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2023年 第74卷 第9期 刊出日期:2023-09-25
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    本期中英文目录、封面
    化工学报. 2023, 74(9):  1. 
    摘要 ( 139 )   PDF (12722KB) ( 219 )  
    相关文章 | 多维度评价
    离子液体与绿色过程专栏
    基于离子液体的纤维素均相加工研究进展
    车睿敏, 郑文秋, 王小宇, 李鑫, 许凤
    化工学报. 2023, 74(9):  3615-3627.  doi:10.11949/0438-1157.20230529
    摘要 ( 448 )   HTML ( 73 )   PDF (3441KB) ( 375 )  
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    纤维素是自然界中储量最丰富的可再生资源,是制备经济可持续聚合物的理想材料。由于天然纤维素具有高度结晶的聚集态结构及分子链间致密的氢键网络,导致其溶解与加工困难,功能化应用受到了极大限制。近年来,离子液体作为新型绿色纤维素溶剂体系蓬勃发展,为纤维素均相加工与高效利用提供了崭新的平台。从离子液体种类、特性及溶解纤维素能力,基于“溶解再生”与“均相衍生”构建纤维素材料等方面综述了近年来纤维素在离子液体中均相加工的最新研究进展,为未来纤维素资源的绿色高值转化提供参考。

    硅基离子液体微颗粒强化气体捕集与转化的研究进展
    陈美思, 陈威达, 李鑫垚, 李尚予, 吴有庭, 张锋, 张志炳
    化工学报. 2023, 74(9):  3628-3639.  doi:10.11949/0438-1157.20230531
    摘要 ( 251 )   HTML ( 29 )   PDF (4425KB) ( 323 )  
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    解决工业过程污染气体的过量排放问题,具有重要的科学和环境意义。离子液体(ILs)作为室温呈液态的绿色溶剂,在气体捕集转化方面具有独特的优势,但天然的高黏度特性严重阻碍了其工业应用。本团队基于多年研究发现,不执拗于大幅降低离子液体的黏度,而顺其自然,通过“微颗粒化”技术,实现离子液体于准静止状态的高效利用,是离子液体适应工业化的有效路径之一。鉴于此,综述了以二氧化硅(SiO2)为介质的离子液体微颗粒,及其衍生的离子液体纳-微界面反应单元在气体捕集(VOCs和CO2)和CO2转化方面的应用研究进展,探讨了微颗粒化离子液体体系较传统体系的特性优势,并分析了离子液体“微颗粒化”的应用前景及工业可行性。

    离子液体基低共熔溶剂在转化CO2中的应用
    程业品, 胡达清, 徐奕莎, 刘华彦, 卢晗锋, 崔国凯
    化工学报. 2023, 74(9):  3640-3653.  doi:10.11949/0438-1157.20230534
    摘要 ( 350 )   HTML ( 18 )   PDF (1395KB) ( 522 )  
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    CO2作为一种温室气体,是一种宝贵的C1资源,为实现“碳达峰、碳中和”战略目标,大力发展二氧化碳利用与封存技术是当务之急。离子液体是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的绿色溶剂,而低共熔溶剂是由氢键受体和氢键供体通过氢键形成的一种新型的溶剂。离子液体基低共熔溶剂不仅拥有离子液体相似的性质,如低饱和蒸气压、宽液温范围、高热化学稳定性、结构性能可调控等,还具备了低共熔溶剂的氢键特性。本文综述了离子液体基低共熔溶剂在CO2热催化、电催化、生物催化领域的应用,并分析了各种催化方式中的CO2转化机理和影响因素,展望了低共熔溶剂应用于转化CO2的前景,对目前该领域的发展所面临的主要问题和进一步的研究工作提出了建议。

    离子液体脱除模拟油中挥发酚的多尺度模拟与研究
    宋明昊, 赵霏, 刘淑晴, 李国选, 杨声, 雷志刚
    化工学报. 2023, 74(9):  3654-3664.  doi:10.11949/0438-1157.20230634
    摘要 ( 198 )   HTML ( 14 )   PDF (3536KB) ( 202 )  
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    对离子液体萃取模拟油中的苯酚和苯甲酚进行了多尺度模拟,基于COSMO-RS模型筛选了萃取效果良好的离子液体,并计算了离子液体和挥发酚的σ-profile以及混合物的超额焓用以探究体系极性与非理想性。通过量子化学计算与分子动力学模拟计算了挥发酚和离子液体的静电势、弱相互作用,以及径向分布函数和空间分布函数等参数,旨在了解离子液体与挥发酚之间的相互作用机理。设计了离子液体萃取脱除模拟油中挥发酚工艺流程,结合灵敏度分析进一步优化了工艺条件,计算结果证实了使用离子液体脱除挥发酚的可行性与先进性。

    离子液体界面极化及其调控氢键性质的分子机理
    陆俊凤, 孙怀宇, 王艳磊, 何宏艳
    化工学报. 2023, 74(9):  3665-3680.  doi:10.11949/0438-1157.20230489
    摘要 ( 228 )   HTML ( 12 )   PDF (5968KB) ( 395 )  
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    离子液体在电极界面处的结构及行为对其在超级电容器、固载催化剂等实际化工应用中有重要的影响。采用第一性原理计算结合理论分析研究了7种咪唑类离子液体在常见二维固体石墨烯、氮化硼、二硫化钼表面极化的分子机理及其对离子液体氢键的微观作用机制。结果表明,当离子液体在这三种二维表面吸附时会发生电荷转移和轨道相互作用,导致了显著的表面极化作用,且吸附能和电荷转移数值越大,表面极化作用越强。进一步分析了二维表面离子液体氢键的键长、键角、键序和键能,发现表面极化作用会显著削弱离子液体氢键。对于不同离子液体红外光谱的计算结果也验证了氢键被削弱的趋势。最后,通过SPSS软件对表面极化作用和离子液体氢键强度间的关系进行了定量解析,发现表面极化作用与氢键强度呈负相关关系。本文关于离子液体氢键的定量分析不仅有助于理解离子液体-固体表面作用的分子机理,而且可为离子液体在实际化工过程的应用提供理论支撑。

    基于DFT和COSMO-RS理论研究多元胺型离子液体吸收SO2气体
    米泽豪, 花儿
    化工学报. 2023, 74(9):  3681-3696.  doi:10.11949/0438-1157.20230660
    摘要 ( 180 )   HTML ( 17 )   PDF (12148KB) ( 103 )  
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    开展以质子化的正己胺([HHexam])、己基乙二胺([HHexen])及己基二亚乙基三胺([HHexdien])为阳离子,TFSA [(CF3SO2)2N-]为阴离子的质子化离子液体(PILs),即[HHexam][TFSA]、[HHexen][TFSA]及[HHexdien][TFSA]型PILs吸收SO2的研究。首先,选择密度泛函理论,在M06-2X/6-311G(dp)水平下,优化得到 PILs-nSO2 (n=1,2,3,4,5,6)的若干个最优构象,PILs阳离子极性头部N—H与SO2的O原子间形成N—H…O型氢键。N—H…O部位的振动频率、二阶微扰能、电子密度的结果显示,[HHexam][TFSA]、[HHexen][TFSA]及[HHexdien][TFSA]分别与3、4、5分子SO2结合时,其氢键能达到最大值:57、67、85 kJ/mol,并不再与更多的SO2形成氢键网络,说明PILs对SO2的吸收达到饱和。可以看出,随着PILs结构中氨基数目的增多,其对SO2的吸收能力随之增强。同时,采用COSMOtherm软件,计算了SO2气体在1 mol PILs中的溶解度分别为5.0、5.3、6.2 mol,即随着阳离子结构中氨基数目的增多,使得其对SO2的吸收能力增强,这与密度泛函理论计算得到的结论基本相一致。

    Raney镍-质子型离子液体体系催化木质素平台分子加氢脱氧制备烷烃
    杨绍旗, 赵淑蘅, 陈伦刚, 王晨光, 胡建军, 周清, 马隆龙
    化工学报. 2023, 74(9):  3697-3707.  doi:10.11949/0438-1157.20230547
    摘要 ( 169 )   HTML ( 8 )   PDF (2555KB) ( 224 )  
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    木质素是生物质组成中唯一的芳香类化合物组分,高效转化木质素制备烷烃对于生物质全组分利用具有重要意义。通过设计合成质子型醇胺类离子液体,并与Raney镍催化剂建立催化体系,考察了其对于木质素衍生酚及醚类化合物加氢脱氧制备环烷烃的反应特性和规律。研究证明,Raney镍协同二乙醇胺三氟甲烷磺酸盐([2-HDEA]OTf)催化体系具有最优的催化木质素衍生酚类和醚类化合物加氢脱氧效果。在反应温度130℃,时间15 h,氢气压力3 MPa条件下,木质素衍生酚类及醚类化合物转化率>99.0%,目标产物环烷烃产率>80.0%。Raney镍催化剂表现出与Rh/C等贵金属相近的催化效果,离子液体阴离子结构(OTf)在催化脱氧过程中起关键性作用。

    离子液体催化合成2-氰基呋喃反应动力学研究
    郑佳丽, 李志会, 赵新强, 王延吉
    化工学报. 2023, 74(9):  3708-3715.  doi:10.11949/0438-1157.20230255
    摘要 ( 180 )   HTML ( 17 )   PDF (1500KB) ( 398 )  
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    2-氰基呋喃(CF)是一种具有广泛潜在应用的重要生物基衍生物,是合成糠胺、糠酸等产品的关键原料,但目前对于合成2-氰基呋喃的研究甚少。本研究采用离子液体为催化剂,探究了糠醛与离子液体型羟胺盐反应制备2-氰基呋喃的动力学过程。考察了反应温度和反应时间对产物收率的影响,建立了反应动力学模型,对动力学参数进行了有效性验证。实验结果显示:当反应温度为120℃,反应时间为2 h时,糠醛转化率和2-氰基呋喃收率均为100%。通过计算得到了活化能、指前因子及动力学方程,对比了计算值和实验值,发现平均误差为0.34%,从而验证了该反应动力学方程的准确性,为2-氰基呋喃的后续应用提供了理论指导。

    胆碱基碱性离子液体催化合成仲丁醇性能研究
    陈杰, 林永胜, 肖恺, 杨臣, 邱挺
    化工学报. 2023, 74(9):  3716-3730.  doi:10.11949/0438-1157.20230548
    摘要 ( 163 )   HTML ( 14 )   PDF (2987KB) ( 197 )  
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    利用碱性催化剂催化乙酸仲丁酯与甲醇酯交换制备仲丁醇已成为化工领域的研究热点。相较于传统催化剂,碱性离子液体具有更高效的催化效率和稳定循环使用特性,是一种具有发展潜力的新型绿色催化剂。为此,设计合成了五种基于胆碱的碱性离子液体,通过表征与实验证实阴离子的碱性是影响其催化活性的关键因素。运用适宜催化剂咪唑化胆碱[Ch][IM]经响应面曲线法获得较适宜的催化反应条件:反应温度为45℃,醇酯比为4.42∶1,催化剂投加量为8.91%,其乙酸仲丁酯的转化率达到93.95%,高于醇钠等传统催化剂,展现出在酯交换反应体系中的高效性与在仲丁醇工业化生产过程中应用的可能性。

    离子液体萃取剂萃取精馏分离丙酸甲酯+甲醇共沸物
    王俐智, 杭钱程, 郑叶玲, 丁延, 陈家继, 叶青, 李进龙
    化工学报. 2023, 74(9):  3731-3741.  doi:10.11949/0438-1157.20230517
    摘要 ( 239 )   HTML ( 13 )   PDF (3857KB) ( 452 )  
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    以离子液体(ILs)[BMIM][NTF2]和[HMIM][NTF2]为萃取剂,萃取精馏分离丙酸甲酯+甲醇共沸物,通过分子模拟分析了ILs促进目标共沸物的分离机理;基于汽液平衡实验数据,获得新的NRTL热力学模型参数;选用常规的二组分双塔分离流程,实现了目标共沸体系的分离。作为对比,同时构建了以苯酚为萃取剂的萃取精馏和变压精馏流程。基于Aspen Plus软件平台,分析了上述各流程分离单元主要操作参数对分离过程性能的影响,考察并对比了各流程能耗、年总成本(TAC)和碳排放。结果表明:离子液体工艺可实现丙酸甲酯+甲醇共沸物的有效分离,产品纯度达到99.9%(质量分数),[HMIM][NTF2]工艺与[BMIM][NTF2]、苯酚及变压精馏工艺相比,TAC降低11.68%~43.68%、CO2 排放减少32.11%~68.46%。结果可为共沸物丙酸甲酯+甲醇分离新工艺设计及优化提供理论支撑和实际指导。

    综述与专论
    剧毒气体PH3的干法净化技术研究进展
    杨学金, 杨金涛, 宁平, 王访, 宋晓双, 贾丽娟, 冯嘉予
    化工学报. 2023, 74(9):  3742-3755.  doi:10.11949/0438-1157.20230604
    摘要 ( 227 )   HTML ( 16 )   PDF (5026KB) ( 298 )  
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    磷化氢(PH3)是一种来源广泛的剧毒气体,未经处理排放到大气中会对人体和环境造成严重危害。近年来,国家对PH3的排放进行了严格的规定,因此,尾气中PH3的深度净化受到了广泛的关注。干法是主流的PH3净化技术,主要包括吸附法和催化法。相较于湿法,干法具有性能好、稳定性强、耗水量小以及不产生二次污染等优点。本文首先从吸附法入手,分别探讨了复合金属氧化物吸附剂、活性炭基吸附剂及其他材料(分子筛、二氧化硅等)的研究现状,深入分析了各类脱磷吸附剂的结构性质及优缺点。其次对催化分解PH3的机理进行了总结归纳,重点讨论了各类催化剂的构-效关系。最后,介绍了其他干法(燃烧法、等离子体降解法、生物法)在PH3净化领域的应用。在此基础上,讨论了干法脱磷技术的主要优势以及面临的挑战,并对干法脱除PH3技术的发展方向进行了展望。本工作可以为脱磷吸附剂/催化剂的构建和设计提供参考和指导。

    热力学
    有机笼跨细胞膜易位行为的分子动力学模拟研究
    胡建波, 刘洪超, 胡齐, 黄美英, 宋先雨, 赵双良
    化工学报. 2023, 74(9):  3756-3765.  doi:10.11949/0438-1157.20230550
    摘要 ( 173 )   HTML ( 5 )   PDF (4589KB) ( 149 )  
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    纳米药物具有靶向和缓释特性,是癌症治疗的重要工具。其中,纳米载体的优化设计是提高抗肿瘤纳米药疗效的关键。有机笼是一种新型的多孔纳米材料,因物理化学性质可调性、模块设计等优势脱颖而出,已广泛应用于纳米生物医药等领域。从动力学及热力学研究出发,构建了一系列不同结构的有机笼及其表面修饰衍生物,研究了该纳米载体的细胞膜输运行为。通过分析有机笼在生物膜输运过程中的动力学及热力学性质发现,有机笼结构形变对生物膜输运起着至关重要的作用;此外,聚乙二醇表面修饰提高了有机笼的靶向识别能力,但使得有机笼更加亲水,进而造成了更高的生物膜输运能垒,阻碍跨膜输运。本文在分子水平上系统地阐述了有机笼与细胞膜相互作用规律,对纳米载体设计和在生物医疗方面的应用提供了理论指导。

    流体力学与传递现象
    高浓度水煤浆管道气膜减阻两相流模拟及代理辅助优化
    何松, 刘乔迈, 谢广烁, 王斯民, 肖娟
    化工学报. 2023, 74(9):  3766-3774.  doi:10.11949/0438-1157.20230674
    摘要 ( 125 )   HTML ( 15 )   PDF (2388KB) ( 175 )  
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    为解决高浓度水煤浆管道输送阻力大的问题,提出在水煤浆管道中通入气体,采用气膜减阻以降低管道的阻力损失。针对宾汉非牛顿流体水煤浆,基于流体体积(VOF)多相流模型,通过数值模拟研究分析了加气管关键参数对管道阻力系数的影响,并结合遗传聚合响应面模型与二次拉格朗日非线性规划(NLPQL)算法进行代理辅助优化。结果表明:在水煤浆管道中通入气体能够有效降低壁面剪切应力,气体速度与加气管直径对管道阻力系数影响较为显著,并且提升气体速度与增大加气管直径能够降低阻力系数,而管道阻力系数基本不受加气管道角度影响。优化以阻力系数最小化为目标函数,得出一组加气管参数,优化后管道阻力系数降低了0.0207,减阻率增加了16.90%,研究结果为高浓度水煤浆管道加气减阻机理及结构优化提供了理论指导。

    一种耦合CFD与深度学习的气固快速模拟方法
    温凯杰, 郭力, 夏诏杰, 陈建华
    化工学报. 2023, 74(9):  3775-3785.  doi:10.11949/0438-1157.20230711
    摘要 ( 268 )   HTML ( 24 )   PDF (1799KB) ( 425 )  
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    在计算流体力学领域,深度学习被用于重建流场、预测曳力、求解泊松方程、加速流体模拟等方面的研究。为了加速气固两相流的模拟计算,使用卷积长短时记忆网络对物理量进行预测,并基于LibTorch实现深度学习模型预测与OpenFOAM的耦合。通过与单纯OpenFOAM模拟结果对比,发现深度学习模型预测存在颗粒体积分数不守恒、极小数值预测不准确的问题,先后通过体积分数校正和网格数据过滤消除了前述影响。选取不同的三个物理量组合进行深度学习模型预测以加速CFD计算,在同样选取颗粒体积分数和气体速度的条件下,对比了增加预测颗粒速度和压力对耦合流程计算结果的影响,其中,增加预测颗粒速度的计算结果较为准确,经分析发现这可能与求解器对不同变量的调用顺序有关。此外,研究了不同深度学习模型预测跨度比(1∶1、3∶1、5∶1、10∶1)下的耦合计算结果以及加速效果,发现在一定误差范围内,当前耦合计算流程最高可实现9倍左右的加速,且加速比与跨度比呈近似线性关系。

    耦合蒸气冷却屏的真空多层绝热结构对液氢储罐自增压过程的影响机制研究
    李科, 文键, 忻碧平
    化工学报. 2023, 74(9):  3786-3796.  doi:10.11949/0438-1157.20230544
    摘要 ( 306 )   HTML ( 10 )   PDF (3470KB) ( 371 )  
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    基于MATLAB,构建了一种考虑氢储罐真空多层绝热结构、蒸气冷却屏和内部流体域的瞬态仿真模型。引入了无量纲的蒸气消耗因子ηc、休眠期延长因子ηs和单位因子ηηc代表冷却屏在储存全周期蒸气的消耗量,ηs代表采用冷却屏时休眠期相对于未采用时休眠期的延长量,ηηsηc的比值,代表冷却屏屏蔽漏热的能力。研究了冷却屏的无量纲位置、ηc、流量和开启时刻对ηsη的影响。结果表明,在冷却屏开启时段不变时,使得ηs最大化的冷却屏最佳位置是0.622;当冷却屏位置是0.622,ηc从0.0640降至0.0128,η增大34.7%,但是当冷却屏的设置偏离最佳位置越远,降低ηc使得η增大的幅度越小;固定ηc和蒸气冷却屏的开启时长,ηs随着开启时刻的推迟先增大后减小,当冷却屏的位置是0.622,使ηs最大的开启时刻是第23.26天。

    R134a在菱形离散肋微小通道内的流动沸腾换热实验研究
    王玉兵, 李杰, 詹宏波, 朱光亚, 张大林
    化工学报. 2023, 74(9):  3797-3806.  doi:10.11949/0438-1157.20230784
    摘要 ( 86 )   HTML ( 5 )   PDF (3534KB) ( 62 )  
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    研究了制冷剂R134a在角度分别为30°、60°和90°的菱形离散肋微小通道内的流动沸腾换热特性。微小通道内菱形离散肋分布区域长300 mm、宽20 mm,进口处饱和压力为(700±5) kPa,其他工况范围为:干度0~1,质量流率200~500 kg/(m2·s),热通量10~30 kW/m2。实验结果表明:离散肋中的流动沸腾换热受到核态沸腾和对流沸腾的共同作用,传热系数随质量流率和热通量的增加而增加,但随着干度的升高,热通量的作用减弱并趋于消失。此外,离散肋结构对流动沸腾换热有显著影响,相同工况下,90°菱形离散肋的传热系数高于30°和60°,且在高干度更显著。最后,基于实验数据和分析结论,提出了一个适用于预测不同结构离散肋微小通道中流动沸腾传热系数的计算关联式。

    泡状入流条件下旋流泵能量转换特性研究
    袁佳琦, 刘政, 黄锐, 张乐福, 贺登辉
    化工学报. 2023, 74(9):  3807-3820.  doi:10.11949/0438-1157.20230696
    摘要 ( 133 )   HTML ( 8 )   PDF (8400KB) ( 78 )  
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    探究泡状入流条件下旋流泵流场演化机理和能量转换特性,对优化旋流泵结构和提升其气液混输性能具有重要意义。采用混合多相流模型与种群平衡模型进行耦合计算了旋流泵气液两相流场,结合能量梯度理论、熵产分析与流场演化规律,获得了泡状入流条件下旋流泵的能量转换特性。结果表明,循环流在无叶腔内呈涡带分布,其中涡室附近的循环流强度较高,涡带分布范围广且结构稳定,而无叶腔小半径处的循环流涡带强度较弱,仅存在于部分流道。随着入口体积含气率的增加,无叶腔内涡团面积逐渐增大,涡核数量有所增加。但当入口体积含气率增加到10%后,继续提高含气率,则循环流数量没有明显变化。在高入口体积含气率下,气相在后缩腔叶轮内聚集,使得后缩腔与无叶腔外缘能量梯度函数值增大,脉动熵产损失提高,流场更加紊乱,旋流泵效率与压差下降。

    催化、动力学与反应器
    LaMnO3/生物炭催化剂低温NH3-SCR催化脱硝性能研究
    范孝雄, 郝丽芳, 范垂钢, 李松庚
    化工学报. 2023, 74(9):  3821-3830.  doi:10.11949/0438-1157.20230455
    摘要 ( 148 )   HTML ( 12 )   PDF (3275KB) ( 262 )  
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    以La-Mn钙钛矿氧化物为活性组分,生物炭为载体,利用浸渍法制备负载型脱硝催化剂LMO/BCNA。利用固定床反应装置考察了催化剂的催化活性以及耐硫耐水性能,100~250℃范围内,NO转化率>80%,N2选择性>90%,225℃时NO转化率最高,为95.8%,对应的N2选择性为95.4%。与氧化物相比,负载型催化剂的催化活性大幅提升,同时也扩宽了工作温度区间;生物炭载体的引入,减弱了催化剂对H2O、SO2的吸附,增强了耐硫耐水性能。应用稳态动力学方法构建催化反应动力学模型,在实验条件范围且O2含量为5%时,催化NH3-SCR反应过程中NO、O2、NH3的反应级数分别为0.66、0、0,并得到LMO/BCNA催化的反应活化能为25.52 kJ/mol,低于商用钒钨钛催化剂的化学反应活化能(40~94 kJ/mol)。

    催化剂非均匀分布的质子交换膜燃料电池操作条件研究
    李艺彤, 郭航, 陈浩, 叶芳
    化工学报. 2023, 74(9):  3831-3840.  doi:10.11949/0438-1157.20230341
    摘要 ( 139 )   HTML ( 10 )   PDF (3190KB) ( 235 )  
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    催化层中铂载量沿流道方向的梯度分布会影响反应物利用以及热量和物质的传递,而操作条件对铂载量梯度分布质子交换膜燃料电池电性能和传热传质的影响尚不明确。因此,基于二维、非等温、两相质子交换膜燃料电池模型探究了操作条件反应物流向和化学计量比对铂载量二梯度分布和多梯度分布中的三梯度分布质子交换膜燃料电池的影响。研究表明,反应物流向对铂载量梯度分布燃料电池的电性能和物质含量的影响较弱;化学计量比的增加可以提高铂载量梯度分布燃料电池的电性能,并且随着化学计量比的增加,铂载量梯度分布的燃料电池性能相对于均匀分布的燃料电池性能的提升效果增强。

    过程系统工程
    工业数据驱动的加氢裂化装置多工况切换过渡状态检测
    曹跃, 余冲, 李智, 杨明磊
    化工学报. 2023, 74(9):  3841-3854.  doi:10.11949/0438-1157.20230729
    摘要 ( 3472 )   HTML ( 17 )   PDF (3390KB) ( 459 )  
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    加氢裂化装置运行工况众多且切换频繁,而不同稳定的工况间切换必然存在过渡状态,可能会引起装置运行状态波动,甚至引发事故。通常,操作员会基于专家经验判断装置当前处于稳定或过渡状态,分别采取相应的监控和调整策略。然而,人工判断具有个体差异、经验积累周期长等不足,可能导致过渡状态判断不够准确,故提出一种加氢裂化装置多工况切换过渡状态检测方法,首先,结合工业大数据和装置过程机理,针对工业采集数据运用了小波降噪和平滑,再利用相关分析法和主元分析(principal component analysis,PCA)进行数据降维,剥离了相关性强的变量所带来的额外计算成本和信息干扰,将滑动窗拆分并计算移动方差,再与K-means(K均值)聚类相结合,实现了加氢裂化装置的过渡态检测。最后,与经典K-means聚类和层次聚类方法进行对比验证,证明了所提方法具有更好检测能力。

    基于自适应谱方法的裂解炉烧焦模型化简策略
    王浩, 王振雷
    化工学报. 2023, 74(9):  3855-3864.  doi:10.11949/0438-1157.20230582
    摘要 ( 114 )   HTML ( 4 )   PDF (1820KB) ( 291 )  
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    炉管烧焦是乙烯裂解炉的重要操作,准确的烧焦模型是优化控制烧焦过程、提高烧焦效率的重要前提。常见的烧焦过程机理模型为偏微分方程的形式,具有无穷维、时空耦合的特点,计算复杂度高,难以满足实时优化和控制对轻量级模型的需求。为此提出一种基于自适应谱方法的乙烯裂解炉烧焦过程轻量级模型化策略。首先,针对炉管生焦与烧焦过程焦层变化特点,将炉管自适应划分为有焦段和无焦段。其次,使用Legendre多项式作为空间基函数分别对有焦段和无焦段分布参数近似降维,建立烧焦过程控制输入与炉管内焦层厚度分布、温度分布的时间维系数的集中参数模型,避免因直接使用谱方法近似拟合带局部特征的分布参数系统而产生较大误差的问题。

    基于最大信息系数的分组支持向量数据描述故障检测
    张逸豪, 王振雷
    化工学报. 2023, 74(9):  3865-3878.  doi:10.11949/0438-1157.20230501
    摘要 ( 114 )   HTML ( 4 )   PDF (5447KB) ( 75 )  
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    工业过程的众多变量之间往往存在着复杂的相关关系,传统的故障检测模型通常会忽略不同变量间相关性的差异,对不同相关关系的变量采用相同的特征提取方法,从而导致检测效果欠佳。针对以上问题,提出了一种基于最大信息系数的分组支持向量数据描述故障检测模型,首先计算变量间的最大信息系数矩阵,按照相关性的不同对变量进行分组,再通过最大信息系数为模型混合核函数中高斯核与多项式核的权重分配提供理论指导,从而分别为各组建立不同的支持向量数据描述检测模型,完成最大信息系数与支持向量数据描述的紧密结合,最终实现分布式故障检测。通过仿真对比,验证了该模型的可行性与有效性。

    生物化学工程与技术
    流穿模式离子交换层析去除单抗聚集体
    赵亚欣, 张雪芹, 王荣柱, 孙国, 姚善泾, 林东强
    化工学报. 2023, 74(9):  3879-3887.  doi:10.11949/0438-1157.20230666
    摘要 ( 215 )   HTML ( 5 )   PDF (2582KB) ( 433 )  
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    针对基质和配基相同、配基密度和接枝方式不同的两款阳离子交换介质Eshmuno CP-FT和Eshmuno CPX,比较它们在流穿模式下对单抗聚集体的去除能力。首先考察了不同pH和电导率下单抗单体和聚集体的静态吸附性能,发现在低pH和高电导、高pH和低电导条件下均能实现较高的单抗单体纯度和收率,综合性能Eshmuno CP-FT较优。进一步考察了最佳吸附条件下不同保留时间的穿透曲线,若控制单抗单体纯度99%,Eshmuno CP-FT介质载量高达556 g/L,单抗单体收率为83.2%;而Eshmuno CPX载量只有269 g/L,收率仅60.4%。此外,Eshmuno CP-FT的产率是Eshmuno CPX的2倍,缓冲液消耗仅为Eshmuno CPX的一半左右。吸附动力学结果表明,Eshmuno CP-FT吸附聚集体速度更快,对单体的顶替作用也更强。对于流穿模式去除单抗聚集体,合理的介质设计很重要,优化配基密度及其空间分布可以调整和平衡单抗单体和聚集体的结合,促进聚集体吸附分离,该结果可为研发新型流穿模式介质提供指导。

    能源和环境工程
    超临界水煤气化耦合SOFC发电系统集成及其能量转化机制
    陈哲文, 魏俊杰, 张玉明
    化工学报. 2023, 74(9):  3888-3902.  doi:10.11949/0438-1157.20230689
    摘要 ( 149 )   HTML ( 6 )   PDF (3565KB) ( 185 )  
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    基于超临界水煤气化合成气的富氢特征,提出了一种超临界水煤气化耦合固体氧化物燃料电池(SOFC)及燃气轮机发电系统,气化产物的高温高压显焓由膨胀机回收,化学能由SOFC及燃气轮机先后利用发电,燃气轮机排气及SOFC阴极空气的大部分显热用于预热锅炉给水。在气化温度660℃、气化压力250 bar (1 bar=0.1 MPa)及气化室内煤浆浓度为11.3%(质量)条件下,系统发电效率可以达到54.01%,㶲效率为52.79%。相比于先进的1000 MW超超临界蒸汽朗肯循环燃煤电站,所提新系统可实现年减排CO239万吨。提出的煤基发电系统,进一步深化了煤炭化学能的梯级利用,实现了各子单元间的高效能级匹配,有助于实现双碳目标。

    废锂离子电池放电路径与评价研究
    康飞, 吕伟光, 巨锋, 孙峙
    化工学报. 2023, 74(9):  3903-3911.  doi:10.11949/0438-1157.20230759
    摘要 ( 152 )   HTML ( 14 )   PDF (2342KB) ( 210 )  
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    随着新能源汽车迅猛发展,废锂离子电池资源化回收受到广泛关注,放电是废锂离子电池循环利用过程的重要环节。当前主要采用氯化钠溶液浸泡放电,导致大量含重金属、高有机物废液排放,处理成本高,且存在严重的环境与安全隐患。系统研究了溶液处理过程不同放电介质对放电时间、气体产生、电解液泄漏、金属溶出等的影响,探明了气液固三相组成变化规律,并对锂离子电池的电量释放路径机制进行了探索,明确了放电过程资源环境安全评价与控制方法,进一步构建了本征安全的高效放电技术。发现以电解水为主伴随极少量电解液溶出的硫酸钠溶液最优,以电量释放路径为引导从源头上解决了溶液放电过程大量电解液泄漏以及重金属溶出等问题,为实现废锂离子电池高效循环利用提供了有效支撑。

    炼化碱渣湿式氧化预处理过程DOM的化学转化特征
    杨百玉, 寇悦, 姜峻韬, 詹亚力, 王庆宏, 陈春茂
    化工学报. 2023, 74(9):  3912-3920.  doi:10.11949/0438-1157.20230702
    摘要 ( 99 )   HTML ( 3 )   PDF (3185KB) ( 444 )  
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    湿式氧化工艺(WAO)是炼化企业预处理高浓度碱渣的有效手段。基于3D-EEM、GC-MS以及Orbitrap MS组合分析,在分子水平上研究了碱渣中溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)在WAO过程的化学转化特征。研究发现:WAO过程主要发生加氧去氢(+1O-2H和+2O-2H)、加氧(+3O)以及脱烷基化(-C2H6)反应,芳香性DOM分子结构由高环(≥5环)向低环(3环/4环)转化;弱极性DOM由硫基苯甲醛、3,4-双(乙氧基甲基)噻吩等转化为硫酸盐、噻吩甲酸和硫醚等小分子化合物;强极性DOM则由具有较低不饱和度(DBEwa 3.727)和O/Cwa (0.386)的O2~4类和O3S1类化合物转化为具有较高不饱和度(DBEwa 5.911)和O/Cwa (0.537)的O5~9类和O4~9S1类化合物。WAO预处理后极性DOM种类由1792种增至4909种,水质的可生化性提升了35%。

    基于选择吸收纳米薄膜的太阳能温差发电特性研究
    齐聪, 丁子, 余杰, 汤茂清, 梁林
    化工学报. 2023, 74(9):  3921-3930.  doi:10.11949/0438-1157.20230461
    摘要 ( 102 )   HTML ( 4 )   PDF (3194KB) ( 83 )  
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    为提高太阳能温差发电效率,设计了一种基于选择吸收纳米薄膜新型温差发电装置。研究了光照强度、光照角度对其性能的影响,并与基于商用太阳能涂料的温差发电器进行了对比研究。结果表明:与基于商用太阳能涂料的温差发电器相比,采用选择吸收纳米薄膜作为吸热层可有效提高系统的输出功率,温差发电片的冷热端温差可提高1~2℃,且在低光照强度条件下最高可提高42.6%的输出功率。

    SiO2-H2O纳米流体强化煤尘润湿性的微观机理研究
    赵佳佳, 田世祥, 李鹏, 谢洪高
    化工学报. 2023, 74(9):  3931-3945.  doi:10.11949/0438-1157.20230557
    摘要 ( 158 )   HTML ( 0 )   PDF (13485KB) ( 100 )  
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    煤尘污染是世界煤炭行业亟需解决的难题之一,探索绿色高效的新型煤尘润湿剂对于该领域来说具有潜在的应用价值。以Wender模型为研究对象,借助Materials Studio分子模拟软件与物理实验探究了SiO2-H2O纳米流体对煤尘润湿性的影响机制。研究表明:SiO2纳米颗粒(NPs)的反应活性较高,其表面羟基容易与煤分子和水分子形成氢键,从而影响煤尘的润湿特性。NPs与煤分子的相互作用能力较强,其吸附在煤尘表面后能吸附更多的水分子。当体系中NPs的吸附数量为0~5时,随NPs数量的增加,吸附体系中煤和NPs、NPs和水之间的相互作用能以及固-液分子间氢键的数量呈增大的趋势。煤和NPs中氢、氧原子之间的g(r)曲线值最大,峰值较高,而煤和水中氢、氧原子之间的g(r)曲线与之相反。随着NPs吸附数量的增加,水分子均方位移与扩散系数呈增大的趋势,加速了对煤尘的润湿。与水相比,纳米流体具有较低的表面张力,当颗粒浓度为2.0%(质量)时,改性煤尘接触角下降率达到了52.85%~61.51%,同时纳米流体处理后的煤尘表面NPs吸附集聚现象明显。本研究分子模拟结果与实验结果相互验证,阐明了NPs强化煤尘润湿性的微观机理,获得了NPs对煤尘润湿性的影响规律,揭示了NPs在煤尘表面的吸附特征,为SiO2-H2O纳米流体强化煤尘润湿性奠定了理论基础。

    材料化学工程与纳米技术
    2,5-二羟基苯磺酸增强离子水凝胶材料热电性能的研究
    王阳, 戴永强, 曾炜
    化工学报. 2023, 74(9):  3946-3955.  doi:10.11949/0438-1157.20230474
    摘要 ( 140 )   HTML ( 6 )   PDF (2695KB) ( 105 )  
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    目前离子导体热电材料在低品位热源方面的热电转换研究已有一定进展,但仍存在热电转换效率低和可持续性差等问题。研究了2, 5-二羟基苯磺酸盐(HQS)在不同条件下对离子热电水凝胶材料热电性能的影响。利用质子耦合电子转移(PCET)反应协同高扩散系数的质子的Soret效应,结果表明引入HQS可以提升热电性能,其热电势19.16 mV·K-1,离子热电优值0.98,热电转换效率为0.19%。在20 K温差下,可以维持120 mW·m-2的功率输出近2.5 h。

    低阶粉煤催化微波热解制备含碳纳米管的高附加值改性兰炭末
    吴雷, 刘姣, 李长聪, 周军, 叶干, 刘田田, 朱瑞玉, 张秋利, 宋永辉
    化工学报. 2023, 74(9):  3956-3967.  doi:10.11949/0438-1157.20230132
    摘要 ( 150 )   HTML ( 11 )   PDF (2694KB) ( 85 )  
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    由于兰炭末粒径小、挥发分低等原因限制了其在工业生产中大规模利用。因此,兰炭末高附加值改性制备是当前极具吸引力和前景的研究课题。通过KOH协助微波热解低阶粉煤制备了含有碳纳米管的高附加值改性兰炭末,研究了KOH添加量(碱碳比)对改性兰炭末的形貌和结构、石墨化度、微晶结构和碳纳米管(CNTs)含量的影响,推测了改性兰炭末中碳纳米管的生成机制。结果表明:当碱碳比为1.0时,改性兰炭末中生成了直径在30~50 nm,长度约为几十微米的碳纳米管,其含量为3.01%(质量)。随着碱碳比增加,K的刻蚀和原煤所含矿物质产生的Fe3C对碳纳米管的生成具有促进作用,改性兰炭末的有序性有所增强,石墨层间距的交互作用增强,Raman光谱中出现碳纳米管的标志特征峰G′,表明生成了含有碳纳米管的高附加值改性兰炭末。此外,FT-IR光谱中改性兰炭末中的C—C、C—H和醚键C—O—C结构强度明显减弱。这种现象的产生可能有两方面原因:一是这些碳结构在催化剂的作用下成为了碳纳米管直接生成的固相碳源;二是这些碳结构热分解释放出CO和CH4,这些气体可作为碳纳米管的气相碳源。高附加值改性兰炭末中碳纳米管的生成可能是 “顶端生成”模型和“粒-线-管生成”模型共同作用的结果。

    单层XSe2(X=Zr/Hf)的热电输运特性研究
    刘远超, 关斌, 钟建斌, 徐一帆, 蒋旭浩, 李耑
    化工学报. 2023, 74(9):  3968-3978.  doi:10.11949/0438-1157.20230622
    摘要 ( 92 )   HTML ( 1 )   PDF (4379KB) ( 54 )  
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    基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)结合Boltzmann输运方程(BTE)和形变势理论(DP)系统地研究了单层ZrSe2和HfSe2的热电输运特性,分析了二者声子的谐性效应和非谐性效应对其晶格热导率的影响机理,并计算了不同温度下二者的塞贝克系数、功率因数、电导率等热电参数。研究结果表明:在300 K时,单层ZrSe2和HfSe2的晶格热导率分别为3.23和4.50 W/(m·K),且随温升降低;各声子支中横向声学支(TA)对热导率的贡献起主要作用。300 K时n型单层ZrSe2和HfSe2的最高ZT分别为1.50和1.95(高于p型),其中单层HfSe2表现更佳,因此n型单层HfSe2是一种良好的热电材料。该研究结果可为基于单层ZrSe2和HfSe2的热电设计和应用提供理论指导及借鉴。