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2023年 第74卷 第12期 刊出日期:2023-12-25
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    本期中英文目录、封面
    化工学报. 2023, 74(12):  0. 
    摘要 ( 77 )   PDF (3644KB) ( 161 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    固体氧化物电解池制氢关键技术及产业化进展
    张俊杰, 孙旺, 高啸天, 乔金硕, 王振华, 孙克宁
    化工学报. 2023, 74(12):  4749-4763.  doi:10.11949/0438-1157.20231074
    摘要 ( 256 )   HTML ( 37 )   PDF (4131KB) ( 285 )  
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    随着双碳目标和能源革命的持续推进,氢能作为重要的清洁能源受到广泛关注。在众多的制氢途径中,固体氧化物电解池(solid oxide electrolytic cell, SOEC)电解水制氢被认为是最有前景的制氢途径之一。为更好地服务SOEC电解水制氢的产业化发展,对SOEC技术的研究现状和面临的挑战进行了系统梳理。虽然SOEC电解水制氢具有制氢效率高、环境污染小、余热高效利用等优点,但在长时间稳定运行和大规模集成上还有许多难点问题亟需解决,目前国内SOEC产业化尚在起步阶段,与国外发展水平还有一定的差距。提升材料的稳定性、优化系统控制是SOEC技术的重点发展方向。此外,加快SOEC产业化进程还需要协同发展上下游产业链,进一步降低制备成本。随着技术的成熟,SOEC有望在化工、分布式能源等领域获得广泛的应用。

    金属锂固体电解质界面膜的研究进展
    郑立涵, 沈之川, 施志聪
    化工学报. 2023, 74(12):  4764-4776.  doi:10.11949/0438-1157.20231155
    摘要 ( 167 )   HTML ( 27 )   PDF (3465KB) ( 246 )  
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    固体电解质界面(solid electrolyte interphase, SEI)是锂金属电池在首次充放电时,锂金属负极表面形成的一层钝化膜,对电池的循环性能和安全性能等具有至关重要的影响。充分地认识SEI膜将有助于开发具有更长循环寿命和更高安全性能的锂金属电池。综述了锂金属电池SEI膜的研究进展,介绍了SEI膜的组成和结构,梳理了各种常见组分的形成条件和作用,论证了两种用于描述SEI膜结构的模型,即马赛克模型和层状模型,总结了影响SEI膜组成和结构的关键因素,如电解质添加剂、电极电位、温度和电流密度等。并介绍了通过引入电解质添加剂和构建人工SEI膜实现界面稳定调控的最新研究进展,最后展望了SEI膜未来的研究方向。

    层状结构铝系吸附剂在盐湖提锂领域的研究
    李彦乐, 刘宜林, 霍俊杰, 孙艳霞, 董生德, 贺欣, 许琪, 马路祥, 周园, 海春喜
    化工学报. 2023, 74(12):  4777-4791.  doi:10.11949/0438-1157.20231035
    摘要 ( 140 )   HTML ( 13 )   PDF (4688KB) ( 455 )  
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    随着动力电池车的快速发展和广泛应用,锂资源的需求量急剧增加。如何实现我国具有国际资源优势的盐湖锂资源高效利用开发是近几十年来盐湖化工产业亟需解决的关键问题。与国外已实现开发利用的盐湖相比,除了西藏部分盐湖以外,我国盐湖锂资源大多是锂浓度低至几十mg/L、镁锂比极高(约500,甚至更高)的低品位资源。截至目前,基于我国盐湖锂资源的特征,已开发了几种盐湖提锂方法,如膜法、吸附法、太阳池法、溶剂萃取法和电化学法等,部分已成功应用于实际盐湖卤水提锂产业化生产中。其中,吸附法因高Li+选择性、良好的适用性、工艺简单、绿色高效和可循环利用等特性而备受关注。层状结构铝系吸附剂(Li/Al-LDHs)因具有较高的选择性、绿色环保等优势已成功实现产业化应用。然而,该类吸附剂在规模化应用时仍存在动态吸附容量极低、粉化严重等问题,有待进一步深入研究探讨。从Li/Al-LDHs吸附性能与晶体结构间构效关系出发,梳理总结了Li/Al-LDHs吸附剂循环周期短、应用性能差的原因,并从结构稳定性的角度出发,提出了性能提升的解决方案。

    软/硬炭的特性、结构、制备及应用
    李烁, 赵哲鹏, 崔正威, 袁观明, 许斌
    化工学报. 2023, 74(12):  4792-4809.  doi:10.11949/0438-1157.20230874
    摘要 ( 185 )   HTML ( 22 )   PDF (4596KB) ( 261 )  
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    近年来,节能环保、智能制造和绿色低碳等行业持续发展壮大,伴随国家“十四五”政策逐步落实,炭材料起到了举足轻重和不可替代的作用。软/硬炭作为和石墨、石墨烯、纳米炭同等重要的一种炭材料,引起了科学界和产业界的广泛关注,目前在新能源、新技术和生态环境等领域的开发和应用方兴未艾。首先介绍了软/硬炭的重要性、研究热度及其专业术语的历史发展,并对其结构特性和经典结构模型进行了系统梳理;然后围绕软/硬炭的制备方法(气相、液相和固相炭化)及控制手段(包括碳质原料的合理选取)、微晶结构调控措施、高温衍变规律及相互转化进行了全面概括;简要概述软/硬炭在传统领域应用的同时,重点介绍了其在能源存储与转化、先进催化材料和高效吸附环保等新兴领域的应用;最后对软/硬炭的研发前景和发展趋势进行了总结和展望,为设计和开发低成本生产、精细结构及优异性能调控、高附加值和高端领域应用的软/硬炭提供了一个全面视角。

    热力学
    地热能有机朗肯循环系统控制策略研究
    闫沛伟, 张曼铮, 肖猛, 苗政
    化工学报. 2023, 74(12):  4810-4819.  doi:10.11949/0438-1157.20230878
    摘要 ( 89 )   HTML ( 15 )   PDF (1185KB) ( 107 )  
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    有机朗肯循环在中低温热能利用领域有着重要的应用。对其控制策略的研究是该技术走向实用化的必须过程。基于干热岩地热井口条件,通过热力学计算和设备选型设计了对应的ORC机组,并对该机组进行建模和动态仿真,研究了四种策略对ORC机组性能的影响规律及控制性能:恒定过热度运行,恒定蒸发压力运行,恒定负荷运行以及变负荷运行。结果表明:通过工质泵流量进行调节可以满足ORC系统的动态控制,实现系统的高效和稳定运行。恒定过热度运行不仅能在热源温度波动时保证系统的安全运行,同时也表现出最佳的输出性能。恒定蒸发压力运行、恒定负荷运行和变负荷运行可以在其需要的稳压、稳负荷和变负荷场景中应用,但它们都对过热度有极大的影响,这限制了它们的适用范围。因此在实际应用中应根据具体的工作场景在控制策略中组合不同的运行模式。

    流体力学与传递现象
    缠绕管式换热器全模型研究
    李佳旭, 怀英, 刘婷婷, 刘应春
    化工学报. 2023, 74(12):  4820-4828.  doi:10.11949/0438-1157.20230861
    摘要 ( 136 )   HTML ( 22 )   PDF (2989KB) ( 132 )  
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    缠绕管式换热器由于结构紧凑、换热效率高,在化工领域有广泛的应用,但其复杂性也为研究带来困难。利用mixture模型和相变模型构建了全三维尺度下的数值方法,实现了缠绕管式换热器壳程和管程流动、传热过程的计算。搭建了米级换热器实验及测试平台,建立了相应的全三维、同尺寸数值模型;采用Lee相间传质模型,实现了蒸发-冷凝模拟,获得换热器器件尺度传热系数和相变总量。计算的传热系数与实验测量值的相对误差为4.98%。基于所构建的全模型,数值研究了操作条件对传热特性和相变的影响,分析了换热段长度和缠绕管层数对传热性能的影响,为缠绕管式换热器的设计开发提供了数据和平台支持。

    基于格子Boltzmann方法的荷电液滴蒸发及传热研究
    陈宁光, 甘云华
    化工学报. 2023, 74(12):  4829-4839.  doi:10.11949/0438-1157.20231090
    摘要 ( 87 )   HTML ( 9 )   PDF (3020KB) ( 237 )  
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    固着液滴蒸发在各种应用中起着重要作用,然而数值模拟研究电场对蒸发液滴内部流动及传热影响还有待探索。结合相变和漏电介质模型提出了一个多松弛格子Boltzmann模型,并与实验结果进行了对比验证。运用该模型研究了电场对液滴蒸发过程的形态变化、电场力分布、流动和传热的影响。结果表明,液滴沿电场方向被拉伸,其高度随电毛细数(CaE)的增加而增加,电场扩大了液滴的内部流动范围,使其流动更加均匀。当CaE=0.4时,Peclet数是无电场时的3.3倍,但相对于热传导,液滴的内部流动对温度分布没有显著影响。由于电场拉伸液滴,导致传热热阻增加,因此蒸发所需的时间增加。电场的作用是改变液滴几何形态,而接触线密度的增加才是影响平均热通量的主要原因。

    基于GA-BP神经网络的横管降膜蒸发传热系数预测
    马欣蔚, 牟兴森, 龙珠, 沈胜强
    化工学报. 2023, 74(12):  4840-4851.  doi:10.11949/0438-1157.20231037
    摘要 ( 71 )   HTML ( 4 )   PDF (1103KB) ( 79 )  
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    由于横管降膜蒸发过程中传热系数的影响因素众多,依靠传统的关联式难以描述其复杂的非线性关系,因此提出利用BP神经网络强大的函数拟合能力构建模型以实现对传热系数的预测,并采用遗传算法进一步优化,建立了GA-BP预测模型,其中输入神经网络的参数包括喷淋密度、蒸发温度、管径、管间距和工质盐度。将模型的预测结果与真实值进行对比,同时引入传热关联式作为对照。结果表明,GA-BP模型的平均绝对百分比误差(MAPE)仅为8.10%,相比原始BP神经网络降低了31.93%,预测精度较传统的传热关联式提升70%左右。可见神经网络方法在非线性系统建模方面具有较大优势,能够有效预测横管降膜蒸发传热系数,为进一步优化工况参数、提高蒸发器的传热性能提供了可靠依据。

    静态及摇摆条件下弹状流壁面切应力实验研究
    李乃良, 陈聚凯, 韩骏楷, 赵庆杰, 张一帆
    化工学报. 2023, 74(12):  4852-4862.  doi:10.11949/0438-1157.20230939
    摘要 ( 43 )   HTML ( 3 )   PDF (2082KB) ( 75 )  
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    壁面剪切力是气液两相流近壁面传递过程的关键参数。基于极限扩散电流方法实验研究了摇摆状态下上升实验段内气液两相弹状流的壁面切应力特性,获得了壁面切应力的径向分布规律和轴向演化规律。实验段的内径为50 mm,高度为2.3 m,摇摆频率为1~2.5 Hz,摇摆幅度为10~30 mm。结果表明,弹状流下Taylor气泡和液塞的间歇性流动导致瞬态壁面切应力具有脉动性特征,静态条件下壁面切应力的径向分布比较均匀,沿流动方向略有增大。随着摇摆幅度和频率的增加,Taylor气泡逐渐变短,瞬态壁面切应力的峰值区域减小。

    基于稳态传热分析的高炉炉壁温度场建模方法
    徐思远, 潘冬, 蒋朝辉, 刘少强, 余浩洋
    化工学报. 2023, 74(12):  4863-4880.  doi:10.11949/0438-1157.20231119
    摘要 ( 81 )   HTML ( 7 )   PDF (5440KB) ( 125 )  
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    高炉炉壁温度场是掌握炉内热负荷状态和燃料燃烧情况、及时发现高炉异常工况、保障高炉稳定顺行的重要信息。针对现有炉壁温度场获取难及温度场建模过程中未考虑渣皮脱落与生成现象等问题,提出一种基于稳态传热分析的高炉炉壁温度场建模方法。首先,利用COMSOL仿真软件搭建炉壁三维仿真模型;其次,充分考虑渣皮对炉壁温度变化的影响,建立包含渣皮热源项的稳态传热模型,获得初始炉壁内表面温度场;然后,为提高温度场模型精度,基于热传导反问题理论,以冷却壁中热电偶的实测温度为参考,构建炉壁温度场修正模型,实现炉壁温度场数据的迭代修正。实验表明经温度场修正模型修正后,传热模型的计算误差控制在5%以内,满足现场检测精度要求,并能可视化展示炉壁温度场,为高炉调控操作提供了可靠的炉壁温度场数据。

    水平均匀电场下盐水中氯气气泡的聚并特性
    黄杏梅, 张莹, 王宗勇, 李雅侠, 张丽
    化工学报. 2023, 74(12):  4881-4891.  doi:10.11949/0438-1157.20231147
    摘要 ( 58 )   HTML ( 4 )   PDF (2979KB) ( 82 )  
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    实验测量了电场条件下盐水中氯气气泡的大小、气泡间距离及其聚并时间。采用两相流和相场模型对电场条件下氯气聚并过程进行了数值模拟。结果表明,采用实验和数值模拟方法所得到的气泡聚并时间的偏差为11.0%,说明两者吻合较好。在此基础上,分析了不同电压下气泡的聚并过程,考察了气泡直径、液体表面张力和黏度对氯气气泡聚并过程的影响。结果表明:在电压为0~200 V范围内,电压、气泡直径和液体黏度越大,气泡间距越大,聚并时间越长;液体的表面张力越大,气泡间距越小,聚并时间越短。

    不同冷凝段温度下液氮脉动热管可视化实验研究
    卜治丞, 李思卓, 焦波, 王博, 甘智华
    化工学报. 2023, 74(12):  4892-4903.  doi:10.11949/0438-1157.20230962
    摘要 ( 52 )   HTML ( 6 )   PDF (5534KB) ( 255 )  
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    脉动热管作为一种高效换热元件,能够在低温制冷机的冷量传输过程中发挥重要作用。对脉动热管内流型的可视化研究能够全面掌握工质的流动与传热机理,但由于低温环境可视化实验的复杂性,目前从实验中获得的低温脉动热管流型特性是稀缺数据。通过搭建低温脉动热管可视化实验台,采用制冷机作为冷源,系统地研究了以氮为工质时冷凝段温度对装置传热性能的影响。结果表明,充液率较低时,冷凝段温度越高,启动所需的热负荷越低,但易出现干涸现象;中等充液率工况下在冷凝段温度较低时由于流道未全部启动,热阻会升高,全局运行后热阻降低稳定;高充液率下气液运动稳定,随着热负荷增大,热阻下降后保持不变;各充液率下冷凝段温度的升高皆有利于脉动热管全局运行,并获得更低的热阻。

    催化、动力学与反应器
    碳纸自支撑N掺杂碳纳米管复合MoC/NiCo异质结构的电解水析氧性能
    柴亚婷, 路家伟, 王蕊欣, 焦纬洲
    化工学报. 2023, 74(12):  4904-4913.  doi:10.11949/0438-1157.20231034
    摘要 ( 145 )   HTML ( 10 )   PDF (5401KB) ( 141 )  
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    电催化分解水是当今最有成效的产氢方法之一,而析氧反应是水分解的决速步,但其动力学缓慢,因此,开发能有效加速析氧反应的电催化剂成为研究者关注的焦点。首先,选择以碳纸(CP)为自支撑基底,原位水热生长氧化锌(ZnO)纳米针,后进一步通过水热在其上生长NiCoMo的层状氢氧化物(NiCoMo-LDH)纳米片,制得NiCoMo-LDH/ZnO/CP。最后,以双氰胺(DCDA)作为碳源和氮源,与NiCoMo-LDH/ZnO/CP在N2气氛下共退火2 h,制备出CP自支撑的封装有MoC和NiCo纳米粒的N掺杂碳纳米管(NCNT)阵列MoC-NiCo@NCNT/CP。由于MoC和NiCo的协同作用、高电导性以及无黏合剂的自支撑电极构建,使得所研制电极MoC-NiCo@NCNT/CP在1 mol·L-1 KOH溶液中具有很好的电解水析氧活性,过电位仅需243 mV时即可获得50 mA∙cm-2的电流密度,比RuO2催化剂析氧过电位更低。此外,MoC-NiCo@NCNT/CP还显示出较好的稳定性。

    煤基泡沫炭复合F-TiO2光催化降解苯酚
    杨小芹, 刘馨雨, 杨玉寒, 叶彦, 贾琼, 杨浩男, 秦志宏
    化工学报. 2023, 74(12):  4914-4925.  doi:10.11949/0438-1157.20230834
    摘要 ( 75 )   HTML ( 12 )   PDF (4007KB) ( 64 )  
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    采用溶剂热法及随后的KF溶液浸泡制备了氟掺杂TiO2(F-TiO2),以煤疏中质组为原料制备多级孔泡沫炭(CCF),采用浸渍法将F-TiO2负载于CCF上制得复合型光催化剂F-TiO2/CCF。以苯酚溶液为目标降解物,研究了氟离子浓度、浸泡时间以及泡沫炭活化时间对催化剂催化性能的影响。分别采用XRD、XPS、SEM、N2吸附、UV-Vis-DRS等对样品进行表征。结果表明,F-TiO2/CCF的最佳制备条件为KF溶液浓度0.1 mol/L、浸泡时间24 h、泡沫炭水蒸气活化时间1 h。由此制得的复合催化剂在模拟太阳光下6 h对苯酚的光降解率达76%,总脱除率达89%,比F-TiO2纳米颗粒的光催化活性提高了2.7倍。4次连续降解循环实验后对苯酚的脱除率仍维持在84%左右。掺杂氟原子的强电负性使F-TiO2上的Ti化合价更正,更有利于与苯酚上的氧原子进行吸附配位。而泡沫炭载体不仅促进了光生载流子的高效分离,其大/中/微孔的共同作用保证了光的有效利用和苯酚的快速吸附扩散,使F-TiO2/CCF光催化性能得到了显著的提高。

    分离工程
    双金属卤化物络合萃取分离直馏石脑油中的芳烃
    唐政, 郑涛, 刘晗, 张睿, 刘植昌, 刘海燕, 徐春明, 孟祥海
    化工学报. 2023, 74(12):  4926-4933.  doi:10.11949/0438-1157.20230991
    摘要 ( 68 )   HTML ( 3 )   PDF (1312KB) ( 159 )  
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    直馏石脑油中芳烃和脂肪烃的分离是石化行业实现资源优化利用的重要前提,溶剂萃取以及萃取精馏是常用的分离手段,但传统溶剂通常存在萃取极限,对低浓度芳烃的分离效果不够理想。π络合萃取是一种基于可逆π络合反应实现混合物分离的技术,双金属卤化物能够定向络合芳烃,打破萃取极限,达到高选择性分离芳烃的目的。实验探究了多种双金属卤化物对芳烃的络合萃取性能,发现双金属卤化物CuAlCl4具有良好的芳烃络合萃取性能,芳烃选择性可达88.15,明显优于传统溶剂。使用基于密度泛函理论的分子模拟手段探究双金属卤化物与烃类之间的相互作用形式及相互作用能,揭示了π络合作用是实现芳烃分离的本质原因,表明双金属卤化物能够高选择性地分离石脑油中芳烃。

    六塔变压吸附制氧工艺的模拟与分析
    孔德齐, 张莹莹, 武文玲, 马军, 宋振兴, 张东辉, 张彦军
    化工学报. 2023, 74(12):  4934-4944.  doi:10.11949/0438-1157.20230978
    摘要 ( 56 )   HTML ( 1 )   PDF (1654KB) ( 67 )  
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    采用13X分子筛作为吸附剂,设计了一种六塔变压吸附制氧工艺,可用于中型医用制氧机。通过静态容积法测定了氮氧气体在13X分子筛上的吸附等温线,建立了六塔变压吸附工艺的数学模型,包括吸附床模型和辅助设备的数学模型。利用Aspen Adsorption软件对工艺进行了数值模拟,分析了塔内的压力、温度和吸附相浓度分布。模拟结果表明,在吸附压力6 bar(1 bar=0.1 MPa)、步骤时长8 s、产品流量6 m3·h-1的条件下,O2产品纯度达93.83%,回收率46.85%,生产能力3.42×10-2 m3·h-1·kg-1。相较于已有的两塔和四塔工艺,该工艺的回收率有所提高。探究了步骤时长、吸附压力和产品流量对氧气浓度、回收率和生产能力的影响。在4.5~7.5 m3·h-1的产品流量范围内,该工艺均可以制得90%以上纯度的氧气,可应用于氧气纯度需求不同的场景。

    带组分循环反应精馏合成丙酸正丙酯过程优化设计与控制
    李武祥, 孙玉玉, 刘丹阳, 蔡鑫磊, 汤吉海, 黄益平, 张国雯, 张竹修, 乔旭
    化工学报. 2023, 74(12):  4945-4955.  doi:10.11949/0438-1157.20230967
    摘要 ( 49 )   HTML ( 4 )   PDF (2278KB) ( 104 )  
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    针对反应体系存在最不利挥发度序列的反应精馏难操作问题,提出带组分循环的反应精馏工艺,以过量正丙醇与丙酸酯化反应生产丙酸正丙酯为对象,构建了一种正丙醇循环的反应精馏工艺。通过热力学分析确定丙酸正丙酯和正丙醇二元体系存在夹点,系统研究了正丙醇循环纯度(XProOH)对反应精馏集成过程的影响,并以年度总成本(TAC)为优化目标,通过序贯优化法确定反应精馏塔及回收塔的操作参数和结构参数。结果表明,当XProOH=0.80时,达到反应精馏塔反应过程和回收塔分离过程之间的权衡,获得TAC最小的工艺过程参数。此外,进一步提出一种组成/温度-比例控制方案,研究了闭环系统中引入±10%丙酸进料流量扰动时动态响应性能,结果表明该控制方案具有较好的抗干扰能力。

    表面与界面工程
    浮环密封端面分形磨损有限元模拟及试验验证
    王旭辉, 丁雪兴, 力宁, 张志敏, 司佳鑫
    化工学报. 2023, 74(12):  4956-4967.  doi:10.11949/0438-1157.20231150
    摘要 ( 36 )   HTML ( 1 )   PDF (6043KB) ( 259 )  
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    针对浮环密封运行过程中高频浮动导致的密封端面磨损进而造成密封泄漏量增大的问题,建立基于分形理论的浮环密封端面分形磨损预估模型,采用ABAQUS中的UMESHMOTION子程序和ALE自适应网格技术对浮环密封端面磨损过程进行仿真模拟,通过修正的Archard磨损理论计算接触区域的磨损深度,开展浮环端面磨损的内在规律研究,并通过试验验证了有限元模型的准确性。进一步分析了浮环端面表面形貌及工况参数对磨损深度的影响,以期为浮环端面密封的设计及磨损防护提供指导。研究结果表明:浮环端面磨损深度随着分形维数D的增加而减小,但随着特征尺度G的增加而增大,当D1.65时,G的变化对磨损深度影响尤为显著;随着浮环端面载荷增加,其磨损深度呈现与分形维数D和特征尺度G增加有关的近似线性上升趋势;磨损循环次数的不同将形成各异的磨损深度分布,而随着循环次数的增加,石墨浮环的磨损深度逐渐上升,尤其在接触区边缘达到峰值,并在磨损区域两端出现明显的凹陷。

    能源和环境工程
    纤维素增强环氧树脂复合材料热解特性研究
    刘世君, 郑安庆, 陈晓丽, 付娟, 苏秋成
    化工学报. 2023, 74(12):  4968-4978.  doi:10.11949/0438-1157.20231196
    摘要 ( 51 )   HTML ( 2 )   PDF (3011KB) ( 53 )  
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    天然纤维在许多领域可取代合成纤维应用于增强式复合材料中,在保证了一定强度与刚度的同时具有成本低、质量轻、降解易等优点,但目前对于天然复合材料热解回收方面的研究匮乏。鉴于此,本文通过热重分析仪(TG)和热裂解气相色谱质谱联用仪(Py-GC/MS)研究天然纤维素增强式环氧树脂复合材料热解反应动力学和产物生产特性。结果表明,在复合材料中,纤维素和环氧树脂的协同效应降低了复合材料的热稳定性,同时极大程度地降低了焦的残余量,最终显著降低了复合材料的热解活化能;另一方面,协同效应对快速热解产物的种类影响不明显,但能够显著影响产物产量和分布。

    基于弹性网正则化的电化学阻抗谱弛豫时间分布重构方法的研究
    郑群, 魏旭钊, 董乐贤, 张纪豪, 雷励斌
    化工学报. 2023, 74(12):  4979-4987.  doi:10.11949/0438-1157.20231079
    摘要 ( 67 )   HTML ( 2 )   PDF (1907KB) ( 88 )  
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    电化学阻抗谱(EIS)在燃料电池和二次电池研究中有广泛的应用,弛豫时间分布(DRT)是一种新型和高效的EIS解析技术,其具有不依赖于先验知识和分辨率高等优点。但DRT函数的重构过程是一个反问题求解过程,并存在不适定问题。针对上述难题,提出一种结合弹性网正则化和量子粒子群算法的DRT函数重构方法,其中弹性网正则化可有效解决不适定问题,而量子粒子群算法可以合理选择弹性网正则化的参数(正则化因子和混合系数),避免了人工选择参数的问题。分别采用等效电路的EIS、包含噪声的等效电路EIS和实验测量的EIS,考察所开发DRT重构方法的可靠性。研究结果表明:所开发的DRT重构方法在上述三种情况下均可以重构出高质量DRT函数。

    材料化学工程与纳米技术
    气场压力对激光辐照制备石墨纤维微观结构与力学性能影响
    丁奇胜, 谭晶, 程礼盛, 张政和, 宋立健, 杨卫民
    化工学报. 2023, 74(12):  4988-4996.  doi:10.11949/0438-1157.20230769
    摘要 ( 40 )   HTML ( 1 )   PDF (1908KB) ( 36 )  
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    在氩气压力0~0.3 MPa下对聚丙烯腈基碳纤维进行高功率激光快速辐照热传导制备了石墨纤维,研究了氩气压力对碳纤维石墨化性能的影响。结果表明,当气场压力为0 MPa时,高功率激光快速辐照下碳纤维发生了气胀现象:碳纤维中非碳元素以气体形式大量快速逸出、碳纤维直径增加,同时伴随着部分表层脱落。进一步增加高功率激光辐照时的气场环境压力,当气场压力为0.2~0.3 MPa时,碳纤维直径减小并逐渐稳定、表层脱落消失,碳纤维的石墨化程度和石墨微晶尺寸进一步增加,同时加压激光辐照后石墨纤维拉伸强度损失减小,杨氏模量增加。因此,施加0.2~0.3 MPa氩气压力是改善高功率激光辐照制备石墨纤维性能的一种有效方法。

    聚丙烯流延膜的制备与拉伸过程中的结构演变
    张博, 李壮壮, 赵丹, 钱翠珠, 王宝, 潘鹏举
    化工学报. 2023, 74(12):  4997-5005.  doi:10.11949/0438-1157.20230971
    摘要 ( 70 )   HTML ( 2 )   PDF (5128KB) ( 61 )  
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    高分子薄膜在加工过程中往往经历复杂的温度场以及拉伸场,拉伸通过诱导分子链取向而影响聚集态结构,进而影响薄膜各项性能。由于β晶聚丙烯(iPP)具有更好的力学性能,通过加入稀土类β成核剂(WBG)提高了iPP中β晶含量,并且利用流延的方法制备了iPP流延膜,研究了流延以及后拉伸条件对iPP结晶结构的影响。研究结果发现,随着牵伸比的增加以及流延温度的降低,iPP的结晶度增大,β晶含量减少,同时流延膜具有更高的拉伸强度。在后拉伸过程中,增加拉伸温度和应变能够促进β晶向α晶的转变,并且流延膜在拉伸后期出现空洞结构,基于此制备了iPP微孔膜。

    石墨烯量子点复合膜的调控制备:前体的影响
    陈佩佩, 汪秋英, 肖泽卿, 周思佳, 张小亮
    化工学报. 2023, 74(12):  5006-5015.  doi:10.11949/0438-1157.20231188
    摘要 ( 51 )   HTML ( 3 )   PDF (3222KB) ( 240 )  
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    石墨烯量子点(GQDs)作为新兴的零维石墨烯衍生物,与二维材料氧化石墨烯相比,具有尺寸更小、比表面积更大、亲水性更强等优势,作为膜分离材料近年来备受关注。分别以柠檬酸、木质素磺酸钠、葡萄糖为前体,采用一步水热法成功合成出GQD并组装成GQDs复合膜,系统探究了三种前体对GQDs复合膜的微观结构和渗透汽化脱盐性能的影响。采用UV-Vis、FTIR、XRD、TEM等表征手段对膜的结构和形貌进行了分析,结果表明:不同前体会影响GQDs的粒径大小和膜层间距d-spacing值,从而影响GQDs复合膜的表面微观结构和渗透汽化脱盐性能。三种前体中以柠檬酸为前体制备的CA-GQDs复合膜的脱盐性能最佳,30℃在3.5%(质量分数)NaCl溶液中优化制备的CA-GQDs复合膜的渗透通量高达37.36 kg·m-2·h-1(渗透率高达1.2×10-4 mol·m-2·s-1·Pa-1),盐截留率近乎100%。此外,该复合膜在进料液pH=2~12具有较好的耐酸碱稳定性,尤其是pH=8~11时盐截留率仍保持99.95%以上。

    基于第一性原理的不同结构石墨炔热电输运特性研究
    蒋旭浩, 刘远超, 徐一帆, 李耑, 刘新昊, 李梓硕
    化工学报. 2023, 74(12):  5016-5026.  doi:10.11949/0438-1157.20230929
    摘要 ( 35 )   HTML ( 1 )   PDF (3226KB) ( 46 )  
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    石墨炔是一种新兴的二维层状材料,在热电领域具有应用前景。基于第一性原理的计算方法,分别对γ-石墨炔、δ-石墨炔和α-石墨炔的热电输运特性进行深入研究,重点探讨三种不同结构对声子热输运、电子电导和热电优值的影响规律。研究结果表明,γ、δ和α结构的石墨炔在室温下具有较低的热导率,分别为31.19947、13.44974、5.87009 W·m-1·K-1,且随温度升高热导率逐渐降低;在电输运方面,三种不同结构的石墨炔在适当载流子掺杂下表现出较高的功率因数,分别为0.135、0.045、0.011 W·m-1·K-2;最终获得最大热电优值ZTmax分别约为2.93、2.22、1.67。不同原子结构的石墨炔材料在热、电领域各具优势,在sp杂化碳原子的合理分配下可形成Dirac锥,或可调小带隙,并获得较低的热导率,热电优值最大可达2.93。不同结构的石墨炔材料的热电性能研究,将有助于其在热电领域的应用,并为二维层状碳纳米材料在热电领域的应用提供借鉴和参考。

    光谱分频水基ZnO纳米流体制备及其热电性能调控
    彭梦琦, 张涛, 李茂胜, 施正荣, 蔡靖雍
    化工学报. 2023, 74(12):  5027-5037.  doi:10.11949/0438-1157.20231144
    摘要 ( 62 )   HTML ( 2 )   PDF (2763KB) ( 47 )  
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    制备低成本水基ZnO纳米流体作为分频介质以降低分频式光伏光热(SBS-PV/T)集热器的推广应用成本;优化了其高稳定性制备工艺,实验测试了质量分数、粒径及光程对其光谱透过率的影响,并模拟分析了上述变量对集热器热电性能的调控特性,评估了不同变量对不同评价指标的敏感性。结果表明,六偏磷酸钠作为分散剂,分散比为1∶5,超声处理1.5 h可最大程度增强水基ZnO纳米流体的稳定性;集热器热效率、热电比、综合效率及优值因子均随ZnO纳米颗粒粒径、质量分数及光程的增大而增大,电效率则相反。SBS-PV/T集热器的热电比最易受纳米流体参数变化的影响,平均敏感性系数为0.45;集热器综合性能对纳米流体光程变化最敏感,其对热电效率、热电比及优值因子的敏感性系数分别为0.53、-0.27、0.76及0.09。

    过程安全
    基于特征线法的CO2减压波传播模型构建及止裂壁厚研究
    赫一凡, 于帅, 闫兴清, 喻健良
    化工学报. 2023, 74(12):  5038-5047.  doi:10.11949/0438-1157.20230943
    摘要 ( 50 )   HTML ( 1 )   PDF (1223KB) ( 88 )  
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    基于特征线法并结合描述CO2状态的S-W方程,构建了减压波传播模型。将减压波波速模拟结果与工业规模实验结果对比,验证了模型的可靠性。采用构建的减压波模型与日本高强度管道研究委员会(HLP)提出的HLP模型,分别对不同初始压力或温度下一维超临界CO2管道泄漏过程中减压波波速及X65和X70管钢裂纹扩展速度进行模拟计算与比较,以探究初始压力或温度变化对初期减压波速及管道止裂最小壁厚的影响。结果表明:减压波速近似等于初始条件下的声速,故初始压力升高和温度降低(声速上升)会提高减压波的传播速度;当初始压力由7.5 MPa升至9.5 MPa,初期减压波速(0.01 s)上升了53%,X65和X70管钢止裂最小壁厚分别减少了13%和14%;当初始温度由45℃降至35℃时减压波速上升了56%,X65和X70管钢止裂最小壁厚分别减少了20%和19%;当工作压力都低于8.0 MPa(工作温度为35℃)或工作温度分别高于41℃和39℃(工作压力为9.0 MPa)时,由GB 150—2011所计算X65和X70管钢壁厚不具备止裂能力。

    改性沸石抑制乙烯爆炸性能及机理研究
    王燕, 杨帅帅, 张国涛, 徐子晖, 毛文哲, 纪文涛
    化工学报. 2023, 74(12):  5048-5060.  doi:10.11949/0438-1157.20231063
    摘要 ( 126 )   HTML ( 11 )   PDF (5112KB) ( 388 )  
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    为研发抑制性能优异且廉价环保的新型乙烯抑爆材料,以沸石为基材,根据乙烯爆炸基元反应,选取氨丙基三甲氧基硅烷和乙烯基三甲氧基硅烷两种硅烷偶联剂对沸石进行表面改性,并采用20 L球形爆炸装置及5 L管道爆炸装置研究了改性后沸石对乙烯爆炸超压和火焰传播抑制性能。实验结果表明:采用水解法可将硅烷偶联剂接枝在沸石表面,成功制得氨丙基沸石和乙烯基沸石。相同条件下,浓度为1500 g·m-3的沸石、氨丙基沸石、乙烯基沸石可使浓度为6.5%(体积分数)的乙烯爆炸压力分别降低31.40%、42.05%、43.43%,爆炸压力上升速率分别降低63.36%、91.22%、92.40%。浓度为900 g·m-3的沸石、氨丙基沸石、乙烯基沸石均可显著降低浓度为6.5%的乙烯爆炸火焰亮度和火焰结构连续性,并使火焰平均传播速度分别降低60.46%、92.23%、93.16%。相比之下,改性沸石对乙烯爆炸超压和火焰的抑制作用更为显著,即改性沸石具有更为优异的乙烯爆炸抑制性能,且乙烯基沸石抑制性能优于氨丙基沸石。结合沸石及改性沸石热解特性及乙烯爆炸基元反应,从物理和化学两个方面分析了改性沸石对乙烯爆炸的抑制机理。