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2018年 第37卷 第01期 刊出日期:2018-01-05
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本期封面、中英文目次表
化工进展. 2018, 37(01): 0-0.
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化工进展. 2018, 37(01): 0-0.
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特约评述
新形势下石油公司二氧化碳减排策略的变化
乔明, 李雪静, 周笑洋
化工进展. 2018, 37(01): 1-6. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1203
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在《巴黎协定》正式生效的前后,很多大石油公司积极表态将为气候变化采取行动。本文分析了主要的国际大石油公司采取的减排思路,总结了这些公司提出的二氧化碳减排策略和具体做法。文中指出石油公司对于二氧化碳减排都很慎重,既要选择能产生实质减排效果的途径,又要尽可能降低对主营业务的影响。因此在业务发展战略与减排战略之间寻找连接和平衡,突出多元化的二氧化碳减排途径,把重点聚焦在进一步加强节能降耗、有选择地发展低碳能源、推进二氧化碳的捕获和综合利用等方面。分析结果认为,首先,这些措施不仅能实现自身业务运营过程中的减排,还能通过提供清洁低碳能源、产品和服务推动社会相关部门以及消费者实现间接减排;其次,实施多样化的减排策略组合可以降低风险;第三,将应对气候变化与企业长远发展的顶层战略相结合,加快技术创新,是降低减排成本、实现减排效果的关键。
化工过程与装备
内部热耦合精馏塔的传热及优化
李春利, 杜季颖, 张林, 李晓春
化工进展. 2018, 37(01): 7-13. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0452
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为研究同轴式内部热耦合精馏塔(HIDiC)在不同压缩比下的传热量和传热系数,以乙醇-水为分离物系,在自制中试装置中进行了实验研究。建立了同轴式HIDiC的传热模型即利用闪蒸罐代替塔板,计算进出闪蒸罐物流的焓值差,从而得到精馏段与提馏段板间换热量,并通过划分区域的方法计算了传热系数。以年度总费用(TAC)作为优化指标研究了实现外回流为零时所需的外部换热器的个数。结果表明:当压缩比为2.2时,塔间传热量最大,冷凝器和再沸器的负荷最低,且压缩比与传热系数的关系为负相关;随着精馏段与提馏段板间最小换热温差的增大,所需外部换热器个数不断减少,TAC呈现降低的趋势,当外部换热器个数为1,即热量耦合位置为精馏段第一块板与提馏段第一块板时,TAC最低。
导向管直径对喷动床流动特性影响的计算颗粒流体力学数值模拟
张立栋, 王子嘉, 李少华, 王擎, 秦宏
化工进展. 2018, 37(01): 14-22. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0772
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导向管喷动床是较为常见的一种喷动床改进床型,通过阻断喷动区与环隙区气固接触来提高颗粒循环的规律性与稳定性。本文采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法对于直径150mm的柱锥式导向管喷动床进行了数值模拟研究,考察了导向管直径对于喷动床内颗粒流动特性的影响,从环隙区死区分布、颗粒速度分布、固体循环量等方面分析了具有不同直径导向管喷动床的运行状态。结果表明,加入导向管在减少床内死区的同时也降低了运行时的固体循环量,对于本次采用的喷动床结构尺寸与运行参数,只有在导向管直径为40~60mm时才能保证床内具有良好喷动状态,综合考虑各因素,选用直径50~55mm的导向管最为合适。对于具有类似结构与运行条件的柱锥喷动床,导向管直径可考虑选为无导向管运行时喷动区直径的1.2~1.375倍。
开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸内场超压荷载的影响
王世茂, 杜扬, 李国庆, 齐圣, 韦世豪, 李蒙
化工进展. 2018, 37(01): 23-31. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0809
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构建了汽油蒸气泄压爆炸实验系统,研究了开口率和点火源类型对汽油蒸气泄压爆炸过程中内场超压荷载的影响规律,研究结果表明:汽油蒸气泄压爆炸会导致内场形成多个超压峰值,其中最大峰值由泄压爆炸膜破坏所形成;随开口率的增大,
P
1
数值近似呈线性下降,
P
2
的数值近似呈指数下降,外场火焰的Rayleigh-Taylor不稳定强度增加,Helmholtz振荡的持续时间延长;点火源类型对最大超压峰值和平均升压速率大小均有影响,不同点火源类型下超压峰值和平均升压速率的数值从大到小排列分布依次为高温灯丝 > 火药点火杆 > 高能电火花 > 明火点火杆;火焰结构为“火焰外锋面+内部火焰核心”,二者所占的比例受点火源类型的影响。
喷嘴雾化特性及脱硫废水蒸发数值模拟
周正, 吴畏, 郑昕, 谷沁洋, 金保昇
化工进展. 2018, 37(01): 32-38. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0713
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利用相位多普勒粒度分析仪(PDA)实验台测量了双流体喷嘴出口速度与粒径分布,利用得到的速度与粒径数据对江苏某生物质电厂进行小水量脱硫废水蒸发的数值模拟,着重研究了液滴粒径以及烟气中水蒸气的体积分数对液滴蒸发过程的影响。PDA实验结果表明,该双流体喷嘴在特定气液比条件下出口粒径均小于100μm。应用离散相模型与随机轨道模型,利用Rosin-Rammler分布模拟喷雾液滴分布范围(0~100μm)。模拟结果表明,粒径低于100μm的液滴能够完全蒸发,液滴粒径越小,完全蒸发时间越短,液滴经历的平稳吸热时间越短。随着粒径的增加,液滴完全蒸发时间增幅变大。随着烟气中水蒸气体积分数增加,液滴蒸发速率变缓,液滴开始蒸发的时间延长,且体积分数越大,出口未蒸发完全的液滴直径越大,但出口液滴粒径增大的幅度在减小。
基于钙链制氢的双流化床气固流动特性
王东, 向文国, 陈时熠, 胡骏, 许长春
化工进展. 2018, 37(01): 39-43. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0754
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钙链制氢是一项新颖的制取富氢合成气技术,由此设计并搭建了一套双流化床反应器,该反应器由气化反应器、煅烧反应器、碳酸化反应器、旋风分离器、立管和流动密封阀组成。采用两种不同粒径的白刚玉,研究了该双流化床反应器的气固流动特性,研究了物料总量、颗粒粒径、L阀、气化反应器和煅烧反应器的风速对固体流率的影响,固体流率随着L阀和气化反应器风速的增加而增加。同时研究了L阀风量与固体流率之间的关联式,通过量纲分析和多元线性拟合,得到了它们之间的回归方程,研究结果表明:实验结果和拟合结果吻合得比较好,可以较好地反映L阀风量与固体流率之间的关系。
不同结构储热水箱分层特性的实验研究
黄震, 王子龙, 张华, 黄华杰
化工进展. 2018, 37(01): 44-52. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0690
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在太阳能集热系统中,储热水箱内的温度分层效果受不同水箱结构的影响巨大。为研究这一特性,搭建了一套储热水箱分层特性测试实验台,对直接进口式、三层孔板式和盒状结构水箱进行了测试实验。水箱内初始水温为70℃,在相同的进水温度和不同的流量条件下,根据实验数据绘制了不同结构水箱内的各层温度变化曲线。结果显示,进水流量越大,水箱内混合效应越大,各层温度趋于一致的时间越短。在热力学定律的基础上,计算并分析了3种结构水箱的取出效率、(火用)和
Str
数等分层特性指标。结果表明,3种结构中,盒状结构水箱内的温度分层效果最好,对热量的利用率最高,盒装结构有效地抑制了冷热水混合效应,其次为三层孔板式水箱,而直接进口式水箱的温度分层效果最差。
不同粒径磷石膏的脱水动力学
杨萍, 杨林, 刘力, 罗通, 曹建新
化工进展. 2018, 37(01): 53-59. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0744
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为研究粒径对磷石膏脱水反应动力学的影响,测定了流动N
2
气氛中,不同粒径磷石膏脱水反应的TG-DSC同步热分析数据。运用Flynn-wall-Ozawa法、Kissinger法和Satava-Sestak法相结合计算动力学参数,得出不同粒径(105~125μm、125~150μm、150~200μm和200~300μm)磷石膏脱水动力学模型,利用动力学方程对不同粒径磷石膏在相同条件下等温热分解进行预测,得出不同粒径、不同温度下磷石膏脱水率与时间的关系。结果表明:当磷石膏粒径由200~300μm减小到105~125μm时,磷石膏第一步脱水活化能从114.62kJ/mol减小到82.55kJ/mol,第二步脱水活化能由96.30kJ/mol减小到78.5kJ/mol。磷石膏脱水活化能随粒径的减小而减小,机理函数均符合Avrami-Erofeev方程。在相同的煅烧温度下,粒径小的磷石膏完全脱水所需时间缩短。
能源加工与技术
机械扰动强化气体水合物快速生成研究进展
白净, 李凌乾, 刘风莉, 陈俊英, 常春, 方书起, 韩秀丽, 刘金盾, 张小水
化工进展. 2018, 37(01): 60-67. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0598
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气体水合物技术在天然气固态储运、CO
2
捕获与封存等领域具有广阔的应用前景。高效快速制备水合物是水合物应用技术产业化的关键技术之一。从成核机理、相平衡、传热和传质等角度简述了气体水合物快速生成机理,回顾了常见的搅拌、喷淋和鼓泡等机械扰动强化气体水合物快速生成方法的基本原理和特性。依据强化传质传热领域内的新进展,进一步阐述了新型机械扰动强化气体水合物快速生成方法的基本原理和特性,重点综述了流化床、超声波、超重力、撞击流等技术的研究进展。从耗气率、水合物生成速率、总能耗、气体转化率等角度分析评价了各种机械扰动强化气体水合物快速生成方法的优缺点。总体来说,目前各种机械扰动强化气体水合物生成技术仍处于实验室阶段,传统的搅拌、喷淋和鼓泡强化技术生成速率较低;新型的流化床、超声波、超重力和撞击流等技术也存在各种不同的缺点,有待进一步优化改进。同时指出探究微观成核机理、开发新型易固液分离的气体水合物生成系统以及构建水合物反应器评价体系等是未来气体水合物快速生成相关研究中需要进一步解决的问题。
水合物法提纯沼气技术研究进展
孟凡飞, 王海波, 廖昌建
化工进展. 2018, 37(01): 68-79. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0798
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沼气是一种重要的可再生能源,对沼气进行充分高值利用对于缓解我国能源需求和环境压力具有重要意义。沼气在高值利用前必须进行脱碳提纯处理,本文介绍了一种可用于沼气提纯的新技术——水合物分离技术。介绍了水合物分离技术的基本理论,调研总结了水合物法提纯沼气和可用于沼气体系(CH
4
/CO
2
)的水合物分离技术研究进展,包括相平衡研究、热力学促进剂、动力学促进剂、机械强化、外场强化、添加多孔介质/纳米流体等和采用油/水乳液促进技术,并对各种水合物分离促进技术进行了分析:相平衡研究为水合物法提纯沼气提供了理论基础;合理地选用热力学和动力学促进剂能够有效改善气体水合物相平衡条件,促进水合物生成,增加储气效果和提高分离效率;机械强化及外场作用通过强化水合反应过程的传质传热效果促进水合物生成;添加多孔介质和纳米流体等能够增大气液接触面积,对水合过程发挥促进作用;采用油/水乳液不但能够强化气液接触,而且微乳状态下的水合物具有很好的流动性,具有良好工业应用前景。最后对水合物法提纯沼气技术进行了展望,水合物提纯沼气研究虽处在起步阶段,但随着研究的不断深入,该技术凭借操作条件温和,对原料气要求低,并且具有操作简单灵活、安全性高、环保无污染等优点,必将在我国沼气产业发展过程中发挥作用。
基于群体平衡理论的水合物聚集动力学模型
宋光春, 李玉星, 王武昌, 姜凯, 施政灼, 姚淑鹏
化工进展. 2018, 37(01): 80-87. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0483
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水合物颗粒间的聚集是导致油气输送管道堵塞的重要原因,建立聚集模型能更好地进行水合物聚集的防治。首先,假定管道中水合物颗粒粒径连续分布并忽略对流扩散的影响,建立了以群体平衡模型为基本框架的水合物聚集动力学模型。重点考虑水合物的聚集和破碎,该模型的核心主要包括聚集核和破碎核两部分。其中,聚集核包括水合物颗粒间的碰撞频率和碰撞后的聚集效率,破碎核包括水合物颗粒的破碎频率和破碎后子颗粒的粒径分布函数。接着,以前人研究为基础并结合水合物颗粒的自身特性,对模型聚集核和破碎核的计算方法进行了选取和改进。最后,采用计算流体力学方法对模型进行了求解并将求解结果与相关实验数据进行了对比分析。该模型可为管道流动安全保障提供技术支持。
有机朗肯循环发电系统变工况运行的实验研究
曹泷, 刘秀龙, 张鸣, 徐进良
化工进展. 2018, 37(01): 88-95. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0487
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受余热热源及环境温度不稳定特性的制约,有机朗肯循环(ORC)发电系统在实际应用中需要有较强的变工况能力。本文以R245fa为工质,实验研究了在不同冷热源温度时,ORC系统在相同负载容量及膨胀机转速下的变工况运行特性及各部件实际性能。实验结果表明:热源温度主要决定了膨胀机的入口温度及过热度。随着热源温度的降低,膨胀机内部泄漏量变大,其等熵效率变低,单位质量工质做功能力变差,维持膨胀机做功状态的工质质量流量增加。由于工质在蒸发器内整体吸热量变小,系统发电效率随热源温度的降低而升高。在10℃冷源温度下,热源温度从115℃下降至100℃,机组的最大发电效率从5.03%升高至5.25%。改变冷源温度,主要作用于膨胀机的进出口压力,改变了膨胀机的做功状态。降低冷源温度,膨胀机压比升高,单位质量工质做功能力变强,维持膨胀机做功状态的工质质量流量减小。但由于膨胀机过膨胀运行带来的不可逆损失增加,膨胀机的等熵效率随冷源温度降低而减小。在115℃热源温度下,冷源温度从30℃下降至10℃,系统最大发电效率从6.08%升高至7.01%。
供水温度对高背压热电联产系统能耗水平的影响
时斌, 王宁玲, 李晓恩, 张雨檬, 杨志平
化工进展. 2018, 37(01): 96-104. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0734
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高背压供热模式是提高能源利用率、降低火力发电煤耗的有效途径,从全局角度研究一次网设计供水温度取值对热电联产系统的影响、确定热网供水温度最佳设计值是热电联产系统参数设计的核心问题。本文利用热网变工况模型及Ebsilon软件仿真,以某310MW直接空冷高背压供热机组与热网组成的热电联产系统为研究对象,分析了设计参数(供热负荷、一次网供水温度)不同时整个供热周期内系统能源转化效率及能耗水平。结果表明:一次网设计供水温度取值不同时,系统周期供电煤耗极差可达4.56g/kW·h;供热负荷设计值较低时,系统周期净供电功率在一次网设计供水温度取中间某值时存在最大值;供热负荷设计值较高时,随一次网设计供水温度增加,系统周期净供电功率不断增加。
工业催化
锰钛系低温选择性催化还原催化剂的抗SO
2
和抗H
2
O性能研究进展
景有志, 杨丽, 朱淑维, 舒新前
化工进展. 2018, 37(01): 105-111. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0759
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低温选择性催化还原(SCR)脱硝技术具有运行成本低、能耗低和布置方便的优点,催化剂的反应温度低,适合中小型工业锅炉的脱硝技术需求,因此受到越来越多的关注。锰钛系催化剂以其较高的低温脱硝效率成为当前低温SCR催化剂研究领域的热点,然而催化剂易受到SO
2
和H
2
O的影响,限制了它的工业应用。本文介绍了在含SO
2
和H
2
O的条件下锰钛系低温SCR催化剂的中毒症状,总结了催化剂的SO
2
和H
2
O中毒机制,重点阐述了在抗硫方面掺杂过渡金属元素以及载体改性的研究进展,详细介绍了掺杂Ce、Co、Fe和Ho等元素以及催化剂酸改性和复合载体对催化剂抗硫性的影响,同时简要总结了近年来其他方法提高锰钛系低温SCR催化剂抗硫抗水性能的状况,最后归纳了目前此类催化剂抗硫抗水措施的局限并指出今后的重点是进一步提高其抗中毒能力。
Ni/ZrO
2
催化剂的制备及甲烷分步水蒸气重整反应性能
姜健准, 刘红梅, 张明森
化工进展. 2018, 37(01): 112-118. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0790
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采用沉淀法制备了ZrO
2
载体,进一步采用浸渍法制备了不同Ni负载量的Ni/ZrO
2
催化剂。通过XRD、N
2
物理吸附、H
2
-TPR和H
2
-TPD等表征手段对Ni/ZrO
2
催化剂的物理结构和化学特性进行了研究,探讨了活性金属Ni物种的状态,并计算了Ni粒子的大小。随着Ni负载量的增加,Ni/ZrO
2
催化剂的比表面积逐渐减小,金属Ni的分散度逐渐减小,Ni粒子尺寸逐渐增大,低温H
2
脱附峰所占比例逐渐增大。当Ni负载量为10.2%(质量分数)时,Ni/ZrO
2
催化剂上ZrO
2
晶粒的平均尺寸和Ni粒子的尺寸大小均接近30nm。进一步考察了Ni/ZrO
2
催化剂在甲烷分步水蒸气重整反应中的催化性能。结果表明,Ni负载量在一定范围内的Ni/ZrO
2
催化剂对于甲烷分步水蒸气重整反应具有良好的催化性能,Ni负载量过高或过低均不利于甲烷的转化。当Ni负载量为10.2%时,载体ZrO
2
粒子和金属Ni粒子尺寸匹配,Ni/ZrO
2
催化剂表现出最佳的甲烷转化活性和稳定性。
煅烧温度对Mo-Mn/TiO
2
催化剂脱硝脱汞活性的影响
胡鹏, 段钰锋, 陈亚南, 丁卫科, 李春峰, 李娜, 柳帅, 刘猛, 王双群
化工进展. 2018, 37(01): 119-127. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0649
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研究了浸渍法制备Mo-Mn/TiO
2
(MMT)催化剂过程中煅烧温度(300℃、450℃、600℃、750℃)对Mo-Mn/TiO
2
(MMT)催化剂协同脱硝脱汞活性的影响。结果表明,较低的煅烧温度更有利于MMT催化剂的协同脱硝脱汞性能,同时可有效降低SO
2
对催化剂活性的抑制作用,最佳煅烧温度为300℃。利用BET、XRD、H
2
-TPR、FTIR和XPS等表征手段对催化剂的理化性质进行了表征,结果表明较低的煅烧温度有利于提高催化剂中活性成分所占的比例,增加金属氧化物在TiO
2
载体表面的分散度,提高催化剂的低温还原性能。随着煅烧温度的升高,催化剂的比表面积和孔容均逐渐减小,平均孔径先增大后减小,且在高温下发生烧结;MnO
2
逐渐向Mn
2
O
3
转变,锐钛矿型TiO
2
逐渐向金红石型转变,同时MoO
3
由非晶态逐渐向晶态的转化,致使催化剂的协同脱硝脱汞活性下降。
材料科学与技术
层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状
张胜寒, 陈玉强, 姜亚青, 孙晨皓
化工进展. 2018, 37(01): 128-139. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0779
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近年来,层状双金属氢氧化物(LDH)凭借特殊的层状结构、极强的可调控性能、优异的环境兼容性及显著的应用效果等特点,在环保、催化、储能、传感等领域得到广泛关注。国内外多数研究集中于LDH可控合成工艺的改进完善及LDH的应用探索,但迄今对制备LDH时涉及其组成结构形貌的变化过程,即其形成机理的关注较少,相关机制解释模糊,深入研究其形成过程对于可控制备具有独特形貌和特定组成的LDH及开发更深层次的应用具有至关重要的作用。本文介绍了LDH层板形成机理的3个主要研究方向,即以二价金属氢氧化物的存在为基础、以三价金属氢氧化物的存在为基础和拓扑相变机制,并分别进行了阐述辨析及对比分析,发现LDH层板的形成是一个极其复杂的过程,多种机制往往共同作用,总结认为固液及液液反应在初期成核阶段占据主导地位,各自作用程度及不同层板构筑机制产生的主导作用易受到外界环境因素影响,而更为普遍的LDH形成机制解释需要归纳总结更多LDH层板构筑的区别和规律,宏观和微观上探索形成过程的内在机理及科学本质,以期为LDH开发拓展提供理论基础。
基于氧化亚铜光电极的制备及其光电化学性能的研究进展
付星晨, 颜德健, 刘冀锴
化工进展. 2018, 37(01): 140-148. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0668
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氧化亚铜(Cu
2
O)因具有合适的带隙、光响应好、价格低廉等优点,在光电化学(PEC)分解水和还原CO
2
等领域引起广泛关注,是最重要的PEC光电极材料之一。本文回顾了近年来基于Cu
2
O光电极的制备方法,如电化学法、物理沉积法、滴涂法、热氧化法、化学浴沉积法等,同时对不同的制备方法进行了比较。本文对基于其他过渡金属氧化物半导体材料来制备PEC光电极也具有一定的参考价值。另外,由于Cu
2
O材料本身在电解液中易发生光腐蚀,光稳定性差,使得Cu
2
O光电极在PEC上的应用受到很大限制。本文综述了表面修饰、半导体复合等改性手段来提高Cu
2
O光电极的光稳定性,改善其PEC性能。最后指出Cu
2
O光电极未来的研究重点在于探索新的电极制备方法、开拓新的改性手段以及多种改性手段的综合运用,从而进一步提高其PEC性能和应用前景。
介孔碳的研究进展及应用
李鹏刚, 王靖轩, 郭飞飞, 何昱轩, 唐光贝, 罗永明, 朱文杰
化工进展. 2018, 37(01): 149-158. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0721
摘要
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591
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多维度评价
介孔碳是一类新型的具有巨大比表面积和孔体积的介孔材料,可以通过不同的方法合成并对其孔结构和形貌进行调节。本文主要综述了介孔碳及介孔碳基复合材料的合成方法,对比阐述了不同方法制备的介孔碳材料所具备的孔道结构和形貌。介绍了将不同非金属和金属元素及其氧化物掺杂在介孔碳中合成复合材料,发现制备的复合材料具有更优的性能且掺杂元素不同复合材料的形貌和孔道结构不同。此外,简要说明了介孔碳及碳基复合材料在环境、催化、储能、电化学和生物医学等方面的应用,指出其在各个领域的应用仍存在不足。调整介孔碳的孔结构和表面性能、采用更简便易控制的合成方法将成为制备介孔碳及碳基材料的主要研究方向。
多孔碳酸钙的制备及应用研究进展
周绿山, 赖川, 王芬, 何畔
化工进展. 2018, 37(01): 159-167. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0768
摘要
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427
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多维度评价
碳酸钙是一种稳定的无机化合物,在自然界中广泛存在。多孔碳酸钙作为无机材料,以其比表面积大、无毒、生物相容性好等优点而被广泛应用于化工、医药、冶金、食品等行业。但多孔碳酸钙的结构、性能与应用受其制备方法和工艺影响严重,不同方法制备得到的多孔碳酸钙呈现出千差万别的结构和晶型。本文主要介绍了多孔碳酸钙的常用制备方法,主要有模板法、乳状液膜法、共沉淀法、溶剂/水热法、凝胶结晶法、盐析法等,并简要阐述了各种方法的制备原理与优缺点,同时将一些较新领域应用所取得的成果进行了归纳。指出国内外研究多孔碳酸钙在制备方法和工艺方面存在产品结构与性能难精确控制、过程节能环保不到位、原料利用较局限等问题,建议开展多孔碳酸钙在废水废气方面的应用研究。
石墨烯、3D石墨烯及其复合材料的研究进展
刘霞平, 王会才, 孙强, 杨继斌
化工进展. 2018, 37(01): 168-174. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0838
摘要
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256
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多维度评价
石墨烯是由单层碳原子紧密堆叠而成的蜂窝状材料,具有比表面积大、传热性能好、导电能力强等优点,普遍应用于各个领域。但由于石墨烯使用过程中易团聚,导致其应用领域受限。石墨烯组装而成的3D石墨烯拥有更大的活性表面积等特性,近年来引发密切关注。与此同时,石墨烯、3D石墨烯改性成为当前探究的焦点。本文在介绍石墨烯、3D石墨烯的结构、性能及石墨烯制备的基础上,总结了3种复合材料的主要制备途径,并且分析了其合成方法的利弊。重点探讨了它们在锂离子电池、燃料电池的电化学催化剂及传感器中的应用,简述了复合材料优良性能产生的机理。提出在掺杂改性中应注意各元素掺杂量、掺杂比例、掺杂位点的确定等问题。最后指出了石墨烯、3D石墨烯及其复合材料的制备还面临不稳定、无法大规模生产、导电率低的瓶颈并对其在固态金属锂电池、透明电池、吸附材料等领域的发展前景做了展望。
色氨酸辅助合成光催化活性增强的球形纳米TiO
2
李彬, 陈星炜, 张天永, 姜爽, 张光辉, 吴武斌
化工进展. 2018, 37(01): 175-181. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0725
摘要
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259
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以L-色氨酸(L-Trp)为生物模板,采用简单水解及煅烧后制备了球形结构TiO
2
纳米光催化剂。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱、紫外-可见漫反射光谱、光致发光光谱和N
2
吸附-解吸等方法对制得的TiO
2
纳米材料进行表征。在催化剂合成过程中,L-Trp作为生物模板发挥至关重要的作用,能够指导球形结构纳米TiO
2
的形成。考察了不同煅烧温度下制备的TiO
2
样品光催化活性,结果表明550℃时制备的TiO
2
样品具有优异的光催化活性,紫外光照射30min对甲基橙溶液的降解率达到95%左右,主要是由于较大比表面积和球形结构的协同效应。光催化剂稳定性实验表明,所制备的TiO
2
纳米材料可作为一种实用有效的光催化剂用于紫外光照射下降解有机染料。同时,对L-Trp辅助下球形结构TiO
2
纳米颗粒的可能生长机理进行讨论。
氟化物及制备工艺对高纯氧化铝陶瓷组织形貌的影响
田清波, 杨晓洁, 代金山, 王玥, 吕志杰
化工进展. 2018, 37(01): 182-188. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0848
摘要
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251
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以高纯氢氧化铝为主要原料,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线荧光光谱及X射线光电子能谱等技术,研究了引入NH
4
F或AlF
3
对α-Al
2
O
3
转变特征、氧化铝粉体及陶瓷显微结构的影响。结果表明:引入NH
4
F或AlF
3
促进α-Al
2
O
3
晶体形貌由颗粒状向片状转变。但是经高温煅烧,形成的片状α-Al
2
O
3
晶体又转变为颗粒状晶粒。粉体经不同压力成型后的块状样品,在1300℃煅烧后,α-Al
2
O
3
晶体仍保留片状形态。但是进一步升温到1600℃烧结的氧化铝陶瓷,晶体形貌由片状逐渐转变为多面体。热压条件下,氧化铝陶瓷晶体仍能够保持片状,没有出现多面体形态。随着烧结温度的提高,样品烧结致密化程度不断增大,相对密度从77.6%增加到92.2%。相比以片状粉体为原料烧结的α-Al
2
O
3
陶瓷,以颗粒状粉体为原料烧结的陶瓷相对密度要大,在1600℃烧结的α-Al
2
O
3
陶瓷密度从92.2%提高到93.0%。
三种不同原料中间相沥青的性质表征
段春婷, 刘均庆, 徐文强, 梁朋, 郑冬芳, 王秋实, 宋怀河
化工进展. 2018, 37(01): 189-194. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0789
摘要
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368
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为更深入地理解不同原料制备的中间相沥青的性质差别,从挥发分、饱和度、分子量分布、有序度的角度研究了以萘、煤沥青、精制煤液化沥青(DCLR)为原料的3种中间相沥青,分析手段包括偏光显微镜、元素分析、TGA、红外光谱(FTIR)、MALDI-TOF MS、XRD、拉曼。结果表明:萘系中间相沥青分子量最高且分布窄,挥发分低,饱和基团含量高,分子柔性大,平面性和规整性较差,分子堆砌紧密度较低,有序度较差,因此具有较低的软化点和广域流线型光学组织结构;煤系中间相沥青分子量较高,分布最宽,挥发分高,饱和度低,烷基侧链少,分子刚性和平面性较大,易堆积成紧密结构,因此具有较高的软化点,流动性差,较难形成流线型光学组织结构;DCLR系中间相沥青分子量低且分布窄,挥发分较高,含有一定量的饱和基团,分子具有一定的韧性,分子刚性和规整性较好,有序度高,因此流动性较差,软化点较高。
有机改性金红石型纳米TiO
2
对聚乙醇酸抗光老化性能的研究
崔爱军, 辛健, 蔡煜明, 薛士瀚, 朱晨浩, 韦梅俊, 陈群
化工进展. 2018, 37(01): 195-200. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0538
摘要
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用硅烷偶联剂(A-172)对金红石型纳米TiO
2
进行有机表面改性,采用红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)对改性结果进行了表征。红外光谱表明,A-172以化学键的方式结合在纳米TiO
2
表面;透射电镜照片表明,改性后的纳米TiO
2
表现出较强疏水性。将改性后的纳米TiO
2
作为紫外线屏蔽剂添加到聚乙醇酸(PGA)中,分别制备了TiO
2
质量分数为0.5%、1%、1.5%和2%的复合材料,并采用氙灯气候试验机对纯PGA和PGA/纳米TiO
2
复合材料进行加速老化对比试验。实验结果表明,改性后的纳米TiO
2
在PGA材料中具有良好的分散性,使PGA具有更宽的紫外吸收范围和更强的紫外吸收峰,其中,当添加质量分数为1.5%时改性效果最佳,经过800h加速老化后,复合材料黄色指数只增加4.1,拉伸强度和缺口冲击强度保持率为56.34%和65.15%,分别比纯PGA提高了42.29%和37.21%,重均分子量和数均分子量保持率也分别提高了33.64%和33.99%。
以溶液法制备的钠掺杂锂离子电池正极材料Li
3-
x
Na
x
V
2
(PO
4
)
3
/C
李玲芳, 韩绍昌, 范长岭, 王菲菲
化工进展. 2018, 37(01): 201-205. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0863
摘要
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224
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以溶液法为制备方法、以葡萄糖为碳源合成了一种钠离子掺杂的锂离子电池正极材料Li
3-
x
Na
x
V
2
(PO
4
)
3
/C(
x
=0、0.01、0.03、0.05、0.07)。XRD结果显示组成相为单斜晶型,与标准Li
3
V
2
(PO
4
)
3
衍射峰完全一致。微量钠掺杂并未改变产物的相组成与晶体结构,但使得晶胞参数有所变化,这种变化有利于提高锂离子的扩散系数。SEM与TEM谱图显示材料颗粒基本为近似椭圆形,粒径分布均匀,碳包覆层完整。充放电测试显示Li
2.97
Na
0.03
V
2
(PO
4
)
3
/C试样的倍率性能最好,在12C倍率下放电比容量约为100mAh/g,循环伏安测试也证明该试样的锂离子扩散系数较高,比纯相Li
3
V
2
(PO
4
)
3
提高了约2个数量级。
二苯甲酮/一缩二乙二醇光引发丙烯酸丁酯聚合机理
梁爽, 杨永登, 周宏勇, 李云庆, 王家喜
化工进展. 2018, 37(01): 206-211. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1032
摘要
(
269
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以二苯甲酮(BP)与一缩二乙二醇(DEG)为光引发剂引发丙烯酸丁酯(BA)聚合,利用核磁共振波谱
1
H NMR、
13
C NMR和液相色谱-串联质谱(Q-TOF)对产品结构进行分析。
13
C NMR结果表明,聚合物链上存在叔碳及季碳原子。Q-TOF分析结果表明,聚合物主要由DEG自由基引发,聚合度主要为6、7的链转移终止的低聚物构成,此外,链自由基可以经歧化及偶合终止。快速链转移反应及叔碳、季碳原子的存在表明聚合物的形成过程可能经历了自由基在DEG分子链上“游走”的机理。自由基在DEG链上的转移及链增长的相互竞争,导致形成多取代的聚合产物。聚合反应存在严重的氧阻聚效应,链自由基与氧气快速反应形成过氧化自由基,经终止反应及分解反应形成多1~3个氧原子的低聚物。
光稳定型9,10-二苯乙烯基蒽类变色材料的合成及性能
苏钰涵, 滕欣余, 王博威, 林晨辉, 陈立功, 李阳, 闫喜龙
化工进展. 2018, 37(01): 212-222. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0846
摘要
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256
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多维度评价
设计合成了6个9,10-二苯乙烯基蒽(DSA)化合物,其中DSA-C
n
P(
n
=2,6,12)为含有受阻哌啶结构单元的新化合物。对其进行荧光性能测试,结果表明这3个新化合物均具有聚集诱导发光性能,且其对压力的刺激响应与烷基链长度紧密相关。X射线衍射分析表明样品在研磨前后发生了由晶态向无定形态的转变,这可能是其产生压致变色现象的内因。与DSA-C
n
化合物对比,发现当改变烷基链长度时,其压致变色性能表现出相反的变化趋势,这表明受阻哌啶的引入对DSA化合物的压致变色性能产生了重要影响。同时,光稳定性能测试表明,光照后DSA-C
n
P和DSA-C
n
均发生了一定程度的降解,但与DSA-C
n
相比,受阻哌啶的引入的确使DSA-C
n
P具有更好的光稳定性能。以上结果表明受阻哌啶基团对调控DSA化合物堆积模式和光稳定性能确有一定作用,有必要对其进行进一步的研究。
智能膜开关尺寸与孔径的匹配性对膜响应性能的影响规律
武文, 朱铧丞, 谢锐, 张磊, 骆枫, 巨晓洁, 汪伟, 刘壮, 褚良银
化工进展. 2018, 37(01): 223-229. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0803
摘要
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250
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智能膜的响应性能是其主要性能之一。本文借助计算流体力学(CFD)模拟,以孔壁排布有聚
N
-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)智能微球的单直膜孔为模型,定量系统地考察了智能微球的响应倍数以及微球尺寸与膜孔径的匹配性对膜温度响应性能的影响规律,并通过实验验证了模拟结果的可靠性。CFD模拟结果表明,当智能开关与膜孔径的相对比值一定时,温度响应开关系数随着微球响应倍数的减小而逐渐增大。当相对比值小于0.4时,实测的温度响应开关系数与固载量100%的模拟结果相吻合;而当相对比值大于0.4时,其与固载量为67%的模拟结果相吻合。通常当相对比值在0.4~0.65之间时,智能膜可以同时获得良好的温度响应性能和稳定的渗透性能。该研究结果可望为设计和制备高性能智能膜提供理论指导和实验基础。
点击化学法制备SBS-TMA型阴离子交换膜及其性能
王恩明, 邱丽, 杜海燕, 于峰
化工进展. 2018, 37(01): 230-235. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0697
摘要
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270
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多维度评价
以聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为基质、炔丙基三甲胺盐(PTMA)为碱性功能基团,通过点击化学(click chemistry)法合成聚合物SBS-TMA,采用浇铸成膜法制得扩散渗析(DD)性能优异的均质型阴离子交换膜。借助核磁共振仪(
1
H NMR)、扫描电镜(SEM)对聚合物的结构、形貌表征;借助热重分析仪(TG)、精密天平对膜的热、酸性稳定性能表征。研究了功能基团含量和温度双重因素对其DD性能的影响,结果表明:在室温下,当功能基团的含量为0.20(即SBS-TMA-0.20)时,膜的扩散系数(
U
H
+
)为2.86×10
-2
m/h,分离系数(
S
)为28.1,该膜的DD性能是商业膜DF-120(
U
H
+
=9×10
-3
m/h,
S
=18)的2~3倍;当系统温度由25℃升至70℃时,膜SBS-TMA-0.20的
U
H
+
值由2.86×10
-2
m/h增加至4.48×10
-2
m/h,它的
S
值由28.1增加至30.1,随后由30.1快速下降至16.2。
稀土氧化物掺杂碳纳米管屏蔽纸
邱治文, 孙晓刚, 庞志鹏, 陈珑, 蔡满园
化工进展. 2018, 37(01): 236-241. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0628
摘要
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253
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多维度评价
研究了不同稀土氧化物掺杂碳纳米管复合成屏蔽纸的屏蔽性能。采用Ga
2
O
3
、La
2
O
3
、Nd
2
O
3
、Dy
2
O
3
4种稀土氧化物作为添加剂掺杂碳纳米管,掺杂后稀土氧化物占混合物的质量分数为20%。以纸纤维为基体,通过高速剪切分散,真空抽滤制备复合屏蔽纸。检测显示屏蔽纸具有良好导电性能和电磁屏蔽性能,并且兼具纸的柔韧性和易成型性。采用扫描电子显微镜、四探针电阻仪、矢量网络分析仪对其进行表征,研究表明,4种稀土氧化物掺杂碳纳米管的屏蔽纸在175~1600MHz频段屏蔽效果由低到高依次为Nd
2
O
3
、Ga
2
O
3
、Dy
2
O
3
、La
2
O
3
,其中La
2
O
3
掺杂稀土氧化物的屏蔽性能最优,屏蔽效能为-24.5~-30.2dB。
生物与医药化工
新型抗乳腺癌药帕博西尼的合成进展
高芳, 谢伟, 何月桂, 唐凤翔
化工进展. 2018, 37(01): 242-251. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0791
摘要
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499
)
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多维度评价
帕博西尼(palbociclib)是一种治疗转移性乳腺癌的新药,于2015年获得美国食品药品监督管理局批准上市。本文较全面地报道了帕博西尼的9种合成工艺路线,并进行了相应的评价。通过对这些合成工艺的比较和分析,发现帕博西尼的合成主要包括4个关键步骤:构建吡啶酮并嘧啶环、2位引入[5-(1-哌嗪基)-2-吡啶基]氨基、6位引入乙酰基和8位引入环己基。传统的合成路线存在诸多缺点,如反应步骤多、采用价格昂贵的金属钯以及有毒的有机锡化物和强碱二(三甲基硅基)胺基锂(LiHMDS)、部分操作条件苛刻和总收率低。新开发的路线或通过选择恰当的原料和反应,或选用新型反应器如微波-超声波联合反应器,或通过“一锅煮”方式来减少反应步骤,避免采用钯类和有机锡类化合物,从而构建反应步骤少、收率高、环境友好和较具有工业化价值的合成路线。帕博西尼的合成路线总体上向着原辅材料价廉易得、所采用试剂环保、反应路线短、操作简单、反应条件温和及总收率高的方向不断改进。就现有的合成路线而言,倘若能寻找到操作简单的催化剂代替强碱LiHMDS,以2,4-二氯嘧啶为起始原料的合成路线8具有较强的工业化前景;倘若能解决微波-超声波联合反应器的放大问题,以2-乙酰基-2-丁烯酸甲酯为起始原料的合成路线6是最具工业化前景的路线。此外,本文也介绍了具有更好的药代性质和体内稳定性的氘代帕博西尼的合成工艺,可根据帕博西尼的先进合成路线对此工艺进行改进。
响应面优化木糖母液发酵产丁二酸
李亿, 张红岩, 朱婧, 秦艳, 王青艳, 申乃坤
化工进展. 2018, 37(01): 252-259. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0631
摘要
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324
)
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多维度评价
对产琥珀酸放线杆菌(
Actinobacillus succinogenes
)GXAS137发酵木糖母液产丁二酸的条件进行优化,探索利用废弃木糖母液合成高附加值丁二酸的可行性。首先通过Plackett-Burman实验设计确定影响丁二酸发酵的显著因子,然后采用最陡爬坡实验逼近各显著因子的最优区域,最后通过Box-Behnken实验设计确定各因子的最优水平。影响木糖母液发酵产丁二酸的显著因子及最优浓度分别为:木糖母液64.75g/L,玉米浆15.71g/L,碱式碳酸镁46.39g/L。在最优发酵培养条件下,丁二酸产量达到38.01g/L,比优化前提高了20.7%,与模型预测值(38.41g/L)基本一致。进一步利用2L发酵罐进行了放大试验,发酵72h丁二酸产量最高可达48.99g/L,较厌氧瓶发酵提高了28.9%,丁二酸得率为0.80g/g总糖。结果表明,采用低价的木糖母液作为底物,可为未来低成本、高效产业化生产丁二酸奠定坚实的基础。
反离子对牛血清白蛋白在荷电葡聚糖接枝介质中色谱行为的影响
韩德涛, 白姝, 龚玲莉, 余林玲, 孙彦
化工进展. 2018, 37(01): 260-268. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0793
摘要
(
258
)
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265
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从前期开发的具有极高的吸附容量及传质速率的二乙氨乙基葡聚糖接枝离子交换介质中选取FF-D50-DexD100和FF-DexD100为典型代表,利用Cl
-
、SCN
-
、SO
4
2-
、HPO
4
2-
为模型反离子,以牛血清白蛋白(BSA)为模型蛋白,以商品化介质(Q Sepharose FF、Q Sepharose XL、DEAE Sepharose FF)为对照,在离子强度为0.06mol/L下,系统研究反离子对二乙氨乙基葡聚糖接枝介质的蛋白质吸附与洗脱行为的影响。结果表明,二乙氨乙基葡聚糖接枝介质对不同反离子的偏好性存在差异,且该偏好性差异与基团所处位置(接枝链配基或表面配基)无关。同时,介质偏好性弱的反离子会通过促进二乙氨乙基葡聚糖接枝介质的“链传递”效应加快蛋白质的传质速率,从而提高动态吸附容量。因此,在使用二乙氨乙基葡聚糖接枝介质进行蛋白质色谱柱分离过程中,可在吸附操作中使用HPO
4
2-
,在洗脱操作中使用SCN
-
来优化分离效果。
真菌发酵酒精废弃物合成单细胞蛋白基质及菌种筛选
何秋颖, 陈渊源, 谢丽
化工进展. 2018, 37(01): 269-275. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0663
摘要
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264
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为了优选利用酒精废弃物生产单细胞蛋白(single cell protein,SCP)的最佳基质和菌种组合,从而实现其高值化利用,本文选取了黄酒加工废弃物(黄酒糟和米浆水)以及木薯酒精加工废弃物(木薯原糟和木薯酒糟上清液)4种基质作为发酵底物,并以产朊假丝酵母(
Candida utilis
)和白地霉(
Geotrichum candidum
)2种常见菌种作为筛选对象,通过摇瓶发酵实验,考察不同基质对菌种产SCP的影响,同时对比不同菌种利用酒精废弃物发酵合成SCP的能力,从而选出最优发酵基质和菌株。结果表明,以黄酒糟和米浆水按质量分数6%配比,同时接种产朊假丝酵母和白地霉进行混菌发酵4天时,SCP的产率及产量均达最优值,干物质产率可达3.91,产量可达90.22g/L,粗蛋白含量可达53.3%,且发酵产物中的氨基酸成分齐全,作为蛋白饲料具有良好的应用前景。
木薯酒精渣的预处理及补料同步糖化发酵制取乙醇
岳军, 徐友海, 王继艳, 胡世洋, 惠继星, 金刚
化工进展. 2018, 37(01): 276-282. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0752
摘要
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木薯酒精渣的处置是制约木薯燃料乙醇大规模产业化的问题之一。本文立足于探索木薯酒精渣利用途径
,
分析了木薯酒精渣的主要成分,对比了氨水、氢氧化钠、氨水组合稀硫酸3种预处理方式对于木薯酒精渣纤维素和木素含量及纤维素酶水解效率的影响,分析了处理前后木薯酒精渣的表面结构及纤维素结晶度,并以氨水处理后的木薯酒精渣为底物,进行了同步糖化发酵。结果表明,3种预处理方法中组合预处理能更好地增加纤维素含量和提高纤维素酶水解效率,与未处理原料相比,组合预处理后纤维素含量增加了111.26%,木素下降了35.05%,酶水解72h纤维素转化率从42.10%增加到61.71%。氨水预处理后,原料的木素含量降低,处理后木薯酒精渣的表面变得更加粗糙,纤维素结晶度有所增加,以氨水处理后的木薯酒精渣为底物进行分批补料同步糖化发酵,当初始底物浓度为100.0g/L,分别在20h、40h、60h进行补料至最终底物浓度为400.0g/L时,发酵120h乙醇浓度达到51.0g/L。
精细化工
基于苯基乙烯基酮双亲性嵌段物的光敏延时释药乳剂
郭睿威, 柏少玲, 姚远, 王雅琪, 张建华
化工进展. 2018, 37(01): 283-291. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0692
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聚苯基乙烯基酮(PPVK)在光照下能够发生主链断裂,基于这一特性,本文利用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)以丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEA)和丙烯酸异辛酯(2-EHA)分别作为亲水性单体和疏水性单体,制备了双亲性三嵌段共聚物PDMAEA-
b
-PPVK-
b
-P(2-EHA),并利用该双亲性嵌段物作为乳化剂制备了油酸乙酯为环保油相的可光控延时释放的油包水(W/O)型农药乳剂。对乳液的制备稳定性、光敏感特性以及光控药物释放特性进行了研究。结果表明,在油相与水相体积比为2∶1、嵌段物亲水段与亲油段聚合度之比为1∶5、嵌段物添加量为0.03g/mL且内水相pH=5时,制得的乳液具有良好的稳定性;在紫外光照下,乳液能够很快发生破乳;草甘膦药物释放实验表明,乳液的药物释放表现出光控特性,紫外光照25min后,水相药物草甘膦释放率达90%左右。
UDS溶剂组分设计及其脱除黏胶纤维废气中CS
2
效果
霍珍珍, 沈本贤, 陈曦, 孙辉, 詹国雄, 于惠波
化工进展. 2018, 37(01): 292-300. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0748
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为满足黏胶纤维废气脱硫净化需求,设计开发复配型溶剂并进行优化。基于密度泛函理论,利用AIM拓扑分析和RDG分析研究活性组分与CS
2
的相互作用机理,通过分子模拟计算不同活性组分与CS
2
分子间相互作用,根据黏胶纤维废气组成特点,设计优化UDS溶剂,进一步在常压实验装置上考察其脱除黏胶纤维废气中CS
2
和H
2
S效果。分子模拟计算结果表明,哌嗪(PZ)、环丁砜(SUL)、聚乙二醇二甲醚(NHD)、二甲基亚砜(DMSO)4种活性组分与CS
2
分子间均为弱相互作用,相互作用的强度顺序为PZ > SUL > NHD > DMSO。选取与CS
2
具有较强结合能的活性组分作为提高CS
2
溶解性能的溶剂组分。脱硫实验结果表明,在常压、吸收温度50℃、气液比500条件下,优化的UDS-F溶剂可将模拟黏胶纤维废气中CS
2
含量由400mg/m
3
脱除至79mg/m
3
,脱除率较原UDS-A溶剂高出19个百分点,较甲基二乙醇胺高出65个百分点,表现出优异的脱除性能。同时,其再生贫液在循环使用过程中依旧能够保持较好的H
2
S和CS
2
净化效果。对其抗发泡性能和抗腐蚀性能进行考察,UDS-F溶剂表现出良好的抗发泡性能和抗腐蚀性能。
资源与环境化工
HCN、COS和CS
2
催化水解及其水解产物协同净化的研究进展
刘娜, 宁平, 李凯, 梅毅, 王驰, 孙鑫, 汤立红, 宋辛, 唐勰
化工进展. 2018, 37(01): 301-310. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0835
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氰化氢(HCN)、羰基硫(COS)、二硫化碳(CS
2
)广泛共存于黄磷尾气、焦炉煤气、碳一化工等化工行业废气中,目前大多数研究局限于3种气体的单独脱除,3种气体同时脱除的研究鲜有报道,而3种气体的协同脱除势在必行。催化水解法能够将HCN转化成NH
3
,COS和CS
2
水解成H
2
S。NH
3
和H
2
S可以分别被催化氧化为N
2
及S,S可以回收利用。一步法实现HCN、COS和CS
2
的水解及水解产物NH
3
和H
2
S的催化氧化的催化剂开发是该技术的核心问题,本文针对近几年3种气体水解催化剂的相关研究成果进行了综述,包括负载型催化剂和非负载型催化剂,与此同时,针对水解产物NH
3
和H
2
S的催化氧化的协同净化技术进行了分析,旨在为后续3种气体同时催化水解及协同净化其水解产物催化剂的开发提供理论指导,为低温环境下协同催化水解HCN、COS和CS
2
,并利用原料气中的氧一步法净化水解产物技术的未来发展及应用提供参考。
污泥水热处理制备清洁燃料的研究进展
庄修政, 黄艳琴, 阴秀丽, 吴创之
化工进展. 2018, 37(01): 311-318. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0736
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目前,庞大的污泥产生量是困扰工业与市政工程的一个主要问题,对其减量化与能源化利用是污泥处置的关键。其中,水热技术是一种可直接并有效利用污泥等高含水率废弃物的处理手段。本文首先介绍了污泥的特点以及处理现状,然后总结了国内外近年来关于污泥水热处理工艺的发展历程与工业应用情况。此外,着重讨论了水热处理对污泥能源化利用的各项优势,包括:降低NO
x
、酸性气体与飞灰等污染物的排放,固定污泥重金属,改善污泥燃料性能,提高污泥脱水性能以及降低其处理成本等。同时,针对不同种类污泥的不同组分在水热处理过程中的反应过程与影响因素进行了详细讨论。最后,对于污泥水热处理能源化利用的发展前景作出展望,指出深入研究污泥与其他废弃物混合水热或焚烧过程中的协同作用是制备高品质燃料的重要途径。
燃烧处理挥发性有机污染物的研究进展
户英杰, 王志强, 程星星, 刘命, 马春元
化工进展. 2018, 37(01): 319-329. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0740
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随着环境问题的日益严重,治理作为PM
2.5
前体的挥发性有机物(VOCs)越来越受到重视,燃烧法是目前常用的处理VOCs污染物技术之一。本文从燃烧的机理出发综述了燃烧法处理VOCs的研究进展,将燃烧法分为两大类,即非催化燃烧法和催化燃烧法。非催化燃烧法中从燃烧方式出发,总结了直接燃烧法、蓄热式热力燃烧法、多孔介质燃烧法的研究进展,并对燃烧影响因素进行了综述。在催化燃烧法中阐述了贵金属催化剂、非贵金属催化剂和复合金属氧化物催化剂的研究进展,探讨了催化剂的失活问题,分析了每种催化剂的优势与不足。贵金属催化剂活性高,但是价格昂贵、稳定性差;非贵金属催化剂价格低廉、寿命长,但是起燃温度高;复合金属氧化物催化剂活性高、抗毒性强,但是制备工艺复杂。最后基于目前的研究现状和不足,展望了未来燃烧法处理VOCs的研究方向为:结合实际应用的工艺条件和催化燃烧的机理,制备出活性高、价格低廉、抗毒性强和寿命长的催化剂用于蓄热式催化燃烧技术;将催化燃烧和多孔介质燃烧相结合,开发出高效、稳定、经济的燃烧技术处理VOCs污染物。
城市污泥中重金属存在形态、去除及稳定化研究进展
解道雷, 孔慈明, 徐龙乾, 徐晓军, 李天国, 段正洋, 刘树丽, 刘伟
化工进展. 2018, 37(01): 330-342. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0775
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城市污水处理厂污泥产生量大,含有丰富的有机质、氮、磷、钾等农作物所需营养物质,但由于受重金属的污染使污泥无法直接农用。本文简述了城市污泥重金属的来源、特点及危害。重点论述了城市污泥中重金属去除和稳定方法,包括化学法(电化学法、化学试剂法)、生物法(微生物法、植物法、低等动物法)、物理法(超临界流体萃取、微波和超声)及联合技术。分析了各种方法处理污泥重金属过程中重金属的形态变化及其对处理效果的影响,对比各种方法的优缺点、影响因素及适用范围。指出污泥中重金属形态分布是影响去除效果的关键因素,污泥中重金属形态分布差异性大,且大部分重金属以稳定或相对稳定的状态存在,导致物理法和生物法去除效率较低,微生物和低等动物处理法相比植物法(备受时空限制)则表现出更好的适应性;电化学法对可氧化、可还原态分布的重金属都能起到较好的转化去除作用,但往往受由污泥向污泥液相中转移过程的控制,电损耗较突出;化学试剂浸提剂是目前效率较高的方法,但强酸环境常导致污泥营养物质流失和酸根离子累积,农用时容易板结而不利于污泥土地利用。因此,以土地利用为前提的条件下,将各种处理技术联合运用以提高污泥重金属去除率有待于进一步研究。
变负荷工况下NO
x
排放量预测控制
唐振浩, 张海洋, 曹生现
化工进展. 2018, 37(01): 343-349. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0716
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NO
x
是火电厂排放的主要污染物之一,降低NO
x
的排放是火电厂面临的主要问题。针对火电厂变负荷工况下的NO
x
排放量最小化问题,本文提出了一种基于最小二乘支持向量机(LSSVM)的非线性模型预测控制算法。根据电站锅炉实际历史数据建立锅炉负荷预测模型和NO
x
排放预测模型,并以交叉验证的方法优化模型参数,从而获得高精度模型。在此基础上以NO
x
的排放量最小为优化目标,考虑锅炉负荷约束,构建锅炉燃烧优化模型。采用差分进化算法求解优化模型得到控制参数的最优设定值。为了验证本文提出算法的有效性,采用实际生产数据进行实验。实验结果表明本方法能够在变负荷工况下有效降低NO
x
排放量,在不增加电厂改造成本上,为电厂提供了有效的控制手段,具有一定应用前景。
蒙脱石搭载纳米Ni-Fe超声降解十溴二苯醚
韩文亮, 陈海明
化工进展. 2018, 37(01): 350-358. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0687
摘要
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为解决传统纳米零价铁(nZVI)降解污染物时易氧化团聚、反应活性低的问题,通过改性手段制备并表征了蒙脱石搭载纳米Ni-Fe(Ni-Fe/蒙脱石)等复合材料,考察污染物和纳米材料质量浓度、温度、溶液初始pH、超声辅助等对其降解十溴二苯醚(BDE-209)的影响,比较nZVI改性前后的降解效果,分析其机理并建立了反应动力学方程。结果表明:最佳反应条件为5mg/L的BDE-209、2g/L的nZVI、温度35℃、pH=3。超声处理10min时BDE-209基本降解完,其表观速率常数(
k
obs
,0.519min
-1
)是震荡处理(0.013min
-1
)的40倍、静置处理(0.004min
-1
)的130倍。几种材料在10min时对BDE-209的降解率为:Ni-Fe/蒙脱石(99.5%) > nZVI/蒙脱石(85.1%) > 纳米Ni-Fe(64.8%) > nZVI(48.1%) > 蒙脱石(4.1%) > 纳米Ni(1.1%),120min时
k
obs
为:Ni-Fe/蒙脱石(0.519min
-1
) > nZVI/蒙脱石(0.209min
-1
) > 纳米Ni-Fe(0.050min
-1
) > nZVI(0.024min
-1
)。蒙脱石、纳米Ni及超声本身基本不降解BDE-209。
正渗透膜污染影响因素的研究与分析
肖芹芹, 徐世昌, 王越, 王红柳
化工进展. 2018, 37(01): 359-367. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1246
摘要
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以海藻酸钠(ALG)为典型有机污染物,采用TFC FO膜,以水通量下降率和污染阻力作为膜污染的评价指标,探究了正渗透(FO)过程中的膜摆向(FO模式和PRO模式)、原料液(FS)和驱动液(DS)的浓度、原料液中Ca
2+
浓度和pH对FO膜污染的影响规律,并提出适宜的膜清洗方案。结果表明,在PRO模式下,膜污染阻力为3.38×10
11
m
-1
,而在FO模式下仅为3.88×10
10
m
-1
,表明FO模式污染轻;FS或者DS浓度的增大均会导致污染阻力增大,使得污染更加严重;当FS中不含Ca
2+
和含Ca
2+
浓度分别为1mmol/L和2mmol/L时,相较于初始通量,其通量降低率分别15.40%、18.49%和24.93%,当Ca
2+
浓度从1mmol/L增大到2mmol/L过程中,膜污染阻力增大1.6倍;当FS的pH为4.2、7.0和10.7时,水通量降低率依次增加,分别为14.56%、14.82%和18.78%。分别采用去离子水、pH为3.0的HCl溶液、pH为11.8的NaOH溶液以及十二烷基硫酸钠(SDS,pH=11.0)溶液对膜进行清洗,得到SDS溶液清洗效果较好,通量恢复率可达90.70%。
城市污泥流化床燃烧过程中气态污染物排放特性
江子箫, 陈晓平, 蒋志坚, 宋联, 朱葛, 梁财, 刘道银, 马吉亮
化工进展. 2018, 37(01): 368-374. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0712
摘要
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在6kW
th
鼓泡流化床实验台上进行了城市污泥的燃烧实验,研究了烟气再循环气氛和空气气氛下燃烧温度、过量氧气系数、二次风比率对气态污染物排放特性的影响。研究结果表明:燃烧温度升高,NO排放浓度明显升高,SO
2
排放浓度亦呈上升趋势;过量氧气系数提高,NO排放浓度呈显著上升趋势,SO
2
排放浓度则呈下降趋势;增大二次风比率,NO排放浓度呈现先降低后升高的趋势,但总体减排效果并不明显,SO
2
排放浓度出现少量增长;烟气再循环工况下,NO排放浓度随燃烧温度和过量氧气系数变化的趋势与空气气氛燃烧时一致;烟气再循环率从0增加至1,NO排放浓度明显下降;烟气再循环率达到较高值后,NO排放浓度随之提高而降低的趋势减弱;烟气再循环率逐渐升高过程的前期,烟气中CO浓度出现显著升高;再循环率超过0.3后,CO浓度在一定范围内波动,不再升高。
生物电化学系统对4-氯硝基苯的降解
周亚, 杨春
化工进展. 2018, 37(01): 375-380. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0767
摘要
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实验以驯化的4-氯硝基苯(4-CNB)降解菌为接种物,以碳刷为阴、阳极材料,构建了生物电化学系统,探讨了4-CNB不同进水浓度、不同外加电压对难降解、具有持久性毒性的有机污染物4-CNB降解效果的影响。结果表明:4-CNB不同进水浓度下,生物电化学系统对4-CNB的去除率均可达到99%,且实验采用的具有电化学活性的微生物对4-CNB表现出较好的耐受性;在不同外加电压下,4-CNB去除率最终也可达到99%,在外加电压为0.5V时,其去除效率最佳。此外,对比了相同浓度、相同外加电压下,生物电化学系统、非生物厌氧反应系统和开路状态生物系统对4-CNB降解效果的影响,结果表明,生物电化学系统降解效果最佳,可有效促进有机污染物4-CNB降解并提高其降解效率,2.5h后4-CNB去除率可达99.5%,非生物厌氧系统去除率为95.7%,而开路状态生物系统中,24h后4-CNB含量无显著变化。
好氧颗粒污泥的常温湿式储存及恢复
赵珏, 程媛媛, 宣鑫鹏, 龙焙, 郑洋洋, 陆晨露, 王智勇, 王华生
化工进展. 2018, 37(01): 381-388. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0827
摘要
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为考察常温湿式储存好氧颗粒污泥(AGS)的可行性,分别探索了敞开及密封两种储存条件下AGS的稳定性变化及恢复效果。50天的储存过程中AGS由黄色逐渐变为黑褐色,且大部分AGS变成中空状,沉降性能、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)/混合液悬浮固体浓度(MLSS)变化均不大,但胞外聚合物(EPS)含量、比好氧速率及脱氢酶活性均显著减小。结果表明两种储存方式的效果相当,即AGS的稳定性均会明显下降,但颗粒状的三维结构并未被严重破坏。恢复过程中AGS迅速变黄,且EPS含量、比好氧速率、脱氢酶活性等迅速增大。观察到一部分中空状AGS被打碎,但这些碎片及未破碎的AGS可作为微生物附着生长的晶核或载体。在较大的水力选择压下,存活下来的微生物通过快速增殖并分泌大量黏性EPS,在12天内成功实现稳定性恢复,并表现出良好的污染物去除效果及更加优异的理化特性。
废弃粉末活性炭热解再生实验及表征分析
路遥, 李建芬, 李红霞, 辛馨, 史训旺, 刘照, 程群鹏
化工进展. 2018, 37(01): 389-394. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0816
摘要
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通过对废弃粉末活性炭(WPAC)进行热解再生实验,采用热重(TG)、红外分析(FTIR)、表面分析(BET)、X射线衍射(XRD)表征手段,分析了废弃粉末活性炭热解再生前后的比表面积、孔隙结构及再生过程中有机物分解的初步规律。同时比较了废弃粉末活性炭再生前后对亚甲基蓝(MB)的吸附性能,对WPAC热解再生效果进行了评价。实验得出的最佳热解再生条件是以氮气为载气,热解温度650℃,热解时间2h。在此再生条件下,再生炭(RPAC)的比表面积为1161.4m
2
/g,恢复到新鲜活性炭的94.5%;废弃粉末活性炭再生前后对亚甲基蓝的吸附等温线符合Langmuir模型,吸附容量为420.5mg/g,恢复到新鲜炭的89.6%。由此结果表明,WPAC经热解再生后表面化学性质、孔隙结构及吸附性能均得到有效恢复。
应用技术
绿色智能焦化技术在唐钢美锦公司的应用
王新东, 张宝会, 梁英华, 黄世平
化工进展. 2018, 37(01): 395-405. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1229
摘要
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针对传统焦化企业能源利用效率低、环境污染严重、产业链短、产品附加值低等共性难题,本文指出唐钢美锦焦化公司研究开发和使用了一系列焦化新工艺新技术,采用的新工艺主要有宽炭化室多段加热的7m大容积焦炉、高温高压干熄焦的高效发电工艺、废水综合处理的高效回用工艺、焦化全流程除尘工艺、固体废弃物回收利用工艺、高效节能的焦炉煤气制取液化天然气工艺等,采用的新技术主要有焦炉煤气高效净化技术、粉尘和有毒有害气体控制及逸散气体负压回收综合技术、粗苯萃取精制精馏优化技术和智能焦化技术等。唐钢美锦焦化公司通过这些新工艺、新技术的使用,实现了炼焦全流程工艺整体优化,解决了焦化企业绿色转型过程中的难题,为焦化行业摆脱高能耗高排放,实现降本增效和环境友好拓宽了思路,对焦化行业绿色转型发展起到了引领和示范作用。
氯硅烷中痕量磷杂质的检测方法及应用
刘帅峰, 黄国强
化工进展. 2018, 37(01): 406-413. doi:
10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0782
摘要
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针对混合氯硅烷原料中沸点接近、分离困难的含磷杂质物系,对比金属氧化物吸附剂,以13X分子筛(13X)及负载CuCl
2
的13X分子筛(Cu-13X)作为络合吸附剂进行气相吸附实验,并采用紫外分光光度计检测氯硅烷中磷杂质含量,结合水中和氯硅烷原料中磷含量分析实验考察了氯硅烷原料预处理过程中水解液组成、氯硅烷原料的相态对用紫外分光光度计检测磷杂质含量范围的影响规律及机理,探究了13X及Cu-13X在20℃时作为络合吸附剂的突破曲线。结果表明,氯硅烷原料的预处理相态为气相并以高纯氮气作载气通入高纯水中,氯硅烷中磷杂质质量含量的检测范围为0.0003~0.03,13X经过CuCl
2
浸渍改性后性能得到大幅度提升,当穿透实验进行到混合液体积为120mL时,络合吸附剂对PCl
3
的脱除效率仍大于80%,而在混合液体积20mL,左右13X-分子筛则被完全穿透失去吸附能力。
科研动态
2017年度国家自然科学基金委员会化学科学部五处科学基金项目申请和评审工作综述
孙宏伟, 张国俊
化工进展. 2018, 37(01): 414-417.
摘要
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