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2024年 第43卷 第1期 刊出日期:2024-01-20
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    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2024, 43(1):  0. 
    摘要 ( 17 )   PDF (9120KB) ( 34 )  
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    化工进展. 2024, 43(1):  0. 
    摘要 ( 0 )   PDF (38809KB) ( 5 )  
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    专栏:化工过程强化
    分子筛催化反应过程高效化的技术进展
    王达锐, 孙洪敏, 王一棪, 唐智谋, 李芮, 范雪研, 杨为民
    化工进展. 2024, 43(1):  1-18.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1274
    摘要 ( 205 )   HTML ( 14 )   PDF (2856KB) ( 213 )  
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    以分子筛为活性组分制成的催化剂广泛应用于石油化工领域。设计开发高效能的分子筛催化剂来实现化学反应过程高效化,可为化工企业节能降耗和降本增效提供技术支撑。种类繁多的催化反应对分子筛提出了不同的需求,本文从四个方面综述了开发高效分子筛的技术进展,包括硅铝分子筛酸性活性中心调变和钛硅分子筛Ti活性中心构建的活性中心修饰方案、微孔分子筛内部造介孔和介孔SiO2包覆分子筛的孔道结构调变方案、制备纳米级颗粒和控制择向性生长的晶体形貌控制方案、创制新结构分子筛的拓扑结构创新方案,探讨了分子筛催化剂的未来发展方向,指出我国仍需在该领域持续加强技术创新,尤其是原始创新,做到产学研深度结合,将先进技术转化为可实际操作的方案,最终服务于生产装置、实现工业应用是提高石油化工技术进步的重点工作。

    微纳尺度气液传质强化油品催化加氢反应
    王立华, 蔡苏杭, 江文涛, 罗倩, 罗勇, 陈建峰
    化工进展. 2024, 43(1):  19-33.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1627
    摘要 ( 110 )   HTML ( 4 )   PDF (2784KB) ( 89 )  
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    相比于经典的滴流床加氢技术,液相加氢技术由于其一次性投资成本和运行能耗低,受到了企业界和学术界的广泛关注。但如何进一步强化氢油相界面的传质速率来提高液相加氢效率,仍是一个重要的难题。近年来快速发展的微纳尺度气泡或液滴的气液传质强化技术有助于油品催化加氢反应。本文以微纳气泡为例,首先总结了微纳气泡特点及产生方式,简述了微纳尺度气液传质强化液相加氢过程可行性判别,回顾了微纳尺度气液传质强化在油品液相加氢工艺中的相关研究及工业应用。最后分析了微纳尺度气液传质强化在油品液相加氢中面临的挑战以及发展方向,即微纳尺度传质与本征反应的匹配、工况条件微纳气泡在反应器中的流动以及含微纳气泡混合物的气液分离等。

    微通道内气液流动与传质特性的研究进展
    袁谅, 从海峰, 李鑫钢
    化工进展. 2024, 43(1):  34-48.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1167
    摘要 ( 120 )   HTML ( 16 )   PDF (7263KB) ( 123 )  
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    微化工过程具有高效、安全、节能、体积小和高传热传质率等方面的固有优势,其在气液非均相传质与反应强化领域表现出巨大的发展潜力。本文系统论述了微通道内气液两相流动与传质特性的研究现状,总结了微通道内气液两相流型及分布情况,从操作条件和微通道设计等方面分析了影响两相流型的关键因素,并讨论了多种因素对传质与过程强化的影响方式,对目前研究的微通道内气液两相的传质模型进行了总结分类。以气液两相在主要流动通道的流动形态为基准,分类介绍了多种气液两相微反应器的最新研究进展。文中指出进一步探究微化工过程强化方式以及开发新型气液微通道反应器仍是未来微化工研究的重点发展方向。

    电流响应催化剂及其强化典型反应的研究进展
    王棵旭, 张香平, 王红岩, 柏䶮, 王慧
    化工进展. 2024, 43(1):  49-59.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1472
    摘要 ( 75 )   HTML ( 13 )   PDF (1203KB) ( 38 )  
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    电流响应催化剂是一类可在电场诱导作用下产生电流的新型催化材料,以其为介质的催化反应过程可突破热力学局限,在温和条件下即可发生,具有显著节能减碳潜力。本文综述了近年来电流响应催化剂强化合成氨、甲烷高值利用、丙烷脱氢三个典型反应的研究进展,总结了所开发系列电流响应催化剂,其中以负载型金属催化剂为主,其由载体(半导体型或钙钛矿型金属氧化物)和活性金属(单一金属或合金)组成,对比了不同催化剂的催化性能,分析了“质子跳跃”在强化上述反应过程的作用。最后,分析了电流强化技术未来发展方向及面临挑战,提出开发适于电流作用下的原位表征技术及分子模拟方法,这对从微观层面深入揭示反应机理具有重要意义,可反向指导催化剂设计,推动相关领域发展,助力化工行业低碳转型。

    CH4和CO2共转化反应机理研究进展
    成昊霖, 年瑶, 韩优
    化工进展. 2024, 43(1):  60-75.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1069
    摘要 ( 95 )   HTML ( 4 )   PDF (4476KB) ( 64 )  
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    综述了CH4和CO2共转化生成合成气、乙酸和C2烃3种反应路径的反应步骤、关键中间体及反应产物选择性的影响因素。当生成合成气时,CH4与CO2的活化解离是关键步骤,催化剂载体表面为酸性或中性时反应遵循单功能机理,CH4和CO2在同一活性中心被活化,当载体为表面碱性时,CH4和CO2遵循双功能机理,在不同活性中心被活化,通常双功能机理的催化效率更高。当生成乙酸时,C-C耦合过程应被重点关注,该过程中气相CO2可能直接插入M—CH3键(Eley-Rideal机理)或先被吸附活化后再插入(Langmuir-Hinshelwood机理),后者反应能垒更低。当生成C2烃时,活性氧物种被认为是反应过程中的关键中间体,其可能来源于催化剂中的晶格氧或CO2的活化与解离。因此,在催化剂表面构建多个独立活性位点,以分别对CH4和CO2进行多位点协同催化被认为是良好的催化剂改性策略。另外,先进的模拟计算方法和原位表征手段能够深入揭示反应过程中催化剂和反应中间体的动态演变过程及机理,从而为真实CH4和CO2共转化反应过程中催化剂的设计提供理论指导。

    等级孔分子筛构筑及扩散过程强化研究进展
    周媚, 曾浩桀, 卢俊宁, 蒲婷, 刘宝玉
    化工进展. 2024, 43(1):  76-86.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1095
    摘要 ( 72 )   HTML ( 1 )   PDF (6534KB) ( 50 )  
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    传统微孔分子筛具有均一孔径、较高比表面积、良好的择形选择性等优点,但受到传质扩散阻力限制,导致其性能严重降低。而等级孔分子筛具有多级孔道结构,可以强化大分子的扩散,减少焦炭堆积,从而改善催化剂利用率、寿命和催化性能。等级孔分子筛通常采用“自上而下法”和“自下而上法”进行制备。本文主要对近年来等级孔分子筛的合成方法进行梳理,并重点介绍了具有较高应用潜力的“自上而下法”。综合评述了等级孔分子筛在催化应用中的扩散过程强化研究,指出等级孔分子筛在提升催化性能方面(如活性、选择性、稳定性等)具有独特优势。通过在分子筛骨架中引入等级孔道,缩短晶内扩散路程,减少传质扩散限制,减少二次副反应和积炭。此外,等级孔道结构也有利于金属活性物种的稳定,在催化反应中抑制其烧结,增加了负载型分子筛催化剂的稳定性。最后,总结了等级孔分子筛的独特优势(强化内扩散性能和提升分子筛内部中心利用率),并对等级孔分子筛的制备方法和绿色生产进行展望。

    溶液结晶过程强化
    冯瑶光, 陈奎, 赵佳伟, 王娜, 王霆, 黄欣, 周丽娜, 郝红勋
    化工进展. 2024, 43(1):  87-99.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1146
    摘要 ( 73 )   HTML ( 6 )   PDF (5942KB) ( 56 )  
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    溶液结晶是化学工业中最重要的产品分离、纯化和功能化技术之一,广泛应用于医药、食品、精细化工等领域。溶液结晶中晶体的成核和生长过程将决定最终晶体产品的晶型、晶习、粒度、纯度等关键质量指标。因此,对溶液结晶过程,尤其是晶体成核和生长过程进行强化既有利于提高过程效率,也有助于满足晶体产品不同的性能需求。本文围绕晶体成核和生长强化这一关键问题,从受限空间、物理场、添加剂和模板剂等方面系统综述了溶液结晶中的过程强化策略。探讨了各种过程强化策略的优点和局限性,并总结了溶液结晶过程强化策略的主要研究重点和发展前景。

    气液混合强化在固定床加氢过程中的应用进展
    苏梦军, 刘剑, 辛靖, 陈禹霏, 张海洪, 韩龙年, 朱元宝, 李洪宝
    化工进展. 2024, 43(1):  100-110.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1170
    摘要 ( 67 )   HTML ( 2 )   PDF (4123KB) ( 66 )  
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    炼油工业作为国民经济的支柱,在创造大量财富的同时,往往存在高能耗、高物耗和高污染的问题。固定床加氢技术是重要清洁炼油技术,在油品质量升级、产品结构调整、原油资源高效利用、生产过程清洁化进程中发挥了重要的作用。提高固定床加氢效率有助于充分利用石油资源、生产清洁燃料和实现生产过程的节能降耗。本文从固定床反应器滴流床加氢和液相加氢过程的氢油两相物料混合特性出发,综述了通过开发新型混氢设备和加氢工艺,强化气液混合过程,提高固定床多相催化加氢效率的应用进展,并提出固定床加氢反应过程气液混合强化技术发展趋势,为炼油化工生产过程提质增效、节能降碳新技术的开发提供参考。

    微气泡发生器的研究与应用进展
    翟霖晓, 崔怡洲, 李成祥, 石孝刚, 高金森, 蓝兴英
    化工进展. 2024, 43(1):  111-123.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1171
    摘要 ( 96 )   HTML ( 13 )   PDF (3127KB) ( 87 )  
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    微气泡具有体积小、稳定性高、停留时间长、比表面积大和具有较强自增压效应等优点,可以显著增加气液两相的接触面积和接触时间,强化气液两相的传质速率。目前,多种基于不同原理的微气泡发生器均可以有效产生微气泡,而不同领域利用微气泡的侧重点有所不同,因此其应用的微气泡发生技术也有所区别。本文综述了微气泡发生器在水处理过程、生物和医学领域、矿物浮选过程以及化工过程中的应用,重点阐述了各工业过程中常用的微气泡发生器类型和微气泡发生器的发泡原理,简述了各类微气泡发生器的气泡生成效果,指出了微气泡发生器的结构和操作条件对微气泡发生性能的影响,总结了各类微气泡发生器的使用条件。当下,依靠单一原理的微气泡发生技术仍具有一定的局限性,而耦合式微气泡发生器结合多种微气泡生成原理的优势,可以产生尺寸更小、分布更均匀的微气泡,因此耦合式微气泡发生器的研发对未来微气泡技术的应用具有重要意义。本文最后对微气泡发生器的应用前景、研发方向等进行了总结和展望。

    离子液体强化一氧化碳转化
    陈瑶姬, 任成瑜, 胡达清, 卢晗锋, 葛春亮, 崔国凯
    化工进展. 2024, 43(1):  124-134.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1172
    摘要 ( 50 )   HTML ( 0 )   PDF (4497KB) ( 34 )  
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    一氧化碳(CO)作为一种有害气体,同时是一种宝贵的C1资源。因此,CO的捕集转化是一个重要的化工过程。离子液体因其独特性质已被广泛应用于气体捕集及转化领域。其一,离子液体作为反应介质,促进一氧化碳(CO)转化。其二,具有功能位点的离子液体基吸收剂可以提高CO捕集容量,促进CO转化。其三,离子液体作为催化剂或助催化剂,促进CO转化。本文从离子液体在CO转化中的3种用途(反应介质、吸收剂、催化剂/助催化剂)出发并对适宜的转化反应进行规律性分类总结,综述了离子液体、离子液体基混合溶剂、离子液体基杂化材料强化CO转化的研究进展。离子液体强化的CO转化反应包括酰化、酯化、开环加成、烯烃加成、聚合等。系统地总结了应用于CO转化的离子液体的结构,分析了离子液体基混合溶剂和离子液体基杂化材料在CO转化中的作用机理、影响因素等,最后提出离子液体强化CO转化存在的问题及未来趋势。

    微波加热强化闪蒸工艺的科学基础及发展趋势
    田时泓, 郭磊, 李娜, 宇文超, 许磊, 郭胜惠, 巨少华
    化工进展. 2024, 43(1):  135-144.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1175
    摘要 ( 44 )   HTML ( 1 )   PDF (1874KB) ( 36 )  
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    利用微波加热具有选择性、快速性、整体性等优点,对基于能量源补充热量实现蒸发浓缩、分离纯化的料液处理过程而言,利用微波加热实现过程强化具有现实意义。本文综述了液体闪蒸过程的蒸发特性与传热传质特性、微波加热液体蒸发的研究现状,提出了微波加热强化闪蒸工艺,首先指出闪蒸工艺过程中料液面临难以直接加热提供热量而提高蒸发速率的难题,原因是传统热量传递方法无法在真空条件下向闪蒸过程中的料液传递热量。进而分析了微波加热蒸发工艺的研究现状,总结出微波加热蒸发过程中的影响因素,简述了微波加热蒸发工艺的应用。最后,提出可将微波加热与闪蒸工艺相耦合的微波加热强化闪蒸工艺,简述了设备设计、应用开发方面的相关进展。总结了微波加热强化闪蒸面临的相关难题并提出建议,期望对微波加热强化蒸发工艺应用和设备设计的发展提供参考。

    双极膜研究进展及应用展望
    罗芬, 杨晓琪, 段方麟, 李小江, 吴亮, 徐铜文
    化工进展. 2024, 43(1):  145-163.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1260
    摘要 ( 52 )   HTML ( 1 )   PDF (8916KB) ( 29 )  
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    双极膜是一类具有特殊“三明治”结构的离子交换膜。在反向偏压下,双极膜界面层独特的水解离行为使其具有在线生成H+和OH-能力,因而在酸碱生产、资源分离回收等领域发挥着越来越重要的作用。双极膜界面层催化剂的引入可以有效降低水解离反应电阻。然而,大部分双极膜由于界面层构筑不当使其存在水解离电压过高、膜层结合力差、催化剂泄漏以及第一极限电流密度大等问题,无法实现大规模的工业化制备及应用。因此,本文立足于双极膜及技术近期研究进展,从双极膜的水解离机理出发,综述了界面层催化剂的种类、界面构筑方式及膜层的复合工艺三个方面的研究进展,深度分析了浸蘸法、涂覆法、静电组装、原位生长、层层堆叠等界面催化剂固定方式的优缺点,力求为双极膜的规模化制备提供相应的理论支撑。文中也指出了双极膜在工业化酸碱生产过程中的瓶颈问题,提出了不对称双极膜电渗析在工业化酸碱生产应用中的关键作用。最后对双极膜的电化学应用前景进行了展望,即应该努力探索双极膜在电解水制氢、二氧化碳还原、电化学合成氨、燃料电池、液流电池等能源领域的应用前景,以此来推动双极膜的发展。

    有机液体储氢技术催化脱氢过程强化研究进展
    盖宏伟, 张辰君, 屈晶莹, 孙怀禄, 脱永笑, 王斌, 金旭, 张茜, 冯翔, CHEN De
    化工进展. 2024, 43(1):  164-185.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1265
    摘要 ( 58 )   HTML ( 4 )   PDF (12637KB) ( 47 )  
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    氢能是实现化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介,然而氢的储运是制约氢能规模化应用的关键技术瓶颈。有机氢化物(LOHC)储氢技术具有成本低、储氢密度大、安全稳定等优势,可匹配现有化石能源输运架构,有望在大规模、长距离和分布式的氢储运场景中发挥重要作用。但是,在LOHC储氢循环中,相对于发展较为成熟的加氢技术,LOHC脱氢过程效率低、稳定性差,是制约该技术发展的关键。基于此,本文综述了LOHC储氢技术催化脱氢过程强化的研究进展和发展趋势,概述了LOHC储氢基本概念和催化脱氢反应基本原理,从催化过程强化、产物分离强化、能量效率强化等方面总结了脱氢过程强化策略,通过对比不同技术手段的特点,分析了LOHC储氢技术催化脱氢过程目前亟需解决的难题,即开发高效的脱氢催化剂、提高催化脱氢过程的传热传质效率以及降低脱氢过程能耗,这对LOHC储氢技术的实际应用具有重要的参考和借鉴意义。

    微反应器中连续还原胺化反应的研究进展
    张家昊, 李盈盈, 徐彦琳, 尹佳滨, 张吉松
    化工进展. 2024, 43(1):  186-197.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1479
    摘要 ( 60 )   HTML ( 4 )   PDF (4984KB) ( 66 )  
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    还原胺化反应是一种把醛(酮)转化为胺类物质的有效方法。还原胺化反应路径复杂,影响因素众多,合适的反应条件能够提升反应效率和选择性。本文总结了还原胺化反应常见的催化体系及催化剂、溶剂、温度、底物性质以及氨/水/酸的加入对反应的影响。基于这些影响因素,进一步介绍了连续微反应器技术在还原胺化过程中的应用,总结了以伯胺/仲胺/叔胺为目标产物的连续还原胺化过程、以硝基化合物为原料的连续还原胺化过程、酶催化及无催化剂的连续还原胺化过程。微反应器中的温度控制、传质强化和停留时间分布能进一步实现反应强化和选择性提升。基于微反应器的连续还原胺化技术及该技术与新型催化材料的结合有望在胺类物质的生产领域扮演越来越重要的角色。

    离子液体强化不饱和键差异化合物分离的研究进展
    容凡丁, 丁泽相, 曹义风, 陈俐吭, 杨柳, 申福星, 杨启炜, 鲍宗必
    化工进展. 2024, 43(1):  198-214.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1489
    摘要 ( 46 )   HTML ( 0 )   PDF (5062KB) ( 26 )  
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    结构相似物的分离是物耗和能耗最集中的化工过程之一。对于具有不饱和键差异的化合物而言,它们的物化性质极为相近,高效分离极具挑战。离子液体因其特殊的理化性质、结构可设计以及多重分子间相互作用位点等特点而广泛应用于不饱和键差异化合物的分子辨识分离。本文综述了离子液体强化不饱和键差异化合物分离的研究进展,重点介绍了常温常压下为气态的低碳烃、液态的中等碳链烃及固态的天然活性同系物等代表性体系的分离,突出了离子液体分离不饱和键差异化合物的构效关系、分离机理及分离工艺流程评价,并展望了离子液体强化不饱和键差异化合物分离的未来方向。

    液相剥离法高效制备石墨烯的研究进展
    李文鹏, 刘晴, 杨志荣, 高展鹏, 王景涛, 周鸣亮, 张金利
    化工进展. 2024, 43(1):  215-231.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1595
    摘要 ( 68 )   HTML ( 1 )   PDF (4336KB) ( 47 )  
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    石墨烯是一种具有优良物理化学性质的二维纳米材料,广泛应用于电池、催化、传感器、印刷、生物医药等领域。然而,石墨烯及其衍生产品的应用与发展面临着巨大挑战——低成本、高品质、规模化生产。本文综述了液相剥离法高效制备石墨烯的研究进展,重点探讨了电化学插层法、溶剂插层法、高温膨胀法和微波膨胀法等液相剥离的前处理方法原理以及对石墨烯剥离效果的影响;分析了水基溶剂、有机溶剂和混合溶剂等剥离溶剂的优缺点与选取原则;对比了超声、高剪切和微通道等过程强化设备的剥离原理和优缺点;简述了离心分离的后处理方法以及分离效果;最后对液相剥离法宏量制备石墨烯的发展趋势进行了展望:通过结合人工智能等方法进行多目标优化,开发无残留的功能化插层剂并匹配温和快速的膨胀方法,寻找低毒、低沸点、高分散的溶剂体系,精确调控液相剥离设备作用机理,设计连续化梯级离心设备,实现液相剥离制备石墨烯的连续化、规模化、低成本快速制备。

    酶催化固碳过程及其强化技术研究进展
    王玉杰, 张艳梅, 栾金义, 赵之平
    化工进展. 2024, 43(1):  232-245.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1677
    摘要 ( 44 )   HTML ( 1 )   PDF (1637KB) ( 24 )  
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    全球范围迅猛发展的工业生产导致温室气体CO2的排放,引发人们对全球气候变化的普遍关切。在发展清洁能源、工业流程再造等减少碳排放的同时,开发高效、经济的CO2捕集、利用与储存(CCUS)技术显得尤为迫切。本文基于CO2资源化利用的目的,对生物体外酶催化固碳过程及其强化技术的研究进展进行综述。首先,介绍了CO2转化过程中涉及的关键催化酶及其优化,阐述了CO2资源化利用的具体策略,涵盖了将CO2催化转化为甲酸、甲醇、甲烷、淀粉以及L-乳酸、丙酮酸等特定产物分子。进而,重点阐述了辅因子的原位再生、酶的固定化、反应系统的优化设计、反应条件优化(pH、温度、底物浓度)以及产物原位分离等技术对CO2生物酶催化反应过程的强化,实现CO2的高效固定与资源化利用。旨在通过多方面交叉论述,为生物酶催化过程及路线设计包括固定化酶催化剂的制备、反应器选择设计与开发、酶催化过程调控、高值化产品定向合成等提供有益的启发和思考。最后,总结了酶催化固碳过程存在的问题和挑战,并对其未来值得研究的方向进行了展望。

    高通量合成装置强化金属催化剂制备过程的研究进展
    衡霖宇, 邓卓然, 程道建, 魏彬, 赵利强
    化工进展. 2024, 43(1):  246-259.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0937
    摘要 ( 43 )   HTML ( 1 )   PDF (5303KB) ( 26 )  
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    催化剂性能受制备过程多种因素影响,为优化催化剂制备配方与工艺条件,通常需要大量人工操作的实验试错过程,由此造成的低效率与低精度不可避免。在机械自动化控制水平不断发展的背景下,高通量合成装置的研发与投用将提升实验制备催化剂过程的效率、精度与安全性。本综述从金属催化剂常用的合成方法(包括浸渍法、离子交换法、化学气相沉积法和沉淀沉积法)出发,阐述了薄膜沉积法、微流控技术、自动合成机器人、喷墨打印法等高通量合成装置如何协助强化催化材料制备过程和加速催化剂配方优化进程。本文将着重分析金属催化剂制备工艺的需求与高通量合成装置特征之间的一一对应关系。金属催化剂合成过程对高通量合成技术的需求日益增加,构建一种与合成工艺相适配、实用的金属催化剂高通量合成平台,可以为催化剂的研究带来巨大的推动力。

    膜调控的头孢呋辛钠溶析-冷却耦合结晶成核介稳区测定及分析
    张梁, 马骥, 贺高红, 姜晓滨, 肖武
    化工进展. 2024, 43(1):  260-268.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0516
    摘要 ( 29 )   HTML ( 0 )   PDF (4219KB) ( 15 )  
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    溶析-冷却耦合结晶可以提高结晶产率的同时,降低溶析剂的消耗量,是一种高效的耦合分离过程。传统的溶析结晶传质的界面往往受到宏观混合规模的限制,传质调控通常为亚毫米级,容易爆发成核,导致结晶产品的纯度差、平均粒度小、晶体粒度分布宽,因而需要更精确的调节策略。本文提出了一种新型的膜辅助溶析-冷却耦合结晶的方法,应用于头孢呋辛钠的结晶过程研究。其中,聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜作为精确添加溶析剂和高效混合的界面,实现过饱和度的均匀分布。为了对比膜辅助溶析-冷却耦合结晶和传统耦合结晶方式的调控效果,对膜辅助溶析-冷却耦合结晶过程进行更为精确的调控,分别测量了传统和膜辅助条件下溶析-冷却耦合结晶的头孢呋辛钠-水-乙醇体系的介稳区宽度,计算了成核动力学参数。使用响应面方法和理论模型分析了冷却速率、溶析剂添加速率和溶析剂组分对介稳区宽度的影响,并比较了传统结晶和膜辅助结晶的介稳区特征。结果表明,膜辅助溶析-冷却耦合结晶的成核级数和成核速率常数(n=2.07,kn =158.15)均小于常规耦合结晶(n=2.45,kn =493.22),成核动力学方面更加温和,可调控性更强。

    熔纺-选择性溶胀制备嵌段共聚物多通道中空纤维膜
    钟丁磊, 黄铎, 应翔, 邱守添, 汪勇
    化工进展. 2024, 43(1):  269-278.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0644
    摘要 ( 40 )   HTML ( 0 )   PDF (6431KB) ( 18 )  
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    嵌段共聚物的熔纺-选择性溶胀是一种制备中空纤维膜的清洁生产工艺。本文提出构建多通道构型来提升嵌段共聚物中空纤维膜的性能,通过熔纺-拉伸-选择性溶胀,制备了具有3通道和7通道的聚砜/聚乙二醇嵌段共聚物中空纤维膜,研究了通道数、溶胀条件和拉伸行为对中空纤维膜微观结构、渗透性、截留率和耐压性的影响。由于壁厚的相互支撑作用,多通道中空纤维膜的渗透性和耐压性能都比单通道中空纤维膜有所提高,且可通过拉伸和溶胀条件实现膜性能在较大范围内的高效调控。在适当的通道数和拉伸比下,拉伸后的三通道中空纤维膜的通量比单通道中空纤维膜高20倍。此工作对使用清洁方法制备高性能的中空纤维膜具有重要意义。

    汽油中大分子硫醇催化转化反应过程强化
    刘锋, 褚阳, 李会峰, 李明丰, 朱玫, 张润强
    化工进展. 2024, 43(1):  279-284.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1157
    摘要 ( 39 )   HTML ( 0 )   PDF (718KB) ( 23 )  
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    选择性脱除加氢后催化裂化汽油中的大分子硫醇硫,是低成本高效生产国六清洁汽油的有效方法。采用孔饱和浸渍法制备孔径不同的CoMo/Al2O3加氢催化剂,破碎至不同粒径后,对其进行硫化处理;在固定床反应器中分别使用模拟催化裂化汽油和加氢后催化裂化真实汽油进行评价,并考察工艺条件对催化剂脱除大分子硫醇的反应效果,采用原位吸附反应过程强化方法,强化大分子硫醇的选择性脱除。结果表明:加氢后催化裂化汽油中的硫醇是汽油中烯烃与硫化氢化合生成的大分子硫醇,种类多,每一种硫醇的含量低;再生成硫醇的脱除反应在低温下受传质限制,硫化氢与烯烃再生成硫醇的化学反应达到热力学平衡,依靠目前MoS2类催化剂无法高效脱除,通过减小催化剂粒径和增大催化剂孔径的手段可有效减弱硫醇脱除反应的扩散限制,提高催化剂硫醇脱除效果,同时通过原位吸附反应过程强化方法将硫醇脱除反应过程中生成的硫化氢移出反应区,避免硫化氢与烯烃再结合反应发生,可以在反应温度160℃、体积空速4h-1、反应压力0.3MPa、氢油体积比10的缓和条件下高效脱除大分子硫醇,低成本生产清洁汽油。

    全结晶MCM-22分子筛催化剂的制备及其催化性能
    王一棪, 王达锐, 沈震浩, 何俊琳, 孙洪敏, 杨为民
    化工进展. 2024, 43(1):  285-291.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1513
    摘要 ( 47 )   HTML ( 3 )   PDF (4145KB) ( 26 )  
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    采用水热晶化法高效合成了全结晶的MCM-22分子筛催化剂,利用X射线衍射、扫描/透射电子显微镜、NH3-TPD等手段对催化剂的晶体结构、微观形貌、酸性质等进行了综合表征,并考察了催化剂在苯和乙烯液相烷基化制乙苯反应中的催化性能。结果表明,该全结晶MCM-22分子筛催化剂在160℃条件下40h即可完成晶化,相对结晶度达到100%。制得的分子筛为薄片层状结构,由100%活性组分组成。晶化后的催化剂成品仍维持条状形貌,机械强度达到82N/cm,满足工业应用需求。将该全结晶MCM-22分子筛催化剂应用于液相烷基化反应时,在反应温度180℃、反应压力3.5MPa、乙烯质量空速1h-1、苯与乙烯摩尔比为2.5的条件下运行1000h,催化剂表现出良好的反应活性、选择性和稳定性,乙烯转化率接近100%,乙基选择性约99.84%,重组分含量始终维持在1000μL/L左右。

    D-A共轭聚合强化光电性能及光催化CO2转化
    于笑笑, 巢艳红, 刘海燕, 朱文帅, 刘植昌
    化工进展. 2024, 43(1):  292-301.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1463
    摘要 ( 37 )   HTML ( 1 )   PDF (4819KB) ( 19 )  
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    2,6-二溴蒽醌(2,6-dibromoanthraquinone,AQ)分别与三(4-乙炔苯基)胺(tris(4-ethynylphenyl)amine,TEA)和1,3,5-三乙炔基苯(1,3,5-triethynylbenzene,TEB),通过Sonogashira偶联反应制备得到两种蒽醌功能化的给体-受体(D-A)共轭聚合物催化剂(AQ-TEA和AQ-TEB)。采用FTIR、XPS、XRD和TEM 对其化学结构和形貌进行了表征。通过固体紫外/可见漫反射光谱、稳态荧光光谱、时间分辨荧光光谱和电化学表征探究了两种催化材料的光学和电学性能。结果表明,三(4-乙炔苯基)胺与2,6-二溴蒽醌构筑的AQ-TEA表现出更强的可见光吸收和电荷转移性能。研究了两种光催化剂在H2O环境下光还原CO2的催化性能。特别是AQ-TEA表现出更好的光催化性能,其CO的生成速率为392μmol/(g·h),是AQ-TEB的1.8倍。基于实验和理论计算的结果,推测共轭聚合物中强的分子内电荷转移(intramolecular charge transfer,ICT)可促进其光吸收、光电转换和光催化效率的提升。本研究为设计和制备高效的光催化活性共轭聚合物催化剂提供了新的思路。

    氟掺杂改性LiMn0.5Fe0.5PO4正极材料及其电化学性能
    于松民, 金洪波, 杨明虎, 余海峰, 江浩
    化工进展. 2024, 43(1):  302-309.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1224
    摘要 ( 33 )   HTML ( 0 )   PDF (5244KB) ( 21 )  
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    目前磷酸铁锂材料由于其较低的能量密度难以满足使用需求。磷酸锰铁锂具有比磷酸铁锂更高的能量密度,同时兼顾磷酸铁锂低成本和晶体结构稳定性的特点。然而缓慢的锂离子扩散动力学和Mn3+引起的Jahn-Teller效应导致材料的循环和倍率性能差,限制了磷酸锰铁锂实际应用。本工作通过引入F离子掺杂,构筑沿b轴取向生长的110nm纳米颗粒磷酸锰铁锂正极材料,探究了它们的基本物理化学性质与电化学性能,发现沿b轴取向生长并暴露的(010)晶面能够显著提升锂离子扩散动力学。此外,F离子引入显著增强了Li—O键以及PO43-骨架结构,提高锂离子嵌入和脱出过程中晶体结构稳定性。因此,在0.1C和5C电流下,改性磷酸锰铁理正极材料可逆放电比容量分别为153mA·h/g和106mA·h/g。相比于未改性材料,1C循环750次后比容量保持率从90.6%提升到96.4%。

    基于化工机理与工业数据孪生建模的甲醇精馏过程优化
    王雄, 杨振宁, 李越, 申威峰
    化工进展. 2024, 43(1):  310-319.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1286
    摘要 ( 70 )   HTML ( 6 )   PDF (2103KB) ( 47 )  
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    在化学工业生产中,分布式控制系统(distributed control system,DCS)数据作为反映过程生产状况的关键信息,通常由于测量误差影响而不能满足过程精准建模与优化的要求。常规过程建模与优化研究一般无法充分考虑工业实际生产与设计数据产生的偏差。为此,本工作在结合化工机理、DCS工业数据及工业经验的基础上,从底层逻辑出发,提出一种基于甲醇精馏工业生产数据与化工机理孪生建模框架来指导工业过程更精准的优化。将仪表的测量范围作为权重赋予测量变量,使用非线性规划算法基于化工机理约束对测量变量进行校正并求解校正值。结合校正值和工业经验提出过程变量的置信分数模型,实现对测量变量的置信评价。基于校正后的测量变量构建更贴近工业实际的甲醇双效精馏过程模型并实现对其更精准的过程工艺优化。该工作提出的化工机理与工业数据孪生建模思想,对构建数字化工孪生系统和智能化工厂的数据甄别、工艺优化等过程具有重要的科学意义和实际应用价值。

    图案化微米线阵列Nafion膜制备及燃料电池性能
    李蕴琪, 谢函霏, 崔丽瑞, 卢善富
    化工进展. 2024, 43(1):  320-327.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1193
    摘要 ( 30 )   HTML ( 0 )   PDF (5563KB) ( 18 )  
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    质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中商业Nafion膜的平整表面结构造成膜和催化层界面接触面积偏小,Pt基催化剂利用率低,仅有25%~35%。为了提高催化层中Pt利用率,本工作以荷叶表面自然生长的乳突结构为模板,采用PDMS铸模剂复刻荷叶表面微观结构,再将图案化纹理结构精确转印到Nafion膜表面,分别构筑了平均直径为(5.89±1.45)μm和(6.95±1.70)μm的微米线阵列结构。用图案化Nafion膜组装的单电池性能显著提升,最大功率密度由0.625W/cm2提升至0.757W/cm2。通过构建图案化结构能增强Nafion膜表面疏水性,强化传质效率,降低膜电极反应电阻和内阻。通过循环伏安曲线考察了Nafion膜上微米线阵列结构对Pt催化剂利用率的影响,Pt基催化剂的电化学活性面积(ECSA)结果提高了151%,Pt利用率提高至43.4%。在Nafion膜表面构筑微米线阵列有利于形成电子/质子/反应物的三相反应界面,改善质子交换膜与催化层间界面结构,显著提升了Pt利用率。

    基于最佳预后元模型的颗粒污垢特性全局敏感性分析
    谢广烁, 张斯亮, 何松, 肖娟, 王斯民
    化工进展. 2024, 43(1):  328-337.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1156
    摘要 ( 28 )   HTML ( 0 )   PDF (6507KB) ( 13 )  
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    通过敏感性分析可识别出重要变量和无关变量,有效筛选数据降低模型复杂程度,并辅助优化设计。以内置转子传热管内的颗粒污垢为研究对象,采用欧拉-欧拉模型和颗粒污垢模型进行数值实验获取训练数据空间,基于最佳预后元模型开展全局敏感性分析,定量比较了颗粒直径、颗粒浓度、入口流速和入口温度的影响程度。对颗粒污垢四种沉积速率分析表明,入口温度对扩散沉积和热泳沉积的影响最显著,总影响分别为65.4%、58.6%;颗粒直径对湍流泳沉积和重力沉积的影响最明显,总影响分别为53.9%、75.0%。在此基础上,进一步分析了沉积率和污垢热阻的总影响、主影响及交互影响。结果表明:颗粒直径对沉积率和污垢热阻的影响均最大,总影响分别为52.7%、60.2%,各输入变量对沉积率和污垢热阻的交互影响的和分别为59.7%、42.5%,且随着四个输入变量的增加,沉积率和污垢热阻均增大。颗粒直径是影响内置转子传热管颗粒污垢问题的首要因素,在换热器设计中应予以重点考虑,其次是流体温度与流速。

    浮式氢能储运过程中FLH2通道管外降膜流动的海上适应性强化机理
    孙崇正, 李玉星, 许洁, 韩辉, 宋光春, 卢晓
    化工进展. 2024, 43(1):  338-352.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1123
    摘要 ( 27 )   HTML ( 0 )   PDF (18619KB) ( 14 )  
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    随着海上风电和天然气制氢技术的发展,以氢能作为媒介的深海能源互联互通体系正不断完善。液态氢储运是实现海上氢能大规模运输和利用的有效方法,揭示海况条件下降膜流动机理是实现浮式氢能高效储运的关键。本文基于高速摄像系统和晃荡平台系统,同时基于耦合的VOF和Level Set两相流模型和动网格技术,采用浮式微观可视化实验和数值模拟相结合的方法,研究氢能储运过程中FLH2(浮式氢气液化装置)换热通道管外降膜流动的海上适应性强化机理。研究结果表明,与常规光圆管、螺纹波管和方波管相比,波纹管管外降膜流动的液膜均匀性较好。在海况下波纹管间降膜流动流型稳定,并且均未出现管壁表面干涸的现象,因此在浮式氢气液化装置FLH2中推荐采用波纹管以强化其海上适应性。基于可视化实验和数值模拟结果,得到了降膜流动的流型演化规律,并拟合了波纹管外降膜流动的液膜厚度计算关联式。

    预润湿对Janus陶瓷膜制备及布气性能的影响
    裴文艺, 陈子阳, 赵萌, 姜红, 陈日志
    化工进展. 2024, 43(1):  353-363.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-2152
    摘要 ( 33 )   HTML ( 0 )   PDF (8371KB) ( 13 )  
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    膜分散是制备微气泡的有效手段之一。在膜分散过程中,膜表面润湿性对气泡的分散过程起着关键作用。通过不对称化学修饰法调节膜的润湿性,在亲水改性前引入预润湿处理经疏水改性过的陶瓷膜,制备了具有不对称润湿性的Janus陶瓷膜。研究了不同预润湿剂对Janus陶瓷膜结构、表面性质及化学组成的影响,并研究其在CO2-NaOH体系中的气体分散与传质性能。结果表明,经预润湿处理制备的Janus陶瓷膜的亲水侧的润湿效果和亲水层的均匀程度均受到预润湿剂的表面张力和水溶性的影响。预润湿剂表面张力的减小,有利于Janus陶瓷膜上均匀的亲水层的沉积以及膜表面亲水性的增强。与未润湿处理相比,经乙醇预润湿制备的Janus陶瓷膜分散制备得到的气泡平均尺寸最小且分布最窄,传质效果也最优。

    能源加工与技术
    高载量锂硫电池正极设计优化
    夏银萍, 李洲鹏, 汪倩倩
    化工进展. 2024, 43(1):  364-375.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0257
    摘要 ( 37 )   HTML ( 1 )   PDF (2299KB) ( 28 )  
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    高载量硫正极是研发高能量密度锂硫电池的必要先决条件。然而,硫载量的提高不可避免地会引起正极导电性不良、多硫化物转化动力学缓慢,穿梭效应加剧等问题。本文从化学工程的角度出发,重点关注高载量硫正极中的传质和反应过程,综述了性能优良的高载量锂硫电池正极设计思路。具体而言,从增强电子传导、改善锂离子传质、优化反应动力学、抑制多硫化物穿梭这四种研究思路出发,对比了不同优化策略之间的优劣性,并提出下一代高硫载量硫正极设计的探索方向。分析表明,基于吸附-催化双重功能的三维高导电正极具有巨大发展前景。从应用层面考虑,本文还关注了高载量正极设计中常被忽视的安全性问题,探讨了削弱正极诱导并从源头降低热失效风险的可行性,旨在为研究人员优化高载量(≥4mg/cm2)正极设计方案时提供实用指导。

    可再生能源合成绿氨研究进展及氢-氨储运经济性分析
    曾悦, 王月, 张学瑞, 宋玺文, 夏博文, 陈梓颀
    化工进展. 2024, 43(1):  376-389.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0228
    摘要 ( 58 )   HTML ( 1 )   PDF (2063KB) ( 48 )  
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    可再生能源和氢能产业快速发展,氨作为储氢介质,因其能发挥长时储氢和长距离运氢的作用,受到广泛关注。化石燃料制氢合成氨工艺成熟,但二氧化碳排放强度大。绿氨以可再生能源电解制氢作为氢源,具有减少合成氨产业碳排放、消纳风光等可再生能源、充当储氢载体易于储运等优势,在碳达峰碳中和的目标下,开发绿氨合成工艺具有重要意义。本文总结了工业Haber-Bosch法合成氨、电化学、光催化、等离子体和化学链合成氨取得的研究进展及面临的挑战,阐述了可再生能源电解制氢合成氨工艺的技术路线和发展现状,对比了煤制灰氨和可再生能源制绿氨工艺的技术经济可行性,分析了电价、电解制氢能耗等因素对电解制氢合成氨成本的影响,论述了分别以氨为载体储氢和储存液氢的成本构成,研究了分别以氨为载体运氢和运输气氢的成本,提出了对绿氢合成绿氨、以绿氨为载体储运氢产业发展的思考。

    掺氢天然气的管道输运特性仿真与分析
    封德彬, 王文, 马凡华
    化工进展. 2024, 43(1):  390-399.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0221
    摘要 ( 37 )   HTML ( 0 )   PDF (4516KB) ( 22 )  
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    掺氢天然气(HCNG)输送是利用现有天然气管线实现氢气长距离运输的一种可行方案,天然气中因氢气的加入使得输运气体的物性发生明显变化,从而对管道的输运特性造成一定影响。本文对掺氢混合气的流动及换热过程进行了分析建模,对天然气掺氢管道的运行特性进行了计算分析,并在计算中使用物性快速计算公式代替BWRS方程进行物性求解以提高计算效率。根据计算结果,氢气与天然气混合气体的黏度、密度、体积热值和焦耳-汤姆逊效应系数随着掺氢比例的增加而下降,比热容和压缩因子随掺氢比例的增加而增加;在管道运行中,管输体积流量随掺氢比例的增加而上升,管道压降和管道管存随之下降,管道的能量流量先下降后在大掺氢比后略有回升;管道能量流量恒定时,管道出口压力先降低后略有升高;氢气的加入会削弱长输管线压降导致的温度降低;地面温度对于管输流量和能量流量影响较小。

    基于BP神经网络的电动汽车动力电池产热估计
    王敬翰, 吕杰, 赵丁, 林文野, 宋文吉, 冯自平
    化工进展. 2024, 43(1):  400-406.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0229
    摘要 ( 33 )   HTML ( 0 )   PDF (2362KB) ( 22 )  
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    电池的产热情况是电池热管理的重要指标之一,准确估计电池产热功率对构建高效运行的电池热管理系统以确保电动汽车安全行驶至关重要。然而,目前大多采用基于模型的方法进行电池产热估计,但此方法存在耗费时间长和仅应用于某种特定电池状况产热估计等缺点,无法解决电动汽车电池实时产热估计的问题。对此,本文提出了一种基于人工智能算法的精准电池产热功率估计方法,即基于BP(back propagation,BP)神经网络的电动汽车动力电池产热估计模型。该模型利用贝叶斯优化算法(Bayesian optimization,BO)对BP神经网络进行超参数选取,采用Adam(adaptive momentum estimation,Adam)优化算法加快收敛速度,提高了模型的准确度和稳定性。研究对比了不同放电倍率和不同环境温度下恒流放电实验的电池产热功率,结果表明模型的估计平均误差为5.01%,最大误差仅为5.53W,R2拟合指标最高可达99.98%,证明了所提出的电池产热估计模型取得了较高的估计精度和较强的鲁棒性,为电动汽车电池实时产热估计提供了一个范式结构。

    工业催化
    加氢脱硫催化剂钠中毒失活机理
    孙进, 陈晓贞, 刘名瑞, 刘丽, 牛世坤, 郭蓉
    化工进展. 2024, 43(1):  407-413.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1318
    摘要 ( 41 )   HTML ( 0 )   PDF (1756KB) ( 25 )  
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    钠中毒失活加氢脱硫催化剂的元素分析、孔结构和酸性质表征结果证实酸量的显著降低是钠中毒催化剂失活的原因,而非积炭或杂质堵塞孔道。X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H2-TPR)表征和脱硫活性评价结果证实钠中毒强化了MoO3聚集现象,且活性金属的还原温度随着钠沉积量增加而提高,脱硫活性降低。催化剂失活机理是对于含取代基芳环的大分子硫化物,无法通过直接脱硫途径脱除,必须是先芳环加氢饱和后再脱硫。钠中毒催化剂酸量的下降使其加氢能力降低,催化剂因此失活。扫描电镜能谱(SEM-EDS)分析表征证实Na杂质沿催化剂径向均匀分布,催化剂对Na杂质无明显吸附效果,少量Na杂质即可穿透整个催化剂床层,导致工业装置运行周期显著下降。

    ZSM-22分子筛合成及其正十二烷烃临氢异构化性能:模板剂和动态晶化的影响
    张海鹏, 王树振, 马梦茜, 张巍, 向江南, 王玉婷, 王琰, 范彬彬, 郑家军, 李瑞丰
    化工进展. 2024, 43(1):  414-421.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0211
    摘要 ( 41 )   HTML ( 0 )   PDF (6018KB) ( 22 )  
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    以二乙胺(DEA)或1,6-己二胺(DAH)为模板剂,分别在静态或动态条件下合成具有不同形貌和聚集状态的ZSM-22分子筛,采用XRD、SEM、EDS、TEM、NH3-TPD及N2吸附/脱附表征手段对其进行表征分析。并负载Pt在Al2O3上和ZSM-22机械混合制备双功能催化剂,考察其正十二烷的临氢异构化反应性能。结果表明,模板剂和动态晶化会改变ZSM-22分子筛的形貌及聚集状态,并且会影响其酸性、比表面积和临氢异构活性。其中,以二乙胺为模板剂,静态晶化72h合成的ZSM-22具有最优的催化性能,在310℃反应温度下,正十二烷异构化转化率为66%时,异构十二烷的选择性达到90%。但是,模板剂及动态晶化条件对单支链异构体的产物分布影响较小,异构体产物以支链靠近端位的2-甲基十一烷为主,且随着反应温度升高,2-甲基异构体选择性明显降低。

    材料科学与技术
    2D层状材料的燃料油氧化脱硫研究进展
    杨雪, 刘可, 张程翔, 李东霖, 王江芹, 杨万亮
    化工进展. 2024, 43(1):  422-436.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0259
    摘要 ( 34 )   HTML ( 1 )   PDF (2757KB) ( 15 )  
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    二维(2D)层状材料因其独特的性质在燃料油氧化脱硫领域应用广泛,如石墨烯和类石墨烯材料(如类石墨相氮化碳和六方氮化硼等)、2D硅基材料、层状双金属氢氧化物、MXene、2D金属有机骨架材料、二硫化钼等。本文从不同2D层状材料出发,综述了如何构建催化氧化脱硫催化剂、催化剂脱硫效率以及脱硫过程和机制,并对2D层状材料在氧化脱硫领域的研究现状进行了梳理。然而,普通的2D层状材料大多因为材料本身的催化性能不足,不能直接应用于燃料油氧化脱硫工艺。因此,研究人员通过制造缺陷、元素掺杂、官能团改性和负载活性位点等方法对2D层状材料进行改性并将其应用于催化氧化脱硫工艺。最后,本文对2D层状材料在氧化脱硫领域的研究方向提出了展望,指出了构建具有可控、开放2D传输孔道的2D层状氧化脱硫催化剂是未来脱硫领域研究的重要方向之一。

    用于C3H6/N2分离的PDA@PEBA2533膜的制备
    杜翠花, 张茜, 王晓东, 黄伟, 周明
    化工进展. 2024, 43(1):  437-446.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0250
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    为回收聚丙烯制备尾气中的丙烯,采用本实验室独创的浸渍-旋转法在聚醚嵌段共聚酰胺(PEBA2533)膜表面沉积聚多巴胺(PDA)膜层制备出对C3H6具有更强亲和性的PDA@PEBA2533膜。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对PDA颗粒和膜进行表征。考察了PDA沉积时间对膜形貌、结构以及分离性能的影响,也考察了温度和压力等操作条件对膜分离性能的影响。探索了PDA@PEBA2533膜对不同C3H6浓度的C3H6/N2混合气的分离效果以及膜的长时间分离稳定性。结果表明,沉积PDA于PEBA2533膜表面有效提高了膜的分离性能。当沉积时间不小于24h时,可得到连续的PDA膜层,随沉积时间的增加,膜层逐渐增厚,气体渗透速率先增大后减小,选择性持续上升,沉积24h所制备的膜分离性能最佳。增大操作温度和压力,膜对C3H6和N2的渗透速率均增大,C3H6/N2选择性则降低。增大混合气中C3H6浓度,膜对C3H6的渗透速率和选择性均呈现先上升后下降的趋势。在所制备的分离性能最好的PDA@PEBA2533膜上,0.2MPa时,对C3H6体积分数为20%的混合气,温度从0℃提高到50℃,C3H6渗透速率从8.25GPU增加到71.42GPU,C3H6/N2选择性从22.92降低至10.14。在130h的气体分离实验中,该膜表现出良好的稳定性。该膜与其他分离C3H6/N2混合气膜相比具有一定的优势。

    CoZn-MOF衍生多级孔取向碳载CoP及其析氢性能
    汪尚, 姚瑶, 王佳, 董迪迪, 常刚刚
    化工进展. 2024, 43(1):  447-454.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0227
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    在“双碳”背景下,高效、清洁的氢能源成为代替传统化石能源的重要选择,而电解水产氢是开发氢能源需要攻克的关键技术之一。目前,电解水产氢催化活性较高的催化剂主要以贵金属催化剂为主,然而贵金属价格高昂、资源稀缺严重阻碍了它们在清洁能源领域的大规模应用。因此,开发高效、耐用、廉价和地球资源丰富的电催化剂是实现电解水产氢的迫切需求。本文以无定形的锌钴双金属有机框架为前体,通过酸溶液处理制备了一种具有独特多面体结构的新型骨架材料(ZnCo-MOF),然后通过逐级碳化磷化过程,在保留原有形态的基础上得到了CoP负载的具有规则形貌的多级孔碳(H-CoP/C)。研究表明:多级孔碳作载体不仅能够负载更多活性位点,而且有利于活性位点的暴露、材料的导电性和催化过程中的传质。凭借有利的结构特征、充足的活性位点,所获得的电催化剂H-CoP/C在碱性介质中展现出优异的HER性能,驱动10mA/cm2的电流密度只需168mV的过电位,优于大多数的非贵金属电催化剂。

    CTAB改性Cu-BTC材料的合成及其吸附分离二甲苯异构体的性能
    陈乐, 种海玲, 张致慧, 何明阳, 陈群
    化工进展. 2024, 43(1):  455-464.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0226
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    通过水热法合成Cu-BTC晶体的过程中添加十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),通过调节CTAB的添加量对吸附材料的形貌和孔结构进行改性,改性后的Cu-BTC材料与原Cu-BTC相比,其对对二甲苯(PX)的静态吸附量明显提高,且高于间二甲苯(MX)和邻二甲苯(OX),从而提高了异构体的吸附选择性。研究了二甲苯异构体在Cu-BTC-CTAB材料上的静态吸附性能和吸附动力学性能。在298K、318K和338K温度下进行了一系列二甲苯有机蒸气吸附平衡实验,得到了静态吸附速率曲线和吸附等温线。改性材料中CTAB添加量为0.08%的Cu-BTC-CTAB样品对PX的吸附量和选择性最优。动力学研究表明,二甲苯异构体在Cu-BTC-CTAB上的吸附过程可以用一级动力学模型来描述。

    氮掺杂二硫化钼纳米催化剂的电催化析氢性能
    杨成功, 黄蓉, 王冬娥, 田志坚
    化工进展. 2024, 43(1):  465-472.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0213
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    以钼酸钠为钼源,L-半胱氨酸为硫源和还原剂,双氰胺为氮源,采用水热法合成了一系列氮掺杂二硫化钼纳米催化剂(N-MoS2)。通过XRD、SEM、XPS、Raman等手段表征了不同N掺杂量的N-MoS2催化剂的形貌、元素分布、晶体结构和电子性质。表征结果表明,合成的N-MoS2催化剂均为纳米片层组成的花球,N原子均匀掺杂进了MoS2晶格中。N掺杂使得N原子周围的Mo和S原子的电子密度增加,生成更多具有催化活性的不饱和配位点。采用电化学工作站在酸性介质中测试了催化剂的线性扫描伏安曲线和塔菲尔斜率,评价了N-MoS2纳米催化剂的电催化析氢(HER)性能。结果表明,MoS2催化剂和N-MoS2催化剂上的析氢反应均通过Volmer-Heyrovsky路径进行。MoS2催化剂上析氢反应速控步骤为Volmer反应,N-MoS2催化剂上析氢反应的速控步骤为Heyrovsky反应。与MoS2催化剂相比,N-MoS2催化剂的塔菲尔斜率较低,析氢反应速率较快,显示出更好的电催化析氢性能。尤其当N与Mo的原子为0.1时(N/Mo=0.1),制备的N-MoS2-0.1催化剂表现出最好的电催化析氢性能,其塔菲尔斜率为60mV/dec。N-MoS2催化剂的电催化活性提高可归结为不饱和配位点暴露量的增加和富电子的Mo对Mo-H*的弱化。

    生物与医药化工
    一种罗丹明内酰胺类高分子pH荧光探针的合成及性能
    李桂贞, 胡英元, 章博, 杨耀祖, 翟荣佳, 赵鑫
    化工进展. 2024, 43(1):  473-479.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0262
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    用罗丹明B、丙烯酰胺等为主要原料,设计制备出一种高分子pH荧光探针PRAM,在结构表征的基础上,探究此探针的光物理性质和活细胞的荧光成像。结果表明,探针PRAM的pKa为4.30,在pH为3.0~7.0区间内,对H+表现出高度灵敏性和选择性,可实时监测体系pH变化。在pH为5.0~6.0区间内,其585nm下的荧光强度与pH呈现出良好的线性关系,线性相关系数为0.9955,可用来精确测定体系的pH。在常见的金属离子存在下,PRAM表现良好的抗干扰性和选择性。同时还具备很好的可逆性,可重复利用。PRAM具有良好的水溶性和膜透性,弱酸性条件下可快速穿透细胞膜,并能实现活细胞pH变化的荧光成像。因此,可用于弱酸环境下细胞器(如溶酶体、癌细胞等)内生理pH变化的检测。

    精细化工
    pH/温度响应型聚合物PMAA-b-PDMAEMA的合成、性能调控及应用
    孙月, 王斯佳, 吴明侠, 宋先雨, 徐首红
    化工进展. 2024, 43(1):  480-489.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0267
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    以甲基丙烯酸叔丁酯(tBMA)、甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(DMAEMA)为原料,通过原子转移自由基聚合(ATRP)法合成了两亲性嵌段聚合物聚甲基丙烯酸叔丁酯-b-聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(PtBMA-b-PDMAEMA),将其进行水解得到功能可调控的pH/温度双重响应性共聚物PMAA-b-PDMAEMA。采用核磁共振波谱(1H NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)、动态光散射(DLS)及荧光分光光度计等对共聚物的结构及性能进行表征和分析,研究共聚物的嵌段比、分子量及溶液pH对响应性能的调控,并初步考察了共聚物的抗肿瘤潜能。研究结果表明,随着PMAA链段长度增加,等电点向酸性偏移,在等电点时溶液透过率降到最低,表现出良好的pH响应性;温度响应性受溶液pH、分子量及嵌段比的影响,pH越接近等电点、分子量越大,低临界溶液温度(LCST)越低;共聚物与模拟肿瘤细胞膜相互作用后,在pH=5.5酸性微环境下膜中内容物的泄漏率接近100%,实现了对模拟肿瘤细胞的靶向破坏作用,展现了该共聚物良好的环境响应性。

    资源与环境化工
    生物炭替代煤粉/焦炭高炉炼铁碳减排技术研究进展
    杨梦茹, 彭琴, 常玉龙, 邱淑兴, 张溅波, 江霞
    化工进展. 2024, 43(1):  490-500.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0253
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    钢铁行业是能源消耗和碳排放大户,因此在碳中和背景下寻求可替代传统煤的零碳原料是钢铁行业重点发展的碳减排技术。生物炭具有碳中性特征,碳含量和热值与煤接近,是煤粉和焦炭理想的替代原料。本文系统介绍了生物炭在炼焦、烧结、高炉炼铁中的潜在利用途径,并进一步聚焦生物炭应用于高炉炼铁时所需具备的理化特性,阐述了生物炭碱金属、强度、粒度与比表面积在替煤代焦时的影响及机理。针对碱金属降低焦炭强度等问题,介绍了酸洗等脱矿方法降低生物炭碱金属含量;针对生物炭机械强度差难以入炉问题,总结了焦炭强度形成机理和生物炭成型增强工艺;针对生物炭导致炼焦煤混合物流动性变差问题,通过调控生物炭粒度和比表面积以降低对焦炭的负面影响。最后,总结了生物炭替代煤粉和焦炭高炉炼铁的国内外进展及预期CO2减排效果。通过分析生物炭替煤代焦目前工业应用中存在的挑战以及生命周期评价的相关研究情况,为未来钢铁行业实现碳中和提供技术支撑。

    基于掺硼金刚石电极的工业废水处理研究进展
    王博, 张长安, 赵利民, 袁俊, 宋永一
    化工进展. 2024, 43(1):  501-513.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0269
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    工业废水普遍具有可生化性差、污染物种类多、有机物含量高、难降解等特点,常规处理手段难使其达标排放。以电化学高级氧化工艺为代表的污水深度处理工艺处理污水效果显著,是近年来环境工作者的研究热点之一。掺硼金刚石(boron-doped diamond,BDD)电极理化性质优异,是目前电化学高级氧化处理废水最为理想高效的阳极材料,但关于大尺寸BDD电极的应用及处理真实工业废水的研究情况尚未及时总结归纳。本文以基于BDD电极的电化学高级氧化工艺过程为对象,对该过程涉及到的废水特点、工艺原理、BDD电极特点及制备方法、处理案例和工艺参数优化等方面的研究进展进行综述,重点聚焦不同污染体系下的大型实验室装置、中试装置和处理真实工业废水案例,总结了BDD电极材料开发情况和不同类型工艺的技术特点,探讨了工艺优化方面的研究进展和目前限制该技术大规模工业化应用的主要原因。最后对基于BDD电极的电化学高级氧化工艺应用前景和重点发展方向作出了展望。

    功率超声对废旧锂离子电池资源化回收利用过程的影响研究进展
    卜祥宁, 任玺冰, 童正, 倪梦茜, 倪超, 谢广元
    化工进展. 2024, 43(1):  514-528.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0265
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    近些年,随着电动汽车行业的快速发展,电动汽车动力电池常用的锂离子电池废弃物保有量也随之激增。废旧锂离子电池的资源化回收利用不仅可以避免固废堆放导致的环境问题,还可以为新电池的制造提供原材料。功率超声被证明是强化废旧锂离子电池资源化回收利用的一种有效手段,独特的物理和化学效应是产生强化效果的主要机制。本文在介绍超声空化理论的基础上论述了超声波强化废旧锂离子电池资源化回收利用的路径,并综述了超声波辅助技术在废旧锂离子电池金属集流体表面电极材料剥离过程、电极材料资源化回收过程、电极材料修复过程中的应用与研究进展。最后,论述了超声波辅助技术在工业化应用中存在的不足,展望了超声波在废旧锂离子电池资源化回收利用中工业化应用的前景。

    低中放射性废水处理吸附技术及材料
    代洪静, 马学虎, 王四芳
    化工进展. 2024, 43(1):  529-540.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0258
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    吸附技术是处理核工业产生的低中放射性废水高效、便捷的处理工艺之一。多数纳米吸附材料性能高效,但为适于工程应用需制备为复合吸附剂。本文分析了低中放射性废液的特点及吸附处理技术现状,对适于核工业应用的复合微珠吸附剂的研究进展重点总结,包括外原位固定微珠、聚合物微珠及磁性微珠。从芯材性质、载体特点、制备方法及吸附性能等方面分析了复合吸附剂的优缺点及应用性能提升方法。最后,结合核工业对低中放射性废液的处理需求指出缺乏工程试验及带放射性试验研究为低中放射性废液吸附技术及材料研究的关键问题,提出开发多核素吸附剂、加强低浓度核素吸附的数值模拟及加强复合吸附剂的工程应用考察等方面是未来的重点研究方向。

    改性海泡石对污泥热解过程中重金属的控制
    任鹏锟, 仲兆平, 杨宇轩, 张杉, 杜浩然, 李骞
    化工进展. 2024, 43(1):  541-550.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0275
    摘要 ( 35 )   HTML ( 0 )   PDF (6367KB) ( 14 )  
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    污泥热解过程中会不可避免地产生多种重金属,危害人类的健康。通过在水平固定床反应器内开展城市污泥与改性海泡石共热解实验,探究海泡石的盐酸浸渍浓度(2~6mol/L)、海泡石的热活化温度(750~950℃)以及污泥与海泡石共热解温度(400~600℃)对污泥热解炭中重金属元素Cd、Zn、Pb、Cr的富集特征、形态变化及生态风险的影响。研究发现,在400~600℃的温度范围内改性海泡石的添加有效地提高了Cd、Zn、Pb的固留率,但对Cr几乎没有富集作用,其中950℃热活化海泡石(950-SEP)对Cd有良好的富集效果,而4mol/L盐酸浸渍海泡石(4H-SEP)对Zn和Pb展现出了更好的富集性能。此外,通过分析重金属赋存形态发现,提高共热解温度和添加改性海泡石,共热解炭中的重金属元素整体向更稳定的形态转化。根据热解炭中重金属的生态风险评估,原始污泥经热解后其生态风险大大降低,在600℃前,改性海泡石可进一步降低重金属的生态风险。

    环境因素对水体中四环素光催化降解行为的影响
    徐诗琪, 朱颖, 陈宁华, 陆彩妹, 江露莹, 王俊辉, 覃岳隆, 张寒冰
    化工进展. 2024, 43(1):  551-559.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0217
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    为探索实际水体中四环素(tetracycline,TC)的降解规律,以ZnO作为光催化剂研究四环素在复杂的自然环境条件(曝气、重金属、光照)下反应时间、pH、腐殖酸(humic acid,HA)浓度及四环素浓度对光催化降解过程的影响。结果表明,3种环境条件均促进了四环素的降解:曝气情况下大量的溶解氧会和催化剂协同促进超氧自由基和羟基自由基的生成,使TC达到99%的光催化降解率;重金属Cu(Ⅱ)的加入使溶液中形成TC-Cu(Ⅱ)-ZnO络合物,显著提高了ZnO对TC的降解效率,在30min时达到89%的降解率;自然光拥有全光谱,相比可见光展现出更强的TC降解作用,TC降解率达到86%,比可见光下降解率提高了14%。三因素协同作用可以有效降低TC的降解时间,在75min时达到降解平衡,降解率为99%。通过动力学分析比较了不同环境状态下的光催化活性,结果为:曝气>重金属>光照。

    科研动态
    2023年度国家自然科学基金委员会化学工程与工业化学领域科学基金项目申请与评审工作综述
    王天富, 周晨, 张国俊
    化工进展. 2024, 43(1):  560-564.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2024-0060
    摘要 ( 119 )   HTML ( 11 )   PDF (390KB) ( 106 )  
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    总结了2023年度国家自然科学基金委员会化学工程与工业化学(B08)领域科学基金各类项目的申请、受理和资助概况,对B08下属16个二级代码的各类项目申请与资助情况进行了分析,为下一年度国家的项目申报提出了建议。

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