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本期目录
2023年 第42卷 第5期 刊出日期:2023-05-10
    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2023, 42(5):  0. 
    摘要 ( 49 )   PDF (5029KB) ( 60 )  
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    化工进展. 2023, 42(5):  1. 
    摘要 ( 32 )   PDF (62956KB) ( 21 )  
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    特约评述
    碳足迹评估技术及其在重点工业行业的应用
    刘含笑, 吴黎明, 林青阳, 周烨, 罗象, 桂志军, 刘小伟, 单思珂, 朱前林, 陆诗建
    化工进展. 2023, 42(5):  2201-2218.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1501
    摘要 ( 373 )   HTML ( 32 )   PDF (1524KB) ( 286 )  
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    我国碳足迹研究起步较晚,建立完善的碳足迹评估体系是我国有效应对复杂国际关系和日益激烈的国际低碳经济竞争、科学推动和引导绿色低碳转型发展、有序实现“双碳”目标的必然选择。基于国内外文献调研,本文系统梳理和分析了碳足迹概念、碳足迹评估方法、碳足迹评估标准、碳足迹评估边界划分及数据获取等。虽然学术上对碳足迹的定义尚未完全统一,但更多倾向于从全生命周期来进行阐述,本文从“全生命周期”和“全工艺流程”2个角度对工业产品碳足迹概念进行了补充完善。与投入产出分析法(IOA)相比,生命周期评价法(LCA)发展相对较为领先,在普适性、系统化、定量化上具有一定的优势,并对产品系统在时间和空间上进行了扩展,但在截断误差控制、数据质量保证和标准体系统一等方面还需进一步完善。PAS2050、GHG Protocol和ISO14067是目前应用最为广泛的全生命周期碳足迹评估标准,但针对具体的产品门类,还需开展更细化、精准、明确的产品类别评估规范(PCR)。基于上述研究总结及碳足迹评估技术在电力、钢铁、水泥、石油和化工等重点工业控排行业的应用进展分析,提出了目前研究存在的问题及国内碳足迹评估技术发展面临的挑战:多领域全生命周期全流程的本土化碳排放数据库尚待完善;高精度、标准化、国际互认的碳足迹评估方法体系尚待构建;碳足迹和碳减排量化评估相结合的研究还不够深入,碳足迹支撑低碳化方案实施的标志化示范项目较少。未来需进一步探索碳足迹评估技术与排放量核算、碳交易研究的结合,产品碳足迹与产品碳标签、绿色产品认证(EPD)机制相结合,充分发挥碳足迹评估技术在推动科学有序降碳、引导绿色低碳消费、应对贸易壁垒等方面的作用。

    化工过程与装备
    基于入口分散相重排序的旋流强化分离研究进展
    宋民航, 赵立新, 徐保蕊, 刘琳, 张爽
    化工进展. 2023, 42(5):  2219-2232.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1382
    摘要 ( 170 )   HTML ( 21 )   PDF (5137KB) ( 101 )  
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    随着工业化进程的飞速前进,适用于分离多相不互溶介质的旋流分离器已广泛应用于石化、环保等重点行业。为了提高旋流分离器在全粒径范围内分散相的分离效率,涌现出了多种旋流分离过程强化技术。其中,对入口分散相进行重排序的旋流强化技术因具有加工成本及运行费用低、易于实施、强化效果明显等优势,展现出了重要的应用价值及推广前景。本文聚焦于入口分散相重排序的旋流强化技术,对基于惯性力场和离心力场进行分散相重排序的旋流强化原理、排序器结构类型及应用于液-液、固-液、气-固两相的分散相重排序强化技术及研究成果进行了系统的分析和总结。在此基础上,从组织构建分散相重排序后的多股液流,选择促进多股液流间协同高效分离的旋流场入射方案,强化分散相移动过程中的聚并长大和/或惯性碰撞等角度出发,总结了分散相重排序的技术路线并进行研究展望,从而指导旋流器的旋流分离过程强化及优化设计,助力于旋流分离效率的深度提升。

    模拟移动床分离过程及其优化方法研究进展
    凌山, 刘聚明, 张前程, 李艳
    化工进展. 2023, 42(5):  2233-2244.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1321
    摘要 ( 173 )   HTML ( 10 )   PDF (1825KB) ( 119 )  
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    模拟移动床技术具有产率高、纯度高、过程连续性等优点,适用于多组分体系及各组分性质比较接近的难分离体系,其过程设计和优化工作一直是研究的重点和难点。本文首先对模拟移动床分离机理及其各种变型进行了介绍,其中重点阐述了目前应用广泛的顺序式模拟移动床技术的分离模式和优越性能。在此基础上,总结并分析了模拟移动床领域的各种优化方法和研究进展。从传统的三角形理论开始,总结归纳了三角形理论应用体系,指出其重要地位及局限性。之后依次介绍了基于三角形理论衍生而出的序列二次规划算法、应用较为广泛的驻波设计、体积分离分析和基于遗传算法的过程模拟、多目标优化等多种优化方法。分析结果表明,除多目标优化以外,无论是最传统的三角形理论,还是其他几种优化方法,在参数选择和实验设计等方面都存在诸多局限性,而多目标优化方法已被证明表现更为优异,可以适用于模拟移动床操作模式的各种变型,在未来将具有极大的发展潜力和应用前景。

    环己酮生产中的环己烷三效精馏节能优化
    汪东, 于品华, 陈斌, 肖昂, 陈锋, 江洋洋
    化工进展. 2023, 42(5):  2245-2251.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1252
    摘要 ( 161 )   HTML ( 10 )   PDF (898KB) ( 246 )  
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    针对某6万吨/年环己酮装置工艺特点,采用Aspen plus模拟软件及NRTL物性方法,建立了环己烷氧化产物三效精馏全流程计算模型并进行了数据优化。以烷一塔、烷二塔、烷三塔塔顶馏出物醇酮含量、外送热冷烷量为约束条件,对各精馏塔回流量、烷一塔和烷二塔回流量比值、烷三塔回流量、蒸汽消耗量等变量进行优化,将优化的工艺参数用于实际生产装置的节能优化。结果表明:在烷一塔、烷二塔回流量总和8.02kg/s、烷一塔及烷二塔回流量比值0.67、烷三塔回流量17.93kg/s的条件下,理论上蒸气消耗可从5.53kg/s降至3.9kg/s,实际优化结果发现可节约蒸气0.28kg/s,节约年运行成本约144万元。

    转鼓内圆柱形颗粒混合的超二次曲面离散单元法模拟
    卢兴福, 戴波, 杨世亮
    化工进展. 2023, 42(5):  2252-2261.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1373
    摘要 ( 99 )   HTML ( 2 )   PDF (4373KB) ( 58 )  
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    在离散单元法(DEM)框架下基于超二次曲面模型描述非球形颗粒,探讨了不同颗粒纵横比(AR)和转鼓转速对圆柱形颗粒混合性能及扩散特性的影响。结果表明:增大AR使得圆柱形颗粒的互锁和堆积效应增强,抬升高度更高,具有更陡的床面倾角。转鼓内混合存在三种机制:颗粒内循环导致的宏观对流混合、主动-被动区相对运动导致的介观剪切混合、颗粒扩散导致的微观扩散混合。在给定的研究参数范围内,AR为2时,圆柱形颗粒的时均混合指数最高;AR为4时,圆柱形颗粒的时均混合指数最低。转鼓转速是影响圆柱形颗粒混合速率的首要因素。增大转速加剧颗粒运动并缓慢增大颗粒的轴向时均扩散系数。主动区内的圆柱形颗粒和水平方向的夹角集中在0°~30°,转鼓内圆柱形颗粒倾向于和转鼓轴线方向垂直。基于超二次曲面方法的圆柱形颗粒计算耗时高于球形颗粒,增大AR进一步增加计算耗时。

    电渗析/超滤内在耦合过程分离蛋清中溶菌酶
    孙鲁芹, 卢会霞, 王建友
    化工进展. 2023, 42(5):  2262-2271.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1293
    摘要 ( 103 )   HTML ( 4 )   PDF (2398KB) ( 46 )  
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    溶菌酶(LYZ)是一种化学性质稳定、无毒无害的具有抗菌作用的天然活性蛋白,高纯度、高活性溶菌酶在食品与医药领域具有重要价值。本文尝试采用新型电渗析/超滤内在耦合(EDUF)技术,同时利用特定pH条件下蛋清中卵白蛋白(OVA)与LYZ荷电性及分子量的差异,从蛋清中直接分离、提取LYZ。重点考察了超滤膜材料及EDUF原料室和回收室内料液流量对过程分离性能的影响。结果表明,在操作电压为5.0V,采用PVDF100Ⅰ超滤膜,原料室和回收室料液流量均为50mL/min时,LYZ的回收率可达21.05%,所回收LYZ的纯度可达100%,其最终迁移速率为0.21g/(m2·h),单位产品能耗为2.30kW·h/g。该研究证明了EDUF作为一项独特的电驱动膜分离技术,具有选择性高的显著特点,在活性蛋白高效分离领域具有较好的应用前景。

    气固下行床中壁面对介尺度曳力的影响规律
    袁守正, 陈啸, 蒋鸣, 余亚雄, 周强
    化工进展. 2023, 42(5):  2272-2281.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1268
    摘要 ( 95 )   HTML ( 3 )   PDF (1931KB) ( 100 )  
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    传统介尺度曳力模型的构建通常基于全周期域的细网格模拟数据集,未考虑壁面的影响,而真实流化床反应器系统中的壁面条件会影响壁面附近的非均匀结构,进而影响到壁面附近颗粒所受的曳力,因此研究壁面效应对介尺度曳力模型的影响很有必要。本文通过对拟二维全周期系统和不同床宽的周期下行床系统的介尺度曳力修正系数相对误差径向分布进行比较,探究了周期下行床中的介尺度曳力回归全周期系统曳力的现象,分析了曳力修正系数径向分布的影响因素。发现不同床宽下受壁面影响区域占整个床的比例改变较小,且曳力系数相对误差的值受该位置的固含率、固含率梯度、固相剪切率及粒化温度分布等因素影响,最后拟合了曳力系数相对误差关于径向位置的公式,并对过滤尺度对曳力系数相对误差的影响和一些变量关联曳力时是否已经隐性包含了壁面的影响进行了探讨。

    3D打印槽道结构槽宽对池沸腾传热特性的影响
    刘厚励, 顾中浩, 阳康, 张莉
    化工进展. 2023, 42(5):  2282-2288.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1211
    摘要 ( 97 )   HTML ( 3 )   PDF (2301KB) ( 46 )  
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    表面微结构化是强化沸腾传热的重要手段,研究微结构尺寸对沸腾传热特性的影响规律意义重大。本文采用选择性激光熔化技术(SLM)制备了不同宽度的槽道结构试样,并对其进行了常压下池沸腾传热特性实验研究。结果表明,相比于光滑铜面,槽长2.3mm,槽宽0.5~2.3mm槽道结构的传热系数(HTC)与临界热通量(CHF)均有显著提升。槽道结构的CHF随着槽道宽度的增大先增加后减小,HTC随着槽道宽度的增大而减小。槽道宽度为0.9mm时CHF达到最大值331.5W/cm2,为光滑铜面的3倍,同时HTC为光滑表面的1.7倍。较小的槽道宽度增加了试样的传热面积,限制了气泡脱离直径进而增加气泡的脱离频率,是HTC提升的关键因素;而槽道内气液流动阻力限制与水动力不稳定性,是槽道结构CHF提升的关键控制因素。

    泡沫碳化硅波纹规整填料骨架结构对其传质性能的影响机理
    陈伟良, 高鑫, 李洪, 李鑫钢
    化工进展. 2023, 42(5):  2289-2297.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1213
    摘要 ( 107 )   HTML ( 3 )   PDF (2681KB) ( 68 )  
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    ϕ100mm×2000mm的常压精馏塔中使用乙醇-正丙醇作为标准物系,对6种不同骨架结构及表面性质的泡沫碳化硅波纹规整填料(SCFP)的传质性能及操作压降进行了实验测试,探究了结构对填料传质性能的影响。结果表明,6种填料都有着较优秀的传质性能表现,理论板最低可达每米5块。其中,纯质碳化硅型填料的整体传质性能要优于富硅型填料;随着孔隙率的增大,富硅型填料的传质性能有所下降,纯质碳化硅型填料的性能则有所提高;压缩比的增大有利于纯质碳化硅填料的传质性能。在压降表现方面,6种填料的操作压降均随着气相负荷的增大而有所增加,但彼此之间差异不大。同时采用紫外荧光示踪剂方法对单波纹片上液体的流动行为进行了观察,对不同填料表面液体的润湿面积、横向润湿长度进行了对比,结果表明,传质效率表现较高的填料其表面的液体润湿效果更好,有着更大的润湿面积、更长的横向润湿长度。

    加氢原料煤焦油脱水除盐预处理工艺优化限值
    张乐乐, 钱运东, 朱华曈, 冯思龙, 杨秀娜, 于颖, 杨强, 卢浩
    化工进展. 2023, 42(5):  2298-2305.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1244
    摘要 ( 99 )   HTML ( 5 )   PDF (3454KB) ( 80 )  
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    原料煤焦油的脱水除盐预处理是保障后续加氢反应持久运行及装置安全的关键,而煤焦油的特殊物性及复杂组成导致当前预处理系统普遍存在效果差、调控困难的问题。以某大型煤焦油加氢装置预处理流程为基础,本文研究了预处理装置的脱水效果、除盐效果两个关键因素,首先分析了非热物理分离的脱水和除盐限值,进一步通过纤维聚结器与强化沉降器组合的中试测试,获得了聚结沉降分离限值、洗盐器级数和注水量的影响规律,在注水量6%、洗盐器三级串联、纤维聚结表观流速0.003m/s、沉降停留时间60min以上的最优条件下,煤焦油含水量降为3.1%、含盐量降为2.81mg/kg,均接近理论分离极限,为预处理装置的工艺设计及操作优化提供了新思路。

    内置管束布置对换热器内固体颗粒流动的影响
    齐承鲁, 张忠良, 王明超, 李耀鹏, 宫晓辉, 孙鹏, 郑斌
    化工进展. 2023, 42(5):  2306-2314.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1383
    摘要 ( 132 )   HTML ( 13 )   PDF (1851KB) ( 160 )  
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    换热器内设的水平换热管束是影响换热器内固体颗粒流动均匀性的重要因素,基于离散单元法构建了内置横管式固体颗粒换热器的流动计算模型,研究了管束排列方式和水平管间距对换热器内固体颗粒流动的影响。结果表明,颗粒流过错排管束的均匀性优于顺排管束,颗粒层的形变和停留时间波动性均较小,颗粒流动不均匀度为0.00721,比顺排管束的减少了42.3%,错排管束的颗粒停留时间标准偏差为0.029,比顺排管束的减少了39.1%。当颗粒流过错排管束时,随着水平管间距的减小,颗粒层的形变和停留时间波动性均增大,颗粒流动均匀性显著恶化,颗粒流动不均匀度由0.00721增大到0.00996,增大38.1%,颗粒停留时间标准偏差由0.029增大到0.039,增大33.8%,剪切区内颗粒速度差异增大,颗粒平均速度梯度由5.97×10-4s-1增大到7.85×10-4s-1,增大了31.4%。

    Al2O3-CuO/水混合纳米流体对流传热性能及热经济性分析
    郭文杰, 翟玉玲, 陈文哲, 申鑫, 邢明
    化工进展. 2023, 42(5):  2315-2324.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1222
    摘要 ( 93 )   HTML ( 2 )   PDF (2704KB) ( 45 )  
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    为了探究管内混合纳米流体单相对流传热性能,实验对比研究了雷诺数为1040~7086范围内体积分数为0.02%的Al2O3-CuO/水(W)混合纳米流体及其相应的一元纳米流体的流动与传热特性。结果表明,纳米颗粒的添加导致在过渡区雷诺数范围提前,在层流范围(1040<Re<1891)内,Al2O3/W和Al2O3-CuO/W纳米流体的Nu数与去离子水相比分别最大增加了32.09%和38.38%;而CuO/W纳米流体由于团聚体尺寸大,流体向前驱动力不足以克服自重易沉积于管内壁,传热效果反而比水差。在紊流范围(4073<Re<7806)内,受向前驱动力及流体分子自身旋转的作用,纳米流体的传热性能明显高于纯水,且混合纳米流体的综合传热性能最佳。综合考虑综合传热性能与经济性因素,在层流与紊流区内最适用于实际工业生产的纳米流体分别为Al2O3/W和Al2O3-CuO/W纳米流体。

    能源加工与技术
    供热改造对火电机组性能的影响分析
    王子杰, 陆树银, 赵梓良, 王宁, 顾煜炯
    化工进展. 2023, 42(5):  2325-2331.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1390
    摘要 ( 123 )   HTML ( 12 )   PDF (2286KB) ( 54 )  
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    为了解决机组进行供热或供热梯级利用改造后,因运行负荷超出设计范围导致能耗升高的问题,本文提出了一种新的供热改造能耗评估方法。以国内某600MW机组为例,采用Ebsilon建立了机组的热力学模型,并验证了模型的正确性,以热耗率作为机组性能评价指标,分析了不同供热改造参数及热电负荷下机组产出能量和热耗率的分布规律,同时提出了供热经济基准线及供热经济区间的概念。结果表明:机组最小供热抽汽压力对机组低压缸发电功率影响较为明显;随着最小供热抽汽压力的升高,供热经济基准线逐渐右移,供热经济区间的范围逐渐缩小。当机组负荷位于供热经济基准线左侧时,机组供热能耗增加;负荷位于供热经济基准线右侧时(供热经济区间),机组供热能耗降低。因此,机组进行供热及供热梯级利用改造后实际运行过程中并非一定节能,应根据机组负荷范围合理选择改造参数。

    纳米颗粒强化传热的多级潜热储热器性能评价
    张晨宇, 王宁, 徐洪涛, 罗祝清
    化工进展. 2023, 42(5):  2332-2342.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.142022-1366
    摘要 ( 94 )   HTML ( 2 )   PDF (2268KB) ( 75 )  
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    利用潜热储热(latent heat thermal energy storage,LHTES)系统能够缓解能源供需不匹配的问题。本文设计一种垂直管壳式LHTES储热单元,多级填充熔点为35℃、42℃和50℃的相变材料(phase change material, PCM),Al2O3纳米颗粒分别添加至PCM和换热流体中强化传热。对比多级与单级LHTES储热单元的储热及储㶲性能;提出考虑复合PCM体积和储热时间的储热储㶲密度评价标准,分析不同纳米颗粒体积分数(1%、3%、5%、7%、9%、11%)对多级储热单元性能的影响。结果表明:相同工况下,相较于单级填充熔点50℃复合PCM的储热单元,多级复合PCM的使用可将储热时间缩短29.81%,且多级储热单元同时表现出较高的储热量和储㶲量;纳米颗粒体积分数从1%增加至11%时,多级储热单元的储热速率提高21.31%,储热密度增大15.61%,而储㶲密度在体积分数为7%时达到最大值3086J/(m3·s)后逐渐降低。综合考虑复合PCM体积、储热时间以及总储热和储㶲量,填充纳米颗粒体积分数为7%的多级储热单元性能最优,相较于纳米颗粒体积分数为1%时,储热和储㶲密度分别提升11.57%和12.96%。本文可为多级LHTES系统的应用与优化提供理论参考。

    原料组成对半焦中间相结构发展的影响
    徐贤, 崔楼伟, 刘杰, 施俊合, 朱永红, 刘姣姣, 刘涛, 郑化安, 李冬
    化工进展. 2023, 42(5):  2343-2352.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1276
    摘要 ( 86 )   HTML ( 5 )   PDF (3498KB) ( 43 )  
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    以中低温煤焦油全馏分加氢尾油(FHT)和>350℃中低温煤焦油沥青(CTP)为原料,制备出不同微观结构的半焦。采用元素分析、核磁共振氢谱、傅里叶变换红外光谱、气相色谱-质谱联用等手段对原料的组成结构进行表征,研究了原料组成对中间相结构发展的影响。结果表明:FHT含有25.94%环烷烃且芳环侧链以环烷结构为主,CTP中含有3.92%环烷烃且芳环侧链以短烷基为主,FHT的含氧杂环化合物含量比CTP低。热聚实验表明具有环烷结构含量高、含氧杂环化合物含量低的原料(FHT),有利于降低炭化反应活性和反应体系黏度,促进中间相有序发展。采用偏光显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射对半焦的微观结构和微晶参数进行分析,结果表明,CTP的氧含量和QI含量高,容易生成镶嵌结构,微晶排列扭曲,取向性差,而FHT中富含环烷结构以及氧含量低,芳烃片层分子更容易有序堆叠形成细纤维结构且内部碳微晶排列更加规整,更易石墨化。此外,利用纤维软件对半焦的光学组织结构进行了定量分析,发现FHT制备的半焦的纤维结构质量分数为79.84%,而CTP制备的半焦的纤维结构质量分数为22.18%。

    工业催化
    析氧助催化剂增强光阳极光电催化分解水性能研究进展
    符淑瑢, 王丽娜, 王东伟, 刘蕊, 张晓慧, 马占伟
    化工进展. 2023, 42(5):  2353-2370.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1322
    摘要 ( 129 )   HTML ( 9 )   PDF (4077KB) ( 102 )  
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    氢气因其热值高、质轻、可存储且无碳排放,被认为是最佳的碳中和能源载体。光电催化分解水制氢技术是目前生产绿氢最理想的技术途径之一,但光阳极表面水氧化速率极为缓慢,限制了阴极产氢效率。析氧助催化剂在水氧化反应过程中能够为其提供高效的活性中心,使反应易于发生,进而促进阴极产氢效率。本文从光阳极表面助催化剂的起源和作用出发,综述了近年来半导体光电极表面的助催化剂类型、微纳结构对水氧化活性的影响、界面构筑策略和光电性能研究进展。首先,阐述了电催化剂作为光阳极助催化剂在水氧化反应中所扮演的角色,不同助催化剂对半导体光电极的电荷分离和转移及稳定性的影响;然后,总结了助催化剂对半导体光电极光电催化活性的影响因素(尺寸效应、表面缺陷和氟化)。进一步归纳了助催化剂/半导体之间的界面优化策略(载流子传输通道、空穴储存层和界面化学键)。最后对析氧助催化剂所面临的问题和未来的发展方向进行了探讨和展望,认为通过调控析氧助催化剂的晶体结构、簇、单原子和界面化学键能够增强光阳极光电催化分解水的性能,并提出羰基金属是一种独特的构筑析氧助催化剂前体。

    分子筛催化汽油烷基化降苯技术研究进展
    王子健, 柯明, 宋昭峥, 李佳涵, 童燕兵, 孙巾茹
    化工进展. 2023, 42(5):  2371-2389.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1204
    摘要 ( 142 )   HTML ( 9 )   PDF (4253KB) ( 125 )  
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    随着世界各国环保意识的提高,对汽油中苯含量的要求也越来越严苛。汽油降苯技术主要包括加氢饱和、精馏分离、醚化以及烷基化等技术,其中烷基化技术无论从提高辛烷值还是增加汽油收率方面都具有明显优势。本文综述了目前应用最为广泛的甲醇和轻烃作为烷基化试剂的工艺路线和反应机理,对典型分子筛ZSM-5、MCM-22以及Beta的结构及特点、催化烷基化特性进行了具体分析。并指出:甲醇作为烷基化试剂相比于碳数较高的轻烃,需要更高的反应温度,但对汽油的馏程影响更小。轻烃作为烷基化试剂随着碳数的增加活化温度相应降低,但对汽油的馏程影响较大,且低温条件下促进烯烃的聚合引起分子筛的失活。3种分子筛的应用目前很难兼顾苯转化率、汽油馏程以及能耗,孔道大小适中分子筛的开发、复合分子筛和多级孔分子筛的制备有望成为解决该问题的重要方式。

    重氮化合物环丙烷化用多相催化剂研究进展
    岳鑫, 李春迎, 孙道安, 李江伟, 杜咏梅, 马辉, 吕剑
    化工进展. 2023, 42(5):  2390-2401.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1307
    摘要 ( 127 )   HTML ( 10 )   PDF (1965KB) ( 212 )  
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    从重氮化合物环丙烷化用多相催化剂类型角度,将环丙烷化多相催化剂分为金属催化剂、金属负载型催化剂、络合物固载化催化剂、金属有机骨架(MOF)基催化剂等,详细介绍和评述了催化剂在活性组分、载体、固载方法、性能及作用原理等方面的研究进展。指出金属负载型催化剂制备简单,活性和选择性较高,但立体选择性差,在农药、医药领域适用性有限,更适宜应用于燃料合成领域,因此提升催化剂的稳定性和拓展金属活性组分是其发展趋势。络合物固载化催化剂具有较好的活性和立体选择性,结构与性能易于调控,但制备过程复杂,活性组分易流失,需通过优化固载方法如共价键合提高固载强度,以及优化载体孔道结构与表面基团提升载体-配体的协同作用。MOF基催化剂在环丙烷化中展现出独特的催化性能,通过机械研磨、配体掺杂、热处理等方式引入缺陷可综合提高MOF基环丙烷化催化剂性能,但需平衡活性与骨架结构的稳定性。此外,设计利于环丙烷化的手性配体并引入至MOF结构提高其立体选择性是MOF基环丙烷化催化剂的重要发展方向。

    金属氧化物低温催化氧化VOCs的研究进展
    王科菊, 赵成, 胡晓玫, 云军阁, 魏凝涵, 姜雪迎, 邹昀, 陈志航
    化工进展. 2023, 42(5):  2402-2412.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1312
    摘要 ( 157 )   HTML ( 10 )   PDF (1046KB) ( 120 )  
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    一直以来,开发强氧化活性和高抗性的金属氧化物催化剂都是催化脱除挥发性有机化合物(VOCs)领域的研究热点。本文从氧空位、活性氧物种、结构和晶面等角度,比较分析了催化剂的组成比例、形貌、焙烧温度、制备方法和载体等制备因素对增强催化氧化VOCs活性和二氧化碳选择性的影响。阐述了实际工况中的水蒸气、氮氧化物和二氧化硫在氧化反应过程中的中毒机制。展望了利用DFT计算,深入探索氧空位、晶格氧和表面吸附氧在VOCs催化氧化过程中的作用机理,并从活性组分分散度、高活性晶面占比、氧空位强度等关键方面来指导优化催化剂,为相关催化体系的研发提供了科学参考。

    垃圾焚烧脱硝催化剂钙镁失活与活性恢复特性
    何川, 吴国勋, 李昂, 张发捷, 卞子君, 卢承政, 王丽朋, 赵民
    化工进展. 2023, 42(5):  2413-2420.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1392
    摘要 ( 88 )   HTML ( 2 )   PDF (1430KB) ( 52 )  
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    以国内某垃圾焚烧电厂失活选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂为研究对象,针对Ca、Mg失活因素进行失活特性研究,同时探讨垃圾焚烧失活催化剂的活性恢复方法与原理。对新催化剂、失活催化剂和再生催化剂样品进行脱硝性能对比测试。利用扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附和X射线荧光光谱(XRF)表征催化剂样品的表面结构和化学组成;进行X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试,分析失活和再生催化剂的化学形态变化;采用NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和H2程序升温还原(H2-TPR)研究催化剂的酸性位点变化和氧化还原特性。结果表明,由于受到Ca、Mg等失活因素的影响,失活催化剂脱硝性能大幅下降,300~350℃温度区间内的脱硝效率从新催化剂的95%以上下降到80%左右;利用“EDTA清洗+活性物质负载”方法再生后的催化剂脱硝能力明显恢复,RegCat样品在300~350℃温度区间的脱硝效率可恢复至新催化剂水平。Ca、Mg在催化剂表面形成性质稳定的硫酸盐,同时消耗大量表面活性氧,从而抑制催化剂的活性。此外,Ca还会以CaO的形式在催化剂表面沉积,对催化剂造成物理失活。活性恢复后的催化剂表面Ca、Mg、S等有害物质被有效去除,催化剂表面酸性位点和氧化性能得以明显恢复。

    CeO2-Al2O3复合载体负载Ni基催化剂催化CO x 共甲烷化性能
    马源, 肖晴月, 岳君容, 崔彦斌, 刘姣, 许光文
    化工进展. 2023, 42(5):  2421-2428.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1260
    摘要 ( 138 )   HTML ( 11 )   PDF (1383KB) ( 168 )  
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    通过浸渍沉淀法分别制备Ni/Al2O3、Ni/CeO2和Ni/CeO2-Al2O3催化剂,并对其分别进行不同CO/CO2比例下CO x 共甲烷化性能评价。发现Ni/Al2O3催化剂催化CO转化为CH4的能力明显高于Ni/CeO2,而催化CO2甲烷化的性能则相反。采用Ni/CeO2-Al2O3催化剂,可以在提高CO转化率的同时而不降低CO2转化率。结合BET、XRD、TPR、TPD和原位红外等各种表征手段,发现CeO2掺杂虽然降低了催化剂的比表面积和金属Ni的分散度,但却可明显提高其吸附活化CO2的能力,这主要是由于具有较高含量氧空位的CeO2的掺杂可以提高载体表面碱性位,促使共甲烷过程中CO2吸附活化并形成单齿碳酸盐,通过快速加氢反应生成目标产物甲烷;而Ni/Al2O3受限于其对CO2的吸附容量和活化产物双齿碳酸盐的活性,在催化共甲烷化体系中只能获得较低的CO2转化率,但CO转化率不受影响。

    材料科学与技术
    电化学修饰电极在检测Cr(Ⅵ)中的研究进展
    陈少华, 王义华, 胡强飞, 胡坤, 陈立爱, 李洁
    化工进展. 2023, 42(5):  2429-2438.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1354
    摘要 ( 125 )   HTML ( 43 )   PDF (2050KB) ( 84 )  
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    随着对六价铬离子检测需求的不断增加,电化学检测因其高效、经济等优点而受到广泛关注。本文介绍了不同电活性层修饰电极在六价铬检测方面的应用,比较了不同修饰电极材料对六价铬的检测效果和各自的优缺点,包含无机纳米材料(纳米碳材料、纳米金属及金属氧化物)和有机聚合物、有机分子复合材料,并总结了不同修饰电极在检测六价铬过程中的行为机理,主要分为四类检测机制:包括木质素-聚(环氧丙烷)共聚物的静电吸附机理、氮杂冠与HCrO4-形成络合物阻碍电子转移、Cr6+诱导二硫键形成引起rGO通道电阻变化以及pp结界面势垒作为驱动因素的检测机理。最后对修饰电极的优化设计、改善其选择性、稳定性及抗干扰能力,以及提升裸玻碳电极检测能力提出了展望。

    纤维基耐高温空气过滤材料研究进展
    陈明星, 王新亚, 张威, 肖长发
    化工进展. 2023, 42(5):  2439-2453.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1195
    摘要 ( 157 )   HTML ( 8 )   PDF (1802KB) ( 280 )  
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    高温含尘废气的排放是造成环境污染的主要原因之一,纤维基空气过滤材料具有比表面积大、结构可控等一系列优点,在空气过滤领域备受关注。但普通纤维基空气过滤材料存在耐高温性能差的问题,为便于相关人员更好了解纤维基耐高温空气过滤材料的研究现状,本文对近年来纤维基耐高温非织造空气过滤材料的研究进展进行了综述。重点介绍了纤维基耐高温非织造空气过滤材料所用原料(有机纤维原料、无机纤维原料等),制备工艺(针刺、水刺、熔喷、静电纺、离心纺和气流纺等)及其功能化改性(脱硫、脱硝、脱VOCs等)应用。对耐高温非织造空气过滤材料制备和应用过程中存在的缺点进行了讨论,指出未来发展应以开发新材料、改进制备工艺和功能化改性为重点方向;以期为耐高温非织造空气过滤材料的研究提供一定参考,拓展纤维基耐高温空气过滤材料应用范围。

    分子筛膜晶间缺陷控制与修复技术研究进展
    任重远, 何金龙, 袁清
    化工进展. 2023, 42(5):  2454-2463.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1848
    摘要 ( 127 )   HTML ( 4 )   PDF (1687KB) ( 126 )  
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    分子筛膜因其高效、节能、稳定的特点,已应用于渗透汽化、膜蒸馏、气体分离等领域。然而,膜面晶间缺陷是影响分子筛膜分离性能的主要因素之一,阻碍分子筛膜进一步工业应用。本文从“合成中控制技术”和“合成后修复技术”两个角度综述了近年来国内外研究者对分子筛膜晶间缺陷控制与修复技术的最新研究进展。其中,“合成中控制”部分主要关注分子筛膜层生长过程中导致缺陷生成的因素及其控制手段,包括支撑体性质、分子筛晶种性质、晶种涂覆方式、二次水热生长调节方式和焙烧脱模方式等;“合成后修复”部分主要介绍了应对成膜后晶间缺陷的修饰与封堵技术。消除晶间缺陷的总体思路是通过技术手段增强晶体面内交互共生特性、减少热致开裂以及开发更加精准、高效、低耗的修复技术。未来,面对更高的产业化要求,应整合制备全流程的缺陷控制与修复手段,开发低成本、低能耗、短流程的膜制备技术。

    磁性Fe3O4纳米颗粒的生物合成及其在提高采收率中的应用
    刘宇龙, 姚俊虎, 舒闯闯, 佘跃惠
    化工进展. 2023, 42(5):  2464-2474.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1246
    摘要 ( 89 )   HTML ( 3 )   PDF (2847KB) ( 102 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    纳米Fe3O4具有独特的性质,如超顺磁性、尺寸小和低毒性,且易在外磁场下分离,近几年来在石油开发领域受到广泛的关注。本文综述了磁性Fe3O4纳米颗粒(NPs)的生物合成及其在提高采收率(EOR)的应用,首先介绍了微生物、植物提取液和动物合成磁铁矿:微生物的合成主要包括两个过程,一是对金属离子的吸附,二是还原矿化作用;植物提取液的合成依赖水溶性的一些代谢物,如多酚、生物碱和柠檬酸等的作用;动物体中也发现了磁铁矿,可以感应地磁场从而判断方向。然后阐述了Fe3O4 NPs的EOR机理和应用:Fe3O4 NPs可以将油滴包裹形成稳定的乳液,降低界面张力,改变润湿性,通过增加驱替流体的黏度和降低重油的黏度来提高波及效率以及楔形结构产生分离压力。在此作用下,总结了磁性Fe3O4在EOR方面的应用。

    漂浮型光催化材料的制备及其在水处理领域的应用研究进展
    张宁, 吴海滨, 李钰, 李剑锋, 程芳琴
    化工进展. 2023, 42(5):  2475-2485.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1273
    摘要 ( 212 )   HTML ( 9 )   PDF (2079KB) ( 252 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    漂浮型光催化材料以高效光催化剂为核心,以太阳光等绿色清洁能源为驱动力,克服了纳米光催化剂难以回收利用这一瓶颈问题,通过吸附、光催化等耦合作用高效原位降解水体中的污染物,是实现光催化高级氧化技术规模化应用最有前景的途径之一。本文从载体类型出发,概括总结了近年来漂浮型光催化材料的轻质特性构建策略、形貌结构和不同载体利弊;分析比较了典型光催化剂-载体复合材料制备方法的优缺点;分类阐述了漂浮型光催化剂在水处理领域的应用研究成果。通过归纳漂浮型光催化材料在实际应用中存在的问题,指出未来漂浮型光催化剂的研究开发应重点关注环境友好型载体和材料性能稳定性;同时可通过构建多功能复合材料或采取多工艺耦合的方式以推动高效光催化剂在水处理方面的规模化应用。

    仿生表面用于雾水收集的最新研究进展
    李雪, 王艳君, 王玉超, 陶胜洋
    化工进展. 2023, 42(5):  2486-2503.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-2100
    摘要 ( 152 )   HTML ( 9 )   PDF (6904KB) ( 80 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    阐述了自然生物进行集水的两个理论阶段,重点介绍了仿生材料是通过实现对仿生功能结构与表面(浸润性)的有效调控,极大提升了材料集水效率。本文主要回顾了近几年来雾水收集仿生表面的重要研究进展,讨论不同仿生策略下发展的功能材料。其中主要介绍了蜘蛛丝纺锤结结构、仙人掌锥刺、Stenocara甲虫亲/疏水表面以及猪笼草润滑表面等功能结构与表面。综述了近几年仿生功能材料研发进展,其制备过程主要从简单的功能结构/表面性质模仿,结合对水传质过程理解,最终实现对结构与表面性质(浸润性)的重新构筑。首先,基于蜘蛛丝纺锤结以及仙人掌的锥刺所设计的仿生材料是对仿生功能结构的调控,研究结果表明实现结构调控能够强化液滴的运输,增强雾水收集效率。其次,Stenocara甲虫亲/疏水表面以及猪笼草润滑表面是实现对表面浸润性的调控,强化了液滴的捕获。接着介绍了不同功能耦合形成的多元仿生材料并总结了近年来仿生材料雾水收集效率。最后,对于仿生材料的实际应用以及未来的发展前景进行展望,指出简化材料制备、提升集水效率仍是实际发展过程的瓶颈问题,并表明了仿生材料的发展方向。

    本征安全水系锌离子电池的新进展: 锌负极晶面调控
    张志成, 韩大量, 樊丁辉, 陶莹, 翁哲, 杨全红
    化工进展. 2023, 42(5):  2504-2515.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1278
    摘要 ( 145 )   HTML ( 5 )   PDF (7533KB) ( 83 )  
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    水系锌离子电池环境友好、成本低廉,是一种极具发展潜力、本征安全的电化学储能技术。对于实用化的锌离子电池,负极端金属锌的不均匀沉积所引起的枝晶问题会导致电池短路,严重限制了电池的循环寿命,是这种新型电池走向产品化的重要瓶颈。构建(002)晶面择优取向的锌负极被认为是抑制枝晶生长、提升电极库仑效率的有效手段。回溯近期有关金属锌负极的研究,本文首先概述了金属锌的电极过程和沉积形貌的影响因素,基于此从基底设计、涂层设计、电解液设计三个方面,着重总结了(002)晶面择优取向锌负极的设计策略和作用原理,最后展望了(002)晶面择优取向金属锌负极面临的挑战和未来发展方向,特别指出应在面向实用化锌离子电池的条件下评估金属锌负极的电化学性能和改性效果。

    多孔框架材料固定化酶研究进展
    毛梦雷, 孟令玎, 高蕊, 孟子晖, 刘文芳
    化工进展. 2023, 42(5):  2516-2535.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1299
    摘要 ( 169 )   HTML ( 11 )   PDF (3932KB) ( 153 )  
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    金属有机框架材料(MOFs)和共价有机框架材料(COFs)具有多孔性、比表面积大、结构可修饰、孔道可调节、框架可设计、易功能化等优点,是固定化酶的优良载体。本文简要介绍了MOFs和COFs的结构、性能以及功能化方法,主要综述了这两种材料在固定化酶领域的最新研究进展,并对二者进行了比较。MOFs和COFs均具有一维、二维、三维结构,其中三维和少量二维结构呈现多孔性。通过预先修饰法、原位修饰法或后合成修饰法可在MOFs表面引入官能团,固定化酶的方法有包埋法、孔道扩散法和表面固定法,固定化酶的种类丰富;而COFs主要通过后合成修饰法引入官能团,以孔道扩散法或表面固定法固定化酶。最后指出,MOFs的水稳定性和酸碱稳定性较差,COFs的制备条件恶劣,MOFs和COFs固定化酶的重复利用性均较差,今后的发展方向是探索更为有效的修饰策略以提高MOFs的稳定性,开发更为安全的COFs制备方法,以及提高固定化酶的重复利用性。

    木质纤维素类生物质水热炭化机理及水热炭应用进展
    王雪, 徐期勇, 张超
    化工进展. 2023, 42(5):  2536-2545.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1223
    摘要 ( 211 )   HTML ( 22 )   PDF (1347KB) ( 202 )  
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    通过水热炭化方法(HTC)制备纤维类生物质炭材料,是当前废弃生物质高值化处理的一种方式。生物质具有种类繁多、结构复杂的特点,在不同的水热条件下涉及水解、降解、聚合等复杂反应。制备的水热炭性质如形貌、孔结构、表面官能团分布等受原料物理化学结构和水热反应条件影响较大,而水热炭的性质直接影响水热炭的应用。木质素炭化需要较高的水热强度,生成的水热炭石墨化程度和稳定性更高,可应用于导电、耐高温材料等领域;纤维素、半纤维素相对于木质素炭化温度低,更易形成多孔结构,获得更高的比表面积。另外二者因富含羟基,制备的水热炭表面具有丰富的含氧官能团,有利于通过静电吸附、离子交换等过程实现污染物吸附,进一步应用于环境治理等领域。水热温度主要影响炭化程度和水热炭得率,而水热时间则对水热炭形貌具有更明显的作用。通过改性可以定向调控水热炭性能,扩大其应用领域范围。为明晰不同条件下水热炭的结构变化,本文综述了纤维类生物质的种类、原料组成及水热条件对水热炭结构的影响,深入分析了水热炭生成机理,探讨了生物炭改性方法,归纳了生物炭在不同领域的应用并展望了未来的发展方向和前景,为生物质基水热炭研究提供参考。

    聚丁二酸丁二醇酯的合成工艺及气体阻隔性最新进展
    吕学东, 罗发亮, 林海涛, 宋丹青, 刘义, 牛瑞雪, 郑柳春
    化工进展. 2023, 42(5):  2546-2554.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1380
    摘要 ( 112 )   HTML ( 3 )   PDF (1108KB) ( 136 )  
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    生物降解高分子材料是从根本上解决塑料白色污染的重要材料之一。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)综合性能优异,已经发展成为一种重要的生物降解高分子材料。本文阐述了目前国内外PBS合成工艺的最新进展,系统介绍了直接酯化法、酯交换法、酸酐法和扩链法制备PBS的工艺及其存在的优缺点。针对PBS作为食品包装材料的一项重要性能气体阻隔性能及阻隔原理进行了系统综述;进一步对阻隔性能的改性进展进行了总结。最后对PBS未来的研究和发展方向进行了展望,指出PBS生产技术的未来方向应该向综合性能高、成本低和绿色环保方向发展。

    高玻璃化转变温度抗冲击透明聚酯的研究进展
    戴行, 高瑞雪, 李奕国, 朱锦, 王静刚
    化工进展. 2023, 42(5):  2555-2565.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-2069
    摘要 ( 103 )   HTML ( 9 )   PDF (1422KB) ( 70 )  
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    高玻璃化转变温度(Tg)、抗冲击透明聚酯具有高耐热、高透明和优异的力学性能等优点,广泛应用于厨电产品、汽车制造等领域,但目前存在原料不可再生、耐热温度不够高和品种单一等问题。本文根据刚性二元酸或刚性二元醇单体来源的不同,介绍了石油基高耐热聚酯和生物基高耐热聚酯的研究进展,其中石油基高耐热聚酯包括基于2,6-萘二甲酸、4,4'-联苯二甲酸和2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁二醇等刚性单体聚酯;生物基高耐热聚酯包括基于呋喃二甲酸、木质素衍生物二酸、天然樟脑及其衍生单体、酒石酸、樟脑醇、异己糖醇等刚性单体聚酯。指出生物基呋喃二甲酸和异山梨醇聚酯是未来高耐热聚酯商业化的重要选择,而原料来源可持续、更高的耐热温度、优异的韧性是未来高Tg、抗冲透明聚酯的主要发展方向。

    g-C3N4基超级电容器用电极材料的研究进展
    陈飞, 刘成宝, 陈丰, 钱君超, 邱永斌, 孟宪荣, 陈志刚
    化工进展. 2023, 42(5):  2566-2576.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1277
    摘要 ( 120 )   HTML ( 3 )   PDF (5016KB) ( 87 )  
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    超级电容器由于具有功率密度大、储放电速度快、循环寿命长等优点受到储能领域的极大关注,电极材料是其性能优劣的关键所在。而具有较高含氮量、活性位点多且形貌与稳定性良好的g-C3N4作为一种优秀的超级电容器电极材料受到研究者的青睐。本文综述了g-C3N4基超级电容器的结构特征以及储能机理,重点阐述了g-C3N4基复合材料的性能提升策略,最后梳理了g-C3N4基超级电容器电极材料的性能提升研究进展,明确了g-C3N4基复合材料具有优秀的超级电容器电极材料应用前景。

    季铵化/磺化壳聚糖的制备及其抗生物被膜活性
    王林, 辛梅华, 李明春, 陈琦, 毛扬帆
    化工进展. 2023, 42(5):  2577-2585.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1790
    摘要 ( 101 )   HTML ( 6 )   PDF (1803KB) ( 175 )  
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    合成了N-(2-羟丙基-3-甲基氯化铵)壳聚糖(HTCC)、N,N,N-三甲基壳聚糖(TMC)和N-(2-羟丙基磺酸钠)壳聚糖(HSCS)。采用红外光谱、核磁共振氢谱、元素分析对产物的结构进行表征,分别比较不同结构的壳聚糖季铵盐(HTCC和TMC)以及相似结构的壳聚糖季铵盐和壳聚糖磺酸盐(HTCC和HSCS)的抗菌活性和抗生物被膜活性。实验结果发现,将壳聚糖的氨基直接季铵化得到的壳聚糖季铵盐(TMC)的抑菌率和生物被膜清除率要优于接枝季铵化得到的壳聚糖季铵盐(HTCC),季铵化壳聚糖(HTCC)的抗菌活性和抗生物被膜活性要优于磺化壳聚糖(HSCS)。0.5mg/mL的TMC对E. coliS. aureus的抑菌率分别为93.0%和100%。TMC在12MIC浓度时对E. coliS. aureus的生物被膜形成抑制率分别为51.4%和41.5%。2.5mg/mL的TMC、HTCC和HSCS对E. coli的生物被膜去除率分别为49.1%、48.6%和21.2%,对S. aureus的生物被膜的去除率分别为85.1%、82.7%和81.8%。

    Silicalite-1分子筛膜渗透蒸发条件的响应面分析与优化
    赵尧, 周志辉, 吴红丹, 胡传智, 张国春, 吴睿鹏
    化工进展. 2023, 42(5):  2586-2594.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1345
    摘要 ( 86 )   HTML ( 2 )   PDF (4066KB) ( 49 )  
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    采用Silicalite-1分子筛膜用于低浓度乙醇/水溶液的渗透蒸发分离,运用单因素实验考察了晶种质量分数、晶化温度、晶化时间3个制备条件对Silicalite-1分子筛膜渗透蒸发分离性能的影响,借助响应面分析(RSM)研究了料液温度、乙醇质量分数、真空压力3个运行条件对分离系数和渗透通量的影响。单因素实验结果表明,在晶种质量分数为0.3%、晶化温度为175℃、晶化时间为7h条件下制备的Silicalite-1分子筛膜对乙醇/水的渗透蒸发分离效果较好。RSM结果表明,料液温度、料液配比、真空压力对分离系数和渗透通量的影响显著,根据RSM建立多项式模型并对该模型预测的最佳条件进行了实验验证,实验结果与模型预测较为吻合。在进料温度为70℃、乙醇质量分数为3.49%、真空压力为7.82kPa条件下,实际分离系数和渗透通量与预测值偏差分别小于5.46%和7.39%。

    粉煤灰基相变储能材料的制备及性能
    徐玉珍, 蒋达华, 刘景滔, 陈璞
    化工进展. 2023, 42(5):  2595-2605.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1236
    摘要 ( 94 )   HTML ( 4 )   PDF (2738KB) ( 78 )  
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    粉煤灰(FA)是燃煤电厂排出的固体废弃物,具有较大的比表面积和较好的吸附活性,利用粉煤灰作为载体吸附相变材料(PCM)可以有效解决相变过程的泄漏问题。本文以正癸酸(CA)和十八醇(OD)为二元相变材料、FA为载体,采用真空吸附法制备了一种正癸酸-十八醇/粉煤灰(CA-OD/FA)定形相变材料(SSPCM),通过单因素和扩散-渗出圈实验分析了制备SSPCM的影响因素,包括PCM质量分数、吸附温度、吸附真空度和吸附时长。通过SEM、FTIR、XRD、DSC和TG等测试了SSPCM的结构及热性能,SEM的微观结构显示PCM均匀填充在FA的表面及孔隙内;FTIR和XRD测试结果表明三种材料之间并未发生化学反应且没有新物质产生;DSC测试表明SSPCM的相变温度和相变潜热分别为27.44℃和37.18J/g,有利于调节室内环境温度,可作为建筑储能材料使用;TG结果表明SSPCM在117.45℃以下不分解,具有良好的热稳定性;经500次的吸放热循环后,SSPCM仍具有良好的热可靠性和化学稳定性,因此该复合材料适用于建筑节能和热回收领域。

    分段取样法研究改进Hummers法制备GO结构特性及其机理
    张浩月, 李春丽, 徐博, 李筱贺, 仝铃, 邱广明
    化工进展. 2023, 42(5):  2606-2615.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1275
    摘要 ( 86 )   HTML ( 4 )   PDF (3309KB) ( 43 )  
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    氧化石墨烯(GO)制备过程调控及机理研究对其性能及其功能化改性具有重要意义。本文基于改进Hummers法制备GO,采用分段取样法提取主要阶段的中间产物;利用SEM、Raman光谱以及XRD、FTIR、XPS等检测手段表征分析各阶段产物的微观形貌、结构和成分,以探究GO制备机理,并采用TEM对最终制备的GO进行形貌表征观察,探究各阶段反应对GO制备的影响规律,以实现对GO氧化程度和结构的调控。研究结果表明:在浓H2SO4/KMnO4混合体系中,使用单一的浓H2SO4无法对石墨进行插层与氧化,KMnO4是石墨氧化的必要条件;氧化阶段会形成大量的含氧官能团,导致石墨层间距进一步扩大。GO-1到GO-5阶段,氧化石墨的C/O从7.23降到2.03,氧化石墨片层间距从原始石墨的0.344nm增加到0.815nm,研究成果为GO的进一步改性与应用提供数据及理论支持。

    精细化工
    胶原纤维固化黑荆树单宁对硼同位素的分离
    庞楠炯, 王晓玲, 廖学品, 石碧
    化工进展. 2023, 42(5):  2616-2625.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1282
    摘要 ( 101 )   HTML ( 4 )   PDF (3295KB) ( 55 )  
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    使用戊二醛为交联剂,将黑荆树单宁(BWT)固化在胶原纤维(CF)表面,得到新型硼同位素分离树脂 CF-BWT。通过FTIR、XPS、SEM、11B MAS NMR分析,探究了CF-BWT吸附硼前后表面元素组成、形貌结构以及吸附机理等。研究结果表明,当pH为8.0,硼初始浓度为110mg/L时,CF-BWT的平衡吸附量可达1.9mg/g。吸附平衡符合Langmuir模型,平衡吸附量随温度升高而增加。吸附动力学可用准二级动力学模型描述,由模型计算得到的平衡吸附量与实验值接近。进一步研究发现,CF-BWT表面固化的黑荆树单宁与硼形成硼-单宁活性交换界面,促使10B和11B发生同位素交换反应,从而将10B富集于CF-BWT表面,实现10B和11B的分离。当pH为7.0时,CF-BWT对10B和11B的单级分离因子可达1.17。当初始硼同位素丰度比(10B/11B)为0.2180时,以CF-BWT为填料的固定床对10B和11B进行分离,发现穿透段硼同位素丰度比(10B/11B)为0.2149,而在洗脱段则达到0.2234。

    橘皮油微胶囊制备及其产品质量评价
    孙闫晨昊, 王维, 李一喆, 祝妍妮, 刘学武, 张大为
    化工进展. 2023, 42(5):  2626-2637.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1347
    摘要 ( 98 )   HTML ( 4 )   PDF (2523KB) ( 73 )  
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    橘皮油的易挥发、易氧化等特点使其难以长期保存。为了延长橘皮油的保质期并丰富其应用范围,本文利用微胶囊技术,以麦芽糊精和阿拉伯胶为复配壁材,分别采用喷雾干燥法和冷冻干燥法对橘皮油进行包埋,并对所得产品进行质量评价。喷雾干燥的最佳工艺参数为:进风温度194℃、进料速度90.2mL/min和料液固含量34.7%。冷冻干燥的工艺参数为冷冻温度-30℃、干燥室压力30Pa和干燥室温度30℃。在此工艺条件下,喷雾干燥法和冷冻干燥法制备的橘皮油微胶囊包埋率分别为90.17%和82.48%。喷雾干燥产品呈规则球形、质感细腻并且囊壁致密,而冷冻干燥产品呈不规则的薄片状,但水分含量较低并且流动性好。2种干燥产品都具有一定的耐热能力,可以减少芯材在贮存和使用过程中的受热损失。综合比较,喷雾干燥法比冷冻干燥法更适合应用于制备橘皮油微胶囊产品。

    新型氢化二聚酸乙二醇醚酯的合成及其增塑PVC性能
    黄能坤, 王梓雯, 王文耕, 王学峰, 谈继淮, 朱新宝
    化工进展. 2023, 42(5):  2638-2646.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1251
    摘要 ( 100 )   HTML ( 7 )   PDF (2558KB) ( 45 )  
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    以氢化二聚酸和乙二醇醚(乙二醇甲醚、二乙二醇甲醚、三乙二醇甲醚、四乙二醇甲醚)为原料,通过直接酯化法,制备出具有不同乙氧基官能团数目的新型氢化二聚酸乙二醇醚酯(HDA-2nn=1, 2, 3, 4)增塑剂。利用1H NMR、13C NMR和FTIR确定产物结构,并对HDA-2n增塑后聚氯乙烯(PVC)制品的微观形貌、力学、热稳定、耐迁移、耐挥发等性能进行表征分析。结果表明,HDA-2n的增塑性能随着乙氧基官能团数目的增加而提高;与邻苯二甲酸二辛酯(DOP)增塑后的PVC制品相比,含有乙氧基官能团数目最多的氢化二聚酸(四乙二醇甲醚)酯(HDA-8)增塑PVC后制品的断裂伸长率提高125%,拉伸强度提高11.29MPa,在正己烷中的迁移性降低了14.25%,70℃下的挥发性降低了5.29%,初始热分解温度(T5%)提高了27.2℃。

    压裂用耐温乳液稠化剂的制备及性能
    周亚峰, 杨江, 马诚, 刘海玲
    化工进展. 2023, 42(5):  2647-2654.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1371
    摘要 ( 81 )   HTML ( 4 )   PDF (1414KB) ( 44 )  
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    为发展耐温疏水聚合物压裂液体系,本文在丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)中引入了疏水单体甲基丙烯酸十八烷基酯来提高稠化剂的耐温性,合成了聚合物稠化剂PAS。实验结果表明,制备改性聚合物的条件为:单体占总质量的30%,乳化剂占油相的10%,亲水亲油平衡值(HLB)为6,引发剂占单体质量的0.2%,油水相比为1∶2。其黏均分子量为450×104g/mol。测试了该聚合物1.5%的浓度在120℃、170s-1下剪切1.5h后黏度保持在80mPa·s,具有较好的耐温性,并具有剪切回复性能;其粒径分布为500~1200nm;在破胶剂过硫酸钾的用量为0.03%时,在90℃下,其黏度可以下降到5mPa·s,完成破胶。

    资源与环境化工
    生物质与塑料催化共热解技术研究进展
    王志伟, 郭帅华, 吴梦鸽, 陈颜, 赵俊廷, 李辉, 雷廷宙
    化工进展. 2023, 42(5):  2655-2665.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1316
    摘要 ( 188 )   HTML ( 8 )   PDF (1271KB) ( 162 )  
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    生物质是唯一一种可再生碳源,其高效利用是解决能源与环境问题的纽带。近年来,基于化石能源的塑料制品使用和废弃量快速增加,其难于自然降解,对环境造成严重威胁。生物质与塑料的催化共热解技术能够得到选择性更高的产品,进而提升高附加值产物的产率和品质,是生物质与塑料规模化利用的重要方向。本文从生物质与塑料高效转化的角度出发,梳理了生物质与塑料催化共热解技术研究进展,对生物质与塑料共热解机理、ZSM-5基催化剂共热解、过渡金属基催化剂共热解、碱/碱土金属催化剂共热解、多催化剂共热解等不同种类的催化共热解研究前沿进行了综述,并对比了原位催化和非原位催化的共热解方式,展望了生物质与塑料催化共热解的主要技术和发展方向,以期为生物质与塑料的高效协同转化提供方法参考和研究思路。

    垃圾焚烧飞灰重金属毒性浸出评价方法研究进展
    李卫华, 吴寅凯, 孙英杰, 尹俊权, 辛明学, 赵友杰
    化工进展. 2023, 42(5):  2666-2677.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1314
    摘要 ( 205 )   HTML ( 5 )   PDF (1226KB) ( 89 )  
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    垃圾焚烧飞灰产生量大且属于危险废物,其妥善处理是垃圾焚烧全过程污染控制的重点,选择适宜的重金属毒性浸出评价方法对飞灰的污染控制尤为重要。针对国内外涉及飞灰重金属毒性浸出常用评价方法进行了系统总结,分类比较了相关评价方法实验参数/条件和应用背景的差异性,重点分析了主流模拟场景类方法的应用情况及其局限性,剖析了当前评价方法存在的问题,并为研究者和管理者选择合适的毒性浸出方法给予了指导性建议。指出为实现对飞灰的精细化管理,应当根据社会、环境及科技变化及时更新方法内容,尤其在方法的应用中应充分考虑环境条件的多维性(如处置环境的多元化),同时更应基于现实需求(如污染物赋存的长期稳定性)探索符合我国国情且因地制宜的飞灰重金属毒性浸出评价方法。

    厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统的研究进展
    李华华, 李逸航, 金北辰, 李隆昕, 成少安
    化工进展. 2023, 42(5):  2678-2690.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1369
    摘要 ( 117 )   HTML ( 4 )   PDF (1078KB) ( 161 )  
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    厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统(Anammox-BES)是一种极具发展潜力的污水脱氮技术,兼有无机氮污染物和有机污染物的去除与能量回收的优势,近年来已成为研究的热点。本文总结了现有Anammox-BES的主要类型和反应机理;综述了影响Anammox-BES的主要因素,包括电极材料、电极电位、温度、pH、溶解氧、有机物和接种物等;总结了Anammox-BES的研究现状,并在脱氮性能以及能量消耗等方面与传统Anammox工艺进行了比较。大量研究结果显示,绝大部分Anammox-BES的脱氮过程为厌氧氨氧化、硝化、反硝化以及微生物产电等多种过程的耦合,系统整体脱氮效率高。然而,由于影响Anammox-BES系统性能的因素众多,并且能量回收率低,在实际废水处理方面尚未得到广泛应用。因此,在今后的研究中,需要继续开发增强厌氧氨氧化菌产电能力的技术手段,以实现废水脱氮的同时回收蕴藏于铵盐中的化学能;对于现有Anammox-BES,仍需开发具有高导电性、生物相容性以及比表面积的阳极材料,并进一步优化操作条件,以提高系统脱氮、产电性能以及稳定性。

    木质纤维类废弃物定向生物转化乳酸、乙酸研究进展
    黄越, 赵立欣, 姚宗路, 于佳动, 李再兴, 申瑞霞, 安柯萌, 黄亚丽
    化工进展. 2023, 42(5):  2691-2701.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0055
    摘要 ( 116 )   HTML ( 11 )   PDF (1662KB) ( 101 )  
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    依托厌氧发酵技术处理秸秆和牛粪等木质纤维类废弃物,是资源循环利用的重要方式之一。乳酸和乙酸是厌氧发酵的重要中间产物,是生产沼气、中链脂肪酸等能源化工产品的重要前体物质,但定向生物转化协同生产效率不高、对木质纤维类废弃物协同产乳酸、乙酸机制等问题有待深入探索。本文基于对产酸代谢途径机理的分析,梳理了同步发酵和分步发酵协同产乳酸、乙酸特性,归纳了影响生物转化产酸效率的关键因素,发现在较高含固率15%~20%、接种20%~40%的活性物质和适宜的过程参数[pH为5.0左右、中温和有机负荷5~10kgVS/(m3·d)]下,木质纤维类废弃物具有良好的协同产酸效果。进一步探明物化和生物强化耦合手段对木质纤维素降解和目标产物的促进效应,为开发生物转化乳酸、乙酸协同生产关键技术以及促进秸秆等木质纤维类废弃物高值转化利用提供理论依据。

    退役锂电池正极材料资源化回收技术研究进展
    王昊, 霍进达, 曲国瑞, 杨家琪, 周世伟, 李博, 魏永刚
    化工进展. 2023, 42(5):  2702-2716.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1239
    摘要 ( 236 )   HTML ( 44 )   PDF (1256KB) ( 452 )  
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    新能源汽车产业快速发展带动锂离子电池消费不断增加,直接导致用于生产电池材料的钴、锂、镍等能源金属严重短缺。未来退役锂离子电池产量将呈指数增加,其资源化回收受到广泛关注。资源化回收不仅可以缓解电池材料紧缺现状,还解决了废旧电池堆积而引起的危害。本文针对退役锂离子电池放电预处理和湿法、火法两种资源化回收工艺最新研究现状进行了综述,并就未来发展趋势进行了讨论。在现有火法回收工艺基础上提出一种利用高温熔融冶炼渣处理废旧锂离子电池回收有价金属的新方法,通过添加适宜的氯化剂将渣中锂转化为高温易挥发的LiCl,实现从烟尘中富集并高效回收锂的新思路,解决了传统火法工艺需从渣中对锂进行二次提取的技术缺陷。

    催化臭氧化体系射流曝气系统参数优化及苯酚阶段氧化分析
    朱昊, 刘汉飞, 高源, 白蓉蓉, 倪嵩波, 黄益平, 李庆同, 李小东, 韩卫清
    化工进展. 2023, 42(5):  2717-2723.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1266
    摘要 ( 104 )   HTML ( 9 )   PDF (1765KB) ( 81 )  
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    作为酚类化合物的典型,苯酚在含酚废水中含量高、毒性范围大,掌握水中苯酚的有效处理方法将为含酚废水的高效处理提供技术支撑。本文通过分析5种臭氧催化剂的催化性能,选择A型催化剂作为臭氧射流曝气系统的优选催化剂。优化了系统关键运行参数,结果表明,当循环水流速、废水pH和污染物初始浓度分别为1400L/h、8和148mg/L时,基于A型催化剂的射流曝气系统对污染物具有良好的去除效果,此时废水COD平均去除率为56.7%。以不同时间节点废水的三维荧光光谱、GC-MS和好氧呼吸抑制率作为评价指标,考察了苯酚的阶段氧化进程。综合分析各评价指标,发现当反应时间为60min时,废水三维荧光光谱对应的荧光区域Ex/Em为(300~350nm)/(420~460nm)可能是苯酚在臭氧高级氧化过程高效率降解、低好氧呼吸抑制的指示因子。

    蛋黄-壳介孔磁性炭微球的制备及其对红霉素的高效吸附
    刘念, 陈葵, 武斌, 纪利俊, 吴艳阳, 韩金玲
    化工进展. 2023, 42(5):  2724-2732.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1230
    摘要 ( 95 )   HTML ( 4 )   PDF (2313KB) ( 46 )  
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    以溶剂热法制得的Fe3O4纳米颗粒为磁核,正硅酸四乙酯(TEOS)为造孔前体,间苯二酚-甲醛树脂(RF)为碳源,一步法制备蛋黄-壳介孔磁性炭微球(Fe3O4@C),并将其作为吸附剂用于去除水中的红霉素。采用TEM、XRD、FTIR、BET和VSM对Fe3O4@C进行表征。结果表明,Fe3O4@C核壳之间具有大空腔,比表面积为444m2/g,平均孔径为7.7nm,具有超顺磁性。通过静态吸附实验研究了Fe3O4@C对红霉素的吸附平衡和速率,并确定了优化的操作条件。结果表明,在吸附剂投加量为1.0g/L、初始红霉素浓度为300mg/L、pH为10的优化条件下,Fe3O4@C对红霉素的吸附量为210mg/g。Fe3O4@C对红霉素的吸附过程是自发的、吸热的和不可逆的,遵循准二级动力学和Langmuir等温线模型。经3次循环再生后,Fe3O4@C吸附量仍能维持在初始吸附量的86%以上。

    H2S气态基质对污泥生物沥滤处理效能的影响
    常占坤, 张弛, 苏冰琴, 张聪政, 王健, 权晓慧
    化工进展. 2023, 42(5):  2733-2743.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1348
    摘要 ( 89 )   HTML ( 4 )   PDF (2943KB) ( 38 )  
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    采用H2S作为污泥生物沥滤的部分替代营养底物,探究了不同的H2S负荷对生物沥滤处理效能和群落动态的影响。实验考察了生物沥滤过程中pH、ORP、重金属去除率及CST的变化,并进行了群落多样性分析。结果表明:通入气体流量为2mL/min、负荷50mL/L的H2S,能显著加快生物沥滤进程,提高污泥体系中pH的下降速率,保持更高的氧化还原电位。H2S的加入不仅改善了脱水性能,CST加快了35.8s,而且对重金属的浸出也有显著的效果,Ni、Pb、Cr的去除率分别提高了18.35%、21.22%、13.07%,同时促进了各种重金属形态向易溶态的转化。电镜结果显示H2S的加入促进了优势菌群繁殖,并使污泥颗粒变大且紧实。高通量测序显示,H2S气态基质的加入强化了污泥生物沥滤处理效能,加速了污泥体系中的物种数、菌群丰度、群落多样性的减小趋势,促进变形菌门成为优势菌门,嗜酸菌属成为优势菌属。

    好氧堆肥腐熟的促进技术
    马敬文, 牛佳钰, 李秀芬
    化工进展. 2023, 42(5):  2744-2750.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1391
    摘要 ( 95 )   HTML ( 9 )   PDF (986KB) ( 52 )  
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    好氧堆肥化技术已成为废弃农作物秸秆返田的重要途径之一。随着稀土农用越来越普及,研究稀土元素对废弃秸秆堆肥腐熟进程及产品品质的影响具有较为重要的学术意义。结果表明,稀土元素镧有利于提高堆体中Bacillus thermophiles GX5及其他土著微生物的代谢活性,促进木质纤维素的降解转化,提高堆体的腐熟度。当堆肥体系中存在镧同时添加菌株Bacillus thermophilus GX5时,堆体温度可在第3天升高至70.3℃,且在55℃以上维持5天。此时,堆体的脱氢酶活性为11.02U/g,纤维素降解酶、木质素过氧化物酶和漆酶的酶活分别为4.55U/g、2.82U/g和0.21U/g。腐熟阶段,半纤维素、纤维素和木质素的降解率分别达47.6%、40.6%和31.1%,堆体的E4/E6值为3.24,硝化指数为1.87,种子发芽指数为221.80%。堆肥产品的品质符合我国《有机肥料》(NY/T 525—2021)等相关标准。

    化工园区
    基于蒙特卡洛模拟和动态事件树的储罐脆弱性评估
    赵景斌, 王彦富, 王涛, 马伟恺, 王琛
    化工进展. 2023, 42(5):  2751-2759.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1376
    摘要 ( 84 )   HTML ( 5 )   PDF (1309KB) ( 91 )  
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    泄漏事件是化工罐区多米诺事故的主要原因,随着泄漏时间增加,其后续的演化有多种可能的场景,而每种场景中受影响储罐的脆弱性变化也不同。为了更全面地分析泄漏事件发生后化工储罐的脆弱性,本文基于蒙特卡洛模拟和动态事件树提出了一种动态脆弱性评估方法。该方法考虑点火概率、协同效应等因素,利用Probit模型计算储罐失效概率,通过蒙特卡洛模拟得到火灾和爆炸事故场景下的动态脆弱性;利用动态事件树将每种事故场景发生概率及对应的脆弱性变化按照时间序列结合,从而比较全面地描述泄漏事件的后续演化场景,得到考虑火灾和爆炸场景的总体脆弱性。使用两个案例验证说明了该方法的可行性,结果表明该方法能实现动态的预测和评估化工储罐的脆弱性。

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