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2020年 第39卷 第7期 刊出日期:2020-07-05
    本期封面、中英文目次表
    化工进展. 2020, 39(7):  0. 
    摘要 ( 164 )   PDF (5961KB) ( 127 )  
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    化工进展. 2020, 39(7):  0. 
    摘要 ( 0 )   PDF (286288KB) ( 21 )  
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    特约评述
    螺旋通道内流动沸腾传热研究进展
    林清宇, 吴佩霖, 冯振飞, 艾鑫, 黄魁, 李欢
    化工进展. 2020, 39(7):  2521-2533.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1597
    摘要 ( 390 )   HTML ( 38 )   PDF (1582KB) ( 331 )  
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    螺旋通道因其优越的传热性能在强化传热领域有着重要的应用。近年来,高热流密度下设备的散热问题严重制约着先进技术的高速发展,传统螺旋通道单相强化传热技术已难以满足如此高的散热要求。由此,学者们开始探索以螺旋通道和流动沸腾传热相结合的复合强化传热技术。但由于螺旋通道特有的结构导致管内工质会受离心力的影响产生二次流,使得流动沸腾的情况较直通道更复杂,因此许多学者研究螺旋通道流动沸腾传热得出的结论并不一致。本文主要综述了近年来常规和微细尺度螺旋通道内流动沸腾的研究进展,阐述和分析了质量流率、干度、压力等参数对螺旋通道传热系数及临界工况的影响。指出了实验工况及螺旋通道结构的不同可能是导致结果存在分歧的主要原因,重点归纳了研究者根据实验结果拟合得到的流动沸腾传热实验关联式,并对经典直通道及螺旋通道沸腾传热关联式用于预测螺旋通道沸腾传热系数时的优缺点给予评价,指出今后螺旋通道内流动沸腾流传热的研究方向。

    化工过程与装备
    NSGA-Ⅱ和NSGA-Ⅲ应用于换热网络多目标优化的对比
    蒋宁, 范伟, 谢小东, 郭风元, 李恩腾, 赵世超
    化工进展. 2020, 39(7):  2534-2547.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1466
    摘要 ( 238 )   HTML ( 12 )   PDF (4109KB) ( 138 )  
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    针对换热网络多目标优化问题,采用目前应用较广泛的两种多目标遗传算法,即NSGA-Ⅱ和NSGA-Ⅲ,对两种算法的性能进行对比研究。案例研究结果表明,NSGA-Ⅱ算法比NSGA-Ⅲ算法运行效率更高,NSGA-Ⅲ的运行时间是NSGA-Ⅱ的2倍以上;NSGA-Ⅱ算法的应用并不严格地受限于3个目标的最大目标数量,NSGA-Ⅱ在求解大于3个目标的多目标优化问题时也可能具有良好的性能,目标数量并非选择NSGA-Ⅱ和NSGA-Ⅲ算法的严格标准。对10×5换热网络案例进行4个相关目标改造优化时,从换热网络的单一性能指标来看,NSGA-Ⅱ算法更容易获得各目标的极值。从最小年度总费用的评价指标来看,两种算法的最优方案效果相近。对7×3换热网络案例进行6个目标的优化时,NSGA-Ⅲ算法得到各目标的极值较优。从最小年度总费用的评价指标来看,NSGA-Ⅲ算法获得的投资费用和年度总费用更小。对于目标函数数量不超过3个,或者3个以上具有一定相关性的多目标优化问题,推荐优先使用NSGA-Ⅱ算法实现快速寻优;而NSGA-Ⅲ算法由于其基于参考点的选择机制,运行效率较慢,更适合用于收敛困难的高维多目标优化问题。

    方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析
    申宇, 潘振海, 吴慧英
    化工进展. 2020, 39(7):  2548-2555.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1467
    摘要 ( 172 )   HTML ( 4 )   PDF (3059KB) ( 147 )  
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    为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明:在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明:初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。

    单环路液氢温区脉动热管高充液率工况计算流体动力学(CFD)模拟
    徐金柱, 焦波, 孙潇, 王芳, 甘智华
    化工进展. 2020, 39(7):  2556-2565.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1519
    摘要 ( 211 )   HTML ( 10 )   PDF (4414KB) ( 128 )  
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    针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维数值模型,分析了80%充液率条件下脉动热管不同阶段的流动及传热特性。在本研究中,流体体积函数(VOF)方法被用于追踪气液相界面,恒热通量和恒温分别作为蒸发段和冷凝段的边界条件,蒸发段的加热量逐渐从0.27W增加到1W。模拟的传热热阻与实验值的误差不超过15%,验证了模型的有效性。同时得到了脉动热管初始阶段的气液分布与压力分布,通过气体体积分数云图分析了启动阶段气塞的运动,结果显示在本研究中工质经过两次循环完成启动,根据工质流动方向的变化每次循环又可以分为三种流动方式。进入稳定阶段后,脉动热管内的工质主要呈顺时针循环流动,蒸发段的壁面温度呈周期性的振荡。在加热量较低时,温度振荡频率较低,传热热阻较大;随着加热量的增加,振荡频率增加并趋于稳定,热阻先减小而后不变。

    泡沫金属在熔盐相变蓄热中的强化传热特性
    陈岩, 叶宇轩, 杜文静
    化工进展. 2020, 39(7):  2566-2573.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1594
    摘要 ( 187 )   HTML ( 8 )   PDF (2420KB) ( 149 )  
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    搭建了熔盐蓄热特性实验平台,开展相变蓄热过程传热特性实验研究。建立了蓄热容器二维轴对称、瞬态固液相变数学模型,相变过程模拟采用Solidfication & melting模型,相变区域采用Boussinesq近似,对比了纯硝酸盐蓄热工况和填加泡沫金属后蓄热工况数值模拟结果。采用实验与数值模拟相结合的方法,重点分析了泡沫金属对熔盐蓄热过程的强化传热作用。结果表明,填加泡沫金属能够有效提高熔盐换热速率,泡沫金属孔隙率越小强化蓄热效果越显著。泡沫铜的热导率较高,相对于泡沫镍和泡沫铝有更好的强化传热效果,蓄热速率是纯硝酸盐蓄热的1.6倍。在相变蓄热后期自然对流换热占主导地位,此时泡沫金属会抑制自然对流。同时,填加的泡沫金属越靠近容器中心位置,对自然对流抑制作用越强,蓄热性能越差。

    基于BP神经网络的不凝性气体对脉动热管传热影响的分析
    陈静妍, 徐荣吉, 吴青平, 王瑞祥, 许淑惠
    化工进展. 2020, 39(7):  2574-2582.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1619
    摘要 ( 199 )   HTML ( 7 )   PDF (2819KB) ( 83 )  
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    不凝性气体的存在会影响脉动热管的传热性能。本文以去离子水和聚丙烯酰胺(PAM)溶液为工质,搭建了脉动热管半可视化传热性能实验系统,研究了不凝性气体的存在对脉动热管传热特性和运行特性的影响;通过建立BP神经网络模型,在不同不凝性气体压力条件下,对脉动热管传热热阻做出了回归预测,并进行了验证。结果表明:不凝性气体的存在会恶化脉动热管的传热性能。随着加热功率的增加,在不同不凝性气体分压力条件下的热阻呈现下降趋势。而随着不凝性气体分压力的增大,工质的蒸发段平均温度明显增大。通过BP神经网络可以对不同不凝气体分压力下脉动热管热阻作出可靠的回归预测,可为脉动热管运行状态的优劣提供判定思路。

    同心圈式旋转床的精馏实验
    沈华峰, 李育敏, 计建炳, 陈加齐, 王炜
    化工进展. 2020, 39(7):  2583-2589.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1624
    摘要 ( 166 )   HTML ( 5 )   PDF (1480KB) ( 67 )  
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    同心圈式旋转床是一种新型超重力旋转床,其转子由一组多孔板同心圈构成,相邻同心圈之间无填料或填充填料。液体在同心圈上存在滑移效应,滑移效应能够增大气液比表面积和改善液体在同心圈上的周向分布。本文采用乙醇-水物系对转子直径为1.0m的大型同心圈式旋转床进行全回流常压精馏实验,实验选用无丝网填料同心圈和填充丝网填料同心圈两种转子。实验结果表明,本大型同心圈式旋转床具有较大的处理量,其等板高度(HETP)随F因子和超重力因子的增大先减小后增大。填充丝网填料同心圈转子的HETP小于无丝网填料同心圈转子。在超重力因子为563.4和F因子为5.5(m/s)(kg/m3)0.5时,填充丝网填料同心圈转子的等板高度达到最小值51.5mm,每块理论板气相压降为1.5kPa。通过实验数据拟合得到了两种同心圈转子的HETP经验关联式。与折流式旋转床相比,同心圈式旋转床具有高通量和低压降的优点。

    文丘里管式微气泡发生器内单气泡碎化行为的数值模拟
    丁国栋, 陈家庆, 蔡小垒, 叶帆, 李振林, 姬宜朋, 郭靖
    化工进展. 2020, 39(7):  2590-2598.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1650
    摘要 ( 235 )   HTML ( 7 )   PDF (2729KB) ( 161 )  
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    文丘里流道内部流场及气泡破碎过程的正确表征是提升文丘里管式微气泡发生器成泡性能和对其进行结构优化设计的基础和前提。本文借助计算流体动力学(CFD)商业软件ANSYS Fluent中的VOF多相流模型,数值模拟研究单气泡在三维流场中的变形及破碎行为,揭示文丘里流道尤其是扩张段内的流场分布和气泡碎化过程,并对文丘里管式微气泡发生器成泡粒径分布不均匀的原因进行分析讨论。CFD数值模拟结果表明,气泡碎化发生在文丘里管式微气泡发生器的扩张段内,湍流耗散率越大,碎化生成微气泡的粒径越小。扩张段内中心区域的湍流耗散率远小于边壁区域,湍流耗散率径向位置分布的差异将直接导致所生成微气泡粒径分布的不均匀。在轴心线方向上,单气泡由进水管注入时的碎化程度强于由喉管处注入;在径向方向上,单气泡由进水管偏心位置注入时的碎化程度强于由中心位置处注入。进水管内安放带导流叶片的轴向静止起旋元件,不仅可提高扩张段的平均湍流耗散率,降低生成微气泡的平均粒径,而且可以降低径向湍流耗散率的标准差,增强扩张段内径向湍流耗散率的均匀度,进而提高所生成微气泡粒径分布的均匀程度。

    密封点挥发性有机物(VOCs)排放速率的数值模拟及实测应用
    闵健, 腾东玉, 王云, 陈达
    化工进展. 2020, 39(7):  2599-2605.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1661
    摘要 ( 213 )   HTML ( 7 )   PDF (1811KB) ( 126 )  
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    目前对设备与管线组件密封点挥发性有机物(VOCs)排放速率的研究尚停留经验估算的阶段,本文以连接件密封点为典型代表,对乙醇生产装置中所涉密封点VOCs排放速率进行数值模拟和实测应用研究。利用直接测量包扎法对连接件进行包扎密封,将其所形成的包袋内流通空间类比为石油化工反应器,引入化工单元混合时间和空时的概念,通过计算流体力学数值模拟的方法,对比包袋内速度场、浓度场和压力场的分布情况,定量分析出包扎法系统中惰性载气吹扫流量和包袋体积之间的关系,优选合理的操作参数,现场实测并推算出连接件VOCs排放速率。研究结果表明:适当减小包袋体积可增加混合强度,缩短混合时间;在保持袋内微正压条件下,合理选择吹扫流量以匹配不同的包袋体积,吹扫时间大于袋内混合空时的2倍可基本达到近稳态;建立新的连接件密封点VOCs泄漏浓度和泄漏排放速率之间的幂函数关系式,用以评估核算VOCs年排放量更准确。

    废食用菌棒循环流化床气化试验
    董磊, 常加富, 杜巍涛, 刘全美, 董玉平, 徐鹏举
    化工进展. 2020, 39(7):  2606-2611.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1792
    摘要 ( 186 )   HTML ( 3 )   PDF (1443KB) ( 71 )  
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    废菌棒是食用菌生产过程中产生的残余废弃物,其再利用对于资源节约与环境保护具有重要意义。本文采用循环流化床气化炉对废菌棒进行了气化试验,分别研究空气当量比、水蒸气配比对气化炉运行温度、气化燃气组分与热值、焦油含量、气化效率及碳转化率等气化特性的影响规律。结果表明:空气当量比由0.20增大至0.35时,循环流化床运行温度与碳转化率升高,气化燃气中的CO2体积分数增大,CO与焦油含量及气化燃气热值下降,气化效率呈现先增大后减小的趋势;空气当量比为0.26时气化效率达到最大74.86%,此时燃气热值为5.59MJ/m3。以空气为主气化介质,采用水蒸气作为辅助气化剂,可以改善气化燃气品质,提升气化效率。当空气当量比为0.26、水蒸气配比为0.2时,废菌棒具有较好的空气-水蒸气气化特性,燃气热值与气化效率分别达到最大值6.14MJ/m3与83.73%。

    能源加工与技术
    能源植物菊芋制备生物基化合物研究进展
    周立坤, 葛庆峰, 滕厚开
    化工进展. 2020, 39(7):  2612-2623.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1611
    摘要 ( 230 )   HTML ( 18 )   PDF (1844KB) ( 171 )  
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    生物质作为工业填料在制备化学品的过程中具有可再生性、碳元素利用平衡等优点,但大部分能源植物存在来源于粮食必需品、与农作物争夺优质土地的问题。天然生物质菊芋因具有优良的生长特性、糖类组分含量高、单体官能团多样等特点,被认为是未来最重要的非粮能源植物之一。本文介绍了通过物理过程、生物过程及化学过程等不同途径高附加值化菊芋的研究进展,总结不同方式制备生物基化合物的特点。基于菊芋主要因其根茎中含有丰富的不易被人体消化的菊糖、果糖基多糖聚合度低、组成多糖和还原糖的碳源单体高度单一等优点,着重介绍目前菊芋根茎作为底物制备生物基化合物的过程,分析了通过化学催化法或发酵法制备多元醇、5-羟甲基糠醛、乳酸酯等产品的反应条件、催化剂或生物酶的类型等。基于菊芋秸秆中富含纤维素、半纤维素和木质素等木质纤维素的优势,简述了以纤维素和半纤维素类碳水化合物和木质素的主要研究现状,以及对菊芋秸秆直接催化转化的效果,突出菊芋秸秆转化的优势,提出菊芋秸秆作为底物高效制备目标产物的改进措施。对菊芋根茎和菊芋秸秆的高附加值化过程和效果的分析表明,加强对非粮能源植物菊芋的深加工与生物、化学转化技术的研究,配合生物法与化学法相结合的手段,能加快菊芋工业化应用取得实质性的进展。

    全透明高压反应釜甲烷水合物动力学实验
    黄婷, 李长俊, 李清平, 丁麟
    化工进展. 2020, 39(7):  2624-2631.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1510
    摘要 ( 171 )   HTML ( 4 )   PDF (2826KB) ( 93 )  
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    水合物的生长和分解规律对开发海洋天然气水合物资源,实现深水天然气水合物气液固多相管道输送都具有重要意义。为了进一步揭示水合物的生长和分解特性,本文采用高压全透明反应釜装置,进行了温度0~30℃、压力3.35~8.16MPa和搅拌速率200~1000r/min范围内的16组甲烷水合物生长和分解动力学实验研究。结果表明:实验过程可分为水合物诱导期、快速生长期、缓慢生长期以及分解期这4个阶段。在水合物快速生长阶段,获得了温度、压力、搅拌电机扭矩和水合物生长速率随时间的变化规律,观察到了水合物颗粒的均相和非均相分布状态。通过加热促使水合物分解,揭示了分解阶段温度、压力和分解速率等关键参数的变化规律以及水合物块的分解形态。分析表明,水合物颗粒的分布状态与水合物浆液的流动性直接相关;水合物块的静态分解过程受到分解气传质控制。

    水热预处理对稻壳焦热电性能的影响
    章旭, 许丹, 熊源泉
    化工进展. 2020, 39(7):  2632-2638.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1639
    摘要 ( 165 )   HTML ( 3 )   PDF (2061KB) ( 74 )  
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    为了探究水热预处理对稻壳焦热电性能的影响,首先通过不同水热温度对稻壳进行改性处理,分析了其燃料特性、官能团以及热解特性。再于550℃下热解,针对热解后的稻壳焦采用工业分析、元素分析、红外光谱(FTIR)分析、X射线衍射(XRD)分析和N2吸附脱附等方法研究改性前后稻壳焦特性及微观结构。结果表明:水热预处理后稻壳中半纤维素、碱金属和碱土金属大量减少,挥发分含量增加,并获得更多的含氧官能团。经改性后水热稻壳焦比表面积和总孔容积提高,在水热温度为150℃时达到最大比表面积335.1m2/g和最大总孔容积0.173cm3/g。用改性前后稻壳焦作为电极材料,NaCl为电解液,发现改性后稻壳焦输出电压提升明显,在50K温差下,输出电压为67.084mV,比能量为106.7mJ/g,展现了改性稻壳焦作为一种低成本多孔炭优异的热电转化性能。

    工业催化
    Cu基CO2合成甲醇催化剂载体的研究进展
    侯瑞君, 邱瑞, 孙克宁
    化工进展. 2020, 39(7):  2639-2647.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1546
    摘要 ( 292 )   HTML ( 30 )   PDF (2038KB) ( 267 )  
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    氧化物载体与Cu之间的相互作用、CO2的活化位点、表面反应机理、表面反应路径直接影响CO2催化加氢的产物分布。因此,探明不同金属–载体的相互作用和界面微观结构至关重要。本文综述了CO2催化加氢合成甲醇Cu基催化剂载体的研究现状,重点综述了ZnO、ZrO2、CeO2、TiO2这4种具有氧空位的载体,并简单总结了SiO2、Al2O3、Zn-Zr、Ce-Zr、钙钛矿等其他氧化物载体。Cu与ZnO之间的强金属相互作用(SMSI)所形成的Cu/ZnOx是主要的活性位点,对其微观结构与反应机理研究得较为充分;对Cu/ZrO2的研究主要集中在ZrO2晶相的影响,不同的研究者所获得的结论尚存在争议;对Cu/CeO2的机理研究停留在反向CeO2/Cu(111)模型表面,负载型催化剂上不同晶面的CeO2与Cu的相互作用强度不同,并影响反应性能;Cu/TiO2中TiO2的影响因素较多,如晶型、晶面等,目前对其研究尚不全面。最后,本文分析并展望了CO2加氢制甲醇催化剂载体的研究方向,未来将采用与实际催化剂一致的正向模型表面进行基础研究,并基于原位表征手段对反应过程中催化剂的结构变化进行探索,最终设计高效、低成本的多元复合物载体的Cu基催化剂。

    甘油直接制备丙烯醇的催化剂和反应工艺研究进展
    侯珏, 李春虎
    化工进展. 2020, 39(7):  2648-2655.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1738
    摘要 ( 269 )   HTML ( 10 )   PDF (1401KB) ( 167 )  
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    丙烯醇是一种十分重要的中间体和化学原料。近年来,以甘油为原料直接制备丙烯醇的研究引起了许多科学家的关注。本文参考了最近十年来发表的文献,详细介绍了均相甲酸诱导的甘油脱氧脱水反应、催化剂作用下的甘油脱氧脱水反应、液固相甘油氢解反应和气固相甘油氢转移反应等过程制备丙烯醇的相关工艺、反应机理和催化剂的研究进展及发展趋势,并对比了上述工艺的优缺点。其中,均相甲酸诱导的甘油脱氧脱水工艺比较成熟,已经在实验室中得到验证和应用,但是甲酸的消耗量大,整个过程的原子经济性很差。 甘油脱氧脱水反应和液固相甘油氢解反应不仅需要采用价格昂贵的铼基催化剂,而且丙烯醇的选择性较低。 铁基催化剂作用下的气固相甘油氢转移反应制备丙烯醇,由于催化剂的价格低廉、制备工艺简单、产品分离容易等优势而备受关注,是最近五年的研究热点。在文献基础上,认为今后研究应该重点关注催化剂的酸碱性、氢转移能力及其与速率控制步骤的匹配,并有针对性地对催化剂进行优化和改进。

    铜吡啶配合物催化合成1-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-醇
    刘俊宏, 吴鸿志, 杨晶巍, 王少娟, 唐林生
    化工进展. 2020, 39(7):  2656-2661.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1539
    摘要 ( 130 )   HTML ( 2 )   PDF (1102KB) ( 77 )  
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    目前1-烷氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶基化合物的合成主要是以醛酮法为主。醇法合成虽然醇价格便宜,但合成效率很低。为解决这一问题,本文对醇法合成工艺进行了深入探讨,并以乙醇和4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(ZJ-701)为原料,30%过氧化氢为氧化剂,氯化铜和吡啶配合物为催化剂,通过氧化和自由基偶合合成了1-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-醇,通过红外光谱、核磁共振谱和质谱表征了其结构。通过实验进一步优化了反应时间、温度等一系列合成条件。研究结果表明:当反应时间为12h,反应温度为78℃,n(ZJ-701)∶n(乙醇)∶n(H2O2)∶n(CuCl2)∶n(吡啶)=1∶39.25∶17.01∶0.034∶0.36时,产品产率最高,为60.6%,质量分数为98.8%,熔点为87~90℃。该方法具有原料乙醇便宜易得、反应条件温和、产品提纯容易等优点。

    CeO2含量对柴油机商用稀土SCR催化剂脱硝性能的影响
    王艳, 李兆强, 张丞, 王雨, 樊蓉蓉, 丁智勇, 郭欣, 王荣
    化工进展. 2020, 39(7):  2662-2669.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1584
    摘要 ( 158 )   HTML ( 9 )   PDF (2597KB) ( 78 )  
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    考察了不同CeO2含量对柴油机商用稀土选择性催化还原(SCR)催化剂NH3-SCR性能的影响。通过X射线衍射、N2吸附-脱附、X射线光电子能谱、H2-程序升温还原和NH3-程序升温脱附等表征手段对催化剂的结构及性能进行了研究。研究发现,CeO2含量对催化剂的晶体结构没有影响,添加后促进了稀土催化剂表面SiO2的分散,从而对催化剂的脱硝性能及水热老化性能产生影响;CeO2含量影响催化剂的织构性质,较大的孔体积和适当的比表面有利于催化剂水热老化后催化剂的脱硝性能的提高;随着CeO2含量从14%增加到20%,其表面Ce含量呈先降低后升高的趋势,其中Ce4+含量与催化剂的水热老化后催化剂的脱硝性能成正相关;CeO2含量的增加会阻碍稀土催化剂中其他组分的还原或增加其热稳定性,从而影响催化剂的还原能力和酸性位数量;通过脱硝性能测试,稀土催化剂中CeO2的最佳含量为16%。

    KF改性MgAl水滑石催化酯交换合成碳酸乙烯酯
    王军, 赵妍, 邹欣, 柳娜, 许杰, 薛冰
    化工进展. 2020, 39(7):  2670-2676.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1657
    摘要 ( 187 )   HTML ( 14 )   PDF (2392KB) ( 115 )  
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    通过简单的共沉淀法制备了MgAl水滑石(Mg3Al1-LDH)。随后通过超声法成功合成了KF负载的Mg3Al1-LDH(KF/Mg3Al1-LDH)前体,并在450℃下煅烧5h,得到一系列KF/Mg3Al1-LDO催化剂。使用X射线衍射、热重、红外光谱、N2-吸脱附、CO2-程序升温脱附对所制备的催化剂进行表征。表征结果显示样品具有典型的水滑石结构、较好的热稳定性和较高的碱强度。以KF-Mg3Al1-LDO作为催化剂用于碳酸二甲酯(DMC)和乙二醇(EG)酯交换合成碳酸乙烯酯(EC)的反应中,考察了反应工艺条件对催化性能的影响。KF/Mg3Al1-LDO催化剂表现出良好的催化性能。在酯醇摩尔比为1∶1、催化剂用量占DMC质量2%、反应温度为100℃、反应时间为4h的条件下,EC收率达到最高(54%)。催化剂可循环使用5次以上而催化活性没有显著下降。

    材料科学与技术
    SnO2-C复合负极材料的维度设计用于锂、钠离子电池
    魏润宏, 徐汝辉, 胡学军, 张克宇, 张业男, 梁风, 姚耀春
    化工进展. 2020, 39(7):  2677-2686.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1536
    摘要 ( 182 )   HTML ( 9 )   PDF (1886KB) ( 109 )  
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    新能源汽车的高速发展,对电池材料的能量密度提出了更高的要求。SnO2-C复合材料因比容量高、倍率性能好、资源丰富、价格低廉等优点而被视为下一代锂、钠离子电池最有潜力的负极材料之一。基于SnO2-C复合材料的尺寸变化和尺寸复合方式,本文对SnO2-C复合材料进行了分类,并且详细综述了SnO2-C复合材料的最新代表性进展,重点涉及尺寸设计公式以及由此产生的协同效应和提高性能的潜力。最后,讨论了该领域未来的发展方向和前景,鉴于协同效应的优良体现,以后该研究将偏于多重复合方向,同时会探索出简单、环保、廉价的合成工艺,不断向商品化的方向靠近。其概念和策略对实际锂离子、钠离子电池金属氧化物-C复合材料的合理设计和可扩展构造提供了一些依据。

    高温相变材料胶囊化及应用研究进展
    鲍家明, 邹得球, 朱思贤, 贺瑞军, 吴锦飞, 陈颍
    化工进展. 2020, 39(7):  2687-2697.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1540
    摘要 ( 197 )   HTML ( 9 )   PDF (4215KB) ( 173 )  
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    高温相变材料因具有较高的相变温度,且单位体积的潜热值较大,将其胶囊化用于高温领域(>120℃)具有较大的应用前景。本文介绍了高温相变材料的种类及其胶囊化技术,对不同类型的高温相变胶囊制备方法进行了阐述。指出了目前高温相变胶囊制备过程中存在的问题,如金属大胶囊的芯材与壁材的相容性、微/纳胶囊易破碎等。重点论述了溶胶-凝胶法、水热法制备高温相变微/纳胶囊过程中囊壁材料、热处理温度等对胶囊性能的影响。针对上述因素引起的胶囊热循环性能差、过冷大等问题,提出了解决方案。最后阐述了高温相变胶囊的相关应用情况,并提出未来在寻找与芯材相容性好的壁材、优化微/纳胶囊制备方式、抑制胶囊过冷等方面需要进一步探索。

    基于“蛋盒”结构高电化学性能活性炭的制备
    李诗杰, 郭常敏, 陈学聪, 王陆航, 樊泽乾, 范文涵
    化工进展. 2020, 39(7):  2698-2705.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1213
    摘要 ( 156 )   HTML ( 4 )   PDF (2075KB) ( 126 )  
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    与陆生植物不同,海藻中通常含有大量的海藻酸和海藻酸盐,其中海藻酸盐主要以海藻酸钙、海藻酸镁等形式存在于细胞壁中。本文利用海带中海藻酸钙的“蛋盒”式结构,对海带炭化产物进行盐酸酸洗处理,除去海藻酸钙中的钙离子,形成“蛋盒”式初始孔结构,然后采用KOH活化法制备海带基活性炭,研究海带基活性炭的孔结构特性以及电化学性能。实验结果表明:基于“蛋盒”结构制备的海带基活性炭拥有丰富的孔隙结构,其比表面积高达3027m2/g,其中73.3%由中孔比表面积提供,且中孔孔径分布比较集中,几乎全部分布在2~10nm。海带基活性炭在碱性电解液中展现出优秀的电化学性能,当电流密度为0.1A/g时,其比电容高达366F/g,即使在电流密度为10A/g的条件下,活性炭比电容仍然高达329F/g,显示出良好的比电容性能和倍率性能。

    三唑酮分子印迹纳米球的制备及应用
    李子怡, 李志君, 顾丽莉, 师君丽, 陈昱安, 韩毅, 佟振浩, 孔光辉
    化工进展. 2020, 39(7):  2706-2714.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1538
    摘要 ( 153 )   HTML ( 10 )   PDF (1857KB) ( 58 )  
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    建立了烟叶中8种三唑类杀菌剂残留的分子印迹固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱(MISPE-UPLC-MS/MS)检测方法。实验中,运用计算机模拟技术筛选最佳功能单体及溶剂,并确定最优聚合反应配比,估算了TDF-MAA的自组装过程与红外光谱图,热力学分析表明TDF-MAA自组装为吸热非自发过程,预聚合反应温度拟定为30℃;采用沉淀聚合法制备了三唑酮分子印迹聚合物纳米颗粒,颗粒粒径分布均匀,平均粒径为200nm;该纳米颗粒对模板分子及其结构类似物具有良好的特异性吸附能力,针对模板分子的分离印迹因子达到2.42;将加标烟叶样品经该纳米颗粒组装的固相萃取柱进行前处理,用UPLC-MS/MS分析前处理液,烟叶中8种三唑类杀菌剂的固相萃取回收率为70.14%~105.43%,检出限为4.82~11.97ng/mL,相对标准偏差(RSD)为0.26%~2.27% (n=6),实现了复杂基质烟叶中多种三唑类杀菌剂的同时检测。

    有机溶剂纳滤膜的润湿性对渗透和分离性能的影响
    刘紫洋, 秦振平, 崔素萍, 贾萌萌, 安全福, 王乃鑫, 刘燕, 郭红霞
    化工进展. 2020, 39(7):  2715-2723.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1545
    摘要 ( 288 )   HTML ( 8 )   PDF (3640KB) ( 172 )  
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    有机溶剂纳滤是一种绿色、高效、节能的新型膜分离技术,在回收和处理有机溶剂中具有广泛的应用前景。本文采用浸渍法分别将聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)、嵌段聚醚酰胺(PEBAX2533)和聚乙烯醇(PVA)与聚砜(PS)超滤基膜复合,制备了3种不同润湿性的聚合物耐溶剂纳滤膜,研究了PDMS/PS、PEBAX/PS和PVA/PS复合膜对甲醇、乙醇、异丙醇、正己烷、正庚烷的渗透性能,考察了3种聚合物膜对伊文思蓝/甲醇溶液的有机溶剂纳滤性能。结果表明,有机溶剂在不同润湿性复合膜的渗透和传递性能与溶剂本身的溶度参数、分子量、黏度和极性等有很密切的相关性,溶剂的分子量、黏度、分子动力学直径越小,在同一极性复合膜中渗透通量越大;对伊文思蓝/甲醇溶液的有机溶剂纳滤分离表明,PDMS/PS和PEBAX/PS复合膜的截留率均可达90%以上,通量分别为 58.0L/(m2·h·MPa)和72.2L/(m2·h·MPa);PVA/PS复合膜的截留率为85.1%左右,通量为57.5L/(m2·h·MPa)。

    萘沥青及热转化产物的性质和结构表征
    洪海球, 邓宋, 赖仕全, 岳莉, 赵雪飞
    化工进展. 2020, 39(7):  2724-2733.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1556
    摘要 ( 169 )   HTML ( 6 )   PDF (5458KB) ( 74 )  
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    以萘为原料,5%、10%、20%质量分数AlCl3为催化剂,采用自升压法制备了3种萘沥青(NP-5%、NP-10%、NP-20%),对其进行了工业分析、FTIR、GPC以及TG/DTG表征,并且利用PLM、SEM、Raman和XRD等手段对其中间相热转化产物(MNP-4h、MNP-4.5h、MNP-6h)和炭化产物(CNP-5%、CNP-10%、CNP-20%)的微观结构进行了研究。结果表明,3种萘沥青的收率都在80%以上,其分子量分布在147~3940范围内,质均分子量都为255左右;3种萘沥青的芳香性指数(Iar)分别为0.05、0.27、0.36,支链化指数(CH3/CH2)分别为0.65、0.06、0.02,在750℃的残炭率分别为27%、31%、30%。PLM观察发现,3种中间相热转化产物的显微结构分别为中间相小球体、中间相纺锤状以及纤维状结构。从MNP-4h中可萃取得到产率为8%的中间相小球,其表面光滑、粒径均匀,直径在5~7μm。Raman分析表明,3种中间相热转化产物的IG/Iall分别为15%、17%、30%,说明延长热转化时间,可增加产物碳微晶的规整性。3种炭化产物的显微结构都以镶嵌结构为主,其碳微晶层间距都为0.35nm,而CNP-5%具有最大的微晶尺寸。

    碳球@纳米片状钴镍金属氧化物核壳型复合材料的制备及其电化学性能
    冯艳艳, 李彦杰, 杨文, 牛潇迪
    化工进展. 2020, 39(7):  2734-2741.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1565
    摘要 ( 164 )   HTML ( 8 )   PDF (3258KB) ( 95 )  
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    以葡萄糖为碳源,采用水热炭化法制备碳球,然后以氯化钴和氯化镍为钴源和镍源,六次甲基四胺为沉淀剂,采用水热法和高温处理合成一种核壳结构的碳球@钴镍金属氧化物纳米复合材料,并研究其作为超级电容器电极材料的储能性能。借助X射线衍射、扫描电镜和低温氮气吸附/脱附等对材料的形貌和结构进行表征。采用循环伏安、恒电流充放电及交流阻抗等对材料的电化学性能进行研究。结果表明:碳球的加入能有效改善钴镍金属氧化物的分散性,同时降低材料的电子转移阻力,进而提高其电化学性能。当电流密度为1A/g时,所得碳球@钴镍金属氧化物核壳型复合材料的比电容为984.8F/g;当电流密度增大10倍(10A/g)时,仍保留86.3%的初始比电容值。当电流密度为15A/g时,经过2000次恒电流充放电后复合材料的比电容量保持率为94.6%,体现出较好的循环稳定性能。

    软模板法石墨烯气凝胶的可控制备及其吸油性能
    刁帅, 刘会娥, 陈爽, 于安然, 许文龙, 张广智
    化工进展. 2020, 39(7):  2742-2750.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1571
    摘要 ( 169 )   HTML ( 5 )   PDF (4623KB) ( 128 )  
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    以环己烷为油相,氧化石墨烯(GO)为稳定剂,采用Pickering乳液法制备石墨烯气凝胶,利用电子显微镜对Pickering乳液进行表征,利用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)对制得的石墨烯气凝胶进行表征。对比Pickering乳液的液滴大小与气凝胶的孔径大小可知,通过软模板法实现了对气凝胶的孔径控制,通过控制均质机的转速来调控气凝胶的孔径大小,当均质机转速分别为10000r/min、12000r/min和15000r/min时,所得石墨烯气凝胶的孔径分别为45μm、35μm和30μm左右,通过调节油水比实现了气凝胶的密度与孔隙率的控制,油水比越大,所得气凝胶的密度越小,孔隙率越大,通过延长还原时间可增强石墨烯气凝胶的机械性能。将所得气凝胶用于油品的吸附,可快速吸附水上浮油及水底重油,而且几乎不吸附水;对同一油品而言,气凝胶的吸附能力与其制备时的油水比呈正相关,采用挤压的方式实现石墨烯气凝胶的循环利用,经过10次循环再生后气凝胶的吸附能力仅有15%的损失。

    磺化聚苯并咪唑/膦酸改性氧化石墨烯质子交换复合膜的制备及性能
    张琪, 张奎, 钟璟, 徐荣
    化工进展. 2020, 39(7):  2751-2757.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1573
    摘要 ( 159 )   HTML ( 4 )   PDF (2751KB) ( 65 )  
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    通过胺基膦酸化法改性氧化石墨烯(GO)合成接枝有膦酸基团和磺酸基团的膦酸改性氧化石墨烯(MGO),热重分析表明MGO具有良好的热稳定性。通过原位聚合法将MGO掺杂到磺化聚苯并咪唑(SPBI)中,成功制备了SPBI/MGO质子交换复合膜。SEM表明膜表面致密,MGO的加入使断面出现片状结构。SPBI/MGO-1%复合膜的酸掺杂率最高达到248.8%,MGO的掺杂提高了复合膜的热稳定性。复合膜的干膜拉伸强度相对于Nafion117膜(26.65MPa)提高了36%,SPBI/MGO-1%的湿膜的拉伸强度达到69.46MPa,相较于SPBI膜提高了41.2%,复合膜具有较高的力学性能。SPBI/MGO复合膜的质子电导率随着MGO含量增加而逐渐增加,SPBI/MGO-1%复合膜在10%RH和160℃条件下质子电导率达到0.193S/cm,在高温低湿的质子交换膜燃料电池中有较高的应用前景。

    膨胀石墨/有机质复合相变材料的制备及性能
    徐众, 侯静, 李军, 吴恩辉, 黄平, 刘黔蜀, 胥大伟
    化工进展. 2020, 39(7):  2758-2767.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1610
    摘要 ( 197 )   HTML ( 6 )   PDF (3574KB) ( 99 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    以膨胀石墨为支撑材料,石蜡、十六酸和硬脂酸为相变主材,采用熔融共混法制备复合相变材料,并对材料的热-电性能进行测试分析。结果表明,在3种有机质中分别添加7%、9%和11%的膨胀石墨,并在4MPa下压制成型,分别在65℃、70℃和75℃的烘箱中充热30min,有机质均未出现泄漏;相比3种纯有机质,复合相变材料的充热时间分别缩短32s、622s和231s,其放热时间分别缩短1040s、1327s和1311s。充热时复合材料的升温速率比固态下的纯有机质快,放热时复合材料全过程都比纯有机质降温速率快;经过60次热循环之后质量损失率均小于0.05%;成型后的复合材料充热时,温度场分布均比纯有机质均匀,放热时温度场分布基本一致,但成型对复合材料的温升有所抑制;复合材料的热导率分别比对应的有机质提高10.12~11.19倍、9.00~15.50倍和5.58~6.76倍;在2~8MPa时,复合材料的电阻率分别在0.092~0.150Ω·cm、0.058~0.146Ω·cm和0.020~0.041 Ω·cm之间,均小于1Ω·cm,说明制备的复合相变材料具有良好的热-电性能。

    利用KH560和纳米SiO2采用“一步法”反应挤出增黏PET
    胡肖霞, 王亮, 冯杰
    化工进展. 2020, 39(7):  2768-2774.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1621
    摘要 ( 183 )   HTML ( 2 )   PDF (1689KB) ( 121 )  
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    以KH560(3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷)和纳米SiO2颗粒复配作为扩链剂,采用“一步法”反应挤出增黏聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。KH560和SiO2的添加量均为PET质量分数的2.5%时,增黏效果最好。并且在PET不干燥的情况下,KH560和SiO2复配也可增加PET的黏度,可用作PET的扩链剂和防水解剂。经透射电镜观察,发现SiO2在PET中的分散状况良好。用FTIR研究了KH560、SiO2、PET三者之间的反应机理。用TGA分析了SiO2的接枝率,发现接枝率高达72.0%。用DSC对PET/纳米SiO2复合材料的结晶行为进行了研究,并讨论了结晶行为对力学性能的影响。当KH560和SiO2的添加量均为PET质量分数的2.5%时,结晶度最低,综合力学性能最好。

    阳离子型聚丙烯酰胺对含超细氢氧化镁浆料过滤性能的影响
    曹俊雅, 宋昱霖, 孙振华, 李少鹏, 李会泉
    化工进展. 2020, 39(7):  2775-2781.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1631
    摘要 ( 190 )   HTML ( 7 )   PDF (1893KB) ( 135 )  
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    为解决超细氢氧化镁颗粒细、易团聚导致的难过滤问题,本文考察了添加剂种类对含超细氢氧化镁浆料过滤性能的影响,系统研究了阳离子型聚丙烯酰胺加入方式、添加剂用量比、反应温度、反应时间和搅拌速率等因素对过滤速率的影响,采用X射线衍射仪(XRD)、热场发射扫描电子显微镜(SEM)对反应过程中得到的氢氧化镁晶体结构、形貌、粒度等进行表征分析,结合傅里叶红外光谱仪(FTIR)探究了聚丙烯酰胺分子与氢氧化镁晶体的结合机制,总结了阳离子型聚丙烯酰胺提高含超细氢氧化镁浆料过滤性能的机理。结果表明:阳离子聚丙烯酰胺的添加量为理论氢氧化镁质量的0.7%,反应温度60℃,搅拌速率250r/min,超细氢氧化镁浆料的过滤速率最大为545mL/(m2·s),体系黏度最低为8.64mPa·s,氢氧化镁的平均粒径为138nm。过滤性能提高的机理为:阳离子聚丙烯酰胺中的酰胺基团与氢氧化镁分子中的羟基通过吸附架桥方式结合形成长链分子,使氢氧化镁颗粒之间分散性提高,减少相互间的团聚,提高整体过滤速率。

    醇酸树脂微胶囊的制备及环氧涂层自修复性能
    雷瑞, 马养民, 杨秀芳
    化工进展. 2020, 39(7):  2782-2787.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1669
    摘要 ( 153 )   HTML ( 2 )   PDF (1579KB) ( 66 )  
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    采用三聚氰胺-脲醛树脂(MUF)为壁材、合成的花椒籽油醇酸树脂为芯材,原位聚合法制备自修复微胶囊,探讨了微胶囊的制备工艺。并采用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TGA)和粒径分析仪对微胶囊的表面形貌、化学结构、热稳定性及其粒径分布进行了测试表征。将醇酸树脂微胶囊分散到环氧基体中,研究了环氧涂层的力学性能和自修复性能。实验结果表明,当乳化剂浓度为2.0g/L、芯壁比为2∶1、终点pH为3.5时,微胶囊呈球形结构,无明显的缺陷和损伤,平均粒径为97.44μm,热稳定性良好。当添加质量分数5%的微胶囊时,与未添加微胶囊的自修复涂层相比,其弯曲强度、拉伸强度、黏结强度及其冲击强度分别提高了50.4%、50.0%、40.0%及25.2%,且涂层的自修复性能良好。

    生物与医药化工
    盖子环替换及定点突变提高菜豆环氧化物水解酶对邻甲基苯基缩水甘油醚的催化性能
    章晨, 朱秀秀, 李闯, 邬敏辰
    化工进展. 2020, 39(7):  2788-2794.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1727
    摘要 ( 155 )   HTML ( 2 )   PDF (2204KB) ( 54 )  
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    菜豆环氧化物水解酶1和2(PvEH1、PvEH2)能够动力学拆分外消旋邻甲基苯基缩水甘油醚(rac-oMGE),从而保留(R)-oMGE。基于对PvEH1和PvEH2结构的同源模拟和分析,发现二者分子中的盖子环差异较大,故本文选择盖子环作为研究目标。经融合聚合酶链式反应(FPCR),获得了PvEH2的盖子环区域被PvEH1对应区域替换的杂合酶Pv2Pv1。用全细胞酶E. coli/pv2pv1催化rac-oMGE,当(S)-oMGE刚好水解完全时,产物(S)-3-邻甲苯基-1,2-丙二醇((S)-oTPD)的eepPvEH2的58.3%提高至75.5%。为进一步提高酶的性质,在Pv2Pv1中选取11个氨基酸位点进行丙氨酸(A)突变,获得最优突变子E. coli/pv2pv1K176A,活性为E. coli/pv2pv1(4.2U/g)的2.1倍,且当S构型的底物刚好完全水解时,(S)-oTPD的eep进一步提高为80.3%。分子对接分析发现,盖子环替换和K176位点突变为A,均使(R)-oMGE环氧环中的Cα更易受到酶中D101位点的攻击。利用E. coli/pv2pv1K176A催化150mmol/L rac-oMGE水解制备(R)-oMGE(ees>99%)和(S)-oTPD(eep=80.4%),二者的产率YSYP分别为32.7%和60.1%,时空产率STYS和STYP为1.6g/(L·h)和3.3g/(L·h)。本实验为改善EH的催化性质提供了一种有效策略。

    静电纺丝法制备ZnO构建酪氨酸酶生物传感器检测邻苯二酚
    李纯, 孙丽霞, 孙建华, 周利琴, 徐大鹏, 张友全, 廖丹葵
    化工进展. 2020, 39(7):  2795-2801.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1746
    摘要 ( 203 )   HTML ( 6 )   PDF (4221KB) ( 94 )  
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    电化学生物传感器在环境监测、生物与食品分析等领域应用广泛。本文采用静电纺丝法制备了氧化锌微纳米纤维材料,并负载酪氨酸酶(Tyr)构建了检测邻苯二酚的生物传感电极。利用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)表征了氧化锌微纳米纤维的形貌结构,采用循环伏安法(CV)和计时电流法(IT)优化了检测邻苯二酚的工作条件。结果表明,制备的Tyr/ZnO/CS/GCE生物传感电极具有良好的电化学性能,在反应过程中为扩散控制,对邻苯二酚的检测在5~50μmol/L的浓度范围内具有较好的线性关系,最低检测限为1.9041μmol/L,灵敏度为376.31μA/(mmol·L·cm2),氧化锌的加入可增强酪氨酸酶的稳定性,在尿素、多巴胺和葡萄糖3种电化学活性相近物质存在的情况下仍对邻苯二酚的检测有较好的选择性,且具有良好的循环稳定性。

    精细化工
    离子液体介质中OSAS的制备与表征及乳化性质分析
    何强, 石海信, 王爱荣, 王梓民, 爨珊珊, 王锋
    化工进展. 2020, 39(7):  2802-2809.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1218
    摘要 ( 146 )   HTML ( 2 )   PDF (2135KB) ( 73 )  
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    以玉米淀粉(CS)为原料,辛烯基琥珀酸酐(OSA)为酯化剂,在无催化剂条件下,在1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑离子液体(AMIMCl)介质中,通过均相酯化反应制备辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)。利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重-红外联用仪(TGA-FTIR)、凝胶渗透色谱(GPC)和偏光显微镜(POM)对产物结构、热特性、相对分子质量及乳化性质进行分析。结果表明,制备OSAS的较佳工艺条件为:时间2h,温度90℃,淀粉质量分数6%,OSA与淀粉脱水葡萄糖单元(AGU)摩尔比可根据所需产品的取代度在0.03~0.24范围内选取。FTIR分析表明,CS已成功发生了酯化反应;XRD与SEM证明所得OSAS为无定形形态的细小颗粒聚结物;TGA-FTIR测试表明,在氮气环境中,OSAS中所接入的辛烯基琥珀酸酯基团能稳定至200℃;GPC与POM证明AMIMCl介质中制备的OSAS是优良的大分子乳化剂。

    季铵型改性壳聚糖的制备及其在兔毛织物抗菌整理中的应用
    张毅, 姜迎雪, 张昊
    化工进展. 2020, 39(7):  2810-2816.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1752
    摘要 ( 153 )   HTML ( 2 )   PDF (1950KB) ( 77 )  
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    以三乙胺和环氧氯丙烷为原料,合成醚化剂3-氯-2-羟丙基三乙基氯化铵。以甲壳素为原料通过醚化反应合成了季铵型甲壳素(CCT),再经脱乙酰得到季铵型阳离子改性壳聚糖(CCTS)。采用红外光谱(FTIR)、核磁碳谱(13C NMR)对其化学结构进行了表征,运用黏度法和分光光度法测定了黏均分子量和溶解性等理化性能。采用最小抑菌法对CCTS的抗菌活性进行了测定,得到其对大肠杆菌的最低有效抑菌浓度(MIC)为0.2g/L,优于天然壳聚糖的MIC值。以柠檬酸为交联剂、次磷酸钠为催化剂,用CCTS对兔毛织物进行抑菌整理,考察织物经整理的抑菌效果和耐洗性。经5次洗涤后结果表明,CCTS对大肠杆菌的抑菌率达99.9%以上,抑菌率高于CCT和天然壳聚糖,是一种针对动物毛织物良好的天然高分子长效抑菌整理剂。

    资源与环境化工
    FeS/过硫酸盐体系元素价态转化及其降解有机物机制
    钱思佳, 蒲生彦, 杨顺美
    化工进展. 2020, 39(7):  2817-2827.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1605
    摘要 ( 213 )   HTML ( 2 )   PDF (1474KB) ( 178 )  
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    由于FeS表面的还原性Fe(Ⅱ)和S(-Ⅱ)都可以作为电子供体,可有效促进有机化合物的还原转化与过硫酸盐的活化,FeS活化过硫酸盐体系在土壤地下水有机污染原位修复中显示出巨大的应用发展潜力。本文综述了FeS活化过硫酸盐产生活性自由基的内在机理及影响体系反应效率的关键因素;总结了活化过程中FeS表面元素转化机制和转化提高途径;较系统地梳理了FeS活化过硫酸盐体系对卤代烃、石油烃、多环芳烃类复杂有机化合物的降解过程机制。最后对研究中存在的问题及在场地污染修复应用中应重点关注的问题进行了展望,应重视修复中产生的过硫酸根、硫酸根及降解中间产物对环境的影响,在实际应用中需要根据不同的环境条件评估FeS/过硫酸盐体系的有效性,并且制定不同的修复策略。

    废旧三元锂离子电池回收技术研究新进展
    张英杰, 宁培超, 杨轩, 董鹏, 林艳, 孟奇
    化工进展. 2020, 39(7):  2828-2840.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1666
    摘要 ( 605 )   HTML ( 36 )   PDF (1543KB) ( 543 )  
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    随着锂离子电池产业的发展,退役三元锂离子电池带来的环境污染和资源浪费问题日益严重。数量庞大的废旧三元锂电池材料蕴含丰富的锂、镍、钴等有价元素,潜在资源量巨大,回收经济价值高,系统地开展废旧三元锂电池材料的回收及再生技术,将有助于防治废旧电池污染、缓解镍钴锂资源短缺压力,促进我国锂电池产业的良性发展。本文介绍了废旧三元锂离子电池中正极、负极材料、电解液回收的研究现状,主要包括正极材料的预处理、酸浸、碱浸出与材料再生、石墨和铜箔回收、电解液回收,着重介绍现阶段材料的制备方法和工艺,简要比较了各种工艺路线的优缺点,探讨了当前废旧三元锂离子电池回收存在的关键共性问题,并提出绿色环保、短流程、低成本、自动化的废旧三元锂离子电池回收利用发展思路。

    电吸附用于微污染水处理:技术选择、工艺原理、未来发展
    马双忱, 刘畅, 马岚, 孙尧, 许勇毅, 王峰, 杨定畅, 邢浩若
    化工进展. 2020, 39(7):  2841-2849.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1628
    摘要 ( 210 )   HTML ( 7 )   PDF (2088KB) ( 183 )  
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    我国是工业用水大户,微污染水作为工业用水的主要组成部分,对其回收再利用对于水资源节约具有深远意义。本文详细介绍了微污染水的概念、微污染水传统水处理方法以及电吸附在微污染水中处理中的应用,对比了电吸附水处理技术的优缺点,结合微污染水处理特点分析了电吸附技术发展趋势。指出电吸附技术作为一种新型的水处理技术,具有能耗低、操作方便、维护简单、去除效果良好等优点,在微污染水脱盐领域具有较大的发展空间,特别是在水资源回用方面具有广阔的应用前景。虽然,电吸附技术在微污染水处理领域已经有了部分应用,但仍旧存在着一些不可忽视的问题。为此,本文指出研发抗污染、高通量的膜材料,利用绿色高效的电吸附技术实现不同水处理技术的集成优化,是微污染水处理的技术方向。

    硝态氮/亚硝态型厌氧甲烷氧化在污染控制中的应用进展与探索
    卢培利, 王学文, 丁阿强, 李微薇, 熊敏, 张代钧
    化工进展. 2020, 39(7):  2850-2857.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1629
    摘要 ( 157 )   HTML ( 2 )   PDF (1573KB) ( 104 )  
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    硝态氮/亚硝态型厌氧甲烷氧化(NOx-DAMO)过程在还原硝酸盐/亚硝酸盐的同时将甲烷氧化为二氧化碳,在全球碳氮循环中起着重要作用。从应用的角度看,利用NOx-DAMO原理进行环境中甲烷和氮素污染控制也值得关注。本文介绍了在MBR和MBfR等反应器中应用NOx-DAMO过程单独或与其他工艺联合处理模拟废水和实际废水的研究中,污染物去除速率和效率显示出了工程实用价值。指出基于NOx-DAMO原理开发垃圾渗滤液和填埋气协同处理工艺、煤层气厌氧生物氧化工艺的研究值得探索,其可能为无规模利用价值的生活垃圾填埋气和煤层气的处理提供低成本和环境友好的解决方案。今后的研究方向应该是在继续深入NOx-DAMO微生物的生理特性研究的同时,需要面向不同应用需求广泛开展工艺开发与优化研究。

    弹性填料对ABR去除重金属及颗粒污泥的影响
    张超, 师旭军, 张国珍, 武福平, 晏雯雯, 黄星星
    化工进展. 2020, 39(7):  2858-2866.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1522
    摘要 ( 148 )   HTML ( 1 )   PDF (7718KB) ( 69 )  
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    为研究弹性填料对厌氧折流板反应器(ABR)去除重金属及颗粒污泥的影响,采用有弹性填料ABR和无弹性填料ABR进行对比。结果表明,弹性填料有利于提高ABR去除生活污水中的多数重金属;两组ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径沿着水流方向逐渐减小,但多介于0.75~1.25mm之间,有弹性填料ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径略小于无弹性填料ABR;通过扫描电镜发现,两组ABR第1隔室中的厌氧颗粒污泥表面含有大量的丝状菌,第2~4隔室中的厌氧颗粒污泥表面的丝状菌显著减少,但胞外聚合物的含量有所增加;与无弹性填料ABR相比,有弹性填料ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥表面的丝状菌有所减少;通过能谱仪元素分析发现,两组ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥表面最主要的元素为C、O和N,此外,还包括Na、Al、P、Ca、Fe、As、Hg和Pb等;与无弹性填料ABR相比,有弹性填料ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥表面的重金属元素含量有所减少。

    Fe3O4改性水热炭活化过硫酸钠降解罗丹明B
    张凯, 韦秀丽, 王冰, 蒋滔, 刘科
    化工进展. 2020, 39(7):  2867-2875.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1550
    摘要 ( 214 )   HTML ( 6 )   PDF (2629KB) ( 110 )  
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    通过微波水热法,以沼渣为原料,合成了Fe3O4改性微波水热炭,研究了Fe3O4掺杂量对水热反应进程及反应产物的影响。为拓展水热产物的应用范围,以罗丹明B(RhB)为对象,评价改性水热炭对过硫酸钠的活化能力。结果表明,微波加热功率为400W、Fe3O4制备量为水热炭质量的20%时,反应体系14min左右即达到设定温度(200℃),较无Fe3O4条件下反应时间(27min左右)缩短了48.1%,体系压强增加了27.8%。改性水热炭添加量为0.16g、反应时间140min、溶液初始pH为6.7、过硫酸钠投加量为0.1g时,体积为150mL、浓度为40mg/L的RhB降解率可达94.6%,是水热炭单独作用时的3.3倍,过硫酸钠单独作用时的3.9倍。在反应体系中以硫酸根自由基(?SO42-)的作用为主,羟基自由基(·OH)和超氧负离子(?O2-)为辅。改性水热炭具有良好的超顺磁性和稳定性。

    原位固氮剂在污泥堆肥过程中保氮机制
    李云蓓, 刘婷婷, 姜继韶, 吕景花
    化工进展. 2020, 39(7):  2876-2883.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1563
    摘要 ( 138 )   HTML ( 2 )   PDF (2554KB) ( 99 )  
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    高温好氧堆肥技术虽然可有效处理有机固体废物,但常常会释放大量的氨气和造成氮素损失。本文以硫酸镁、磷酸二氢钾、硫酸镁+磷酸二氢钾(分别记为MgSO4、KP和KPM处理组)为原位固氮剂,污泥和木屑为原料,进行高温好氧堆肥试验,研究以上原位固氮剂对污泥堆肥过程中的氨气挥发和氮素损失的影响。结果表明,硫酸镁(MgSO4)对物料pH有显著的降低效应,添加硫酸镁使堆体高温期pH降低至8.17,低于硫酸镁+磷酸二氢钾(KPM)组(8.55)和对照(CK)组(8.90)。与CK相比,MgSO4和KPM的NH3累积释放量分别降低了34%和28%,反而KP组增加了35%。对比不同条件下XRD图谱可知,MgSO4的固氮效应并不是由于MgNH4PO4·6H2O的生成,而是由于其对pH的降低效应造成的。堆肥结束后,除了KP组,各处理条件下的种子发芽率值(germination index,GI)均不会对后续使用带来不利影响。

    耦合膜分离的新型CO2低温捕集系统性能优化
    田华, 孙瑞, 宋春风, 邓帅, 石凌峰, 康克, 舒歌群
    化工进展. 2020, 39(7):  2884-2892.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1579
    摘要 ( 164 )   HTML ( 7 )   PDF (2138KB) ( 96 )  
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    CO2捕集作为温室气体排放控制的有效手段已成为重要研究课题。作为新兴捕集技术之一,低温CO2捕集因产品纯度高、无附加污染等优势受到关注。然而,该技术能耗和捕集率对于气体中CO2浓度十分敏感,对于高CO2浓度气体可获得较高的CO2捕集率和较低能耗水平。基于此,本文提出了耦合膜分离的新型CO2低温捕集系统,通过膜材料选择渗透性实现待捕集气体CO2浓度主动调控,并在最优浓度下进行CO2低温捕集。首先基于不同传统低温捕集系统特点,对比分析了不同耦合系统模式,从而确定了最优耦合系统结构。针对最优耦合系统进行了运行参数优化,并分别基于实现系统捕集能耗最低与捕集率最高的目标,获得了膜渗透侧CO2浓度与进气CO2浓度间的关系式,为该耦合系统中膜组件选型提供指导。研究表明,本文提出的耦合系统捕集能耗为1.92MJ/kgCO2,相比于传统单一低温系统捕集能耗可降低16.5%。

    低温等离子体协同催化降解甲苯生成副产物臭氧的影响因素
    梁文俊, 孙慧频, 朱玉雪, 任思达
    化工进展. 2020, 39(7):  2893-2899.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1586
    摘要 ( 168 )   HTML ( 5 )   PDF (2248KB) ( 75 )  
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    低温等离子体协同催化降解甲苯过程中,在降解污染物的同时活性氧原子聚合生成臭氧。本文研究比较了不同催化剂、放电能量水平、催化段长度和气速条件下的臭氧浓度变化和甲苯降解情况,探究了低温等离子体协同催化降解甲苯过程中臭氧的生成情况。研究表明,将7.5% Mn/堇青石催化剂置于放电区时能有效抑制臭氧生成,促进甲苯降解,提高系统能效,臭氧最高浓度相比无催化剂时降低63.32mg/m3;而0.2%Pd-0.3%Ce/堇青石催化剂对甲苯降解和抑制臭氧的性能较差。随着系统能量水平的提高,甲苯降解率和臭氧生成浓度逐渐升高。臭氧生成浓度与催化段长度呈正相关关系,与气速的关系则相反。在不同的外加电压条件下,臭氧生成浓度呈先上升后下降的趋势,当外加电压为13kV条件时臭氧浓度最高,当电压升高至16kV时臭氧浓度降为零。

    溶解氧对生物滤柱中氨氮、铁、锰去除效果的影响
    能子礼超, 胡金朝, 邓雪梅, 曾景江, 钟林, 余茜茹, 江道澳
    化工进展. 2020, 39(7):  2900-2906.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1656
    摘要 ( 225 )   HTML ( 1 )   PDF (1493KB) ( 71 )  
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    为了研究溶解氧变化对生物滤柱中氨氮、铁、锰去除效果的影响,将进水溶解氧从约10.5mg/L逐步降到7mg/L,本文考察了氨氮、铁、锰的变化规律。结果表明:当溶解氧为约10.5mg/L时,出水氨氮、总铁、锰分别为0.050mg/L、0.065mg/L、0.022mg/L,氨氮、铁、锰分别主要在滤层的0~1.2m、0~0.4m、0~1.2m去除。当溶解氧降到约9mg/L、8mg/L、7mg/L时,出水总铁均低于0.1mg/L;出水锰先明显升高,后又降到了0.05mg/L以下;出水氨氮分别升高到0.17mg/L、0.41mg/L、0.61mg/L。溶解氧不足时,铁主要在溶解氧充足的上部滤层去除;锰氧化菌优先利用溶解氧氧化二价锰,并且锰的氧化速率没有明显降低;氨氮的氧化速率明显降低。生物滤柱可以在较低溶解氧条件下运行,从而降低运行成本。

    改性纳米纤维素对磷的动态吸附及再生
    袁林, 陈滢, 刘敏, 王婷庭
    化工进展. 2020, 39(7):  2907-2914.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2019-1757
    摘要 ( 178 )   HTML ( 4 )   PDF (2528KB) ( 72 )  
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    以铁改性纳米纤维素[Fe(OH)3@CNFs]为吸附剂进行动态吸附除磷试验,探究了不同柱高和不同流速对Fe(OH)3@CNFs吸附磷性能的影响。结果表明:吸附柱填充越高(6~16cm),进水流速越慢(5~10mL/min),吸附达到平衡所需时间越长,越有利于Fe(OH)3@CNFs对磷的动态吸附。采用NaOH溶液对吸附剂解吸进行原位再生,再生后吸附柱对磷的吸附量为原吸附柱的83%,表明Fe(OH)3@CNFs材料具有较好的再生能力。通过Yoon-Nelson模型计算吸附50%目标污染物所需的时间,拟合值与实验值的平均相对偏差在1.8%~6.9%之间,表明Yoon-Nelson模型能够很好地描述Fe(OH)3@CNFs材料对磷的动态吸附行为。使用红外光谱和X射线光电子能谱对吸附机理进行分析发现Fe(OH)3@CNFs材料对磷具有吸附能力,并且吸附后主要以FePO4和Fe2(HPO4)3的形式存在。利用吸附柱对生活污水处理厂二沉池出水进行动态吸附,在流速为10mL/min、填装高度为12cm的条件下,饱和时的吸附容量为34.5mg/g。