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2022年 第73卷 第6期 刊出日期:2022-06-05
    本期中英文目录、封面、前言
    化工学报. 2022, 73(6):  0. 
    摘要 ( 132 )   PDF (12078KB) ( 169 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    介尺度视角下的电催化:从界面、隔膜到多孔电极
    张文静, 李静, 魏子栋
    化工学报. 2022, 73(6):  2289-2305.  doi:10.11949/0438-1157.20220062
    摘要 ( 569 )   HTML ( 30 )   PDF (11275KB) ( 453 )  
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    电催化过程是时空多尺度的复杂系统,探究认识多孔电极电催化体系中不同层次和尺度下的介尺度行为,对进一步强化电催化反应以及物质扩散传递,提高效率减低能耗具有重要的意义。围绕多孔电极、电催化剂以及隔膜,对多级孔电极结构的构筑、电催化剂表界面活性位调控、介尺度结构可控制备策略和隔膜结构调控中存在的介尺度现象以及介尺度效应进行了详细的综述,发现电催化体系中各层次之间的介尺度行为可以用于优化、调控、指导多孔电极、电催化剂以及隔膜的设计与制备,为丰富和完善电化学催化体系提供了新思路和新角度。

    微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展
    潘大伟, 汪伟, 谢锐, 巨晓洁, 刘壮, 褚良银
    化工学报. 2022, 73(6):  2306-2317.  doi:10.11949/0438-1157.20220211
    摘要 ( 272 )   HTML ( 18 )   PDF (4507KB) ( 149 )  
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    功能微颗粒材料因其微型化和多功能化等优点而在诸多领域具有广泛的应用。微流控技术可控制备的多样化乳液液滴体系为功能微颗粒材料的创新设计与可控制备提供了优良而独特的模板。深入研究乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构的形成与演变规律,以及液滴界面介尺度结构与乳液动力学行为、界面传质与反应耦合对微颗粒介尺度结构的影响规律等,对于实现乳液模板结构调控与新型功能微颗粒材料创新制备具有重要意义。本文主要综述了微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展,着重涵盖了两方面内容:(1)微流控法可控制备乳液模板的过程中,液滴界面两亲分子聚集态介尺度结构的调控与液滴运动、吞并、融合、相界面定向演变等动力学行为之间的相互影响关系和调控机制,以及上述调控对液滴形貌、结构和组成的影响规律;(2)乳液模板制备功能微颗粒的过程中,界面传质、反应,及两者耦合对微颗粒介尺度结构的定向调控,以期为新型功能微颗粒材料的高效制备与性能强化提供科学指导。

    溶液结晶中的介尺度成核过程研究进展
    汪帆, 刘岩博, 李康丽, 童丽, 金美堂, 汤伟伟, 陈明洋, 龚俊波
    化工学报. 2022, 73(6):  2318-2333.  doi:10.11949/0438-1157.20220159
    摘要 ( 483 )   HTML ( 28 )   PDF (3871KB) ( 386 )  
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    成核作为溶液结晶的第一步,是决定晶体产品质量的关键因素。目前,成核理论主要包括经典成核理论和非经典成核理论。相比于仅以原子、离子或分子等均匀稳定结构为单元的经典成核理论,非经典成核理论以纳米级前聚体为单元,这类单元涵盖了聚集体、纳米粒子等介尺度非均匀动态结构,导致形成的非经典成核过程更为复杂,需在传统的化学、化学工程和过程系统工程研究方法的基础上,充分利用介尺度科学研究方法完成其核心规律的探究。为此,总结了二步成核理论、预成核团簇理论、粒子附着晶化理论以及其他新提出的非经典成核理论,分析了其中的介尺度结构及其时空动态行为,并探讨了利用介尺度数学模型对现有成核数学模型的修正和优化的思路,最后对溶液结晶中晶体成核的介尺度研究范式及理论发展进行了展望。

    基于分子筛绿色合成的天然硅铝矿物介尺度活化研究进展
    郑涛, 刘海燕, 张睿, 孟祥海, 岳源源, 刘植昌
    化工学报. 2022, 73(6):  2334-2351.  doi:10.11949/0438-1157.20220160
    摘要 ( 606 )   HTML ( 14 )   PDF (4696KB) ( 149 )  
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    传统的水热合成分子筛的工艺在源头上并不环保,因为其所使用的硅、铝试剂是由天然硅铝矿物通过复杂的反应与分离过程制备而来的。以天然矿物直接作为分子筛合成的硅、铝源而不经化学试剂中间体被视为分子筛绿色合成的发展方向之一,其关键在于天然矿物的介尺度活化,即通过物理、化学或物理与化学作用相结合的方式破坏天然硅铝矿物的高聚合度结构,将其解聚为具有不同介尺度结构的分子筛合成原料。为此,本文综述了天然矿物介尺度活化方法的研究进展,从能耗、活化机理和所得活化产物的介尺度结构的角度,对比分析了机械活化、热活化、碱熔活化、亚熔盐活化和拟固相活化的优缺点,总结了以不同介尺度活化产物为原料合成高性能分子筛的研究现状,为以天然硅铝矿物为原料高性能分子筛的合成提供思路。

    面向空天动力用聚酰亚胺树脂基复合材料介尺度结构与调控
    曾欣欣, 白慧娟, 俞娟, 黄培, 杨超, 徐俊波
    化工学报. 2022, 73(6):  2352-2369.  doi:10.11949/0438-1157.20220088
    摘要 ( 402 )   HTML ( 11 )   PDF (3347KB) ( 108 )  
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    基于面向空天动力用聚酰亚胺树脂基复合材料的背景,分析了复合材料面临的介尺度结构设计与调控的关键科学问题及研究思路。综述了国内外热塑性聚酰亚胺构-效设计、复合材料微/纳复合界面强化以及健康结构动态监测的基础研究,并提出了未来的发展趋势。

    高通量抗污染氧化石墨烯膜研究进展
    李智超, 郑瑜, 张润楠, 姜忠义
    化工学报. 2022, 73(6):  2370-2380.  doi:10.11949/0438-1157.20220138
    摘要 ( 227 )   HTML ( 13 )   PDF (2238KB) ( 286 )  
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    水资源短缺与水污染是21世纪人类面临的共同挑战之一。膜技术具有低能耗和低成本等优点,是一种绿色高效的水处理技术。氧化石墨烯具有分子级的厚度和优异的化学稳定性,是一种优异的二维膜材料,在水处理膜领域具有重要应用前景。综述了氧化石墨烯膜在水处理领域的研究进展,针对膜技术面临的通量低和膜污染的挑战,以氧化石墨烯膜通道和表面构建中的介尺度问题为重点,探讨了不同尺度插层材料对氧化石墨烯膜通道结构与分离性能的影响,并分析了氧化石墨烯膜抗污染表面构建策略及对不同尺度污染物的抗污染机制。最后,对高通量抗污染氧化石墨烯膜研究进行了总结和展望。

    β-淀粉样蛋白的聚集及其调控
    刘伟, 孙彦
    化工学报. 2022, 73(6):  2381-2396.  doi:10.11949/0438-1157.20220063
    摘要 ( 577 )   HTML ( 14 )   PDF (4376KB) ( 316 )  
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    β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)的自发聚集形成大量毒性的寡聚体,导致脑内神经元死亡,从而引发认知障碍,即阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD),严重威胁着人类的健康。Aβ聚集过程呈现复杂的多尺度自组装特性,目前尚缺乏对Aβ聚集过程多尺度寡聚体的认识,严重制约Aβ聚集抑制剂的设计开发。本文首先简述Aβ聚集的基本理论以及与介尺度科学的关系,分类介绍Aβ自组装过程中所产生的各种介尺度寡聚体及其介导的细胞毒性;之后归纳各种Aβ聚集抑制剂的设计策略、作用原理和作用效果;最后总结Aβ聚集及其调控研究中存在的主要挑战,并提出了进一步研究的重点方向。

    三相结构离子交换膜的构筑及应用研究
    朱嫣然, 葛亮, 李兴亚, 徐铜文
    化工学报. 2022, 73(6):  2397-2414.  doi:10.11949/0438-1157.20220086
    摘要 ( 223 )   HTML ( 9 )   PDF (8193KB) ( 137 )  
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    三相结构离子交换膜是一类具有惰性相、离子交换基团相和辅助功能基团相的特殊结构材料。传统两相结构离子交换膜受限于离子通量和选择性的相互制约,难以实现两者同步提升。因此,研究者开始关注新型三相结构,以改善离子传质路径。综述了离子交换膜从两相结构到三相结构的发展,介绍了微相分离离子交换膜、自具微孔离子交换膜、有机硅烷杂化离子交换膜和基于氧化石墨烯或金属有机框架的“三相”结构离子交换膜,讨论了离子膜介尺度中的相结构、孔道结构和缺陷等问题,并概述了三相结构在燃料电池、液流电池、一/二价离子分离和酸碱回收等领域所发挥的作用,以期给三相结构指导离子交换膜制备并提升性能提供策略参考。

    湍流系统的能量最小多尺度模型研究进展
    王利民, 郭舒宇, 向星, 付少童
    化工学报. 2022, 73(6):  2415-2426.  doi:10.11949/0438-1157.20220259
    摘要 ( 269 )   HTML ( 16 )   PDF (2759KB) ( 108 )  
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    湍流一直被视为经典物理中百年未解的难题,也被认为是检验新理论和新方法的试金石。新兴的介科学,由气固流态化中能量最小多尺度(energy-minimization multi-scale,EMMS)模型发展而来,基于各主导因素在竞争中协调的观点,致力于分析挑战性的介尺度现象。基于介科学框架,介绍了湍流系统中介尺度行为的共性原理和最新的介尺度观点,包括黏性机制和惯性机制的竞争中协调、湍流稳定性条件。在此基础上发展了EMMS湍流模型并实现与计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)的耦合,贡献于层湍转捩预测和全球气候模型的改进。EMMS湍流模型复现了介区域内黏性控制机制与惯性控制机制的竞争中协调,为介科学理论作为复杂系统的普适理论提供依据。

    基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型
    管小平, 杨宁
    化工学报. 2022, 73(6):  2427-2437.  doi:10.11949/0438-1157.20220450
    摘要 ( 286 )   HTML ( 5 )   PDF (2639KB) ( 174 )  
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    介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展,但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题,难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上,基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭,如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等;这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制,进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型:一类用于封闭相间动量传递,如介尺度曳力;另一类用于封闭离散相特征参数的演化,如介尺度群体平衡模型,计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用,并展望了未来发展方向和关键科学问题。

    气液固流化床流动介尺度模型研究进展
    马永丽, 刘明言, 胡宗定
    化工学报. 2022, 73(6):  2438-2451.  doi:10.11949/0438-1157.20211854
    摘要 ( 409 )   HTML ( 16 )   PDF (2279KB) ( 332 )  
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    气液固流化床是一类重要的多相反应器,在化工及相关过程工业中有着广泛的应用。然而,由于对该类反应器内复杂的多相流动结构的定量描述十分有限,目前其设计和放大仍主要依赖经验,致使放大成功率低,反应结果达不到预期效果。因此,建立和完善气液固流化床内的三相流动机理模型,是实现该类反应器科学设计和放大的关键环节。对气液固流化床内的三相流动机理模型的研究进展进行了分析,着重总结了三相流动介尺度机理模型研究的新进展,并指出了存在的问题和进一步研究的方向,希望为该类反应器的基础研究和工业应用提供参考。

    介尺度视角下干法重介流态化分选过程强化
    周晨阳, 贾颖, 赵跃民, 张勇, 付芝杰, 冯昱清, 段晨龙
    化工学报. 2022, 73(6):  2452-2467.  doi:10.11949/0438-1157.20220072
    摘要 ( 320 )   HTML ( 23 )   PDF (5916KB) ( 116 )  
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    煤炭在保障我国能源安全中具有重要作用。干法重介流态化分选是煤炭分选加工领域的重要组成部分,有助于推动我国煤炭资源的高效洁净利用。流态化分选密度的稳定调控是实现高效分选的必要条件,调控的核心是如何削弱气泡扰动作用,关键是理解流态化分选过程中介尺度结构的演变及调控机制。从介尺度视角分析了气固流态化干法分选调控过程的关键科学问题,梳理了单元干法分选设备以及系统放大过程中介尺度结构的研究进展,分析了介尺度结构的演变规律,提出了介尺度结构的精准调控策略,对干法流态化的工业推广应用及煤炭的分选提质具有重要意义。

    气固流化床介尺度结构形成机制及过滤曳力模型研究进展
    蒋鸣, 周强
    化工学报. 2022, 73(6):  2468-2485.  doi:10.11949/0438-1157.20220050
    摘要 ( 468 )   HTML ( 11 )   PDF (2330KB) ( 183 )  
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    气固流化床中,介于颗粒与宏观尺度间的复杂的时空多尺度结构(介尺度结构)将完全改变气固相间作用规律,加大了流态化系统调控及预测的难度。为此,需要构建考虑结构影响的相间本构关系。其中,曳力作为影响流态化动力学特征的主导因素,对其研究尤为重要。从结构产生演化的机制出发,概述结构影响曳力的机理,以模型构建流程的角度对结构和过滤两类模型进行总结,并重点综述过滤模型构建在提升准确性、有效性、通用性和考虑更多物理机制方面的最新进展。研究表明:提升模型通用性和考虑真实系统中更丰富的物理机制仍是建模中亟待解决的问题,结合结构演化机制理性建模和充分发挥机器学习数据分析处理优势或是曳力建模进一步发展的关键。

    气固流态化中颗粒介尺度结构的动力学研究
    孔令菲, 陈延佩, 王维
    化工学报. 2022, 73(6):  2486-2495.  doi:10.11949/0438-1157.20220152
    摘要 ( 499 )   HTML ( 13 )   PDF (836KB) ( 187 )  
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    气固流化床中的团聚等介尺度结构严重影响气固的整体流化特性、传热、传质和反应效率,因此介尺度结构的研究至关重要。简要回顾颗粒介尺度结构的定义与分类,然后从流体-颗粒、颗粒-颗粒之间的力和非弹性碰撞相互作用出发,总结分析了颗粒介尺度结构形成原因和动力学演化过程的研究现状和发展动态。重点关注细颗粒与超细纳米颗粒形成的介尺度结构,即结块,并针对结块形成原因,讨论了颗粒间范德华力计算以及结块的力平衡理论模型,提出了细颗粒介尺度结构进一步的研究方向,即研究带有颗粒-颗粒作用力的介尺度结构的动态演化规律,为精准调控介尺度结构提供理论依据。

    提升管进料区内气体射流流动行为的调控及工业应用
    刘梦溪, 范怡平, 闫子涵, 姚秀颖, 卢春喜
    化工学报. 2022, 73(6):  2496-2513.  doi:10.11949/0438-1157.20220180
    摘要 ( 168 )   HTML ( 2 )   PDF (5684KB) ( 76 )  
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    射流促使提升管反应器中产生了重要的介尺度流动结构,对产品的收率、选择性以及提升管内壁的结焦都有重要的影响。对近年来提升管进料区内射流流动行为及调控的研究进行了回顾。二次流是造成传统进料区原料-催化剂浓度不匹配的主要原因。基于Kutta-Joukowski升力定律,从理论上介绍了二次流形成的机理以及主流、二次流轨迹的预测模型,给出了油剂逆流接触这一强化手段。针对常规催化裂化、吡啶碱合成等工艺,分别介绍了油剂逆流接触、双层喷嘴等不同的进料区流场强化方法、实验室研究结果和工业应用结果。结果显示,采用进料区强化方法后可以提高目标产品的收率并显著缓解反应器内部的结焦现象。

    气固流化系统多尺度跨流域EMMS建模
    胡善伟, 刘新华
    化工学报. 2022, 73(6):  2514-2528.  doi:10.11949/0438-1157.20220157
    摘要 ( 236 )   HTML ( 8 )   PDF (4375KB) ( 186 )  
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    气固流化床反应器是典型的具有多尺度非均匀动态结构的复杂系统。实现对该类反应器定量描述和定向调控的关键是深入了解系统内介尺度结构的形成和演化特征。能量最小多尺度(EMMS)方法为气固非均匀系统的量化表征提供了一种通用的建模思路。首先回顾了EMMS理论在构建曳力本构关系方面的应用,重点介绍了本课题组在EMMS曳力模型普适化方面所做的部分工作;随后对介尺度结构时空动态演化行为的群平衡建模方法进行了论述,并给出了群平衡和结构曳力模型相耦合的连续介质模拟框架;最后讨论了EMMS原理在预测反应器宏尺度动力学方面的应用,包括模型在不同流域的拓展、操作相图的绘制以及循环流化床的全回路稳态建模方法等。

    流体力学与传递现象
    基于模拟退火算法的真实多孔电极中热-质传递的研究
    黄盼, 练成, 刘洪来
    化工学报. 2022, 73(6):  2529-2542.  doi:10.11949/0438-1157.20220135
    摘要 ( 245 )   HTML ( 6 )   PDF (4647KB) ( 228 )  
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    电极中的离子-电子传递和传热显著影响着电化学储能性能。深入研究多孔电极中的热-质传递现象这一典型的介尺度问题,对高性能电化学储能器件的设计具有重要意义。采用一种基于改进的状态更新的随机重建方法和动态退火系数相结合的模拟退火算法,将图像分割后的二维SEM图重构为真实的三维多孔电极。通过重构多孔电极和PNP方程与傅里叶定律,建立真实多孔电极中的离子传递和电极导热模型。结果表明,当充电时间为0.1个平板充电弛豫时间时,离子主要吸附在多孔电极骨架相与体相的接触面上,且离子倾向于从截面边缘往中心迁移。由于实际的导热距离远小于多孔电极厚度,多孔电极中的热弛豫时间远小于平板的热弛豫时间。

    基于微量热法对多孔碳与双氧水相互作用过程的传质阻力分析
    曹健, 叶南南, 蒋管聪, 覃瑶, 王士博, 朱家华, 陆小华
    化工学报. 2022, 73(6):  2543-2551.  doi:10.11949/0438-1157.20220260
    摘要 ( 180 )   HTML ( 5 )   PDF (1308KB) ( 99 )  
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    多孔材料作为催化剂对现代化学工业起到重要推动作用,但其纳米受限孔道造成的界面传递问题不容忽视。直接法合成双氧水(H2O2)过程中,揭示H2O2脱附过程传递与反应竞争博弈的介尺度机制是提高产率的关键。线性非平衡热力学为解耦界面扩散及反应提供了统一框架,但缺少合适通量测定方法。因此,本文设计多孔碳与H2O2相互作用的微量热实验,结合分子模拟及孔结构表征实验揭示多孔碳材料的界面传递结构,实现了非平衡热力学的定量传质阻力分析,进一步获取了表界面浓度场的动态变化。研究结果表明:微量热法是定量解耦并揭示扩散-反应机制的有效线性非平衡热力学阻力分析方法;介孔结构、生物骨架结构及担载1%(质量) Pd元素均能增强H2O2在多孔碳中的传质通量,但实现超高通量需要扩散与反应阻力的匹配;非平衡热力学阻力解耦方法是揭示多相反应过程介尺度机制的重要定量描述方法,有望为过程的调控及优化提供理论依据。

    超声微反应器内气液传质过程的介尺度强化机制
    许非石, 杨丽霞, 陈光文
    化工学报. 2022, 73(6):  2552-2562.  doi:10.11949/0438-1157.20220087
    摘要 ( 475 )   HTML ( 14 )   PDF (1813KB) ( 219 )  
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    采用CFD方法对超声微反应器内的Taylor气液两相流的传质过程进行了模拟。针对传质过程中主要的介尺度结构,包括气泡表面波、空化声流、液相内的局部浓度,分析了其空间分布和时间演化规律。模拟结果有效捕捉了实验难以观测的液膜区域,并将液膜厚度与气泡表面波振动进行了关联,阐释了气液界面附近的空化声流对传质过程的强化作用。根据超声微反应器内Taylor流的传质特点,分别研究了不同流动和超声条件对液弹内和液膜处传质过程的影响,比较了各局部传质对整体传质效率的贡献。通过分析整体/局部Sherwood数与Peclet数间的关系,研究了超声效应对气液传质速率的影响。分析结果从介尺度角度验证了文献关于超声微反应器传质系数的计算,完善了超声微反应器内气液传质过程的强化理论。

    并行微通道内液液两相流及介尺度效应
    王忠东, 朱春英, 马友光, 付涛涛
    化工学报. 2022, 73(6):  2563-2572.  doi:10.11949/0438-1157.20220052
    摘要 ( 275 )   HTML ( 19 )   PDF (2524KB) ( 226 )  
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    使用高速摄像仪研究了T形并行微通道液液两相流的流型。以甘油-水溶液为分散相、含5%(质量分数)道康宁的硅油为连续相,下游通道中观察到了塞状流、液滴流、环状流和并行流4种流型,绘制了流型图及流型转变线。研究了后空腔中液滴群的形态,运用介尺度概念分析了后空腔中液滴群的行为对流量分配的影响。观察到后空腔中液滴群的挤压、松散、有序排列和并行排列等4种形态,不同形态的转变主要受两相流量比的控制。研究了两相流量比对并行微通道内流量分配的影响,以及分析了不同操作条件下影响流量分配的主导因素。在两相流量比较小时,流量分配由下游通道的流体阻力主导,而两相流量比较大时由后空腔内液滴群动力学主导。

    计及气泡诱导与剪切湍流的气泡破碎、湍流相间扩散及传质模型
    施炜斌, 龙姗姗, 杨晓钢, 蔡心悦
    化工学报. 2022, 73(6):  2573-2588.  doi:10.11949/0438-1157.20220465
    摘要 ( 242 )   HTML ( 7 )   PDF (2852KB) ( 156 )  
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    在以鼓泡塔为代表的气液鼓泡流动中,存在着气泡诱导湍流(BIT)和剪切湍流两种湍流机制,并且二者在不同的时间、空间范围内既相互竞争又共同作用。受制于BIT动能能谱的形式和特性不够完整清晰,过去的研究中关于BIT如何对气泡破碎聚并、相间作用力、相间传热传质等相间相互作用过程产生影响的结论比较模糊。因此,本文在具有波数κ-3特性的BIT能谱的基础上,提出了在不同工况下考虑BIT与剪切湍流共同作用的研究思路。研究结果表明,考虑两种湍流机制的气泡破碎模型和湍流相间扩散模型对BIT在整体或局部占据不同程度主导地位的情况,都能很好地捕捉气液鼓泡流动的动力学特性,为进一步准确揭示气液相间传质过程的内在机理提供了基础。

    鼓泡塔内空气-醋酸体系流体力学参数的CFD-PBM耦合模型数值模拟
    张文龙,宁尚雷,靳海波,马磊,何广湘,杨索和,郭晓燕,张荣月
    化工学报. 2022, 73(6):  2589-2602.  doi:10.11949/0438-1157.20220452
    摘要 ( 185 )   HTML ( 9 )   PDF (5273KB) ( 155 )  
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    通过二维和三维CFD-PBM耦合模型对空气-醋酸体系中流体力学参数进行数值模拟,采用表面张力修正曳力模型与聚并模型,考察了醋酸浓度对鼓泡塔内气含率、气泡大小分布及轴向液速等参数的影响,与差压法、光纤探针和电阻层析成像技术(ERT)测量的实验数据进行了对比,并讨论分析了气含率和气泡直径等流体力学参数的模拟结果。结果表明,醋酸浓度在70%~80%(质量分数)范围内平均气含率存在最大值,且平均气含率的预测值在±10%误差内,三维模拟结果和ERT实验值吻合较好,说明修正后的模型在不同浓度醋酸体系中具有较好的预测性。

    散斑能见度光谱法测量筒仓内颗粒流的颗粒温度
    陈泉, 郑泽希, 李然, 孙其诚, 杨晖
    化工学报. 2022, 73(6):  2603-2611.  doi:10.11949/0438-1157.20220128
    摘要 ( 211 )   HTML ( 3 )   PDF (2115KB) ( 130 )  
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    筒仓内颗粒流在化工生产中广泛应用,准确描述颗粒流的动力学规律对于调控化工反应过程中的混合和传输效率极为重要。颗粒温度是影响颗粒流的重要参数之一,为此搭建了基于线阵CCD相机的散斑能见度光谱测量装置,选取均值粒径分别为0.94和1.55 mm的球形颗粒进行实验。通过测量卸料过程中筒仓内颗粒流的时变颗粒温度,发现了离散颗粒运动在介尺度条件下具有稳定性。进一步,对比两种粒径颗粒的颗粒温度值,观察到稳态流动中大粒径颗粒具有更高的能量耗散,从而建立了宏观质量流率与介观颗粒温度之间的联系。通过分析筒仓内颗粒温度场的分布特征,发现了孔口附近的离散颗粒存在定向有序的运动。最后,根据筒仓内颗粒流堵塞过程中的颗粒温度变化曲线,揭示了颗粒流堵塞的弛豫变化规律。实验结果揭示的筒仓内颗粒流的运动规律,为完善化工生产中颗粒材料的存储与运输提供了参考数据。

    基于重置温度方法的双参数介尺度气固传热模型构建
    刘怡琳, 李钰, 余亚雄, 黄哲庆, 周强
    化工学报. 2022, 73(6):  2612-2621.  doi:10.11949/0438-1157.20211519
    摘要 ( 200 )   HTML ( 5 )   PDF (2421KB) ( 68 )  
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    颗粒聚团等介尺度结构在气固两相流中普遍存在,这些介尺度非均匀结构直接影响气固流动特性及气固接触效率,进而影响气固相间传热、传质及化学反应过程。在更适合工业大尺度气固传热模拟的粗网格方法中缺乏准确度高、简单易用且可以考虑介尺度非均匀结构影响的传热模型。采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)研究了气固两相流相间传热,为了保证气固相间持续传热,采用了两种维持气固相间传热温差的方法,并讨论了两种方法的优缺点。方法一:给气相能量方程添加热源项;方法二:每间隔一段时间重置气相温度,重置温度后气固两相自由传热,两种方法中均保持固相温度不变。结果表明聚团界面位置的局部单位体积气固传热量最大,重置温度方法在稀相和界面位置的局部单位体积传热量与总单位体积传热量之比大于热源项方法,而在浓相位置的局部单位体积传热量与总单位体积传热量之比小于热源项方法。通过过滤CFD-DEM计算数据,为重置温度方法构建了双参数(过滤固含率、过滤尺度)传热系数修正因子模型,通过先验分析评价了模型的表现,研究表明所构建模型在过滤网格尺度为5~40倍颗粒直径范围内优于文献中已有的双参数模型。

    密相流化床中介尺度流动结构的流体力学特性研究
    牛犁, 刘梦溪, 王海北
    化工学报. 2022, 73(6):  2622-2635.  doi:10.11949/0438-1157.20211427
    摘要 ( 229 )   HTML ( 6 )   PDF (3208KB) ( 71 )  
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    在一套流化床冷模实验装置中对黄沙颗粒和黄沙-硅微粉 (20 μm)混合颗粒进行实验。测量固含率时间序列信号并进行统计分析,提出并建立复杂光纤脉动信号的解耦方法,实现稠密气固流中介尺度流动结构的准确识别。基于统计矩一致性原理提出气泡阈值的计算方法,通过遍历法确定气泡阈值。对气泡阈值变化规律进行分析,发现加入细颗粒有助于改善流化质量,随表观气速的增加,气泡阈值减小。对气泡、乳化和聚团三相的相分率进行统计,发现在黄沙颗粒中加入少量(5%,质量分数)细颗粒能够显著改善流化质量,细颗粒添加量过多时(10%),对流化质量的改善将减弱。对气泡的流体力学特性进行分析,发现加入10%硅微粉后,气泡弦长增大,频率降低,速度略有降低。对颗粒聚团流体力学特性进行分析,发现随硅微粉含量增加,表观气速对聚团速度的影响减弱,聚团弦长略有减小。加入5%硅微粉后,颗粒聚团的出现频率较小且径向上分布均一。加入10%硅微粉后,聚团频率有所增大,说明加入过多硅微粉会促进聚团的形成。

    磁场对湿颗粒流化床系统中介尺度结构影响机制研究
    唐天琪, 何玉荣
    化工学报. 2022, 73(6):  2636-2648.  doi:10.11949/0438-1157.20220158
    摘要 ( 236 )   HTML ( 8 )   PDF (6532KB) ( 83 )  
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    湿颗粒系统在自然界及工业过程非常普遍,例如喷雾造粒、反应器中矿物黏结、催化以及制药等,这其中含有大量典型介尺度结构如颗粒聚团、结块以及气泡等结构,这些结构的存在导致颗粒系统的流动及热质传递特性发生明显改变。针对鼓泡流化床湿颗粒系统中颗粒聚团以及气泡等介尺度结构,应用离散单元模型并引入外加磁场,研究磁场作用下湿颗粒系统中介尺度结构的演化机制,探究磁场力、液桥力、接触力对气泡演化过程的影响。研究发现,在不考虑磁场的条件下,颗粒易形成聚团并存在气泡边界不规则等现象,引入外加匀强磁场后,磁场力对鼓泡流化床内气泡结构存在破坏和抑制作用。

    气固流化床启动阶段挡板内构件受力特性的CFD-DEM模拟
    李铁男, 赵碧丹, 赵鹏, 张永民, 王军武
    化工学报. 2022, 73(6):  2649-2661.  doi:10.11949/0438-1157.20211701
    摘要 ( 257 )   HTML ( 20 )   PDF (2312KB) ( 188 )  
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    流化床启动阶段内构件会受到较大的破坏性载荷冲击,为了保障流化床内构件的长周期可靠性,需要掌握这个阶段内构件在流化床内的受力特性。首先提出了一种统计内构件表面受力的方法,将微观颗粒-挡板作用信息转换为宏观挡板受力载荷信息。在此基础上采用CFD-DEM方法,统计分析了流化床启动阶段床层中水平挡板内构件的受力载荷特性。研究结果表明:CFD-DEM方法可半定量复现实验中启动阶段内构件表面受到的动态载荷信号,并复现了表观气速和颗粒粒径对挡板峰值载荷强度的影响规律。本研究证明了内构件表面受力载荷强度统计方法的正确性和CFD-DEM统计分析受力载荷的可行性。

    催化、动力学与反应器
    光纤内窥图像法测量MTO催化剂表观形貌及其积炭量的实验研究
    陆勇, 刘对平, 李晨阳, 周吉彬, 叶茂
    化工学报. 2022, 73(6):  2662-2668.  doi:10.11949/0438-1157.20220080
    摘要 ( 187 )   HTML ( 10 )   PDF (2167KB) ( 222 )  
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    催化反应过程中的多尺度现象一直是近年来颗粒学领域研究的热点,其中颗粒形貌、积炭都是影响催化剂流态及活性的关键参数。为了从颗粒尺度深入探究积炭对催化剂颗粒表观形貌的影响,选取了DMTO工艺中第二代分子筛SAPO-34催化剂,在实验室微型固定流化床反应器中制备了停留时间分别为0、30、60、90、120 min等多种催化剂样品。使用课题组研制的光纤内窥显微成像平台,拍摄了催化剂样品的微尺度图像,并以此构建了基于深度学习的样本形貌图像库,实现批量统计催化剂颗粒表观特性(包括粒径、球形度、椭圆比、色度等参数及其分布)的功能。测量结果表明:积炭会明显改变催化剂的粒径及其分布,但是对催化剂的球形度或椭圆比等参数的影响较小。通过比较这些催化剂样本图像的色度信息与其对应的热重法测得的积炭量数据,建立了催化剂色度信息与其积炭量之间的定量关系,并预测了两种来自某企业DMTO生产装置反应器内催化剂的平均积炭量。实验数据表明:图像色度法与热重法测量结果的相对误差小于10%,具有较好的一致性。这将有助于发展基于图像色度法测量催化剂积炭量的工业仪表,为工业过程从颗粒尺度认识反应器内催化剂的状态提供便携的观测手段,进而指导操作人员对DMTO工艺进行优化调控。

    甲醇制丙烯反应中ZSM-5分子筛催化剂积炭失活介尺度机制研究
    李丽媛, 王建强, 陈奕, 郭友娣, 周健, 刘志成, 王仰东, 谢在库
    化工学报. 2022, 73(6):  2669-2676.  doi:10.11949/0438-1157.20211795
    摘要 ( 321 )   HTML ( 35 )   PDF (784KB) ( 321 )  
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    甲醇制丙烯(MTP)是当前煤化工领域亟需发展的关键催化技术,积炭被认为是导致催化剂失活的重要原因之一。以积炭分子筛为研究对象,通过IGA、FTIR及TG等多种表征手段,考察甲醇的吸附行为、分子筛表面酸性、积炭成分与MTP反应中甲醇反应活性之间的构效关系。研究结果表明,甲醇的吸附量随催化剂的失活而降低,其下降速率与甲醇转化率成正比。催化剂上滞留的碳物种的主要成分为轻烃、BTX芳烃、活性结焦和积炭,而其中积炭是引起分子筛失活的主要原因。完全失活的催化剂与新鲜催化剂相比仍保留一定的甲醇吸附能力,推测积炭主要存在于酸活性中心周围。积炭首先覆盖的是B酸中心的羟基和桥式羟基,随后是非骨架Al—OH;而催化剂的甲醇转化率与分子筛中可接触的B酸和L酸数量成正比。另外,基于催化剂的失活速率与转化率存在的正比关系,结合反应动力学,推导出了失活曲线的数学表达式,理论上解释了MTP反应过程中的积炭失活介尺度机制。

    Fe5C2-MnO x 尺度调控及催化合成气制烯烃性能研究
    孟博, 刘艳萍, 蒋新科, 韩一帆
    化工学报. 2022, 73(6):  2677-2689.  doi:10.11949/0438-1157.20220140
    摘要 ( 178 )   HTML ( 2 )   PDF (3801KB) ( 116 )  
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    催化剂结构调控及反应过程普遍面对多层次多尺度结构的复杂系统,从宏观合成条件到催化剂结构尺度调控,从催化性能到催化剂表面活性位尺度调控,均离不开对催化体系介尺度结构的认识。采用四种方式(低温共沉淀、沉积沉淀、前体混合煅烧及机械混合)制备不同结构Fe-Mn催化剂(Fe与Mn摩尔比为1∶4),探究催化剂结构对其活化历程、铁碳化合物分布以及催化合成气制烯烃性能的影响。结果表明,合成方法对催化剂结构有显著影响,体现在三个方面:活化过程、铁碳化合物尺寸及催化反应性能。发现共沉淀制备的Fe-Mn催化剂显示出较高的CO转化率(20.07%)、烯烷比(2.32)及铁时空收率(4.37×10-5 mol CO?(g Fe)-1?s-1),这主要得益于该催化剂活化后形成的较小的铁碳化合物颗粒尺寸及更多的Fe5C2活性相。

    基于介尺度结构解聚-重组装的Beta分子筛的绿色合成及应用
    王婵, 肖国锡, 郭小雪, 徐人威, 岳源源, 鲍晓军
    化工学报. 2022, 73(6):  2690-2697.  doi:10.11949/0438-1157.20220150
    摘要 ( 273 )   HTML ( 13 )   PDF (1553KB) ( 161 )  
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    Beta分子筛作为一种重要的催化材料,被广泛应用于石油化工、煤化工及环境保护等领域,但其常规的水热合成过程存在成本高、单釜产率低和废水排放量大等问题。本研究提出了一条基于天然矿物介尺度结构解聚-重组装的无溶剂绿色合成Beta分子筛的新路线,采用该路线所合成的Beta分子筛(Beta-Anhyd)含有丰富的介孔和大孔结构,且具有较商业Beta分子筛(Beta-Ref)更高的比表面积和更低的酸量,以其为载体,通过脱Al补Sn制备的Sn-Beta催化剂(Beta-Anhyd-Deal)在丙烷脱氢反应中表现出较参比催化剂(Beta-Ref-Deal)更加优异的催化性能。

    基于介尺度PBM模型的生物反应器放大模拟及实验研究
    万景, 张霖, 樊亚超, 刘勰民, 骆培成, 张锋, 张志炳
    化工学报. 2022, 73(6):  2698-2707.  doi:10.11949/0438-1157.20220089
    摘要 ( 321 )   HTML ( 12 )   PDF (3017KB) ( 310 )  
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    对于通气搅拌式工业生物反应器的放大设计而言,精确预测气泡尺寸和体积传质系数非常重要,因此需要建立合适的气泡聚并和破碎模型,以保证反应器的高效操作。以5 L通气搅拌式生物反应器为对象,以气泡尺寸和体积传质系数的实验数据为基准,模拟并考察了两种聚并模型和四种破碎模型对生物反应器内流体流动行为以及传质能力的影响。结果表明,基于介尺度理论的修正聚并模型与考虑黏流剪切的破碎模型组合,所得模拟结果与实验数据吻合最好,这为大型生物反应器的桨型优化提供了模型基础。因为工业化生物发酵通常是在大型生物反应器中进行,搅拌桨型对生物反应器效能至关重要,故本研究在选定最优气泡聚并破碎模型的基础上,通过叶轮末端剪切力相等的放大原则将5 L通气搅拌式工业生物反应器放大到400 m3,同时考察了六斜叶圆盘搅拌桨、非对称式抛物线搅拌桨、布鲁马金式搅拌桨以及六直叶圆盘搅拌桨等桨型组合对气泡破碎能力和气体分散效果的影响,并通过综合对比气含率、体积传质系数等参数,得到400 m3通气搅拌式生物反应器的最优桨型组合。

    提升管反应器介尺度结构影响规律的数值模拟研究
    石孝刚, 王成秀, 高金森, 蓝兴英
    化工学报. 2022, 73(6):  2708-2721.  doi:10.11949/0438-1157.20220399
    摘要 ( 211 )   HTML ( 11 )   PDF (3281KB) ( 173 )  
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    提升管反应器存在典型的颗粒聚团介尺度结构,其分布特性对气固流动、反应有重要影响,对介尺度结构影响规律进行分析有助于为反应器的设计与优化操作提供基础信息。采用基于能量最小多尺度(EMMS)方法的曳力模型建立了提升管气固两相流动模型,考虑了颗粒聚团对气固相间动量传递的影响。此外,进一步通过考虑颗粒聚团的存在以及颗粒聚团的非均匀性对化学反应的影响,提出了描述介尺度结构对反应速率影响的修正因子,与气固流动模型进行耦合,建立了基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型,并进行了模型验证。进一步应用该模型,对工业催化裂化提升管反应器的流动-反应特性进行了模拟分析。结果表明,该模型可以合理描述提升管气固相互作用,能够预测出壁面附近存在较多介尺度结构的分布特性,由于聚团的存在使得重油组分难以与催化剂充分接触,生成汽柴油的反应速率较低,转化较慢,聚团的分布特性导致靠近边壁处的重油组分浓度较高,汽柴油组分浓度较低;汽柴油在聚团内部的流动阻力较大,在聚团内发生过量的二次反应生成较多焦炭,导致壁面处焦炭浓度较高。与传统基于平均化而未考虑聚团影响的模型相比,基于介尺度结构的模型所预测的汽油收率最佳值与工业实际相接近。因此,基于介尺度结构的流动-反应综合数学模型可以合理描述提升管内进行的流动-反应耦合特性,并能揭示介尺度结构对催化裂化反应过程的影响,有望为工业提升管装置反应终止剂技术的开发提供重要的基础信息。

    从质量流向漏斗流转变过程中的动力学分析
    杨晖, 李宏泽, 陈泉, 郑泽希, 李然, 孙其诚
    化工学报. 2022, 73(6):  2722-2731.  doi:10.11949/0438-1157.20220120
    摘要 ( 290 )   HTML ( 7 )   PDF (4423KB) ( 108 )  
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    球床模块式高温气冷堆的堆芯是全陶瓷型包覆铀燃料制成的球形颗粒,与石墨颗粒混合堆积而成,堆芯颗粒流的流态取决于颗粒尺度的平移、旋转等动力学量,以及力链、涡旋等介尺度物理量。为了分析颗粒的平移、旋转等动力学量对颗粒流流态的影响。基于筒仓颗粒流的物理模型,首先开展了筒仓颗粒流流变过程的实验测量,并使用基于 Hertz-Mindlin和 RVD (relative velocity dependent)滚动摩擦接触模型的离散单元法 (distinct element method, DEM),研究了锥形筒仓颗粒流流变过程中球形颗粒的动力学量。进一步,基于DEM计算结果进行分析,发现筒仓自上而下呈现出质量流向漏斗流过渡的混合流状态。在筒仓混合流的不同流型区域中,平移速度和旋转速度之间的相关性是相反的;颗粒间的相对切向运动较大的区域集中在漏斗流区域与边壁区域。了解筒仓流变过程中颗粒的动力学特征,有助于优化筒仓颗粒流动,并减少颗粒表面的磨损。

    能源和环境工程
    ReaxFF MD模拟揭示的煤热解挥发分自由基反应的竞争与协调
    郑默, 李晓霞
    化工学报. 2022, 73(6):  2732-2741.  doi:10.11949/0438-1157.20220110
    摘要 ( 254 )   HTML ( 25 )   PDF (1189KB) ( 309 )  
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    挥发分自由基的行为对调控煤热解焦油产物十分重要,但实验方法直接获得其化学反应存在困难。利用化学反应分子动力学 ReaxFF MD 模拟方法,结合基于GPU高性能计算和化学信息学分析,研究了煤基体中挥发分自由基(基本单元)及其涉及的分子群(系统)在热解过程中的演化规律,着重考察了挥发分自由基参与的被稳定反应和缩聚反应在煤热解过程中的竞争协调关系。大规模ReaxFF MD模拟结果表明,随温度升高,煤热解过程可分成三个区域:被稳定反应占主导的区域、被稳定和缩聚反应竞争区域和缩聚反应占主导的区域。其中被稳定反应占主导的区域主要发生在较低温或反应前期,使得焦油收率升高;缩聚反应占主导的区域出现在高温阶段或反应后期,使得煤热解结焦加剧。当热解体系处于从被稳定反应占主导到被稳定和缩聚反应竞争激烈的转折点时,焦油收率出现最大值;当处于从两类反应竞争激烈到缩聚反应占主导的转折点时,焦炭产物开始大量生成。煤热解中挥发分自由基参与的两类相互竞争的化学反应控制着煤热解过程中焦油收率的演化,可为调控焦油生成,以进一步获得高品质化学品提供理论指导。

    材料化学工程与纳米技术
    气液法流化床乙烯云聚合工艺开发及产品高性能化
    范小强, 黄正梁, 孙婧元, 王靖岱, 王晓飞, 胡晓波, 韩国栋, 阳永荣, 吴文清
    化工学报. 2022, 73(6):  2742-2747.  doi:10.11949/0438-1157.20220467
    摘要 ( 240 )   HTML ( 5 )   PDF (912KB) ( 87 )  
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    随着国内聚烯烃产量的不断增加,聚烯烃通用料市场竞争加剧,开发新型高性能聚烯烃产品至关重要。针对气液法流化床乙烯云聚合工艺的构建以及聚乙烯产品高性能化,在气液法流化床所包含的典型介尺度结构实验和理论研究基础上,明确聚合反应条件,优化气液法流化床进料系统,最终应用于气液法流化床乙烯云聚合工艺的开发。通过对工业试验产品的分子链结构的表征分析,证明云聚合工艺是生产高性能聚乙烯产品的全新成功途径。

    无机杂化钙钛矿团簇材料:介尺度钙钛矿材料发光性质研究
    徐珂, 史国强, 薛冬峰
    化工学报. 2022, 73(6):  2748-2756.  doi:10.11949/0438-1157.20220462
    摘要 ( 483 )   HTML ( 10 )   PDF (1951KB) ( 211 )  
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    近年来,介尺度钙钛矿材料体系中钙钛矿魔幻尺寸团簇(PMSCs)材料因具有优异的半导体特性而在新兴光电器件领域极具潜力。然而,介尺度PMSCs容易在合成过程中生成尺寸较大的介尺度钙钛矿量子点(PQDs),难以满足实际应用的需求。本研究采用配体辅助再沉淀(LAPR)方法,通过调节戊酸(VA)和油胺(OAm)配体比例制备了不同发光性质的无机杂化介尺度钙钛矿材料CsPbBr3 PMSCs、CsPbBr3 PMSCs/CsPbBr3 PQDs混合物和CsPbBr3 PQDs,研究并分析了PQDs和PMSCs的光学性质、形貌结构、稳定性和介尺度结构演变机理。研究发现,表面协同钝化配体VA和OAm的比例是反应能否生成介尺度纯相CsPbBr3 PMSCs的关键。而且,当VA和OAm配体的表面钝化效果越佳越易生成发光性质优异的纯相CsPbBr3 PMSCs。

    前 言
    杨宁, 叶茂, 褚良银
    化工学报. 2022, 73(6):  2757-2758. 
    摘要 ( 85 )   HTML ( 22 )   PDF (180KB) ( 47 )  
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