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2023年 第42卷 第6期 刊出日期:2023-06-25
    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2023, 42(6):  0. 
    摘要 ( 58 )   PDF (4460KB) ( 57 )  
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    化工进展. 2023, 42(6):  1. 
    摘要 ( 39 )   PDF (25313KB) ( 28 )  
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    特约评述
    中国流态化技术研发史略
    金涌, 程易, 白丁荣, 张晨曦, 魏飞
    化工进展. 2023, 42(6):  2761-2780.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0218
    摘要 ( 362 )   HTML ( 54 )   PDF (10339KB) ( 415 )  
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    现代流态化技术始于20世纪40年代其在石油催化裂化工艺的成功应用,迄今已有近80年的发展历史。在中国,流态化技术在经历了艰难的初期发展阶段后,随着改革开放和科技复兴才开始深入系统的基础及其工业应用的研究,进入到快速发展的高潮期和稳定发展期。本文在回顾了世界流态化研究的起源与进展后,概述了流态化技术在中国数十年的发展历程。按照流态化技术在中国发展的三阶段,依据本文作者的亲历和认知,回顾了中国学者多年来对世界和中国流态化理论和技术发展所做的重要贡献,特别是在产业化技术方面取得的成果。最后,展望了流态化技术未来的研究和技术发展方向。

    柔性吸附材料最新研究进展
    路建美
    化工进展. 2023, 42(6):  2781-2798.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0537
    摘要 ( 302 )   HTML ( 34 )   PDF (7811KB) ( 309 )  
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    近年来,具有柔性三维框架结构的吸附分离材料逐渐引起研究人员极大兴趣,其独特的动态吸附行为和富化学环境的结构框架赋予了其完全不同于传统刚性吸附材料的特性,这种特殊的柔性吸附材料在吸附分离、环境净化和传感等领域显示出巨大潜力。然而,由于研究者们缺少对柔性吸附现象的深入理解和相应的理论研究方法,该领域的发展较为缓慢。本文立足于作者自身研究工作,对柔性吸附的定义、理论发展和分类等方面的最新研究进展以及其在污染物去除、共沸物分离等方面的应用实例进行深度分析,力求为该领域发展提供相应的理论支撑。文中也指出了柔性吸附材料的产业化方向及前景,即应该努力探索柔性吸附材料大规模、高效率地处理环境中高浓度(低浓度)的液相(气相)污染物的应用前景,以此来推动柔性吸附材料的产业化。

    化工过程与装备
    考虑中间节点的碳捕集管路系统设计与优化
    顾诗亚, 董亚超, 刘琳琳, 张磊, 庄钰, 都健
    化工进展. 2023, 42(6):  2799-2808.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1457
    摘要 ( 173 )   HTML ( 12 )   PDF (3406KB) ( 106 )  
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    作为控制温室气体排放的重要技术之一,碳捕集与封存技术吸引了越来越多的关注。相比于传统生产系统,碳捕集与封存系统中的二氧化碳排放源与封存阱往往相距较远,妥善合理地规划两者之间二氧化碳的运输方式是确保系统高效运转的重要前提。而管道运输正是目前长距离、大规模输送二氧化碳最经济的方法。本文首先建立碳捕集中管路系统的数学模型;然后针对单周期问题,为使管路系统的项目总成本最小,分别得到不同碳捕集封存量要求下,无中间节点和有中间节点管路系统的最佳管网结构,并分析碳排放量变化对管路系统的影响;最后针对多周期问题,考虑在一个较长的项目规划期内,管路系统的总捕集封存量最大和项目总成本最小两种情景下,分别探究排放源的碳排放量、封存阱的封存容量和注入速率对有中间节点管路系统的管网结构、项目总成本以及源阱利用情况的影响。

    原油精馏塔中铵盐吸湿特性及其腐蚀行为
    李瑞东, 黄辉, 同国虎, 王跃社
    化工进展. 2023, 42(6):  2809-2818.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1529
    摘要 ( 152 )   HTML ( 16 )   PDF (8110KB) ( 105 )  
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    原油精馏塔顶部循环系统中由于铵盐沉积引发的腐蚀问题,是导致设备及管道局部失效泄漏的问题之一。为了认识铵盐腐蚀的机理,本文采用了从头算分子动力学(AIMD)的模拟方法以及原位电化学测试的实验方法分别探究了铵盐的吸湿潮解特性及其溶液在不同温度与浓度下对于20号碳钢的腐蚀演化规律。电化学阻抗谱与表面表征结果反映了腐蚀的界面过程是受腐蚀产物生长、成膜以及破损行为影响下的动态传质过程,结合线性极化电阻以及失重测试揭示了腐蚀速率的变化是由产物的传质效应与电极反应过程共同决定。AIMD模拟结果表明NH4Cl在水分子的作用下会发生包括电离、水解、质子转移链等一系列反应使得溶液呈酸性,并导致体系中的电荷状态发生了改变,这可能是引发腐蚀的一个重要原因。

    基于分离因数法的简捷炼油塔模型开发及应用
    周磊, 孙晓岩, 陶少辉, 陈玉石, 项曙光
    化工进展. 2023, 42(6):  2819-2827.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1432
    摘要 ( 126 )   HTML ( 7 )   PDF (2893KB) ( 83 )  
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    简捷炼油塔模型在炼油厂生产调度实际应用具有重要作用,但传统简捷模型不符合实际的假设,无法反映产品蒸馏曲线的真实非线性性质。本研究开发出一种基于分离因数的简捷炼油塔模型。首先,针对炼油塔分离过程,利用组分分离程度与沸点之间关系,将炼油塔分离过程简化为连续分离单元,合理地提高模型的非线性程度。其次,模型可以满足给定切割点或产率两种模式计算,基于切割温度或产率、分离因数等参数,采用割线算法迭代求解,较好地模拟在产品切割点附近组分不完全分离过程。最后,通过常减压过程实例进行模型验证,主要工艺指标计算值与实际值相对偏差均在5%以内,证明开发的模型能够较好地模拟炼油塔生产过程。

    鼓泡流态化气泡间相互作用下相间传质过程的模拟
    章凯, 金捍宇, 刘思宇, 王帅
    化工进展. 2023, 42(6):  2828-2835.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1525
    摘要 ( 140 )   HTML ( 8 )   PDF (4293KB) ( 115 )  
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    气泡-乳化相相间传质行为是流化床反应器设计与调控的关键问题,气泡间的相互作用增加了相间传质过程的复杂性。本文利用CFD-DEM方法对三维射流鼓泡床内垂直分布的双气泡传质过程展开模拟,基于建立的对流-扩散传质系数独立确定方法,分析了气泡存在相互作用时不同传质机制的演变过程,对比了双气泡与单气泡传质过程的差异性。研究结果表明,与单气泡相比,上方气泡的存在会使得下方气泡轴向拉伸,减小了下方气泡体积并提高了气泡上升速度。对相间传质过程而言,上方气泡浓度的释放增加了下方气泡的扩散传质阻力,且使其出现逆向对流传质现象。不同入射时间间隔也会进一步影响传质过程,气泡复杂的传质过程将是气泡自身气流特性、形状演变与气泡间浓度干扰等多因素作用的结果。

    基于micro-PIV的微通道内流体绕流单微圆柱和并联双微圆柱流场特性
    陶梦琦, 刘美红, 康宇驰
    化工进展. 2023, 42(6):  2836-2844.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1512
    摘要 ( 153 )   HTML ( 8 )   PDF (8563KB) ( 70 )  
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    采用微观粒子图像测速(micro-PIV)技术对微通道内单微圆柱和并联双微圆柱绕流流场特性进行研究,通过对不同雷诺数(Re)下单微圆柱和并联双微圆柱绕流流场的观测,分析Re对速度场、涡量强度、相位角和涡的量纲为1长度的影响规律。通过实验研究发现:微纳尺度下圆柱绕流的漩涡形成和脱落相比于宏观尺度下圆柱绕流具有一定的迟滞性。并联双微圆柱的迟滞性大于单个微圆柱。随着Re的增加,漩涡的长度和宽度随着增加,涡量带向微圆柱下游方向延伸得更远。相位角和漩涡的量纲为1长度随之增加。并联双微圆柱漩涡结构发生变形,呈现鼓状。受到主流区的影响,漩涡的结构受到挤压,呈带状漩涡,同时,焦点的位置向两圆柱中心水平线的方向偏移。随着Re的不断变大,量纲为1涡长和相位角整体呈上升趋势,并联双微圆柱中,受到两微圆柱之间主流区的影响,上微圆柱的相位角整体大于下微圆柱。

    氢氟酸与烷基化油快速分离
    吴和平, 曹宁, 徐圆圆, 曹云波, 李裕东, 杨强, 卢浩
    化工进展. 2023, 42(6):  2845-2853.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1407
    摘要 ( 162 )   HTML ( 13 )   PDF (6369KB) ( 88 )  
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    氢氟酸(HF)烷基化是烷基苯生产的主流工艺,酸烃分离器是该工艺的关键设备之一,由于HF催化剂的高腐蚀性、高危险性,至今仍沿袭大罐沉降的分离方法,导致反应流出物停留时间长、HF储量巨大,给烷基苯装置带来巨大的安环风险。工艺介质的特殊性造成国内外对该体系快速分离的研究处于空白,本文创新开发了适用于HF和烷基化油快速分离的聚结分离器,开展了中试试验,分离器油相出口酸含量(≤0.2%)及酸相出口循环酸浓度(≥98.5%)满足工艺指标,酸烃分离速率可提高约2倍,分离器容积及HF储量缩减2/3以上,同时针对该反应体系的乳化现象,试验测算了乳化液产率及消减速率,解决了分离器内酸、烃、乳化层的多层界位分布状况不明晰的难题,对涉及HF催化工艺的升级改造具有普遍参考价值。

    静态条件下表面活性剂OP-13促进HCFC-141b水合物生成
    杨扬, 孙志高, 李翠敏, 李娟, 黄海峰
    化工进展. 2023, 42(6):  2854-2859.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1428
    摘要 ( 90 )   HTML ( 3 )   PDF (1402KB) ( 39 )  
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    为了促进静态条件下HCFC-141b水合物的生成,选择辛基酚与环氧乙烷的缩合物表面活性剂OP-13来研究其对HCFC-141b水合物生成效果的影响。OP-13促进HCFC-141b分散在水中,形成稳定的乳液。研究结果表明,添加适量的OP-13可大幅度缩短HCFC-141b水合物形成的诱导时间。添加质量分数1%的OP-13,HCFC-141b水合物生成的平均诱导时间最短,约为96min。OP-13的添加会影响HCFC-141b水合物的蓄冷量,当添加0.5%和1%的OP-13时,HCFC-141b水合物的蓄冷量较大,分别为247.57kJ/kg和248.42kJ/kg。综合水合物生成的诱导时间和蓄冷量,1%的OP-13为最佳添加量。研究结果也表明HCFC-141b水合物成核具有随机性,OP-13的添加稳定了水合物成核;表面活性剂OP-13促进水合物形成主要是由于其形成的胶束。水合物形成/分解循环实验过程中由于“记忆”效应,水合物可快速稳定形成。

    能源加工与技术
    PEMFC阴极催化层氧传质阻力影响的研究进展
    马哲杰, 张文励, 赵炫凯, 李平
    化工进展. 2023, 42(6):  2860-2873.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1504
    摘要 ( 172 )   HTML ( 26 )   PDF (11422KB) ( 101 )  
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    质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)阴极催化层的氧传质阻力是限制高电流密度下低Pt载量膜电极极化性能的主要瓶颈。研究如何降低阴极催化层氧传质阻力对于提高PEMFC的性能、加快其商业化应用至关重要。本文首先分析了催化层氧传质阻力产生的根源及构成,指出氧气穿越气相、离聚物、Pt纳米粒子三相接触界面时产生的局部氧传质阻力是其重要部分;接着从Pt纳米粒子、离聚物、碳载体和水这四方面阐述了各因素对氧传质阻力特别是局部氧传质阻力的影响,归纳总结了降低氧传质阻力的方法;最后对低Pt载量PEMFC阴极催化层设计进行了展望,提出从构建适宜的载体孔结构、合理分布孔道内外Pt粒子数量、控制离聚物厚度及分布,以及强化水转移等方面着手,以降低氧传质阻力,提高电池在高电流密度下的功率输出。

    皂脚热解-催化气态加氢制备生物燃料
    李栋先, 王佳, 蒋剑春
    化工进展. 2023, 42(6):  2874-2883.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1500
    摘要 ( 127 )   HTML ( 4 )   PDF (4370KB) ( 75 )  
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    皂脚的资源化、高值化利用对减少环境污染和实现碳中和具有重要的意义。本文以皂脚为原料,采用双级加压固定床为反应器,对其进行热解-催化气态加氢处理以制备生物燃料。研究了皂脚热解-非催化和催化气态加氢处理对产物正构烷烃的影响,并提出了皂脚热解-催化气态加氢制备正构烷烃的反应机理。以最大化生成正构烷烃为目标,又对热解温度和气态加氢温度工艺参数进行了优化处理。实验结果表明,与非催化条件相比,在Ni/Al2O3-SiO2催化剂的作用下,热解初级中间体被完全脱氧和氢化,使得C5~C17正构烷烃的相对含量由15.8%增加至97.3%。随着热解温度的升高,正构烷烃的产量先升高再降低,550℃时产量最高;随着气态加氢温度的升高,正构烷烃的产量逐渐降低,300℃时产量最高。

    CuFe2O4改性脱硫渣氧载体与褐煤的反应特性
    王保文, 刘同庆, 张港, 李炜光, 林德顺, 王梦家, 马晶晶
    化工进展. 2023, 42(6):  2884-2894.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1505
    摘要 ( 105 )   HTML ( 5 )   PDF (5657KB) ( 119 )  
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    基于烟气脱硫渣采用改进的提纯工艺和优化参数获得高纯度和反应活性的CaSO4,以此作为模板剂结合溶胶凝胶燃烧合成法制备了CuFe2O4改性活化并具有“核-壳”结构的CaSO4-CuFe2O4混合氧载体。在固定床反应器上研究了还原反应温度和循环次数作用下自制CaSO4-CuFe2O4混合氧载体与煤化学链燃烧特性,系统研究了CaSO4副反应与CuFe2O4交互作用下不同气相硫的释放和演化。研究表明,改性脱硫渣与煤反应时,CuFe2O4还原产物Cu、FeO通过未反应CaSO4及已还原的CaS形成的熔融界面获得了其中未能利用的晶格氧,实现了本身的原位氧化,不仅明显提高了改性脱硫渣的反应活性,促进了煤的转化,同时也促进了未反应CaSO4中晶格氧的定向传递和梯级利用。进一步,综合考虑煤的碳转化率以及气相硫的释放特性,确定了改性脱硫渣与煤的最佳反应条件为900℃。而循环实验发现,CaSO4-CuFe2O4氧载体在多次循环中CaSO4副反应不能完全抑制,少量气相硫的逸出加之还原氧载体的部分烧结导致反应活性衰减。

    太阳能PV/T光储直驱热电联产系统性能
    张东, 刘鹏飞, 刘春阳, 侯刚, 惠博, 安周建
    化工进展. 2023, 42(6):  2895-2903.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1467
    摘要 ( 125 )   HTML ( 8 )   PDF (3310KB) ( 82 )  
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    面对居民日益增长的生活热水和电能需求,光伏/光热(photovoltaic/thermal,PV/T)技术的应用可以降低建筑运行时的能源消耗。本文介绍了一种太阳能PV/T光储直驱热电联产(combined heat and power,CHP)系统,为了减少系统运行过程中的能量损失,采用直流压缩机和储能电池,并在兰州地区对系统的运行性能开展了实验测试。研究结果表明,PV/T系统的光伏板温度相比传统PV组件温度平均降低12.26℃,平均发电效率相对提升8.1%。在将24.4~27.2℃的水加热到50.1~50.7℃的过程中,平均性能系数(coefficient of performance,COP)可达到5.48,相比传统空气源热泵热水器提高82.1%~106.8%。平均集热效率和综合效率分别为37.30%和71.24%,PV/T系统的发电量和耗电量分别为3.33kWh和1.69kWh,发电量相比PV系统提高5.7%。太阳能PV/T光储直驱热电联产系统可以减少建筑部门的能源消耗,并提升PV/T系统的发电效率和综合效率,在晴天条件下可以实现离网运行。

    工业催化
    铂基纳米催化剂的制备及在加氢领域的进展
    陈怡欣, 甄摇摇, 陈瑞浩, 吴继伟, 潘丽美, 姚翀, 罗杰, 卢春山, 丰枫, 王清涛, 张群峰, 李小年
    化工进展. 2023, 42(6):  2904-2915.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1484
    摘要 ( 218 )   HTML ( 21 )   PDF (1784KB) ( 163 )  
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    铂基金属催化剂在许多重要的液相加氢化学转化中起着至关重要的作用,研究尺寸、晶型及形貌可控的催化剂以制备铂利用率高及活性好的催化剂具有重要意义。本文系统地介绍了铂基金属催化剂的研究进展,包括不同铂基金属纳米催化剂的合成方法、还原剂的种类以及影响铂基催化剂性能的重要因素(包括粒子粒径、形貌、组成、载体)对催化活性和选择性的影响。铂基催化材料催化效率高但价格昂贵,文中指出进一步探索铂基催化剂对加氢反应机理的影响机制,降低成本的同时提高催化剂寿命并实现铂基催化剂的可控制备仍是未来的重点研究方向。

    甲基芳烃液相选择性催化氧化催化剂研究进展
    殷鹏镇, 吴芹, 黎汉生
    化工进展. 2023, 42(6):  2916-2943.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1429
    摘要 ( 147 )   HTML ( 10 )   PDF (4969KB) ( 138 )  
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    甲基芳烃衍生的芳甲醇、芳甲醛、芳甲酸等高附加值产品作为重要化工中间体,一直在国内外市场处于供不应求状态。其通常以甲基芳烃为原料,通过液相选择性催化氧化技术可控制备。该技术因其转化率高、成本低、安全性好等优点,成为目前工业上该类产品的主要生产方法,而开发高性能催化剂是该技术的关键问题之一。因此,本文在总结甲基芳烃催化氧化机理的基础上,综述了近年来金属盐催化剂、金属络合物催化剂、金属有机框架(MOF)催化剂、金属氧化物催化剂及其他催化剂在甲基芳烃液相选择性催化氧化方面的应用研究进展。研究者从提升催化剂活性、稳定性及降低制备成本出发,对不同种类的催化剂进行改进,发现金属盐及金属络合物催化剂性能的提高在于开发相应载体,而MOFs催化剂在于开发高活性的Co、Mn金属MOFs催化剂,金属氧化物催化剂则需要在现有基础上优化制备工艺。

    单原子催化剂在电催化氧还原直接合成过氧化氢中的研究进展
    张鹏, 潘原
    化工进展. 2023, 42(6):  2944-2953.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1480
    摘要 ( 149 )   HTML ( 5 )   PDF (5091KB) ( 201 )  
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    电催化二电子氧还原过程产过氧化氢具有绿色、高效、安全、即时的特点,是一项被认为能够代替传统高污染,能耗密集型蒽醌生产的潜在技术,但仍具有挑战性。单原子催化剂具有原子利用率高、位点均一、催化活性高的优点,在电催化氧还原产过氧化氢中展现了广阔的应用前景。本文重点综述了贵金属单原子催化剂和过渡金属单原子催化剂在氧还原二电子产过氧化氢中的研究进展,着重于通过实验和理论计算结合的方式揭示电催化氧还原二电子催化活性和结构的联系。总结提出了提升单原子催化剂在二电子氧还原反应性能的调控策略,包括金属活性中心调控、配位结构调控、局域微环境调控,旨在为设计高活性、高选择性电催化氧还原二电子产过氧化氢催化剂提供借鉴和设计思路。文章对单原子催化剂在电催化氧还原产过氧化氢应用中的机遇和挑战进行了展望。单原子催化剂在活性位点表征、稳定性、制备方法等方面亟需改善,以促进其在电催化氧还原制过氧化氢中的发展。

    H2-SCR改性铂系催化剂低温脱硝的应用及性能强化挑战
    张巍, 秦川, 谢康, 周运河, 董梦瑶, 李婕, 汤云灏, 马英, 宋健
    化工进展. 2023, 42(6):  2954-2962.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1453
    摘要 ( 128 )   HTML ( 15 )   PDF (1466KB) ( 132 )  
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    氮氧化物(NO x )的排放严重危害了生态环境和人类健康,其主要来源有固定源烟气排放和移动源尾气排放。近年来,利用氢气选择性催化还原(H2-SCR)改性铂系催化剂控制移动源NO x 的相关研究引起了广泛的关注,由于不同的改性方法可以促进铂与载体之间的电子迁移,从而形成双功能反应机制酸位点,因而通过深入认识铂系H2-SCR催化剂的NO x 催化反应机制并获得良好的改性方法对于开发高效移动源脱硝催化剂具有深远的意义。本文综述了铂系H2-SCR脱硝催化剂的种类,阐述了其表面的H2/NO吸附机制、NO氧化还原机制和双功能反应机制,总结了提高铂系H2-SCR催化剂的稳定性、抗硫性和选择性的强化方法。进一步阐述了金属氧化物和分子筛负载型铂系H2-SCR催化剂可变的多价态,电子迁移能力,NO、H2和O2在催化剂表面的反应机理,并对铂负载减量化降低成本的相关研究进行了展望。

    过渡金属改性Cu-SSZ-13分子筛脱硝催化剂研究进展
    殷成阳, 侯铭, 杨爽, 毛迪, 刘俊言
    化工进展. 2023, 42(6):  2963-2974.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1524
    摘要 ( 157 )   HTML ( 30 )   PDF (4025KB) ( 117 )  
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    氨选择性催化还原技术(NH3-SCR)是消除氮氧化物最有效的技术之一,高效稳定的催化剂是NH3-SCR技术的核心。其中Cu基分子筛催化剂特别是Cu-SSZ-13分子筛催化剂受到了广泛的关注与研究,但仍存在着高温活性不好、氮气选择性不够理想和抗硫性能不足等问题。为了进一步提高Cu-SSZ-13分子筛催化剂的脱硝性能,可采用添加过渡金属的方法来改性Cu-SSZ-13分子筛催化剂。本文对过渡金属改性的Cu-SSZ-13分子筛催化剂的研究进展进行了系统的梳理,重点对Fe改性Cu-SSZ-13分子筛催化剂的几种制备方法进行了归纳,分别对离子交换法、浸渍法和一步水热合成法进行了介绍,对几种常见的不同过渡金属(Fe、Mn、Nb、Co、Ni、Ti、Zn)改性的Cu-SSZ-13分子筛催化剂脱硝性能的差别和原因进行了分析和讨论。最后对过渡金属改性的Cu-SSZ-13分子筛脱硝催化剂的研究重点和发展前景进行了展望,指出过渡金属在Cu-SSZ-13分子筛中的具体存在形式、落位情况、协同作用机制等方面的研究有待进一步深入开展。

    材料科学与技术
    改性纳米零价铁材料制备的研究进展
    杨竞莹, 施万胜, 黄振兴, 谢利娟, 赵明星, 阮文权
    化工进展. 2023, 42(6):  2975-2986.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1395
    摘要 ( 148 )   HTML ( 9 )   PDF (3141KB) ( 106 )  
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    纳米零价铁(nZVI)是一种具有发展潜力的材料,但是过高的活性导致其易在空气、水中腐蚀,形成的钝化层覆盖在颗粒表面使得活性位点减少。研究表明,对nZVI进行改性可减少其氧化、钝化、团聚等问题。本文主要介绍了包覆、负载、双金属、硫化四种改性方式,探讨改性后nZVI性能强化机制,分析在应用中存在的问题,并提出相关建议。通过多种改性方式制备的nZVI复合材料,不仅能够减缓nZVI的团聚,提高对目标污染物的处理效果,而且能减弱nZVI的生物毒性。纳米颗粒的尺寸、改性材料的稳定性等问题是未来研究的重点内容之一。

    EVA及其改性聚合物在原油降凝剂领域的应用
    孙征楠, 李洪晶, 荆国林, 张福宁, 颜飚, 刘晓燕
    化工进展. 2023, 42(6):  2987-2998.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1445
    摘要 ( 138 )   HTML ( 3 )   PDF (3799KB) ( 96 )  
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    乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)是商业化应用最为广泛的一种聚合物型降凝剂,能通过改变蜡晶结晶过程分散蜡晶,有效抑制蜡晶三维网状结构的形成,改善蜡油的低温流动性。因此,对EVA降凝剂在原油降凝领域应用的研究具有深远意义。本文综述了近年来EVA及其改性聚合物在改善含蜡原油低温流动性问题的研究和应用进展,介绍了EVA降凝剂及对其进行化学、纳米杂化、协同改性后的作用效果,同时对降凝机理及影响因素等方面进行了阐述。相较于传统的EVA降凝剂,经化学改性、纳米杂化、协同改性后的降凝剂能进一步改变蜡晶的形貌结构和分散蜡晶,从而显著提升对原油的降凝降黏效果。随着长距离管道输送的兴起,抗重复加热性和抗剪切性依然是制约降凝剂实际应用的重要因素,因此纳米杂化改性EVA仍然是今后主要的研究方向。

    超疏水涂层在防腐阻垢领域研究进展
    刘战剑, 付雨欣, 任丽娜, 张曦光, 袁中涛, 杨楠, 汪怀远
    化工进展. 2023, 42(6):  2999-3011.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1421
    摘要 ( 169 )   HTML ( 11 )   PDF (7541KB) ( 147 )  
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    近年来,超疏水涂层在防腐阻垢领域的研究应用受到了广泛的关注。本文以超疏水表面的基本原理为切入点,简单介绍了Young模型、Wenzel模型和Cassie­Baxter模型,通过综合分析得出了制备人工超疏水表面的两个关键条件——纳微多级结构和低表面能。随后又详细地阐述了超疏水涂层防腐阻垢的相关机理:①特殊纳微结构截留的空气层可以有效地隔绝腐蚀环境并且影响结垢的生长形态;②极低的表面能可以极大降低腐蚀介质和结垢离子的黏附强度。在此基础上,综述了近年来超疏水涂层在防腐阻垢领域的研究进展,针对各项研究成果的原理及其优势进行了总结,并进一步指出了超疏水涂层在实际应用中所面临的问题,包括制备方法复杂、机械耐久性差、化学稳定性不足等。最后,从涂层材料的选取、制备工艺的改进、评价体系的完善等方面对超疏水涂层未来的发展方向进行了展望。

    氧化石墨烯/碳纳米管对几种典型高分子材料的性能影响
    许春树, 姚庆达, 梁永贤, 周华龙
    化工进展. 2023, 42(6):  3012-3028.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1442
    摘要 ( 126 )   HTML ( 4 )   PDF (9050KB) ( 81 )  
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    氧化石墨烯/碳纳米管(GO/CNTs)作为理想的碳纳米材料,拥有独特三维空间结构和巨大的比表面积,被广泛应用于增强高分子材料,可提升复合材料物理力学性能、稳定性,并赋予复合材料优异的导热、导电、动态力学等性能。本文介绍了常用于制备GO/CNTs基的制备方法,重点对比了铸层/涂覆法、真空抽滤法、共混法制备复合材料的微观形貌与优缺点,探讨了结构控制与GO/CNTs基复合材料性能的关系,详细介绍了GO的改性、CNTs的改性和GO/CNTs的掺杂与高分子材料的相容性,并对其在环氧树脂、橡胶、可生物降解聚合物的应用进行了分析,探究GO/CNTs对复合材料物理力学性能和功能性的影响,最后总结了GO/CNTs改性高分子材料的技术优势及目前存在的问题,展望未来发展方向,以期对GO/CNTs改性环氧树脂、橡胶等高分子材料制备高附加值产品提供参考。

    金属有机框架材料用于海水提铀的研究进展
    朱雅静, 徐岩, 简美鹏, 李海燕, 王崇臣
    化工进展. 2023, 42(6):  3029-3048.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1434
    摘要 ( 178 )   HTML ( 19 )   PDF (12324KB) ( 108 )  
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    随着核能需求的增加,从海水中提取铀作为传统铀资源的补充或替代具有重要意义。金属有机框架材料(MOFs)具有高的比表面积和可调控的孔结构,作为一种新兴的除铀吸附剂,在学术界已引起了广泛关注。针对MOFs在海水中吸附铀时存在的水稳定差、选择吸附性差和分离困难等关键问题,研究发现可以通过定向官能化改性和与异相材料复合来提高海水提铀性能。本文简要介绍了MOFs材料在水中提取铀的结构优势,分析了水稳定性的影响因素,列举了具有代表性的三类高水稳定性MOFs材料特性,重点总结了该三类MOFs应用于海水中提取铀的性能以及机制研究,同时比较了原始MOFs、表面官能化MOFs和MOFs复合材料的提铀性能。基于MOFs的结构特征与对铀酰离子的吸附作用机制,得出除铀MOFs吸附剂的未来发展方向是提高水体稳定性、进行MOFs表面功能化以及拓展多种材料复合方式。

    基于钙钛矿氧化物的金属纳米粒子溶出策略:溶出过程、驱动力及控制策略
    董晓珊, 王建, 林法伟, 颜蓓蓓, 陈冠益
    化工进展. 2023, 42(6):  3049-3065.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1418
    摘要 ( 125 )   HTML ( 6 )   PDF (6965KB) ( 92 )  
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    负载型金属纳米粒子已广泛应用在与能量转化及储存相关的催化过程。但是,浸渍、沉积法制备的金属纳米粒子尺寸和分布难以控制,在应用中易因烧结、积炭等问题失活。溶出策略制备的金属纳米粒子镶嵌在母体表面,尺寸均匀,具有更强的金属-载体作用,为解决上述问题提供了一条可行之路。本文从钙钛矿的溶出现象出发,综述了金属纳米粒子的溶出过程及其应用优势,并介绍了氧空位、相变和吉布斯自由能在溶出中的驱动作用。然后,从材料自身特性和还原条件阐明了溶出控制策略。最后总结了溶出型催化剂的应用进展。然而,在金属粒子溶出机制、性质调控方面,仍需结合原位技术和理论计算进行深入研究。

    过渡金属Co3O4/ZnO-ZIF氧还原催化剂Co/Zn-ZIF模板法制备及其产电性能
    蒋博龙, 崔艳艳, 史顺杰, 常嘉城, 姜楠, 谭伟强
    化工进展. 2023, 42(6):  3066-3076.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1534
    摘要 ( 127 )   HTML ( 4 )   PDF (7816KB) ( 86 )  
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    开发高效、低成本的微生物燃料电池(MFC)阴极催化剂是目前最迫切需要的。本文选用晶体结构相似的ZIF-8与ZIF-67进行复合,制备了双金属叶片结构Co/Zn-ZIF前体材料,并以此为模板和N、C源,制备了Co3O4/ZnO(x)-ZIF阴极催化剂。研究了Co含量(x)对催化剂结构、氧还原(ORR)性能及MFC产电性能的影响。结果表明,在Co3O4/ZnO(x)-ZIF催化剂中,Co3O4/ZnO(2)-ZIF的性能最佳。各催化剂作为阴极的MFC输出电压大小依次为Pt/C(0.58V)>Co3O4/ZnO(2)-ZIF(0.52V)>Co3O4/ZnO(3)-ZIF(0.43V)> Co3O4/ZnO(1)-ZIF(0.39V)。以Co3O4/ZnO(2)-ZIF为阴极催化剂的MFC最大功率密度和化学需氧量(COD)去除率分别为741.1mW/m2和96.1%,接近商用Pt/C的最大功率密度(848.1mW/m2)和化学需氧量(COD)去除率(96.9%)的性能。这归因于其高的吡啶N含量和适宜的孔结构和Co/Zn比值。此外,Co3O4/ZnO(2)-ZIF遵循四电子转移路径,在30天的操作中其产电性能未见明显下降,表现出优异的稳定性。

    生物油分级多孔碳超级电容器电极材料的制备及性能
    朱薇, 齐鹏刚, 苏银海, 张书平, 熊源泉
    化工进展. 2023, 42(6):  3077-3086.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1517
    摘要 ( 123 )   HTML ( 4 )   PDF (6517KB) ( 72 )  
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    以稻壳生物油为碳源,氯化镁(MgCl2)为模板剂,采用草酸钾(K2C2O4)活化制备分级多孔碳(BOCs),研究了工艺参数对多孔碳物理化学特性的影响,并测试其电化学性能。结果表明,K2C2O4作为活化剂可对碳骨架产生蚀刻效果,大幅增加碳的孔隙结构;MgCl2作为模板可以改善活化效果并提高介孔率。最佳工艺参数下制得的BOC-3具备高比表面积(1961.1m2/g)、高介孔率(47.25%)、高含氧量(15.0%,原子分数)的特点和三维泡沫结构。得益于这些特性的多重协同效应,BOC-3的质量比电容可达280F/g,5000次循环充放电后比电容保持率仍达到94.8%,具有优异的倍率性能和循环稳定性。本研究表明以MgCl2为模板结合K2C2O4进行活化的工艺,可作为从生物油制备高性能超级电容器用分级多孔碳的有效途径,有利于实现生物油的高价值利用。

    木质素-聚苯胺复合材料的制备及对刚果红的吸附
    任建鹏, 吴彩文, 刘慧君, 吴文娟
    化工进展. 2023, 42(6):  3087-3096.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1441
    摘要 ( 112 )   HTML ( 5 )   PDF (7156KB) ( 69 )  
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    以木质素磺酸盐(Lig)为原料,采用化学聚合法与聚苯胺(PANI)复合制备出木质素/聚苯胺(Lig/PANI)复合材料。利用扫描电子显微镜、透射电镜、红外光谱等手段对材料的形貌、结构进行了表征,并研究了复合材料对刚果红(CR)的吸附性能,探究了吸附剂用量、染料初始浓度和吸附时间等因素对吸附性能的影响。结果表明,在20mg的吸附剂用量和350mg/L的起始浓度下,刚果红在200min内的吸附效果最佳,最高吸附量为431.17mg/g。该吸附过程遵循Freundlich吸附模型和准二级吸附动力模型,以化学吸附为主,属于多分子层吸附。刚果红的吸附机制主要存在着静电吸引、孔隙吸附,且吸附过程中存在电子的转移,内扩散模型表明粒子内扩散不是控制吸附速率的唯一因素;整个吸附过程是熵增、自发进行的。

    一种具有聚集诱导发光效应有机荧光小分子的设计合成及功能应用
    张芳, 郭鹍鹏, 梁春平, 尤雪瑞, 张志超
    化工进展. 2023, 42(6):  3097-3104.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1419
    摘要 ( 105 )   HTML ( 5 )   PDF (3173KB) ( 93 )  
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    有机荧光分子因其荧光性质稳定、结构易调控、成本低廉等优势吸引了众多学者的关注。为了获得具有优异性能的功能性有机荧光小分子,通过调控分子结构,利用Suzuki反应合成了一个具有聚集诱导发光效应的A-D-A型多功能有机荧光小分子APAD。通过理论计算对分子结构、能级以及电势差分布情况进行表征,表明该分子存在分子内电荷转移效应。电化学等分析手段进一步分析了其能级结构。聚集态发光性能研究表明,该分子具有典型的聚集诱导发光效应。最后,利用APAD的分子发光特性对其应用性进行了研究,发现APAD不仅可以作为有机荧光探针实现对有害物质水合肼的实时检测,并具有较高的选择性、抗干扰性,且检测限低至3.2×10-7mol/L,还可以利用其荧光性能对温度的依赖性制备荧光温度计。

    刺激响应性聚集诱导发光凝胶因子的设计、合成及性能
    裴强, 胡文静, 聂丽珠, 史亚楠, 丁爱祥
    化工进展. 2023, 42(6):  3105-3113.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1471
    摘要 ( 101 )   HTML ( 3 )   PDF (4667KB) ( 80 )  
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    与聚合物凝胶相比,有机小分子凝胶易于化学改性,具有更好的刺激响应,在众多领域显示出巨大的应用潜力。本文以没食子酸、单羧基四苯乙烯为基本原料,合成得到一种兼具聚集诱导发光性质和还原刺激响应性凝胶因子G1。凝胶因子G1能在环己烷和二甲基亚砜(DMSO)中自组装形成凝胶,临界成胶浓度分别为5.6mg/mL和16.7mg/mL。紫外光谱、荧光光谱、红外光谱、变温核磁、X射线衍射(XRD)研究结果表明,π-π堆积和氢键作用是凝胶因子G1 形成凝胶的主要驱动力。此外,接触角研究结果表明,凝胶因子G1在DMSO中形成的干凝胶薄膜的接触角高达137°,表明其具有较强的疏水性,在刺激响应性荧光疏水材料领域有着潜在的应用价值。

    ZnO量子点水性喷墨荧光墨水制备及性能
    徐国彬, 刘洪豪, 李洁, 郭家奇, 王琪
    化工进展. 2023, 42(6):  3114-3122.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1537
    摘要 ( 105 )   HTML ( 10 )   PDF (4290KB) ( 58 )  
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    以氧化锌量子点(ZnO QDs)为荧光颜料,水为溶剂,聚乙二醇(PEG)为成膜物质合成ZnO QDs水性喷墨荧光墨水,通过分析墨水黏度、表面张力、适印性参数Z值与荧光强度,探究PEG浓度对墨水流变性与荧光性能的影响,获得墨水最佳配方。结果表明,ZnO QDs添加量为30mg/mL,PEG水溶液体积分数为40%时,墨水荧光强度最佳;黏度为7.56mPa·s,表面张力为51.95mN/m,Z值为6.77,满足喷墨印刷墨水的质量指标;接触角为58.71°,无咖啡环现象,附着性能良好。所制备墨水可结合二维码技术、荧光猝灭方案、组合印刷方式实现多重防伪效果,具有实际应用价值。

    含Gemini离子液体低共熔溶剂热力学性质
    杨许召, 李庆, 袁康康, 张盈盈, 韩敬莉, 吴诗德
    化工进展. 2023, 42(6):  3123-3129.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1410
    摘要 ( 106 )   HTML ( 4 )   PDF (1772KB) ( 55 )  
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    以1-甲基咪唑、1,3-二溴丙烷为原料合成Gemini离子液体1,1'-(1,3-三亚甲基)双-3-甲基咪唑二溴盐[C3(MIM)2Br2],并以不同C3(MIM)2Br2与乙二醇组成制备了一系列低共熔溶剂。熔点测试结果显示,所有的低共熔溶剂的熔点均低于-90℃,远低于C3(MIM)2Br2和乙二醇的熔点,且随着乙二醇组成的增大而降低。在288.15~323.15K条件下对该低共熔溶剂的密度、黏度、电导率、比热容等热力学性质进行了测定,结果表明,密度和黏度会随着温度的升高而降低,电导率与比热容则随着温度的升高而升高。随着乙二醇物质的量的升高,密度和黏度减小,电导率和比热容增大。密度、比热容随温度变化的线性方程的相关系数大于0.99。用VFT经验方程对黏度和电导率随温度的变化进行了拟合,结果表明,黏度与电导率的相关系数均大于0.999。

    磁性PASP/PAM半互穿水凝胶的制备及性能
    冯琬淇, 哈尼夏·巴合提null, 葛雨璇, 赵俭波
    化工进展. 2023, 42(6):  3130-3137.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1477
    摘要 ( 97 )   HTML ( 3 )   PDF (4602KB) ( 64 )  
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    以聚天冬氨酸(PASP)和聚丙烯酰胺(PAM)为原料,利用原位共沉淀法并结合半互穿技术在水凝胶上负载纳米Fe3O4粒子,制备磁性 PASP/PAM 半互穿水凝胶,采用红外光谱(FTIR)、热重分析(TG)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱仪(EDS)等对水凝胶进行表征,并测试了水凝胶的磁学性能、磁响应时间、溶胀性能及温度敏感性。结果表明:所制备的磁性PASP/PAM水凝胶具有优异的热稳定性,纳米Fe3O4粒子呈现球状,粒径约18nm,且分散得比较均匀。磁滞回线整体呈“S”形,最大饱和磁强度为0.35emu/g(1emu/g=1A·m2/kg),且具有超顺磁性,磁响应时间表明Fe3O4的浓度以1.0mol/L为宜。纳米Fe3O4浓度1.5mol/L和0.5mol/L时平衡溶胀率分别为38g/g和47g/g,且温度低于45℃时,磁性水凝胶的溶胀率会出现温度敏感性和正向的特征。

    pH响应性木质素水凝胶的制备及药物控释
    于丁一, 李圆圆, 王晨钰, 纪永升
    化工进展. 2023, 42(6):  3138-3146.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0074
    摘要 ( 133 )   HTML ( 8 )   PDF (4785KB) ( 71 )  
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    以从松木提取的水溶性碱木质素(AL)为原料,利用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵对AL进行季铵化改性,成功制备一种阴阳离子两性木质素(AML-45)。在8g/L NaOH、12g/L尿素和-10℃环境中对AML-45进行活化,活化后在碱性介质中与聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)共聚合成制备木质素基pH响应性水凝胶。通过傅里叶红外光谱仪和激光粒度分析仪(DLS)等对AML-45和AML-45基水凝胶结构进行表征,利用扫描电子显微镜对木质素基水凝胶的形貌特征进行表征,研究该水凝胶在不同pH的PBS缓冲溶液中的溶胀行为。结果显示,水凝胶具有明显的pH响应性,在酸性范围内,当pH为4时溶胀率最低为260%,pH为7.4时最高可达到330%。此外,水凝胶的溶胀率与AML-45浓度、交联剂PEGDGE用量和反应环境pH有关。以5-氟尿嘧啶作为模型药物,探讨其在酸性范围内(pH=2~7.4)缓冲介质中药物释放行为。在30h内,负载药物后的水凝胶在缓冲溶液(pH=7.4)中的药物累积释放量可达78%,高于酸性缓冲环境(pH=4)的62%和(pH=2)69%药物累积释放量,故此水凝胶有明显的药物缓释作用。

    不同裂缝损伤和愈合温度条件下沥青自愈合行为的分子模拟
    赵毅, 杨臻, 张新为, 王刚, 杨旋
    化工进展. 2023, 42(6):  3147-3156.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1520
    摘要 ( 106 )   HTML ( 2 )   PDF (3660KB) ( 121 )  
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    为研究在不同裂缝损伤和愈合温度条件下沥青的自愈合行为,通过分子动力学(MD)方法构建沥青分子模型,模拟70#基质沥青在温度313~333K、裂缝宽度10~50Å(1Å=0.1nm)条件下的自愈合行为,从沥青分子模型的密度、径向分布函数、玻璃化转变温度、内聚能密度以及溶解度参数验证了沥青分子模型的合理性;从定性(密度、均方位移)和定量(扩散系数、内聚能密度和自由体积分数)两个方面评价了沥青分子模型的自愈合性能。结果表明,自愈合温度为313~333K时,不同裂缝宽度的愈合模型内聚能密度波动范围在0.2%~3%,表明沥青分子的自愈合对该温度区间的温度变化不敏感;沥青分子模型裂缝宽度为30Å时,模型的愈合过程明显,且愈合效果也最好,推荐采用30Å作为70#基质沥青愈合模型的裂缝宽度。

    计算机模拟辅助特丁津分子印迹聚合物的制备及应用
    杨发容, 顾丽莉, 刘洋, 李伟雪, 蔡洁云, 王惠平
    化工进展. 2023, 42(6):  3157-3166.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1404
    摘要 ( 101 )   HTML ( 4 )   PDF (3851KB) ( 70 )  
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    建立了烟叶中两种三嗪类除草剂残留的分子印迹固相萃取-高效液相色谱(MISPE-HPLC)检测方法。利用计算机模拟技术筛选最佳功能单体,确定模板(TER)与单体(AA)的最优结合比例,以模拟结果为依据,采用沉淀聚合制备了特丁津分子印迹聚合物。对比了计算机模拟复合物与实验制备的TER-MIPs红外光谱图,分析表明,两者的主要吸收基团出峰位置一致。考察了MIPs对模板分子的吸附性能,结果显示,MIPs对TER及其结构类似物具有良好的特异性吸附能力。将TER-MIPs作为固相萃取填料,制备TER-MISPE柱对加标烟叶进行前处理,用高效液相色谱(HPLC)分析前处理液。结果表明,MISPE对特丁津及特丁通的富集效果较好,两种三嗪类除草剂的回收率为84.29%~96.64%,RSD为1.19%~1.70%(n=3),该方法满足烟叶中特丁津及特丁通两种三嗪类农药残留的同时检测,为烟叶及复杂基质农作物中三嗪类除草剂的分析检测提供了支撑。

    生物与医药化工
    以级联反应为基础的多酶共固定载体研究进展
    张耀丹, 孙若溪, 陈鹏程
    化工进展. 2023, 42(6):  3167-3176.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1431
    摘要 ( 151 )   HTML ( 5 )   PDF (2200KB) ( 176 )  
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    多酶共固定体系以级联反应体系为基础,将两种或两种以上的酶固定在同一载体上,具有较高的原子经济性和可持续利用性,已成为材料科学、生命科学、生物医药等多种领域的研究热点。选择适宜的载体材料是提高多酶共固定体系催化效率最基本也是最重要的途径。本文以葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶构建的级联反应作为研究对象,分别从随机固定、分区域固定以及定向固定这三种不同的载体和酶之间的作用形式入手,概述了目前用于多酶共固定体系的载体研究进展。最后分析了多酶共固定领域目前存在的局限和挑战,以期为更多多酶共固定体系提供研究思路。

    基于卡尔曼滤波算法的葡萄糖酶生物传感器高精度检测方法
    秦凯, 杨仕林, 李俊, 储震宇, 薄翠梅
    化工进展. 2023, 42(6):  3177-3186.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1506
    摘要 ( 111 )   HTML ( 1 )   PDF (5632KB) ( 149 )  
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    发酵过程关键底物葡萄糖的原位在线检测对提高发酵效率,实时评估发酵状态有着关键作用,目前传统离线检测存在操作复杂、误差大、滞后时间长等问题,难以满足发酵过程浓度反馈控制需求。针对发酵过程葡萄糖在线精准、宽范围检测问题,本文基于自制葡萄糖酶生物传感器提出一种自适应卡尔曼滤波高精度检测方法。首先搭建检测模块,建立浓度响应特征方程进行定标,提出自动调整进样量策略实现宽范围浓度下的高精度检测。分析10-6级电流采集过程中噪声干扰特性,高浓度检测下结合移动平均滤波算法,分区段进一步提取噪声下的有效信号。基于自制在线检测仪器进行乙醇发酵实验,与商用检测仪器SENSEP进行对比,实验结果表明在宽范围浓度检测下(1~180g/L)误差均小于2%,实现了发酵过程中葡萄糖浓度的高精度检测。

    精细化工
    新型淀粉基高吸水树脂抑尘剂的制备及其应用
    杨家添, 唐金铭, 梁恣荣, 黎胤宏, 胡华宇, 陈渊
    化工进展. 2023, 42(6):  3187-3196.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1498
    摘要 ( 113 )   HTML ( 8 )   PDF (3610KB) ( 109 )  
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    为了获得一种可工业化生产的淀粉基高吸水树脂抑尘材料,以木薯淀粉、丙烯酸为原料,过硫酸铵和亚硫酸钠为引发剂,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,在机械活化作用下一步固相法合成木薯淀粉接枝丙烯酸高吸水性树脂抑尘剂。采用黏度、吸水率为评价指标,通过单因素和正交试验获得最优制备参数。采用FTIR、XRD、SEM、13C NMR等对产品进行了结构表征和应用性能测试。结果表明,木薯淀粉成功接枝丙烯酸形成高吸水性树脂,该方法能有效地破坏淀粉颗粒结构,提高反应效率。在球磨时间3h、中和度80%、反应温度60℃、丙烯酸与淀粉摩尔比为1∶1、引发剂用量0.9g、交联剂用量0.05g、球磨介质500mL、球磨转速380r/min条件下,所合成的淀粉基抑尘剂黏度为670mPa·s,吸水率为116.21g/g,单体转化率为96.81%,接枝率为42.35%,接枝效率为81.36%。喷洒浓度2%淀粉基抑尘剂的尘样可有效延长水分蒸发时间,固化尘样颗粒,增强尘样抗破坏性能,提高抑尘效果。尘样蒸发7h后含湿率仍高达6.85%,40目以上的尘样粒径达到38.93%,风速9m/s下的抑尘率达到96.40%,抑尘效果大大优于喷洒水的尘样,证明淀粉基抑尘剂为一种绿色环保型抑尘剂。

    资源与环境化工
    资源优化配置与循环经济在钾资源开发利用中的应用
    侯殿保, 贺茂勇, 陈育刚, 杨海云, 李海民
    化工进展. 2023, 42(6):  3197-3208.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1402
    摘要 ( 142 )   HTML ( 8 )   PDF (1266KB) ( 137 )  
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    钾是植物生长的第三要素,它在植物的扩张、新陈代谢和生长中起着至关重要的作用。钾肥是粮食中的“粮食”,中国有56%的耕地处于缺钾状态,因此其稳定性供应事关粮食安全和农业安全。中国是世界第一钾盐消费大国,但是中国钾肥资源严重不足,我国70%钾肥靠进口。由于钾矿资源具有不可再生性和空间分布不均衡的特点,在日益紧张的国际形势下,合理开发利用我国的钾矿资源具有非常重要的意义。本文先对全球钾盐储量及产能现状进行了简单介绍。再针对我国钾盐开发利用过程中存在的钾盐储采比低、产品种类单一、盐田蒸发过程中钾资源损失严重等问题,综述了资源配置优化和循环经济在钾盐矿产资源开发过程中的相关研究,并对我国钾资源的高效利用和可持续发展提出了建议,为钾盐资源高质量发展提供路径。

    百万吨级CO2捕集项目亚硝胺污染物扩散健康风险评估
    陆诗建, 张媛媛, 吴文华, 杨菲, 刘玲, 康国俊, 李清方, 陈宏福, 王宁, 王风, 张娟娟
    化工进展. 2023, 42(6):  3209-3216.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0904
    摘要 ( 111 )   HTML ( 3 )   PDF (4255KB) ( 67 )  
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    有机胺排放至大气中的光化学产物包括氨气、醛类、酰胺、亚硝胺等。亚硝胺类具有致癌性,被认为是危害健康的物质,也是有机胺吸收法尾气排放大气的健康风险影响因素。针对胜利电厂200万吨/年CO2捕集工程,采用高斯模型来模拟排放吸收塔尾气扩散,研究亚硝胺随距离的排放浓度。依据美国环境保护署(EPA)健康风险评价方法,核算儿童和成人允许吸收亚硝胺的大气浓度,进行风险水平评估,确定了居民安全防护距离。针对风险控制,提出了削减塔顶亚硝胺的排放强度以及增加尾气的排放高度两种方法,研究结论表明,当亚硝胺的排放强度在吸收塔顶部削减83%时,或尾气的排放高度高于128m时,可接受的致癌风险值达到10-6的水平。

    水蒸气强化纤维素模板改性钙基吸附剂固碳性能及强度
    王久衡, 荣鼐, 刘开伟, 韩龙, 水滔滔, 吴岩, 穆正勇, 廖徐情, 孟文佳
    化工进展. 2023, 42(6):  3217-3225.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1478
    摘要 ( 116 )   HTML ( 6 )   PDF (5452KB) ( 58 )  
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    采用挤出-滚圆法制备了纤维素模板水泥支撑钙基吸附剂颗粒,基于双固定床反应器探究了煅烧时蒸汽活化对改性吸附剂的CO2捕获性能、力学性能和微观结构的影响特性。实验结果表明,在热致烧结和气氛诱导烧结共同作用下,吸附剂颗粒形成较稳定的孔隙结构,固碳量和力学强度均维持在较高水平。煅烧时通入10%(体积分数)水蒸气,含10%(质量分数)纤维素和5%(质量分数)水泥的吸附剂第20次循环CO2捕获量为0.32g/g,相比原始吸附剂(0.138g/g)和未活化的合成吸附剂(0.20g/g)分别提高了132%和60%。且活化后颗粒平均破碎强度为14.7N,比无蒸汽条件下增强约2.7倍。50次长循环测试后,其强度进一步提升至20.5N。煅烧时蒸汽活化可同时显著提升吸附剂CO2捕获量和力学性能。

    新型两相吸收剂-离子液体系统高效捕获CO2
    吕超, 张习文, 金理健, 杨林军
    化工进展. 2023, 42(6):  3226-3232.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1511
    摘要 ( 122 )   HTML ( 4 )   PDF (1709KB) ( 81 )  
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    以四甲基乙二胺(TMEDA)为分相剂,选用了乙醇胺(MEA)、羟乙基乙二胺(AEEA)、三乙烯四胺(TETA)和二乙烯三胺(DETA)四种常用于捕获CO2的一级胺与TMEDA以1∶2的质量比复配,其中TMEDA与AEEA组成的吸收剂吸收一定量的CO2后可以形成液液分相,且吸收CO2效果最佳,饱和吸收负荷可达1.620molCO2/kg。采用1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯-咪唑([DBU][Im])离子液体与TMEDA-AEEA液液两相吸收剂混合,研究[DBU][Im]离子液体对两相吸收剂吸收性能和液液分相的影响,通过碳谱核磁共振法对有机胺及CO2产物的物质分布进行分析。结果表明,向TMEDA-AEEA两相吸收剂中引入[DBU][Im]离子液体有助于提高CO2吸收负荷,[DBU][Im]离子液体、水和CO2反应产物主要分布于下液相,上液相存在TMEDA和少量[DBU][Im]离子液体。当TMEDA、AEEA、水、[DBU][Im]离子液体的质量比为10∶4∶5∶1时,该吸收剂富液相吸收负荷相比TMEDA-AEEA两相吸收剂提高了49.6%。

    污泥与煤泥混烧对重金属固留特性的影响
    郑昕, 贾里, 王彦霖, 张靖超, 陈世虎, 乔晓磊, 樊保国
    化工进展. 2023, 42(6):  3233-3241.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1489
    摘要 ( 108 )   HTML ( 1 )   PDF (4945KB) ( 57 )  
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    针对污泥与煤泥混烧时重金属(Pb、As、Cu、Cr、Cd)的迁移特性以及在混烧条件下矿物质对重金属固留效果的影响,利用电热管式炉并结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、X 射线衍射(XRD)等表征分析手段,研究不同燃烧条件下污泥与煤泥单独燃烧及多比例混烧过程。结果表明:污泥单独燃烧时,As的挥发率随温度升高而上升,Pb、Cu、Cd、Cr的挥发率在700℃时达到顶峰,在700~900℃时随着温度升高而下降。对于煤泥,Pb、Cr的挥发率随温度升高逐渐上升,Cu的挥发率随温度升高呈现先下降后上升的趋势,700℃时达到最低点,Cd的挥发率则相反。对于污泥-煤泥耦合燃烧过程,污泥-煤泥在5∶5掺混比条件下重金属固留率相比于2∶8及8∶2掺混比条件有所提升,5∶5掺混比条件下900℃燃烧温度时污泥-煤泥中矿物质交互作用对Pb、As、Cu、Cr和Cd实际残留率相比理论值分别提高了148.9%、5.8%、28.6%、112%和75.7%。混烧过程中重金属的固留主要受到矿物组分之间所发生的交互作用的影响。其中,对于单组分燃烧条件,SiO2、Al2O3、Fe2O3易与重金属反应生成难挥发化合物并在灰渣中赋存;而混烧过程可以促进硅铝酸盐及含铁化合物的分解,进而在大量生成SiO2等化合物的基础上,促进重金属残留率的提升。

    准东煤/市政污泥混燃燃烧特性及灰熔融行为分析
    修浩然, 王云刚, 白彦渊, 邹立, 刘阳
    化工进展. 2023, 42(6):  3242-3252.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1494
    摘要 ( 123 )   HTML ( 3 )   PDF (2817KB) ( 96 )  
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    液态排渣是解决准东煤燃烧过程中结渣沾污问题的重要手段,而掺烧低熔点燃料可以有效降低混合燃料的灰熔点,进而提高液态排渣效率。本文将高活性污泥与准东煤进行掺混,综合利用热重分析仪、灰熔点分析、傅里叶红外光谱分析和灰成分分析方法,对混合物的燃烧特性及灰熔融行为进行研究。结果表明:随着污泥掺混比例的增加,着火温度显著降低,且混合物在污泥质量占比超过20%时综合燃烧指数显著降低;燃尽温度则随污泥混合比的增加呈现出先降低后升高的趋势,且在污泥掺混质量分数为10%时达到最低。红外光谱测试结果表明,污泥的掺入促进了煤粉中羟基、脂肪族官能团、含氧官能团及芳香族官能团等官能团的热解燃烧。污泥中的Fe2O3与煤中SiO2反应生成了低熔点共熔物,使得混合燃料具有相对较低的灰熔融温度,当污泥掺混比为10%时,混合物的灰熔融温度为1080℃。综合考虑燃料燃烧稳定性和降低灰熔点,推荐污泥与准东煤的最佳掺烧比例为1∶9。

    Mn2+强化臭氧调理对生物处理工艺的污泥原位减量效果
    詹咏, 王慧, 韦婷婷, 朱星宇, 王先恺, 陈思思, 董滨
    化工进展. 2023, 42(6):  3253-3260.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1496
    摘要 ( 92 )   HTML ( 5 )   PDF (2392KB) ( 78 )  
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    剩余污泥产量大、处置难已成为我国污水处理厂普遍面临的难题,近年来,采用臭氧氧化的旁路调理实现污泥原位减量技术受到关注。本研究采用小试序批式活性污泥法(SBR)装置,对比单独臭氧氧化(O3组)与Mn2+催化臭氧氧化(O3+Mn2+组)的旁路调理,对活性污泥系统的污泥原位减量效果、出水水质及污泥特性变化的差异,以验证Mn2+催化臭氧氧化的实际应用效果。结果表明:O3+Mn2+组污泥原位减量效果优于O3组,Mn2+的添加对SBR工艺出水水质无明显负面影响,且O3+Mn2+调理后出水COD、NH4+-N、TP的去除率略高于O3组;传统SBR工艺剩余污泥表观产率系数Yobs为0.32gMLSS/gCOD,O3组下降至0.25gMLSS/gCOD,O3+Mn2+组下降至0.21gMLSS/gCOD,分别降低了21.9%和34.4%,从污泥浓度(MLSS)来看,O3+Mn2+组剩余污泥减量率为O3组的2.6倍;同时,O3+Mn2+组活性污泥的絮凝、沉降、脱水性能均进一步改善。

    SASD-A体系构建及进水不同S/N对脱氮工艺的影响机制
    李白雪, 信欣, 朱羽蒙, 刘琴, 刘鑫
    化工进展. 2023, 42(6):  3261-3271.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1448
    摘要 ( 95 )   HTML ( 1 )   PDF (2844KB) ( 54 )  
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    为了解决低碳或无机类工业废水中硝酸盐和氨氮含量高且难去除的问题,本实验采用厌氧反应器,接种普通厌氧颗粒污泥,以Na2S2O3为电子供体,通过逐渐提升进水NO3--N浓度的方式快速启动硫自养短程反硝化过程(SASD),然后,在此基础上加载附着厌氧氨氧化(Anammox)菌的填料,控制温度为(30±1)℃,经过147天的运行,构建了硫自养短程反硝化与厌氧氨氧化耦合工艺(SASD-A)。阐明了SASD和Anammox之间的相互作用和脱氮贡献率,探究了进水不同S/N(S2O32-:NO3--N)浓度比值对(SASD-A)体系脱氮效能的影响机制及微生物种群响应特性。结果表明:不同进水S/N比对SASD-A工艺脱氮性能影响明显,当进水S/N比为3/1时,NH4+-N、NO3--N和TN的去除率分别为91.49%、90.81%和91.44%。不同S/N对SASD-A耦合体系中功能菌属的相对丰度有着直接的关系,与脱氮功能相关的主要优势菌属有Limnobacter(2.85%~4.71%),Denitratisoma(1.01%~1.99%),Candidatus_Brocadia(2.28%~18.81%),norank_f_Bacteroidetes_vadinHA17(6.68%~10.81%),norank_f_PHOS-HE36 (6.93%~11.47%)等。批次实验表明,在SASD-A体系中,硫氧化菌以还原性Na2S2O3为电子供体,将其转化为S0和硫酸盐,同时将水体中硝酸盐还原为亚硝酸盐,产生的亚硝酸盐和氨氮在有厌氧氨氧化菌的作用下发生反应,生成气态氮,厌氧氨氧化在脱氮过程中占主导地位。

    羟胺对硝化菌活性及其动力学参数的影响
    曾天续, 张永显, 严渊, 刘宏, 马娇, 党鸿钟, 吴新波, 李维维, 陈永志
    化工进展. 2023, 42(6):  3272-3280.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1461
    摘要 ( 97 )   HTML ( 10 )   PDF (2491KB) ( 49 )  
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    采用序批式间歇反应器(SBR)处理模拟生活污水,研究羟胺(NH2OH)对硝化菌活性、动力学参数及其对氨氧化菌(AOB)抑制后,AOB活性恢复的影响。批次试验结果表明,当NH2OH浓度为4.5mg/L时,AOB活性最大,亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性减小,并且NO2--N氧化速率(QmaxNOB)减小至8.00mg/(L·h),NO2--N半饱和常数(KNO2NOB)增大至7.77mg/L,表明NH2OH对NOB的抑制类型为混合抑制。长期试验R1、R2以缺氧/好氧模式运行,R3以好氧/缺氧交替4次运行,R1不投加NH2OH,R2、R3投加NH2OH。结果表明,R1中全程无亚硝积累。在R2中投加4.5mg/L NH2OH,AOB活性为(6.04±0.4)mgN/(gMLVSS·h)。当NH2OH浓度为10mg/L时,AOB和NOB的活性分别下降至(0.16±0.1)mgN/(gMLVSS·h)和(0.15±0.1)mgN/(gMLVSS·h),之后在高曝气且不投加NH2OH的条件下,AOB活性在第5天恢复。在R3中投加4.5mg/L NH2OH,第7天出水NO2--N/NH4+-N为1.2。16S rRNA高通量测序表明,添加4.5mg/L NH2OH后,R2和R3中AOB、NOB的相对丰度分别为6.6%、1.3%和3.0%、1.9%,AOB菌属为Ellin6067和Nitrosomonas,NOB菌属为Unidentified Nitrospiraceae

    猪粪厌氧消化进程中重金属与腐殖质的有机结合机制
    庄捷, 薛锦辉, 赵斌成, 张文艺
    化工进展. 2023, 42(6):  3281-3291.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1519
    摘要 ( 100 )   HTML ( 6 )   PDF (3633KB) ( 48 )  
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    针对猪粪中的重金属污染问题,本文构建以猪粪/玉米秸秆为原料的厌氧消化体系,复配生物炭、腐殖酸、粉煤灰3种钝化剂,使用有机碳分级提取法反应最优钝化组中Cu、Zn形态动态变化过程,探索重金属与腐殖质的结合作用机制。结果表明:对Cu、Zn钝化效果影响最大的分别为腐殖酸、粉煤灰,钝化Cu、Zn最佳复合比分别为B1(腐殖酸∶粉煤灰∶生物炭比例为7.5%∶7.5%∶7.5%)、B2(5.0%∶7.5%∶7.5%)。对腐殖质进行提取发现,体系中的胡敏酸(HA)与富里酸(FA)含量的比值HA/FA呈增加趋势,消化前各处理组沼渣腐殖质中的Cu、Zn主要以FA-Cu、FA-Zn结合形式存在,消化后重金属主要与HA结合,B1、B2中HA-Zn、HA-Cu的占比明显高于对照组(CK),生物可利用性明显低于CK。比较Cu、Zn两种重金属稳定态发现:Zn转化稳定态的幅度偏小,主要是由于Zn是两性重金属,较活泼,易与小分子腐殖质FA结合,而Cu主要与大分子腐殖质HA结合,且结合更为紧密。B1、B2中重金属与腐殖质结合形态更为稳定,因此复合钝化剂可以有效降低厌氧消化进程中Cu、Zn的生物毒性。红外光谱分析发现钝化剂增加底物的芳香性,使得其更容易与重金属结合,芳香族、脂肪族化合物、蛋白质和多糖类化合物是主要的重金属结合点位。

    生物质基铁/氮共掺杂多孔炭的制备及其活化过一硫酸盐催化降解罗丹明B
    吴锋振, 刘志炜, 谢文杰, 游雅婷, 赖柔琼, 陈燕丹, 林冠烽, 卢贝丽
    化工进展. 2023, 42(6):  3292-3301.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1516
    摘要 ( 137 )   HTML ( 23 )   PDF (4941KB) ( 157 )  
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    丝瓜络具有天然的三维多孔结构,是制备生物质基杂原子掺杂多孔炭的理想前体。本文以丝瓜络为碳源、尿素为氮源、九水硫酸铁为铁源,经简单的浸渍、高温炭化,成功制备了铁/氮共掺杂多孔炭(Fe@NC),通过SEM、XRD、BET和Raman等表征结果表明:制备的铁/氮共掺杂多孔炭保持了生物质前体的多孔结构,Fe/N共掺杂有利于提高碳材料的比表面积和缺陷程度。进一步研究发现所制备的Fe@NC作为催化剂可以活化过一硫酸盐(PMS),实现罗丹明B(RhB)的有效降解,详细考察了炭化温度、PMS浓度、多孔炭投加量、溶液初始pH、阴离子和腐殖酸对RhB去除率的影响。结果表明:在优化的条件下,Fe@NC-800/PMS体系在20min内对RhB去除率达到99.9%,其反应速率常数分别为Fe@C-800/PMS、NC-800/PMS和C-800/PMS反应体系的2.5倍、12.7倍和22.7倍。抑制实验和EPR分析结果表明,Fe@NC-800/PMS体系中的主要活性物种为SO4·-、·OH和1O2,RhB的降解是通过自由基和非自由基途径协同作用实现的。此外,循环实验表明Fe@NC-800具有良好的重复利用性,且能够有效抑制金属浸出。

    高铁酸盐处理难降解有机物磺化酚醛树脂
    杨红梅, 高涛, 鱼涛, 屈撑囤, 高家朋
    化工进展. 2023, 42(6):  3302-3308.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1485
    摘要 ( 117 )   HTML ( 6 )   PDF (4126KB) ( 70 )  
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    采用高铁酸盐处理难降解有机物磺化酚醛树脂(SMP),研究了各影响因素对SMP的CODCr去除率的影响,确定了最佳条件,当SMP初始浓度为0.05%(质量分数)时,高铁酸盐投量为1.2g/L、反应体系pH为13、反应2h,SMP的CODCr去除率为79.4%。高铁酸盐的投量对SMP的CODCr去除率有很大的影响,不同浓度的SMP应当选择不同的高铁酸盐投量。絮凝作用对SMP的去除效果占总去除率一定比例,但SMP的去除仍以氧化作用为主。结合紫外-可见分光光度法(UV-Vis)、凝胶渗透色谱(GPC)和气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析可以断定SMP分子结构中磺甲基结构基本完全降解,SMP的大分子主链发生断裂生成分子量为1300左右的带有苯环结构的物质,当主链降解到一定程度后,苯环结构开始被氧化发生开环反应,生成烃类小分子有机物,最终氧化成 CO2 和 H2O。

    原位热解对油页岩物性及地下水水质影响探索
    李若琳, 何少林, 苑宏英, 刘伯约, 纪冬丽, 宋阳, 刘博, 余绩庆, 徐英俊
    化工进展. 2023, 42(6):  3309-3318.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1394
    摘要 ( 98 )   HTML ( 5 )   PDF (5211KB) ( 65 )  
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    油页岩原位热解开采后,其岩性和组分会发生显著变化,地下水入侵采矿区会导致水质的污染。因此本文针对不同热解温度下油页岩半焦释放重金属和可萃取石油类物质对地下水水质的影响进行了探索。选取两组油页岩制成粒径≤2mm的样品,进行100~500℃常压热解半焦物性表征实验,研究测定了油页岩热解前后的比表面积、油页岩微观结构、元素含量占比变化,同时将热解半焦进行浸泡实验,检测水样中重金属Fe、Mn、Cr含量,最高浓度可达到9.07mg/L、5.26mg/L、0.053mg/L,超出地下水质量标准(GB/T 14848—2017)Ⅴ类水标准。分析表明,重金属元素超标主要为热解后油页岩中的矿物成分浸入水中所致,与油页岩热解后物性变化相关。同时发现,可萃取石油类物质对地下水的影响在热解温度为400℃时达到最大。

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