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1. 工业数据驱动的加氢裂化装置多工况切换过渡状态检测
曹跃, 余冲, 李智, 杨明磊
化工学报    2023, 74 (9): 3841-3854.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230729
摘要3425)   HTML16)    PDF(pc) (3390KB)(287)    收藏

加氢裂化装置运行工况众多且切换频繁,而不同稳定的工况间切换必然存在过渡状态,可能会引起装置运行状态波动,甚至引发事故。通常,操作员会基于专家经验判断装置当前处于稳定或过渡状态,分别采取相应的监控和调整策略。然而,人工判断具有个体差异、经验积累周期长等不足,可能导致过渡状态判断不够准确,故提出一种加氢裂化装置多工况切换过渡状态检测方法,首先,结合工业大数据和装置过程机理,针对工业采集数据运用了小波降噪和平滑,再利用相关分析法和主元分析(principal component analysis,PCA)进行数据降维,剥离了相关性强的变量所带来的额外计算成本和信息干扰,将滑动窗拆分并计算移动方差,再与K-means(K均值)聚类相结合,实现了加氢裂化装置的过渡态检测。最后,与经典K-means聚类和层次聚类方法进行对比验证,证明了所提方法具有更好检测能力。

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2. 电化学脱盐机理及相关研究进展
齐元帅, 彭文朝, 李阳, 张凤宝, 范晓彬
化工学报    2024, 75 (1): 171-189.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230661
摘要823)   HTML172)    PDF(pc) (8203KB)(1047)    收藏

电化学脱盐技术通过可逆的电化学过程实现离子固定化,是一种很有前途的节能水处理技术。有关脱盐机理的研究有助于深入了解离子传输和去除特性,进而为材料和电池的设计提供理论支持。根据电化学基本原理,可以将电化学脱盐机理分为电吸附机理与电荷转移机理两大类,后者包括氧化还原活性导电聚合物、离子插入(或插层)反应、转化反应以及氧化还原活性电解质。先进表征技术(包括原位X射线技术、原位波谱技术以及其他技术)和计算机建模与仿真(包括分子动力学模拟、密度泛函理论、有限元分析)在机理分析中起到关键作用。

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3. 喷雾冷却换热强化研究进展及影响因素
陈天华, 刘兆轩, 韩群, 张程宾, 李文明
化工学报    2023, 74 (8): 3149-3170.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230151
摘要500)   HTML62)    PDF(pc) (10246KB)(289)    收藏

喷雾冷却是一种高效的散热手段,广泛应用于高热通量电子元器件的热管理。近年来,喷雾冷却引起了极大的关注,其换热能力得到了显著的提升。特别地,新型微纳米表面的开发极大地促进了喷雾冷却传热的发展,丰富了喷雾传热强化的机理研究。因此,本文全面系统地总结了喷雾冷却的最新研究成果,讨论了喷雾换热的强化机理,从传热表面特性,工作介质以及喷嘴参数等多个方面讨论了喷雾冷却换热的关键影响因素。最后,进一步探讨了喷雾冷却抑制Leidenfrost现象的机制,并对喷雾冷却未来研究方向进行了展望。

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4. 化学链制化学品工艺及循环材料研究进展
张榕江, 张博, 刘根, 杨伯伦, 吴志强
化工学报    2023, 74 (10): 3979-3994.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230739
摘要417)   HTML67)    PDF(pc) (4349KB)(402)    收藏

化学链技术在化学品生产过程强化方面表现出极大潜力,相较于传统工艺可提高㶲效率并降低碳排放。综述了目前常见的化学链制化学品工艺,主要包括化学链重整/部分氧化制合成气和氢气、低碳烷烃化学链氧化脱氢/选择性氢燃烧制烯烃、甲烷化学链氧化偶联制乙烯、甲烷化学链脱氢芳构化制苯、化学链选择性氧化制含氧有机化合物(如甲醇、环氧乙烷和甲酸等)。深入理解载氧体理化性质与化学链反应性能间的构效关系有助于实现载氧体理性设计。目前在载氧体设计方面已具备坚实的理论基础,从利用氧化物的热力学平衡氧分压筛选载氧体活性组分,到基于表面工程策略调控晶格氧释放动力学,再到通过合理构建结构和电子描述符,深入剖析载氧体性能强化策略。实验和密度泛函理论(DFT)计算数据驱动的可解释机器学习可实现载氧体的高通量筛选,极大拓宽了载氧体筛选范围,并降低试错成本。随着化学链技术的发展,载氧体这一概念可被进一步拓展至循环材料,如载氮体和载氯体等。光/电驱动的化学链过程为在低温或室温下实现高附加值产物的合成提供了新思路,拓宽了化学链技术的应用范围。此外,化学链技术还可用于共沸有机物分离过程强化,对低成本、低污染和低排放分离过程的开发具有重要意义。

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5. 基于离子液体的纤维素均相加工研究进展
车睿敏, 郑文秋, 王小宇, 李鑫, 许凤
化工学报    2023, 74 (9): 3615-3627.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230529
摘要398)   HTML72)    PDF(pc) (3441KB)(342)    收藏

纤维素是自然界中储量最丰富的可再生资源,是制备经济可持续聚合物的理想材料。由于天然纤维素具有高度结晶的聚集态结构及分子链间致密的氢键网络,导致其溶解与加工困难,功能化应用受到了极大限制。近年来,离子液体作为新型绿色纤维素溶剂体系蓬勃发展,为纤维素均相加工与高效利用提供了崭新的平台。从离子液体种类、特性及溶解纤维素能力,基于“溶解再生”与“均相衍生”构建纤维素材料等方面综述了近年来纤维素在离子液体中均相加工的最新研究进展,为未来纤维素资源的绿色高值转化提供参考。

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6. 钙基催化剂的设计合成及应用研究进展
涂玉明, 邵高燕, 陈健杰, 刘凤, 田世超, 周智勇, 任钟旗
化工学报    2023, 74 (7): 2717-2734.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230193
摘要373)   HTML43)    PDF(pc) (4353KB)(277)    收藏

钙基催化剂是以钙氧化物为金属活性位点的固体碱催化剂,具有绿色高效、廉价易得等优点,有较好的催化性能,可广泛应用于生物柴油制备、废水处理和焦油裂解重整等领域,已受到国内外研究者们越来越广泛的关注。主要介绍了钙基催化剂类型、应用研究现状及作用机理,概述了其在各个领域的研究进展,分析归纳了钙基催化剂设计合成思路的历程和趋势:从CaO、Ca(OH)2等天然钙基催化剂到主动设计合成的负载型含Ca催化剂,指出了稳定高效钙基催化剂的设计合成是其实现进一步发展的关键。最后对钙基催化剂研究进展进行归纳总结,并对其未来发展及应用前景进行了展望。

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7. 碳基催化材料在电化学还原二氧化碳中的研究进展
张琦钰, 高利军, 苏宇航, 马晓博, 王翊丞, 张亚婷, 胡超
化工学报    2023, 74 (7): 2753-2772.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230174
摘要333)   HTML31)    PDF(pc) (8041KB)(277)    收藏

利用电化学还原技术将二氧化碳(CO2)转化为高能燃料或高值化学品是提升CO2利用附加值、缓解CO2排放压力的有效途径,也是风电、水电和太阳能等绿色能源的转化与存储方式之一,对间歇性电能“削峰填谷”意义重大。实现高效电化学还原CO2的关键之一在于创制高性能的电催化材料。综述了碳基催化材料在电化学还原CO2方面的研究进展,系统探讨了本征缺陷碳材料、掺杂碳材料、碳基复合材料和整体式碳材料的结构特点以及与电催化还原CO2性能的构效关系,并在此基础之上,展望了碳基催化材料在电化学还原CO2领域中的挑战和未来发展。

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8. 基于天然生物模板构建纳米材料及集成催化剂研究进展
余娅洁, 李静茹, 周树锋, 李清彪, 詹国武
化工学报    2023, 74 (7): 2735-2752.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230456
摘要322)   HTML36)    PDF(pc) (8636KB)(269)    收藏

新型纳米催化材料的设计、制备与应用是近年来催化领域的研究热点之一。具有复杂精细分级结构的生物模板在自然界中普遍存在,可作为软模板、硬模板或载体制备高连通性多级孔纳米材料,且通过制备条件参数的调控,其既能保留生物模板的宏观形貌和微纳结构,又能将生物模板原先的化学组成置换或负载所需催化组分(金属、金属氧化物、分子筛等),为纳米材料和集成催化剂的设计提供了新思路。而该类集成催化材料的“多层次空间结构”是现有制备技术很难获得的或者所需制备流程相对烦琐。本文从几种不同来源的典型生物模板出发,介绍了基于生物模板构建纳米材料及集成催化剂的方法,总结了该类集成纳米材料在催化领域的研究现状与应用实例,并对未来采用生物模板制备多化学组成的集成催化剂进行了展望。

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9. 中高温钙基材料热化学储热的研究进展与展望
郑玉圆, 葛志伟, 韩翔宇, 王亮, 陈海生
化工学报    2023, 74 (8): 3171-3192.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230338
摘要310)   HTML60)    PDF(pc) (11443KB)(215)    收藏

热化学储热由于能量密度高,材料适宜于长时储存和远距离运输,成为高效储热新兴的研究热点。钙基材料热化学储热成本低且无毒无污染,具有广阔应用前景。总结了目前热化学储热的主要体系及分类,针对中高温钙基热化学储热技术从材料改性、反应器设计及系统集成应用三个层面的研究进展进行综述。探讨钙基热化学储热技术研究中面临的挑战与机遇,并对今后的研究与发展方向提出了建议。

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10. 流体气液临界参数测量方法研究进展
姚晓宇, 沈俊, 李健, 李振兴, 康慧芳, 唐博, 董学强, 公茂琼
化工学报    2023, 74 (5): 1847-1861.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230075
摘要298)   HTML31)    PDF(pc) (3732KB)(256)    收藏

近、超临界流体具备优良的输运和热力学性质,可广泛应用于化工、环境、机械和热能利用等领域。由于临界点附近包括流体密度在内的热物性会发生大幅改变,因此准确确定流体的临界点,包括临界温度、临界压力和临界密度数据,对指导热力循环和系统部件设计优化有重要意义。目前实验测量是获取高精度临界参数的最直接方式。本文首先概述了气液临界点理论、临界参数的研究现状及其典型应用场景;其次,综述了目前临界参数主要的测量方法,包括定容法、变容法、流动法、脉冲加热法、密度直线中径定律法、压力-体积-温度(p-V-T)关系法、准静态热分析法和物理性质法等,总结了这些方法的优缺点、适用范围、准确性和主要研究机构;最后,探讨了临界参数测量方法当前面临的挑战和未来发展趋势。

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11. 生物质快速热解下行式流化床反应器研究进展
杨峥豪, 何臻, 常玉龙, 靳紫恒, 江霞
化工学报    2023, 74 (6): 2249-2263.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230170
摘要296)   HTML24)    PDF(pc) (2291KB)(212)    收藏

在碳中和目标下,未来发展之路是从化石能源的原料体系转变到可再生能源的原料体系。作为化石资源的重要替代品,生物质是唯一能够大规模取代化石资源的可再生碳资源。生物质快速热解技术是实现生物质资源转化为液体燃料的重要途经,其技术核心是反应器。下行式循环流化床反应器具有产物停留时间短、近平推流性能等优点,在生物质快速热解方面具有广阔的应用前景。本文介绍了流化床反应器的特点及其中试和示范/商业级装置的研究现状,详细总结了下行床反应器的特点、结构、分类及流体力学特性,并分析了目前下行床反应器放大过程中的瓶颈问题以及进一步研究的方向,为推动下行床反应器在生物质快速热解工业应用提供参考。

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12. 离子液体基低共熔溶剂在转化CO2中的应用
程业品, 胡达清, 徐奕莎, 刘华彦, 卢晗锋, 崔国凯
化工学报    2023, 74 (9): 3640-3653.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230534
摘要291)   HTML18)    PDF(pc) (1395KB)(361)    收藏

CO2作为一种温室气体,是一种宝贵的C1资源,为实现“碳达峰、碳中和”战略目标,大力发展二氧化碳利用与封存技术是当务之急。离子液体是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的绿色溶剂,而低共熔溶剂是由氢键受体和氢键供体通过氢键形成的一种新型的溶剂。离子液体基低共熔溶剂不仅拥有离子液体相似的性质,如低饱和蒸气压、宽液温范围、高热化学稳定性、结构性能可调控等,还具备了低共熔溶剂的氢键特性。本文综述了离子液体基低共熔溶剂在CO2热催化、电催化、生物催化领域的应用,并分析了各种催化方式中的CO2转化机理和影响因素,展望了低共熔溶剂应用于转化CO2的前景,对目前该领域的发展所面临的主要问题和进一步的研究工作提出了建议。

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13. 耦合蒸气冷却屏的真空多层绝热结构对液氢储罐自增压过程的影响机制研究
李科, 文键, 忻碧平
化工学报    2023, 74 (9): 3786-3796.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230544
摘要280)   HTML9)    PDF(pc) (3470KB)(249)    收藏

基于MATLAB,构建了一种考虑氢储罐真空多层绝热结构、蒸气冷却屏和内部流体域的瞬态仿真模型。引入了无量纲的蒸气消耗因子ηc、休眠期延长因子ηs和单位因子ηηc代表冷却屏在储存全周期蒸气的消耗量,ηs代表采用冷却屏时休眠期相对于未采用时休眠期的延长量,ηηsηc的比值,代表冷却屏屏蔽漏热的能力。研究了冷却屏的无量纲位置、ηc、流量和开启时刻对ηsη的影响。结果表明,在冷却屏开启时段不变时,使得ηs最大化的冷却屏最佳位置是0.622;当冷却屏位置是0.622,ηc从0.0640降至0.0128,η增大34.7%,但是当冷却屏的设置偏离最佳位置越远,降低ηc使得η增大的幅度越小;固定ηc和蒸气冷却屏的开启时长,ηs随着开启时刻的推迟先增大后减小,当冷却屏的位置是0.622,使ηs最大的开启时刻是第23.26天。

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14. R290低压比热泵高补气过热度循环研究
雷博雯, 吴建华, 吴启航
化工学报    2023, 74 (5): 1875-1883.   DOI: 10.11949/0438-1157.20221680
摘要276)   HTML10)    PDF(pc) (2701KB)(216)    收藏

天然工质丙烷(R290)GWP接近零,对环境友好,热物理性质优良,具有良好应用前景。高背压旋转压缩机运行压比小时,R290绝热指数小导致的排气温度低特点突出。R290在高背压旋转压缩机油池中溶解度大,R290/润滑油混合物黏度低,可能难以满足曲轴/轴承系统润滑,影响压缩机可靠性。通过研究低压比工况下,R290在润滑油中溶解度及R290/润滑油混合物黏度与其过热度的关系,提出高补气过热度经济器循环,利用冷凝器出口高温与补气饱和温度的温差带来的剩余热量提高补气过热度,从而控制排气过热度和R290/润滑油混合物的黏度。同时,高补气过热度经济器循环可以有效提高系统性能,蒸发温度-2.89℃,冷凝温度51.5℃时,相比单级循环,COP提升11.4%,单位容积制热量提升23.4%。

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15. MOCVD生长AlN单晶薄膜的气相和表面化学反应综述
何晓崐, 刘锐, 薛园, 左然
化工学报    2023, 74 (7): 2800-2813.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230380
摘要273)   HTML28)    PDF(pc) (3319KB)(143)    收藏

作为第三代半导体材料的代表,AlN单晶具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子饱和迁移率高等特点,被广泛应用于紫外和深紫外发光器件的制造。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是生长AlN单晶薄膜最主要的技术。由于Al—N键在三种Ⅲ族氮化物(AlN、GaN和InN)中最强,导致MOCVD生长AlN过程的气相寄生反应最为严重,进而造成AlN的生长速率和效率过低、生长窗口过窄等问题。此外,较高的Al—N键能还导致含Al粒子在表面的迁移率过低,致使薄膜表面形貌变差。这些问题都与薄膜生长过程发生的化学反应密切相关。分别从气相反应路径和表面反应机理两方面,较全面地总结了前人针对MOCVD生长AlN薄膜机理开展的研究工作,并介绍了本课题组近年来在该方向取得的研究成果。最后归纳了现阶段MOCVD生长AlN研究中存在的问题与不足,并在此基础上进行了展望。

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16. 碳基材料电氧化去除水体污染物的研究进展
郭旭, 张永政, 夏厚兵, 杨娜, 朱真珍, 齐晶瑶
化工学报    2023, 74 (5): 1862-1874.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230135
摘要261)   HTML18)    PDF(pc) (3587KB)(214)    收藏

电极材料是电氧化技术的核心关键。碳基材料具有稳定性好、结构可调、导电性佳、来源广泛等优势。从碳基材料电氧化过程出发,简要描述了碳材料在阳极电流下的降解行为及其可复合活性材料增强自由基产生能力。重点综述了碳纳米管、石墨烯、生物质碳为代表的碳基材料通过缺陷调控、表面修饰、界面工程等方式调控电氧化性能的研究进展,最后对发展碳基阳极材料提出展望。

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17. Ni@C@TiO2核壳双重异质结的构筑及光热催化分解水产氢
李勇, 高佳琦, 杜超, 赵亚丽, 李伯琼, 申倩倩, 贾虎生, 薛晋波
化工学报    2023, 74 (6): 2458-2467.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230323
摘要259)   HTML56)    PDF(pc) (4344KB)(168)    收藏

合理设计具有出色光吸收和电荷分离与转移能力的纳米催化剂,实现高效的光催化制氢仍然是一个挑战。借助间苯二酚-甲醛树脂(RF)模板和Ar气氛煅烧工艺构建了三元Ni@C@TiO2核壳双重异质结纳米催化剂,实现了高效热积聚和高通量电荷转移。该体系充分结合了碳层的宽带吸收、Ni纳米粒子(NPs)的等离激元特性以及TiO2的保护和催化功能。在双重异质结中建立了较大的内部电场,使电荷分离效率提高了2.4倍。得益于Ni@C芯光热效应与Ni/C-C/TiO2双重异质结的协同效应,从而实现有效的电荷分离和传输,提高了电荷转移速率;核壳结构的构建降低了体系热量损耗,最终实现高效的太阳能光热转换(光热效率78.0%)和光热催化分解水产氢性能(析氢速率为1538 μmol·g-1·h-1)的提升。稳健的核壳纳米颗粒可以应用到其他光热催化系统的设计中,为开发更高效的全光谱利用型光催化剂提供思路。

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18. R-134a脉动热管相变蓄放热实验研究
张双星, 刘舫辰, 张义飞, 杜文静
化工学报    2023, 74 (S1): 165-171.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230172
摘要246)   HTML3)    PDF(pc) (1094KB)(44)    收藏

为研究低温工质对脉动热管相变蓄热器的影响,搭建了脉动热管相变蓄放热试验台。实验选用的低温工质为R-134a,相变材料为石蜡,蓄热器由一组自主设计的脉动热管组成。实验结果表明,采用R-134a作为工质能够实现脉动热管蓄热器的正常蓄热和放热。在蓄热过程中,加热功率的增加会减少蓄热时间,但同时也会增加蓄热器内的最大温差;在放热过程中,冷却水温度的降低会减少石蜡的凝固时间,当水温由20℃变为5℃,石蜡的凝固时间缩短了34.8%。冷却水流量的增加也会减少石蜡的凝固时间,水流量由10 L/h变为40 L/h,凝固时间缩短了9.5%。在约3 h的放热实验后,相变材料的温度与室温接近。

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19. 导电薄膜材料的研究进展
蔡斌, 张效林, 罗倩, 党江涛, 左栗源, 刘欣梅
化工学报    2023, 74 (6): 2308-2321.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230366
摘要245)   HTML19)    PDF(pc) (1672KB)(208)    收藏

导电薄膜材料由于导电性好、透射率高、可弯曲折叠等优点,在光电转换、电热转换、电磁转换等领域应用广泛。薄膜材料的导电填料主要包括金属及其化合物、碳基材料和导电聚合物。单种导电材料往往难以适应导电性和稳定性的双重需求,两种或两种以上的导电材料以掺杂或组装的方式制备复合导电薄膜表现出更好的导电性和环境稳定性,表面改性是改善导电材料与衬底结合强度的有力方法。以导电性能为重点综述了各类导电薄膜材料的特性及优缺点,提出改善导电薄膜材料导电性和稳定性的建议,为导电薄膜材料的研究提供参考。

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20. 基于自热再生的隔壁塔深冷空分工艺设计及优化
文兆伦, 李沛睿, 张忠林, 杜晓, 侯起旺, 刘叶刚, 郝晓刚, 官国清
化工学报    2023, 74 (7): 2988-2998.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230240
摘要244)   HTML12)    PDF(pc) (1612KB)(178)    收藏

工业气体应用广泛,当前常用深冷精馏法获取,工艺能耗巨大,其中压缩和精馏部分的耗能占比最大。基于自热再生和隔壁塔技术,提出了一种隔壁塔深冷空分方案,用单塔精馏空分过程代替双塔精馏空分过程,利用自热再生优化过程换热。利用夹点原理对优化前后的工艺进行能量分析,并从总能量消耗(TEC)、二氧化碳排放量([CO2]em)、年度总费用(TAC)三个角度分别进行评价。结果表明,基于自热再生的隔壁塔深冷空分工艺较常规空分工艺,制氧消耗降低了26.19%,二氧化碳排放减少了25.18%,年度总费用降低了31.93%。利用自热再生技术和隔壁塔技术优化后的空分工艺,在节能、经济以及环保方面表现出更强的优越性。

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21. Ru基氮还原电催化剂性能调控策略
张谭, 刘光, 李晋平, 孙予罕
化工学报    2023, 74 (6): 2264-2280.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230048
摘要241)   HTML23)    PDF(pc) (3457KB)(186)    收藏

氨是重要的化学品以及理想的能源载体,人工合成氨主要来源于高能耗的Haber-Bosch(H-B)工艺。相比而言,电催化合成氨以N2和H2O为原料,实现了温和条件下产氨。Ru基催化剂在氮还原(NRR)过程中表现出优异的催化活性,但由于较为稀缺限制了其发展。基于此,首先概述了NRR的反应机制并对现有的Ru基合成氨电催化剂进行了系统的介绍;详细分析了性能提升策略(结构调控、表/界面工程、缺陷工程),如何调控活性组分或电子结构,进而提升催化剂的性能;最后分析了Ru基催化剂所面临的挑战。旨在通过Ru基催化剂性能提升策略,实现贵金属Ru的高效利用,并为其他NRR催化剂的开发设计提供指导。

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22. COSMO-RS模型在离子液体/低共熔溶剂筛选中的应用研究进展
张旭东, 刘彦花, 申峻, 王玉高, 刘刚, 牛艳霞
化工学报    2023, 74 (11): 4383-4396.   DOI: 10.11949/0438-1157.20231003
摘要233)   HTML40)    PDF(pc) (2992KB)(168)    收藏

离子液体(ILs)和低共熔溶剂(DESs)作为一类新型的绿色溶剂,由于其独特的物理化学性质,在混合物分离方面已经受到了研究者的广泛关注,因此逐渐成为绿色化学领域的研究重点。针对特定的分离过程,选择合适的溶剂是非常重要的,然而,由于ILs和DESs种类较多,结构复杂,通过实验的方法逐一进行筛选费时费力、成本高,且几乎不可能找到最优选择,因此应用理论计算模型对ILs和DESs进行筛选是非常有必要的。真实溶剂类导体屏蔽模型(COSMO-RS模型)是一种由量子化学计算与统计热力学方法相结合的预测模型,它可以在不需要实验数据的情况下预测液体混合物的热力学性质,已经被研究者广泛用作各种分离问题的快速筛选工具。整理了应用COSMO-RS模型筛选ILs/DESs用于各种油中酚类、含氮化合物、含硫化合物、萜类化合物、天然维生素E的萃取分离,以及CO2捕获和共沸混合物等的分离过程,表明COSMO-RS模型用于特定混合物萃取溶剂的筛选是快速有效的,可为难分离混合物分离过程中ILs/DESs的预筛选提供有价值的参考。

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23. 低模量、高弹性、高剥离强度丙烯酸酯压敏胶
张澳, 罗英武
化工学报    2023, 74 (7): 3079-3092.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230381
摘要231)   HTML7)    PDF(pc) (3632KB)(150)    收藏

丙烯酸酯压敏胶广泛应用在电子器件的装配中。随着可折叠屏手机等柔性电子器件发展,传统压敏胶因无法平衡低模量、高弹性以及高剥离强度而难以满足柔性电子器件对反复动态变形的需求。以苯乙烯、丙烯酸异辛酯为单体,采用RAFT乳液聚合设计制备了聚苯乙烯-b-聚丙烯酸异辛酯-b-聚苯乙烯(SEHAS)和聚苯乙烯-b-聚丙烯酸异辛酯(SEHA)嵌段聚合物,研究两种嵌段共聚物共混体系的力学性能、黏弹性和黏结性能。发现当共混物中SEHA的含量从0(质量)提高到75%(质量)时,玻璃化温度仍为-68℃,保持不变,剪切储能模量从27 kPa下降至15 kPa,剥离强度从8.1 N/25 mm提升到10.3 N/25 mm,应变回复率仍然保持在95%以上。研究表明SEHAS/SEHA共组装是一种简便降低模量同时维持较好的交联网络完整性并提高黏弹性的新方法,能够更好地平衡压敏胶高柔性、大变形后的回弹性和良好界面黏合性之间的关系。

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24. 硅基离子液体微颗粒强化气体捕集与转化的研究进展
陈美思, 陈威达, 李鑫垚, 李尚予, 吴有庭, 张锋, 张志炳
化工学报    2023, 74 (9): 3628-3639.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230531
摘要223)   HTML29)    PDF(pc) (4425KB)(180)    收藏

解决工业过程污染气体的过量排放问题,具有重要的科学和环境意义。离子液体(ILs)作为室温呈液态的绿色溶剂,在气体捕集转化方面具有独特的优势,但天然的高黏度特性严重阻碍了其工业应用。本团队基于多年研究发现,不执拗于大幅降低离子液体的黏度,而顺其自然,通过“微颗粒化”技术,实现离子液体于准静止状态的高效利用,是离子液体适应工业化的有效路径之一。鉴于此,综述了以二氧化硅(SiO2)为介质的离子液体微颗粒,及其衍生的离子液体纳-微界面反应单元在气体捕集(VOCs和CO2)和CO2转化方面的应用研究进展,探讨了微颗粒化离子液体体系较传统体系的特性优势,并分析了离子液体“微颗粒化”的应用前景及工业可行性。

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25. 煤矸石中有价关键金属活化提取研究进展
康超, 乔金鹏, 杨胜超, 彭超, 付元鹏, 刘斌, 刘建荣, Aleksandrova Tatiana, 段晨龙
化工学报    2023, 74 (7): 2783-2799.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230260
摘要222)   HTML22)    PDF(pc) (5069KB)(246)    收藏

煤矸石是煤炭开采洗选过程中的固体废弃物,是我国产储量最大的工业固废之一,回收利用其中潜在的矿产资源对实现我国绿色矿山建设及“双碳”目标达成意义重大。通过综合分析国内外现阶段煤矸石提取有价金属相关技术,系统阐述了“单一/复合活化-碱熔/酸浸”联合强化铝、铁等有价组分高效富集研究进展,重点分析了锂、稀土等微量关键金属的赋存状态及提取方法。针对煤矸石组分复杂且波动范围大、有价金属含量低等问题,可基于矿物特性采用相应选矿技术初步富集载体矿物,提升有价金属品位,进而开展铝、铁、锂、稀土等多种元素协同提取,实现煤矸石高附加值利用。

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26. 四元体系LiCl+MgCl2+CaCl2+H2O 323.2 K相平衡研究及计算
陈科, 杜理, 曾英, 任思颖, 于旭东
化工学报    2023, 74 (5): 1896-1903.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230115
摘要221)   HTML5)    PDF(pc) (1268KB)(113)    收藏

采用等温溶解平衡法开展了323.2 K四元体系LiCl+MgCl2+CaCl2+H2O的固液相平衡研究,测定了平衡液相组成及密度、折射率,并绘制了相应的相图。研究发现:323.2 K时,该体系有复盐LiCl·MgCl2·7H2O和2MgCl2·CaCl2·12H2O生成,属于复杂四元体系,其相图包含3个共饱点,7条单变量曲线,5个结晶区(MgCl2·6H2O、LiCl·H2O、CaCl2·2H2O、LiCl·MgCl2·7H2O、2MgCl2·CaCl2·12H2O)。对比298.2 K下该四元体系的相图,发现随着温度升高,氯化钙从CaCl2·6H2O、CaCl2·4H2O转化成CaCl2·2H2O,LiCl·MgCl2·7H2O和MgCl2·6H2O结晶区减小,LiCl·H2O和2MgCl2·CaCl2·12H2O结晶区增大,表明温度升高有利于LiCl·H2O和2MgCl2·CaCl2·12H2O析出。采用PSC模型对该四元体系进行了溶解度计算,计算结果与实验结果基本吻合。

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27. 微通道蒸发器优化两相制冷剂分配及沸腾传热研究进展
汤志轩, 郭文华, 吴思远, 赵日晶, 黄东
化工学报    2023, 74 (10): 4020-4036.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230650
摘要220)   HTML21)    PDF(pc) (5682KB)(309)    收藏

微通道蒸发器由于低充灌量、高换热性能、低成本等优点在制冷系统得以广泛应用。微通道蒸发器性能的进一步提升有助于降低制冷剂充灌量、增加微通道换热器的紧凑性。微通道蒸发器主要由集管和微通道扁管组成,优化集管内两相制冷剂分配和强化微通道扁管内流动沸腾,可有效实现微通道蒸发器整体性能提升。本文首先阐明了影响集管内两相分配的因素和微通道扁管内流动沸腾特性,然后概括了提升两相制冷剂的分配方案和强化流动沸腾的措施,最后对提升微通道蒸发器性能的方法做出进一步展望。

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28. 渗透汽化技术用于锂电池生产中N-甲基吡咯烷酮回收的研究进展
张佳怡, 何佳莉, 谢江鹏, 王健, 赵鹬, 张栋强
化工学报    2023, 74 (8): 3203-3215.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230541
摘要219)   HTML17)    PDF(pc) (1784KB)(110)    收藏

N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为生产锂电池的必备溶剂,需求量逐年攀升。然而在锂电池生产后期NMP以废气形式排出,将会造成环境污染和资源浪费。用水吸收NMP废气形成相应溶液是一种有效的回收方法,进而将NMP溶液回收利用可以降低锂电池生产成本,促进锂电行业绿色可持续发展。相较于蒸馏等传统工艺,采用渗透汽化技术回收NMP废液具有能耗低、高效、环保等优势。从渗透汽化膜分离技术的优势和机理展开,系统总结了用于回收NMP废液的渗透汽化膜材料和分离工艺,通过比较不同膜材料和工艺的应用范围及分离效果,指出了其相应的优缺点和适用场合,为NMP的有效利用提供合理的参考。对渗透汽化技术用于NMP回收面临的挑战进行讨论并对发展前景做出展望。

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29. 碱性电解水制氢装置热管理系统仿真研究
黄琮琪, 吴一梅, 陈建业, 邵双全
化工学报    2023, 74 (S1): 320-328.   DOI: 10.11949/0438-1157.20221598
摘要207)   HTML7)    PDF(pc) (1061KB)(181)    收藏

可再生能源发电耦合碱性电解水制氢是制取绿氢的理想技术路线之一,但是发电功率的波动性、间歇性影响着电解槽温度的稳定,影响制氢效率,因此构建了基于吸收式热泵的碱性电解水制氢热管理系统。通过分析不同冷凝温度下热泵运行参数,总结最优性能的工况特点。对不同负荷工况分析可得,随着电解槽散热负荷从32.28 kW降到25.08 kW,系统中回流碱液的温度由58℃升至70℃,热用户所得回收热从8.31 kW降至4.17 kW,同时总耗冷量降低44.55%。以上结果表明,所构建的碱性电解水制氢热管理系统有效调节电解槽的工作温度要求,可降低制冷能耗并回收热能,提升综合能源利用效率。

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30. 浓硫酸活化五氧化二钒制备高浓度全钒液流电池正极电解液
胡超, 董玉明, 张伟, 张红玲, 周鹏, 徐红彬
化工学报    2023, 74 (S1): 338-345.   DOI: 10.11949/0438-1157.20221541
摘要206)   HTML10)    PDF(pc) (1173KB)(165)    收藏

全钒液流电池是大规模储能领域首选的化学储能技术之一。因电解液成本占比较高,通常采用成本相对较低的五氧化二钒作为原料来制备全钒液流电池电解液。针对五氧化二钒在硫酸中溶解度较小、直接使用硫酸溶解五氧化二钒难以制备出高浓度电解液的问题,本研究通过将硫酸与五氧化二钒进行升温活化处理,水溶后即可实现高浓度五价钒电解液的制备。采用XRD、Raman、FT-IR等手段对活化后固体的组成、结构和溶解过程进行分析。结果表明,在活化温度为180℃、活化时间为3 h、硫酸与五氧化二钒摩尔比为4时,五氧化二钒溶解质量分数高达98.5%,溶解的钒离子浓度高达3 mol·L-1。硫酸与五氧化二钒升温活化后生成V2O3(SO4)2,改变原有的五氧化二钒的结构,导致活化后的物质水溶时溶解性增加,并且溶解后的钒离子价态以V(Ⅴ)形式存在。溶液中高浓度的V(Ⅴ)离子会与SO42-络合反应生成VO2SO4-,同时溶液中VO2+也会发生聚合形成V2O34+V2O42+等多聚体。

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31. 搅拌时间和混合顺序对锂离子电池正极浆料分散特性的影响
王志龙, 杨烨, 赵真真, 田涛, 赵桐, 崔亚辉
化工学报    2023, 74 (7): 3127-3138.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230528
摘要205)   HTML12)    PDF(pc) (7637KB)(116)    收藏

综合采用电阻抗谱(electrical impedance spectroscopy,EIS)方法、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)方法和流变法,分析了锂离子电池正极浆料(cathode slurry)的电化学特性、形貌特性和流变特性,并总结出了正极浆料的分散特性。基于COMSOL Multiphysics软件建立了正极浆料的静态仿真模型,从电化学特性角度出发,验证了EIS实验结果的正确性。综合考虑实验分析与仿真验证,结果表明:搅拌时间对正极浆料的分散特性影响较大,较长(9 min以上)或者较短(3 min以下)的搅拌时间会增加阻抗值从而恶化正极浆料内粒子的分散;而6 min的搅拌时间则会减小阻抗值从而使正极浆料内粒子分散。先将炭黑(CB)与PVDF-NMP溶液混合制成CB浆料,后将钴酸锂(LiCoO2)粒子与CB浆料混合的顺序,能使锂电池正极浆料具有较好的分散特性。最后,提出了一套提高正极浆料分散特性的制浆方案,为高性能锂电池的制备提供了理论依据与实验参考。

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32. PEG-EG固-固相变材料的制备和性能研究
李振, 张博, 王丽伟
化工学报    2023, 74 (6): 2680-2688.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230231
摘要204)   HTML17)    PDF(pc) (2815KB)(138)    收藏

针对固-液相变材料易泄漏和热导率较低的问题,提出了聚乙二醇(PEG)固-固相变的复合材料。复合材料由不同比例、热导率较大的膨胀石墨(EG)骨架与PEG化学枝接得到。研究结果表明,EG质量分数为10%时,复合相变材料仍存在泄漏现象,而EG质量分数为20%、30%时不再有泄漏现象,复合材料表现为固-固相变。另外,复合材料的热导率随EG含量的增加而增大,其中EG质量分数为30%时,复合材料的热导率最高,为8.031 W·m-1·K-1,是纯相变材料热导率(0.289 W·m-1·K-1)的27.79倍。经历50次循环后,所有复合相变材料的相变温度和相变焓均未有明显变化,证明其具有良好的热稳定性。考虑综合性能,EG的质量分数为20%时,复合相变材料性能最佳,定形效果良好,相变焓(138.30 J·g-1)和结晶度(88.6%)较高,热导率也可以达到6.870 W·m-1·K-1

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33. 超薄热管启动特性和传热性能数值模拟
史方哲, 甘云华
化工学报    2023, 74 (7): 2814-2823.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230429
摘要202)   HTML22)    PDF(pc) (2778KB)(202)    收藏

提出了一种简化的超薄热管三维瞬态模型,模拟热管由启动至稳定运行的过程,基于团队前期工作验证了模型的准确性,通过数值模拟研究了不同流道厚度、吸液芯类型及折弯段几何结构的热管,分析了各参数对蒸汽流动特性、温度分布特性及启动性能的影响,基于控制理论对不同结构热管的热响应特性进行了定量分析,最大均方根误差(RMSE)仅为0.385。研究表明:流道厚度过小将增大蒸汽流动阻力和能量损失,不同结构吸液芯主要通过蒸汽通道宽度差异影响蒸汽流动特性,流道厚度越小越易受折弯段折弯半径和折弯角度的影响。此外,流道厚度小于0.2 mm还将影响热管均温性,使气液循环受限,热管总热阻和启动时间主要受热负荷的影响。

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34. 疏水界面上的NaCl液滴蒸发过程内环流调控机制研究
李正涛, 袁志杰, 贺高红, 姜晓滨
化工学报    2023, 74 (5): 1904-1913.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230340
摘要201)   HTML12)    PDF(pc) (3435KB)(137)    收藏

盐水微液滴蒸发结晶在海水淡化、晶体制备、药物预混合和颗粒筛选中具有非常重要的作用。通过计算流体动力学模型,对不同疏水界面传热系数和不同直径疏水平台上的NaCl盐水液滴蒸发过程开展模拟研究,主要通过模拟预测了液滴内流体在温度和浓度差作用下的环流演变机制。模拟结果通过光学可视化和红外热成像仪进行了验证。结果表明,常温蒸发下,NaCl液滴内部的环流主要由Rayleigh对流和溶质Marangoni效应主导。不同的固液界面传热系数会影响液滴的升温速率和温度分布,当温差大于一定值时,热Marangoni效应可以主导液滴内部环流。基于Rayleigh数和Marangoni数的调控区间制得了流场演变相图,有效地预测液滴内部的环流状态。盐水液滴内环流方向和持续时间可以通过调整热Marangoni效应来控制,从而影响最终蒸发结晶的晶体形貌和沉积分布。这项工作可以为蒸发界面设计、蒸发结晶的过程控制等提供理论依据。

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35. 一种耦合CFD与深度学习的气固快速模拟方法
温凯杰, 郭力, 夏诏杰, 陈建华
化工学报    2023, 74 (9): 3775-3785.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230711
摘要199)   HTML15)    PDF(pc) (1799KB)(199)    收藏

在计算流体力学领域,深度学习被用于重建流场、预测曳力、求解泊松方程、加速流体模拟等方面的研究。为了加速气固两相流的模拟计算,使用卷积长短时记忆网络对物理量进行预测,并基于LibTorch实现深度学习模型预测与OpenFOAM的耦合。通过与单纯OpenFOAM模拟结果对比,发现深度学习模型预测存在颗粒体积分数不守恒、极小数值预测不准确的问题,先后通过体积分数校正和网格数据过滤消除了前述影响。选取不同的三个物理量组合进行深度学习模型预测以加速CFD计算,在同样选取颗粒体积分数和气体速度的条件下,对比了增加预测颗粒速度和压力对耦合流程计算结果的影响,其中,增加预测颗粒速度的计算结果较为准确,经分析发现这可能与求解器对不同变量的调用顺序有关。此外,研究了不同深度学习模型预测跨度比(1∶1、3∶1、5∶1、10∶1)下的耦合计算结果以及加速效果,发现在一定误差范围内,当前耦合计算流程最高可实现9倍左右的加速,且加速比与跨度比呈近似线性关系。

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36. 电子级磷酸的纯化精制技术发展现状与研究进展
余留洋, 刘书博, 贾晟哲, 马航, 万邦隆, 苏琦雯, 王静康, 汤伟伟, 贺豫娟, 龚俊波
化工学报    2024, 75 (1): 1-19.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230655
摘要198)   HTML37)    PDF(pc) (6270KB)(223)    收藏

电子级磷酸作为一种超高纯化学试剂,主要用于微电子行业中芯片的清洗与蚀刻,其纯度会显著影响电子元器件的成品率、电性能以及可靠性。然而,极低杂质(10-9水平)的高端电子级磷酸,对于化工分离纯化技术的要求极高。从电子级磷酸在芯片清洗与蚀刻方面的应用出发,梳理了电子级磷酸产品的主要国内外标准,概述了杂质离子的主要分析监测方法。重点综述了电子磷酸的制备和纯化精制方法,特别是结晶法在磷酸深度净化方面的显著优势,最后,对电子级磷酸的净化技术发展做出了前景展望。

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37. 蛋白质纳米笼介导的酶自固定化研究进展
陈雅鑫, 袁航, 刘冠章, 毛磊, 杨纯, 张瑞芳, 张光亚
化工学报    2023, 74 (7): 2773-2782.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230209
摘要196)   HTML22)    PDF(pc) (1679KB)(157)    收藏

近年来,以金属有机框架以及自组装蛋白为代表的新型酶载体材料不断涌现,其中以蛋白质纳米笼为代表的自组装蛋白在酶自固定化领域的独特优势正不断被研究者发掘。蛋白质纳米笼独有的笼状空腔、可基因/化学修饰结构、可控自组装特性等特点为成功获得产量、稳定性和催化活性均提高的自固定化酶奠定了基础。本文首先简要介绍了金属有机框架材料、自组装蛋白,同时结合自身研究经历,重点对蛋白质纳米笼高级结构、人工设计尤其是铁蛋白的结构设计,以及纳米笼的自组装机制进行阐述。最后,综述了蛋白质纳米笼在酶自固定化方面的研究进展,并指出今后可能的研究方向,为建立自固定化新策略提供参考,进而推动自固定化酶从实验室研究迈向工业化应用。

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38. 沥青质分子缔合作用机制、表征、理论计算与应用研究进展
周惠敏, 田莹, 刘思亿, 邹佳航, 张润泽, 贺常晴, 何林, 隋红
化工学报    2023, 74 (10): 3995-4019.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230583
摘要195)   HTML12)    PDF(pc) (6129KB)(333)    收藏

石油中沥青质分子的缔合聚集现象对于石油(尤其是重质油或致密油藏等非常规石油)的开采、储运、加工等具有重要影响,直接决定了原油的体相和界面性质,是矿物或管道器壁表面石油组分吸附沉积、油水(固)乳化、原油高黏等现象的主要成因。系统地综述了沥青质分子间缔合现象及理论发展,从分子间非共价相互作用角度探究了沥青质分子缔合聚集的作用机制,阐述了静电与色散作用主导的非共价相互作用对于沥青质缔合聚集的决定性影响规律。在此基础上,总结了近年来分子模拟等理论计算与界面表征技术在沥青质界面现象研究中的应用现状与发展方向。最后,基于沥青质分子缔合现象与理论,探讨了其在固体表面吸脱附、沉积、分散、破乳技术开发、降黏技术开发等领域的应用与思考。

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39. 固体氧化物电解池制氢关键技术及产业化进展
张俊杰, 孙旺, 高啸天, 乔金硕, 王振华, 孙克宁
化工学报    2023, 74 (12): 4749-4763.   DOI: 10.11949/0438-1157.20231074
摘要195)   HTML35)    PDF(pc) (4131KB)(230)    收藏

随着双碳目标和能源革命的持续推进,氢能作为重要的清洁能源受到广泛关注。在众多的制氢途径中,固体氧化物电解池(solid oxide electrolytic cell, SOEC)电解水制氢被认为是最有前景的制氢途径之一。为更好地服务SOEC电解水制氢的产业化发展,对SOEC技术的研究现状和面临的挑战进行了系统梳理。虽然SOEC电解水制氢具有制氢效率高、环境污染小、余热高效利用等优点,但在长时间稳定运行和大规模集成上还有许多难点问题亟需解决,目前国内SOEC产业化尚在起步阶段,与国外发展水平还有一定的差距。提升材料的稳定性、优化系统控制是SOEC技术的重点发展方向。此外,加快SOEC产业化进程还需要协同发展上下游产业链,进一步降低制备成本。随着技术的成熟,SOEC有望在化工、分布式能源等领域获得广泛的应用。

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40. 冷链装备制冷剂相关温室气体减排研究进展
高润淼, 宋孟杰, 高恩元, 张龙, 张旋, 邵苛苛, 甄泽康, 江正勇
化工学报    2023, 74 (S1): 1-7.   DOI: 10.11949/0438-1157.20221644
摘要190)   HTML20)    PDF(pc) (1002KB)(110)    收藏

为推进冷链装备的可持续发展与节能减排,针对冷链中的加工装备、运输装备、销售装备和冷冻冷藏装备等,结合制冷剂的充注量、泄漏率与回收率,对所用制冷剂的发展历程进行了综述,分析并总结了制冷剂替换方案对相关温室气体减排的影响。结果表明,自然制冷剂、HCs和HFOs在冷链装备中应用前景广阔,三类制冷剂替代方案的实施可分别取得5%、20%和10%左右的节能减排效果。在制冷剂充注、泄漏和回收等方面,既有研究还存在机理不明晰、效果待验证等多处研究空白,研发高效环保制冷剂并完善冷链装备制冷剂回收体系已成为目前重点研究方向。

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41. 磁液液滴颈部自相似破裂行为
何宣志, 何永清, 闻桂叶, 焦凤
化工学报    2023, 74 (7): 2889-2897.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230564
摘要186)   HTML8)    PDF(pc) (2200KB)(176)    收藏

对液滴生成过程的控制可用于提高混合、萃取以及乳化等化学过程的效率。研究了液-液系统中毛细管处磁液液滴的磁操控生成,以不同黏度的二甲基硅油作为连续相,体积分数为3.6%的铁磁流体作为分散相,针对磁液液滴颈部的形成和破裂行为进行了深入探讨。划分了液滴生成的不同阶段并分析了受力过程:θ > 90°,初始阶段,界面张力占主导;θ < 90°,缩颈阶段,磁力和黏性阻力占主导。以界面张力对磁力、黏性阻力以及惯性力进行无量纲化,系统研究了磁液液滴极限长度、最小颈部直径减薄速率及其相对颈部位置在不同磁Bond数、Weber数和Ohnesorge数下的变化。结果表明,液滴极限长度与磁力成反比,与黏性阻力成正比,不受惯性力(0.19 ≤ We ≤ 1.34)的影响。最小颈部直径减薄的速率随黏性阻力增大而降低,但不会受磁力和惯性力的影响,在不同磁Bond数和Weber数下呈现出自相似破裂行为。

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42. 铁基导电材料强化厌氧去除卤代有机污染物:研究进展及未来展望
吕龙义, 及文博, 韩沐达, 李伟光, 高文芳, 刘晓阳, 孙丽, 王鹏飞, 任芝军, 张光明
化工学报    2023, 74 (8): 3193-3202.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230441
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随着工农业发展,越来越多的卤代污染物被排放到环境中。鉴于卤代污染物高毒性及强稳定性的特点,如何高效地去除环境中卤代污染物成为国内外学者关注的焦点。厌氧生物处理因为其绿色高效的特点,近年来常被用于去除环境中的卤代污染物,其中微生物胞外电子传递是影响脱氯效率的重要因素。铁基导电材料比表面积大,导电性强,而且能够提高脱卤相关菌的微生物活性,可强化胞外电子传递过程,加速厌氧脱卤效率的同时提高甲烷产量。本文综述了铁基导电材料强化厌氧脱卤的研究现状,重点对铁基导电材料促进电子转移机制进行了论述。探讨了目前铁基导电材料相关研究存在的问题,并对铁基材料促进厌氧脱卤的研究方向进行了展望。

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43. 离子液体萃取剂萃取精馏分离丙酸甲酯+甲醇共沸物
王俐智, 杭钱程, 郑叶玲, 丁延, 陈家继, 叶青, 李进龙
化工学报    2023, 74 (9): 3731-3741.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230517
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以离子液体(ILs)[BMIM][NTF2]和[HMIM][NTF2]为萃取剂,萃取精馏分离丙酸甲酯+甲醇共沸物,通过分子模拟分析了ILs促进目标共沸物的分离机理;基于汽液平衡实验数据,获得新的NRTL热力学模型参数;选用常规的二组分双塔分离流程,实现了目标共沸体系的分离。作为对比,同时构建了以苯酚为萃取剂的萃取精馏和变压精馏流程。基于Aspen Plus软件平台,分析了上述各流程分离单元主要操作参数对分离过程性能的影响,考察并对比了各流程能耗、年总成本(TAC)和碳排放。结果表明:离子液体工艺可实现丙酸甲酯+甲醇共沸物的有效分离,产品纯度达到99.9%(质量分数),[HMIM][NTF2]工艺与[BMIM][NTF2]、苯酚及变压精馏工艺相比,TAC降低11.68%~43.68%、CO2 排放减少32.11%~68.46%。结果可为共沸物丙酸甲酯+甲醇分离新工艺设计及优化提供理论支撑和实际指导。

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44. 代谢工程改造大肠杆菌生产软骨素
赵春雷, 郭亮, 高聪, 宋伟, 吴静, 刘佳, 刘立明, 陈修来
化工学报    2023, 74 (5): 2111-2122.   DOI: 10.11949/0438-1157.20221582
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目前生物法合成软骨素的研究策略主要侧重于构建合成路径,缺乏对前体物质供应的精细化调控,从而限制了软骨素的合成效率。为了解决上述问题,本研究借助代谢工程策略,在大肠杆菌(Escherichia coli)中重构与优化了软骨素合成路径,获得了合成软骨素的微生物细胞工厂,实现了发酵法生产软骨素。通过在E. coli BL21 STAR (DE3)中表达UDP-葡萄糖脱氢酶(KfoF)、UDP-氨基葡萄糖异构酶(KfoA)和软骨素聚合酶(KfoC),构建了完整的软骨素合成路径。通过氨基转移酶(GlmS)和磷酸葡萄糖胺变位酶(GlmM)的基因表达水平优化,提高了软骨素合成前体UDP-GalNAc的供给量;优化KfoF的基因表达水平,改善了软骨素合成前体UDP-GlcA的供给效率。在5 L发酵罐上,最优工程菌株E. coli GZ17的软骨素产量达到了2.95 g/L。上述研究策略为硫酸软骨素菌株的构建与应用奠定了基础,也为代谢工程改造生产其他糖胺聚糖提供了借鉴。

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45. 非牛顿流体气泡羽流涡特性数值模拟研究
董鑫, 单永瑞, 刘易诺, 冯颖, 张建伟
化工学报    2023, 74 (5): 1950-1964.   DOI: 10.11949/0438-1157.20221462
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为进一步探究非牛顿流体中气液两相流流动特性规律,采用大涡模拟方法(LES)对非牛顿流体气泡羽流的涡特性进行研究。以清水和不同质量分数的羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液为研究对象,分析不同表观气速和液相流变特性下气体的运动速度、羽流结构、涡量及涡的演变规律。研究结果表明,涡的演变速率随非牛顿流体浓度的增加而减小。结合Q判据分析不同工况下涡特性分布,随着CMC水溶液浓度的增加流场中的Q值不断降低,且流场内涡的演变速率随着非牛顿流体特性的增加而减弱。

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46. 离子液体界面极化及其调控氢键性质的分子机理
陆俊凤, 孙怀宇, 王艳磊, 何宏艳
化工学报    2023, 74 (9): 3665-3680.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230489
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离子液体在电极界面处的结构及行为对其在超级电容器、固载催化剂等实际化工应用中有重要的影响。采用第一性原理计算结合理论分析研究了7种咪唑类离子液体在常见二维固体石墨烯、氮化硼、二硫化钼表面极化的分子机理及其对离子液体氢键的微观作用机制。结果表明,当离子液体在这三种二维表面吸附时会发生电荷转移和轨道相互作用,导致了显著的表面极化作用,且吸附能和电荷转移数值越大,表面极化作用越强。进一步分析了二维表面离子液体氢键的键长、键角、键序和键能,发现表面极化作用会显著削弱离子液体氢键。对于不同离子液体红外光谱的计算结果也验证了氢键被削弱的趋势。最后,通过SPSS软件对表面极化作用和离子液体氢键强度间的关系进行了定量解析,发现表面极化作用与氢键强度呈负相关关系。本文关于离子液体氢键的定量分析不仅有助于理解离子液体-固体表面作用的分子机理,而且可为离子液体在实际化工过程的应用提供理论支撑。

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47. 微化工精馏分离技术研究进展
郑雨婷, 方冠东, 张梦波, 张浩淼, 王靖岱, 阳永荣
化工学报    2024, 75 (1): 47-59.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230649
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综述了以微尺度结构为核心的微化工精馏分离技术的研究进展。基于传统精馏存在的节能技术落后、设备效能低以及难分离近沸点物系等问题,介绍了易于实现过程强化的微精馏分离技术,包括常规微蒸馏/微精馏、毛细管力微精馏、离心力微精馏、真空微精馏、重力微精馏等多种方法,在流动化学应用中将起到重要作用。在微尺度条件下,相间传质传热效率随传质距离的缩短显著增强,同时精馏分离流程具有安全可控、连续高效的特点。微尺度精馏分离技术具有独特优势,为化工精馏实现环保、降耗的目标提供了解决方案,也为流动化学合成系统的开发与完善提供了可能。

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48. 基于分子动力学模拟的Fe2O3纳米颗粒烧结机制研究
曾如宾, 沈中杰, 梁钦锋, 许建良, 代正华, 刘海峰
化工学报    2023, 74 (8): 3353-3365.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230499
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氧化铁是化工、冶金和能源等领域重要的原料,其在高温下的烧结性对产品性能至关重要。通过分子动力学模拟(MDS)研究了不同温度、粒径与空位缺陷浓度条件下Fe2O3纳米颗粒的烧结机制。结果表明,Fe2O3纳米颗粒粒径由3 nm增加至5 nm,烧结后收缩率由25.0%降低至10.8%,相对颈部宽度由96.6%降低至49.5%。当温度由900 K升高至1300 K,烧结过程原子扩散系数由1.758×10-3 nm2/ps增至4.303×10-3 nm2/ps,增大1.45倍。高温下(1300 K)原子迁移使颗粒部分结构由HCP和BCC结构转变为非晶结构,非晶原子比例为66.7%。含10.0%初始空位缺陷浓度纳米颗粒烧结过程的扩散活化能相比完美晶体(0空位浓度)降低约63.5%,原子迁移性及烧结致密化程度增强。研究结果对氧化铁颗粒高温热处理工艺优化具有指导意义。

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49. 离子液体脱除模拟油中挥发酚的多尺度模拟与研究
宋明昊, 赵霏, 刘淑晴, 李国选, 杨声, 雷志刚
化工学报    2023, 74 (9): 3654-3664.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230634
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对离子液体萃取模拟油中的苯酚和苯甲酚进行了多尺度模拟,基于COSMO-RS模型筛选了萃取效果良好的离子液体,并计算了离子液体和挥发酚的σ-profile以及混合物的超额焓用以探究体系极性与非理想性。通过量子化学计算与分子动力学模拟计算了挥发酚和离子液体的静电势、弱相互作用,以及径向分布函数和空间分布函数等参数,旨在了解离子液体与挥发酚之间的相互作用机理。设计了离子液体萃取脱除模拟油中挥发酚工艺流程,结合灵敏度分析进一步优化了工艺条件,计算结果证实了使用离子液体脱除挥发酚的可行性与先进性。

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50. 剧毒气体PH3的干法净化技术研究进展
杨学金, 杨金涛, 宁平, 王访, 宋晓双, 贾丽娟, 冯嘉予
化工学报    2023, 74 (9): 3742-3755.   DOI: 10.11949/0438-1157.20230604
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磷化氢(PH3)是一种来源广泛的剧毒气体,未经处理排放到大气中会对人体和环境造成严重危害。近年来,国家对PH3的排放进行了严格的规定,因此,尾气中PH3的深度净化受到了广泛的关注。干法是主流的PH3净化技术,主要包括吸附法和催化法。相较于湿法,干法具有性能好、稳定性强、耗水量小以及不产生二次污染等优点。本文首先从吸附法入手,分别探讨了复合金属氧化物吸附剂、活性炭基吸附剂及其他材料(分子筛、二氧化硅等)的研究现状,深入分析了各类脱磷吸附剂的结构性质及优缺点。其次对催化分解PH3的机理进行了总结归纳,重点讨论了各类催化剂的构-效关系。最后,介绍了其他干法(燃烧法、等离子体降解法、生物法)在PH3净化领域的应用。在此基础上,讨论了干法脱磷技术的主要优势以及面临的挑战,并对干法脱除PH3技术的发展方向进行了展望。本工作可以为脱磷吸附剂/催化剂的构建和设计提供参考和指导。

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