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本期目录
2021年 第40卷 第3期 刊出日期:2021-03-05
    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2021, 40(3):  0. 
    摘要 ( 220 )   PDF (5225KB) ( 149 )  
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    化工进展. 2021, 40(3):  0. 
    摘要 ( 9 )   PDF (330149KB) ( 807 )  
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    专栏:绿色生物制造
    加快推进绿色生物制造 助力实现“碳中和”
    谭天伟, 陈必强, 张会丽, 崔子恒
    化工进展. 2021, 40(3):  1137-1141.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0179
    摘要 ( 853 )   HTML ( 95 )   PDF (643KB) ( 975 )  
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    首先分别从全球新一轮科技革命和产业变革战略、我国化工制造模式变革、实现“碳中和”、实现农业工业化的角度,阐述了绿色生物制造的涵义与意义;其次,对我国生物制造产业发展现状、战略需求进行了分析,文章指出我国生物制造产业虽然起步较晚,但近年来发展迅速,在生物发酵、生物基产品和生物质能等领域形成了一定基础,但是核心层仍然存在短板,表现为关键核心技术和前瞻技术储备不足、核心装备研发落后、市场化程度低、竞争力不足;最后,文章对未来生物制造发展的重点方向与路径提出了相关建议,具体包括推进原料体系多元化战略、建立先进生物制造技术体系。文章指出加快从基因组到工业合成技术、装备突破,支撑生物基化学品、生物基材料、生物能源等重大产品的绿色生产,以生物制造推动“农业工业化、工业绿色化、产业国际化”,对于我国走新型工业化道路,实现财富绿色增长和社会经济可持续发展具有重大战略意义。

    立体选择性羰基还原酶及其在手性醇合成中的应用
    张晓健, 刘倩, 柳志强, 郑裕国
    化工进展. 2021, 40(3):  1142-1160.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2124
    摘要 ( 592 )   HTML ( 39 )   PDF (3623KB) ( 466 )  
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    手性醇是重要的医药中间体与精细化工品,立体选择性羰基还原酶催化制备手性醇具有重要的研究与应用价值,受到国内外科学家和工程师的高度关注。本文主要围绕羰基还原酶的发现与分类、催化羰基还原反应的活性与立体选择性机制、酶的筛选挖掘与分子改造技术、辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(磷酸)的再生方法、羰基还原酶催化合成手性醇医药中间体与精细化学品技术开发与应用等方面展开综述。重点阐述了羰基还原酶催化制备降血脂、抗细菌或病毒感染、抗肿瘤、抗抑郁症、抗癫痫等重要疾病治疗药物中间体及脂肪族、芳香族手性醇精细化工品的国内外技术进展与应用,为高效能立体选择性生物催化剂的创制和手性化合物的生物合成提供理论借鉴和成功范例。

    生物丁醇分离技术的研究进展及发展趋势
    蔡的, 李树峰, 司志豪, 秦培勇, 谭天伟
    化工进展. 2021, 40(3):  1161-1177.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2001
    摘要 ( 477 )   HTML ( 42 )   PDF (2732KB) ( 341 )  
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    生物基(正)丁醇是一种重要的化学品和替代燃料,其主要制备途径为糖质底物的丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵。受制于发酵副产物多、溶剂浓度低、产物共沸等因素,传统的生物丁醇分离过程存在分离能耗大、成本高等问题,制约其产业化制备。为解决生物丁醇分离的技术瓶颈,近年来,应用新型分离技术实现与ABE发酵过程的耦合成为研究的热点。本文综述了生物丁醇分离技术的最新研究进展,讨论了基于汽液平衡、相转移、膜分离技术等新型分离方式的技术特点;并针对多级分离级联系统开发、面向终产物的精馏技术的新趋势、新特点进行剖析和讨论。随着分离技术的发展和进步、生物炼制工艺开发和集成,生物丁醇的制备成本可望进一步降低,提升市场竞争力。

    嗜盐微生物底盘细胞:应用和前景
    马悦原, 陈金春, 陈国强
    化工进展. 2021, 40(3):  1178-1186.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1806
    摘要 ( 463 )   HTML ( 33 )   PDF (1390KB) ( 225 )  
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    嗜盐微生物是一种耐高盐的微生物,有细菌、古菌、藻类等。其中的中度嗜盐菌耐受30~150g/L的氯化钠,有很高的研究价值和应用前景。嗜盐微生物可以在海水中生长,有的同时嗜碱,尤其不少嗜盐细菌在矿物培养基中生长迅速,具有作为底盘细胞的优势。随着近年来对嗜盐微生物分子操作工具的不断开发,嗜盐细菌的改造工作得到了迅猛发展。工程化的嗜盐微生物已经可以用于合成数种聚羟基脂肪酸酯(PHA),也用于大规模生产多种聚合物、蛋白质、小分子化合物、氨基酸和化妆品原料。合成生物学技术的使用也使嗜盐微生物实现了可控形变, 有利于更多的胞内产物的合成和下游的细胞分离。根据嗜盐微生物,特别是嗜盐细菌的特点和研究进展,本文提出了以嗜盐微生物作为底盘细胞的“下一代工业生物技术”,使发酵工业实现开放式的节能、节水、连续、全自动的过程,减少微生物大规模培养的复杂程度和对设备的高要求,同时能联产生产多种产品,大幅度降低工业生物技术的制造成本,提高产品的竞争性。

    合成类胡萝卜素细胞工厂的快速构建和定向进化
    王颖, 曲俊泽, 梁楠, 郝鹤, 元英进
    化工进展. 2021, 40(3):  1187-1201.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1944
    摘要 ( 481 )   HTML ( 46 )   PDF (3148KB) ( 389 )  
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    类胡萝卜素具有丰富的颜色和强抗氧化活性,这赋予了该类产品较高的商业价值,加速了该类产品合成路径在异源底盘中的构建进程,使之成为发展非理性设计策略的有效研究对象。本文主要针对微生物合成类胡萝卜素细胞工厂构建中的瓶颈问题,从增强合成类胡萝卜素前体GGPP的供给利用以及缓解各类胡萝卜素产品对微生物底盘细胞的胁迫压力两个角度,系统综述非理性设计策略对元件优化、模块适配和多维调控等路径构建优化方法的丰富,以及对不同尺度的DNA变异和适应性进化等底盘进化手段的推动作用。并从扩展类胡萝卜素合成底盘物种的多样性和丰富非天然类胡萝卜素产品结构的可获得性的需求出发,对构建合成该类产品微生物细胞工厂自动化和智能化的发展趋势进行展望。

    微生物合成植物天然产物的细胞工厂设计与构建
    孙文涛, 李春
    化工进展. 2021, 40(3):  1202-1214.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2101
    摘要 ( 580 )   HTML ( 44 )   PDF (2681KB) ( 412 )  
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    植物天然产物结构多样,具有丰富的生理活性与功能。利用微生物细胞工厂生产来源稀缺、获取难度大的植物天然产物具有经济可行、环境友好等优势。本文系统介绍了萜烯、黄酮以及生物碱的生物合成途径及其关键酶,阐述了差异转录组学、同功酶挖掘等途径解析与重构的方法。指出关键酶改造、途径动态调控、代谢区室化与代谢网络再平衡是增大外源途径代谢通量、抑制副产物合成、降低产物毒性与菌株代谢负担、提高目标产物合成能力的有效策略。提出了解析合成植物天然产物关键酶在微生物中的催化特异性机制、开发外源途径的高效组装方法等进一步提高微生物细胞工厂生产效率的建议。

    D-氨基酸氧化酶的分子改造及应用研究进展
    居述云, 吴坚平, 杨立荣
    化工进展. 2021, 40(3):  1215-1225.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1933
    摘要 ( 539 )   HTML ( 35 )   PDF (1975KB) ( 261 )  
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    D-氨基酸氧化酶是一类含有黄素腺嘌呤二核苷酸的氧化还原酶,能够催化D-氨基酸氧化脱氢,生成相应的α-酮酸、过氧化氢和氨。该类酶在自然界中分布广泛,主要来源于真核生物和少数原核生物。作为一种经典的生物催化剂,D-氨基酸氧化酶具有反应条件温和、底物谱广泛、对映体选择性好等特点,在合成医药、农药和精细化学品等方面具有重要的应用价值。本文综述了D-氨基酸氧化酶的基本蛋白结构特征及其催化机制,重点介绍了D-氨基酸氧化酶底物特异性和热稳定性分子改造的策略和代表性成果以及该类酶在生物催化中的应用,例如制备7-氨基头孢烷酸、手性氨基酸、胺类化合物和α-酮酸。最后探讨了D-氨基酸氧化酶目前在生物催化应用过程中存在的问题。后续的研究可围绕新酶的挖掘与改造展开工作。基于对映体选择性和底物识别的分子机制,理性设计酶的催化性能,并以挖掘或改造获得的D-氨基酸氧化酶作为新酶元件,用于构建功能化学品生物合成新途径。

    放线菌聚酮类化合物的合成生物学研究及生物制造
    刘卫兵, 叶邦策
    化工进展. 2021, 40(3):  1226-1237.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1906
    摘要 ( 429 )   HTML ( 18 )   PDF (2916KB) ( 231 )  
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    聚酮化合物具有广泛的药用活性和极高的经济价值,但如何高效、经济、绿色、环保地合成聚酮化合物是目前急需解决的问题。随着合成生物学的发展及分子生物学技术的进步,不断有新的技术和策略被用于聚酮化合物的生物制造。本文介绍了聚酮化合物生物制造中的关键酶、前体物质及代谢途径等,分析了通过CRISPR技术及翻译后修饰代谢工程优化代谢调控网络;通过替换及优化启动子等手段改造与优化代谢途径;通过构建简单、高效的异源表达系统等策略提高聚酮化合物的生物制造效率等。在此基础上对红霉素、阿维菌素、多杀菌素的合成生物学研究的最新进展进行了总结,进而对当前聚酮化合物生物制造面临的产量及效率低下等问题和可能的解决途径,如平衡初级代谢与次级代谢,构建新型、优势底盘细胞及代谢网络的重新设计与改造等进行了展望。

    人参皂苷的定向生物转化研究进展
    赵婧, 王盼, 刘彦楠, 傅荣湛, 段志广, 范代娣
    化工进展. 2021, 40(3):  1238-1247.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2008
    摘要 ( 429 )   HTML ( 32 )   PDF (1228KB) ( 315 )  
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    稀有人参皂苷是人参的重要活性成分,但其含量极低或需经过肠道转化才能产生,工业生产中常通过去糖基、脱水等方法将常见人参皂苷转化为稀有人参皂苷。基于此,本文概述了人参皂苷的构效关系及常用转化方法,总结了微生物、酶法定向转化人参皂苷的最新进展,着重介绍了益生菌、食药用真菌转化人参皂苷制备功能食品,以及糖苷酶筛选和组合在提高人参总皂苷转化效率及产率等方面的研究进展;同时探讨了基因工程、溶剂工程、固定化酶等技术对人参皂苷转化效率、产率的影响,展望了蛋白质工程、合成生物学等方法在人参皂苷转化及合成方面的潜在应用价值,为稀有人参皂苷的规模化生产提供了基础。

    全局转录调控在细胞工厂构建中的应用与进展
    周子康, 许平
    化工进展. 2021, 40(3):  1248-1251.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1907
    摘要 ( 320 )   HTML ( 5 )   PDF (524KB) ( 161 )  
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    全局转录调控是一种通过重新编程基因转录来获得新的细胞表型的重要技术方法。本文介绍了通过DNA重组、易错PCR等技术对细胞中的转录元件进行多轮突变修饰,改变RNA聚合酶的转录效率以及对启动子的亲和能力,在整体水平上使细胞的转录水平发生改变,从而获得更加契合实际需求的细胞表型。指出全局转录调控技术不仅可以快速优化代谢途径、提高目标化合物的产量,亦可提高菌株耐受性,在代谢工程领域具有独特的优势,并已被成功应用于不同化合物的细胞工厂构建中。

    人工代谢路径适配性的研究进展
    郭亮, 高聪, 张丽, 陈修来, 刘立明
    化工进展. 2021, 40(3):  1252-1261.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2137
    摘要 ( 404 )   HTML ( 24 )   PDF (2072KB) ( 229 )  
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    微生物细胞工厂以可再生资源为原料,实现了大宗化学品和天然产物的可持续生产,并有望替代石油化工炼制和动植物提取。剪接天然或人工代谢路径是构建微生物细胞工厂的基础。然而,剪接代谢路径造成的代谢流扰动,导致微生物细胞工厂的适配性差,降低了微生物细胞工厂的生产性能。提高人工代谢路径之间的适配性,以及人工代谢路径与底盘微生物细胞之间的适配性,将是改善微生物细胞工厂生产性能的关键。本文从强化与平衡人工代谢路径的代谢通量,解除人工代谢路径与底盘细胞内源代谢路径的交互作用,以及强化人工代谢路径与底盘细胞整体代谢网络的适配性层面,对提高微生物细胞工厂适配性的研究现状进行介绍。开发高效的多重适配性调控策略,在细胞水平重置代谢路径的适配性与提高微生物细胞对代谢产物的适配性,将是未来的研究重点。

    重组胶原蛋白的绿色生物制造及其应用
    李阳, 朱晨辉, 范代娣
    化工进展. 2021, 40(3):  1262-1275.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2109
    摘要 ( 814 )   HTML ( 33 )   PDF (3282KB) ( 323 )  
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    胶原蛋白存在于各个组织器官,与动物胶原蛋白相比,重组胶原蛋白组分单一、安全性高、生产过程可控。本篇综述简述了重组胶原蛋白不同表达体系的构建,包括动植物以及微生物表达体系,比较了不同体系的优缺点。着重介绍了微生物体系中影响产物表达的不同发酵参数的调控,产物的分离纯化工艺以及重组胶原蛋白在医学领域的应用。提出微生物发酵体系较动植物体系成本低,操作简单,易于扩大生产;温度、pH、溶解氧、葡萄糖、乙酸浓度等影响大肠杆菌发酵中的蛋白表达量;酵母发酵中,甲醇添加量、温度、pH和溶解氧是主要影响参数;微生物发酵体系均需通过不同的粗纯及精纯技术获得纯度较高的产物。同时,重组胶原蛋白在生物医学领域发挥着重要作用。

    化工过程与装备
    含油污泥化学热洗技术研究现状与进展
    张楠, 王宇晶, 刘涉江, 张凯
    化工进展. 2021, 40(3):  1276-1283.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0859
    摘要 ( 385 )   HTML ( 25 )   PDF (1193KB) ( 470 )  
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    含油污泥是石油生产与加工过程产生的含有油、固体颗粒、重金属、水等的复杂组成体系,其稳定性高、处理难度大,已被列入危险废物名录。我国含油污泥产生量大,未经处理外排会对环境产生严重污染,各石油生产及加工企业均投入较大的人力、物力进行含油污泥的处理,形成了热洗、热解、加温加压调理、微生物处理等技术,其中热洗具有油回收率高、残渣含油率较低、成本低廉等优点。本文对国内外含油污泥处理标准进行了总结对比,对化学热洗技术的研究进展进行了阐述,重点论述了清洗剂种类和浓度、热洗温度、热洗时间、搅拌速度、液固比等因素对含油污泥处理效率的影响,提出了化学热洗技术未来的发展方向,以期对含油污泥化学热洗技术的发展提供参考。

    凝固浴组成对SMA/CPVC共混超滤膜的结构与性能影响
    陈贵靖, 杨园园, 康冬冬, 邵会菊, 秦舒浩
    化工进展. 2021, 40(3):  1284-1291.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0861
    摘要 ( 302 )   HTML ( 12 )   PDF (3060KB) ( 217 )  
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    通过非溶剂致相分离(NIPS)法制备了苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)/氯化聚氯乙烯(CPVC)共混超滤膜,探讨了凝固浴中不同溶剂(DMAc)含量对其超滤膜表面酸酐基团偏析程度、微观结构、亲水性、水通量、截留率和抗污染的影响。结果表明:凝固浴中溶剂含量的增加抑制了酸酐基团向膜表面的偏析,导致亲水性减弱;同时,铸膜液中溶剂与水分子之间扩散速率的变小引起延迟分相,使得膜表面孔径变小和分布变窄。当溶剂质量分数为3%时,超滤膜对牛血清白蛋白(BSA)截留率提升至98.10%、通量恢复率为96.82%,且不可逆污染率降为3.77%,表明凝固浴中适量的溶剂可进一步提高超滤膜抗污染性能。

    铜基片静态气液界面腐蚀规律的实验
    陈宏霞, 刘霖, 李林涵
    化工进展. 2021, 40(3):  1292-1299.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0775
    摘要 ( 244 )   HTML ( 10 )   PDF (2272KB) ( 157 )  
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    气液两相界面腐蚀广泛存在于日常工业中。因气液相界面存在不稳定特性,迄今对于相界面处腐蚀的研究多针对不断变化的界面位置附近,分析一段时间内的累积腐蚀效果。本文向液相内注入一定体积的气泡,维持气液界面在金属铜壁面的稳定以及气液相界面和液相主体浓度近似恒定;在含不同Cl-浓度的溶液中,通过电化学方法对比有无相界面的腐蚀规律,并根据数据深入分析相界面处的腐蚀机理。结果表明:引入气液界面导致铜试样腐蚀电位升高、腐蚀电流增大,腐蚀更严重;气液界面处由于引入微观界面能差腐蚀、宏观氧浓差电池腐蚀的作用显著增大了试样的腐蚀电流,使得在整个溶液浓度范围内含界面的铜腐蚀电流均高于不含界面的腐蚀电流,同时在铜表面留下清晰的界面腐蚀线;通过对界面腐蚀电流的剥离,包含液相主体腐蚀部分时无论有无界面的铜腐蚀速率均随Cl-浓度的升高呈现先增大后减小的趋势,而去除液相部分影响的单独界面腐蚀电流则随Cl-浓度升高而增大。

    电晕放电喷雾荷电特性
    李金, 王军锋, 徐惠斌, 郑高杰, 孟新
    化工进展. 2021, 40(3):  1300-1306.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0799
    摘要 ( 310 )   HTML ( 5 )   PDF (1823KB) ( 157 )  
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    静电喷雾广泛应用于工业各个领域,如静电喷涂、静电雾化燃烧、静电雾化除尘等,其应用效果与喷雾荷电特性密切相关。为获得更佳荷电效果,本文探究了电晕荷电过程中感应电流对液滴真实荷电电流的影响,通过改变荷电电压、电极间距、电极环直径及液体流量等,实验研究了各因素变化对喷雾荷质比、电荷衰减及液滴粒径的影响。结果表明:相比于感应荷电,电晕荷电过程不稳定但能获得更佳的荷电效果,液滴荷质比随荷电电压的增加而先减小后增大,随电极环直径的增加而先增大后减小,随电极间距的增大而增大,电极环直径80mm,电极间距40mm能获得最佳荷电效果;荷电液滴带电量会随输运距离增加而泄漏衰减,相同距离下液滴通过电晕放电带有电荷后衰减更快;液滴带电后能够降低液体表面张力,随着液滴荷电量的增加,雾化液滴粒径有所降低。

    辅助冷凝器冷却水量对闭式热泵干燥系统性能的影响
    汪静, 武卫东, 王浩, 李振博, 刘荟
    化工进展. 2021, 40(3):  1307-1314.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0814
    摘要 ( 226 )   HTML ( 4 )   PDF (1627KB) ( 73 )  
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    针对目前工业生产中金属件清洗干燥工艺中常用干燥方式存在能耗高且环境不友好的现状,提出并建立了一种采用直接串联式辅助冷凝器的闭式热泵干燥系统。基于所搭建的性能测试台,实验研究了流经辅助冷凝器的冷却水量这一关键参数对系统运行工况参数、制热/制冷量、系统功耗、性能系数(COP)以及单位时间除湿量(MER)和单位能耗除湿量(SMER)等性能参数的影响。结果表明:冷却水量为30.6kg/h时,冷凝器出风温度达72.8℃;随着冷却水量的增大,系统制热/制冷量、功耗、冷凝器出风温度及MER均呈现下降趋势,COP维持在5.6左右;MER最高可达3.80kg/h,SMER最高可达1.44kg/(kW·h),MER和SMER的变化趋势相反,故生产实际中需要综合考虑冷却水量对两者的影响;另外,在实验研究工况下最大冷却水出水温度达65.2℃,可为工业生产提供可应用的热水,使能源得到充分地回收利用。研究结果可为闭式热泵干燥系统在金属件清洗干燥工艺中的应用及其节能降耗提供新的思路和参考。

    CO2跨临界热泵系统采暖工况下能效和经济对比分析
    刘雪涛, 李敏霞, 马一太, 姚良, 詹浩淼
    化工进展. 2021, 40(3):  1315-1324.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0905
    摘要 ( 219 )   HTML ( 12 )   PDF (2971KB) ( 70 )  
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    为提高CO2跨临界热泵采暖系统的性能,提出了双级压缩双气冷器中间补气回热系统。结合其他3种CO2热泵系统和R134a单级压缩回热系统,通过建立热力学模型,分析各因素对系统能效的影响。此外,通过构建综合考虑初始投资成本和年运行成本的经济性评价模型,结合典型年气象参数,研究不同城市中各系统在运行周期内的总投资情况。结果表明,CO2热泵系统中,双级压缩双气冷器中间补气回热系统最优COPh最高且可以超过R134a单级压缩回热系统,在环境温度为0℃、出水/回水温度为65℃/40℃时,理论性能系数(COPh)可达2.58,比R134a系统高9.1%,比CO2单级压缩系统高22.5%,且排气温度不超过现有压缩机排气温度极限,是能效最优系统。在选定样本城市中,热泵系统运行周期内的总投资成本在上海最低,而在沈阳最高,可见总投资成本受气候区域影响较大。由于CO2压缩机成本过高,CO2热泵系统的总投资成本高于R134a系统。随着CO2热泵技术的提高和生产规模的扩大,当压缩机成本降低80%,CO2双级压缩双气冷器中间补气回热系统的总投资成本将低于R134a系统。

    波纹壁面微细通道的Ledinegg不稳定性分析
    罗小平, 杨婉, 王梦圆, 候群
    化工进展. 2021, 40(3):  1325-1333.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0908
    摘要 ( 257 )   HTML ( 5 )   PDF (2136KB) ( 66 )  
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    为探究不同波纹壁面微细通道的Ledinegg不稳定性,利用计算机数控加工得到3种壁面的微细通道,分别是正弦波纹、三角形波纹与普通光滑微细通道。采用R141b为实验工质,在压力为40~80kPa、热通量为13.281~22.138kW/m2、入口温度为33℃条件下开展流动换热实验。结果表明:三角形波纹微细通道的压降-流量曲线负斜率区斜率最小,流动不稳定起始点(OFI)质量流量最大,最容易发生Ledinegg不稳定性,而普通光滑微细通道与之相反。另外,随着热通量增大,微细通道的压降-流量曲线负斜率区斜率减小,OFI点质量流量增大,表明增大热通量会增加系统的不稳定性;随着系统压力增大,微细通道的压降-流量曲线负斜率区更加平缓,而OFI点质量流量变化不大,表明增大系统压力有利于提高系统的稳定性。

    移动床中内构件对煤热解反应过程调控作用
    周琦, 张旭, 白效言, 张飏, 王岩, 裴贤丰
    化工进展. 2021, 40(3):  1334-1343.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0892
    摘要 ( 245 )   HTML ( 6 )   PDF (2016KB) ( 152 )  
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    在外热式内构件(多级折流板和多段集气管)移动床反应器内研究了淖毛湖煤的热解特性,并与常规固定床反应器中煤热解行为进行对比,考察了两反应器内的传热速率以及热解温度对产物分布、热解气组成、焦油组成和品质等影响规律。结果表明:在450℃低温热解时,煤颗粒在内构件移动床内的升温时间比固定床缩短了60%以上,内构件具有显著提高反应器内颗粒间传热速率的作用。随着热解温度的升高,热解气中的C2H4/C2H6和C3H6/C3H8的比值变大,挥发分的二次反应程度加大,但裂解程度低于固定床。内构件移动床中的焦油产率随温度的升高先增加后降低,在550℃时达到最高为10.8%(质量分数),比固定床增高约28.6%。当热解温度越高时,移动床所产焦油中的沥青质组分含量越低,在750℃时焦油中轻质组分质量分数达到85.17%,脂肪烃含量降低到了28.00%。通过与固定床对比,揭示了内构件(多级折流板和集气管)调控淖毛湖煤热解反应并提高热解焦油产率和品质的作用。

    基于视密度的煤气化渣水介质旋流炭-灰分离
    李慧泽, 董连平, 鲍卫仁, 王建成, 樊盼盼, 樊民强
    化工进展. 2021, 40(3):  1344-1353.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0912
    摘要 ( 247 )   HTML ( 13 )   PDF (4919KB) ( 196 )  
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    煤气化利用过程中会产生大量气化渣,造成很大的环境污染,其综合利用势在必行。本文系统分析了煤气化渣不同密度组分的特性,明确了炭-灰分离是煤气化渣分质综合利用的前提与基础,并提出了基于视密度差异的炭-灰分离方法。以水介质旋流器为分选设备,通过单因素试验确定了主要工艺参数对炭-灰分离效果的影响规律,验证了水介质旋流分选对煤气化渣>0.074mm粒级炭-灰分离的可行性。借助Box-Behnken试验设计分析了旋流器锥体角度、底流口直径、溢流管插入筒体深度与产品灰分、产品产率及分选综合效率的定量关系,为煤气化渣炭-灰分离效果的预测及旋流器结构参数的选择提供了数据支持。本文研究内容对实现煤气化渣分质资源化利用具有指导意义。

    精馏-吸附-膜分离耦合工艺制备高纯度酒精流程模拟
    李春利, 程永辉, 李浩
    化工进展. 2021, 40(3):  1354-1361.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0850
    摘要 ( 442 )   HTML ( 22 )   PDF (1349KB) ( 175 )  
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    高纯度酒精广泛应用于食品、医药和石油化工等行业,国内外制备高纯度酒精的常用方法为酒精五塔精馏,但传统酒精精馏工艺往往伴随高能耗与高成本。为了解决上述问题,本文提出一种精馏-吸附-膜分离耦合新工艺,从乙醇发酵液中高效获得高纯度酒精。借助Aspen Plus流程模拟软件对精馏-吸附-膜分离耦合工艺进行研究,并用灵敏度分析工具对其精馏塔部分进行参数优化。结果表明,当精馏塔的塔板数为37、回流比为9、进料位置为第35块塔板、吸附剂采用天然沸石、膜分离用聚偏氟乙烯渗透汽化膜时,乙醇质量分数达到99.2%,乙醇回收率为65.6%。与传统五塔精馏方法相比不仅能获得高纯度酒精,而且能耗与设备成本相对较低,也充分提高了空间利用率,具有很好的工业前景。

    能源加工与技术
    蒙东褐煤热解技术工业应用进展
    范涛
    化工进展. 2021, 40(3):  1362-1370.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0888
    摘要 ( 296 )   HTML ( 8 )   PDF (1254KB) ( 173 )  
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    蒙东褐煤占我国褐煤储量的83%,是蒙东地区的主要能源。低温热解技术条件温和、产品用途广、经济效益高,是加工蒙东褐煤的主要途径之一。但由于褐煤块煤率低、含水量高、热碎严重等特性以及现行环保产业政策持续趋紧,使褐煤低温热解工业化项目存在原料利用率低、生产连续性差、环保不达标等问题。本文介绍了目前蒙东地区应用的热解技术包括低阶煤转化技术(LCC)、连续干馏热解定位提质技术(LCP)、带式炉低温干馏技术、GF-1型褐煤提质技术、SJ低温干馏方炉热解技术和气-固错流热解技术,分析了各项技术的运行情况、优势和不足。通过对比各项技术在原料要求、传热方式、熄焦方式、能量利用率和产品性质等方面的特点,明确了各项热解技术的炉型选择、原料煤粒度和热解产品利用等方向,提出了蒙东褐煤热解技术在工业化应用过程中需实现原料优化、能量优化、产品多元化和废弃物资源化的发展要求。

    固-固相变储热材料的研究进展
    周四丽, 张正国, 方晓明
    化工进展. 2021, 40(3):  1371-1383.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0875
    摘要 ( 521 )   HTML ( 17 )   PDF (1680KB) ( 363 )  
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    与固-液相变材料相比,固-固相变材料(SS-PCMs)受到的关注较少;鉴于SS-PCMs具有储能密度高、无毒且腐蚀性小、相变时无液体产生且体积变化较小、不易发生相分离以及过冷度小等优点,因而是一类具有发展潜力的相变材料。本文基于SS-PCMs的研究现状,对近年来几类重要SS-PCMs如多元醇SS-PCMs、高分子类SS-PCMs及无机盐类SS-PCMs的研究进展进行了综述。简要阐述了SS-PCMs的分类以及各类SS-PCMs的性能、相变储热机制和优缺点。同时介绍了选择固-固相变材料应用时的基本原则,并针对相变材料热导率低,过冷度大、稳定性差等问题的改性研究进行了综述,还简要综述了SS-PCMs的应用研究。最后指出,未来的研究应着眼于解决已合成SS-PCMs的缺陷,开发多功能的SS-PCMs,并在SS-PCMs的实际应用方面实现突破。

    工业催化
    金属基材料电催化CO2还原的研究进展
    苏文礼, 范煜
    化工进展. 2021, 40(3):  1384-1394.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0889
    摘要 ( 561 )   HTML ( 32 )   PDF (1331KB) ( 912 )  
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    电催化CO2还原为具有附加价值的燃料和化学品,在缓解全球气候变暖和有效储存可再生能源方面极具潜力,近年来受到了广泛的关注。本文首先简述了水溶液中CO2电化学还原为不同产物反应途径的研究成果,当前简单C1产物的生成路径较为清晰,但生成多碳烃类和醇类的反应途径尚缺乏明确的证据,需要进一步探索。然后综述了用于CO2电化学还原的金属基电催化材料的研究进展,聚焦于产物选择性、催化活性和稳定性,分别对金属纳米类、金属合金类、金属氧化物类、金属基复合物以及最近出现的单原子金属催化材料的研究现状进行了介绍。最后,展望了电催化CO2还原的研究前景,指出不断优化电催化材料的性能是将来研究的主要方向之一,特别是有望取代Au、Ag等贵金属的单原子催化剂以及能高效生成多碳产物的铜基材料;同时,更精确的理论计算结合原位光谱表征,深入探究CO2电化学还原反应的机理,将极大地促进高效电催化材料的开发。

    应用静电纺丝技术的电催化剂及载体材料制备研究进展
    崔卓安, 綦戎辉
    化工进展. 2021, 40(3):  1395-1412.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0630
    摘要 ( 544 )   HTML ( 26 )   PDF (6560KB) ( 232 )  
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    与机械拉伸等传统的纤维制备方法相比,静电纺丝技术具有操作便利、成本低、生产效率高等优点,是一种更简单、经济的纤维成型技术,被广泛应用于燃料电池、金属-空气电池、水电解装置等领域的电催化过程中。本文首先介绍了静电纺丝的工作原理、工艺影响因素及电纺技术的发展现状;之后主要介绍了静电纺丝在制备催化剂及催化载体材料上的研究进展,包括:①在碱性的电化学反应中,通过静电纺丝制备的过渡金属氧化物及金属-碳复合纤维显示出优异的电催化性能和可观的经济效益;②在水分解反应中,电纺Ir基催化剂具有均匀的一维纳米结构、极高的比表面积和良好的分散性,表现出了优异的催化活性;③在酸性的氧还原和析氧反应中,电纺氧化锡锑(ATO)载体具有优异的导电性,不仅可为催化剂提供良好的电子转移结构及催化活性位点,还能起到一定的结构保护作用,提高了催化活性和稳定性。本文总结了以静电纺丝方法制备催化剂或催化载体材料的优缺点,并发现电纺一维纳米催化剂具有出色的纤维形貌、理想的比表面积及较低的传质阻力,可有效弥补传统金属催化剂颗粒易团聚、活性低等缺点。最后,为进一步提高电纺催化剂的析氧催化性能以及实现电纺纤维排列结构的可控性,对静电纺丝技术的发展提出了几点建议和展望。

    ZnO基光电极的构筑及其光电催化水分解性能研究进展
    符淑瑢, 张勤生, 鲁金芝, 马占伟
    化工进展. 2021, 40(3):  1413-1424.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0845
    摘要 ( 387 )   HTML ( 34 )   PDF (2522KB) ( 259 )  
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    光电催化水分解制取氢气是最理想的制氢技术之一。光电极材料作为光电催化水分解反应系统最核心的部分,决定着太阳能到化学能的转换效率。氧化锌(ZnO)半导体因具有较低的超电势、高的电子迁移速率和价格低廉等优点,引起了广泛关注。然而,ZnO半导体的禁带较宽、电子-空穴易于复合和表面水氧化反应动力学缓慢,阻碍了其高效利用太阳能和实现理论效率。本文从ZnO的微纳结构和表界面修饰两个方面出发,综述了近年来ZnO基光电极的构筑策略及其光电催化性能的研究进展。首先阐述了ZnO的微观形貌和缺陷对光电性质的影响。然后总结了元素掺杂、量子点敏化、贵金属沉积、异质结构造和共催化剂沉积等策略对ZnO基半导体的表界面的构筑及对光电催化性能的影响。最后对未来高效ZnO基半导体光电极研究方向进行了展望,具体包括5个方面:ZnO表面改性;在原子水平构筑复合半导体催化剂的相界面;用廉价双金属或多金属纳米颗粒取代纯贵金属Au、Ag和Pt纳米颗粒;构建高效的电催化剂助剂;在ZnO半导体和助剂界面引入空穴储存层或电子堵塞层。

    改性镧系钙钛矿催化剂强化挥发性有机物催化氧化的研究进展
    张巍, 汤云灏, 尹艳山, 龚蔚成, 宋健, 马英, 阮敏, 徐慧芳, 陈冬林
    化工进展. 2021, 40(3):  1425-1437.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0818
    摘要 ( 347 )   HTML ( 23 )   PDF (2884KB) ( 318 )  
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    钙钛矿因其结构稳定并具有优异的物化性质,近年来在催化剂方面的应用受到了广泛关注。本文综述了采用不同方法对镧系钙钛矿进行改性来增强催化剂的活性、抗毒性、稳定性和选择性的研究进展;分析了镧系钙钛矿的结构、表面参数、活性氧和低温还原性对于挥发性有机物转化效率的影响,重点阐述了通过优选钙钛矿的制备方法、制备负载型钙钛矿和掺杂型钙钛矿等改性方法来提高镧系钙钛矿催化剂的性能,由此展望了未来改性镧系钙钛矿催化剂的研究方向:采用非金属元素掺杂或多种强化方法结合制备高效催化剂、利用催化燃烧协同光催化氧化转化挥发性有机物、进一步通过实验和仿真模拟制备理想钙钛矿催化剂催化氧化多种挥发性有机物混合物以满足工业化需求。

    多孔超交联聚合物固载离子液体催化二氧化碳环加成反应的研究进展
    赵朝阳, 罗小燕, 裴宝有, 项小燕, 李佳然, 马瑞勋, 张子姮, 林金清
    化工进展. 2021, 40(3):  1438-1448.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0915
    摘要 ( 575 )   HTML ( 18 )   PDF (2094KB) ( 393 )  
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    CO2是一种主要的温室气体,以CO2为原料与环氧化物发生环加成反应可以制备各种环状碳酸酯,是一种绿色可行的CO2捕集及利用途径。多孔超交联聚合物固载离子液体(hypercrosslinked polymers immobilized ionic liquids,HCP-ILs)催化CO2环加成反应具有无需溶剂、金属和助催化剂等优点。本文对其近年来的最新研究进展进行了综述,总结了离子单体自聚/共聚或交联法、离子与交联一步法以及交联后修饰法三种制备超交联聚合物固载离子液体方法的特点,分析了目前还存在离子密度偏低、催化效率不够高以及制备成本偏高等不利于“CO2化工”应用的问题,并指出为实现在常压下快速催化CO2与环氧化物的环加成反应,应从提高离子密度、调控表面活化功能基团和离子微环境以及降低制备成本等方向加强理论研究和技术攻关。

    有序介孔材料Al-FDU-12的合成及其加氢精制应用
    曹正凯, 张霞, 段爱军
    化工进展. 2021, 40(3):  1449-1455.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0872
    摘要 ( 306 )   HTML ( 6 )   PDF (2014KB) ( 139 )  
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    采用原位合成法合成了不同硅铝原子比(Si/Al=50、40、30、20、10)的Al-FDU-12介孔材料,进一步浸渍镍钼活性金属制备了催化剂。通过小角X射线衍射(XRD)、广角XRD、N2吸附-脱附、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和紫外等表征手段对材料及催化剂做了相应的表征,并且考察了不同硅铝比的NiMo/Al-FDU-12催化剂在催化裂化柴油中的加氢脱硫脱氮性能。结果表明,FDU-12介孔材料孔径、孔容以及比表面积大,活性金属分散度高。铝改性后的NiMo/Al-FDU-12催化剂加氢脱硫、脱氮活性得到显著提高。当反应条件为温度350℃、氢油体积比600、压力5.0MPa、质量空速(WHSV)1.0h-1、硅铝比20时,催化剂的加氢脱硫脱氮活性最高,脱硫率可达98.9%,脱氮率可达95.3%。在相同反应条件下,工业催化剂催化柴油加氢脱硫、脱氮率低于NiMo/AF-20以及NiMo/AF-10催化剂。因此,铝改性后的FDU-12材料具有良好的工业应用前景。

    材料科学与技术
    二硫化钼作为海水淡化材料的研究进展
    郭其景, 詹伟泉, 王清淼, 贾菲菲, 宋少先
    化工进展. 2021, 40(3):  1456-1468.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0770
    摘要 ( 475 )   HTML ( 17 )   PDF (5915KB) ( 329 )  
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    海水淡化是从丰富的海水资源中提取清洁淡水的技术,是解决淡水资源短缺的重要途径。传统的海水淡化技术在实际应用中已经暴露出高成本、高能耗和低效率等缺点,因此开发海水淡化新兴技术及材料成为研究重点。二硫化钼(MoS2)是典型层状过渡金属硫化物,因其化学稳定、吸光能力优异等优点,在海水淡化领域具有极大的应用前景。作为一种高效环保的海水淡化材料,MoS2及其复合材料在改善传统脱盐工艺和发展新兴脱盐技术中已得到广泛研究。本文主要论述和分析MoS2基材料在电容去离子、膜脱盐及太阳能脱盐等海水淡化应用中的研究进展以及在工业化应用中面临的挑战,并展望其今后在脱盐领域的发展方向。

    胶晶结构生色体系的构筑及应用研究进展
    孔淼, 刘芳芳, 唐炳涛
    化工进展. 2021, 40(3):  1469-1482.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0817
    摘要 ( 394 )   HTML ( 8 )   PDF (9427KB) ( 86 )  
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    胶晶是由单分散胶体微球自组装形成的有序阵列结构。胶体微球自组装制备结构生色体系,具有方法简单、成本低及不需要复杂且昂贵的设备等优点,是人工构建结构生色体系的重要途径。由胶晶产生的结构色具有亮度高、色彩饱和度高和光稳定性好等优点,在纺织品着色、传感、防伪以及信息加密等领域展现出广阔的应用前景。本文详细介绍了胶体微球的结构设计与合成、胶晶的可控构筑及其应用研究三个方面的内容。文中综述了无机纳米微球、有机聚合物纳米微球和核壳结构纳米微球的优点和不足;较全面地总结了胶体微球的组装方法,包括重力沉降法、加热辅助组装法、垂直沉积法、浸渍提拉法、喷涂法、喷墨打印技术、旋涂法、磁场诱导自组装法、电场驱动组装法和界面转印法等;讨论了胶晶结构的应用现状,并对胶晶结构生色体系未来的研究重点进行了展望。

    基于多孔支撑体的形状稳定复合相变储能材料的研究进展
    王成君, 苏琼, 段志英, 王爱军, 王志超
    化工进展. 2021, 40(3):  1483-1494.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0855
    摘要 ( 476 )   HTML ( 13 )   PDF (2710KB) ( 440 )  
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    固-液相变材料(PCMs)是热能储存(TES)技术发展的关键因素,然而一些固有的问题如泄漏和热导率低等严重制约了相变材料的性能。因此,选择合适的方法构建形状稳定的复合相变材料(FSCPCMs),并有效地提高其热导率是实现相变材料实用化的重要前提。多孔载体封装相变材料为构建具有高储能密度和优异热传输性能的定形复合相变材料提供了一条有效的途径。本文对不同FSCPCMs的制备、结构热学性能、应用等方面进行了综述,详细总结和讨论了孔径和几何形状、表面改性、作用力、组成等因素对FSCPCMs相变行为的影响。重点介绍了具有高热导率、高负载率和高潜热的新型多孔复合相变材料的设计和应用。最后,基于理论、数值和实验方法,展望了FSCPCMs在约束结构中的相变和多尺度传热方面未来的研究方向及其在能源转换方面的商业化应用。

    生物质碳材料在钾离子电池负极材料中的应用
    杨蒙蒙, 姚卫棠
    化工进展. 2021, 40(3):  1495-1505.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0806
    摘要 ( 520 )   HTML ( 50 )   PDF (7048KB) ( 145 )  
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    钾离子电池因其能量密度高、钾储量丰富、成本低等优势而成为当前储能器件领域一个新的研究热点。钾离子可以在商品化石墨负极材料中嵌入与脱出,这对于钾离子电池未来的产业化发展具有重要意义。但目前石墨负极存在体积膨胀率较大、容量衰减快、倍率性能低等问题。近年来,为寻找适宜嵌钾的材料与抑制膨胀的方法,越来越多的电极材料体系被开发出来。其中生物质碳材料因制备工艺简单、成本低廉和环保等优点被广泛研究。本文总结了钾离子电池生物质碳材料的最新研究进展;分析了存在于碳基材料的两种储钾机制及各自对电化学性能的影响,并对一些表现出优异电化学性能的生物质碳材料的制备方法及电化学性能做出扼要综述;在此基础上,对钾离子电池的下一步研究进行展望与总结。

    浓度梯度型锂离子电池富镍氧化物正极材料
    张珊, 王珊, 陈卫晓, 高鹏, 朱永明
    化工进展. 2021, 40(3):  1506-1516.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0808
    摘要 ( 442 )   HTML ( 11 )   PDF (3355KB) ( 291 )  
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    富镍氧化物正极材料因其具有高比容量、低成本、环保和无需高电压电解质的优点而备受关注。虽然Ni含量的增加有助于提高放电比容量,但也产生了阳离子混排、表界面反应和导致结构不稳定的裂纹扩展等缺点,导致富镍正极材料的循环寿命较差、热稳定性有待提升和储存性能较差,妨碍了其商业化应用。为尽可能地发挥富镍锂离子电池高容量的优势,研究人员对材料进行了多种改性,历经了离子掺杂、表面包覆、单晶材料、核壳结构、浓度梯度结构等发展阶段。本文首先对掺杂、包覆、单晶、核壳结构等几种改性手段进行了简要概述,分析了这几种方法的优势及本身固有的缺点。然后重点对浓度梯度材料进行了分析,根据其发展阶段分为富镍核加浓度梯度壳、线性浓度梯度材料、渐进式浓度梯度材料三个部分,从合成方法、改性机理及电化学性能等方面做了详细介绍。综合来看,浓度梯度材料可以从根本上解决富镍正极材料的固有缺点,相信这一技术会在富镍正极材料的实用化进程中发挥重要作用。

    石墨/TinO2n-1复合材料的制备及性能
    吴恩辉, 李军, 侯静, 黄平, 徐众, 蒋燕, 罗彬杨
    化工进展. 2021, 40(3):  1517-1526.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0805
    摘要 ( 201 )   HTML ( 5 )   PDF (4407KB) ( 61 )  
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    在常压下,以钛白粉为原料,石墨为还原剂,采用碳热还原法制备了石墨/TinO2n-1复合材料。采用XRD系统分析了碳热还原过程中钛的价态变化规律;采用XPS、SEM、TEM分析了特定样品的形貌、结构和元素组成。XRD分析结果表明,控制不同的还原条件,可以得到不同n值的石墨/TinO2n-1复合材料,且还原过程的物相转变顺序为:TiO2(锐钛型)、TiO2(金红石型)、Ti9O17、Ti8O15、Ti6O11、Ti5O9和Ti4O7。在还原温度为1250℃,还原时间为20min,碳钛比为5∶10的条件下所制备的石墨/TinO2n-1复合材料的电阻率最低,其值为0.1465Ω·cm。吸附/光降解实验表明,石墨/TinO2n-1复合材料对亚甲基蓝的吸附能力比纯石墨显著增强,吸附去除率为纯石墨的1.40~3.20倍;石墨/TinO2n-1复合材料对亚甲基蓝具有光催化降解活性,但是其光降解能力低于锐钛型TiO2;复合材料的催化降解速率常数最大值为0.0047min-1

    氮硼掺杂菌糠炭:蜂窝结构用于电极材料
    曲可琪, 尤月, 孙哲, 黄占华
    化工进展. 2021, 40(3):  1527-1536.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0804
    摘要 ( 275 )   HTML ( 7 )   PDF (2895KB) ( 116 )  
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    绿色可再生、储量丰富且成本低廉的农林废弃物在能源转化利用领域具有重要位置。本文利用中国北方最常见的农林废弃物菌糠为原料,分别以氢氧化钾、硼酸铵为活化剂和掺杂剂,通过简单的高温煅烧法制备了具有蜂窝结构的氮硼双掺杂菌糠炭(NBFC)。NBFC的微观形貌和物理结构表征结果显示:NBFC-3为表面粗糙的蜂窝状多孔材料,孔径集中在2nm左右,比表面积高达2968.48m2/g,具有相互连接的微介孔网络结构。电化学性能测试结果表明:当电流密度为0.5A/g时,NBFC-3的比电容高达297.2F/g。即使当电流密度增加到10A/g后,比电容仍可达218.5F/g,在循环5000圈后(电流密度为5A/g),比电容保持率为94.5%,展现了良好的倍率性能和显著的电化学稳定性。综上,NBFC是一种极有潜力的电化学储能材料。该研究也为农林废弃物菌糠的高效利用提供了新思路。

    硼掺杂Co3O4海胆状微球的制备及其乙醇气敏强化机制
    孙舒, 孙丽霞, 文晓慧, 张郝为, 廖丹葵, 孙建华
    化工进展. 2021, 40(3):  1537-1544.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1671
    摘要 ( 290 )   HTML ( 5 )   PDF (3062KB) ( 164 )  
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    四氧化三钴(Co3O4)是一种p型半导体,可作为气体传感材料。非金属硼(B)具有吸电子特性,将其与p型半导体气敏材料进行掺杂,可增加材料的空穴载流子浓度,从而提高材料的气敏性能。本文以六水合硝酸钴[Co(NO3)2·6H2O]、硼酸(H3BO3)和尿素[CO(NH2)2]为原料,采用低温一步水热法成功制备了B掺杂Co3O4海胆状微球。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和拉曼光谱仪(Raman)对掺杂B前后的Co3O4进行结构表征,探究B掺杂对其气敏性能的影响。结果表明:B掺杂对Co3O4材料的气敏性能有明显的强化作用。当掺杂摩尔比为Co∶B=8∶1时,B-Co3O4对1×105μg/L乙醇的最佳工作温度为180℃,灵敏度响应达到26.8,是相同条件下纯Co3O4的4.4倍。B-Co3O4在较低的工作温度下,具有良好的灵敏度、选择性和稳定性,是一种性能优良的气敏材料。

    NiMn2O4/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其超级电容性能
    李明伟, 杨绍斌
    化工进展. 2021, 40(3):  1545-1550.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0788
    摘要 ( 358 )   HTML ( 2 )   PDF (2324KB) ( 145 )  
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    采用水热法制备了NiMn2O4/还原氧化石墨烯(NiMn2O4/rGO)复合电极材料,研究了石墨烯对NiMn2O4/rGO材料形貌、微观结构及电化学性能的影响。结果表明:NiMn2O4纳米片沉积在石墨烯片的表面,聚集现象消失。与纯NiMn2O4相比,NiMn2O4/rGO具有高的比表面积和优良的电化学性能。在1A/g时具有1375F/g的比电容,而纯NiMn2O4的比电容为924F/g。5000次充放电后,NiMn2O4/rGO在5A/g时的比电容保留率为90%,而NiMn2O4的比电容保留率为78%。NiMn2O4/rGO表现出良好的电容性能,作为超级电容器电极材料具有广泛的应用前景。

    铁锰复合氧化膜对水中双酚A的去除及影响因素
    黄建雄, 郭英明, 杨靖, 许伟, 王旭, 张瑞峰
    化工进展. 2021, 40(3):  1551-1557.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0828
    摘要 ( 374 )   HTML ( 18 )   PDF (2059KB) ( 177 )  
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    前期研究已发现表面负载铁锰氧化膜的石英砂滤料,对水中常见污染物(氨氮、铁、锰等)具有较高的催化氧化能力。本文利用中试过滤系统研究成熟滤料对水中双酚A(BPA)的去除能力,同时考察进水中Mn2+的负荷变化对去除水中BPA的影响。结果表明:该系统在仅有BPA负荷时,可去除ΔCBPA为0.48mg/L,去除率高达95.6%,消耗溶解氧(DO)为5.44mg/L;进水中同时投加BPA和Mn2+,当Mn2+浓度达到2.0mg/L时,在滤柱前65cm处即可去除ΔCBPA为0.56mg/L,BPA在后半段无法有效去除。由扫描电子显微镜(SEM)可知,BPA氧化后生成了某种物质,阻塞在氧化膜的孔隙结构中,造成滤料板结,同时发现少许氧化膜裂开脱落;能谱仪(EDS)能谱图显示投加BPA后,C、O元素的含量分别由之前的12.14%、18.50%增加到21.10%、22.58%,而Mn元素由之前的63.18%减少至42.49%,导致氧化膜表面锰氧化物减少;X射线光电子能谱(XPS)能谱图显示,在不同阶段氧化膜的主要化学形态为Mn3O4和MnFe2O4,而投加BPA后,有机物[—CH2—H(OH)]n覆盖在氧化膜表面及空隙中,降低了氧化膜表面的有效活性位,导致了BPA去除效果下降。

    Zn-Al-Ce水滑石在Zn-Ni二次电池中的电化学性能
    屈亚松, 俞小花, 谢刚, 史春阳, 杨亚刚, 李永刚
    化工进展. 2021, 40(3):  1558-1564.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0925
    摘要 ( 269 )   HTML ( 2 )   PDF (1789KB) ( 116 )  
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    采用水热法制备锌铝铈水滑石(Zn-Al-Ce-LDHs),并且将其作为锌镍二次电池的新型负极材料。利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对制备的Zn-Al-Ce-LDHs进行了形貌和微观结构的分析。通过循环伏安曲线(CV)、Tafel极化曲线和恒电流充电放电测试研究了Zn-Al-Ce-LDHs作为锌镍电池负极材料的电化学性能。XRD和SEM分析发现,制备的Zn-Al-Ce-LDHs结晶度完好、分散均匀并且呈现出了规则六边形片状结构。电化学性能研究结果表明,Zn-Al-Ce-LDHs应用到Zn-Ni二次电池中表现出了很好的循环可逆性能和抗腐蚀性能;恒电流充电放电测试结果分析可知,Zn-Al-Ce-LDHs电极表现出了较为优异的循环稳定性以及充放电特性,经过80次循环后,循环保持率可以达到95.1%。

    调整井固井用聚合物型抗水侵材料的制备及其性能评价
    李治衡, 张晓诚, 董平华, 张磊, 窦蓬, 刘欢
    化工进展. 2021, 40(3):  1565-1573.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0776
    摘要 ( 298 )   HTML ( 13 )   PDF (2401KB) ( 92 )  
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    针对调整井固井时水侵导致的环空窜流问题,本文以AMPS、AM、AA和SA为原料,通过自由基胶束聚合法制备一种水溶性疏水缔合聚合物AAAS来增强固井水泥浆的抗水侵能力,改善水泥浆的防窜能力,以提高该类井的固井质量。利用红外、核磁、扫描电镜及凝胶渗透色谱等手段对AAAS进行了微观分析表征,并对AAAS水泥浆体系的抗水侵性能及基本工程性能进行了评价,结果表明AAAS可明显提高水泥浆体的抗水侵能力,较之于空白水泥浆水侵后0.3MPa的窜通压力,加量为0.9%AAAS的水泥浆体系,其水侵后的窜通压力提高达到了6.9MPa,大幅度提高了水泥浆的防窜能力,且14天抗折强度为8.2MPa,抗压强度为31.5MPa,能够满足调整井固井水泥环长期封固的需要。因此,AAAS在调整井固井工程抗水侵和防窜中具有良好的应用前景。

    生物与医药化工
    微生物降解稠油中沥青质的研究进展
    于洋, 刘琦, 彭勃, 吕静
    化工进展. 2021, 40(3):  1574-1585.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0746
    摘要 ( 462 )   HTML ( 36 )   PDF (2139KB) ( 317 )  
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    稠油因黏度高、流动性差,存在开采难度大、开发成本高的问题。沥青质等重组分含量高是造成稠油高黏度的主要原因。微生物通过降解重组分可降低稠油的平均分子量,从而降低稠油黏度。本文从沥青质的结构与组成出发,阐述了微生物对沥青质的降解机理,总结了近年来国内外最新研究进展,指出了目前微生物降解沥青质研究与应用所面临的挑战,并对其发展趋势做出了展望。微生物对沥青质的降解主要是通过将多环芳烃进行开环降解、将长链正构烷烃降解为短链、将杂环化合物进行开环除去杂原子三个方面。但因沥青质的分子量较大且组成有着不确定性,所筛选的微生物是否能够高效地降解储层中原油所含沥青质仍需进一步探究,因此高效沥青质降解菌株的筛选和利用基因工程等技术手段改造菌株应是未来工作的研究重点。此外,通过菌株的复配,利用菌株间的协同效应也可以达到更为高效降解沥青质的目的。

    厌氧水解的新解读:快速水解和慢速水解
    肖向哲, 陈思远, 滕俊, 董姗燕, 连军锋, 朱易春
    化工进展. 2021, 40(3):  1586-1593.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0910
    摘要 ( 307 )   HTML ( 7 )   PDF (1217KB) ( 159 )  
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    挥发性脂肪酸(VFA)具有可生化性好、附加价值高等优点而得到广泛应用,厌氧消化产VFA是目前学术界的研究热点,但对有机物经过水解后的生物降解性能则少有论及,厌氧发酵过程中的水解产物存在“数量”和“质量”之间的权衡问题。为了进一步提高厌氧发酵过程中微生物对有机物的利用效率,突破水解对厌氧消化的限制性作用,从基质碳源释放快慢及厌氧发酵过程中碳源降解性能不同,本文将厌氧水解分为快速水解和慢速水解,分别阐述了两种水解方式的含义、分类以及优缺点,指出细胞内外碳源的释放速率和释放方式的不同是影响厌氧产酸和生物降解性能的决定性因素。最后指出快速水解与慢速水解相结合的分阶段联合处理方式,是今后厌氧消化产VFA的主要研究方向。

    深度共熔溶剂预处理木质纤维素生物质研究进展
    董艳梅, 安艳霞, 马阳阳, 张剑, 李梦琴
    化工进展. 2021, 40(3):  1594-1603.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0880
    摘要 ( 462 )   HTML ( 18 )   PDF (1661KB) ( 247 )  
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    木质纤维素生物质转化为生物燃料或化工产品一般需经历预处理、酶解及发酵过程,因其复杂的化学结构,在酶解前通常进行预处理以破坏其致密结构,提高酶与纤维素的可及性。深度共熔溶剂(DES)是一类新型的“绿色”溶剂,具有制备简单、价格低廉、性质可调、可生物降解、可循环使用等优势,可有效去除木质素组分,同时保留大部分纤维素,在生物质预处理方面具有巨大的潜力。本文介绍了DES的构成、分类及理化性质,总结了DES预处理对生物质组分的影响,并对预处理效果的影响因素如底物和DES的类型、溶剂黏度、温度、生物载量、微波及超声波辅助工艺和两阶段处理工艺等方面进行分析,探讨了DES和生物的相容性,最后针对DES存在的问题及缺点,提出了理性设计和大规模利用DES的机遇与挑战,本文可为实现生物质的低成本预处理和高价值利用提供新的思路。

    工业废弃合成气厌氧发酵产己醇研究进展
    张存胜, 刘岩, 杨莉, 田玉菲
    化工进展. 2021, 40(3):  1604-1610.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0761
    摘要 ( 345 )   HTML ( 9 )   PDF (978KB) ( 155 )  
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    己醇作为高附加值中链醇,其生物合成越来越受到研究人员的广泛关注。利用工业废弃合成气制备生物己醇能够降低原料成本,然而,生物己醇的低产率严重限制了其广泛应用。本文基于生物己醇发酵的新近报道,首次对合成气发酵制备生物己醇的研究进展进行了分析与综述。文中指出目前能够直接利用合成气合成生物己醇的菌株仅有Clostridium carboxidivorans一例,但其更倾向合成乙酸、乙醇、丁酸和丁醇等,其最高己醇产量仅为1.06g/L。己醇发酵性能受合成气组分、抑制物浓度、气液传质效率、温度和pH等影响,优化并调控关键环境因子有利于提高己醇产量。采用混菌发酵是生物己醇合成的另一种可替代途径,其关键三步反应为:①合成气向乙酸乙醇转化;②乙酸乙醇链延伸向己酸转化;③己酸还原为己醇,相关菌株包括C. ljungdahliiA. bacchiC. kluyveri等,然而混合发酵的经济性能有待进一步研究。文中指出未来生物己醇的研究将重点解决己醇产量低的“瓶颈”问题,通过合成生物学或基因工程手段改造并获得高产己醇菌未来可期。

    精细化工
    氧化石墨烯改性水性半合成液压支架用浓缩液的制备与性能
    顾丽敏, 薛伟
    化工进展. 2021, 40(3):  1611-1618.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0870
    摘要 ( 222 )   HTML ( 4 )   PDF (2542KB) ( 93 )  
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    通过化学法对氧化石墨烯(GO)中的羧基进行活化,然后在一定条件下使其与油酸三乙醇胺(MDLO)末端的羟基反应,制备GO接枝改性油酸三乙醇胺酯(MDLO-GO);最后将水、KOH、EDTA混合均匀后再依次加入蓖钾皂、MDLO-GO、乳化剂及消泡剂等,制备得到GO接枝改性半合成液压支架用浓缩液(GO-HDSF)。红外光谱和X射线光电子能谱的测试结果表明GO被成功接枝到MDLO分子链上;此外,其他性能测试结果表明,随GO添加量增多GO-HDSF浓缩液黏度逐渐增大,且耐腐蚀性、润滑性逐渐提高;当GO的添加量为0.004%(质量分数)时,GO-HDSF的耐腐蚀电位增大到83mV,电流密度减小到6.5×10-6A/cm2;GO-HDSF的最大无卡咬负荷PB值最大达到了481N。相比于未经氧化石墨烯改性的浓缩液,GO-HDSF的润滑性提高了11.9%,防腐蚀性提高了97.6%,同时耐高温、低温性能也显著提高。

    资源与环境化工
    城市污水有机物回收——捕获技术研究进展
    郭超然, 黄勇, 朱文娟, 陈丽媛, 王灵芝, 张悦, 徐楚天, 李大鹏
    化工进展. 2021, 40(3):  1619-1633.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0878
    摘要 ( 432 )   HTML ( 23 )   PDF (2680KB) ( 324 )  
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    当今的城市污水处理系统中,有机物去除过程的高额能耗和碳排放问题逐渐被重视。随之,兼具环境意义和经济效益的有机物回收理念日益受到关注。而将污水中的有机物富集或浓缩到易利用的浓度,也即污水碳捕获,是影响其回收技术经济性的关键。大众熟知的水处理工艺,如膜分离、高负荷活性污泥法、絮凝等,凭借着高的有机物保留特性而被重新认识。本文根据这些工艺在捕获过程中有机物的转移方向,将它们归类为“转移聚集”(主要是高负荷活性污泥法、絮凝)和“被动富集”(主要是膜分离)两大类进行讨论。在介绍它们各自捕获机制、捕获率、研究进展的基础上,讨论进一步提升捕获率的途径及其在规模化应用中需要克服的问题。随后本文综述了捕获产物的能源化与产品化途径,并认为根据其性质选择合适的预处理是提升资源化程度的关键。最后围绕碳捕获工艺的成熟度、能耗及运行费用,讨论了生活污水资源化工艺流程的构建。

    铁锰氧化膜同步除微污染地表水铁锰氨氮研究进展
    孙浩, 何雪英, 胡一超, 刘哲艺, 张瑛洁
    化工进展. 2021, 40(3):  1634-1642.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0836
    摘要 ( 258 )   HTML ( 7 )   PDF (1001KB) ( 196 )  
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    近年来,饮用水源水中铁、锰、氨氮复合污染的问题越来越普遍。地表水中铁、锰伴生氨氮超标的现象呈现季节性,且多发生在水库水体中,对人们的日常饮用水安全造成威胁。本文首先分析了复合污染产生的原因、危害,简单介绍了常用的处理方法及局限性,阐述了铁锰活性氧化膜接触催化氧化法的由来、氧化膜的作用机理、成熟滤料的制备过程、对污染物的去除特性及催化活性恢复等内容。重点分析了目前已有的两种反应机理,分别是活化分子氧的氧自由基理论和氧化物表面活性锰的氧化理论。最后,指出了接触催化氧化法形成与作用机理的研究仍需深入,对下一步的探索进行了展望,提出了络合催化加速滤膜成熟的设想,并认为该方法在未来具有较大的发展潜力和广阔的应用前景。

    循环流化床锅炉外置换热器的研究现状及在垃圾焚烧炉中的应用
    蒋旭光, 魏邦吉, 胡林飞, 王汝佩, 宋菲菲, 陈少卿
    化工进展. 2021, 40(3):  1643-1652.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0868
    摘要 ( 328 )   HTML ( 29 )   PDF (1530KB) ( 333 )  
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    循环流化床垃圾焚烧炉作为一种新型焚烧处理技术,具有适用范围广、燃烧稳定、排放低等优点。布置外置换热器可以在提高锅炉蒸汽的压力、温度参数及容量的同时避免过热器高温腐蚀,灵活调节床温。虽然目前国内外对外置换热器已有相关研究,但以电站燃煤锅炉为主。垃圾焚烧炉由于锅炉蒸汽的压力和温度参数较低,采用外置换热器还很少。本文综述了带外置换热器的循环流化床垃圾焚烧炉的研究现状,同时介绍了具有相同换热原理、极具参考价值的带外置床的循环流化床燃煤锅炉的国内外研究现状,分析了与床内传热系数、流化特性相关的影响因素,指出在试验和实炉运行时存在受热面出口壁温热偏差较大、边壁区域流化质量不佳的问题,并提出了改进措施。最后总结当前的研究重点,提出了针对试验台和实炉测试的改进措施,并针对垃圾流化床外置换热器的研发提出了研究思路,为今后建设高参数垃圾焚烧炉提供了合理建议。

    基于碳基催化剂活化过二硫酸盐降解有机污染物的研究进展
    孙金龙, 张宇, 刘福跃, 田浩然, 刘崎峰
    化工进展. 2021, 40(3):  1653-1666.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0883
    摘要 ( 425 )   HTML ( 38 )   PDF (2134KB) ( 171 )  
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    碳基催化剂作为一种绿色催化材料,可以有效防止有毒金属离子的浸出和二次污染。本文首先对碳基催化剂活化过二硫酸盐(PDS)降解有机污染物存在的三种反应机制进行了具体的阐述,对自由基机制和非自由基机制的优缺点进行了对比和讨论,对使用不同碳基材料(包括活性炭、石墨烯、碳纳米管、中孔炭、纳米金刚石、生物炭)作为催化剂活化过二硫酸盐降解有机污染物的研究进展进行了梳理,比较了不同碳基催化剂对有机污染物的选择性和降解效果,并对各种碳基材料存在的问题进行了总结;然后探讨了碳基催化剂掺杂改性对催化活性的影响及其机理,针对碳基催化剂存在稳定性和重复利用性差的问题介绍了几种碳催化剂再生方法,最后对碳催化剂用于活化PDS降解实际有机废水的前景做出了展望。

    3MW杏壳气化发电联产活性炭、热、肥的应用案例分析
    章一蒙, 马欢欢, 陈登宇, 周建斌
    化工进展. 2021, 40(3):  1667-1674.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0798
    摘要 ( 230 )   HTML ( 15 )   PDF (2080KB) ( 128 )  
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    杏壳活性炭生产是河北省山杏产业的重要组成部分,其生产规模不断扩大,工艺不断改进,然而传统杏壳活性炭生产工艺仍存在产品单一、杏壳资源利用不充分、产品附加值低以及加工过程高能耗、高污染、低效率等问题。本文介绍了生物质气化技术应用于活性炭生产,基于南京林业大学生物质气化多联产技术建成了3MW杏壳气化发电联产活性炭、热、肥项目;并介绍了此系统的技术特点、运行情况,同时进行了平衡分析和投资成本、投资回收期及运行费用等经济指标的分析。结果表明,该项目每年可利用杏壳3.9万吨,节约原煤折算标煤量为7500吨,减排CO2 3.738万吨,环境效益好,投资回收期一年多,经济效益非常显著,适合规模化推广应用。

    改良型多级A/O-MBR组合工艺对低C/N比生活污水的强化除磷
    郑凯, 张子贤, 吴勇, 王万红, 武福平
    化工进展. 2021, 40(3):  1675-1680.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0874
    摘要 ( 233 )   HTML ( 9 )   PDF (1594KB) ( 86 )  
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    采用多级厌氧/耗氧膜生物反应器(A/O-MBR)组合工艺对低C/N比生活污水进行处理时,存在总磷(TP)处理不达标的问题。通过改变污泥回流位置并增加内回流的改良型多级A/O-MBR组合工艺强化除磷,探究该工艺对低C/N比生活污水中TP的去除效果,并通过污泥静态分析研究其污泥反硝化除磷机理。结果表明,改良型多级A/O-MBR组合工艺对TP去除效果良好,平均去除率达到了86.36%,同时对化学需氧量(COD)、总氮(TN)及氨氮去除效果良好,均达到一级A排放标准。该工艺提高了聚磷菌及反硝化聚磷菌的比例,有效强化了对TP的去除。

    铜阳极泥分铜液综合回收稀贵金属
    张福元, 张金池, 张广安, 赵卓
    化工进展. 2021, 40(3):  1681-1688.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0757
    摘要 ( 311 )   HTML ( 21 )   PDF (2877KB) ( 146 )  
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    以铜阳极泥硫酸化焙烧-酸浸脱铜所得分铜液为原料,采用Fe2+原位还原分铜液中的Te、Au、Pt和Pd,协同生成新生态胶体状碲选择性高效捕集Au、Pt和Pd等贵金属。根据铜阳极泥的预处理工艺,分析了贵金属在分铜液中的溶解机理;通过热力学计算绘制了As-Fe-H2O系电位-pH图,指导调控分铜液电极电位;根据分铜液中主要金属离子的电极电位,探讨了分铜液原位还原稀贵金属机理。在Fe2+浓度为2g/L、搅拌速度为300r/min和85℃的优化条件下反应1.5h,贵金属Au、Ag、Pt和Pd的沉淀率分别为100%、100%、99.2%和99.6%,Se、Te和As的沉淀率分别为33.3%、36.1%和16.8%,沉淀渣中Te、Au、Ag、Pt、Pd品位分别为18.24%、124g/t、10.54%、1010g/t、320g/t,XRD分析表明,沉淀渣物相组成主要为AgCl,其他成分呈非晶态或含量较低未出现明显衍射峰,微观形态主要为细微颗粒和较规则晶体状,SEM面扫描图谱显示银和氯具有明显一致的富集区域,砷与铁具有较一致的富集区域,主要形成AgCl、FeAsO4物相赋存渣中。该工艺简单、成本低、对环境友好,实现了分铜液中稀贵金属的高效综合回收。

    基于深度神经网络的脱硫系统预测模型及应用
    马双忱, 林宸雨, 周权, 吴忠胜, 刘琦, 陈文通, 樊帅军, 要亚坤, 马采妮
    化工进展. 2021, 40(3):  1689-1698.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0751
    摘要 ( 322 )   HTML ( 19 )   PDF (4186KB) ( 185 )  
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    建立了一个隐含层包含一个长短期记忆层(long-short term memory, LSTM)、两个线性整流函数层(rectified linear unit, ReLU)、两个全连接层(fully connected layer)和输入、输出层组成的深度神经网络,用于脱硫系统主要指标预测。该模型对输入参数采用了指数滑动平均、合并最小分析周期等数据预处理技术进行降噪,在网络训练过程中采用dropout技术防止过拟合。仿真结果对比现场数据表明,模型对浆液pH、出口SO2浓度和脱硫率均体现出良好的预测能力。本文还结合某2×350MW燃煤电厂提供的实际工况数据,以石灰石供浆密度对系统脱硫性能的影响为例,详细介绍了利用所建立的深度神经网络模型测试湿法脱硫系统各参数指标对脱硫效果的影响,并结合化学机理和工业实际进行的诊断过程。

    信息交流
    《化工进展》全新推出“观点(Perspective)”栏目
    化工进展. 2021, 40(3):  1699-1699. 
    摘要 ( 119 )   PDF (128KB) ( 61 )  
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