水力旋流器溢流管插入深度与其直径的最佳比例,小直径水力旋流器的比大直径水力旋流器的大,表明它们的分离行为存在着较大的差异。

    辉光放电等离子体辅助碱浸铜冶炼烟灰中铜砷分离
    王倩, 郭莉, 陈绍华, 薛余化, 杜冬云
    化工学报. 2017, 68(5):  1932-1939.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161475
    摘要 ( 408 )   PDF (860KB) ( 380 )  
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    采用辉光放电等离子体辅助Na2S-NaOH浸取体系对铜冶炼烟灰(简称“烟灰”)进行研究,在放电时间10 min、放电功率500 W、放电压强150 Pa、极板间距0.9 cm的条件下,砷的浸出率为92.52%,铜的浸出率为7.76%,实现了砷和铜的有效分离。采用该方法处理后烟灰中的砷从7.11%降到0.45%,铜从2.62%变为2.42%,为烟灰的进一步利用创造了条件。XPS、XRD和重金属形态分析的综合分析结果表明,辉光能将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)、Cu(Ⅰ)氧化为Cu(Ⅱ),且在碱性条件下As(Ⅴ)比As(Ⅲ)更易浸出。因此,辉光放电预氧化有利于砷和铜在碱浸体系中选择性分离。

    黄腐酸基Cd2+离子印迹聚合物的吸附性能测试
    尚宏周, 赵敬东, 何俊男, 孙晓然
    化工学报. 2017, 68(5):  1940-1945.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161156
    摘要 ( 334 )   PDF (633KB) ( 498 )  
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    以改性黄腐酸为功能单体,反相悬浮聚合法制备了Cd2+离子印迹聚合物,并研究其吸附性能。动力学模型表明,黄腐酸基Cd2+离子印迹聚合物对Cd2+的吸附符合准二级动力学吸附模型,相关系数达到0.9977;热力学研究发现,黄腐酸基Cd2+离子印迹聚合物吸附重金属离子的形式为单分子层表面吸附,与Langmuir等温吸附模型相符;竞争吸附实验显示,竞争离子Pb2+、Cr3+存在时,Cd2+/Pb2+、Cd2+/Cr3+的相对选择性系数分别为4.32、13.47,说明MFA-IIP对模板离子拥有较强的选择识别性能,竞争离子化合价不同,选择识别性更加显著。

    木质素的化学改性及其对AuCl4-的吸附
    张保平, 马钟琛, 刘运, 郭美辰, 杨芳
    化工学报. 2017, 68(5):  1946-1953.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161453
    摘要 ( 451 )   PDF (1248KB) ( 515 )  
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    以稻草为原料,经预处理、酚化、交联、氯化、胺化、季铵化制备了一种新型的化学改性木质素并对其进行了FTIR,SEM,TG-DSC分析,考察了AuCl4-初始浓度、吸附时间、盐酸浓度对化学改性木质素吸附AuCl4-效果的影响,探讨了吸附过程的机理。结果表明,制备的化学改性木质素表面致密且在217℃以下具有良好的热稳定性和含有大量酚羟基及胺基。当AuCl4-初始浓度为8.0 mmol·L-1时吸附容量达到最大,为784.50 mg·g-1,在AuCl4-初始浓度为1.0 mmol·L-1时吸附达到平衡的时间为600 min,当盐酸浓度为0.5 mol·L-1和AuCl4-初始浓度为1.0 mmol·L-1时吸附率为98%。吸附过程遵循准二级动力学模型,吸附等温模型与Langmuir拟合较好。AuCl4-被化学改性木质素中的酚羟基以金单质的形态还原出来。

    过程系统工程
    多工况氢网络压缩机配置和运行优化
    周业扬, 邓春, 周凌子, 冯霄
    化工学报. 2017, 68(5):  1954-1960.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161163
    摘要 ( 474 )   PDF (483KB) ( 287 )  
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    炼油厂在实际运行过程中,加氢装置处理的原料油性质发生变化以及生产负荷调整,都会导致加氢单元耗氢量的变化。构建了具有中间管网的定结构氢网络优化模型,该模型包括供氢单元、氢气公用工程管网/中间管网、压缩机、加氢单元、燃料系统以及它们之间的固定连接关系。在常规氢网络中引入压力为1600 psi(1 psi=6.895 kPa)的中间管网,可以减少一台加氢装置的新氢备用压缩机,设计阶段可少投资一台压缩机,即实现了新氢压缩机的优化配置。针对加氢单元正常/高/低负荷3种工况,对具有中间管网的氢网络进行了优化,得到了不同工况下流股的流量分配和压缩机的启停策略,从而实现多工况氢网络的运行优化。

    基于多阶段多向核熵成分分析的间歇过程故障检测方法
    邓晓刚, 张琛琛, 王磊
    化工学报. 2017, 68(5):  1961-1968.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161501
    摘要 ( 402 )   PDF (625KB) ( 552 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对间歇过程的非线性、多阶段特性,提出一种基于多阶段多向核熵成分分析(multistage-MKECA,MsMKECA)的故障检测方法。针对间歇过程的多阶段特性,建立一种时序核熵主元关联度的矩阵相似性阶段划分方法,实现对间歇生产过程的多阶段划分;针对传统批次展开方式在线监控需要预估批次未来值的缺陷,进一步引入一种批次-变量三维数据展开方式建立每个阶段的MKECA非线性统计模型,实现对间歇过程的分阶段监控。最后对盘尼西林发酵过程开展仿真研究,结果表明所提方法能够比传统MKECA方法更为快速地进行故障检测。

    环丁砜萃取精馏过程模拟分析及工艺参数优化
    汪勤, 张冰剑, 何畅, 何昌春, 陈清林
    化工学报. 2017, 68(5):  1969-1976.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161593
    摘要 ( 536 )   PDF (712KB) ( 746 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以环丁砜-烃类相平衡数据和NRTL-RK热力学方法为基础,对环丁砜萃取精馏过程进行了全流程模拟和工艺操作参数优化。综合考虑各个操作变量及其关联,提出了基于局部耦合参数迭代优化的整体协同优化的策略。通过文献数据回归和Aspen Plus物性估算系统相结合,补充修正了缺失的模型参数,并以此模拟分析了各关键操作参数对环丁砜萃取精馏过程能耗和分离效果的影响。结果表明:当萃取精馏塔操作压力为0.17 MPa,溶剂回收塔操作压力为0.05 MPa时,贫溶剂最佳温度为100℃,原料饱和气相进料的最佳进料位置为第50块塔板;溶剂回收塔最佳回流比为0.33;最佳进料位置为第6块塔板,汽提水量为2853 kg·h-1。优化后,装置最小热公用工程由1.158 GJ·t-1下降至0.802 GJ·t-1,节能效果显著。

    基于核慢特征回归与互信息的常压塔软测量建模
    蒋昕祎, 杜红彬, 李绍军
    化工学报. 2017, 68(5):  1977-1986.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161395
    摘要 ( 446 )   PDF (806KB) ( 750 )  
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    针对工业过程的非线性及动态特性,提出了一种新的慢特征回归软测量方法。该方法首先通过添加时延数据构造动态数据集,利用互信息最大化准则筛选变量从而减少信息冗余的影响。同时该方法在慢特征分析的基础上引入核函数扩展,加强模型处理非线性数据的能力,并将获得的核慢特征用于回归建模。核慢特征分析通过分析样本的变化,提取具有缓慢变化特征的成分,可以有效地刻画工业过程的变化趋势,提升回归模型精度。最后该方法的有效性在常压塔常顶油干点与常一线初馏点的软测量模型中得到了验证。

    基于PLSR自适应深度信念网络的出水总磷预测
    王功明, 李文静, 乔俊飞
    化工学报. 2017, 68(5):  1987-1997.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161826
    摘要 ( 401 )   PDF (2184KB) ( 450 )  
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    针对污水处理过程出水总磷预测问题存在的强非线性、大时变等特征,提出了一种基于偏最小二乘回归自适应深度信念网络(partial least square regression adaptive deep belief network,PLSR-ADBN)的出水总磷预测方法。PLSR-ADBN是基于深度学习模型DBN的一种改进型建模方法。首先,将自适应学习率引入到DBN的无监督预训练(pre-training)阶段,来提高网络收敛速度。其次,利用PLSR方法取代传统DBN中基于梯度的逐层权值精调(fine-tuning)方法,来提高网络预测精度。同时,通过构造李雅普诺夫函数证明了PLSR-ADBN学习过程的收敛性。最后,将PLSR-ADBN用于实际污水处理过程出水总磷预测中。实验结果表明所提出的PLSR-ADBN收敛速度快且预测精度高,能够满足实际污水处理过程对出水总磷监测精度和运行效率的要求。

    基于沼气的热电气联供系统全工况模型与性能分析
    张东, 李金平, 张涵
    化工学报. 2017, 68(5):  1998-2008.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161538
    摘要 ( 486 )   PDF (827KB) ( 1648 )  
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    为了解决我国城镇化进程中日益增长的能源需求,高效循环利用有机废弃物,缓解农村环境污染问题,构建了基于沼气的内燃机热电气联供系统,将生物质厌氧发酵、内燃机热电联产、补充热源、用户侧需求等有机联系起来建立系统全工况动态数学模型,并以兰州地区5户建筑面积226.8 m2的新农村建筑为例,进行系统全年逐日供需能量平衡分析及性能分析。结果表明:寒冷地区新农村建筑负荷与商业建筑存在明显不同,冬夏季热负荷差异大,全天电负荷波动很明显;在充分考虑厌氧发酵生物质能源转化效率、热量传输及换热效率和火电厂发电效率的情况下,联供系统全年一次能源利用率为37.85%;与传统农村分供系统相比,系统一次能源节约率为17.12%。系统性能分析结果可为我国生物质沼气集中热电联产在村镇的规模化应用提供一定理论依据。

    基于双阈值AdaBoost算法的4-CBA含量软测量建模
    刘瑞兰, 刘树云, 戎舟, 江兵, 庞宗强
    化工学报. 2017, 68(5):  2009-2015.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161609
    摘要 ( 353 )   PDF (532KB) ( 341 )  
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    针对PX氧化过程中4-CBA含量无法在线测量的问题,提出了一种基于双阈值更新样本权重的AdaBoost算法,该算法以BP神经网络作为弱学习器,采用轮盘赌方法根据样本权重在训练样本集中选择部分样本训练弱学习器,采用上一轮弱学习器的训练相对误差绝对值来更新所有训练样本的权重,在此基础上,用双阈值对样本误差范围进行划分,然后用不同的权重因子与原来的样本权值相乘实现样本权值的二次更新。该过程降低了含有大误差的样本的权值,增加了较大误差的样本的权值,从而减小了在下一轮训练过程中选到异常样本的概率。分别采用5种不同的方法并用实测的工业数据建立了4-CBA含量软测量模型,仿真结果表明用提出的改进AdaBoost算法建立的4-CBA含量软测量模型,其预测误差小于其他方法建立的模型误差。

    表面与界面工程
    周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能
    李振涛, 黄佰朋, 郝木明, 孙鑫晖, 王赟磊, 杨文静
    化工学报. 2017, 68(5):  2016-2026.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161561
    摘要 ( 334 )   PDF (1254KB) ( 571 )  
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    为降低密封面间液体流动发散区液膜压力损失及提高密封性能,在矩形截面螺旋槽中引入周向斜面台阶结构并建立物理模型。基于JFO空化边界,探讨了不同槽深时,斜面转角比对液膜压力、降低空穴发生及流体动压性能的影响。结果表明:当斜面转角比小于1/30时,下游泵送或上游泵送液膜密封的周向膜压或螺旋线方向膜压均得到迅速提升而空化面积比迅速降低,尤其是上游泵送密封;随斜面转角比增大,空化面积比先增大后减小,空穴区中液膜开始破裂位置前缘压力呈增加趋势,而液膜重生成位置后缘压力反之。槽深的增加有助于提升液膜压力和降低空化面积比,当槽深为8~12 μm,在斜面转角比为0.1~0.3时,两类型液膜密封承载能力均可达到最大值,前者最大增幅约13.5%,后者约28%;摩擦扭矩最大增幅约4.6%,增幅较小;泄漏量随斜面转角比的变化规律与承载能力相似。

    [NH2-emim]Br/[Bmim]BF4离子液体中二氧化碳的电化学还原
    毛信表, 刘莹, 陈达, 陈赵扬, 马淳安
    化工学报. 2017, 68(5):  2027-2034.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161814
    摘要 ( 459 )   PDF (791KB) ( 542 )  
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    以2-溴乙胺氢溴酸和N-甲基咪唑盐为原料合成了氨基功能化离子液体1-(2-胺乙基)-3-甲基咪唑溴盐([NH2-emim]Br),用1H NMR和IR对所制备的离子液体进行了表征,测得25℃下[NH2-emim]Br的黏度26.691 Pa·s、电导率0.1130 mS·cm-1,CO2的溶解饱和度82%(摩尔分数),将不同含量的[NH2-emim]Br与[Emim]BF4、[Bmim]BF4、[Bmim]PF6组成二元复合离子液体,并用于CO2电化学还原研究,循环伏安研究表明,CO2在[NH2-emim]Br(0.5%)-[Bmim]BF4复合离子液体中的还原峰电位较[Bmim]BF4正移0.4 V,还原峰电流增大9倍,黏度降低为0.08227 Pa·s,电导率增大至1.317 mS·cm-1,是一种较好的CO2电化学还原离子液体体系。

    生物化学工程与技术
    胰岛素活性结构在水合离子液体中的稳定性
    潘晓莉, 李代禧, 魏冬青
    化工学报. 2017, 68(5):  2035-2041.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161499
    摘要 ( 487 )   PDF (960KB) ( 693 )  
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    离子液体以其独特的、可修饰的分子结构以及优良的物理化学性质被应用于蛋白质的稳定性研究。采用分子动力学模拟方法及微量热法,研究热敏性蛋白药物胰岛素在不同水质量分数下水合离子液体中活性结构的稳定性,并深入分析离子液体与胰岛素之间的相互作用及水分子与蛋白质稳定性之间的关系。研究结果表明,当水质量分数低于25.00%时,胰岛蛋白的热变性温度能保持在68℃以上。且通过模拟分析得出,含水量25.00%的水合离子液体体系中,大量阴、阳离子在胰岛蛋白表面聚集,并通过较强的静电相互作用吸附在其表面,从而对蛋白质的活性结构展现出良好的稳定效果。结合宏观实验研究及微观动力学计算阐释了不同水含量的离子液体稳定蛋白质的作用机理,并为离子液体对蛋白质的稳定作用研究提供了一种新的分析方法。

    能源和环境工程
    纳米零价铁对厌氧消化影响的反应动力学模型
    方慧莹, 王端立, 陈皓, 王亚宜
    化工学报. 2017, 68(5):  2042-2048.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161594
    摘要 ( 521 )   PDF (5594KB) ( 473 )  
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    污泥厌氧消化是污水处理厂实现“碳中和”的关键环节。然而传统厌氧消化技术普遍存在水解不充分、产甲烷效率低的问题,在工程中表现为污泥的甲烷潜势(B0)低、产甲烷速率(k)低等,从而使得获得的甲烷气通常不能达到量和质的要求。纳米级零价铁(NZVI)基于能够在厌氧条件下析氢(H2)腐蚀为产甲烷菌提供电子供体及更有利的厌氧环境,而被认为在厌氧消化领域具有潜在的应用前景。就此,通过在厌氧消化体系中投加不同剂量的NZVI(0、100、300、600和1000 mg·L-1),以甲烷潜势(B0)和产甲烷速率(k)为主要评价指标,并基于一级反应动力学模型探讨了NZVI对厌氧消化过程的主要作用机理。研究结果表明,NZVI能够强化厌氧消化过程产甲烷,主要作用机制在于促进微生物细胞破壁,从而提高污泥的水解酸化程度,得到更高的甲烷潜势(B0)。

    淀粉和聚氯乙烯交互作用对热解焦油特性的影响
    唐一菁, 王肖杭, 王东科, 何石鱼, 黄群星, 池涌, 严建华
    化工学报. 2017, 68(5):  2049-2056.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161641
    摘要 ( 399 )   PDF (1913KB) ( 590 )  
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    为研究城市生活垃圾热解过程中不同组分交互作用对焦油特性的影响,将淀粉、聚氯乙烯(PVC)及其质量比为1:1的混合物在温度为400,500和600℃的条件下热解,对收集的焦油进行气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析和凝胶渗透色谱(GPC)分析。结果表明,淀粉和PVC共热解时发生了交互作用,促进了更多重质组分和多环芳烃的生成,使焦油的分子质量大幅增加,增幅达44%~79%,且二者的交互作用在高温下更加显著。混合物与PVC的热解焦油呈现明显的相似性,在淀粉和PVC共同热解的过程中,PVC对焦油的生成起主导作用。此外,随热解温度的升高,焦油的产率和同质性均降低,而多环芳烃和重质组分含量增加。因此,二者共热解和较高的热解温度均能减少焦油产率,却也使生成的焦油更难以处理。

    不同碳链长度脂肪酸甲酯的催化裂化产物分布规律
    蔡文静, 闫昊, 冯翔, 刘熠斌, 杨朝合
    化工学报. 2017, 68(5):  2057-2065.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161498
    摘要 ( 412 )   PDF (1095KB) ( 477 )  
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    以辛酸甲酯、癸酸甲酯、月桂酸甲酯3种碳链长度不同的脂肪酸甲酯为原料,LVR-60为催化剂,在固定床上考察不同温度(350~500℃)下碳链长度对脂肪酸甲酯催化裂化产物分布的影响规律。结果表明,随着脂肪酸甲酯碳链长度的增长,脂肪酸甲酯转化率不断提高,脱氧产生的CO、CO2逐渐增加,液体产物中烃类的含量逐渐增加而含氧衍生物逐渐减少。提高反应温度有利于提高脂肪酸甲酯转化率,得到较多的烃类,降低液相产物中含氧衍生物的含量。在低温下,脂肪酸甲酯裂化生成的醛、酯、羧酸、酮等含氧衍生物的含量较高,其裂化过程中CO2是主要的脱氧产物;而高温下有机液体产物中几乎不含含氧衍生物,CO为主要脱氧产物。

    生活污水对成熟厌氧氨氧化颗粒污泥的影响
    高梦佳, 王淑莹, 王衫允, 彭永臻
    化工学报. 2017, 68(5):  2066-2073.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161681
    摘要 ( 305 )   PDF (7387KB) ( 296 )  
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    部分短程硝化和厌氧氨氧化技术的研究主要集中在高氨氮废水方面,对低氨氮浓度生活污水的研究相对较少。使经过除碳和部分短程硝化后的实际生活污水进入厌氧氨氧化UASB反应器,探究生活污水对成熟厌氧氨氧化颗粒污泥的影响。结果表明,当厌氧氨氧化UASB反应器的进水由配水变为生活污水后,反应器出水中氨氮浓度可降到5 mg·L-1以下,亚硝态氮浓度可降到1 mg·L-1以下,但是硝态氮的生成量高于理论值,可能是溶解氧被带入UASB反应器使硝化作用增强。UASB反应器内厌氧氨氧化污泥颜色由红色变为红黑色,T-EPS含量减少,PN/PS由1.13增大到3.66,沉降性变好,反应器内污泥中厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia所占比例由17.7%减少为14.4%,系统内AOB和NOB菌的含量增加,如果能够降低进入UASB反应器的溶解氧,有可能会减少出水硝氮,达到较好总氮去除效果。

    温度降低对UMSR处理高氨氮低碳氮比养猪废水效能的影响
    何佳敏, 孟佳, 张永, 李建政
    化工学报. 2017, 68(5):  2074-2080.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161733
    摘要 ( 370 )   PDF (615KB) ( 526 )  
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    针对干清粪养猪废水高氨氮低碳氮比的特点,前期研发了升流式微氧活性污泥反应器(UMSR),在23℃条件下可实现碳氮的高效同步去除。为降低处理成本,在HRT 8 h和出水回流比45:1的条件下,对UMSR在20℃、17℃和15℃下的COD、NH4+-N和TN去除效果进行了考察。结果表明,当温度阶段性地从20℃降低为15℃时,UMSR对养猪废水COD的去除率变化不大,均可保持在60%以上,但NH4+-N和TN去除率分别从98.9%和79.8%左右大幅下降到了61.8%和39.7%左右。在17℃条件下,UMSR对COD、NH4+-N和TN的去除率分别平均为62.4%、80.7%和71.2%,出水浓度分别为71、55.5和80.7 mg·L-1左右,完全满足《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001)的要求。在15~20℃范围内,温度的降低并没有显著改变UMSR系统的脱氮机制,仍然保持着以anammox为主要脱氮途径的特征。

    常温下接种回流污泥实现BAF一体化自养脱氮工艺
    杨庆, 周桐, 刘秀红, 李海鑫, 李健敏, 余飞, 彭永臻
    化工学报. 2017, 68(5):  2081-2088.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161699
    摘要 ( 385 )   PDF (1118KB) ( 365 )  
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    为实现高氨氮废水的高效低耗稳定去除,在常温条件下,对曝气生物滤池(BAF)中实现与稳定短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮工艺进行了研究。研究结果表明:常温条件下,BAF接种二沉池回流污泥,采用闷曝-连续运行结合的接种挂膜方式,可成功实现短程硝化-厌氧氨氧化一体化自养脱氮。闷曝阶段使种泥活性恢复,而连续流运行过程中游离氨(FA)浓度高,可抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB),实现BAF中亚硝酸盐累积;通过调整BAF回流方式,降低回流液中NO2--N,防止NOB生长,并通过厌氧氨氧化(Anammox)滤池出水回流方式,接种微量Anammox菌,运行80 d可实现短程硝化-厌氧氨氧化,140 d后系统运行稳定,总氮(TN)去除率达76.62%。生物滤池有利于短程硝化-厌氧氨氧化工艺的实现与稳定,生物膜中不同厚度存在好氧缺氧环境,利于氨氧化菌(AOB)和Anammox菌共存;滤料的过滤作用有效地防止了Anammox菌流失,使其在系统中不断累积生长。不仅如此,AOB和Anammox菌均为自养菌且生长缓慢,避免了生物滤池的频繁反冲洗,简化了生物滤池的运行。气水比是BAF中一体化运行的关键参数,本研究中最佳的气水比为12:1,氨氮去除负荷达到0.91 kg N·m-3·d-1,氨氮和TN去除率分别可达96.86%和85.47%。

    准东煤与污泥共热解过程中NOx前驱物释放规律
    李尚, 金晶, 林郁郁, 沈洪浩, 侯封校, 赵冰
    化工学报. 2017, 68(5):  2089-2095.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161648
    摘要 ( 352 )   PDF (650KB) ( 448 )  
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    借助热重-质谱联用(TG-MS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)以及原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFT)等实验手段对准东煤与污泥的混合物进行共热解实验,研究了污泥质量百分比为25%、50%、75%时混合物热解主要NOx前驱物的释放规律,探讨了准东煤中矿物质以及混合物中官能团的变化对NOx前驱物释放的影响。实验结果表明:混合热解过程中NH3、HCN的产率不随污泥掺混比的增大而增加,掺混比为50%左右时NOx前驱物的释放量相对较低。准东煤内在碱金属及碱土金属以及混合热解过程中各官能团的协同效应对NOx前驱物释放具有抑制效果。

    用废弃煤矸石制备高比表面积的SiO2-Al2O3二元复合气凝胶
    刘博, 刘墨祥, 陈晓平
    化工学报. 2017, 68(5):  2096-2104.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161577
    摘要 ( 448 )   PDF (1160KB) ( 599 )  
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    以兖州煤矸石为原料,经过低温焙烧、酸浸除杂、碱熔活化,采用溶胶-凝胶法和真空干燥法制备完整的块状SiO2-Al2O3二元复合气凝胶。通过X射线衍射、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱、氮气吸附等检测手段对原料、SiO2-Al2O3气凝胶及其制备过程中得到的中间产物的物理、化学特性进行表征,研究SiO2-Al2O3凝胶的形成机制。实验结果表明,煤矸石经过酸浸除去了大部分的铁、钾、碱土金属等杂质。在经过碱熔活化后,煤矸石主要组分石英和高岭石均转化为非晶态,反应活性提高。制备得到的SiO2-Al2O3气凝胶是以Si-O-Si、Si-O-Al网络结构为骨架的非晶态纳米颗粒聚集体,其堆积密度0.37 g·cm-3,比表面积483 m2·g-1,比孔容1.87 cm3·g-1,平均孔径10.29 nm,最可几孔径9.32 nm,具有较好的介孔特征。

    GO@MIL-101的制备及其对水中Cr(Ⅵ)的去除
    王亮, 田聃, 刘安琪, 赵斌, 马树双, 李君敬, 张朝晖, 惠旭
    化工学报. 2017, 68(5):  2105-2111.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161481
    摘要 ( 421 )   PDF (2089KB) ( 421 )  
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    通过水热法制备了掺杂氧化石墨烯(GO)的金属有机框架GO@MIL-101,并考察了GO掺杂量对GO@MIL-101形貌和性质的影响规律。GO的掺杂影响了MIL-101晶体的形成过程。随着GO掺杂量的增加,GO@MIL-101晶体的完整性降低、粒径减小,团聚现象越发显著。GO@MIL-101能够有效去除溶液中的Cr(Ⅵ),该过程符合拟二级动力学方程。由Langmuir吸附等温线拟合得到的最大吸附量与GO掺杂量有关,在2%[相对于Cr(NO33·9H2O质量]时达到最大,这与此时GO@MIL-101同时具有较大的比表面积和较大的孔体积有关。Cr(Ⅵ)的去除过程伴随着溶液中NO3-浓度的升高以及pH的下降,电荷平衡计量分析表明MIL-101和GO@MIL-101对Cr(Ⅵ)的去除机制相同,主要依靠MIL-101的离子交换作用,并且所去除的Cr(Ⅵ)以CrO42-形式存在于固相中。

    阳离子淀粉染料吸附材料的制备及表征
    王建坤, 郭晶, 张昊, 范新宇, 梁卡
    化工学报. 2017, 68(5):  2112-2121.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161486
    摘要 ( 421 )   PDF (1395KB) ( 584 )  
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    以玉米淀粉为原料,以3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTMAC)为阳离子醚化剂,以NaOH为催化剂,制备了天然高分子多糖基染料吸附剂阳离子淀粉(CS),用于对活性染料的吸附。对醚化反应机理进行了系统研究,并考察了反应条件对CS取代度(DS)及反应效率(RE)的影响。采用RAM、XRD、SEM对产物进行表征。吸附实验表明,当DS为0.12,染料溶液pH为8时,CS对活性红195、活性金黄K-2RA的吸附量分别为21.0和20.4 mg·g-1,去除率可达84.1%和81.6%,好于无机吸附材料活性炭。还进行了CS染料吸附材料的再生实验,4次再生后仍有较高的吸附量,表明CS染料吸附材料具有较强的可再生性能,可循环使用。该天然基染料吸附剂CS有望成为无机吸附剂及合成树脂吸附剂的理想替代品,用于工业染料废水的处理中。

    双混合制冷剂天然气液化过程实验分析
    李玉星, 常学煜, 朱建鲁, 韩辉, 孙崇正, 董龙飞, 陈杰, 曾伟平
    化工学报. 2017, 68(5):  2122-2131.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161313
    摘要 ( 382 )   PDF (2043KB) ( 563 )  
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    浮式天然气液化装置(LNG-FPSO)具有便于迁移、设备可靠、安全性高等特点,适应于海上油气田的开发。而混合制冷剂流程效率高、处理量大,在海况较平稳、气田产量大的条件下具有明显优势。利用与中海石油气电集团技术研发中心合作研制的浮式双混合制冷剂液化实验装置来验证双混合制冷剂流程的准确性,并对目标气田的原料气产量、原料气入口温度及压缩机频率等进行敏感性分析,以及海上适应性进行研究评价。通过实验发现双混合冷剂液化工艺可满足平稳海况下大规模天然气液化处理,原料气温度、压力在一定范围内变化对流程影响较小,采用变频式压缩机可有效降低低负荷下系统能耗。

    太阳能-热泵复合供能系统
    王岗, 全贞花, 赵耀华, 靖赫然, 佟建南
    化工学报. 2017, 68(5):  2132-2139.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161482
    摘要 ( 425 )   PDF (496KB) ( 409 )  
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    为最大限度利用可再生能源,将太阳能PV/T集热器与热泵相结合组成太阳能-热泵复合供能系统,通过不同阀门之间的相互切换,可实现多种运行模式以满足人们对生活热水、采暖或制冷的需求。实验主要针对单空气源热泵制热、PV/T与水源热泵联合制热及PV/T与双热源热泵联合制热3种运行工况进行研究,分别从室内温度、制热量、热泵COP、集热效率、发电效率等方面对系统进行实验研究与理论分析,实验结果表明,3种运行工况下热泵COP分别为2.26、3.4和2.61,平均室内温度分别为15.3、18.8和16.5℃,基本能满足冬季采暖负荷要求。系统可充分利用太阳能与热泵各自的优势,实现能源节约,为太阳能和热泵在建筑中联合运行模式提供部分参考价值。

    二甲醚在低到中温的着火延迟特性
    张红光, 石智成, 高翔, 李佳政, 支淑梅
    化工学报. 2017, 68(5):  2140-2147.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161513
    摘要 ( 430 )   PDF (848KB) ( 799 )  
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    在上止点温度656~814 K,上止点压力1.2~3.5 MPa,当量比(φ)0.83~1.25实验条件下,利用快速压缩机(RCM)研究了上止点压力和燃料浓度对二甲醚着火延迟期的影响及二甲醚三阶段燃烧现象。利用CHEMKIN-PRO软件在更宽广温度范围内对混合气着火延迟进行了同等条件下的模拟计算及反应动力学分析。结果表明:随着上止点压力及燃料浓度的增加,第1阶段着火延迟期均略有缩短,总着火延迟期明显缩短;二甲醚总着火延迟期存在明显的负温度系数(NTC)现象,且在较低上止点压力和燃料浓度下NTC现象更加明显;在稀燃条件下(φ=0.83)二甲醚混合气出现低温放热和高温两阶段放热的三阶段放热现象,其高温第1阶段放热主要由CH2O生成大量CO引起,高温第2阶段放热主要由生成燃烧最终产物CO2和H2O引起。

    Shell炉合成气冷却器分层积灰特性
    韩瑞午, 谭厚章, 魏博, 王毅斌, 张朋
    化工学报. 2017, 68(5):  2148-2154.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161657
    摘要 ( 392 )   PDF (11239KB) ( 351 )  
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    以某Shell气化炉合成气冷却器严重积灰结垢区域的灰样为研究对象,通过X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等对其物化特性进行表征,并分析积灰的形成机制。结果表明,灰样内部存在明显的分层结构:最底层呈红色,结晶程度最高且质地坚硬,主要矿物组成有CaSO4、Fe2O3、FeS等;中间层呈黄色,Fe、S含量降低,结晶程度和硬度下降;最外层呈灰色,Fe、S含量最低,为非晶体结构且松软多孔。各灰层间颜色、硬度和内在矿物组分的较大差异,主要是由于在积灰发展过程中,沉积表面温度升高导致沉积层的黏附作用和烧结作用不同。而低熔点含铁矿物的选择性沉积和富集,是初始灰层形成的主要原因。

    高灰熔点煤的加压催化气化:K2CO3催化活性及钾回收特性
    陈兆辉, 刘雷, 金亚丹, 吴丽锋, 武恒, 湛月平, 李克忠, 毕继诚
    化工学报. 2017, 68(5):  2155-2161.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161678
    摘要 ( 400 )   PDF (620KB) ( 536 )  
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    以高灰熔点煤和含钾催化剂的灰渣为研究对象,分别考察了加压固定床反应器中K2CO3催化半焦水蒸气气化的反应性和灰渣中钾催化剂的回收特性。实验结果表明煤中添加K2CO3能够促进碳的转化,随着K2CO3负载量和气化温度的增加,碳转化率增大,CH4收率增加。在3.5 MPa和800℃下,K2CO3负载量为15%时,碳转化率达到96.1%,CH4收率达到0.24 m3·(kg C)-1。灰渣中钾催化剂的回收率随碳转化率的增加先升高后减小,这与催化剂在灰渣中的存在方式有关。通过优化水洗和消解条件,高碳转化率下灰渣中的钾催化剂的总回收率高达96.5%。

    Co3O4镀银对BH4-水解的抑制及在DBFC中的应用
    高翔宇, 马金福, 薛伟, 姬玉童
    化工学报. 2017, 68(5):  2162-2168.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161706
    摘要 ( 418 )   PDF (2030KB) ( 378 )  
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    硼氢化物水解是导致直接硼氢化物燃料电池(DBFC)燃料效率下降的主要问题之一。将Co3O4用于DBFC阳极催化剂并通过镀银处理以降低水解反应。以CoCl2·6H2O为原料制备Co3O4,并通过银镜反应对其进行镀银处理,制得Co3O4@Ag。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)对其进行物理表征,通过交流阻抗(EIS)、计时电流(CA)和电池测试对其电化学性能进行表征。结果表明,利用银镜反应成功地将Ag引入到催化剂体系,且Co3O4@Ag催化材料的含银量为2%。电化学测试表明,与Co3O4相比Co3O4@Ag具有更高的电催化活性。以Co3O4@Ag为阳极催化剂组装的燃料电池在室温下最大功率密度(55 mW·cm-2)和比容量(971 mA·h·g-1)较Co3O4分别提高了44.7%和32.1%,阳极催化剂性能得到显著提高。Ag在抑制水解反应的同时与Co3O4体现了协同催化的作用。

    材料化学工程与纳米技术
    Ag2CO3@PVDF/氧化石墨烯超滤膜及其分离性能
    冯雪婷, 杨盛, 文晨, 肖长发
    化工学报. 2017, 68(5):  2169-2176.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161557
    摘要 ( 391 )   PDF (3662KB) ( 821 )  
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    以聚偏氟乙烯(PVDF)为聚合物,氧化石墨烯(GO)为添加剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)为致孔剂,NN-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂配制铸膜液,借助相转化法制备了PVDF/GO膜(PGM),并通过原位共沉反应在PGM表面沉积Ag2CO3得到Ag2CO3@PVDF/GO复合膜(AgC-PGM);使用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、水接触角、纯水通量、BSA截留率和三维荧光光谱(3D-EEM)考察了膜材料的形貌、亲水性、水通量和分离性。结果表明,当添加GO为0.4%(质量),AgNO3(5.0 mmol·L-1)与Na2CO3(2.5 mmol·L-1)共沉反应3次得到AgC-PGM;与PVDF膜(132.8 L·m-2·h-1)相比,AgC-PGM呈现出较高的亲水性和纯水通量(237.4 L·m-2·h-1),其纯水通量提高了78.8%,对BSA截留率稳定在75%以上;在过滤校区湖水时,AgC-PGM不仅凸显去除蛋白质污染的能力,且出水COD和UV254达到自然水体一级标准。

    氧化石墨烯-陶瓷复合纳滤膜的层层自组装制备及其性能
    高克, 许中煌, 洪昱斌, 丁马太, 何旭敏, 蓝伟光
    化工学报. 2017, 68(5):  2177-2185.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161673
    摘要 ( 460 )   PDF (5454KB) ( 679 )  
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    氧化石墨烯(GO)的片层边缘含有 COOH等含氧官能团,因而带负电荷,可以在带正电荷多孔基体上通过层层自组装实现快速沉积。以由3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰的多孔氧化铝管式陶瓷膜为基膜,令GO和聚乙烯亚胺(PEI)以溶液形态在其表面交替沉积实现自组装,继以环氧氯丙烷(ECH)交联之,制备新型氧化石墨烯-陶瓷复合纳滤膜。最佳制备工艺是,PEI浓度5 g·L-1、pH=9,NaCl浓度0.3 mol·L-1,GO浓度0.6 mg·ml-1、pH 4.5,层数2层,ECH用量6.25 ml·L-1,50℃条件下处理70 min。层数为1~4层的自组装膜在0.6 MPa操作压力下对2 g·L-1的MgCl2的截留率分别为90.16%、93.71%、97.54%、92.93%,其中1层自组装膜的渗透通量为21.92 L·m-2·h-1。氧化石墨烯-陶瓷复合纳滤膜对4种无机盐的截留率大小为MgCl2 >MgSO4 > NaCl >Na2SO4,符合典型正电荷纳滤膜的特征。

    巯基修饰Cu-MOFs材料的制备及其汞吸附性能
    魏金枝, 张少平, 王雪亮, 孙晓君, 张凤鸣
    化工学报. 2017, 68(5):  2186-2194.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161451
    摘要 ( 419 )   PDF (1082KB) ( 923 )  
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    为高效对废水中的Hg2+进行吸附,采用电化学法合成Cu-BDC金属有机骨架材料,并进行-SH修饰,制备SH-Cu-BDC材料,用于对含Hg2+废水的吸附研究。通过EDS与IR红外对修饰前后样品的表征分析可知,-SH基团成功修饰到Cu-BDC材料上;N2吸附实验表明,修饰后的SH-Cu-BDC材料出现微孔结构且比表面积增大;SEM分析表明,电化学合成Cu-BDC材料具有独特花状结构,修饰后SH-Cu-BDC材料表面均匀分布着触角状物质;10 mg SH-Cu-BDC对20 ml浓度为300 mg·L-1的Hg2+溶液进行吸附,当pH=5,60 min时吸附饱和,最大吸附量为585 mg·g-1;SH-Cu-BDC材料对Hg2+的吸附符合拟二级反应动力学方程和Langmuir吸附等温模型,该吸附过程是以表面吸附为主的扩散过程,且符合单分子层吸附规律;吸附再生实验表明,SH-Cu-BDC作为吸附剂可重复使用,且具有一定的稳定性。

    响应面法优化制备戊烯/辛烯/十二烯共聚物减阻剂
    马艳红, 陆江银, 胡子昭, 魏生华
    化工学报. 2017, 68(5):  2195-2203.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161771
    摘要 ( 469 )   PDF (1888KB) ( 435 )  
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    采用溶液聚合法,选用Ziegler-Natta催化剂,将1-戊烯作为单体之一,合成了1-戊烯/1-辛烯/1-十二烯三元共聚物减阻剂,通过核磁共振仪(13C NMR)、傅里叶变换红外光谱计(FT-IR)、X射线衍射(XRD)对聚合物的结构与性质进行了表征,并采用室内环道装置评价了聚合物的减阻性能。采用响应面分析法通过建立减阻率与各因素之间的Box-Behnken数学模型,对三元共聚工艺进行优化,最优聚合条件为:戊烯量0.07 ml,十二烯:辛烯=4,主催化剂量0.07 g,助催化剂量0.4 ml,在此条件下得到的三元共聚物在添加量10×10-6时减阻率为59.79%。在实验选取的添加量范围内,各因素对减阻率影响显著性顺序为:戊烯添加量 >助催化剂用量 >主催化剂用量 >十二烯:辛烯;各因素之间的交互作用也显著存在。引入戊烯制备所得的减阻剂结晶度下降,溶解效果明显优于1-辛烯/1-十二烯二元共聚物,减阻率得到了提高。

    β-环糊精侧链对聚羧酸减水剂抑制蒙脱土的影响
    孙申美, 徐海军, 邵强
    化工学报. 2017, 68(5):  2204-2210.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161275
    摘要 ( 315 )   PDF (509KB) ( 577 )  
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    采用水泥净浆和混凝土试验,详细研究了β-环糊精侧链对聚羧酸减水剂抑制蒙脱土负效应的影响。试验表明,与仅含有聚氧乙烯侧链的传统聚羧酸减水剂相比,蒙脱土对掺加含有β-环糊精侧链的聚羧酸减水剂水泥净浆流动度的负作用影响明显减弱;蒙脱土(1.0%,以砂质量计)存在时,为获得与无蒙脱土时相同的混凝土坍落度,β-环糊精类聚羧酸减水剂的掺量增幅减小,掺加β-环糊精类聚羧酸减水剂的混凝土抗压强度下降幅度减小。结合吸附试验分析,β-环糊精类聚羧酸减水剂抑制蒙脱土负效应能力的增强应归功于其侧链中的β-环糊精基团,β-环糊精基团具有中空筒状的刚性结构,其显著的空间位阻效应将阻止蒙脱土颗粒继续吸附其他β-环糊精类聚羧酸分子,进而提高聚羧酸减水剂抑制蒙脱土负效应的能力。

    其他
    结晶亚硝酸钠混入对乳化炸药安全性的影响
    吴秋洁, 陈相, 谭柳, 李敏, 徐森, 刘大斌
    化工学报. 2017, 68(5):  2211-2215.  doi:10.11949/j.issn.0438-1157.20161621
    摘要 ( 654 )   PDF (805KB) ( 411 )  
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    为了研究结晶状敏化剂意外混入乳化炸药中的危险性,采用杜瓦瓶恒温试验法研究结晶状亚硝酸钠对硝酸铵、乳胶基质和乳化炸药热稳定性的影响。试验结果表明,在400 g样品中添加10 g亚硝酸钠的试验条件下,混合体系热稳定的临界温度范围分别为:硝酸铵40~45℃,乳化炸药45~50℃,乳胶基质则大于100℃。硝酸铵、乳化炸药和乳胶基质中的结晶亚硝酸钠临界添加量分别< 1 g,2 g和10 g。可见样品体系热稳定性:硝酸铵< 乳化炸药< 乳胶基质。样品含水量的增加可提高混有亚硝酸钠样品混合体系的热稳定性。