生物转化在生物化工领域具有至关重要的作用，其过程中伴随着能量的消耗和释放，因此在设计与调控生物转化过程时，能量的供应与平衡是非常关键的因素。若通过外源直接供能的方式驱动反应，如直接添加含能辅因子，则反应效率无法令人满意且成本较高。为了持续推动催化反应的高效进行，引入能量循环以及含能辅因子的再生系统具有重要的意义及必要性。对目前研究较多的三种能量循环再生系统进行综述，并对其在代谢工程等领域的发展现状进行讨论，同时对其在体外无细胞催化过程中的应用进行展望。

传统炭黑生产过程热能效率低，存在大量NO_x和CO₂排放，炭黑收率低。等离子体法生产炭黑能大幅提高能量利用效率，理想状况下可以完全收获原料中的碳，并消除由于燃烧产生的CO₂和NO_x排放。基于Aspen Plus软件模拟了炉法炭黑和等离子体法炭黑工艺过程。计算分析了等离子体法炭黑工艺相对于炉法炭黑工艺的节能效果：对于炉法炭黑分别计算了N110、N₂20、N330、N440和N550五种炭黑品种的过程(火用)流，等离子体法炭黑计算了甲烷和焦油两种原料的过程(火用)流；对比分析了两种工艺过程炭黑收率、进出料(火用)流、产品(火用)效率以及工艺过程(火用)效率。结果表明：以焦油为原料的炉法炭黑收率在47.6%～66.6%之间，与实际值吻合，明显低于等离子体法94%的理想炭黑收率；以焦油为原料的理论计算表明，等离子体法炭黑产品(火用)效率和工艺过程(火用)效率显著高于炉法炭黑；以焦油为原料的等离子体法炭黑产品(火用)效率高于以甲烷为原料的产品(火用)效率。

采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）测定了二水硫酸钙在硫酸铵溶液中（298.15～348.15 K）的溶解度，利用E-DH方程对实验数据进行关联，总平均相对偏差为2.81%；并考察了E-UDH方程的理论预测值，与实验值对比，总平均相对偏差为4.13%。实验和理论研究结果表明：在同离子效应和盐效应协同影响下，二水硫酸钙在（NH₄）₂SO₄-H₂O体系中溶解度随硫酸铵浓度增加先降低后又增大，在298.15～348.15 K温区内，溶解度突变点硫酸铵浓度为0.07～0.08 mol·kg^-1；随溶液中硫酸铵浓度增加，温度对二水硫酸钙溶解度的影响更趋显著。研究结果对磷石膏矿化烟气CO₂的过程设计具有指导意义。

采用等温溶解法研究333.15 K体系（K⁺，NH₄⁺//Cl^-，SO₄^2--H₂O）和（K⁺，NH₄⁺//Cl^-，SO₄^2--（CH₂OH）₂-H₂O）[w（（CH₂OH）₂）=30%]的固液相平衡关系。测定了平衡溶液的溶解度数据及物化性质，包括密度、黏度、折射率、pH。根据实验数据，绘制了相应的干盐相图、水图及物化性质-组成图。实验中的物化性质（黏度、密度、折射率、pH）随J（2NH₄⁺）的变化呈现相似性规律。实验结果表明：在333.15 K下，体系（K⁺，NH₄⁺//Cl^-，SO₄^2--H₂O）和（K⁺，NH₄⁺//Cl^-，SO₄^2--（CH₂OH）₂-H₂O）[w（（CH₂OH）₂）=30%]的相图相似，均含有一个四元共饱和点，四条单变曲线及四个固相结晶区域。这两个体系均为复杂体系，存在（K，NH₄）Cl、（NH₄，K）Cl、（K，NH₄）₂SO₄、（NH₄，K）₂SO₄四种固溶体。实验所获数据和结论，可优化以硫酸盐型固体废弃物为硫酸根来源，转化法生产硫酸钾工艺。

基于VOF模型，模拟了R32在水力直径为50 μm的方形微通道内流动凝结时的气液两相流型演进过程，模拟涉及的流型包括环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流。模拟结果显示，由于沿通道周向气液界面存在曲率差异，凝结液内部存在表面张力导致的横向压力梯度，驱使凝结液流向通道壁面拐角处，减薄通道壁面中部液膜厚度。基于势能最小原理，解释了表面张力与界面黏性力主导的喷射流形成机理。小质量流率时，喷射流诱发环状流上游气液界面波动，界面波动在界面黏性力的作用下逐渐生长。这与大质量流率时，流向下游并逐渐生长的界面波动导致流型转换的机理不同。

水合盐相变储热材料普遍存在的过冷和相分离现象是影响其热稳定性和热性能的关键问题。以中低温水合盐相变储热材料三水醋酸钠（SAT）为研究对象，采用熔融共混法将羧甲基纤维素（CMC）和十二水磷酸氢二钠（DHPD）作为添加剂对三水醋酸钠进行了改性研究，通过各成分的配比优化制备了高性能相变储热复合材料，利用DSC及熔融-凝固装置对改性材料进行了热物性和稳定性的测试，分析了不同质量分数的添加剂对相变储热复合材料的相变焓、相变温度、过冷度及相分离现象的影响；在此基础上采用改性的SAT相变储热复合材料构建了高密度储热器并搭建了相变储能热水实验系统，研究了不同运行工况下相变储热器的储/放热性能。结果表明：添加0.5% CMC和2% DHPD的相变储热复合材料有效改善了纯SAT的相分离严重和过冷度大的问题，具有良好的热稳定性，多次循环后复合样品的相变焓为258 kJ·kg^-1，相变温度为57℃，过冷度在2℃以内；相变储能热水系统在不同放热工况下出口水温度均超过50℃，放热过程中相变材料温度变化平稳，储热器的储放热效率高于90%，放热功率大于10 kW，且随着入口水温下降，放热功率、放热量及储放热效率都提高，相变储热器的储能密度是传统水箱的2.6倍。

通过数值模拟及实际动态试验，研究了盐浴结构焦炉上升管换热器内的温度场和荒煤气流场，得到了换热器内温度和荒煤气速度的变化规律。研究结果表明，上升管换热器内荒煤气的流动处于层流入口段状态；沿上升管换热器径向，荒煤气温度在内筒壁及其扩展的直翅片附近迅速下降，在中心处的变化较小；直翅片的温度场呈现下部高、上部低、翅顶高、翅根低的趋势；整个炼焦周期内，上升管换热器的内筒壁温可控，可避免荒煤气中焦油蒸气的大量凝结。

针对应用广泛的简单多级环流反应器，研究了级间隙高度和表观气速对其混合和传质的影响规律。发现简单多级环流反应器的各级存在着非正常流动、过渡及正常流动三个典型流动状态，且流动状态的转变存在着受级间隙高度影响的两个临界表观气速，并提出了相应的预测模型。研究结果表明：级间隙高度越大，多级环流反应器内形成正常流型所需的表观气速越大；各级上升管和降液管的气含率会增高，且相同条件下第三级气含率最大，第二级次之，第一级气含率最小；各级的循环液速会增大，且第一级循环液速最大，第二级次之，第三级最小；混合时间会缩短，而传质系数会增大。本研究可为工业多级环流反应器的科学设计、放大和操作提供重要指导。

利用实验手段对梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离行为特性进行了探究。实验工质为去离子水、浓度分别为400 mg·L^-1和800 mg·L^-1的正庚醇溶液。梯度金属泡沫材质为铜和镍，铜泡沫层和镍泡沫层厚度均为4 mm，孔密度分别为40 PPI和10 PPI。实验结果表明：添加正庚醇会使池沸腾气泡脱离直径变小，数目减少，但其浓度变化影响不明显；在热通量6.6×10⁴ W·m^-2沸腾时，观察到气泡脱离金属泡沫骨架阻碍两种常见运动形式：气泡破裂和整体滑移；当热通量增加到1.0×10⁵ W·m^-2时，相邻的两个气泡在梯度金属泡沫内合并成一个大气泡脱离金属泡沫。

设计制作了带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管，蒸发器的铜板尺寸为40 mm×40 mm×3.5 mm，内部含有平行圆通道，通道内径为2 mm；热管的冷凝段则由内、外径分别为2 mm和3 mm的铜毛细管构成。以乙醇和去离子水为工质，对该脉动热管在不同放置方式（竖直、水平和侧放）和体积充液率（20%～70%）下的启动和传热性能进行了比较研究。实验结果表明，充液率介于30%～70%之间时脉动热管大都能正常启动且稳定运行，表现出优异的传热性能。热管的启动温度随着充液率的提高而升高，启动温度由低到高排列顺序为竖直、侧躺和水平放置。竖直放置时该热管的传热性能优于水平放置，且两种放置情况下的传热性能总体上均随着充液率的减小而提高。相比于乙醇，使用去离子水时该脉动热管拥有更低的蒸发段平均温度，显示出更好的传热性能和均温性。

选用单晶硅片和聚四氟乙烯（PTFE）膜作为基底，采用四种浓度的乙醇水溶液，研究水-乙醇二元混合液滴在固体表面上的蒸发规律。实验结果表明，添加乙醇缩短了液滴的蒸发时间，减弱了液滴的钉扎效应，使得固着液滴更容易发生滑移。并且，在同一蒸发阶段可能同时存在着两种液体的蒸发，但当乙醇浓度较高时，乙醇先于水蒸发。对于硅片表面，当乙醇浓度到达30%时，第一阶段为纯乙醇蒸发；而对于PTFE表面，该乙醇浓度阈值为20%，即固体表面的亲疏水性会影响混合液滴中两组分的蒸发次序。

利用二维高速粒子图像测速技术研究双组分层水平对置撞击流湍流场，考察了双组喷嘴在不同Re、不同直径及上下径向射流不同工况下的流动结构，对速度场进行POD分解，提取流场中含能大尺度结构。结果表明，低阶本征模态拥有大尺度涡旋结构，流场涡旋结构明显，瞬时流场能量主要集中在一阶模态，易于描述整个流场的流动特征，脉动场的模态重构可以准确还原流场中的涡结构。L=3d工况下，不对称流场能量高于对称流场；低阶模态能量随喷嘴Re的增大而增大，而随喷嘴直径增大呈先递增后递减的趋势，直径d=10 mm的工况下所对应的一阶模态能量最高，涡强最大。

在气液两相环状流中，界面波是两相间质量、动量和能量转移的重要载体，对其特性参数（波速、波频和波幅）的研究具有重要意义。首先根据气液两相流界面波分类，对其特征进行了定性描述。针对现有的界面剪切力推导了界面扰动波速度预测模型，考虑了气核中夹带液滴引起的密度增量及气核与液膜表面相对速度的影响，得到了改进的垂直管环状流扰动波速预测模型。针对工业现场工况压力较高现状，设计了基于近红外吸收衰减技术和互相关原理的界面波波速测量传感器，在五种压力（0.2～0.9 MPa） 154个界面波波动速度条件下进行了实验。结果表明，改进后模型预测效果良好，相对误差在±10%左右，在不同系统压力条件下具有一定外推性。

针对塑料换热管热导率低的问题，采用非溶剂致相分离法（NIPS），通过控制铸膜液中磺化聚醚砜（SPES）添加量，制备出具有致密层/非致密层复合结构，外表面接触角分别为49.8°、78.1°的中空纤维表面亲水（PVDF/SPES）、表面疏水（PVDF）换热管，在非致密层内填充水，从而提高换热管导热性能。将单根的表面亲水、疏水换热管编织，在列管式塑料换热器壳程，利用两根换热管的外表面，构建蒸汽冷凝用亲/疏水组合表面，研究该表面上蒸汽冷凝传热强化效果。研究表明，较熔融拉伸法制备的致密PVDF换热管疏水表面，NIPS法制备的亲水表面、疏水表面及亲/疏水组合表面上的蒸汽冷凝总传热系数分别提高46.6%、56.5%、99.7%。可见，较单一的亲水或疏水表面而言，亲/疏水组合表面能够显著强化蒸汽冷凝传热性能。

通过络合-沉淀法合成氧化铜纳米颗粒，制备铜颗粒的直径在40～100 nm，晶型为正六面体。利用“两步法”制备水基氧化铜纳米流体。考察了不同质量分数纳米流体的热导率、接触角变化和加热表面颗粒沉积对核沸腾传热性能的影响，并利用可视化记录沸腾过程气泡行为。结果表明：在测试质量分数范围内，传热系数随热通量增加而增大，当质量分数达到0.1%时，强化率最大为146.1%。经过分析可知纳米流体的接触角度、热导率、颗粒沉积以及颗粒扰动对水基氧化铜纳米流体强化传热作用均有影响。通过高速摄像采集质量分数0.07%纳米流体沸腾过程验证结论的可靠性。并对纳米流体核沸腾传热过程建立气泡动力学经验模型，模型计算结果与实测值相对偏差在±10%以内。

从换热器防腐和强化传热的角度出发，对铜板表面进行不同的涂膜处理：聚丙烯酸酯（PA）单双面涂膜、MWCNTs/PA复合材料单双面涂膜和无涂层铜板。通过对流换热实验，研究不同处理条件下的传热系数。结果表明，经PA处理过后的铜板传热系数明显降低。与无涂层铜板相比，单、双面PA处理的铜板传热系数分别下降21.91%和40.00%。经MWCNTs/PA复合材料处理过后的铜板传热系数得到了提高。与无涂层铜板相比，单、双面MWCNTs/PA处理的铜板的传热系数分别提高了16.74%、27.49%。

利用自行开发的采集处理程序采集3 mm喷嘴释放的连续气泡上升阶段的声发射信号，提取声信号波包并计算声信号参数。基于k-均值聚类分析方法对孔口气速1.42 m/s时的声信号波包进行分类处理，分析各分类声信号参数统计规律。通过快速傅里叶变换和小波分析方法分析各分类声信号的时频特征，结合气泡运动图像对声信号进行有效识别，研究了多个气速下的分类规律。结果表明，基于k-均值聚类分析的时频分析方法得到的各分类声信号具有一定的相似度，结合高速摄像技术，可以有效分析气泡上升运动声信号，识别气泡振荡、破碎、聚并等运动形态。

液膜流动现象在工业过程中广泛存在，对流动液膜厚度测量方法的测量研究至关重要。首先利用已知液膜厚度的标准具（100～1000 μm）对超声脉冲反射法和激光吸收光谱法精度进行验证；结果表明，超声脉冲反射法测量液膜厚度的平均测量误差为1.07%，激光吸收光谱法测量液膜厚度的平均测量误差为1.29%。同时结合两种方法对流动液膜进行研究，结果表明，当液膜在低速/中速/高速流动时，两种方法测量流动液膜的平均厚度吻合良好，平均厚度差值分别为16.59、16.26、13.36 μm，流动液膜厚度的标准方差的相对偏差分别为0.29%、7.71%、25.37%，且在三种不同速度下两种方法测得在1s的周期内液膜波动次数一致。

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快，并且随着热通量的增大，液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主，在蒸发后期呈现混合蒸发模式，全程未出现CCA模式。

对合成气甲烷化反应体系进行CFD（计算流体动力学）计算，并对模型提出合理的改进。通过建立合理的甲烷化梅花状催化剂颗粒三维模型进行计算，并验证了模型的有效性。结果表明：甲烷化反应内扩散阻力很大，CO在催化剂表面与内部存在明显的浓度差。且H₂与CO扩散速率不同，导致催化剂内部的氢碳比很高，内部的反应条件与催化剂表面相比发生改变，使用单一的动力学方程无法准确描述实际的反应过程。因此，提出对催化剂的不同区域分别讨论，根据催化剂内CO含量的变化将两种不同的动力学方程分别应用在催化剂的不同区域。计算后发现采用两种动力学控制下催化剂内甲烷化反应的平均反应速率加快，反应进行的程度变大，更加接近实际过程，提高了计算的精确性。

锌粉催化苯乙炔与氯硅烷的硅烷化反应产物中会形成约33%端烯副产物。通过添加有机物作为H捕捉剂，利用气相色谱对产物进行分析，研究其对抑制端烯副产物形成的影响。实验结果表明，当使用吡啶和1，8-二氮杂二环十一碳-7-烯（DBU）时，可有效提高选择性。分别对有机添加剂的浓度、反应时间和温度进行了优化。浓度优化结果表明，添加6 mol吡啶或DBU时，副产物含量均明显降低，转化率相对提高，且添加吡啶时效果更显著。添加6 mol吡啶时，继续考察反应时间和温度的影响，结果发现，反应20 h后，转化率较高，延长反应时间不再明显提高反应的选择性和转化率；提高温度有利于提高转化率，但不利于提高选择性，110℃下反应转化率较高，100℃反应时选择性最好。

基于丝光沸石（MOR）催化合成乙酸甲酯稳定性较差及传统碱处理MOR较难引入多级孔的特性，提出了利用超声波对MOR进行碱处理脱硅改性以制备多级孔MOR的技术。采用XRD、SEM、TEM、吡啶红外和N₂吸-脱附等手段对催化剂进行了表征，分别考察了超声波在不同碱浓度处理改性条件下对分子筛催化剂骨架结构、酸性质、孔结构以及催化合成乙酸甲酯性能的影响。结果表明，通过超声波及合适浓度的NaOH碱溶液处理后，MOR分子筛的酸量、介孔孔容、比表面积都增加、孔径分布变宽，催化剂的活性和稳定性等催化性能得以改善。改性后的MOR催化剂二甲醚（DME）转化率由35.3%增加到44.8%，使用寿命大大延长，但碱液浓度过高会严重破坏MOR分子筛骨架结构，催化活性及稳定性快速下降。

催化剂的形态及晶粒的组装对其催化性能有重要影响，采用硅烷化处理对Mo基催化剂表面酸性进行毒化制备了核壳型（Mo基催化剂@Silicalite-1）复合材料；采用四丙基氢氧化铵或正丁胺有机弱碱对Mo/HZSM-5进行刻蚀，然后经过脱硅再结晶分别制备了表面富硅型中空结构Mo/HZSM-5微球和表面富硅、核内含有多级孔道的Mo/HZSM-5微球。采用XRD、TEM、N₂等温吸脱附和NH₃-TPD对催化剂结构进行表征，并考察了三种不同后处理方法对Mo基催化剂在甲烷无氧芳构化反应中催化性能的影响。硅烷化和有机碱处理均能够调变Mo/HZSM-5催化剂的表面酸性，而经有机碱处理以后，催化剂结晶度、介孔比表面积和孔容均具有不同程度的增加，三种不同后处理方法均能改善Mo/HZSM-5催化剂的反应稳定性，对产物的分布也产生了显著影响。

江西某炼铜炉渣含铜量高，具有较高的经济价值。由于该铜渣中铜矿物以氧化矿为主，且硫化矿表面被氧化，直接浮选铜回收率低、经济效益差。通过添加活化剂，活化氧化铜矿物，并利用响应曲面中心复合设计原理对浮选工艺条件进行优化，研究氧化钙、硫化钠、Z-200对浮选效果的响应。结果表明，Z-200用量是影响精矿品位和回收率的主要因素，且各响应因素间存在交互效应，在CaO用量为25 g/t，Na₂S用量为500 g/t，Z-200用量为100 g/t的最优条件下，闭路试验获得精矿平均品位12%，精矿铜回收率为86.57%，采用该浮选优化工艺能获得较好的回收效果。

随着环保问题越来越得到重视，无化学药剂添加的阻垢方法也愈加引起研究者的关注。磁处理被一些研究者认为是一种无污染、低成本的物理防垢方法，但其在工业应用中的有效性和作用机制仍存在很大争议。以碳酸钙结晶体系为研究对象，新设计了磁场作用范围宽窄两种形式的磁处理装置，着重考察了与工业应用密切相关的处理水量与磁处理效果间的耦合关系。结果表明，当处理水量较小时，磁处理可促进碳酸钙的均相成核，使生成的晶体粒径变小数量增多，总沉积量增大，并且磁处理效果在一定转速范围内随旋转磁场转速的增加而增强。此外发现，旋转磁场与水量有明显的耦合关系：当磁处理条件不变而处理水量增大时，磁处理效果就会减弱；当处理水量一定而强化磁处理条件时，磁处理效果就会增强。先磁处理一部分溶液再逐步添加溶液进行的分步磁处理实验表明，该法可提高大水量条件下碳酸钙的去除率，使磁处理效果更为明显，同时表明了处理水量与磁场相匹配耦合的重要性。

利用交联反应在PVDF超滤膜表面创新性的构建含有萃取剂磷酸二异辛酯的聚二甲基硅氧烷-正硅酸乙酯体系萃取凝胶膜（EGM）；并对其基本物理化学性质进行了表征。研究了EGM过程中料液相循环方式、料液相及反萃相浓度与流量、水相温度、组件装填密度等工艺条件对镍离子传质性能及EGM运行稳定性的影响规律。9 h实验结果表明在室温水相温度为22℃条件下，当工艺运行条件为料液相流量1900 ml·min^-1、反萃相流量93 ml·min^-1、组件装填密度14%、料液相循环于壳程时，EGM对镍离子的萃取性能及稳定性达到最佳值。在此基础上，对该系统进行了60 h稳定性实验，并与传统支撑液膜进行了对比。结果显示传统支撑液膜持续运行35 h后通量降为0，衰减率为100%；而EGM持续运行60 h后通量衰减率仅为27.1%；同时EGM初始传质通量相比于传统支撑液膜提高了6.8倍，体现了EGM过程在传质通量大幅提升和长期运行稳定性显著增进方面具有双重优势。

提出了一种垂直双隔板的分离四组分混合物的隔壁塔，对该塔的结构设计进行了详细的介绍和说明，根据新型隔壁塔的塔板结构和分离原理设计了该种塔板的五塔模型并进行了简洁计算。针对烃类体系四组分分离的完全热耦合过程，通过化工流程模拟软件Aspen进行了模拟优化和用能分析，相比一般的序列塔分离工艺，节能最高可达18.6%，节能效果明显。根据工艺模拟结果，以分离戊烷、己烷、庚烷、辛烷为研究对象，对新型塔板进行了小试研究。研究结果表明：影响新型隔壁塔温度分布的主要因素是液相分配比，可通过控制新型隔壁塔主塔段二塔顶冷凝器的回流量来控制主塔段二的温度分布。研究为隔壁塔气相分配的工业化提供了理论依据和设计参考。

对硝基苯酚为硝基芳香族化合物中极具代表性的一种物质，且已在环境中大量检出。为了提高土壤地下渗滤系统对硝基苯酚的吸附性能，采用氧化铁覆膜的方法对含水层介质进行了改性。由性能测试结果可知，氧化铁砂的表面形态主要为无定形态的絮状体或孔隙，且其比表面积为原砂的2～4倍。通过改性前及改性后其静态吸附动力学及等温吸附模型研究结果可知，覆膜氧化铁砂的吸附行为主要为化学吸附，且改性后材质极易吸附对硝基苯酚。颗粒吸附扩散模型计算结果可知，氧化铁砂吸附对硝基苯酚的扩散形式是表面扩散以及孔隙扩散，并且孔隙扩散作用高于表面扩散作用。Mini柱实验表明，吸附作用与溶质在介质中的滞留时间密切相关，因此在SAT运行过程中应将流速控制在适当的范围。

采用喷雾干燥结合热处理法制备花瓣状的MgO，通过对热处理温度的调整，实现MgO表面形貌的调控。研究了所制备MgO粉末作为吸附剂对刚果红的吸附性能，当热处理温度为400℃，得到花瓣状的MgO纳米结构，比表面积达到140.5 m²·g^-1，且对刚果红溶液的饱和吸附量约为1480 mg·g^-1。它们对刚果红的吸附能力比报道的其他花瓣状结构的金属氧化物要高。此外，对其吸附模型、吸附动力学以及吸附机制进行探究，表明吸附过程符合Langmuir吸附模型，所制备样品对刚果红溶液的吸附过程可以由准二级动力学来描述。所制备的花瓣状MgO其高效的吸附性能，使其成为非常有前景的吸附剂用于去除污水中的刚果红染料。

单宁与多聚甲醛交联合成单宁酚醛聚合物，再以环氧氯丙烷为交联剂，将单宁酚醛聚合物与纤维素通过反相悬浮交联制备球形聚合单宁-纤维素树脂。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）对球形聚合单宁-纤维素树脂的结构进行了表征，并考察了球形聚合单宁-纤维素树脂对盐酸小檗碱的吸附性能。结果表明，球形聚合单宁-纤维素树脂具有多孔的结构，树脂网络中含有大量的酚羟基；球形聚合单宁-纤维素树脂对盐酸小檗碱具有较好的吸附性能，当盐酸小檗碱浓度为600 mg·L^-1、吸附温度为298 K时，最大饱和吸附量可达245.92mg·g^-1；球形聚合单宁-纤维素树脂对盐酸小檗碱的吸附过程符合Langmuir吸附等温模型和准二级吸附动力学方程，热力学研究数据表明球形单宁-纤维素树脂对盐酸小檗碱的吸附是一个自发放热的物理吸附过程。该树脂在分离提纯生物碱方面具有潜在的应用前景。

针对工业过程故障识别的需要和实际工业数据小比例有标签、大比例无标签的特点，研究了基于深度学习的半监督故障分类方法。在半监督阶梯网络的基础上，通过对网络结构和损失函数的改进，提出了半监督密集阶梯网络算法。该算法改进了原始的网络结构，添加了各层之间的密集连接，尝试最大化阶梯网络内部的数据信息流，使得各编码解码层之间的特征得以传递和复用。针对损失函数的特点，添加了无噪声编码层的预测输出损失，确保训练目标与模型输出一致。实验结果证明了所提出的新方法能在工业过程的小比例有标签数据情况下，获得理想的分类效果。

针对传统核主元分析（KPCA）方法难以有效检测微小故障的问题，提出一种基于双层局部核主元分析（double-level local kernel principal component analysis，DLKPCA）的非线性过程微小故障检测方法。该方法从变量和样本两个角度来挖掘数据内部的局部信息，以提高故障检测能力。首先，利用变量分块思想，基于不同变量与核主元之间互信息相关度的相似性，将所有过程变量划分多个局部变量块。然后，构建基于得分向量和特征值的残差函数以挖掘样本局部信息。最后利用贝叶斯融合策略对各块的结果进行融合。在田纳西-伊斯曼基准过程的仿真结果表明，在微小故障检测方面，本文所提方法具有比传统KPCA方法更好的故障检测性能。

在污水处理运行过程中，多个重要的难测过程变量的存在，不仅妨碍了生产过程的监控，而且阻碍了过程控制策略的调整或优化。即使软测量模型得到合理的构建，在投入运行后仍然遭受性能的退化和同时带来的高昂的维护成本。此外，合适辅助变量的选取直接影响后续建模的效果。因此，文中提出了一种基于深层神经网络的多输出自适应软测量模型，用于污水处理过程中多个目标变量的同步在线预测。其中，深层神经网络基于一种栈式自编码而构建，在极端复杂场景下具有优异的在线预测性能；并在建模中引入时差建模和变量重要性投影（VIP）这两种算法，以应对性能退化问题和实现辅助变量的精选。最后，通过一个实际案例对所提出模型进行验证。结果表明，所提出的软测量模型不仅具有较好的多输出预测性能，且在单目标预测结果上也有不错的表现。

污水处理过程的故障诊断数据具有高度不平衡性，影响了故障诊断效果，尤其是降低故障类别的识别正确率，导致出水水质不达标、运行费用增高和环境二次污染等问题出现。据此提出一种基于加权极限学习机集成算法的污水处理故障诊断建模方法。该方法将不平衡分类评价指标G-mean引入以加权极限学习机为基分类器的AdaBoost集成分类模型，定义新的基分类器初始权值矩阵更新规则和集成权重计算公式，用于基分类器的迭代学习。由仿真实验结果可知，基于加权极限学习机集成算法的污水处理故障诊断模型，可有效提高分类性能G-mean值和整体分类精度，特别提高了故障类的识别正确率，验证了基于加权极限学习机的集成算法在不平衡性污水处理故障诊断问题上的有效性。

线性变参数系统（LPV）将多阶段、非线性的过程建模转化为线性多模型的辨识问题，是解决非线性过程建模的一个有效手段。由于实际工业过程存在各种干扰因素，导致被建模系统呈现随机性及模型参数的不确定性。针对这一问题，考虑采用变分贝叶斯（VB）算法对LPV模型进行辨识。该算法首先给定参数相应的先验分布，通过最大化目标函数的下界，从而估计得到参数的后验分布。不仅可实现对参数的点估计，同时量化了估计值的不确定性。针对典型二阶过程和连续搅拌反应釜（CSTR），运用提出的算法进行仿真实验，表明了该贝叶斯估计方法的优越性。

强制进化随机游走算法（random walk algorithm with compulsive evolution，RWCE）具有进化策略简单、控制参数少、全局搜索能力强等特点，是换热网络优化的一种有效方法。鉴于步长对RWCE算法跳出局部最优解有重要的影响，针对RWCE算法的步长分布进行研究，通过分析大步长在局部极值跳出中的作用机理，建立了一种全新的步长组合生成方法，并据此提出了一种大步长激励的结构进化策略。最后，通过3个算例验证了结构进化策略的有效性，与文献结果进行对比，结果表明大步长激励的结构进化策略提高了算法的全局搜索能力。

煤气、蒸汽和电力是钢铁联合企业能源系统的重要组成部分，其消耗占钢铁企业总能耗的60%左右。合理地制定能源系统的生产以及燃料消耗、电力采购计划，对企业降低成本、减少环境污染有着非常重要的意义。针对煤气-蒸汽-电力系统的燃料结构、设备类型、工况变化等特点，以经济运行成本和环境成本最小为目标函数，建立了针对该系统的耦合优化模型。该模型综合考虑了富余煤气的波动、蒸汽和电力的动态需求、多燃料结构、分时电价等影响因素，并使用GAMS进行优化求解。将模型应用到某大型钢铁联合企业，结果表明该模型能够为钢铁企业煤气-蒸汽-电力系统提供合理的生产计划方案，实现了富余煤气的合理分配以及能源的高效利用，降低了能源系统运行成本，提高了企业的经济效益和环境效益。

现代工业产品的生产往往需要多个生产阶段，多阶段生产过程的故障检测成为一个重要问题。多阶段过程数据具有多中心、各工序数据结构不同等特征。针对多阶段过程数据的特征，提出了基于双近邻标准化和主元分析的故障检测方法（DLNS-PCA）。首先寻找样本的双层局部近邻集；其次使用双层局部近邻集的信息标准化样本，得到标准样本；最后在标准样本集上使用主元分析方法进行故障检测。双局部近邻标准化能够将各阶段数据的中心平移到同一点，并且调整各阶段数据的离散程度，使之近似相等，从而将多阶段过程数据融合为服从单一多元高斯分布的数据。进行了青霉素发酵过程故障检测实验，实验结果表明DLNS-PCA方法相对于PCA、KPCA、FDkNN等方法对多阶段过程故障具有更高的检测率。DLNS-PCA方法提高了多阶段过程故障检测能力。

基于贝叶斯网络（BN）的开放式结构，将现场观测信息融入到BN中，用以改善故障诊断性能。引入距离拒绝机制，以确定在故障为假时传感器测量参数的概率分布。提出了一种基于融合的BN的冷水机组故障诊断方法，该方法能够检测新故障和动态更新故障库。使用ASHRAE RP-1043的故障实验数据对提出的方法进行验证，结果显示：提出方法对新故障NF1的检测正确率为99.8%，现场观测信息的融入将新故障NF2的检测正确率提高了32.6%，并将已知故障rl（制冷剂泄露）和ro（制冷剂充注过量）的诊断正确率分别提高了4.8%和11.2%。

针对塑料模具在玻璃纤维冲蚀下造成的表面磨损问题，运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了模具材料多颗粒冲蚀有限元模型，进行三维显式冲击动力学计算，研究纤维在不同冲蚀速度和冲蚀角度下对模具的冲蚀规律，分析冲蚀机理。结果表明，玻璃纤维对模具的冲蚀过程以微切削为主；玻璃纤维对模具的冲蚀磨损率随着冲蚀速度的增加而增加，随着冲蚀角度的增加而呈现先增加后减小的趋势。

机械密封覆层密封环能够综合利用耐磨覆层与韧性基体材料的优良特性，但其应用主要依靠经验，缺乏针对其性能的研究。利用ANSYS软件建立釜用机械密封动环、静环和静环座组成的热-结构耦合模型，综合考虑覆层端面变形、液膜反压和密封环温度之间的相互作用，并试验验证了分析模型的正确性。分析覆层结构和材料组合对密封端面最大端面比压与速度的乘积（P_bV）_max、最高端面温度T_max，覆层表面最大拉应力σ_max、主界面最大切应力τ_max、侧界面最大切应力σ_cmax和最大法向拉应力τ_cmax的影响，并确定最佳的覆层结构和材料组合。分析结果表明：覆层厚度、覆层与基体的热膨胀系数比和弹性模量比的变化主要影响覆层表面最大拉应力；覆层端面设计中，覆层厚度取值宜在0.4～0.6 mm，喷涂角度宜取15°～30°，覆层与基体的热膨胀系数比宜在0.5以上，弹性模量比宜在2.5以下。

针对抗体纯化过程中脱落蛋白A的清除，设计和制备了以N-苄基-N-甲基乙醇胺为功能配基的混合模式层析介质Adhere NUPharose FF，该配基兼有疏水、静电和氢键作用。采用烯丙基缩水甘油醚活化法，并对琼脂糖微球基质的活化和配基偶联条件进行了优化，优化后活化密度达260 μmol·ml^-1以上，配基密度达120 μmol·ml^-1。同时以抗体和蛋白A的混合物为研究对象来考察该介质对抗体中蛋白A的清除能力，结果表明对蛋白A的有效去除率达到83.1%，为抗体制品中蛋白A的清除提供了一种可行性方法。

单克隆抗体（简称单抗）是最重要的生物技术药物，随着产业规模的持续扩大和同行竞争的不断加剧，制备流程的合理性和过程经济性越来越受到重视。本文采用生物过程模拟软件SuperPro Designer分别建立了500、2000、5000和15000 L四个培养规模的单抗制备流程，通过过程分析和成本核算，确定经济热点并提出相应的优化策略。结果表明，单抗制备的规模效应明显，随着规模扩大，生产成本显著降低，经济热点从设备相关成本转移到原材料和消耗品，主要包括无血清培养基和蛋白A亲和层析介质。上游优化的关键是提高细胞的单抗表达量，当表达量达到5 g/L以上时，对成本影响减弱，转为下游过程控制；下游优化的重点在于蛋白A亲和层析介质，包括载量、价格和循环使用次数；整体优化可利用交错模式，采用三个主生物反应器配置一条下游生产线，其中生产规模和设备成本是关键。研究表明，通过合理的过程模拟和经济评价，可以充分了解单抗制备过程的关键热点，提出合适的优化策略，提高生产效率，降低制备成本。

采用SMT方法研究磷在热解产物中的赋存形态和分布。结果发现，热处理促进污泥中有机磷（OP）向无机磷（IP）转化。热解温度在800℃以下时，污泥中的磷富集在热解后的污泥固体中。随热解温度升高，污泥中全磷（TP）、无机磷（IP）和磷灰石无机磷（AP）的含量均表现出逐渐升高的趋势，非磷灰石无机磷（NAIP）含量则表现出先升高再降低的趋势。热解温度升高会促使NAIP向AP转化，800℃时AP含量达到最大。污泥中NAIP的主要存在形式为磷酸铝盐和磷酸铁盐，磷酸钙盐含量随温度的升高逐渐增加。污泥中正磷酸单酯和焦磷酸盐受热转化为正磷酸盐，热解后的污泥中磷基本以正磷酸盐的形式存在。该结论为污泥的无害化、资源化利用提供了理论支持。

以脱钠赤泥、粉状褐煤为原料，羧甲基纤维素钠为黏结剂，采用碳热还原法制备了可替代商业铁炭微电解填料的廉价铁炭材料，用于去除废水中的Cr（Ⅵ）。考察了不同的制备参数（炭化温度、炭化时间、赤泥/煤质量比）和吸附条件（溶液pH、浓度），以提升Cr（Ⅵ）去除效果。结果表明质量比（赤泥/煤）为1/3、800℃炭化1h的赤泥/煤基铁炭材料，可达到最大Cr（Ⅵ）吸附量（4.03 mg·g^-1）、最低铁溶出量（< 0.19 mg·g^-1）和最大比吸附量（12.97 mg·g^-1，由Langmuir吸附等温线模型算出）。赤泥/煤基铁炭材料对Cr （Ⅵ）的吸附等温线符合Freundlich方程，其吸附动力学可用准一级或准二级动力学方程来描述。多种表征（XRD、XRF、BET和SEM等）结果进一步表明赤泥/煤基铁炭材料比商业铁炭填料具有更高的铁还原度、更大的比表面积和孔容以及更好的颗粒分散度，使其具有更好的Cr（Ⅵ）的去除效果。

以水稻秸秆为原料，在30 L搅拌发酵罐中55℃下进行厌氧发酵产沼气实验，探索外源H₂的连续导入对发酵过程的影响。结果表明：外源H₂的导入可以实现沼气的原位提纯，CH₄相对平均体积分数从69.6%可提高到94.4%（搅拌速度100 r·min^-1），同时CO₂相对平均体积分数从30.4%降低至5.6%（搅拌速度100 r·min^-1）；对比无搅拌的小试装置，搅拌速度为50 r·min^-1时，搅拌可将外源H₂的利用率从91.0%提高到93.1%，转化率从85.0%提高到96.8%；外源氢的导入可明显促进丙酸、丁酸和异丁酸的降解，可有效地避免发酵过程中VFAs的累积问题，同时搅拌的加强对发酵体系乙酸分解产CH₄和沼液中CO₂的消耗也有明显的促进作用，最终使得沼液的pH略有上升；外源H₂的通入与搅拌改变了发酵系统内的微生物群落组成比例，但并未对系统内的产CH₄微生物群落结构产生明显的影响。

为改善工业窑炉以及锅炉低负荷运行工况下的脱硝特性，本文对甲胺作还原剂的选择性非催化还原（SNCR）脱硝特性进行了实验研究，探讨了各控制因素对脱硝特性的影响以及分析了反应机理。实验结果表明：脱硝效率随反应温度呈双峰特性，拐点温度为750℃，最佳温度窗口为450～600℃；脱硝效率随氨氮比（NSR）增大而升高，反应产生的副产物NO₂和N₂O浓度随之增大；氧含量对SNCR脱硝特性具有双重特性，高浓度和低浓度氧气均对脱硝反应不利；物料浓度随NO初始浓度增加而增大，脱硝效率和副产物也提高； SO₂浓度越高，脱硝效率下降越多；水汽含量增大，脱硝效率也随之增大。本文的实验结论有助于SNCR脱硝工艺应用于工业窑炉以及优化锅炉低负荷运行时的脱硝特性。

采用FLUENT多相流模型对生物接触氧化池悬浮生物填料流动特性进行数值模拟，分析了改变氧化池长宽比及调整曝气强度分布对改善填料分布状态的可行性。研究表明，通过添加隔墙将曝气池分成4个区后，分区内形成较明显涡流流场，改善了悬浮填料的空间分布均匀性；通过对分区内曝气强度分布进行优化，悬浮填料在氧化池内的混合状态得到进一步改善，氧化池末端和边壁不再发生填料团聚现象。因此，合理设计反应池的长宽比及优化曝气强度分布对悬浮生物填料能否在氧化池内混合均匀起到关键作用。

在发电柴油机台架上，通过SMG 100颗粒分析仪、Testo 350烟气分析仪等设备测试了加装DOC和SCR后柴油机在额定转速时6个工况点的排放特性，分析了DOC对CO、NO_x和PM的影响，以及不同功率和喷氨量时SCR的脱硝率。结果表明，温度对DOC影响很大，当温度高于250℃，CO的脱除率在96%以上。在中低负荷时，DOC对PM的质量浓度脱除率在76%以上，但在满负荷时，由于柴油机燃烧快速恶化，PM浓度快速增大，此时的PM脱除率仅为36%。DOC能将NO转化为NO₂，但对NO_x的总浓度几乎不产生影响。SCR受温度和氨氮比的影响比较大，当温度高于250℃，氨氮比为1时，脱硝率几乎达到100%。通过与多篇文献的对比分析，采用功率与催化剂体积之比作为钒基SCR的初期选型参数可能更加合适。

我国每年污泥总产量逐渐增加，在其处理过程中普遍对含水率要求较高。采用热泵技术进行污泥低温干化，是一种既节能高效又不受地域限制的方法。但由于污泥的低温热干化特性尚不清楚，本文将通过在恒温恒湿箱中分别控制温度和污泥粒径两个单一变量，探究低温下二者对干化速率的影响，用曲线拟合得到直观的变化规律；并使用自主设计的立式污泥干化台架，对比探究铁-钙-碳基调理污泥在低温干化和传统干化下的水分释放特性。结果表明即使在60～80℃下，干化速率随温度升高仍然明显加快，干化时间缩短量与温度升高量满足递减的2次拟合多项式；而干化时间随污泥颗粒质量的变化满足递增的3次拟合多项式，所得拟合关系式适用于多种污泥；铁-钙-碳基调理剂可以显著提高污泥干化性能，稻壳和CaO会增加污泥孔隙和热导率，且稻壳在低温干化前期效果更明显。

导电性可调控的还原氧化石墨烯（rGO）在结构功能材料和化工新材料等领域具有重要的应用前景。本文利用水热还原法实现了rGO的绿色制备，并通过调控反应温度和时间，获得了电导率可控的rGO产品，其电导率范围为10^-4～1 S·cm^-1。采用UV-vis、FT-IR、XPS、SEM、XRD和Raman等表征方法系统研究了rGO还原过程中结构与组成的变化。发现GO还原过程中，其含氧官能团于120℃时开始明显分解，高于140℃后含量显著降低，GO片层sp2区域逐渐恢复，电导率逐渐增大到1 S·cm^-1，同时层间距从8.2 Å减少到3.6 Å（1 Å=0.1 nm）。对比热还原法，水热法有效避免了rGO片层的堆叠，产物分散性较好，有望规模化制备导电性可控的rGO产品。本研究成果对rGO生产和应用具有重要意义。

为了解决建筑3D打印材料的性能、成本及技术应用等问题，通过以工业固体废弃物为原料制备了硫铝酸盐胶凝基质材料，配以促凝剂、缓凝剂等形成的建筑3D打印粉体，并应用多物理场耦合软件对同一喷嘴结构不同水灰比（W/C）下喷出浆体速度及质量的影响规律进行仿真计算。结果表明：以工业固体废弃物为原料能成功制备达到GB-2007-R525的硫铝酸盐胶凝材料，且经过外加剂改性后凝结时间可控制在10～30 min，2 h抗压强度15～20 MPa，后期强度稳定；水灰比高于0.6，打印浆体出现堆叠、坍塌的现象，影响打印精度及打印构件质量；水灰比低于0.4，喷射浆体会出现拖尾，影响打印速度，最终确定水灰比在0.5附近较适合相应尺寸喷嘴的3D打印应用。

结合微波驱动原理、聚离子液体（PIL）及形状记忆聚合物的结构特性，目的是设计合成完全基于聚合物、能在微波驱动下快速回复的聚离子液体/聚乙烯醇（PVA）形状记忆复合材料。首先合成了乙烯基咪唑功能性离子液体单体（[ViEtIm][BF₄]，ILM），之后在含有戊二醛的PVA溶液中对ILM进行原位聚合生成PIL，将PIL引入到交联PVA中，形成聚乙烯基咪唑PIL/PVA形状聚合物复合材料（SMPC）。用核磁对ILM和PIL的结构进行了表征，证明了所合成目标化合物的结构准确性。介电性能测试结果显示PIL/PVA有较高的介电常数和介电损耗，当P[ViEtIm][BF₄]含量从0增加到30%时PIL/PVA复合材料的介电损耗因子呈增大趋势，可见PIL是一种有效的微波吸收介质。弯曲法测试结果表明该复合材料在微波驱动下具有很好的形状记忆效应，所有复合材料的形变固定率都接近100%且形变回复率都高达80%以上，且PIL的含量和微波输出功率的大小对材料回复率和回复时间有显著影响。140 W的微波足以驱动PIL/PVA SMPC发生回复，280 W下40 s内可以完成，微波功率增大到420 W时SMPC在20 s内可回复到起始形状。

荷电纳滤（NF）膜在相似浓度范围的进水端主体溶液软化过程中，浓水端的膜面处易出现结垢污染，因此开展临阈浓度条件下膜表面动电现象研究是十分必要的。本文选定DK型NF膜和c_K2SO4：c_CaCl2=1：1的双组分溶液为载体，以CaSO₄·0.5H₂O为典型代表的非碱性难溶垢为研究对象，通过自制的切向流动电位测试系统，分别考察临阈浓度条件下，进水端主体溶液中不同构晶离子浓度（0.5～18 mol·m^-3）、操作压力（25～200 kPa）和不同pH（3.0～10.0）对该NF膜流动电位、Zeta电位和膜表面电荷密度的影响效应。当操作压力恒定为180 kPa且逐渐增加构晶离子浓度（0.5～18 mol·m^-3）时，DK膜面流动电位和Zeta电位绝对值分别从87.37和59.13 mV下降至3.41和36.34 mV，均呈先急剧后缓慢下降的变化趋势。这可能是由于静电屏蔽和扩散层压缩共同作用的结果。而同时膜面电荷密度从13.94 mC·m^-2逐渐增加至34.86 mC·m^-2。研究表明，当NF浓水端膜面处开始出现结垢时，膜表面仍有中低强度的动电现象。

以生物质秸秆为碳源，利用水热结合KOH活化法制备了多孔碳材料，对其结构与形貌进行了表征。采用三电极体系，在不同浓度的Li₂SO₄电解液中，对多孔碳电极进行循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗测试。结果表明，在0.5 mol·L^-1的Li₂SO₄电解液中，秸秆基生物质碳材料呈现出较好的电化学性能。当电流密度为0.5 A·g^-1时，比电容可达224 F·g^-1；经1500次充放电测试后，比电容保持率高达94.1%，循环性能良好。