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2024年 第75卷 第6期 刊出日期:2024-06-25
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    本期中英文目录、封面
    化工学报. 2024, 75(6):  0. 
    摘要 ( 81 )   PDF (16406KB) ( 91 )  
    相关文章 | 多维度评价
    综述与专论
    固体氧化物电池空气电极铬中毒机理及抗铬性能研究进展
    王天闻, 闫肃, 赵梦园, 杨天让, 刘建国
    化工学报. 2024, 75(6):  2091-2108.  doi:10.11949/0438-1157.20240130
    摘要 ( 185 )   HTML ( 29 )   PDF (4619KB) ( 161 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    固体氧化物电池(SOC)具有能源利用率高、污染排放量低、燃料灵活性高等优势,将在未来的能源供应和储存中发挥关键作用。当前,其长期稳定性尚不能满足大规模商业化的需求,电池堆中用于串联电池的金属连接体所导致的空气电极“铬中毒”是电堆性能衰减的重要因素之一。传统空气电极在发电模式(SOFC)下的铬中毒机理已较为明晰。然而,随着电解模式(SOEC)下应用的不断攀升,基于传统电极材料的毒化机理不适用于该运行模式下的电极体系。对典型空气电极材料在SOFC模式和SOEC模式下铬中毒机理进行对比分析,并且对提高SOC空气电极抗铬性能的研究进行总结和展望。

    气粉两相体系爆炸动力学特性及机理研究进展
    苏彬, 董浩伟, 罗振敏, 邓军, 王涛, 程方明
    化工学报. 2024, 75(6):  2109-2122.  doi:10.11949/0438-1157.20240146
    摘要 ( 128 )   HTML ( 20 )   PDF (2789KB) ( 117 )  
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    可燃性粉尘与易燃易爆气体广泛存在于工贸行业的各个环节之中,即使当粉尘和气体浓度都低于爆炸下限时,混合体系仍有发生爆炸的可能性,所以与单一粉尘或气体相比,气粉两相体系具有更高的爆炸危险性。主要从气粉两相体系的爆炸条件、爆炸效应以及爆炸机理三方面分析总结了两相体系爆炸敏感度参数、爆炸强度参数、火焰传播特性变化规律及其爆炸反应机理。研究结果表明,气粉两相体系的爆炸特性主要是受粉体粒径、粉体浓度、粉体物理化学特性、可燃气体浓度等多因素的共同影响,且不同体系之间具有较大差异性。此外,依据粉体热稳定性将两相体系分为两大类别,并分别探讨了其爆炸机理。基于此,对气粉两相体系爆炸防控亟待解决的方向和今后研究重点进行展望,为工矿气粉涉爆企业的安全生产提供理论指导。

    热力学
    锂钠镁共存硫酸盐体系多温相图及其应用
    赵志星, 姚智豪, 于雪峰, 杨游胜, 曾英, 于旭东
    化工学报. 2024, 75(6):  2123-2133.  doi:10.11949/0438-1157.20240169
    摘要 ( 81 )   HTML ( 19 )   PDF (2587KB) ( 56 )  
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    针对硫酸钠亚型盐湖卤水钠锂比高、镁锂比高带来的锂分离难题,通过开展锂钠镁共存硫酸盐体系多温相图研究,获取锂钠镁硫酸盐之间的作用关系和结晶析出规律,并应用于指导降低卤水中钠镁含量工艺设计。采用等温溶解平衡法获取了四元体系Li+,Na+,Mg2+//SO42--H2O 303.2、318.2 K固液相平衡数据,采用X射线粉晶衍射法(XRD)测定了共饱点的平衡固相类型。复盐分析:采用XRD、扫描电镜(SEM)和热重分析法(TG-DSC)进行了各复盐的晶体结构分析、晶体形貌表征和热分析。研究发现,四元体系Li+,Na+,Mg2+//SO42--H2O 303.2、318.2 K下均为复杂体系,相图均包含4个四元共饱点、9条单变量曲线和6个结晶区。303.2 K时,该体系相图结晶区为:Na2SO4、Na2SO4·10H2O、Li2SO4·H2O、MgSO4·7H2O、Na2SO4·MgSO4·4H2O、Li2SO4·3Na2SO4·12H2O;318.2 K时,该体系相图结晶区为:Na2SO4、MgSO4·7H2O、Li2SO4·H2O、Na2SO4·MgSO4·4H2O、Li2SO4·Na2SO4、Li2SO4·3Na2SO4·12H2O。对比该四元体系288.2、298.2、303.2、318.2、323.2 K多温相图发现,温度对体系的影响主要表现在水合盐和含锂复盐的结晶形式及各盐类结晶区面积的变化。根据四元体系多温相图中含锂复盐(Li2SO4·Na2SO4、Li2SO4·3Na2SO4·12H2O)、白钠镁矾(Na2SO4·MgSO4·4H2O)和三元体系Na+,Mg2+//SO42--H2O多温相图中盐类的结晶规律,给出了硫酸钠亚型盐湖脱钠镁及白钠镁矾的分离加工建议。

    液氨喷射泵热力性能的计算分析
    杨艳, 郭亚丽, 于硕文, 潘泊年, 沈胜强
    化工学报. 2024, 75(6):  2134-2142.  doi:10.11949/0438-1157.20240086
    摘要 ( 78 )   HTML ( 17 )   PDF (982KB) ( 122 )  
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    为保证带有降膜蒸发器的制冷系统正常运行,采用液氨喷射泵作为蒸发器中液氨的循环设备。基于动力学理论,编制了喷射泵的性能计算程序,分析了制冷系统中喷射泵的热力学性能,研究了操作参数对喷射泵性能的影响。结果表明,保持引射压力与出口压力不变,工作流体压力越高,喷射系数越大;工作流体温度越低,喷射系数越小。保持工作压力与出口压力不变,饱和引射压力越高,喷射系数越大,引射压力值越接近于出口压力值,喷射系数变化越显著。饱和引射液氨压力不变,出口压力越接近于引射液氨压力,喷射系数随工作液氨压力的升高增加程度越明显。

    再压缩S-CO2布雷顿循环性能分析及多目标优化
    李子扬, 郑楠, 方嘉宾, 魏进家
    化工学报. 2024, 75(6):  2143-2156.  doi:10.11949/0438-1157.20240080
    摘要 ( 121 )   HTML ( 19 )   PDF (1909KB) ( 116 )  
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    结合储热的太阳能热发电技术输出稳定、调峰能力强,引入超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环可进一步提升热电转换效率。既有研究大多采用单一指标对S-CO2循环进行性能评估,结果相对片面,因而有必要开展多指标综合性能评价以客观反映循环性能状况。建立了35 MW再压缩式S-CO2循环的热力学和经济性模型,考察了关键参数对循环性能的影响。构建了反向传播神经网络结合遗传算法的优化方法(BP-GA),对循环性能进行多目标优化。结果表明,回热器总热导率的增加可提升循环效率,但存在上限;透平入口温度、循环最低和最高压力、分流比与循环性能分别存在显著的非单调作用关系,优化后的设计值依次为639.14℃、8.10 MPa、29.74 MPa和0.70。与初始设计值下的循环性能相比,优化后的循环系统度电成本降低了11.1%,循环热效率和比功分别提高了5.1%和27.6%。

    液相法合成三聚氰酸体系热力学分析
    晁惠雨, 白振敏, 侯汉青, 田立志, 李洪, 房晓权, 石晓华
    化工学报. 2024, 75(6):  2157-2165.  doi:10.11949/0438-1157.20231318
    摘要 ( 66 )   HTML ( 15 )   PDF (863KB) ( 55 )  
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    以二元醇为循环剂液相法合成三聚氰酸是一个由醇解、消去和环加成反应构成的连串反应体系。采用基团贡献法计算了该反应体系中各组分热力学数据以及各步反应的焓变、Gibbs自由能变和平衡常数,依据热力学计算结果并结合已有文献实验数据分析反应路径的可行性及难易程度。结果表明:醇解和消去反应为吸热反应,升温有利于反应,但反应平衡常数小;环加成反应为放热反应且进行较为完全,适当强化条件下三步连串反应可顺利进行。计算及分析结果可为该体系的工业放大工艺过程开发提供理论指导。

    流体力学与传递现象
    非球形湿颗粒导向管喷动流化床流动特性
    战德康, 孙腾, 王香竹, 吴明周, 吴曼, 郭庆杰
    化工学报. 2024, 75(6):  2166-2179.  doi:10.11949/0438-1157.20240292
    摘要 ( 75 )   HTML ( 20 )   PDF (2760KB) ( 84 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    实际工业生产中颗粒多为非球形颗粒,对颗粒形状效应和液相作用机制的研究不足,是导向管喷动流化床在颗粒涂层改性、包膜等工业应用的关键限制因素。选取粒径、密度相似的球形和圆柱形非球形颗粒为实验物料,对比两种颗粒在不同气速和雾滴引入量下的压力脉动信号频谱分析、信息熵分析,并结合床内气固流动对流型进行划分,绘制非球形湿颗粒流动相图,进而探究喷动流化过程中颗粒形状效应及液相作用机制。相比于球形颗粒,粒径、密度相似的非球形颗粒有较小的最小喷动速度,在喷动过程中有两个及以上较低的主频峰且信息熵较大,显示出非球形颗粒在系统内较高的混乱程度,颗粒之间摩擦、碰撞等降低了导向管内颗粒的固体循环速率。液体的引入增大了环形区颗粒间液桥力,使最小流化速度变大,但液体挥发引起喷动气量增大,使最小喷动速度与最小喷动流化速度减小。在喷动流化流型下引入液体,球形颗粒导向管两端压降ΔpDT的脉动主频降低,而非球形颗粒ΔpDT的主频升高。而且非球形颗粒黏附液体后频谱分析结果显示幅值较大的单一主频峰,表明非球形湿颗粒压力脉动规律性的增强。

    高黏体系中纳米颗粒稳定气泡的形变及破裂行为
    赵赫, 费滢洁, 朱春英, 付涛涛, 马友光
    化工学报. 2024, 75(6):  2180-2189.  doi:10.11949/0438-1157.20240210
    摘要 ( 56 )   HTML ( 18 )   PDF (1169KB) ( 117 )  
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    采用高速摄像机研究了微通道内高黏流体中纳米颗粒稳定的气泡在流动过程中的形态及其对下游对称Y型分岔口处气泡破裂的影响。在直通道内运动气泡呈现出弹状、哑铃状和手榴弹状3种形态,气泡的形态主要受分散相流率影响。Y型分岔口处气泡的破裂流型主要为部分阻塞破裂,吸附有纳米颗粒的气泡的破裂周期较常规气泡更大,其破裂周期之差ΔTb随毛细管数Ca变化呈现出3种不同的规律:当Ca > 0.042时,ΔTb为正且与Ca呈正相关;当Ca < 0.042时,存在ΔTb为正且与Ca呈负相关和ΔTb为负且与Ca呈正相关两种情况。此外,变形气泡在Y型分岔口处呈现非对称破裂行为,其破裂的非对称性与气泡的变形程度相关,当Ca大于临界毛细管数CaCr时气泡尾部直径减小的速度加快,从而加剧气泡的变形,气泡破裂的非对称性显著增大。研究表明,吸附纳米颗粒的气泡的CaCr值与无颗粒体系中气泡相同,但吸附有纳米颗粒的手榴弹状气泡的形变程度更大,破裂的非对称性也更明显。

    喷嘴参数对超临界水热燃烧特性影响的模拟
    王芝安, 兰忠, 马学虎
    化工学报. 2024, 75(6):  2190-2200.  doi:10.11949/0438-1157.20240013
    摘要 ( 80 )   HTML ( 17 )   PDF (2515KB) ( 129 )  
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    反应器喷嘴的作用是维持水热火焰在复杂流场中保持稳定。建立内预热式蒸腾壁反应器(IPTWR)内甲醇超临界水热燃烧过程计算流体力学模型,分析了喷嘴的材料热物性和结构参数对进料混合特性及火焰结构的影响规律。结果表明,喷嘴材料传热特性的提高使水热火焰朝高温和广域的方向发展;氧气-辅热混合段直径由18 mm减小到14 mm,反应器轴向温度峰值由954.84 K升高到981.60 K,火焰位置向远端移动;随着喷嘴缩进深度减小,水热火焰逐渐向喷嘴出口聚拢,表现为火焰收缩现象。在此喷嘴结构参数范围内小直径的短氧气-辅热混合流道有助于水热火焰的温度升高和聚拢稳定。结果可为内预热式蒸腾壁反应器的喷嘴设计提供理论指导。

    气固微型流化床反应分析仪的理想流型判据分析
    卢飞, 鲁波娜, 许光文
    化工学报. 2024, 75(6):  2201-2213.  doi:10.11949/0438-1157.20231386
    摘要 ( 75 )   HTML ( 13 )   PDF (3460KB) ( 46 )  
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    微型流化床因具有气体返混小和可操作性强等优点,在反应动力学测量等领域备受关注。获得流型随操作参数的变化规律,才能实现微型流化床理想流型的有效调控。采用双流体模型耦合考虑结构的相间曳力(又称多尺度CFD)模拟了一系列A类和B类颗粒在不同操作条件下的流化行为,结合颗粒浓度和气体停留时间分布(RTD)特征考察气速、床径和初始床高对气体返混行为的影响。研究表明,当微型流化床在初始鼓泡到湍动流态化之间操作时,才逼近颗粒全混流和气体近似平推流的运动状态。进一步分析气体RTD曲线形状特征(如拖尾、多峰等),提出采用斜度S<0.6作为微型流化床平推流判据,弥补了原判据[满足方差σt2<0.25且峰高E(t)h>1] 的不足,为微型反应分析仪的流型调控奠定了基础。

    颗粒体系的多尺度混合指数
    徐嘉宇, 陈飞国, 徐骥, 葛蔚
    化工学报. 2024, 75(6):  2214-2221.  doi:10.11949/0438-1157.20240194
    摘要 ( 95 )   HTML ( 11 )   PDF (2738KB) ( 140 )  
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    对颗粒混合物均匀性的系统研究揭示了混合过程中显著的多尺度特征,特别是宏尺度上均匀的混合物在微尺度上可能表现为极度不均匀,反之亦然,同时采用不同的采样方法和混合指数表征同一混合物在同一尺度下的均匀性可能也会有所差异。尝试提出一种多尺度混合指数,即在不同尺度采用不同评价方法,并将混合指数表达为不同尺度上的分布,而不是在未定义尺度上的单一值。该多尺度表征方法可更精确与全面地反映混合物的均匀特性。

    基于电池冷却用新型脉动热管性能的实验研究
    李新泽, 张双星, 杨洪海, 杜文静
    化工学报. 2024, 75(6):  2222-2232.  doi:10.11949/0438-1157.20231309
    摘要 ( 62 )   HTML ( 11 )   PDF (3066KB) ( 84 )  
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    提出一种电池冷却用C形脉动热管(pulsating heat pipe,PHP),具有较好的散热性和包裹特性。选择甲醇、丙酮、去离子水、乙醇和甲醇-丙酮混合物为PHP工质,实验研究了不同加热功率和充液率(filling rate,FR)工况下PHP的性能。结果表明,FR过高或过低均不利于C形PHP稳定运行,实际应用中需综合考虑热阻、传热极限等指标,选取合适的FR。实验研究范围内,C形PHP最佳FR在45%左右。综合考虑蒸发温度与热阻,甲醇-丙酮混合物C形PHP具备更好的性能,能够满足第二代Mirai电池冷却需求,可将其表面温度控制在84℃以下,允许的电池最大体积功率密度为6 kW/L。依据应用场合选择工质和布置方式后,PHP能保证受控对象的安全运行。相关结论为电池热控制系统设计提供了重要的参考和借鉴。

    液滴撞击单丝铺展特性的数值研究
    黄斌, 丰生杰, 傅程, 张威
    化工学报. 2024, 75(6):  2233-2242.  doi:10.11949/0438-1157.20240179
    摘要 ( 51 )   HTML ( 11 )   PDF (2891KB) ( 126 )  
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    液滴撞击单丝现象在石油与天然气处理过程中广泛存在,研究液滴撞击单丝的铺展特性对于提高化工设备的热质传递效率有重要意义。基于VOF方法建立液滴撞击单丝的数值模型,系统研究了初始速度、初始直径、撞击偏心距、撞击角度对液滴铺展因子的影响。结果表明,增加初始速度能加快铺展因子增长速率并延长其最大铺展因子的保持时间。减小液滴的初始直径显示出更高的铺展因子;缩短撞击偏心距有助于液滴的更充分铺展,控制在0.2R以内时铺展效果最佳;减小撞击角度也可促进液滴更充分地铺展,其中铺展因子曲线在不同撞击角度下存在一个铺展转换点。此外液膜中心与两侧压差驱动液滴快速铺展,直至达到最大铺展长度后停止。研究结果可为含有丝网填料的化工设备的优化设计提供理论参考。

    催化、动力学与反应器
    CO2-环氧丙烷合成碳酸丙烯酯:氢键供体效应研究
    张广宇, 付然飞, 孙冰, 袁俊聪, 冯翔, 杨朝合, 徐伟
    化工学报. 2024, 75(6):  2243-2251.  doi:10.11949/0438-1157.20240083
    摘要 ( 111 )   HTML ( 19 )   PDF (1416KB) ( 66 )  
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    “双碳”背景下,CO2的综合利用迎来了挑战与机遇,将CO2转化为高附加值化学品对于节能减排和碳循环利用具有重要意义。其中,将CO2与环氧化合物经过环加成反应转化为环状碳酸酯是碳资源循环利用的重要方式之一。研究了环氧丙烷(PO)在以四丁基溴化铵(TBABr)为催化剂的均相体系中氢键供体效应对环加成反应的影响,探究了不同碳数醇类以及酚类极性对反应的影响。研究发现,在温和条件(100℃、2 h、1.5 MPa)下,以邻苯二酚为氢键供体时,PO的转化率可以达到99.8%,碳酸丙烯酯(PC)选择性可以达到99.51%,性能远远高于无氢键供体体系。此外,通过建立线性溶剂化能关系式以及Kamlet-Taft表达式,定量描述了氢键供体(醇类、酚类)极性参数对反应性能的影响,阐明了氢键供体对提高CO2-PO环加成反应效率的影响。

    分离工程
    非平衡条件下金属氯化物-氨工质对的吸附动力学研究
    陈彦伶, 袁炳志, 王丽伟, 张宸, 朱涵玉
    化工学报. 2024, 75(6):  2252-2261.  doi:10.11949/0438-1157.20240011
    摘要 ( 54 )   HTML ( 12 )   PDF (3455KB) ( 46 )  
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    金属氯化物-氨是化学吸附式制冷和储热的常用工质对,其现有的动力学模型存在复杂或动力学参数变化无规律的问题,也不能准确地独立描述多反应阶段的吸附过程。以MnCl2/NH3和CaCl2/NH3为代表工作对,针对0.29、0.42和0.61 MPa的反应压力,进行吸附/解吸性能测试,在类比模型基础上耦合Sigmond函数,建立考虑压力势(μ)、反应速率常数(k)和反应滞后常数(n)的吸附量型动力学模型。鲁棒性测试结果表明:针对不同氯化物、不同反应阶段(Ca2-4-2和Ca4-8-4)和不同反应方向(吸附和解吸)所建立的非平衡动力学模型的拟合曲线与实验数据点吻合度较高,拟合优度R2均高于0.97;模型参数随工况呈规律变化,同一反应压力下k与吸附温度负相关,与解吸温度正相关,|n|与解吸温度负相关。

    油水膜分离中高黏度油滴行为研究和影响因素分析
    霍宗伟, 牛亚宾, 潘艳秋
    化工学报. 2024, 75(6):  2262-2273.  doi:10.11949/0438-1157.20240088
    摘要 ( 62 )   HTML ( 9 )   PDF (3406KB) ( 65 )  
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    膜法分离油田采出废水中的重油组分是膜污染的重要影响因素,且不同膜分离条件下膜面附近的复杂油滴行为直接影响膜分离效果,所以研究膜面附近的高黏度油滴行为十分必要。基于实际油田采出废水物性数据的实验测定结果,采用耗散粒子动力学(DPD)方法结合高黏度油滴轨迹和油滴间相互作用能结果对油滴行为进行细化分析。结果表明,双油滴呈现掠过和聚并两大类行为,又可各分为三个行为阶段:油滴间排液、油滴接触和油滴复稳;双油滴间距和油滴与膜面间距的减小有助于油滴聚并,从而有利于油水分离,且油滴与膜面间距的减小会导致油滴碰撞后的位置更远离膜面;表面活性剂的存在阻碍油滴聚并,不利于油水分离,且离子型表面活性剂因其亲水头间的强排斥力而阻碍作用更强;第3油滴的存在会促进双油滴聚并,有利于油水分离,其促聚并程度受油滴碰撞角的影响。研究结果可为后续的油滴与分离膜相互作用及油水分离效果的研究提供依据,也可为油水膜分离条件的设置和技术优化提供理论支持。

    温和条件下乙二醇苯醚高效分离回收甘蔗渣组分
    张祎琪, 谭雪松, 李吾环, 张权, 苗长林, 庄新姝
    化工学报. 2024, 75(6):  2274-2282.  doi:10.11949/0438-1157.20240049
    摘要 ( 54 )   HTML ( 10 )   PDF (1693KB) ( 35 )  
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    使用酸性乙二醇苯醚(EPH)体系对甘蔗渣(SCB)进行预处理,在最优条件下(110℃,0.05 mol/L H2SO4,60 min)实现了90.47%的纤维素保留率,去除了90.33%的木质素和76.70%的半纤维素。回收得到的富含纤维素的残渣最高酶解率为89.71%,是未经处理的甘蔗渣的酶解率(15.93%)的近6倍。用异丙醚从预处理液中回收了74.29%的木质素(纯度为93.53%)。使用SEM、XRD、FTIR对预处理后残渣及原料的组成及结构进行表征,发现甘蔗渣的形貌结构被破坏,结晶度提高,因而酶解率大幅度提高。通过2D HSQC表征发现在预处理过程中乙二醇苯醚和木质素的醚化反应抑制了木质素的缩合。本研究建立了酸性乙二醇苯醚预处理体系,实现了甘蔗渣组分的高效分离,并高效回收高纯木质素与可发酵糖,可为生物质高值化利用提供参考。

    磁性聚氨基噻唑吸附剂脱除水体Hg2+性能
    王岩, 周佳文, 孙培亮, 陈勇, 齐元红, 彭冲
    化工学报. 2024, 75(6):  2283-2298.  doi:10.11949/0438-1157.20240134
    摘要 ( 60 )   HTML ( 8 )   PDF (4010KB) ( 36 )  
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    聚多巴胺(PDA)辅助负载聚氨基噻唑(PAT)法制备了磁性颗粒吸附剂Fe3O4@SiO2@PDA-PAT。对吸附剂进行了XRD、VSM、TG、SEM、XPS、EDS和Zeta电位等表征分析,考察了吸附剂对Hg2+的吸附性能。结果表明,Fe3O4@SiO2@PDA-PAT具有超顺磁性,在pH小于2时Zeta电位为正,pH大于2时Zeta电位为负。在303 K和Hg2+浓度为50 mg/L模拟废水中,当pH为1.3和5.0时,Hg2+的平衡吸附量分别为121.9 mg/g和153.1 mg/g。在强酸(如pH 1.3)和弱酸(如pH 5.0)环境下Fe3O4@SiO2@PDA-PAT吸附Hg2+的过程均是自发过程,且符合二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型。强酸环境下(如pH 1.3)Fe3O4@SiO2@PDA-PAT吸附Hg2+是焓驱动的放热过程,弱酸(如pH 5.0)环境下是熵驱动的吸热过程。用2 mol/L混酸(盐酸和硝酸摩尔比为1∶1)作为解吸液可使Hg2+解吸率达91%以上。在303 K、pH 1.3、Hg2+浓度20 mg/L条件下,当Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+质量浓度为Hg2+的20倍时,Fe3O4@SiO2@PDA-PAT的Hg2+平衡吸附量分别下降了33.2%、32.1%、20.6%、26.7%、21.2%、29.6%、17.8%。在模拟海水下,Hg2+吸附量下降40.9%。Fe3O4@SiO2@PDA-PAT具有较好的Hg2+选择性,具有净化海水脱除重金属的应用潜力。

    过程系统工程
    基于即时学习的改进条件高斯回归软测量
    黎宏陶, 王振雷, 王昕
    化工学报. 2024, 75(6):  2299-2312.  doi:10.11949/0438-1157.20240127
    摘要 ( 69 )   HTML ( 9 )   PDF (2356KB) ( 90 )  
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    基于数据驱动的在线软测量是当前工业智能化感知的重要研究方向。在算法实际部署中,过程模态切换以及数据漂移都会导致软测量性能下降,传统自适应方法又存在模型单一、模态遗忘等不足。针对上述问题提出一种基于即时学习的样本时空加权条件高斯回归(STWCGR)软测量算法。该方法用概率密度估计和条件概率计算实现软测量建模和预测:首先根据即时学习思想通过样本时空混合加权方法筛选局部建模数据,然后结合高斯混合回归思想累积局部单高斯概率密度模型对数据分布进行拟合,最后引入预测动量更新和模态更新策略提高预测稳定性并赋予模型对新工况的学习适应能力。通过仿真实验验证了所提方法在预测精度、稳定性以及新模态适应能力上的有效性。

    基于慢特征分析与最小二乘支持向量回归集成的草酸钴合成过程粒度预报
    张晗, 张淑宁, 刘珂, 邓冠龙
    化工学报. 2024, 75(6):  2313-2321.  doi:10.11949/0438-1157.20231394
    摘要 ( 57 )   HTML ( 8 )   PDF (1384KB) ( 79 )  
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    草酸钴合成过程是钴湿法冶炼的关键单元操作,其粒度分布是重要的质量指标,然而难以在线实时测量。同时,草酸钴合成过程通常存在非线性、多约束和慢时变特征。因此,提出一种集成慢特征分析(slow feature analysis,SFA)与最小二乘支持向量回归(least square support vector regression,LSSVR)的草酸钴粒度预报模型对草酸钴合成过程质量指标实现在线测量。在该方法中,首先,SFA方法可以有效地捕获过程的慢特征向量,解决慢时变问题;然后,利用LSSVR方法建立慢特征与粒度之间的非线性关系模型,进而实现质量指标在线预报。最后,应用非线性的数值案例以及草酸钴合成过程数据,验证该方法的有效性。实验结果显示:相较于单一的径向基函数神经网络(radial basis function neural network,RBFNN)、LSSVR预测模型以及SFA与NN相结合的预报模型,所提方法在数值案例中的预测精度分别提升了13.31%、2.26%、1.72%;在草酸钴合成过程中的预测精度分别提升了13.27%、9.96%、8.92%。

    表面与界面工程
    锂金属负极界面热量分布演化机理
    李润龙, 徐童, 陈飞, 马成伟
    化工学报. 2024, 75(6):  2322-2331.  doi:10.11949/0438-1157.20240238
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    锂金属电池由于极高的理论比容量而被认为是高能量密度电池的有利选择。然而界面不稳定性一直是锂金属电池商业化发展的最大挑战,热场演化机制是锂金属界面演化过程中影响电池循环寿命的关键因素。通过固体电解质界面(SEI)热分布演化模型揭示并量化了锂金属负极界面热量分布演化机制,3个影响因素是SEI与电解液扩散能力的比率、电解液性能和赋予SEI各向异性。结果表明,在适当的比例下界面处最大温度梯度相对较小;电解液浓度影响电解液的性能,进而影响锂金属负极界面的热量分布;赋予SEI各向异性可以诱导锂枝晶横向生长,有利于界面热量的均匀分布。这项工作可为锂金属电池的界面设计提供一定的理论指导。

    能源和环境工程
    ZSM-5分子筛对典型涂装VOCs的吸附性能及机理研究
    冀钟, 赵彦玲, 陈雨濛, 高林霞, 王翼鹏, 刘欢
    化工学报. 2024, 75(6):  2332-2343.  doi:10.11949/0438-1157.20240042
    摘要 ( 80 )   HTML ( 10 )   PDF (3230KB) ( 89 )  
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    通过水热法成功合成了一系列宽硅铝比(50、100、150、300、500、800、1500、3000)的ZSM-5分子筛,旨在研究其对涂装行业典型挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)的吸附规律。同时,结合分子筛表面的酸性位点,以解析硅铝比对分子筛吸附性能的影响机制。实验结果表明,丙酮的吸附能力主要受自身极性、支链结构和分子筛表面酸位点的影响。而乙酸丁酯、苯乙烯、对二甲苯、苯、甲苯的吸附性能会同时受到自身的分子量、分子直径、极性、分子结构和官能团的影响,分子量和分子直径大、极性强且具有支链结构的VOCs更容易被ZSM-5分子筛吸附。这6种VOCs中,ZSM-5分子筛对丙酮的吸附效果最好,硅铝比对其吸附性能的影响也最大。这是因为丙酮比其他VOCs更容易吸附在Lewis酸位点上,硅铝比的改变会影响酸位点的数量。低硅铝比的分子筛由于具有较多的酸位点,更适用于丙酮的吸附。

    高炉喷吹重整焦炉气工艺分析及减碳潜力研究
    常成功, 宋皓楠, 雷飞霞, 狄子琛, 程芳琴
    化工学报. 2024, 75(6):  2344-2352.  doi:10.11949/0438-1157.20231163
    摘要 ( 66 )   HTML ( 5 )   PDF (1405KB) ( 108 )  
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    钢铁行业碳排放占我国碳排放总量的14%~18%,是工业领域排放量最高的部门。高炉-转炉工艺钢铁产量占我国钢铁总产量的89%,工艺流程长,吨钢碳排放达2 t。基于高炉-转炉工艺的碳减排是钢铁行业实现脱碳目标的关键。基于能质平衡模型,分析焦炉气及重整焦炉气用于高炉喷吹对高炉直接还原度、理论焦比值等工艺参数的影响,系统评估该工艺有望产生的高炉二氧化碳减排效益。结果表明,提高富氢气喷吹量和温度可有效降低焦比;而相同喷吹量条件下提高氢纯度,由于热补偿原因,焦比会有所上升。当焦炉气被重整为97.9%的富氢气体时,可实现高炉减碳34.62%,相比直接喷吹焦炉气,减碳潜力提升17.76%。碳减排主要得益于焦比降低和喷吹气碳质元素减少。高炉气发电也是减碳的关键环节,当喷吹气氢纯度由59.0%提升至97.9%时,该环节碳减排量由9.04%提升至10.85%。通过将焦炉气重整有望突破高炉喷吹富氢气体减碳潜力上限,具有潜在推广价值。

    废旧磷酸铁锂粉料综合回收中试研究
    江洋, 彭长宏, 陈伟, 周豪, 马忠彬, 李洪博, 邱在容, 张国鹏, 周康根
    化工学报. 2024, 75(6):  2353-2361.  doi:10.11949/0438-1157.20240004
    摘要 ( 114 )   HTML ( 14 )   PDF (2456KB) ( 95 )  
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    为研究废旧磷酸铁锂粉料(LFP/C)经高温煅烧-中和沉淀除杂后实现电池级磷酸铁和碳酸锂综合回收的效能,以氟/铝含量较高的废旧LFP/C为对象,构建了年处理规模为500 t的中试平台,从工艺稳定性、产品性能表征、初步经济评估及二次废渣再利用等角度进行研究。结果显示,通过此法可实现高于85.63%铝去除和94.70%钛去除,除铝液中铁铝质量比由203增加至1077,为废旧LFP/C综合回收奠定基础。所制备的FePO4及Li2CO3符合电池级标准,再生的LFP/C正极材料在0.1 C条件下首次充放电库仑效率可达95.2%,1 C条件下经过250圈循环后容量保持率达97.1%,展现出较好的电化学性能。此外,经济评估进一步凸显了该工艺在经济和环境效益方面的优越性。

    碱催化过氧化氢体系降解四环素的作用规律与机制解析
    寇梦瑶, 郑芳菲, 胥雯, 郭娜, 廖兵
    化工学报. 2024, 75(6):  2362-2374.  doi:10.11949/0438-1157.20240268
    摘要 ( 93 )   HTML ( 11 )   PDF (3316KB) ( 38 )  
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    在碱催化过氧化氢降解污染物时,不同的碱催化剂催化过氧化氢降解污染物的作用机制有所不同。选取氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠作为不同的碱催化剂,以四环素作为目标污染物,探究碱催化过氧化氢体系降解四环素的作用规律与机制,考察了pH、四环素浓度、H2O2浓度、缓冲物质投加量、缓冲物质种类、预反应时间对四环素降解效果的影响。结果表明:pH对四环素降解效果影响最为显著,在pH为10.00~10.50时效果最佳,其余影响因素在本研究梯度范围内未产生显著影响。同时发现不同碱催化过氧化氢体系的pH在反应过程中的变化趋势不同,在其他体系中随反应进行pH不断降低,而在NaHCO3-H2O2体系降解四环素过程中pH不断升高,经过碳转换机制分析推测该现象是由HCO4-产生过程造成的。四环素的降解分为脱色与矿化两个过程,自由基淬灭实验证明其对四环素脱色过程贡献度不高。CO2通入实验证实HCO4-不氧化四环素,四环素脱色的主要作用物质是HO2-。对NaOH-H2O2体系与NaHCO3-H2O2体系的TOC检测结果对比发现,NaOH-H2O2体系的矿化度高于NaHCO3-H2O2体系。EPR电子顺磁共振实验发现,NaOH-H2O2体系中HO·O2·-信号高于NaHCO3-H2O2体系,矿化过程中自由基是主要氧化物。

    过程安全
    流程工业一体化安全管控探讨
    张建文, 赵挺生, 万平玉, 王倩琳, 窦站, 徐波
    化工学报. 2024, 75(6):  2375-2384.  doi:10.11949/0438-1157.20240057
    摘要 ( 81 )   HTML ( 5 )   PDF (1400KB) ( 45 )  
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    化工、冶金、石化、钢铁、造纸、电力等流程工业是国家经济社会发展的重要支柱,其安全高效生产具有重要的战略意义。流程工业生产过程工艺繁多、流程长、工序关联耦合,从原料到产品涉及诸多物理化学变化、物质转移转化和能量转换转移等多源、多尺度与多时空因素的交互作用,影响生产安全、物效能效与生态环境。如何实现流程工业一体化安全管控,是一个长期存在又不断变化的问题。一体化安全管控困难的本质在于物质流能量流到数字流的映射、数字流到高质量信息流的转化、信息流到控制流的转换等问题。探讨如何突破物质流、能量流到数字流映射过程的数字化鸿沟,突破数字流到高质量信息流转变的数智化壁垒、信息流到控制流转换的数滞化障碍,保障物质流能量流不失控、数字流信息流不失真、控制流不失误,提出了流程工业一体化安全管控的“五流三化三不”新思路,以期为流程工业一体化安全管控提供新的框架体系基础,促进流程工业的可持续发展。