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本期目录
2022年 第41卷 第4期 刊出日期:2022-04-23
    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2022, 41(4):  0. 
    摘要 ( 75 )   PDF (8006KB) ( 69 )  
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    化工进展. 2022, 41(4):  1. 
    摘要 ( 34 )   PDF (78151KB) ( 28 )  
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    特约评述
    碳中和目标下石油与化学工业绿色低碳发展路径分析
    黄晟, 王静宇, 李振宇
    化工进展. 2022, 41(4):  1689-1703.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2520
    摘要 ( 293 )   HTML ( 42 )   PDF (1182KB) ( 231 )  
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    石油与化工行业是高耗能、高污染、高碳排的“三高”行业,在碳达峰、碳中和的目标下,促进石油与化学工业和生态环境的协调可持续发展成为亟需解决的热点问题。本文从国家层面和企业层面总结典型国家及其石油与化学工业面对“双碳”目标采取的措施行动,对乙烯、成品油等石油与化工产品不同生产路径的能耗及二氧化碳排放情况进行比较分析,概述中国的区域能源分布特点、各省份的石油与化学工业产值及二氧化碳排放情况,明确提出作为碳排放的大户,石油与化工行业有可能在“十四五”期间被纳入全国碳市场。文中指出石油与化工行业必须在借鉴发达国家先进碳减排经验的基础上,立足本国国情,综合考虑本国的能源分布情况和石油与化工产品生产的能耗及二氧化碳排放情况,建构清洁低碳、节能高效的工艺流程体系,促进石油与化学工业的高质量发展。石油与化学工业二氧化碳减排的核心是区域能源结构的调整和工艺流程的优化,并以此为前提建设绿色集成化工园区,辅之以可再生能源如风能、太阳能等的综合利用,研发碳捕集、利用与封存技术进行碳固定。还提出值得注意的是,由于其他温室气体如甲烷等的减排已经提上日程,我国也应加快相关技术储备。

    化工过程与装备
    高沸点热敏体系精馏过程的研究进展
    李春利, 田昕, 李浩, 胡雨奇
    化工进展. 2022, 41(4):  1704-1714.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0830
    摘要 ( 151 )   HTML ( 20 )   PDF (1094KB) ( 117 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    在精馏系统中,高沸点、热敏性物系分离存在物料受热温度高且时间长的问题,容易引起热敏性物质变质,一直是高效分离与提纯的难点。本文对高沸点热敏性物质精馏分离理论基础进行归纳,提出操作压力低和停留时间短的工艺要求。基于此,总结了分子蒸馏和真空精馏(包括真空蒸馏、真空分馏、真空间歇精馏)在高沸点热敏性物系分离中的优缺点及应用,发现分子蒸馏的真空度和分离程度较真空精馏高,但分离效率和工业化程度比真空精馏低。最后,文章指出,对于采用精馏分离高沸点热敏性体系仍需在新工艺和新设备等方面进行探索,以提高分离效率和降低分离能耗,便于实现工业规模应用。

    金属3D打印复合毛细芯孔径配比对环路热管特性影响
    胡卓焕, 袁成伟, 许佳寅, 罗婷, 周志杰
    化工进展. 2022, 41(4):  1715-1724.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0719
    摘要 ( 79 )   HTML ( 3 )   PDF (3603KB) ( 45 )  
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    环路热管(loop heat pipe,简称LHP)是一种利用工质相变进行热量传递的强化传热元件,广泛应用于余热回收、太阳能集热器以及电子器件散热等。而LHP蒸发器内毛细芯对其工作性能具有决定作用,3D打印毛细芯可克服烧结毛细芯孔径分布不均且随机性高的局限性。本文根据LHP蒸发器内气液两相的流动特点,将3D打印毛细芯的上层定义为吸液层,下层定义为蒸发层,并对其上下层孔径的配比进行研究后发现:在本文所研究的工况下,当蒸发层孔径一定时,增大吸液层孔径会使蒸发区内过热度降低;减小吸液层孔径会使蒸发区内出现干烧现象,二者皆会限制LHP的传热性能。此外,当吸液层孔径一定时,增大蒸发层孔径会造成热泄漏,减小蒸发层孔径可强化LHP在高负荷下的传热性能。蒸发层孔径为100μm、吸液层孔径为200μm的复合毛细芯具有更高的传热系数和热负荷。

    氧化石墨烯/水脉动热管传热强化及性能预测
    杨洪海, 张苗, 刘利伟, 周屹, 沈俊杰, 施伟刚, 尹勇
    化工进展. 2022, 41(4):  1725-1734.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0769
    摘要 ( 84 )   HTML ( 11 )   PDF (3309KB) ( 38 )  
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    实验研究了氧化石墨烯(GO)纳米流体对脉动热管(PHP)传热性能的影响。结果表明:充液率、浓度及加热功率显著影响脉动热管的传热性能。在小充液率(FR=30%)时,PHP更多是在重力辅助热虹吸管以及脉动热管的共同作用下工作,热阻较低,但容易烧干;添加GO纳米颗粒可改善流体传热性能,降低PHP热阻,延缓烧干;尤其在质量分数0.05%~0.08%、加热功率10~50W时热阻可比纯水降低38.1%~74.1%;在质量分数0.08%~0.1%时,烧干极限Qmax可比纯水提高33%。在大充液率(FR=80%)时,气相空间受限,流体运动阻力较大,PHP整体运行性能较差。添加GO纳米不能明显改善PHP传热性能,在高浓度(质量分数0.1%)时还会恶化传热性能。综合考虑热阻及烧干极限,PHP在中等充液率(FR=50%)时整体运行性能最佳;且存在一个合适的工作范围(质量分数0.03%~0.08%,加热功率20~105W),使PHP热阻比纯水下降18.9%~54.4%之间,强化作用明显。最后,在实验基础上,综合应用Ku、Pr、Ja、Bo、Mo等量纲为1数组合,拟合得到实验关联式预测GO/水PHP传热性能,适用于30%~80%充液率下,质量分数0~0.1%的GO/水纳米流体脉动热管。

    喷雾冷却中液滴撞击带气泡液膜的数值模拟
    张春超, 潘艳秋, 杜宇杰, 高石磊, 俞路
    化工进展. 2022, 41(4):  1735-1741.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0846
    摘要 ( 83 )   HTML ( 4 )   PDF (1298KB) ( 62 )  
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    在喷雾冷却过程的核态沸腾区,液滴与液膜及液膜内气泡的撞击对过程传热有重要影响。本文建立以水为冷却工质的单液滴撞击带气泡液膜的二维数值模型,模拟研究过程现象和传热规律。结果表明,We为6.94、量纲为1的液膜厚度为0.5(对应液滴速度0.5m/s、液膜厚度1mm)时,撞击过程中液膜扰动不显著、运动形态近似波纹;当We增大到111.11(对应液滴速度2m/s)时,撞击过程中液滴与液膜接合处的表压达到6000Pa,成为颈部射流现象的推动力,并逐步发展形成冠状水花;撞击过程中气泡的存在会阻碍液滴与加热表面的直接接触,但随着气泡的破裂,液滴与加热表面直接接触换热,使撞击点附近表面传热系数远大于其他区域,提高了传热能力,且液膜厚度越小、液滴速度越大,表面传热系数峰值越高。研究结果可为喷雾冷却系统的进一步研究提供理论依据。

    生物质快速热解流化床反应器气力进料特性
    许瑞阳, 白勇, 司慧, 刘德财, 祁项超
    化工进展. 2022, 41(4):  1742-1749.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0848
    摘要 ( 69 )   HTML ( 5 )   PDF (1475KB) ( 81 )  
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    为探究不同工况下热解流化床反应器的气力进料特性,设计并搭建了流化床反应器气力进料冷态试验装置。生物质原料和床料分别采用落叶松颗粒和石英砂颗粒,通过试验测得了本装置的最小流化速度,研究了流化气速、喷动气速、流量比、初始静床高、石英砂粒径、落叶松粒径对流化床反应器气力进料特性的影响。试验结果表明:流化气速和喷动气速的增加均会提高进料率;流化气使床料流化并为落叶松颗粒提供进料空间,喷动气为落叶松颗粒提供动能,并平衡一部分床层压力;落叶松与石英砂粒径的增加对进料效果不利;流量比在1.9~2.7范围内进料率高且稳定性好。本文构建了生物质、床料与气体的三相流物理及数学模型,开展试验对模型进行验证,结果表明其预测误差为±13%。

    并排塔器的横风向激振特性与非光滑表面减振
    谭蔚, 王中辰, 樊显涛, 唐博文
    化工进展. 2022, 41(4):  1750-1758.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0847
    摘要 ( 52 )   HTML ( 1 )   PDF (3852KB) ( 25 )  
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    随着化工设备集约化,并排塔器因大幅横风向振动而发生破坏的现象时常发生,然而各塔器间的耦合机制复杂,少有报道。为了解决这一问题,本文应用弹性支撑的刚性截断模型模拟并排塔器的横风向振动,开展了风洞实验,深入分析了并排塔器的横风向激振特性;设计了一种微型翅片,通过调整尺寸参数达到了最佳减振效果。研究结果表明,并排塔器的横风向激振可按照间距比范围分为三种典型振动状态,即单钝体模式、剪切层再附着模式和共同脱涡模式。当间距比S/D<2时,上游塔器在较小的折合流速下即发生驰振,且与下游塔器存在能量转化,在工程中应予以避免。当微型翅片的厚度参数大于0.1D及长度参数大于0.9D时,微型翅片的减振效果最佳,可以防止尾流驰振,使并排塔器的横风向振幅减小78.63%~95.67%。

    乙酰丙酸乙酯的反应精馏模型及隔壁塔节能优化设计
    韩文韬, 韩振为, 李洪, 高鑫, 李鑫钢
    化工进展. 2022, 41(4):  1759-1769.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0919
    摘要 ( 65 )   HTML ( 4 )   PDF (2391KB) ( 59 )  
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    乙酰丙酸乙酯是一种潜在的生物质基平台化合物,在工业上具有很高的应用价值。乙酰丙酸乙酯传统的生产方法主要为间歇反应法,效率较低,产物分离困难且工艺流程较长。因此,本文提出了反应精馏工艺生产乙酰丙酸乙酯,在以中试实验结果为依据的基础上,使用Aspen Plus模拟软件建立了工艺流程,并考察了回流比、进料位置、进料摩尔比以及理论塔板数等关键参数,得到了常规单塔反应精馏工艺生产乙酰丙酸乙酯的最优配置。而后,为了得到纯度大于99.9%的乙酰丙酸乙酯,本文进一步提出了反应精馏双塔精制流程以及反应精馏隔壁塔流程,并通过对两种流程所得到的产品纯度以及能耗的对比,验证了反应精馏隔壁塔工艺生产乙酰丙酸乙酯的有效性以及在节能方面较大的优势。

    不同开车工况对天然气脱碳装置响应特性影响
    王玉娟, 唐建峰, 花亦怀, 陈静, 桑伟, 刘云飞
    化工进展. 2022, 41(4):  1770-1780.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0939
    摘要 ( 64 )   HTML ( 1 )   PDF (4571KB) ( 27 )  
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    由于气田及输送环境影响,现场运行长期处于波动状态,而装置能否稳定运行与其在不同工况下的响应动作是否及时有效息息相关。为分析装置在不同开车工况下的响应特性,本文基于实验室建有的天然气脱碳循环实验装置实际运行情况进行优化研究,分析其中关键影响因素。研究结果表明,在单因素实验研究中,开车工况下不同进气流量、塔内压力以及贫液进塔温度对于吸收塔内温度场及闪蒸罐液位响应特性的影响差别不大。而对于开车工况处于较大的进气流量、较高的塔内压力、较低或较高的贫液进塔温度,其控制器响应会出现一定延迟或塔釜液位波动幅度较剧烈的情况。因此以吸收塔塔釜液位响应时间为评价指标,利用BBD设计法对各因素交互作用进行响应面分析,得到吸收压力对塔釜液位响应时间的影响极显著,并且在三种因素交互作用中,吸收压力与贫液进塔温度的交互作用对目标值的影响更为显著。

    基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策
    蒋宁, 张元毅, 范伟, 赵世超, 徐新杰, 徐英杰
    化工进展. 2022, 41(4):  1781-1792.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0903
    摘要 ( 55 )   HTML ( 3 )   PDF (2138KB) ( 43 )  
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    原油石化装置的换热器常受到结垢影响,导致换热器性能衰退严重,换热网络性能也会随之衰退,同时换热器之间的耦合关系,导致不同换热器的性能衰退对换热网络整体性能变化的影响不同。以往的清洗决策主要是根据单台换热器性能衰退到一定程度来制定的,这会导致换热网络整体可能处在较差的运行状态。因此,本文提出一种基于智能预测和机理模型的换热网络清洗决策方法,基于换热器的运行数据建立智能预测模型,获得换热器性能变化趋势,结合换热网络的性能模拟模型,进一步获得换热网络的性能变化趋势,从而从换热网络整体性能变化的角度来制定清洗方案。研究表明,对收集到的原油换热器运行数据,建立神经网络预测模型,具有较好的预测精度。通过对原油精馏装置换热网络的案例分析,当HE1、HE2和HE5三台换热器同时发生性能衰退时,换热网络年度公用工程能耗费用将增加12.1%。与传统基于单台换热器性能衰退情况制定的清洗方案相比,从换热网络整体性能衰退角度制定的清洗方案,年度额外公用工程费用减少13.1%,损失费用减少14.1%,年度总费用减少13.8%,而清洗次数仅增加3台次。

    基于改进KFDA与DE优化SOM的故障诊断模型及其化工过程诊断
    李国友, 张新魁, 才士文, 贾曜宇, 宁泽
    化工进展. 2022, 41(4):  1793-1801.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0821
    摘要 ( 49 )   HTML ( 4 )   PDF (8174KB) ( 26 )  
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    针对化工过程故障诊断数据存在高维度、故障特征不易区分、自组织映射(self-organizing map,SOM)网络易陷入局部最优等问题,提出了一种基于改进核Fisher判别分析(kernel Fisher discriminant analysis,KFDA)与差分进化算法(differential evolution,DE)优化SOM神经网络相结合的故障诊断方法。该方法首先利用欧氏距离对类间距进行加权处理,以避免因类间距离过大造成投影后的数据存在重叠的问题,使故障数据样本获得较好的投影效果,优化分类性能;然后,利用DE算法对SOM神经网络的权值向量进行动态调整,有效避免了由于“死神经元”的出现陷入局部最优的问题;最后,通过对田纳西-伊斯曼(tennessee-eastman,TE)过程和对二甲苯(paraxylene,PX)歧化工艺过程的故障数据进行诊断测试。结果表明,与传统SOM网络相比,提出的KFDA-DE-SOM算法具有较高的分类诊断精度,可有效应用于化工过程的故障诊断。

    能源加工与技术
    生物油非催化热转化过程中受热结焦特性研究进展
    熊哲, 邓伟, 刘佳, 汪雪棚, 徐俊, 江龙, 苏胜, 汪一, 胡松, 向军
    化工进展. 2022, 41(4):  1802-1813.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0850
    摘要 ( 96 )   HTML ( 8 )   PDF (1834KB) ( 165 )  
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    生物油在受热条件下极易结焦,结焦是影响生物油规模化利用的重要因素之一,因此深入理解生物油受热结焦特性是实现生物油高效热转化利用的基础。本文从生物油热解过程的关键反应参数(温度、升温速率、气氛、压力、灰分)、生物油化学成分、生物油有机组分间交互作用、自由基反应特性等方面综述了生物油受热结焦特性相关研究进展,总结了反应参数对生物油热解结焦反应网络的影响,梳理了生物油各特征组分单独热解结焦及特征组分间交互作用对结焦特性的影响机制,并基于生物油结焦机理和焦炭的物化特性,总结了通过定向调控生物油结焦反应过程,将焦炭作为燃料和炭材料的潜在利用途径。最后,指出了明晰生物油受热结焦机理还需从生物油组分间交互作用机制和自由基反应机理的角度进一步探究。本文为实现生物油高效热转化利用提供了理论参考和借鉴。

    低阶煤热解高温油气除尘技术进展
    张喻, 高宁博, 全翠, 王凤超
    化工进展. 2022, 41(4):  1814-1824.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0936
    摘要 ( 102 )   HTML ( 4 )   PDF (1722KB) ( 267 )  
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    低阶煤的热解是我国煤炭清洁高效转化的重要方式,高温油气除尘困难是限制其产业化的瓶颈。低阶煤热解过程中的高温油气具有温度高、尘含量大、含大分子稠环芳烃、易冷凝等特点,易阻塞除尘器及工艺管道,腐蚀设备,降低产品品质。本文主要从工程化应用角度,对比了湿法除尘、旋风除尘、静电除尘、陶瓷管除尘、金属过滤器除尘、颗粒床除尘等主要高温除尘工艺在低阶煤热解高温油气除尘领域的应用现状,分析了各技术优缺点及领域内的专利情况,指出颗粒床除尘、催化除尘、组合除尘技术有望成为未来该领域的发展方向。

    CO2矿物封存技术研究进展
    何民宇, 刘维燥, 刘清才, 秦治峰
    化工进展. 2022, 41(4):  1825-1833.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0845
    摘要 ( 95 )   HTML ( 6 )   PDF (935KB) ( 93 )  
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    CO2捕集与封存技术是目前实现碳减排最有效的方法。其中,CO2矿物封存(又称CO2矿化)是利用CO2与含钙镁硅酸盐矿物进行反应使CO2以稳定的碳酸盐形式永久储存起来。本文首先介绍了CO2矿化的基本原理和技术路线,其中间接矿化反应条件较温和、矿化效率更高、得到的产物也更纯,因此对于CO2间接矿化的研究也更广泛。本文综述并对比了天然矿物及工业固废矿化CO2的研究进展,指出工业固废更有利于CO2矿化过程。工业固废矿化CO2过程矿化CO2的同时处理了工业固废,实现以废治废,因此它在经济上也是具有一定优势。在此基础上,本文以高炉渣为代表,介绍了其矿化CO2的详细研究进展,指出采用可循环的助剂、回收高炉渣中有价元素可提升矿化过程经济性。对于CO2矿化过程的放大试验、生命周期的评估及低能耗的新工艺开发将是CO2矿物封存实现工业化的关键。

    基于臭氧与超声氧化降低页岩气压裂返排液COD
    熊颖, 周厚安, 熊钢
    化工进展. 2022, 41(4):  1834-1839.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0731
    摘要 ( 44 )   HTML ( 0 )   PDF (1062KB) ( 43 )  
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    针对页岩气压裂返排液化学需氧量(COD)高,难以直接排放的问题,研究了臭氧氧化(O3)、超声氧化(US)和臭氧与超声联用氧化(O3+US)三种方式降低页岩气压裂返排液COD的效果。结果表明:O3+US因能产生更多的自由基而具有更好的降低COD效果。O3+US联用氧化返排液过程中,首先是臭氧直接氧化有机污染物生成醛酮等物质,然后再是自由基氧化降解,返排液颜色会出现特征变化。另外研究了水样pH、超声波功率、催化剂种类和加量、反应时间等因素对O3+US联用氧化降低COD的影响,结果表明其降低COD的效率随pH的增大而减小,随超声波功率的增大先增大后减小,随作用时间的延长而增大。综合考虑,推荐降低页岩气压裂返排液COD的氧化条件为:臭氧质量浓度42mg/L、pH为2.5左右、超声波功率800W、催化剂MnO2加量0.45g/L、反应时间100min,处理后COD降低68.17%。同时,降解动力学拟合分析显示MnO2催化下O3+US联用氧化降低页岩气压裂返排液COD的过程更符合二级动力学特征。

    基于焓-熵-㶲平衡的无盖板PV/T系统热力学分析与优化
    马进伟, 方浩, 陈茜茜, 陈海飞, 童维维
    化工进展. 2022, 41(4):  1840-1847.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2135
    摘要 ( 120 )   HTML ( 14 )   PDF (1511KB) ( 378 )  
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    光伏全覆盖的无盖板光伏/热(PV/T)系统结构简单,电性能优异而热效率偏低,有关其能量损失的研究还少有涉及。本文基于热力学第一、第二定律分别建立无盖板PV/T的能量平衡方程,搭建实验平台开展系统在不同温度、流量工况下的性能测试,结合电池温度曲线验证工质的冷却效果,并从焓-熵-?的角度对系统的热力学特性进行分析。研究发现,水冷通道提升了光伏组件的效率和温度场的均匀性,同时缩短水集热过程的时间将有助于系统节能和增加能量收益;环境温度是影响PV/T系统热效率、热?效率以及热损失率的重要因素,电效率则受流量变化的影响更为明显。测试条件下,无盖板PV/T系统的电、热、综合效率的最大值分别为17.36%、25.37%、70.12%,较高的电效率保证了能量收集的品质,而热水收集温度可以通过调节流量大小以满足生活需求。增大流量能够提高PV/T系统的?效率,结合水泵运行的优化方案可进一步提升系统的经济性;系统熵增与?效率呈负相关性,随流量的增大呈降低的趋势。数据显示,流量0.06kg/s时PV/T的?效率达到最大值19.05%,对应的熵为最小值0.0191kW·h/K。

    工业催化
    电催化还原二氧化碳制一氧化碳催化剂研究进展
    张少阳, 商阳阳, 赵瑞花, 赵丹丹, 郭天宇, 杜建平, 李晋平
    化工进展. 2022, 41(4):  1848-1857.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0804
    摘要 ( 175 )   HTML ( 8 )   PDF (1290KB) ( 204 )  
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    电催化还原CO2作为缓解能源危机和全球变暖的有效途径已成为催化领域的研究热点。然而,不同反应途径的氧化还原电位较为接近,使产物的选择性成为电催化还原CO2所需解决的主要问题。迄今为止,在水性电解质中可实现CO2选择性地转化为一氧化碳(CO)和甲酸(HCOOH)。本文简述了电催化还原CO2制CO的机理,包括CO2吸附过程、二电子转移过程和CO脱附过程。从贵金属的晶面设计、形貌调控和表面功能化对反应活性和产物选择性的影响,铁卟啉、钴酞菁和镍三嗪在还原CO2为CO反应中的电子转移途径,非金属碳基材料中杂原子和碳基质间的耦合效应等方面,重点介绍了近年来贵金属催化剂、过渡金属络合物催化剂和非金属碳基材料催化剂的研究进展,总结了各类催化剂的优缺点。指出在三类电催化还原CO2制CO的催化剂中,非金属碳材料具有较高的CO法拉第效率,尤其是非金属碳材料成本较低、制备简单、结构易调控,在电催化还原中具有潜在的应用优势,是有望实现商业化应用的新型催化剂的候选材料之一。

    多维度碳基负载金属催化剂活化PMS降解水中污染物的研究进展
    甄建政, 聂士松, 潘世元, 吕维扬, 姚玉元
    化工进展. 2022, 41(4):  1858-1872.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0738
    摘要 ( 93 )   HTML ( 4 )   PDF (4044KB) ( 232 )  
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    碳基负载型催化材料凭借独特的负载结构、优异的化学稳定性和吸附特性等优势,在环境催化领域展现出广阔的应用前景,有望成为新一代绿色催化剂。研究不同维度的碳基负载金属材料与催化过一硫酸氢盐(PMS)降解污染物之间的相关性,对开发具有针对性应用的环境功能材料具有重要的指导意义。因此,本文从不同维度的碳基负载金属催化材料出发,综述了零维、一维、二维以及三维碳基负载金属催化剂活化PMS在水处理中的应用,探讨了碳基材料与其负载金属之间的相互作用、非金属元素掺杂对催化剂活性的影响以及PMS的活化机理。最后,对负载型环境催化材料未来的发展方向,如单原子催化、多反应中心体系和光电催化体系等新兴领域进行了分析和展望。

    钼铋复合金属氧化物催化低碳烯烃选择氧化制备醛类研究进展
    李庆慧, 宋焕玲, 赵华华, 杨建, 赵军, 闫亮, 丑凌军
    化工进展. 2022, 41(4):  1873-1885.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0732
    摘要 ( 66 )   HTML ( 1 )   PDF (994KB) ( 50 )  
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    低碳烯烃选择氧化制备醛类等含氧化合物是生产有机化工中间体及产品的关键步骤,钼铋复合金属氧化物因其优异的催化性能在相关工业界和学术界受到广泛关注,然而目前关于该催化剂上选择氧化反应机制和催化反应本质等科学问题的认识尚未形成统一理论。本文系统综述了钼铋复合金属氧化物在催化低碳烯烃选择氧化制备醛类反应中的研究进展,包括催化剂微观结构的三种调控手段,即主组分钼酸铋物相结构、助剂及载体等对反应性能的影响,并对反应机理进行了深入讨论与总结。最后展望了钼铋复合金属氧化物在该选择氧化反应中的发展前景,为钼铋复合金属氧化物修饰改性及开发高效低碳烯烃选择氧化制含氧化合物催化剂提供思路。

    Fe1-x O基氨合成催化剂助催化剂的优选
    孙珍珍, 刘化章, 叶攀, 韩文锋
    化工进展. 2022, 41(4):  1886-1893.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0735
    摘要 ( 58 )   HTML ( 2 )   PDF (4620KB) ( 33 )  
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    在Al2O3、K2O、CaO三个基础助催化剂基础上,针对MgO、V2O5、ZrO2、WO3四种助催化剂,分别组成单变量、双变量、三变量和四变量共17个样品的实验方案,采用简单对比法,考察各变量对催化剂性能的影响,并采用SEM-EDS、H2-TPR、N2-TPD、XRD、BET等进行了表征。结果表明,单变量、双变量、三变量和四变量的样品中各自具有最高活性的样品都含有V2O5、ZrO2或WO3助催化剂,且每增加一个助催化剂,出口氨浓度就提高一个百分点,达到19.06%,相对提高24%,表明催化剂活性与助催化剂的叠加及其交互作用有关,其中ZrO2和MgO有利于催化剂中元素的均匀分布,增加催化剂的比表面积,提高催化剂的活性位数目和耐热性能;V2O5和WO3降低了催化剂表观活化能、增加了α-Fe上的电子密度;ZrO2和MgO偏碱性而V2O5和WO3偏酸性,它们之间存在酸碱协同作用,所以同时加入时催化剂活性最高。

    负载型铜在萘的α-硝基化反应中的催化性能
    洪乾, 白瑞, 彭欣华, 孙鸣, 刘珊珊, 焦林郁, 马晓迅
    化工进展. 2022, 41(4):  1894-1899.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0814
    摘要 ( 52 )   HTML ( 3 )   PDF (1185KB) ( 21 )  
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    目前工业上合成 α-硝基萘仍然采用传统的混酸硝化法,然而该方法存在区域选择性不高、官能团耐受性差、产生过量酸性废液以及后处理费用高等诸多局限性,导致环境污染以及生产成本的提高,不符合绿色化学的理念。鉴于 α-硝基萘的应用前景,本文通过浸渍-焙烧-还原等步骤设计合成一系列负载型铜催化剂,实现了萘向 α-硝基萘的高效、经济、绿色的催化转化。其中,以ZSM-5等为载体合成的催化剂Cu/ZSM-5催化效果最好,以较高的分离产率(高达95%)和优异的区域选择性[(α-∶β-)>(98∶2)]得到了目标产物α-硝基萘,而且在重复使用4次后依然保持较高的催化活性和结构稳定性。

    无定形Al-P-O催化剂上气相合成邻羟基苯乙醚
    程功林, 任新峰, 徐冬菲, 汪学广, 鲁雄刚, 尚兴付
    化工进展. 2022, 41(4):  1900-1907.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0825
    摘要 ( 41 )   HTML ( 0 )   PDF (1251KB) ( 13 )  
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    通过一步沉淀-蒸发法制备了具有不同P/Al摩尔比(x=1.00、1.05、1.10、1.15、1.20)的无定形介孔Al-xP-O催化剂。通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和CO2程序升温脱附(CO2-TPD)等手段对制备的Al-xP-O催化剂进行表征,考察了P/Al摩尔比对催化剂表面酸碱性及催化性能的影响。当P/Al摩尔比在1.00~1.10范围时,随P/Al摩尔比增加,催化剂弱酸性位点数量增加,中等强度碱性位点数量降低,邻苯二酚转化率提高,邻羟基苯乙醚选择性提高。当反应温度为270℃、空速为3.0mL/(gcat·h)、P/Al摩尔比为1.10时,催化性能最佳。200h稳定性测试中,邻羟基苯乙醚选择性始终保持在93.0%左右,反应后催化剂无明显积炭,表明该催化剂对邻苯二酚与乙醇气相合成邻羟基苯乙醚反应具有较高的稳定性和工业应用价值。

    ZSM-5分子筛固定床催化合成聚甲氧基二甲醚
    雷骞, 梁琳琳, 吕高孟, 陈洪林
    化工进展. 2022, 41(4):  1908-1915.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0907
    摘要 ( 67 )   HTML ( 1 )   PDF (2324KB) ( 239 )  
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    通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)和吡啶吸附-红外光谱(Py-IR)等对不同硅铝比(SiO2/Al2O3)的ZSM-5分子筛粉末催化剂进行表征。在间歇反应器中,本文对比了不同硅铝比ZSM-5分子筛粉末催化三聚甲醛和甲缩醛合成聚甲氧基二甲醚(PODE)的催化活性,结果表明硅铝比为400的ZSM-5分子筛粉末具有最高的PODE2~8的收率和选择性。然后,采用挤条成型法,在ZSM-5分子筛粉末(SiO2/Al2O3=400)中加入硅溶胶黏结剂和甲基纤维素黏结剂,制备得到ZSM-5成型催化剂,硅溶胶添加量和甲基纤维素分子量影响成型催化剂强度。采用ZSM-5成型催化剂,以固定床为反应器,反应温度和反应空速在所考察的范围内对三聚甲醛(TOX)的转化率和PODE的选择性影响较小。在85℃、压力1MPa、空速为5h-1的条件下进行了240h催化性能考察,成型催化剂催化性能稳定,三聚甲醛的转化率高于90%,PODE2~8的选择性达到95%以上。

    小晶粒ZSM-22的可控合成及其催化长链正构生物烷烃制航空煤油性能
    韩京京, 谭涓, 刘靖, 刘宇
    化工进展. 2022, 41(4):  1916-1924.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0938
    摘要 ( 72 )   HTML ( 2 )   PDF (4119KB) ( 94 )  
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    由生物脱氧油制生物航空煤油具有较大应用潜力和发展前景,为了提高生物航煤的收率,开发性能更好的加氢裂化/异构化催化剂是关键。本文采用水热合成法,在低温陈化、加入晶种、提高合成凝胶的碱度或加入有机碱条件下,合成了平均c轴尺寸在100~330nm的小晶粒ZSM-22分子筛,进行了XRD、SEM、N2物理吸附、NH3-TPD和吡啶红外表征,并以生物质油加氢脱氧得到的长链正构生物烷烃为原料,考察了不同晶粒尺寸 ZSM-22催化剂催化裂化和异构化制生物航空煤油的性能。结果表明,通过提高碱度合成的小晶粒H-ZSM-22 具有较强的酸中心,较多可及的强B酸中心数量,其长链正构烷烃转化率可达80%以上。在此基础上,制备的Pt/ZSM-22催化剂具有较高的Pt分散度,表现出很好的加氢裂化/异构化性能,其长链正构烷烃的转化率高达97.79%,生物航煤收率达50.25%,航煤产物异正比为7.55。

    材料科学与技术
    基于薄层黑磷的电化学传感器研究进展
    唐子龙, 郝远强, 刘又年
    化工进展. 2022, 41(4):  1925-1940.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0908
    摘要 ( 75 )   HTML ( 2 )   PDF (5241KB) ( 37 )  
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    自2014年首次被报道以来,层状黑磷作为一种新型的二维纳米材料受到了广泛的关注与研究。层状黑磷具有比表面积大、带隙结构可调、载流子迁移率高、生物相容性好及易修饰等特点,是一类潜在的理想生物传感材料。本文将关注层状黑磷在电化学传感器中的应用,根据检测目标物的类型,对最新的研究报道进行了详细分类与讨论,主要包括气体分子、生物小分子、其他小分子、生物大分子、细胞几大类基于层状黑磷构筑的电化学传感器。重点概述了层状黑磷及其复合纳米材料的制备方法与性质,传感器的结构、工作原理与分析性能等。最后讨论了黑磷基纳米材料在电化学传感器中应用的现存问题和未来发展方向,为进一步拓展黑磷纳米材料在分析传感领域的应用提供了参考。

    氧化石墨烯和过渡金属碳/氮化合物固定化酶
    毛梦雷, 孙丹阳, 孟子晖, 刘文芳
    化工进展. 2022, 41(4):  1941-1955.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0813
    摘要 ( 59 )   HTML ( 0 )   PDF (3304KB) ( 128 )  
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    二维纳米材料具有高机械强度和比表面积、大量表面官能团、良好的亲水性及生物相容性,是固定化酶的良好载体。本文选取经典的氧化石墨烯(GO)以及新型的过渡金属碳/氮化合物(MXenes),分别介绍了它们的制备方法和结构、物理和化学性质,综述了它们在固定化酶领域的应用研究,并进行了比较。文中指出:GO由石墨烯经化学氧化再剥离制得,MXenes由其前体经刻蚀制得,不同的氧化或刻蚀方法制得的材料在组成、结构、性能等方面存在差异。GO表面的可反应官能团更多,包括羟基、羧基和环氧基,故在固定化酶领域应用广泛。MXenes固定化酶则主要利用表面的羟基反应或负电荷吸附,目前主要用于制备生物传感器。最后指出这两种材料还存在制备效率低、纳米片易聚集、循环利用性差等问题。今后的发展方向是要开发更为简单和安全的材料制备方法,探索更为有效的插层和剥离手段以及改善固定化酶的回收策略,进一步推进二维纳米材料在固定化酶领域的应用。

    七水硫酸镁化学储热材料与应用研究进展
    付涵勋, 兰宇昊, 凌子夜, 张正国
    化工进展. 2022, 41(4):  1956-1969.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0828
    摘要 ( 64 )   HTML ( 2 )   PDF (4412KB) ( 124 )  
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    七水硫酸镁是一种具有高储热密度(2.8GJ/m3)、低工作温度(<150℃)的无机盐水合物化学储热材料。开发基于七水硫酸镁的高效热化学储热材料和储热系统,有望在太阳能热利用、工业余热回收、季节性储能、建筑供热等领域取得良好的节能减排应用效果。本文对七水硫酸镁的储热原理、基本物性进行了详细介绍。针对七水硫酸镁在实际应用过程中存在传质阻力大、使用寿命受限、传热性能不足等缺点,文章综述了通过沸石、高分子泡沫、碳材料等改性制备硫酸镁高性能复合材料及储热器的相关研究,并对此材料的未来发展趋势作出评价。

    酚醛基炭气凝胶的研究进展
    周亚兰, 闫雯, 罗路, 范毜仔, 杜官本, 赵伟刚
    化工进展. 2022, 41(4):  1970-1981.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0930
    摘要 ( 74 )   HTML ( 3 )   PDF (2104KB) ( 92 )  
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    炭气凝胶是一种多孔纳米炭材料,具有低密度、高孔隙率、高比表面积、优异的导电性和良好的成型性能等优点,是炭材料研究的热点和重要方向。本文旨在通过阐明酚醛基炭气凝胶的制备原料和制备工艺的发展过程,从而突出未来酚醛基炭气凝胶的发展方向。基于此,本文首先重点介绍了酚醛基炭气凝胶的制备方法,主要包括溶胶-凝胶化、干燥以及炭化过程三个最主要的步骤;进而详述了以三种不同的前体,即间苯二酚、苯酚、生物质单宁/木质素分别制备酚醛基炭气凝胶的方法及其优缺点;接下来对酚醛基炭气凝胶作为吸附材料(气体吸附/液体吸附)的吸附量以及在电化学储能以及其他领域的应用进行了综述;最后对酚醛基炭气凝胶未来的研究方向和发展前景进行了总结和展望。文章指出,传统的以间苯二酚为原料辅以超临界干燥的方法制备的酚醛基炭气凝胶,原料成本较高,反应条件苛刻,实际生产应用受限;以苯酚取代间苯二酚,亦或是采用冷冻干燥等方法改进其制备工艺,可以大幅度降低原料和生产成本;但未来的发展方向和重点将是绿色、可再生的生物质原料(单宁、木质素、腰果酚等)及复合气凝胶材料的研发。因此,酚醛基炭气凝胶在未来的发展还需要进一步改进其制备工艺和方法,拓宽其原料来源,从而提高性能,扩大应用领域。

    辐射冷却材料研究进展
    任首龙, 陆庭中, 唐波, 高颖, 戴远哲, 吉利, 赵胜悟
    化工进展. 2022, 41(4):  1982-1993.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0937
    摘要 ( 67 )   HTML ( 1 )   PDF (2560KB) ( 40 )  
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    随着全球变暖的趋势加剧,人类生存环境受到严重威胁,发展节能环保的冷却降温技术迫在眉睫。辐射冷却材料由于其不消耗能源便可辐射散热等特性引起了国内外研究者的广泛关注,但同时其存在着制备复杂、成本较高、耐候性较差等问题,导致其在实际应用中受到限制。目前,对于各类辐射冷却材料性能的优化是辐射冷却领域的核心课题。本文从辐射冷却机理出发,对近几年来辐射冷却材料的相关研究进行归纳与总结,主要介绍了各类辐射冷却材料的设计思路,进一步阐述了辐射冷却材料应用于实际工业领域的性能情况。总结了目前辐射冷却材料仍面临的问题与发展趋势,指出进一步将不同类别的辐射冷却材料进行合理结合,以及根据当地环境特点对材料的辐射冷却特性进行完整评估将是未来研究的主要方向。辐射冷却材料的研制与应用将对我国节能减排事业做出巨大贡献。

    马尾松基磁性水热炭的制备及其吸附性能
    盖希坤, 马晓锋, 骆美宇, 杨丹, 李音, 邸婧, 杨瑞芹, 单胜道
    化工进展. 2022, 41(4):  1994-1999.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0727
    摘要 ( 65 )   HTML ( 4 )   PDF (1092KB) ( 52 )  
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    磁性水热炭兼具水热炭的吸附性能和磁性材料可回收的优点,是一种具有广阔应用前景的水处理吸附材料。目前,磁性水热炭一般采用两步法制备,工艺较为复杂。为此,本文以马尾松锯末为原料,以FeSO4作为磁化剂,NaOH作为活化剂,1,2-丙二醇作为还原剂,开发一步法制备磁性水热炭技术。考察了反应温度、反应时间对磁性水热炭产率和结构的影响,采用XRD、SEM、BET、VSM等对产品进行表征,并将磁性水热炭用于去除水中Cu2+离子。结果表明:随着反应温度的升高和反应时间的增加,磁性水热炭的产率逐渐降低,但比表面积增加,磁性增强。在水热反应温度为240℃、反应时间为8h的条件下,制备的马尾松基磁性水热炭具有良好的吸附性能和磁性,磁性水热炭对Cu2+吸附量为9.58mg/g,最大饱和磁化强度3.74emu/g,具有较好的应用潜力。

    环糊精基活性炭的制备及其电化学性能
    钱科, 邓苗, 乔志军, 方志梅, 屠建飞, 阮殿波
    化工进展. 2022, 41(4):  2000-2006.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0765
    摘要 ( 68 )   HTML ( 2 )   PDF (2044KB) ( 58 )  
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    以环糊精为原料,采取先炭化后活化的方式,制备了具有高比表面积和丰富孔道结构的活性炭材料。本文通过改变KOH与环糊精炭化样品之间的碱炭比,研究了KOH用量对环糊精基活性炭结构及其电化学性能影响。在活化时间、活化温度等因素不变的情况下,活性炭的比表面积、总孔容及比电容随着碱炭比的提高,均呈现先增大后减小的趋势。当碱炭比为3时,活性炭的比表面积为1672m2/g,总孔容为0.75cm3/g,具有最佳的电容性能,在1A/g电流密度下比电容可达165F/g,优于同等条件下的商业炭21KSN(145F/g),50000次循环后的比电容保持率为98.7%。

    表面活性剂强化重质油矿溶剂萃取残渣中残留溶剂鼓泡分离
    宋飞, 王君妍, 何林, 隋红, 李鑫钢
    化工进展. 2022, 41(4):  2007-2014.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0767
    摘要 ( 49 )   HTML ( 0 )   PDF (1389KB) ( 16 )  
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    针对重质油矿溶剂萃取残渣中残留溶剂的回收和去除问题,本文在鼓泡分离工艺的基础上提出了表面活性剂强化鼓泡分离工艺,探究了表面活性剂种类对于鼓泡分离过程的影响,并研究了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对于鼓泡分离过程的动力学。结果表明,表面活性剂种类对去除效果具有重要影响:SDS可以通过降低甲苯-水界面张力和增加固体表面的亲水性,促进甲苯液层从固体颗粒表面的脱离,进而强化鼓泡分离过程,该过程符合一级动力学模型。然而,阳离子表面活性剂十四烷基三甲基溴化铵(C14TAB)和双亲性表面活性剂月桂基甜菜碱(SB-12)则通过增加固体表面的疏水性,促使颗粒离开溶液体系,抑制了鼓泡分离的进行,但由于SB-12对固体表面改性的程度弱于C14TAB,SB-12的抑制作用弱于C14TAB,且随鼓泡时间的延长,SB-12对甲苯-水界面张力的改变成为影响鼓泡分离效果的主要因素,SB-12对鼓泡分离过程的影响由抑制转为强化,但C14TAB在鼓泡分离过程中始终呈现抑制作用。上述结果对于类似的固相溶剂萃取后残留溶剂去除或回收具有一定的理论指导意义。

    可再分散乳化沥青粉末改性水泥砂浆的力学性能和微观形貌
    刘竞, 郑新国, 李铁军, 王财平, 赵彦旭, 李颖, 楼梁伟, 沈伟
    化工进展. 2022, 41(4):  2015-2021.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0875
    摘要 ( 49 )   HTML ( 1 )   PDF (1611KB) ( 7 )  
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    为解决水泥基材料脆性大、韧性差问题,本文提出了掺加可再分散乳化沥青粉末(REAP)以改善水泥基材料韧性的方法。试验制备了REAP 掺量为胶凝材料用量0、10%、20%、30%的可再分散乳化沥青颗粒改性水泥砂浆(REAPMCM),研究了REAP对REAPMCM抗压、抗折强度、折压比、弹性模量等力学性能影响,分析了其对水泥水化产物微观形貌影响,对比了其与采用乳化沥青制备水泥乳化沥青砂浆微观形貌。结果表明,随着REAP掺量增加,REAPMCM抗压、抗折强度与弹性模量均有所降低,折压比有所提高,REAP掺量30%的REAPMCM折压比为28.5%,其相比未掺加REAP砂浆的折压比提高了46.6%;掺入REAP改善了水泥基材料的韧性,但其改善效果随着水泥水化龄期增长而有所降低;随着REAP掺量增加,一方面浆体总孔隙率含量有所增大,另一方面水泥水化产物间填充覆盖的沥青膜面积增大,且其断面显微形貌与相同沥青固含量掺量的乳化沥青砂浆断面基本类似,证实了REAP亦可较好分散、成膜分布于水泥水化产物间,达到了其与乳化沥青乳浊液对水泥基材料改性相类似的使用效果。

    负载酶@ZIF-8复合物的聚合物微颗粒可控制备
    张彦, 汪伟, 谢锐, 巨晓洁, 刘壮, 褚良银
    化工进展. 2022, 41(4):  2022-2028.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0896
    摘要 ( 58 )   HTML ( 7 )   PDF (2583KB) ( 78 )  
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    通过仿生物矿化法在微流控法制备的均一聚丙烯酰胺-共聚-丙烯酸水凝胶(PAM-AA)微颗粒上原位生长酶@ZIF-8纳米颗粒,本文成功构建了具有优良催化性能、储存性能和环境耐受性能的酶@ZIF-8/PAM-AA微颗粒。该微颗粒的平均粒径为559.97μm,CV值为2.17%,具有良好的单分散性。在该微颗粒中,酶@ZIF-8纳米颗粒主要原位生长于微颗粒的表面,有利于其有效地与底物接触进行催化反应。以过氧化氢酶为典型的酶研究该微颗粒的催化性能发现,该微颗粒在具有良好催化性能的同时还展现出良好的储存性能和环境耐受性。该微颗粒分别经30min的80℃热处理、紫外线照射或胰蛋白酶处理后,仍能保持约75%的相对活性;此外,微颗粒在常温下经过7天后,其酶活性几乎维持不变。该工作为设计和构建具有优良性能的新型酶固定化功能微颗粒提供了一种新策略。

    染料掺杂发光聚氨酯复合材料的制备及性能
    史慕杨, 芦博慧, 王锦康, 晋阳, 葛明桥
    化工进展. 2022, 41(4):  2029-2037.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0902
    摘要 ( 41 )   HTML ( 2 )   PDF (4683KB) ( 12 )  
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    为合理探讨使发光聚氨酯智能化的方法,本研究采用涂层整理的方式制备出具有热敏变色功能的柔性发光聚氨酯复合材料(LPC)。扫描电子显微镜(SEM)观察到材料表面粗糙不平;X射线衍射仪(XRD)分析表明涂层工艺和颜料的添加未影响材料中稀土发光材料的物相结构;反射率和发射光谱测试显示材料具有优异的热敏变色发光特性,标准光源下材料自身颜色可通过人体体温来改变(由红色变为白色),经紫外-可见光源激发后,在黑暗环境中形成低温红光-高温白光的体系,充分展示其在智能可穿戴设备领域的应用潜力。

    纳米管壁数对氮掺杂碳纳米管氧还原反应活性的影响
    张爱京, 江胜娟, 周明正, 柴茂荣, 张劲
    化工进展. 2022, 41(4):  2038-2045.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0910
    摘要 ( 39 )   HTML ( 2 )   PDF (3848KB) ( 17 )  
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    通过预氧化和氨水水热法在含有不同壁数的碳纳米管表面成功引入含氮基团,从而获得了氮掺杂碳纳米管(NCNT),并研究了纳米管壁数对不同NCNT氧还原反应活性的影响。研究表明,各NCNT中氮元素的含量和含氮基团的种类相似,但不同含氮基团的比例则相差较大,其中平均壁数为2.5的NCNT样品含有最低的吡啶氮和石墨氮比例,而该样品却展现出最高的电子转移数和最大的氧还原反应极限扩散电流。分析表明,NCNT的氧还原反应活性决定于纳米管壁数,而不是吡啶氮和石墨氮活性基团的比例,即NCNT的内壁为反应电荷的转移提供了有效导电途径,并通过隧穿效应将电子转移到外壁,而外壁的含氮基团活性位点得到电子从而将O2转变为OH-。随着NCNT壁数的增加,NCNT中电子隧穿效应减弱,NCNT的氧还原反应(ORR)活性也随之降低。

    泡沫铜/石蜡复合相变储能材料的储放热过程及数值模拟
    万倩, 王铭婕, 何露茜, 冯小江, 何正斌, 伊松林
    化工进展. 2022, 41(4):  2046-2053.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0920
    摘要 ( 46 )   HTML ( 2 )   PDF (1952KB) ( 18 )  
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    作为储热和热管理技术的重要材料之一,相变储能材料通常具有储热密度较大、相变温度变化较小的优势,但其热导率较低,热传递效率较差。本文将泡沫铜用于石蜡相变储能材料的传热强化,通过测定相变储能材料储放热过程的温度变化,考察了添加泡沫铜对相变储能材料储放热速率和温度均匀性的影响,且在实验基础上对储能材料的放热过程进行建模并求解,得到温度云图,为实际应用提供理论依据。结果表明,添加泡沫铜后,石蜡的相变储热和放热时间分别缩短了16.67%和14.71%;储放热过程复合材料中心层与外层中心点的最大温差分别降低了91.5%和87.5%;建立放热过程相变储能材料温度随时间变化的模型,对比实际值和模型预测值,得到相关系数及标准误差分别为0.99℃和0.13℃,证明该模型准确度较高,可有效预测相变储能材料的温度变化情况。

    生物与医药化工
    可视化高通量检测天冬氨酸转氨甲酰酶活性的方法
    高博, 冯旭东, 李春
    化工进展. 2022, 41(4):  2054-2059.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0750
    摘要 ( 46 )   HTML ( 0 )   PDF (647KB) ( 16 )  
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    天冬氨酸转氨甲酰酶(ATCase)是嘧啶生物合成途径的第一个酶,其活性的反馈调节机制在控制嘌呤和嘧啶合成途径的平衡中起重要作用。目前,检测该酶活性的方法是基于安替比林和2,3-丁二酮肟的显色法。然而,该方法需先避光反应16h,再在45℃水浴30min并均匀光照,操作比较繁琐。本研究以对二甲氨基苯甲醛(PDAB)盐酸溶液为显色试剂,建立了一种检测ATCase活性的方法。该方法的原理是ATCase催化产生的N-氨甲酰基-L-天冬氨酸(N-CP-L-Asp)与PDAB在室温下反应15min,可生成黄色物质并能通过比色法定量检测。研究表明,在0.1~5mmol/L N-CP-DL-Asp的浓度范围内,黄色随化合物浓度的增加而加深,且在438nm的吸光度具有良好的线性关系,精密度RSD为0.87%~1.52%,加标回收率为96.6%~101.9%。该方法成功用于重组表达ATCase的活性测试,测得比酶活为56.83U/mg。该方法可以高效、快速和可视化地检测ATCase的活性,并且可以通过酶标仪实现高通量检测。

    铁电极辅助餐厨垃圾高温厌氧消化及微生物的耐盐机理
    曲艺源, 张景新, 何义亮
    化工进展. 2022, 41(4):  2060-2067.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0819
    摘要 ( 33 )   HTML ( 0 )   PDF (1802KB) ( 45 )  
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    目前餐厨垃圾中的盐度对其厌氧消化产甲烷有不利影响。为了解决这一问题,本研究通过使用铁-碳微生物电解池来强化高温厌氧消化。本文使用零价铁作为微生物电解池的阳极,提高微生物的耐盐能力,增强了阳极的氧化作用,从而促进产甲烷过程。结果表明,铁-碳微生物电解池的累积产甲烷量最高达到了1110.67mL,比对照组提高了68.18%。随着Na+浓度的提高,水解酸化过程受到了抑制,而铁-碳微生物电解池促进了微生物降解有机物的过程,并且促进了丙酸和丁酸转化为乙酸的过程。微生物群落结构分析表明,铁-碳微生物电解池促进了Methanomassiliicoccus的生长,在阳极上占比52%。代谢通路分析表明,铁-碳微生物电解池提高了微生物的耐盐能力,促进了水解酸化过程,并且提高了产甲烷过程中乙酸脱羧和二氧化碳还原过程中相关酶的基因丰度,强化高温厌氧消化。

    精细化工
    PDMDAAC改性玉米醇溶蛋白负载阿维菌素纳米颗粒的制备与性能
    李梓泳, 陈龙, 马文丹, 周红军, 周新华
    化工进展. 2022, 41(4):  2068-2074.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0741
    摘要 ( 41 )   HTML ( 1 )   PDF (1597KB) ( 13 )  
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    为提高阿维菌素叶面沉积率及其抗紫外分解性能,本文设计构建了叶面亲和的纳米载体。通过自由基聚合将聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)改性玉米醇溶蛋白(Zein),得到表面携带正电荷的改性玉米醇溶蛋白,并将其用于负载阿维菌素。采用红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)等手段对改性产物结构和形貌进行表征。通过反溶剂沉淀法制备了平均粒径为64.92nm的载药纳米粒子,载体对阿维菌素的包封率为(34.75±0.18)%。与植物表面的静电作用提升了纳米粒子悬浮液在植物表面的润湿性能,接触角大小随PDMDAAC接枝量增大而降低,由77.38°减小到64.60°;叶面滞留量可达33.69mg/cm2。改性玉米醇溶蛋白对阿维菌素的包覆提升了其抗紫外性能,半衰期由15min延长至40min,且阿维菌素的释放速率可通过PDMDAAC接枝率进行调控。

    β-环糊精对曲拉通X-114紫外光谱抗干扰性能的影响
    许慧华, 石东坡, 吴浩, 尹先清, 郑延成, 陈武, 李赓
    化工进展. 2022, 41(4):  2075-2081.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0748
    摘要 ( 55 )   HTML ( 1 )   PDF (1339KB) ( 20 )  
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    辛基苯基聚氧乙烯醚(曲拉通X-114)和脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)之间的相互作用能对水溶液中曲拉通X-114的紫外光谱产生明显影响。实验结果表明,在200~350nm范围内,曲拉通X-114的最大吸收波长为223nm,AEO-9的紫外吸光度接近于0;在水溶液中,AEO-9能减弱曲拉通X-114的紫外吸光度,降幅达3.4%;AEO-9还能显著降低曲拉通X-114的表观临界胶束浓度(cmc),当AEO-9的浓度从0增加到0.050mmol/L 和0.100mmol/L时,曲拉通X-114的表观cmc从0.219mmol/L分别降至0.207mmol/L和0.202mmol/L。实验结果进一步表明,β-环糊精(β-CD)能有效降低AEO-9对曲拉通X-114的紫外吸光度及表观cmc的影响,在曲拉通 X-114和AEO-9复配水溶液中,按物质的量比1∶1加入β-CD,复配水溶液中曲拉通X-114的回收率从95.8%~103.3%变化至99.0%~100.1%,表明了β-CD能明显降低AEO-9对曲拉通X-114的干扰作用。红外光谱表征结果(FTIR)、核磁共振氢谱表征(1H NMR)及热重差热分析表征结果(TG-DSC)表明,曲拉通X-114进入β-CD 分子空腔并形成包结物,是阻断曲拉通X-114分子形成混合胶束以及消除AEO对曲拉通X-114的干扰的主要原因。

    KF/MgO催化甘油和碳酸二甲酯酯交换合成甘油碳酸酯
    陈丹阳, 朱建宇, 吴勤, 王自庆, 张金利
    化工进展. 2022, 41(4):  2082-2089.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0892
    摘要 ( 62 )   HTML ( 1 )   PDF (1540KB) ( 32 )  
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    采用浸渍法制备KF/MgCO3前体,经高温焙烧后获得了一系列KF/MgO固体碱催化剂,用于催化碳酸二甲酯(DMC)和甘油(GL)酯交换反应合成甘油碳酸酯(GC)。系统考察了KF负载量和焙烧温度对催化剂活性的影响,并通过X射线衍射、N2吸脱附等温线、扫描电子显微镜和哈米特酸碱滴定等一系列技术对催化剂的结构性能进行了表征。结果表明,当KF负载量为20%(质量分数)时,经550℃焙烧所获得的20%KF/MgO-550催化剂活性最高。经过反应工艺条件的优化,当催化剂与甘油的相对质量分数为2%,DMC与GL的摩尔比为3∶1,75℃条件下反应1.5h后,GC收率可以达到96.8%。当20%KF/MgO-550催化剂重复使用3次之后,GC的收率由96.8%降低到67.3%,经再生处理后20%KF/MgO-550的催化活性可以恢复并且表现出更优异的稳定性。

    资源与环境化工
    相变吸收捕集烟气中CO2技术的发展现状
    张卫风, 周武, 王秋华
    化工进展. 2022, 41(4):  2090-2101.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0740
    摘要 ( 123 )   HTML ( 6 )   PDF (1303KB) ( 203 )  
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    化学吸收法作为目前最有效的CO2捕集技术,吸收剂常用有机胺,但过高的再生能耗和成本限制了其在工业中的应用。基于传统有机胺溶剂开发出来的相变吸收剂被认为可以大幅减少解吸能耗,成为近几年研究的热点。本文详细介绍了相变吸收剂的常见类型、分相机理,并根据其具体组成进行了种类划分,对比分析了常用相变吸收剂和传统乙醇胺(MEA)吸收液的再生能耗,并指出温度、CO2负荷以及相分离等因素对相变吸收剂的工艺流程长期运行稳定性的影响。在制备相变吸收剂的过程中,可加入活化剂来降低CO2富液黏度,加入助溶剂来提高传质特性。本文阐述了现有相变吸收剂的挥发、降解和腐蚀等特性的研究现状。最后,结合研究现状和烟气捕集需求对相变吸收剂今后的研究方向给出了建议。

    电渗析苦咸水淡化技术研究进展
    董林, 陈青柏, 王建友, 李鹏飞, 王进
    化工进展. 2022, 41(4):  2102-2114.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0811
    摘要 ( 77 )   HTML ( 7 )   PDF (1450KB) ( 38 )  
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    电渗析苦咸水淡化技术具有脱盐效果好、成本较低、绿色环保等优点,但存在制膜工艺繁琐、传质模型不够精确、能效有待提升等问题。本文首先分析了苦咸水电渗析用离子交换膜的制备及改性方法,对膜材料存在的问题进行了探讨。综述对比了苦咸水电渗析在简化模型、理论模型、半经验模型方面的原理及最新进展,系统总结了常规苦咸水电渗析过程的运行方式和工艺优化策略,并进一步介绍了以新型电去离子、冲击电渗析、可再生能源驱动电渗析为代表的新型电渗析过程在苦咸水淡化方面的原理及应用。在此基础上,提出了今后的研究方向集中于降低制膜成本、优化传质模型、探究集成膜法淡化工艺以及新型电渗析过程等方面。

    超声辅助熔融草酸法高效绿色再生饱和活性炭
    蔡政汉, 何晨露, 谢海亮, 王琼, 陈燕丹, 吕建华, 郑新宇, 黄彪, 林冠烽
    化工进展. 2022, 41(4):  2115-2122.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0667
    摘要 ( 56 )   HTML ( 1 )   PDF (2412KB) ( 13 )  
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    饱和活性炭的高效绿色再生对活性炭在污染物吸附过程中的循环利用是非常重要的。本文利用超声波辅助熔融草酸的方法对饱和活性炭进行高效绿色再生,讨论了温度、时间、超声振幅和固液比对饱和活性炭再生效率的影响。结果表明,在超声辅助作用下,熔融草酸可在20min内使饱和活性炭得到快速再生,再生效率高达94.72%。通过5次吸附-脱附循环后,再生效率仍可达到78.02%,与此同时有机酸的回收率极高,平均达到98.35%,再生过程十分绿色环保。在超声的辅助作用下,强氢键缔合能力的熔融草酸更充分地与焦糖反应,形成草酸-焦糖强氢键缔合体系,降低焦糖与活性炭表面的亲和力,将焦糖解吸,实现活性炭的再生。该法可为绿色高效的活性炭再生方法的研究开发提供新思路。

    流动电极电容去离子去除铵根离子模型及优化
    李翱, 王宏洋, 孙宇巍, 王旭, 汪霞, 朱光灿
    化工进展. 2022, 41(4):  2123-2131.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0725
    摘要 ( 37 )   HTML ( 0 )   PDF (1817KB) ( 11 )  
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    为了更直观地研究流动电极电容去离子(flow electrode capacitive deionization, FCDI)除氨工艺的机理并进行高效改进,本文构建了FCDI装置去除NH4+的电化学稳态模型,实验结果模拟准确率达到93.8%。利用该模型研究了FCDI除氨工艺在进水流量、电流密度、电极液中活性炭质量分数等工况条件下的能耗和去除效率变化趋势,计算离子选择性和去除速率两个指标,定性阐明操作参数对去除氨的影响机理,筛选出较优化工况。研究结果表明,FCDI除氨工艺在进水流量1.25mL/min、电流密度21.26A/m2、活性炭质量分数为10%时,除氨效率为74.5%,能耗为29.62kWh/kg N,达到较为理想的状态。在优化的工况条件下,讨论了NH4+在FCDI装置内部的微观传输情况,考虑到过长的流道长度会增强电流密度的极化现象,降低装置除氨性能,提出了串联装置的建议。保持流道长度和工况条件不变,串联的装置可以比原装置的去除效率提升32.9%,同时去除单位质量N的能耗降低22.0%,表明装置的改进是有效的。优化后的FCDI除氨工艺比同类处理工艺更有优势,NH4+去除效率更高,能耗更低,具有广泛应用前景。

    中空纤维膜接触器中N,N-二甲基乙醇胺吸收CO2的特性
    吴佳佳, 潘振, 商丽艳, 孙秀丽, 孙超, 孙祥广
    化工进展. 2022, 41(4):  2132-2139.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0757
    摘要 ( 62 )   HTML ( 1 )   PDF (1875KB) ( 28 )  
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    N,N-二甲基乙醇胺(DMEA)是一种很有前途的吸收剂,具有较快的反应速率和较高的CO2捕集能力。在本研究中,DMEA作为一种新型吸收剂被应用于中空纤维膜接触器,用于从CO2/CH4气体混合物中分离CO2。通过建立二维稳态数学模型,模拟了MEA、DEA、MDEA和DMEA四种吸收剂在不同操作条件下对CO2吸收性能的影响。结果表明,脱碳性能大小为MEA>DMEA>DEA>MDEA;气相参数对脱碳率的影响比液相参数更显著;提高气体流速和CO2浓度,脱碳率均会下降;提高液速和吸收剂浓度,脱碳率均增大,适当提高吸收剂流速和吸收剂浓度可以提高CO2去除效率。此外,CO2吸收通量将随着气体速度的增加而增加,随着液相中CO2负荷的增加而减少。最后,通过两种影响因素共同作用确定了膜接触器分离酸性气体的最佳操作条件。因此,膜吸收法在天然气脱碳方面有良好的潜力。

    环境对改性塑料表面亲/疏水转变的作用机制
    杨雅斌, 张迎霜, 杜海玲, 黄伟, 王晖
    化工进展. 2022, 41(4):  2140-2149.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0787
    摘要 ( 61 )   HTML ( 1 )   PDF (3242KB) ( 8 )  
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    塑料制品因其质量轻、性质稳定等优点而得到广泛使用,但大部分废旧塑料未被合理回收而成为污染物,对环境造成了危害。因此,废旧塑料回收、再加工成为保护环境和资源利用的有效途径。而分离是废旧塑料能进行再加工的重要环节,目前已经发展了丰富的分离方法,其中塑料浮选法因具有工艺简单、污染少的特点而受到人们的青睐。但在塑料浮选中,其表面亲疏水性受环境的影响,该过程进一步恶化分离效果。为了避免分离过程的波动性,急需探究环境因素对亲疏水性的作用。基于此,本文选取了ABS、PC、PS三种废旧塑料,探究环境对浮选分离及表面亲疏水性基团重构的影响。结果表明:氧化改性后的ABS、PC、PS处于极性环境时,塑料可浮性基本未发生改变,接触角发生轻微浮动,表面仍保持亲水性。处于乙醇环境中,塑料可浮性上升,其接触角上升至75°左右,表面疏水性恢复速度大于极性环境。而在非极性环境中,塑料可浮性上升速度较快,表面完全恢复为未改性前的疏水性。在极性环境中,亲水基团更容易停留在表面,随着极性的减小,亲水基团逐渐迁移至本体,塑料表面恢复为疏水。因此,极性环境更有利于塑料表面保持亲水性。

    NTP-DBD气化城市污泥及其模型化合物: 气氛对产物分布及特性的影响
    王思怡, 李月慧, 葛玉洁, 王焕然, 赵璐璐, 李先春
    化工进展. 2022, 41(4):  2150-2160.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0810
    摘要 ( 45 )   HTML ( 2 )   PDF (4360KB) ( 10 )  
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    城市污泥制备高品质合成燃气,是减小环境污染、提高废弃物附加值、实现能源化利用的有效方法之一。本文采用介质阻挡放电低温等离子体(NTP-DBD)技术,利用热重-质谱联用(GT-MS)对城市污泥及其模型化合物亮氨酸、葡萄糖的气化特性进行了研究。重点考察了反应气氛、放电频率对合成气体分布情况的影响,并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)对固体产物结构进行了表征。结果表明,在Ar气氛下,较热重热解污泥,NTP-DBD气化污泥产生合成气的浓度提升了1.84%。放电频率由10.5kHz调至9.2kHz时,输出电压提高了36%,并且污泥气化效率提高了5倍;当工作气氛为CO2时,气化效率占污泥挥发分含量的74.86%。相较于葡萄糖而言,模型化合物亮氨酸气化产生的H2、CO、CO2、CH4较多,说明污泥中蛋白质对污泥气化的气体产物贡献较大。与传统热解气化结果相比,NTP-DBD气化技术能够有效提高合成气产量、降低高温操作难度且避免污泥气化过程中二英等剧毒类物质产生。

    不同堆存时间电解锰渣的理化特性分析
    邓亚玲, 舒建成, 陈梦君, 雷天涯, 曾祥菲, 杨勇, 刘作华
    化工进展. 2022, 41(4):  2161-2170.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0823
    摘要 ( 38 )   HTML ( 0 )   PDF (3707KB) ( 8 )  
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    渣场堆存的电解锰渣中含有大量易迁移的锰和氨氮,极易污染周边环境。本文系统研究了不同堆存时间(3个月~10年)电解锰渣的pH、含水率、电导率、金属总量、浸出毒性和化学形态等理化特性,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及X射线光电子能谱(XPS)等分析手段,探察电解锰渣在不同堆存时间下的物相组成、微观形貌、表面电子价态等变化规律。研究结果表明,随着堆存时间增加,锰渣的pH、含水率和电导率下降,可溶性Mn2+、Ca2+、Mg2+、Se4+和NH4+-N浓度降低,其中可交换态和碳酸盐结合态的Mn是Mn元素流失的主要形态。同时,堆存10年的电解锰渣仍存在较大的环境污染风险,其中电解锰渣中的Cu、Cr、Cd、Pb、Zn等金属总量远超广西土壤背景值,Se4+的浸出浓度是《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)中浓度限值的11倍,Mn2+和NH4+-N的浸出浓度是《污水综合排放标准》(GB/T 8978—1996)一级标准限值的102倍和45倍。不同堆存时间的电解锰渣中锰和氨氮主要以(NH4)(Mn,Ca,Mg)PO4·H2O、(NH4)2SO4、MnSO4·H2O、MnCO3、Mn2O3、MnO2等物相存在,含铁物相主要包括FeS2、FeOOH、Fe3O4和Fe2O3等,且电解锰渣中还含有Al4(OH)8(Si4O10)、Al2Mg4(OH)12(CO3)·3H2O和KAl(SO4)2·12H2O等黏土矿物。此外,随着堆存时间的增加,电解锰渣的平均孔径减小,块状、柱状和绒球形的电解锰渣颗粒交错包裹现象增加,同时Fe(OH)3胶体颗粒也逐渐转变成FeOOH、Fe2O3等含铁物相。本研究成果为电解锰渣无害化处理与资源化利用提供了基础理论支持。

    过碳酸钠修复石油污染土壤及其环境效应
    汪林, 蒲思淇, 王明新, 薛金娟, 韩莹
    化工进展. 2022, 41(4):  2171-2179.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0839
    摘要 ( 60 )   HTML ( 2 )   PDF (1385KB) ( 6 )  
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    化学氧化可快速高效修复石油污染土壤,但很少关注研究其对土壤质量的影响以及残留污染物的环境风险。本文以过碳酸钠(SPC)为氧化剂,以柠檬酸(CA)/硫酸亚铁[Fe(Ⅱ)]为催化剂,分析了其对柴油污染土壤的修复效率,分析了柴油中不同组分的降解特征,通过残留初始总石油烃(TPH)有效性和浸提液生物毒性变化提示不同处理的环境风险,通过有机碳和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析修复前后土壤特性变化。结果表明,SPC单独处理效率较低,CA/Fe(Ⅱ)显著提高了TPH去除率。FTIR光谱表明,处理后土壤样品的Si—O—Si、C—H和—OH振动增强。气相色谱-质谱联用(GC/MS)图谱表明,残留TPH组分主要为长链烷烃(C16~C21)。羟丙基-β-环糊精(HPCD)浸提液发光抑制率随着浸提液pH的增加而增加,表明SPC投加量过多产生的强碱性对土壤生物毒性具有显著影响。增加CA投加量对TPH去除率的促进幅度大于SPC和FeSO4,且有助于降低残留TPH的生物有效性和提升土壤总有机碳(TOC)含量。采用化学氧化修复有机污染土壤应进行环境风险分析并对修复条件进行优化。

    低温下磁性载体强化MBBR硝化性能及微生物群落分析
    敬双怡, 刘超, 蔡怡婷, 李卫平, 于玲红, 侯娜
    化工进展. 2022, 41(4):  2180-2190.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0843
    摘要 ( 51 )   HTML ( 1 )   PDF (2462KB) ( 144 )  
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    为了增强生物膜耐寒性,提高低温环境下移动床生物膜反应器(MBBR)硝化性能,本文以投加磁性载体构建新型MBBR反应器(R2),同时以投加商用载体作为对照组(R1),在不同温度(14℃±1℃和9℃±1℃)下长期运行,考察了低温下磁性载体对反应器污染物去除性能和生物膜生长特性的影响,并利用高通量测序技术探究了生物膜微生物的响应关系。结果表明:在整个低温运行阶段(0~60天),R2对COD和氨氮去除效果均优于R1。特别在9℃±1℃时,R1和R2出水氨氮平均浓度分别为11.94mg/L、7.60mg/L,R2对氨氮平均去除率比R1提高了16.2%。低温下,磁性载体明显提高了生物膜硝化活性,并促进了胞外聚合物(EPS)分泌,维持和改善了生物膜的形貌结构。高通量测序结果显示,9℃±1℃下不同载体生物膜的微生物群落结构存在显著差异。两种载体的大多数优势属均能降解有机物;磁性载体富集了更多的硝化菌属,其氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的相对丰度比商用载体分别提高了1.82倍和1.05倍,并且驯化富集了MND1和Candidatus_Nitrotoga 两种特有硝化菌属。从生物膜特性和硝化菌群丰度的角度解释了两个反应器氨氮去除效果的差异性,表明低温下磁性载体MBBR具有更好的硝化性能,可进一步开发应用。

    反硝化除磷+短程反硝化厌氧氨氧化工艺的深度脱氮除磷效能
    汪宇光, 张星星, 王超超, 夏云康, 王垚, 周澄, 吴翼伶, 吴鹏, 徐乐中
    化工进展. 2022, 41(4):  2191-2201.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0863
    摘要 ( 60 )   HTML ( 0 )   PDF (4352KB) ( 19 )  
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    为经济高效地去除城市生活污水和硝酸盐废水中的氮磷元素,本研究在厌氧折流板反应器(ABR)和连续搅拌反应器(CSTR)一体式反应器中分别建立了反硝化除磷(DPR)和短程反硝化厌氧氨氧化(PDA)工艺。结果表明,反应器运行185天,在缺氧/厌氧和外加COD/NO3--N比仅为0.7条件下,PO43--P和TN的去除率高达96.91%和97.75%,最终出水PO43--P和TN的浓度低至0.22mg/L和3.30mg/L,意味着该系统极佳的脱氮除磷效果不依赖氧气和有机碳源量。DPR对系统PO43--P和TN的去除均占主体部分(99.07%和60.23%),而PDA对总氮(TN)的去除占比呈现逐渐上升的趋势(4.53%→37.52%)。批次实验表明:①COD(300mg/L)显著抑制DPR菌活性,PO43--P主要是在缺氧状态下以NO3--N为电子受体,有机物为电子供体通过DPR途径去除;②高效短程反硝化过程(亚硝酸转化率92.25%)稳定为厌氧氨氧化供给电子受体(NO2--N),DPR系统剩余NH4+-N主要被NO2--N氧化去除,因此DPR+PDA系统实现了高效同步脱氮除磷效果。高通量测序表明,Accumulibacter(7.41%)是DPR系统功能性除磷菌,Thauera(7.24%)和Candidatus Brocadia(3.12%)为PDA系统关键脱氮菌。

    炼化含盐污水处理全过程有机污染物降解特征
    寇悦, 陈宇, 叶黄凡, 王庆宏, 陈春茂
    化工进展. 2022, 41(4):  2202-2208.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0905
    摘要 ( 50 )   HTML ( 0 )   PDF (1943KB) ( 53 )  
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    某重质油炼化企业采用“物化单元(隔油+气浮)+曝气生物滤池(biofilter,BAF)+水解酸化(hydrolysis acidification,HA)+缺氧/好氧(anoxic/oxic,A/O)+好氧-膜生物反应器(oxic-membrane bioreactor,O-MBR)+催化臭氧氧化(catalytic ozonation,COP)”工艺处理含盐污水。本文采用GC-MS结合FT-ICR MS高等仪器的分析手段,对污水处理工艺全过程的有机污染物降解特征进行了深入研究。发现BAF单元主要去除的是小分子有机酸类、酯类和醛酮类等易降解化合物;HA单元基本未发挥降解作用;A/O单元能大幅度去除O2类化合物,并能完全降解N1O2S1类化合物;O-MBR单元未能完全降解的O3S1类和N1O3类化合物在COP单元被完全矿化;最终出水残留COD的构成主要是大分子饱和脂肪酸和高缩合度环烷酸类化合物。本文研究成果可为重质油炼化污水处理工艺的评价与优化提供依据。

    等离子体射流耦合活性碳纤维去除水中糖皮质激素
    周永泉, 张艾, 刘亚男, 王铮
    化工进展. 2022, 41(4):  2209-2215.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0913
    摘要 ( 56 )   HTML ( 0 )   PDF (1796KB) ( 3 )  
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    糖皮质激素(glucocorticoids,GCs)作为一类环境内分泌干扰物,引起了环境领域越来越多的关注。由于缺乏有效控制水中GCs污染的技术,本研究搭建了并联等离子体射流耦合活性碳纤维系统(paralleling plasma jet/activated carbon fiber,PPJ/ACF)以有效降解水中的糖皮质激素氟轻松(fluocinolone acetonide,FA)。当PPJ/ACF系统的放电功率为49.7W、ACF投加量为3g/L时,处理60min后,FA的去除率可达96 %,能量利用率为96mg/kWh,能耗量为0.36kWh/L。PPJ与ACF联用有显著的协同效应,ACF可提供催化位点及吸附GCs位点,PPJ可原位释放ACF吸附位点。通过添加自由基抑制剂,发现羟基自由基(·OH)是降解FA的主要作用自由基。通过超高效液相色谱飞行时间质谱联用仪(ultra-high performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight mass spectrometer,UHPLC-QTOF)检测分析了FA可能的中间产物,根据中间产物分析FA的降解途径主要包括脱氟、酮酸脱羧、脱甲基、分子内环化、裂解和酯水解,表明FA毒性降低。因此,PPJ/ACF系统可有效控制GCs污染。

    污泥热水解处理过程重金属的迁移转化与风险评价
    付杰, 邱春生, 王晨晨, 郑金鑫, 刘楠楠, 王栋, 王少坡, 孙力平
    化工进展. 2022, 41(4):  2216-2225.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0921
    摘要 ( 56 )   HTML ( 1 )   PDF (3399KB) ( 84 )  
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    通过分析污泥热水解处理过程中重金属含量与形态的变化,考察不同温度(120~200℃)和不同处理时间(15~90min)对污泥中重金属(Cr、Mn、Ni、Cu、Cd、Pb)迁移转化和环境风险的影响,并对污泥热水解过程中理化参数[挥发性固体(VS)、溶解性蛋白质、多糖、溶解性化学需氧量(SCOD)、碱度、NH4+-N和pH]与重金属生物可利用性变化的相关性进行了分析。结果表明,热水解处理后污泥得到有效破解,部分重金属释放进入液相,但大部分重金属仍残留在固相中。固相中Cr和Mn含量在处理温度较高时(≥180℃)较原泥升高,其他重金属含量均低于原泥。热水解处理后大部分重金属(除Pb外)弱酸提取态占比随处理温度升高和处理时间延长呈下降趋势,且处理后污泥中Cr、Ni、Cu、Cd和Pb残渣态占比明显上升。具有生物有效性重金属含量与污泥NH4+-N、SCOD、溶解性蛋白质、VS等指标变化有较强相关性。单个重金属生态风险变化与重金属迁移转化密切相关,污泥重金属总潜在生态风险RI在热水解处理后显著降低。

    观点
    中国碳达峰碳中和目标下炼化一体化新路径与实践
    周红军, 周颖, 徐春明
    化工进展. 2022, 41(4):  2226-2230.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0225
    摘要 ( 271 )   HTML ( 31 )   PDF (652KB) ( 191 )  
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    通过对传统炼化一体化流程的思考,本文提出以纵向串联模式分析温度如何强化炼化过程,以横向并联思维归纳炼化工艺。提出通过电供能重构传统的蒸汽裂解技术,获得再电气化下炼化一体化新的技术路线和创新发展空间。文中指出:通过电供能代燃料炉,电烯氢技术及干重整技术不仅使传统的炼油厂和烯烃厂节能减排绿色低碳转型,电供能置换出的干气制合成气及氢用于氢冶金还原铁,二氧化碳捕集、封存及利用(CCUS),甲醇及汽车生产,也使中国钢铁产业同时脱碳,促进中国CCUS及氢能汽车产业发展,支撑中国2030年碳达峰和2060年碳中和目标实现。