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2021年 第40卷 第6期 刊出日期:2021-06-06
    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2021, 40(6):  0. 
    摘要 ( 104 )   PDF (3909KB) ( 112 )  
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    化工进展. 2021, 40(6):  1. 
    摘要 ( 57 )   PDF (438284KB) ( 114 )  
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    专栏:新能源化工
    可再生能源电解制氢技术及催化剂的研究进展
    郭博文, 罗聃, 周红军
    化工进展. 2021, 40(6):  2933-2951.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1889
    摘要 ( 730 )   HTML ( 57 )   PDF (1870KB) ( 917 )  
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    氢能是一种清洁、高效的二次能源,是构建未来清洁社会的重要支撑。在众多制氢技术中,利用可再生能源产生电能,并通过电解水制备高纯度氢气是最具潜力的制氢路线之一。本文在介绍三种电解水制氢技术及核心部件的基础上,重点讨论了电解水析氢催化剂,特别是过渡金属基电催化剂及单原子催化剂的研究进展。本文最后对可再生能源发电与电解水制氢技术的耦合进行了分析与讨论,简述了现阶段国内外基于可再生能源发电制氢项目的开发进展。文章指出,随着电力成本下降,高效、稳定、经济的析氢催化剂的开发,可再生能源发电制氢将成为解决能源消纳、加速氢能产业化进程、最终实现我国向低碳清洁能源转型的重要途径。

    碳点用于光催化分解水制氢的研究进展
    王雅君, 张文灿, 李宇明, 姜桂元, 姚文清
    化工进展. 2021, 40(6):  2952-2961.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1886
    摘要 ( 396 )   HTML ( 32 )   PDF (3672KB) ( 583 )  
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    光催化分解水制氢是获取氢能的理想方式,开发高效的光催化剂成为本领域研究的热点。碳点因为具有独特的上转换性能、可见光响应以及带隙可调的性质且水溶性好、无生物毒性、光致发光性能优异,在光催化产氢领域的应用引起了极大关注。目前合成碳点的方法主要包括自上而下和自下而上两种方式。通过表面钝化、表面功能化或元素掺杂等改性手段可以进一步增强碳点的光电性能和抗腐蚀性能。本文从碳点主要的制备和改性手段出发,概述了近年来碳点用于光催化分解水制氢领域主要的研究成果,总结了碳点分别作为光催化剂主体、助催化剂、光敏剂以及Z型结构的电子转移介质在光催化制氢中的应用。同时指出目前碳点在光催化制氢领域还普遍存在着机理不明晰、产氢效率偏低的问题,未来该领域的研究方向将侧重于大规模合成结构更精确、目标特定性更强的碳点以及探究碳点在光催化产氢过程中的优化机制。

    新型储氢材料研究进展
    高佳佳, 米媛媛, 周洋, 周红军, 徐泉
    化工进展. 2021, 40(6):  2962-2971.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1771
    摘要 ( 552 )   HTML ( 45 )   PDF (1306KB) ( 535 )  
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    氢能作为一种环保可再生的新型能源,生产技术逐渐走向成熟,成本大幅度下降,将迎来快速发展的机遇期。氢能被广泛利用的关键在于是否能够实现高效储存。本文重点讨论了四类新型储氢材料,即金属络合氢化物储氢材料、碳纳米管储氢材料、沸石以及新型沸石类材料、有机液态储氢材料。文章指出:金属络合氢化物储氢材料储存压力低但循环稳定性差;碳纳米管储氢材料已经有很长的发展历史,安全性高且易脱氢,然而目前对其储氢机理认识不够成熟;沸石以及新型沸石类材料价格低廉,但是对反应条件的要求高;有机液态储氢材料被认为是大规模储存和运输的可行选择,然而昂贵的成本和苛刻的反应条件限制了其发展。文章指出后续需要改进并开发具有较高存储容量和具有经济价值的储氢材料。

    液态生物质燃料重整及其在固体氧化物燃料电池中的应用
    彭元亭, 王傲, 韦童, 李南奇, 李箭
    化工进展. 2021, 40(6):  2972-2979.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1328
    摘要 ( 272 )   HTML ( 17 )   PDF (1422KB) ( 294 )  
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    固体氧化物燃料电池(soild oxide fuel cell,SOFC)是一种清洁高效的发电装置,它可以利用氢气或碳氢燃料发电。液态生物质燃料是一种可再生碳氢燃料,它通过将生物质进行快速催化热解后,经过进一步催化加工制得,主要包括生物甲醇、生物乙醇、生物柴油及其副产物生物甘油等,将SOFC与液态生物质燃料结合,具有便携、清洁和高效等优点。本文分析了包括生物甲醇、生物乙醇、生物柴油以及生物甘油在内的液态生物质燃料的重整研究及其在SOFC中的应用进展,包括重整转化机理与效率、产物选择性、应用于发电存在的优势与难题等。通过对液态生物质燃料进行催化重整,可有效抑制SOFC直接使用液态生物质燃料发电存在的阳极积炭失活现象,从而提高发电效率,延长SOFC使用寿命。总结了目前液态生物质燃料直接用于SOFC发电的研究进展,提出了未来的研究方向,以期提高液态生物质燃料在SOFC中的利用效率和稳定性。

    重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池研究进展与展望
    严文锐, 张劲, 王海宁, 卢善富, 相艳
    化工进展. 2021, 40(6):  2980-2992.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1902
    摘要 ( 261 )   HTML ( 15 )   PDF (4662KB) ( 370 )  
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    甲醇作为一种安全便捷的液态储氢燃料,具有高含氢量以及高体积能量密度,可经重整为富氢气后与燃料电池系统集成为重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池,从而高效地将甲醇和氧气的化学能转变为电能。本文针对重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池的不同类型(外置重整型和内置重整型),分别对其系统集成的实现与发展进行了总结,并介绍了其现阶段在军用和民用方面的应用情况,同时指出了技术研究与应用存在的瓶颈,并对未来的研究方向进行了展望。未来提升重整甲醇高温聚合物电解质膜燃料电池性能的努力在于开发低温工作的高效甲醇重整催化剂,以及高温稳定运行的聚合物电解质膜和非贵金属材料等燃料电池关键材料。

    原子力显微镜在质子交换膜燃料电池表/界面现象中的应用
    和晶, 王晓江, 张硕猛, 和庆钢
    化工进展. 2021, 40(6):  2993-3004.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1945
    摘要 ( 253 )   HTML ( 1 )   PDF (5780KB) ( 466 )  
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    综述了原子力显微镜(AFM)的技术特点及其在质子交换膜燃料电池(PEMFCs)表/界面现象研究中的应用,总结了利用AFM多种模式表征质子交换膜和催化层的表面性质、界面结构、质子传导机理以及电化学活性方面的研究进展。除此之外,AFM可以在燃料电池工作条件下对电化学反应过程进行监控, 实时观察PEMFCs中的电化学行为,是研究PEMFCs中质子传导机理和电化学活性的一种有效手段。AFM研究对质子交换膜的合成与改性具有一定的指导意义,同时也为催化剂等其他关键材料的制备提供了参考,为PEMFCs中电化学反应过程的研究开辟了更多的方向,具有良好的发展前景。

    电催化合成氨研究进展
    范文龙, 李林哲, 薛志伟, 孟秀霞, 张津津, 于方永, 杨乃涛
    化工进展. 2021, 40(6):  3005-3019.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2412
    摘要 ( 263 )   HTML ( 9 )   PDF (4504KB) ( 284 )  
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    电催化氮还原合成氨在常压下进行,能克服高耗能、高CO2排放等问题,是最有希望替代传统方法的新型技术之一。用于电催化合成氨反应的电解质材料按照工作原理和组成可以分为固体氧化物电解质、熔融盐电解质、聚合物膜电解质以及液体电解质等,工作温度依次降低。本文从电解质出发,综述了电催化合成氨工作原理、电极材料、生产速率和法拉第效率等方面的前沿理论和应用案例,指出了目前电催化氮还原合成氨领域面临着合成氨速率和法拉第效率低、电解质的质子传导效率不足、催化剂活性及稳定性不良等问题以及低温化的研究趋势,为深入探索电催化合成氨新方法提供理论支持和方向引导。

    富氧多孔炭的合成及其在电化学储能中的作用
    侯璐, 胡友仁, 李文翠, 董晓玲, 陆安慧
    化工进展. 2021, 40(6):  3020-3033.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2433
    摘要 ( 183 )   HTML ( 11 )   PDF (3010KB) ( 147 )  
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    多孔炭在电化学储能器件中具有不可或缺的作用。本文主要介绍了富氧多孔炭材料的物理化学特性、表面含氧官能团的种类及表征方法;总结了富氧多孔炭常见的合成方法并分析了各种方法的优缺点;以超级电容器和锂/钠离子电池为例,阐述了近年来富氧多孔炭材料在储能应用方面的研究进展,探讨了含氧官能团在储能过程中的作用机理;指出了富氧多孔炭应用于电极材料时高比容量与高导电性能相互制约的问题,提出理性设计多孔炭结构中含氧官能团的类型及数量,可以在保持多孔炭电化学稳定性的同时,为多孔炭提供丰富的氧化还原活性位,提高其与电解质的亲和性,从而提升储能器件的能量密度;并展望了含氧官能团原位表征技术的开发与材料先进结构组分的设计等富氧多孔炭储能电极的未来发展方向。

    非热等离子体催化转化C1分子及其催化剂研究进展
    陈焕浩, 范晓雷
    化工进展. 2021, 40(6):  3034-3045.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1958
    摘要 ( 265 )   HTML ( 18 )   PDF (3176KB) ( 250 )  
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    非热等离子体催化具有反应条件温和、启动快和反应器结构紧凑等特点,在C1分子催化转化领域(如CO2加氢、甲烷活化、水煤气变换反应和甲醇重整制氢)有着广阔的应用前景。具体来说,等离子体特有的高能电子可在气相中快速活化稳定性极强的C1分子并生成活性物质,接着与催化剂结合发生表面化学反应,从而实现常温常压下C1分子的高效转化。然而,等离子体与催化剂之间的协同作用机制以及催化机理极为复杂,仍有待进一步研究。本综述简单介绍了非热等离子体催化转化C1分子的近期研究进展,重点探讨了适用于非热等离子 体的催化剂研究以及催化机理的高级原位表征。最后,提出了非热等离子体催化转化C1分子的未来发展方向:①设计并构筑适用于非热等离子体催化的高效催化剂,并研究其构效关系;②发展高级原位表征技术,揭示活性物质的作用机理以及催化机理;③设计并构建高效的等离子体催化反应器,并建立反应器的理论模型和数值模拟方法,科学指导等离子体反应器的设计、优化和放大。

    金属有机框架材料在锂硫电池的应用前沿进展
    蔡诗怡, 李津瑜, 吴丽霞, 谢湘娟, 伍丽卿, 高兴远, 杨乃涛
    化工进展. 2021, 40(6):  3046-3057.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2496
    摘要 ( 239 )   HTML ( 17 )   PDF (5755KB) ( 432 )  
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    锂硫电池是一种具有高理论比容量(1675mA·h/g)和能量密度(2600W·h/kg)的锂二次电池,被认为是最具前景的高储能二次电池体系之一。但硫的导电性差、多硫化物的穿梭效应等是阻碍锂硫电池实际应用的关键。本文聚焦于锂硫电池的发展趋势,概述了锂硫电池面临的挑战和金属有机框架(MOF)材料潜在的解决方案。同时,在突出MOF材料多孔结构、富活性位点和功能配体等优势特点之外,也辩证地分析了其存在的导电性差等问题。综述了一系列MOF材料的设计和制备,包括自支撑MOF材料、MOF碳复合材料、MOF(导电)高分子复合材料、MOF衍生碳材料、MOF衍生金属/碳复合材料,同时阐释了MOF材料对于锂负极侧枝晶的抑制作用,深入阐释其构效关系,希望对于相关领域的研究者有所启发,以促进新能源新材料领域的理论和技术进步。

    化工过程与装备
    循环流化床粉煤灰理化特性及元素溶出行为研究进展
    马志斌, 张学里, 郭彦霞, 程芳琴
    化工进展. 2021, 40(6):  3058-3071.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1384
    摘要 ( 201 )   HTML ( 12 )   PDF (5388KB) ( 636 )  
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    综合论述了循环流化床(CFB)粉煤灰粒度、微观形貌、化学及物相组成、化学结构等理化特性,并与煤粉炉(PC)粉煤灰进行对比分析,突出了CFB灰在理化特性方面的独特性。其次,总结了CFB灰在酸碱体系中主要元素溶出行为及浓度、液固比、反应时间和温度等因素对溶出行为的影响。结果表明,CFB灰中铝硅聚合度低于PC灰,物相以无定形硅铝酸盐为主,晶体矿物质质量分数之和仅为灰质量的20%~30%。同等条件下CFB灰中铝在酸溶液的溶出活性高于PC灰,使得CFB灰在有价元素提取方面更具优势。然而,随着铝在酸溶液中的溶出,硅逐渐累积并附着在颗粒表面,阻碍了铝的进一步溶出。因此,综合考虑CFB灰有价元素温和提取及酸浸渣利用可大幅提高技术经济性。在碱性体系中CFB灰主要溶出元素为硅和铝,目前对CFB灰无定形硅铝酸盐中硅铝在碱性体系溶出行为缺乏深入的认识,加强该方面研究可提高对CFB灰碱激发过程胶凝机理的认识,从而促进CFB灰制备胶凝材料方面的发展。

    膜蒸馏脱盐过程膜润湿的研究进展
    刘立新, 赵晓非, 赖家凤, 邱观平, 李乾峰, 陈俊宇
    化工进展. 2021, 40(6):  3072-3082.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1436
    摘要 ( 220 )   HTML ( 8 )   PDF (3181KB) ( 171 )  
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    膜蒸馏(MD)适合在偏远地区小规模制备淡水,有脱盐率高、接近常压操作、可利用太阳能等优势。但MD膜润湿影响了装置的运行稳定性,是制约MD脱盐应用的重要因素之一。本文介绍了MD膜润湿的评价方法,包括测定透水压力、临界膜孔润湿深度及可视化在线监测膜润湿进程等;简述了膜污染、MD操作变量、膜蒸馏形式及不同结垢晶体各因素对膜润湿的影响;从防垢和强化通量、掌握合适的膜清洗周期、物理干预及提升MD膜性能等方面分析了抑制膜润湿的措施;并分析了一些脱盐实验时间较长的MD膜润湿情况;指出具有自清洁性的光催化膜及防垢性能更强的双疏膜和Janus膜,具有抑制MD膜润湿的巨大潜力。本文有助于对脱盐过程中MD膜润湿的预测和有效控制。

    变频刚柔搅拌反应器强化锰矿浸出及除铁过程
    陈奇志, 周毅林, 刘作华, 陈南雄, 杨勇, 魏红军, 童张法
    化工进展. 2021, 40(6):  3083-3090.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0001
    摘要 ( 125 )   HTML ( 9 )   PDF (1637KB) ( 149 )  
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    传统锰矿浸出过程采用刚性搅拌反应器,存在矿粉悬浮效果差、锰矿利用率低、浸出液中铁含量较高的问题。本文采用变频刚柔搅拌反应器强化锰矿的浸出过程,实验对比分析了不同桨叶类型、搅拌桨操作方式和变频间隔时间对锰矿浸出效果、搅拌功耗的影响,同时分析了变频刚柔桨耦合空气射流在除铁过程的效果。结果表明,变频刚柔桨通过柔性钢丝绳对流体的扰动作用以及变频操作对稳定流场的更新作用,提高浸出液中Mn2+含量;同时,由于体系变频操作的频率变化,降低了搅拌功耗。相同功耗下,刚柔组合桨体系浸出液中Mn2+含量相对于刚性桨体系提高了10.8%;相同转速下,刚柔组合桨体系在浸出过程的功率消耗相对于刚性桨体系提升了25.4%。变频间隔时间为30min时,变频刚柔桨体系浸出液中Mn2+含量相对于刚柔组合桨体系降低了2.17%,但相应搅拌功耗降低了28%。调节体系pH后,采用变频刚柔桨耦合偏心空气射流操作,可有效降低浸出液中Fe2+含量。在通气60min后,浸出液中Fe2+浓度已至较低水平,低于0.15mg/L。

    气田采出水复合除铁、除钙工艺
    张翱, 房建宇, 刘博, 赵轩刚, 黄力, 黄鹤, 冉良涛, 苏碧云
    化工进展. 2021, 40(6):  3091-3098.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1296
    摘要 ( 145 )   HTML ( 3 )   PDF (2321KB) ( 231 )  
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    由预处理环节水质及精馏塔垢分析可知,管线堵塞的主要原因是含铁、含钙量严重超标,导致结垢物堆积在输水设备及管线内部,同时引起垢下腐蚀,影响气田采出水处理设备的正常运行。鉴于绝大多数处理厂仅考虑铁离子的去除,而未考虑Ca2+的去除,本文首次在采出水预处理环节对除铁和除钙工艺进行复合,通过筛选适宜的除铁除钙剂,优化加药顺序、加药反应时间、静置时间等参数,开发出适用于气田采出水处理的复合除铁除钙工艺。结果表明,现场加药量为H2O2 500mg/L、NaOH 500mg/L、PAC 50mg/L、PAM 4mg/L,除钙剂与Ca2+的摩尔比为1∶1,加药顺序为Na2CO3→H2O2→NaOH→PAC→PAM,反应时间7min以上,静置5h以上时,气田采出水中的总铁离子含量可由153.24mg/L降至0.3338mg/L,Ca2+由5495mg/L降至520mg/L,其中总铁离子降幅为99.8%,Ca2+降低了90.54%,矿化度大幅度降低可避免后续环节堵塞,从而保障气田采出水处理系统高效运行。

    应用于空分纯化系统的相变储热器建模及分析
    张春伟, 张学军, 赵阳
    化工进展. 2021, 40(6):  3099-3106.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1332
    摘要 ( 118 )   HTML ( 3 )   PDF (1402KB) ( 135 )  
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    为实现空分纯化系统污氮气余热的回收再利用,设计了一种采用相变储热器的新型空分纯化系统,同时提出了相应的相变储热器设计方法。首先,对空分纯化系统进行数据采集,并通过回归获得污氮气温度、流量等参数的特性函数。随后,建立了非稳态变温热源下的相变储热器动态数学模型,并推导相变材料在污氮气特性函数作用下的温度通用表达式。其次,以储、放热整体循环的最大放热量为目标函数,采用微分进化算法优化储热器内相变材料熔化温度、质量等关键参数。最后,通过穷举计算了单、双级相变储热器中相变温度与余热利用率之间的关系。计算结果表明,对于单级相变储热器,最佳的相变温度为59.67℃,最大余热利用率约为0.41;对于双级相变储热器,第一级和第二级的最佳相变温度分别为73.68℃和46.04℃,最大余热利用率约为0.52。本研究为提升空分纯化系统能效奠定了理论基础。

    利用基于PSO算法的径向基人工神经网络优化重催干气脱硫
    范峥, 田润芝, 林亮, 韩彦忠, 郭阳, 豆龙龙, 景根辉, TYOOR Agi Damian
    化工进展. 2021, 40(6):  3107-3118.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1426
    摘要 ( 181 )   HTML ( 8 )   PDF (2251KB) ( 167 )  
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    针对重催干气脱硫过程存在进料波动频繁、优化响应滞后导致能量消耗过大等问题,通过Aspen HYSYS V11软件利用Li-Mather物性方法对该系统进行全流程模拟,根据Plackett-Burman设计筛选对目标值具有显著影响的有效因素,利用基于PSO算法的径向基人工神经网络对预测模型进行训练、验证和测试,并在满足净化干气硫化氢浓度约束的前提下对其进行深度优化,以期最小化系统能耗。结果表明,重催干气流量、重催干气硫化氢浓度、贫液哌嗪质量分数、贫液N-甲基二乙醇胺(MDEA)质量分数、胺液循环量、T-3001塔底温度和E-3003贫液出口温度对系统能耗影响非常显著,当以上述因素为输入信号,以系统能耗为网络输出时,7-16-1型径向基人工神经网络预测模型经过4182次迭代后,它的训练样本、验证样本、测试样本均方误差分别为5.08×10-6、7.78×10-6和9.56×10-6,均小于容许收敛误差限10-5,而其决定系数亦高达0.981、0.975、0.969,表现出良好的相关性。当利用基于PSO算法的径向基人工神经网络对重催干气脱硫系统能耗进行优化时,经过3198次粒子进化迭代后系统能耗仅为0.0649kgoe/h,较优化前系统能耗0.0713kgoe/h降低了8.98%,节能效果显著。

    基于分子动力学模拟的轮胎橡胶气相热解产物反应机理
    于双鹏, 杨启容, 陶礼, 刘亭, 杜威, 姚尔人
    化工进展. 2021, 40(6):  3119-3131.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1421
    摘要 ( 226 )   HTML ( 9 )   PDF (3880KB) ( 169 )  
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    运用分子动力学的方法,对轮胎橡胶的热解过程进行了模拟,并结合模拟结果和密度泛函数对其气相产物的反应路径进行推测计算。模拟结果表明,热解过程主要分为两个阶段,低温热解阶段发生的主要反应是橡胶长链断裂形成单体,主要产物为异戊二烯、苯乙烯和1,3-丁二烯;高温热解阶段发生的主要反应是单体进一步生成小分子气体,产物中CH4、H2、C2H4占大部分,还有少量C2H6、C3H6。其中CH3·攻击异戊二烯和苯乙烯单体夺取特定位置的H·是生成CH4的最优路径,H·攻击苯乙烯单体夺取特定位置的H·是生成H2的最优路径,CH2CH·攻击1,3-丁二烯单体夺取特定位置的H·是生成CH2CH2的最优路径。本文还将热解产物分别跟天然橡胶单独热解和天然橡胶与丁苯橡胶共热解的热解产物做对比,为废旧轮胎橡胶热解得到特定的气相产物和催化热解提供理论依据。

    能源加工与技术
    锂离子电池安全材料的研究进展
    王特, 蒋立, 田晓录, 方彬任, 屈龙, 李明涛
    化工进展. 2021, 40(6):  3132-3142.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1416
    摘要 ( 350 )   HTML ( 19 )   PDF (2222KB) ( 273 )  
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    锂离子电池因其清洁、充放电快、高能量密度等优点广泛应用于电动汽车。最近,电动汽车起火、爆炸事故引起人们对锂离子电池安全性的担忧。针对锂离子电池电解液易燃、易爆、易泄漏等安全问题,本文综述了电解液中加入阻燃剂磷酸酯、离子液体、氢氟醚的最新研究进展及其优缺点。电池如果在过充危险状况下会造成热积累,进而引发电池内部一系列危险副反应。本文还总结了氧化还原保护和电聚合保护两种措施来避免电池过度充电的研究进展。由于锂电池发生危险事故前内部会有一个热积累过程以及随着电池内部温度上升隔膜难以保持其力学性能,本文分别从热响应开关正极材料和安全隔膜两部分阐述了近年来锂离子电池内部热积累的应对策略,以期为最终解决锂离子电池的安全问题指明方向。

    水合物法提纯低浓度煤层气的研究进展
    邵伟强, 梁海峰, 张锡彦, 张华
    化工进展. 2021, 40(6):  3143-3150.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1344
    摘要 ( 117 )   HTML ( 6 )   PDF (842KB) ( 81 )  
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    开发利用低浓度煤层气资源,对于缓解我国能源紧缺、消费结构不合理等问题具有重要意义。本文介绍了我国低浓度煤层气的利用现状,通过比较和分析几种煤层气提纯技术的优缺点,认为水合物法提纯技术具有很大潜力。水合物法提纯低浓度煤层气技术具有环保、安全、储气率高、原料简单等优点,同时仍需解决降低水合物生成条件、缩短水合物诱导时间、提高CH4回收率等关键问题。重点概括了低浓度煤层气水合物热力学和动力学基本理论的发展以及水合法提纯低浓度煤层气技术的机理研究。从表面活性剂、新型耦合技术及水合反应器三个方面分别阐述了水合物法提纯低浓度煤层气技术的研究进展。最后,展望了水合物法提纯低浓度煤层气技术的工业化前景,提出了以下具体研究方向:探寻优质的添加剂组合并结合多级分离的方法对低浓度煤层气进行提纯,进一步探究水合法同其他煤层气提纯法相耦合的技术,优化反应器结构以及完善经济评价体系来促进其工业化进程。

    生物质微波热解制备液体燃料和化学品的研究进展
    曾媛, 王允圃, 张淑梅, 夏美玲, 吴秋浩, 刘玉环, RUAN Roger
    化工进展. 2021, 40(6):  3151-3162.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1322
    摘要 ( 269 )   HTML ( 10 )   PDF (1493KB) ( 145 )  
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    微波热解是一种高效的生物质转化利用技术,具有独特的热效应和非热效应,可将生物质转化为液体燃料和化学品,能有效缓解能源压力,减少环境污染。本文着重探讨了生物质原料特性、微波吸收剂、催化剂对生物质微波热解制备高品质液体燃料和化学品的影响。原料特性的影响主要从生物质的水分含量、灰分含量和有效氢碳比三方面展开论述,催化剂包括金属盐、金属氧化物、ZSM-5、微波驱动型催化剂以及其他一些催化剂,如HY、MCM-41和碳基催化剂等。简述了生物质的微波热解特性、液体燃料的组成以及转化机理,并对现存的热解机理复杂、产物复杂不稳定、目标产物选择性差、催化剂易结焦失活、重复性差等问题进行了分析,展望了未来的发展方向,以期为生物质的高效转化利用提供依据。

    脉动热管用于电动汽车锂电池散热性能试验
    陈萌, 李静静
    化工进展. 2021, 40(6):  3163-3171.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1400
    摘要 ( 184 )   HTML ( 6 )   PDF (2398KB) ( 113 )  
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    针对电动汽车车用锂电池热管理问题,依据脉动热管(TiO2纳米流体为工质)的高系数传热特性,设计了车用锂电池散热组件并进行了实用环境下的散热性能试验。试验结果表明,在2%的工质浓度(质量分数)和50%充液率条件下,可实现闭环脉动热管(TiO2-CLPHP)传热性能的最优化;同时,所设计的TiO2-CLPHP可以保证不同放电倍率条件下(0.5C、1C、1.5C)锂电池表面最高温度不超过35℃,最大温差在2.25℃以内,实现了锂电池表面温度均匀性能的有效改善(改善率达55%),并可确保在不同路面条件下,TiO2-CLPHP对锂电池的散热性能基本不变。

    PEMFC电堆动态工况响应性能试验
    刘鹏程, 许思传
    化工进展. 2021, 40(6):  3172-3180.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1327
    摘要 ( 175 )   HTML ( 2 )   PDF (2591KB) ( 130 )  
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    质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆动态响应特性对PEMFC电堆的耐久性和可靠性具有很大影响。本文试验考察了PEMFC电堆在动态工况下的输出性能、单电池电压均衡性变化和动态响应特性。结果表明,在整个动态运行工况下,电堆运行良好,进出口冷却液温差小于5℃。电流阶跃变化时电堆电压均衡性出现突增变化,同时随着电流的增大,稳态时电堆均衡性变差。在超负荷(200A)运行工况下,电堆各单电池之间输出差异变大,均衡性持续变差,电堆中间和前端单电池电压明显降低。此外,在整个动态响应过程中电流阶跃上升时的电压最大下冲值比电流阶跃下降时的电压最大上调量大,但输出电压能在10s内达到相对稳定的状态(电压波动率<0.02)。通过该研究,以期为实际车载电堆运行和控制优化提供参考。

    工业催化
    三维有序大孔钙钛矿金属氧化物作为高效燃烧催化剂的研究进展
    李翠翠, 张婷, 安静, 曾见有, 马海霞
    化工进展. 2021, 40(6):  3181-3190.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1434
    摘要 ( 293 )   HTML ( 14 )   PDF (3549KB) ( 136 )  
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    三维有序大孔(3DOM)材料因为具有独特的结构、可调的组成、高稳定性、高电子传递能力以及高比表面积而引起很多学者的研究兴趣。本文主要介绍了3DOM钙钛矿材料作为催化剂或载体在催化碳烟、挥发性有机物和甲烷燃烧方面取得的成果,分析了制备条件、结构特征对催化性能的影响;指出了3DOM钙钛矿材料具有优异的催化燃烧稳定性、高分子吸附和扩散能力以及高氧迁移率,能够显著降低氧化还原温度和表观活化能,因此可以作为高效燃烧催化剂。最后提出了未来研究重点和发展方向,在未来的研究中应该开发出更多可以与贵金属相媲美的廉价的新型3DOM材料以拓展3DOM材料应用范围。另外,3DOM 材料表面性能的提升以及用于催化燃烧的作用机理需进一步深入研究。

    浸渍方法对Ni-W/Y-ASA催化剂加氢裂化性能的影响
    葛佳琪, 谢方明, 刘思危, 马艳龙, 李海岩, 田宏宇, 孙发民, 刘百军
    化工进展. 2021, 40(6):  3191-3196.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1495
    摘要 ( 178 )   HTML ( 6 )   PDF (1367KB) ( 88 )  
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    以高比表面积无定形硅铝(ASA)和改性Y型分子筛(USY)为原料制备催化剂载体,分别采用传统浸渍法、铝溶胶浸渍法、USY粉体浸渍法和ASA粉体浸渍法制备Ni-W/Y-ASA催化剂。采用氮气吸附-脱附、扫描电镜(SEM)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)、吸附吡啶原位红外(Py-IR)和颗粒强度测定仪等表征手段,探究不同的浸渍方法对催化剂的织构性质、形貌、酸性以及机械强度的影响,并将制备的催化剂应用于正癸烷的加氢裂化反应。结果表明,采用ASA粉体浸渍方法,因较多地保留了Ni-W/Y-ASA催化剂中USY粉体上的B酸性位,使催化剂具有最多的B酸含量,增强了催化剂的酸性质,进而提高了催化剂在以正癸烷为模型化合物的加氢裂化反应中的裂化活性。

    ZnO晶面对纳米Au催化CO氧化性能的影响
    李炳鑫, 周慧然, 吕温馨, 赵晓华, 王晓兵, 张明, 娄向东
    化工进展. 2021, 40(6):  3197-3202.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1410
    摘要 ( 204 )   HTML ( 10 )   PDF (1633KB) ( 143 )  
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    采用水热合成法制备了无择优暴露晶面的盘状ZnO(ZnO-D)和优先暴露(100)非极性面的片花状ZnO(ZnO-F);通过沉积-沉淀法将Au纳米颗粒负载于所制备的ZnO载体表面;采用ICP、XRD、SEM、TEM、XPS和BET对合成的催化剂进行表征;最后,以CO氧化为探针反应研究载体晶面对金纳米颗粒催化性能的影响。结果表明,ZnO形貌对Au颗粒粒径影响甚微,但Au物种的电子价态表现出显著的载体形貌依赖性。以盘状和片花状ZnO为载体所获得的金催化剂的Auδ+物种的原子分数分别为34.8%和67.4%,说明Au颗粒与片花状ZnO间具有更强的金属-载体相互作用。Au/ZnO-F催化剂的CO氧化活性明显优于Au/ZnO-D,归因于Au/ZnO-F具有较高的O2吸附活化能力。本文通过调控载体形貌/晶面进而调变金属-载体间相互作用及Au物种的化学态的方法提高了Au催化性能。

    非金属氮掺杂活性炭催化剂制备及其催化CH4-CO2重整反应
    秦晓伟, 张国杰, 李晟, 郭晓菲, 阎煌煜, 徐英, 刘俊
    化工进展. 2021, 40(6):  3203-3214.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1318
    摘要 ( 180 )   HTML ( 7 )   PDF (4438KB) ( 127 )  
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    采用硝酸和尿素联合对活性炭进行改性,制备了富含氮元素的氮掺杂活性炭,考察了孔结构、氮含量和氮种类(吡啶氮、吡咯氮和石墨氮)对CH4-CO2重整反应催化性能的影响。采用BET、SEM、EA、FTIR、XPS、CO2-TPD和TG表征手段对反应前后催化剂的物理化学性质进行了表征,对引入活性炭表面的含氮官能团的种类及其在重整过程中所起的作用进行了分析。相比于未改性的原活性炭,硝酸和尿素同时改性制备的氮掺杂活性炭(AC-U.NA)引入了更多的羟基官能团和含氮官能团。特别是通过两者共同改性后,所制备的氮掺杂活性炭引入的吡啶氮官能团比例明显提高,为CH4-CO2重整反应提供了更多的活性位点,初始CH4和CO2转化率达到55.94%和66.46%。同时经过两者联合改性后,所制备的AC-U.NA材料表面具有极性,不仅有利于酸性CO2分子的吸附和活化,而且有利于CO2消碳反应,减少了积炭的生成,对所制备的非金属重整催化剂的活性和抗积炭性具有重要的意义。

    活性炭改性对催化剂脱砷性能的影响
    冯琪, 姜增琨, 李阳, 鞠雅娜, 赵秦峰, 李天舒, 钟海军, 葛少辉
    化工进展. 2021, 40(6):  3215-3223.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1311
    摘要 ( 155 )   HTML ( 5 )   PDF (3426KB) ( 182 )  
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    以K2CO3对活性炭进行化学改性,考察K2CO3加入量对活性炭比表面积、孔容及孔径等物化性质的影响。随K2CO3与活性炭质量比(碱炭比)的增大,活性炭的比表面积呈现先增加后减小的趋势。当碱炭比为6∶1时,活性炭比表面积由初始的653.3m2/g上升至1333.6m2/g。以小分子砷化物三乙胂和大分子砷化物三苯基胂为模型化合物,配制高砷催化裂化汽油,测定催化剂的砷容和脱砷效率。实验结果表明,改性后的催化剂具有丰富的中孔-大孔多级孔结构,表现出更加优异的脱砷性能:微孔保证催化剂具有大的比表面积,使得活性组分能够高效分散;中孔-大孔有利于液态石油烃介质的扩散,从而增大砷化物与活性相的作用,提高催化剂脱砷效率。

    材料科学与技术
    离子液体基萃取体系用于卤水中锂分离的研究进展
    白瑞兵, 王均凤, 王道广, 张延强
    化工进展. 2021, 40(6):  3224-3238.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1379
    摘要 ( 218 )   HTML ( 16 )   PDF (3307KB) ( 176 )  
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    近年来,锂电行业的迅猛发展,使锂资源,特别是卤水锂资源的开发利用受到了广泛关注。离子液体作为一种新型的绿色介质为优化升级传统溶剂萃取法卤水提锂带来了新机遇。本文首先简要回顾了离子液体基萃取体系用于卤水提锂的发展历程,重点阐述了离子液体萃取分离锂的行为与性能,详细讨论了萃取机理,并简单介绍了其他基于离子液体的锂分离技术。在此基础上进一步分析了离子液体基萃取体系存在的问题, 提出深入开展离子液体基萃取体系用于盐湖锂分离的机理研究并开发新型离子液体萃取剂及萃取体系,建立和优化新型萃取工艺是未来的主要发展方向。本文期望为盐湖锂资源的绿色、高效开发提供借鉴与参考。

    离子强度对吸附有机污染物影响的研究进展
    孙刘鑫, 王培茗, 杨俊浩, 刘清, 崔咪芬, 乔旭
    化工进展. 2021, 40(6):  3239-3257.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1477
    摘要 ( 211 )   HTML ( 9 )   PDF (2202KB) ( 117 )  
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    吸附由于其高效、低成本、易操作等特点,是目前国内外应用最广泛、最有效的废水处理方法之一。废水成分复杂,尤其是存在的背景离子会通过改变吸附剂和吸附质的相互作用影响有机物的吸附效果,造成主要吸附机制难以确认、吸附条件难以优化等问题。因此,研究离子强度对废水中有机物吸附性能的影响是提高吸附处理废水效果的重要途径。本文以吸附剂种类进行分类,阐述了在最常见氯化钠盐存在条件下钠离子和氯离子对于各类吸附剂吸附分离废水中有机物的影响,总结了各个研究者对此所做的研究,并以此展望了在离子存在条件下吸附剂在废水处理中的应用发展,指出开发新型、高效、经济、绿色、环保的吸附剂必将成为未来的发展趋势。

    改性聚乙烯醇膜的研究进展
    刘超, 董岸杰, 张建华
    化工进展. 2021, 40(6):  3258-3269.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1487
    摘要 ( 371 )   HTML ( 10 )   PDF (2215KB) ( 171 )  
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    聚乙烯醇(PVA)因其良好的化学稳定性、耐酸碱、耐有机溶剂性以及优异的成膜性和生物安全性,成为应用最广泛的亲水性膜材料之一。但亲水性PVA膜力学性能弱和耐水性能差等缺点严重限制其实际应用。近些年,人们通过共混、纳米复合、热处理、化学交联以及协同改性等方法对PVA膜进行了大量的改性研究工作并取得了众多成果。本文总结了不同PVA膜改性方法的特点及存在的问题,重点阐述了性能优异的填料在纳米复合改进PVA膜力学性能上的研究现状,简述了共混、热处理、化学交联对改性PVA膜的作用,强调了协同改性对提高PVA膜综合性能的重要意义,为设计和制备高性能的PVA膜提供一定的参考。指出改性后的PVA膜在水处理和食品包装领域具有良好的应用前景。

    超临界发泡法制备高性能热塑性高分子微/纳孔泡沫材料研究进展
    王博, 冯东
    化工进展. 2021, 40(6):  3270-3286.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1321
    摘要 ( 360 )   HTML ( 11 )   PDF (4146KB) ( 177 )  
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    国民经济和高科技领域的飞速发展,对高分子泡沫材料的高强度及耐高低温性能、无毒无烟及本征阻燃、易加工成型等方面的要求进一步提高,通用高分子泡沫材料,如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等难以满足使用要求。因此,聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PPSU)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等高性能热塑性高分子泡沫材料和制品的研究成为新的热点。本文对超临界流体发泡原理和超临界流体发泡技术进行了系统介绍,重点综述了超临界流体(supercritical fluid),如scCO2或scN2作物理发泡剂,结合各种发泡技术,如釜压发泡、注塑发泡、挤出发泡和珠粒发泡,在高性能热塑性高分子发泡领域中的应用及取得的研究成果,以期为高性能高分子材料的研究及应用提供借鉴。最后,对开发操作简单、所得泡沫制品尺寸精确的发泡技术作了展望。

    基于孔材料的多元复合光催化剂降解抗生素
    张申平, 王艺蒙, 葛宇, 胡军, 刘洪来
    化工进展. 2021, 40(6):  3287-3299.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1336
    摘要 ( 283 )   HTML ( 9 )   PDF (2335KB) ( 208 )  
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    多孔复合材料光催化体系集多孔材料的吸附性能和光催化活性,可将水体中浓度较低的抗生素富集在光催化活性位表面进行高效降解,同时吸附性能得以原位再生。通过对光催化活性体与载体的结构调控,可获得更宽的吸光范围(包括可见光)且有效抑制光生电子-空穴对复合。本文总结了基于新型多孔材料包括石墨烯、金属有机框架材料(MOFs)、多孔有机聚合物(POPs)等与传统半导体构筑的多元光催化体系及其对水体中抗生素等有机污染物光降解的最新研究进展,阐述了多元光催化体系设计思路、降解过程优化控制因素、抗生素降解去除性能及其产生优异性能的机理。此外,还总结了当前复合光催化剂在结构设计和性能评价层面存在的问题,最后对光催化材料的研究方向进行了展望,借助光响应的多孔有机聚合物提升复合光催化剂性能以及粉末光催化剂材料的工程化应用探究将有效促进光催化技术的发展。

    基于银/石墨烯纳米复合材料的柔性压力传感器——材料制备和微纳结构构建
    王志刚, 徐琴琴, 林润泽, 银建中, 柳宝林, 王启博
    化工进展. 2021, 40(6):  3300-3313.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1310
    摘要 ( 207 )   HTML ( 1 )   PDF (6978KB) ( 149 )  
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    柔性压力传感器是柔性可穿戴设备的核心部件,在医疗保健、运动健身、安全生产等领域极具应用潜力。二维材料石墨烯具有高载流子迁移率、超大比表面积和超高机械强度,被视为制备柔性压力传感器的优良敏感材料。然而石墨烯碎片引入晶界或堆叠等缺陷,用纯石墨烯制备柔性压力传感器存在灵敏度低、稳定性差、响应范围窄等问题。将零维银纳米颗粒或一维银纳米线与石墨烯构建复合材料,可有效跨越缺陷或搭接相邻片层,起到“桥梁”作用,石墨烯片层平铺到纳米银导电网络之间,起到“补丁”作用。本文综述了用于柔性电阻式压力传感器的银/石墨烯复合材料制备方法和工艺,并介绍了不同微纳结构的传感器构建方法。

    电纺聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器中的应用
    李祥业, 白天娇, 翁昕, 张冰, 王珍珍, 何铁石
    化工进展. 2021, 40(6):  3314-3329.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1330
    摘要 ( 190 )   HTML ( 0 )   PDF (3371KB) ( 117 )  
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    静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)基纳米纤维具有较大的比表面积、较高的机械强度、优异的纳米结构及良好的化学稳定性。以PAN纳米纤维为基础,进行多方位设计与合成的电极材料在超级电容器中表现出优异的电化学性能,具有广阔的应用前景。本文根据电极材料分类,主要综述了近年来PAN基多孔结构电极材料、杂原子掺杂电极材料以及与碳系材料、导电聚合物、金属氧化物复合等电极材料的研究进展;讨论了电极材料的结构特征、制备方法及其提高电化学性能的原理;最后指出了上述研究中存在的问题,并对未来PAN基电极材料在超级电容器的发展前景进行了展望。

    一维有序聚苯胺纳米阵列在超级电容器中的研究进展
    田杜, 刘奔, 李奇, 王朋, 钟敏, 胡成龙, 陈韶云, 纪红兵
    化工进展. 2021, 40(6):  3330-3345.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1493
    摘要 ( 122 )   HTML ( 6 )   PDF (7026KB) ( 112 )  
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    从聚苯胺(polyaniline, PANI)的结构特征和导电机理出发,详细叙述了一维有序PANI纳米阵列的优点及各种制备方法,指出了PANI纳米阵列作为超级电容器电极材料的优势。根据电极材料分类,重点综述了PANI阵列结构基与导电高分子材料、碳材料、金属氧化物复合作为超级电容器电极材料的应用情况;讨论了这些电极材料的结构特点、制备方法、提高电化学储能性的机理及上述研究中存在的问题;最后根据存在的问题,提出进一步优化PANI阵列结构基电极材料电化学性能的制备方法与策略,并对未来PANI阵列结构基电极材料在超级电容器的发展前景进行了展望。

    反应型HClO/ClO-荧光探针的研究进展
    安宁, 高云玲
    化工进展. 2021, 40(6):  3346-3362.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1297
    摘要 ( 289 )   HTML ( 7 )   PDF (2594KB) ( 137 )  
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    次氯酸/次氯酸根是活性氧化物中重要的信号分子,在生物医药和环境安全等方面发挥着重要作用。反应型荧光探针基于出色的灵敏度、实时成像和生物兼容性好等特点,广泛应用于HClO/ClO-的检测。本文评述了近5年反应型HClO/ClO-荧光探针的研究进展,包括反应型HClO/ClO-荧光探针的设计策略和识别机理,并从HClO/ClO-引发的反应机理角度(碳碳双键的反应、硫族化合物的反应、醛肟基团的反应、腙/席夫碱的反应、酰肼/磺酰肼的反应、N,N-二甲基硫代氨基甲酸酯的反应和苯硼酸/硼酸酯的反应)概述了反应型HClO/ClO-荧光探针的特点和实际应用,指出反应型HClO/ClO-荧光探针的发展方向是合成性能优异的识别基团,构建选择性好、水溶性好、低荧光背景、光化学性能稳定和生物毒性低的反应型近红外HClO/ClO-荧光探针,实现对生物体内外HClO/ClO-的可视化检测及机理探索。

    新型树状大分子的制备及其破乳性能
    郭睿, 徐康, 闫育蒙, 马丽娟, 张晓飞
    化工进展. 2021, 40(6):  3363-3373.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1447
    摘要 ( 151 )   HTML ( 6 )   PDF (3578KB) ( 124 )  
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    以自制双(2-邻苯二甲酰亚胺)胺(DETA-2PA)与烯丙基缩水甘油醚通过开环反应合成N-(3-烯丙氧基-2-羟丙基)-双[乙基-(2-邻苯二甲酰亚胺)](AGE-DETA-2PA),将AGE-DETA-2PA在水合肼的作用下脱去邻苯二甲酰基得到活性中间体N-(3-烯丙氧基-2-羟丙基)-双(乙基胺)(AGE-DETA),再将AGE-DETA与丙烯酸甲酯和乙二胺通过迈克尔加成合成树状大分子AGE-PAMAM。并用红外光谱和核磁氢谱进行结构表征,通过特性黏度确定各整代分子特性黏度大于相邻半代分子,通过表面张力的测定确定破乳剂分子对水的表面张力最低为66.402mN/m。通过粒径分析、zeta电位测试、偏光显微镜分析得出乳液破乳的机理主要为电荷中和作用和吸附架桥作用。在破乳剂添加量为1.0g/L、破乳温度为40℃、沉降时间为60min的条件下,Turbiscan Lab稳定性分析仪光谱图和TSI值得出AGE-PAMAM破乳剂破乳效果优于市售SP169和HQ96-1破乳剂,并且该破乳剂在添加量为2.0g/L、破乳温度为45℃、沉降时间为120min的条件下,脱水率可达98.5%,脱出污水含油量为5.6mg/L,脱出污水透光率为98.47%。

    丙烯酰胺改性玉米淀粉/PVA复合膜的制备与表征
    李思远, 李瑞松, 成军, 高萌萌, 张玉苍, 宋辉
    化工进展. 2021, 40(6):  3374-3379.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2325
    摘要 ( 177 )   HTML ( 6 )   PDF (1737KB) ( 179 )  
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    为了改善聚乙烯醇(PVA)膜的机械性能,选用玉米淀粉为原材料,50℃条件下以过硫酸铵和尿素为引发剂,同时加入丙烯酰胺对淀粉进行接枝改性,制备得到丙烯酰胺改性的玉米淀粉/PVA复合膜。其中,优化改性淀粉的接枝率确定最佳合成条件为淀粉/丙烯酰胺的质量比为3∶7、引发剂过硫酸铵占单体总质量的0.5%、尿素占单体总质量的0.5%。进一步利用优化的改性淀粉为改性剂,制备了系列改性玉米淀粉/PVA复合膜。采用傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜(SEM)对复合膜的组成与结构进行表征,同时测定复合膜的机械性能、耐水性、耐热性等物化特性,结果表明30%ST-0.50%APSU改性淀粉的单体转化率为95.0%,接枝率为85.2%。 30%ST-0.50%APSU/PVA复合膜的耐热性能轻微下降,但断裂伸长率提高了256%,耐水性能提高了43.1%。

    支化与交联型聚氨酯弹性体的合成与性能分析
    党海春, 刘占洲, 雷春兴, 许召赞, 李振中
    化工进展. 2021, 40(6):  3380-3388.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1295
    摘要 ( 312 )   HTML ( 5 )   PDF (2869KB) ( 141 )  
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    为提高聚氨酯弹性体力学性能和耐热性,本文以聚己二酸二乙二醇酯二醇、二苯基甲烷二异氰酸酯和 1,4-丁二醇为原料,以聚氧化丙烯三醇(PPG-3)或丙三醇为支化单体,并通过调控其添加量(1%、3%和5%,相对于PDGA-2000的摩尔分数),采用本体预聚物法合成支化或交联型聚氨酯弹性体。与线型聚氨酯相比,支化聚氨酯具有较高机械强度和耐热性。添加3% PPG-3所制备支化聚氨酯的拉伸强度提高170%(33.9MPa),撕裂强度提高36%(90.7MPa),维卡软化点温度为95.1℃;然而,5%的丙三醇引发交联结构的形成,交联型聚氨酯的拉伸强度提高154%(31.8MPa),撕裂强度提高26%(84.4MPa),维卡软化点温度为150.6℃。此外,PPG-3和丙三醇发挥聚氨酯软段和硬段相容剂的作用,抑制微相分离,使聚氨酯弹性体的橡胶平台增大。动态流变行为测试结果表明,支化和交联型聚氨酯弹性体具有更高的弹性模量和复数黏度。

    二次等温热缩聚改性对g-C3N4光催化剂性能的影响
    段丽媛, 李国强, 张舒婷, 王宏宇, 赵永乐, 张永发
    化工进展. 2021, 40(6):  3389-3400.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1305
    摘要 ( 131 )   HTML ( 4 )   PDF (4221KB) ( 130 )  
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    采用二次等温热缩聚方式对通过NH4SCN制得的g-C3N4进行处理,通过XRD和SEM/TEM等手段对所制备样品的物相结构、表面形貌等结构特性及有机染料RhB的降解效果进行了研究。结果表明,二次等温热缩聚改性使催化剂聚合度增加,层间距缩短,通过调节等温热缩聚处理时间构建了蜂窝孔洞薄片层表面结构,比表面积和孔容积分别增加了2.3倍和4.7倍;大量—NH—、—NH2等氨基基团的产生,带来了更高的吸附氧含量;带隙宽度由2.77eV拓宽至2.81eV,且价带位置增至+1.625eV,使光生空穴拥有更强的氧化降解能力;边缘三嗪环结构单元中C—N?????C位置上N元素缺失,减少了大量光生电荷的复合消耗,PL荧光光谱显示了明显降低的光生电子-空穴复合率,对载流子的充分利用使催化速率明显提高。有机污染物RhB催化降解效果显著,光催化反应速率常数由0.006提高到0.031,反应速率提高了5.2倍,在420nm可见光下照射90min,降解率由42%提高至98%。

    生物与医药化工
    重组人生长激素给药系统的研究进展
    李瑶, 巨晓洁, 汪伟, 刘壮, 谢锐, 褚良银
    化工进展. 2021, 40(6):  3401-3410.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1448
    摘要 ( 321 )   HTML ( 7 )   PDF (2084KB) ( 229 )  
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    重组人生长激素(rhGH)是治疗各种生长激素缺乏症及并发症的首选药物,但临床上需长期频繁注射给药,实现rhGH长效化和改变给药途径可显著提高患者依从性,具有重要的研究价值。本文针对近年来rhGH长效化制剂和非注射给药途径的类型、有效性及开发现状进行了综述,主要介绍了利用化学修饰、构建融合蛋白、构建缓释微球等rhGH长效化方法以及经皮给药、肺部给药、鼻腔黏膜给药等rhGH非注射给药途径的研究现状和最新进展,分析了各类rhGH给药系统在应用方面的潜在问题,以期使读者对该领域的研究状况有更全面、更清楚的了解;并指出了该研究领域未来的发展方向,提出了将rhGH长效化与非注射给药途径合理结合应是将来实现rhGH高效递送的重要研究方向,以期为进一步开发安全有效的rhGH新型给药系统提供参考。

    pH敏感性生物基纳米载药粒子的研究进展
    易聪华, 徐青荷, 王淼, 杨东杰
    化工进展. 2021, 40(6):  3411-3420.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1423
    摘要 ( 175 )   HTML ( 11 )   PDF (1307KB) ( 270 )  
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    生物基来源的聚合物具有生物相容性高、无毒易降解等优势,近些年来作为药物载体在生物医药领域受到了广泛的关注。人体内的生理环境存在pH差异,利用pH作为刺激响应的信号,可以赋予聚合物纳米载药系统理想的靶向释药性能。本综述着眼于pH敏感性的生物基聚合物纳米粒子,揭示了纳米载药粒子中化学键断裂与质子化作用两种pH响应的控释机制,并针对两者的控释特点进行了分析总结。在此基础上,介绍了几种生物基药物载体的pH控释研究及其在生物医药领域的应用进展,并提出了目前利用各种生物基材料作为药物载体存在的问题。最后,针对目前存在的载药量低、敏感性不强等问题,提出了可采用多种方式联合载药、多重刺激响应结合等方式进行深入研究的展望。

    精细化工
    CO2插入C—H(sp)键制备丙炔酸衍生物的研究进展
    李民康, 张莉娜, 张阿方, 赵永慧, 孙楠楠, 魏伟
    化工进展. 2021, 40(6):  3421-3433.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1446
    摘要 ( 260 )   HTML ( 7 )   PDF (2009KB) ( 135 )  
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    丙炔酸类化合物是一类用途广泛的有机中间体,以CO2为羧基化试剂,将其插入到端基炔烃的C—H(sp)键是制备丙炔酸类化合物的一条新型路线,其绿色化程度显著高于传统方法。本文在系统分析CO2路线制备丙炔酸类化合物反应机理的基础上,梳理了该反应催化体系的研究进展,并总结了近年来与该反应实际应用密切相关的前瞻研究。基于上述总结,本文认为后续研究应开展的工作包括:①从实际工况角度(耐强碱性反应体系、耐强极性溶剂等)出发进行催化剂的设计;②强化反应机理研究,明确不同催化剂上的反应路径和中间体形态差异,夯实理论基础;③强化潜在技术瓶颈问题的突破,尤其是湿度敏感、碱助剂循环、下游合成网络衔接等。

    超支化聚缩水甘油甲基丙烯酸酯作为O/W型乳状液的破乳剂
    张丽锋, 詹宁宁, 秦立娟, 赵新星, 周立山, 滕厚开, 方文军
    化工进展. 2021, 40(6):  3434-3443.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-2546
    摘要 ( 173 )   HTML ( 5 )   PDF (2980KB) ( 126 )  
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    以超支化聚缩水甘油(HPG)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)进行酯交换反应,得到一系列超支化聚缩水甘油甲基丙烯酸酯(HPG-MA)破乳剂,考察了添加量、破乳温度、沉降时间及相对分子质量对破乳性能的影响,并探究动态界面张力和破乳过程中油滴的破裂速率常数的变化,分析其破乳机理。结果表明,在60℃、沉降时间为40min、破乳剂的添加量为2000mg/L时,其脱油率达到90%。与商用破乳剂相比,超支化聚缩水甘油甲基丙烯酸酯因具有独特的超支化多位点结构,用作破乳剂时界面活性高、沉降时间短。

    资源与环境化工
    环境中短链氯化石蜡去除方法的研究进展
    韩婉玲, 钱勇兴, 张会宁, 陈吉炜, 马建青, 张科锋
    化工进展. 2021, 40(6):  3444-3454.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1438
    摘要 ( 303 )   HTML ( 8 )   PDF (1745KB) ( 202 )  
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    短链氯化石蜡(SCCPs)是2017年新定义的持久性有机污染物(POPs),能对人体健康及生态环境造成重大危害。现阶段国内外关于SCCPs的研究工作主要集中在环境中SCCPs的分析检测方法和浓度水平分布规律,对SCCPs的高效去除方法及去除机理的研究较少。本文主要综述了现阶段SCCPs的有效去除方法,包括物化法(一般物化法和高级氧化处理)和生物法(细菌降解和植物吸收法),对比分析了这些方法的优缺点,讨论了不同方法去除SCCPs的影响因素、可能降解机理及途径,并通过类比借鉴,提出了其他具有可行性的去除SCCPs的方法。总体而言,虽然物化法去除效率高,但是成本高且操作条件苛刻,微生物法因经济环保而具有更大的发展潜力,但若将微生物法与物化法联用,则有可能发展成为最佳去除工艺。最后展望了环境中SCCPs去除方法的研究重点。

    赤泥吸附重金属离子性能及其机理研究进展
    刘钦, 周新涛, 黄静, 罗中秋, 邵周军, 王路星, 韦宇, 雒云龙
    化工进展. 2021, 40(6):  3455-3465.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1352
    摘要 ( 278 )   HTML ( 10 )   PDF (1952KB) ( 126 )  
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    赤泥(RM)是铝土矿提取氧化铝时排放的工业废渣,对其进行改性后可作为一种低成本吸附剂有效吸附废水中的重金属离子。本文从赤泥的性质和组成进行讨论,分析赤泥吸附重金属离子的优势,总结酸改性、焙烧改性和复合改性对赤泥结构及重金属吸附性能的影响。在此基础上,阐述了赤泥吸附重金属离子的机理,列举了吸附热力学及吸附动力学模型。指出赤泥作为一种大宗工业废弃物,用作吸附剂吸附废水中的重金属离子,具有成本低、来源广泛等优点,同时可达到以废治废的目的,具有良好的应用前景。

    改性碳纳米管及其复合材料在废水处理中的应用现状及展望
    林少华, 武海霞, 高莉苹, 俞乙平
    化工进展. 2021, 40(6):  3466-3479.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1422
    摘要 ( 263 )   HTML ( 6 )   PDF (1991KB) ( 170 )  
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    碳纳米管(carbon nanotube, CNT)具有高比表面积、高吸附能力、优良的导电性和化学稳定性等,但其在水中存在分散性差和催化能力低等问题。为了提高其在废水处理中性能,需要对CNT进行改性,制备复合材料。本文总结了CNT表面改性和复合材料制备方法,论述了改性CNT及其复合材料在电化学氧化、电化学还原、电化学过滤、光催化和膜分离等处理技术中的应用研究进展,并就未来研究方向进行了展望。指出了CNT在未来废水处理方面应用的研究重点包括:①设计经济、方便、温和的改性路线,继续寻求获得新型高效改性CNT及其复合材料,并兼顾稳定性;②开发基于改性CNT及其复合材料特性的废水处理新装置和反应工艺;③关注因改性CNT及其复合材料流失引起的生物、生态效应。

    过渡金属活化过硫酸盐降解有机废水技术研究进展
    田婷婷, 李朝阳, 王召东, 陆慧, 李新冬, 毛艳丽, 宋忠贤, 朱新锋
    化工进展. 2021, 40(6):  3480-3488.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1469
    摘要 ( 330 )   HTML ( 13 )   PDF (1665KB) ( 218 )  
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    活化过硫酸盐高级氧化技术用于降解水体中有机污染物备受关注,其中采用过渡金属活化过硫酸盐降解有机污染物的研究越来越多,也取得了良好的效果。本文综述了近几年来国内外利用以过渡金属为基础的催化剂活化过硫酸盐降解污染物的应用研究;阐述了贵金属催化剂、单金属催化剂、复合金属催化剂(尖晶石结构催化剂、纳米核壳结构催化剂、三维纳米结构催化剂)在水体中降解有机污染物的研究进展;探讨了过渡金属催化剂的优缺点和研究现状,最后提出了该活化体系目前面临的问题,期望为过渡金属活化过硫酸盐降解污染物技术的应用提供参考。

    水合物法模拟海底封存CO2气体的实验
    姚远欣, 周雪冰, 李栋梁, 梁德青
    化工进展. 2021, 40(6):  3489-3498.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1382
    摘要 ( 191 )   HTML ( 7 )   PDF (3642KB) ( 110 )  
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    向海底地层和枯竭油气藏中注入CO2气体形成稳定的CO2水合物是一种极具前景的CO2封存技术。为了进一步探究这一技术,本文利用水合物法进行了多组3MPa、5℃天然湿砂的CO2封存实验模拟。初始水饱和度设置为10%、40%、70%,分别进行了纯水封存实验和3.5%(质量分数)NaCl溶液的封存实验,还利用自主研发的反应釜系统探索了3种不同进气方向(顶部进气、横置进气、底部进气)下的CO2封存效果。结果发现横置进气的封存量普遍大于顶部进气的封存量,底部进气的封存量最小,而且横置进气的封存速度最快;初始水饱和度越高,水合物饱和度就越高,但水合物转化率越低,CO2固态封存比例也越低;与纯水实验相比,盐的存在降低了CO2的封存量,固态封存比例也会低于纯水实验,但封存速度更快。本文为实际工程操作时合理控制封存地层水饱和度、盐度以及合适的进气方向提供了依据。

    典型杂质掺混对废塑料热解油特性的影响
    孙锴, 王琬丽, 黄群星
    化工进展. 2021, 40(6):  3499-3506.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1468
    摘要 ( 275 )   HTML ( 7 )   PDF (2565KB) ( 137 )  
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    以从4个典型的废弃物处理场取得的与废塑料掺混的杂质样品作为纯塑料热解过程中的添加剂,研究不可回收废塑料中掺混的杂质组分对塑料热解油品质的影响。研究内容包括4种杂质(I1~I4)对聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及混合塑料热解的影响以及杂质中的无机和有机组分在热解中分别起到的作用。结果表明,杂质的添加将塑料热解油中主要组分的富集度由65.5%提升到79.2%~90.3%;其中来源于废旧自行车拆解厂的杂质I4对热解油组成的影响最为显著。I4使得聚乙烯及聚丙烯热解油中的烯烃含量分别提高了25.0%及21.1%,但对聚苯乙烯的热解没有显著影响。I4对塑料热解的影响可分为三个方面:无机灰分作为热载体起到的作用、特定活性灰分组分的催化作用以及杂质中有机组分参与热解的影响。灰分作为热载体促进了聚合物分子链的裂解;活性灰分组分能够催化加氢及氢转移等反应;而I4中有机组分热解提高了油相产物中芳烃和烯烃的含量。该研究将为废塑料规模化热解过程中原料的预处理及热解油品质调控提供指导。

    钙基添加剂对污水污泥在水热炭化过程中磷形态及生物有效性的影响
    徐杰, 黄群星, 孟详东, 郜华萍
    化工进展. 2021, 40(6):  3507-3514.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1474
    摘要 ( 141 )   HTML ( 8 )   PDF (3635KB) ( 70 )  
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    在污泥的热处置过程中,添加剂的存在会改变污泥中的磷形态从而对后续磷的回收利用产生重大影响。本文综合利用化学连续提取(SMT方法)、SEM-EDS、XRD和ICP-MS等分析测试方法,系统研究了CaCl2在水热炭化过程中对污泥中磷形态及其生物有效性的影响。研究结果表明,水热炭化可以使污泥中有机磷(OP)向无机磷(IP)转化,同时促进污泥中非磷灰石无机磷(NAIP)向磷灰石无机磷(AP)的转化,CaCl2的适量添加可以促进上述转化过程。经过水热炭化处理后,污泥水热炭中IP和AP的浓度分别提升了35.6%和63.4%,当添加质量分数为20%的CaCl2时,污泥水热炭中IP和AP的浓度同时达到最大值,分别为79.62mg/g和75.61mg/g。此时污泥水热炭中可溶性磷在2%CA溶液中的溶解度也达到最大的57.02mg/g,在此条件下,污泥水热炭中磷的生物有效性也达到最高。

    Bi2O2CO3/Fe3O4磁性复合物在环境污染治理领域中的应用
    闫雪倩, 裴向军, 杜杰, 米晓慧, 白琳嵚, 马蕊, 张明宽, 钱进
    化工进展. 2021, 40(6):  3515-3525.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1486
    摘要 ( 168 )   HTML ( 7 )   PDF (2151KB) ( 128 )  
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    以Fe3O4纳米粒子和Bi2O2CO3为原料,采用溶剂热法制备Bi2O2CO3/Fe3O4磁性复合物,并通过对印染废水中染料的去除、剩余污泥厌氧消化过程中产甲烷潜力的影响两方面探讨其在环境污染治理中的应用。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和比表面积及孔径分析对Bi2O2CO3/Fe3O4复合物进行表征分析,SEM分析结果表明复合物表面较粗糙,BET结果显示复合物的比表面积为9.2294m2/g,Fe3O4的引入大幅度增加了Bi2O2CO3的比表面积,使其具有明显的介孔结构。一方面,以甲基橙(MO)为目标污染物,研究了不同实验条件下该材料对染料的去除效果,结果表明,最大吸附量可达14.373mg/g,且该吸附反应过程符合拟二级动力学和Langmuir吸附等温模型,趋于单分子层吸附;另一方面,评估了复合物对污泥厌氧消化产甲烷潜力的影响,结果表明,复合物的引入对污泥厌氧消化产甲烷过程有一定的促进作用,累积产甲烷量相比于对照组提高了10%。分别用一级动力学模型和修正Gompertz模型模拟厌氧消化过程,模拟结果显示一级动力学模型可以更好地描述引入Bi2O2CO3/Fe3O4磁性复合物的污泥厌氧消化过程。

    表面活性剂复配体系修复芘污染土壤实验
    李薇, 王信粉, 时利香, 宋瑶, 张杰, 杜显元
    化工进展. 2021, 40(6):  3526-3535.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1358
    摘要 ( 185 )   HTML ( 8 )   PDF (2454KB) ( 78 )  
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    以芘污染土壤为对象,利用阴离子表面活性剂鼠李糖脂和非离子表面活性剂皂素进行复配实验,得出最佳复配比并对污染土壤进行修复处理;其次,研究表面活性剂浓度、pH及CaCl2、MgCl2、KCl三种离子浓度、洗脱液的回收次数等单因素对洗脱效果的影响;然后利用响应曲面分析,确定影响洗脱效果的主效应因素及其交互作用强度;最后用Box-Behnken模型优化复配体系处理芘污染土壤的实验条件。结果表明:①当复配比为0.2时,鼠李糖脂-皂素混合溶液的表面张力最低,对芘的协同增溶效果最好;②复配体系处理芘污染土壤的单因素实验中,复配药剂浓度、pH、Mg2+浓度分别达到1800mg/L、8、0.1mmol/L时,洗脱效率最高;③环境因素对芘去除效果的影响从大到小依次为pH>表面活性剂浓度>Mg2+浓度,表面活性剂浓度与pH对芘的洗脱产生较大的交互影响作用,而pH与盐浓度的交互作用最微弱;④Box-Behnken模型优化后得出最佳组合是混合表面活性剂浓度为1900mg/L、pH为5、Mg2+浓度为0.2mmol/L,得到的洗脱效率为89.25%。

    鳞片状BiVO4不锈钢网涂层的制备及其在油水分离中的应用
    辛玥, 宋爽, 张芝蕾, 张庆霞, 吕中, 杨浩
    化工进展. 2021, 40(6):  3536-3542.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1349
    摘要 ( 169 )   HTML ( 4 )   PDF (2711KB) ( 130 )  
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    随着石油泄漏事故的频繁发生和工业含油废水的大量排放,现代化工油水分离问题日益突出。具有特殊润湿性的材料可以选择性透过水或油,分离效率高且操作简单而广泛应用于油水分离。本文以不锈钢网为基底,通过液相法可控制备得到具有不同尺寸、排列的BiVO4纳米片涂层。通过扫描电子显微镜、原子力显微镜、接触角测量仪对其表面形貌与润湿性能进行表征,研究BiVO4纳米片尺寸和排列对水下疏油性能的影响。结果表明当不锈钢网表面均匀生长着鳞片状BiVO4,且这些纳米片随机放射排列时,涂层水下油接触角达到了165.1°,倾斜角仅为2.0°,具有水下超疏油性质。将该涂层用于油水混合物的分离,分离效率均在95.0%以上且分离通量最大可达1.4×104L/(m2·h),在油水分离领域展现出巨大的应用潜力。

    化工园区
    基于维度事故载荷的控制室抗爆强度设计
    王海清, 孙浩, 张之秀
    化工进展. 2021, 40(6):  3543-3552.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1492
    摘要 ( 128 )   HTML ( 6 )   PDF (7103KB) ( 387 )  
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    设计事故载荷(design accident load)被广泛应用于化工厂关键设备、建筑物的强度设计,以最严重工况下能够承受的最大意外载荷为强度设计的参考值,然而风险是由概率和后果共同度量的,在强度设计时若只考虑事故后果则有可能造成过度设计。本文针对该问题提出了一种基于维度事故载荷(dimensioning accident load,DAL)的确定控制室抗爆强度的方法,构建事故场景集并计算了各场景发生概率,基于NORSOK Z-013和风险可接受标准进行场景的筛选以减小场景的数量和不确定性,对可信场景的泄漏模拟获得可燃气云的体积和位置分布,并通过爆炸模拟计算每一个场景的爆炸超压值,根据可接受风险标准确定控制室的DAL。以控制室的DAL作为峰值入射超压计算控制室的爆炸载荷,以此为依据判断控制室应采取的抗爆结构形式。厂区案例分析结果表明,基于维度事故载荷的确定控制室抗爆强度方法从概率和后果两个角度综合量化了控制室的抗爆载荷,克服了设计事故载荷的缺点,在满足个人可接受风险标准的条件下能够减小设计成本,避免过度设计,为控制室的强度设计和安全屏障设计提供一定的理论依据。