化工学报
 
 
 
 
 
国际刊号:ISSN 0438-1157
国内刊号:CN 11-1946/TQ
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  化工学报
 
2018年 69卷 6期
刊出日期:2018-06-05

目录
综述与专论
热力学
流体力学与传递现象
催化、动力学与反应器
分离工程
过程系统工程
表面与界面工程
生物化学工程与技术
能源和环境工程
材料化学工程与纳米技术
   
目录
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2018 Vol. 69 (6): 0-0 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 45729KB] ( 28 )
综述与专论
2339 金属有机框架材料分离低碳烃的研究进展
崔希利, 邢华斌

烯烃、烷烃和炔烃等结构相似物的高效分离是石油化学工业可持续发展的关键过程之一。低碳烃化合物结构和性质相近,仅在碳数和不饱和度存在微小差异,传统低温精馏过程选择性低、能耗高。金属有机框架材料/多孔配位聚合物(MOF/PCP)的结构多样性及可设计性使其可以精确识别相似物分子间的微小差异,在低碳烃分离领域取得重要进展。综述了金属有机框架材料在碳二/碳三的烯烃、炔烃和烷烃分离体系中取得的最新进展以及分离机理,探讨了金属有机框架材料在低碳烃吸附分离研究中存在的问题和发展方向。

2018 Vol. 69 (6): 2339-2352 [摘要] ( 56 ) [HTML 1KB] [PDF 8088KB] ( 60 )
2353 臭氧氧化脱硝技术研究进展
纪瑞军, 徐文青, 王健, 严超宇, 朱廷钰

区别于还原法脱硝技术,臭氧氧化脱硝技术将NO氧化为易溶于水的NO2和N2O5等,结合后续吸收工艺进行脱硝。臭氧氧化脱硝技术已经广泛应用于催化裂化、工业锅炉烟气NOx排放控制。结合臭氧氧化技术的工艺特点及反应动力学,分析了复杂烟气组分中NO氧化的选择性,重点关注臭氧与NO摩尔比、反应温度和停留时间等关键工艺参数对氧化产物组成的影响。通过阐述湿法与半干法脱硫工艺中的硫硝协同吸收原理,分析吸收剂、吸收气体组成、添加剂等因素对吸收效率的影响。在此基础上,提出臭氧氧化脱硝技术研究中存在的不足以及此技术未来的发展前景。

2018 Vol. 69 (6): 2353-2363 [摘要] ( 58 ) [HTML 1KB] [PDF 2573KB] ( 126 )
2364 真菌菌丝球研究进展
李立欣, 张斯, 王冬, 马放

菌丝球是在一定培养条件下形成的一种微生物聚集体,具有代谢能力强、吸附污染物量大等特点,同时还具有生物活性高、沉降速度快、易于固液分离等特性。近年来已成为国内外生物工程、环境保护等领域的研究热点。论述了菌丝球的特性、形成机理、形成条件及优化培养,详细介绍了菌丝球在水污染控制、工业发酵生产以及经济微藻回收等领域的应用。在此基础上,剖析了目前菌丝球研究工作中存在的问题,提出了今后菌丝球研究的主要发展趋势。

2018 Vol. 69 (6): 2364-2372 [摘要] ( 58 ) [HTML 1KB] [PDF 3960KB] ( 57 )
热力学
2373 球形胶囊内约束熔化过程的LBM模拟
林琦, 王树刚, 王继红, 宋双林

为了准确预测球形胶囊内部材料的相变性能,为后续相变微胶囊浆体的多尺度研究提供微观相变信息,采用格子Boltzmann方法(LBM),引入浸入式移动边界处理方案,借鉴糊状区和热焓理论,构建了适于相变模拟的数值模型,模拟了球形胶囊内部固液相变过程,讨论了不同粒径尺度下熔化机制的区别。结果表明,利用LBM方法得到的预测结果与可视化实验数据吻合较好,清晰地呈现出球体上部温度热分层和下部液相强对流共存的特性。随着粒径尺度的不断减小,胶囊内部对流作用逐渐减弱,甚至当粒径小于3 mm时,其内部对流作用可忽略。

2018 Vol. 69 (6): 2373-2379 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 1259KB] ( 57 )
2380 甲胺铅碘钙钛矿物性及制备过程的分子模拟
陈超, 赵伶玲, 王镜凡

应用分子动力学方法分析了甲胺铅碘晶体的结构特征与机械性质等相关物性,模拟了用蒸气沉积法在TiO2基底上制备甲胺铅碘晶体的过程,探讨了生成的PbI42-、PbI53-和PbI46-多面体的排布方式,结合周围CH3NH3+的分布筛选出满足结构要求的初生晶核,分析了前驱盐配比对甲胺铅碘初生晶核产量的影响。结果表明,在拉伸过程中,甲胺铅碘晶体经历弹性形变、塑性形变以及断裂三个阶段,拟合计算得到的弹性模量与实验值符合较好;大部分初生晶核以PbI53-金字塔的结构存在。前驱盐配比对各系统中PbIx多面体的总含量影响较小,但对其中排布有效的PbIx结构以及初生晶核的产量影响较大,二者产量随着配比PbI2∶CH3NH3I的增加而迅速减小,这一关系与研究者发现的实验现象相符。

2018 Vol. 69 (6): 2380-2387 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 2134KB] ( 76 )
2388 赤藓糖醇微观固液相变及热传导的分子动力学研究
冯飙, 邵雪峰, 朱子钦, 范利武

采用分子动力学方法对微尺度下赤藓糖醇的固液相变及热传导现象进行了模拟研究。首先选用GROMOS力场计算了赤藓糖醇固液两相的密度并将预测结果与实测值进行对比,验证了该力场的适用性。采用界面/NPT法模拟了赤藓糖醇的微观熔化过程,通过体系的体积突变得到预测熔点约为400 K,和实测值(392±1) K较为吻合。与直接加热纯固态赤藓糖醇的方法相比,该方法由于引入固液界面降低了成核自由能位垒,使得微观熔化过程的模拟更准确。此外,基于非平衡分子动力学方法研究了赤藓糖醇分子间的微观热传导现象。模拟得到液态赤藓糖醇的热导率为0.33~0.35 Wm-1K-1,与宏观实测值(0.33±0.02) Wm-1K-1保持一致。因为处于液态时赤藓糖醇的分子分布具有无序性,所以其热导率预测值几乎不随模拟系统的尺寸而变化。

2018 Vol. 69 (6): 2388-2395 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 1474KB] ( 47 )
2396 R1234yf/R134a混合物在汽车空调中替代R134a的实验研究
孟照峰, 张华, 秦延斌, 杨梦, 梁浩

在使用微通道换热器的汽车空调系统中,实验研究了新型混合制冷剂R1234yf/R134a(质量比为89∶11)替代R134a的可行性。实验结果表明,R1234yf/R134a和R134a的制冷量相似,R1234yf/R134a的COP比R134a低4%~9%,R1234yf/R134a的平均压缩机排气温度比R134a低10℃。通过添加质量分数11%的R134a,可以使R1234yf/R134a不可燃。此外,R1234yf/R134a没有臭氧消耗潜力,全球变暖潜能值小于150,符合欧洲汽车空调标准的要求。在几乎不改变原汽车空调系统的情况下,R1234yf/R134a可用作R134a的环保替代品。

2018 Vol. 69 (6): 2396-2403 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 539KB] ( 70 )
流体力学与传递现象
2404 变截面翅片通道内过冷沸腾可视化试验
李娟, 朱章钰, 彭浩, 李佳, 凌祥

以水为介质,对三角多孔翅片(TP)和横排锯齿翅片(TDS)两种变截面翅片通道的过冷沸腾进行了可视化试验。研究了体积流量、过冷度与热通量对过冷沸腾起始位置的影响,通过观察变截面翅片流道内单个气泡形成、生长与合并或脱离的过程,对比分析两种变截面翅片对流沸腾传热强化机理。试验结果表明:TDS翅片通道内气泡从出现到消失的平均周期约为TP翅片的一半;过冷沸腾起始位置随着体积流量的增大,逐渐向流道出口处移动;而随着热通量的增大和过冷度的减小逐渐靠近流道入口处;过冷度对过冷沸腾起始位置的影响比热通量对其的影响更大。

2018 Vol. 69 (6): 2404-2409 [摘要] ( 37 ) [HTML 1KB] [PDF 1982KB] ( 49 )
2410 温度分层对小型熔盐单罐释热过程影响
崔锡民, 鹿院卫, 吴玉庭, 马重芳

为了探究温度分层对小型熔盐单罐释热过程的影响,对释热前单罐内熔盐有、无温度分层两种工况下的释热过程进行了实验研究。通过对隔板内外侧熔盐温度、换热器出口处水温、释热过程累积释热效率等参数进行分析发现:释热过程中维持熔盐稳定的温度分层是提高单罐释热效率的关键因素,而浸没式换热器取热时产生的扰动会破坏熔盐温度分层,影响释热效率,需要对其进行优化。研究结果为内置浸没式换热器的小型熔盐单罐系统的优化提供了有效依据。

2018 Vol. 69 (6): 2410-2416 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 547KB] ( 41 )
2417 运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响
丁超, 胡海涛, 丁国良, 陈杰, 密晓光, 余思聪

为了明确运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响,开展了丙烷介质在壳侧的流动沸腾换热实验研究。干度0.2~1.0,热通量4~10 kW·m-2,质流密度40~80 kg·(m2·s)-1。实验结果表明:随着干度增加,传热系数先增大再减小,在干度0.8~0.9工况下达到最大值;随着热通量增大,传热系数在干度小于0.8的工况下逐渐增大,但是在干度大于0.8的工况下却逐渐减小;随着质流密度的增加,传热系数在低热通量工况下呈增加趋势,而在高热通量工况下呈现出非单调变化。

2018 Vol. 69 (6): 2417-2423 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 3200KB] ( 65 )
2424 低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱沿方位角传热特性
孟凡康, 褚琦, 王锦力

通过实验研究了低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱过程的沿方位角相界面移动规律及传热特性。改变水流速度、水流温度、冰柱尺寸及冰柱初始温度等控制参数,采用非接触测量方法获得了冰柱融化图像,基于影像实验数据与冰柱相界面传热系数之间的映射关系,分析了沿方位角对流传热系数等传热参数的变化规律。结果表明:各测量点的沿方位角Nusselt数不同,随着融化过程的进行,各测量点的沿方位角Nusselt数值均先增大后减小,整个融化过程中间某处存在最大值;其余实验控制参数不变的条件下,沿方位角对流传热系数均随着水流速度或水流温度的增大而增加;获得了水流纵掠冰柱融化过程NuφGr、Re、Pr、Steφ之间的关联式。

2018 Vol. 69 (6): 2424-2431 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 723KB] ( 23 )
2432 主、被动冷却的微槽道热管PV/T组件光电/光热性能对比分析
王霜, 罗会龙, 王浩

利用吸液芯为Ω形轴向微槽道热管在中低温余热回收领域中较高的热回收率和品质,设计与构建了一种基于Ω形微槽道热管风冷冷却的PV/T组件。测试分析了在主动冷却条件和被动冷条件下PV/T组件的热/电性能以及热风温度。试验结果表明,组件平均光电效率高于11%,平均光热效率为30%左右,平均(火用)效率高于13%,热风温度可达41℃以上,且主动冷却PV/T组件的光电、光热效率以及(火用)效率均高于被动冷却PV/T组件。与传统PV/T组件相比,该PV/T组件具有较明显的光电/热性能优势,收集的热风可用于建筑采暖、强化通风及热风干燥。

2018 Vol. 69 (6): 2432-2438 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 562KB] ( 13 )
2439 文丘里式气泡发生器内气泡破碎机制分析
邵梓一, 张海燕, 孙立成, 莫政宇, 杜敏

作为一种高效、安全的气泡发生装置,文丘里式气泡发生器在工业、化工等过程有广泛的应用,但对其内部气泡破碎过程和作用机制相关研究较少。前期研究发现,较大气泡进入文丘里管扩张段后会发生迅速减速,并对气泡碎化过程产生极大影响。基于大涡模拟方法,对文丘里式气泡发生器内的流动过程进行了数值模拟,发现在扩张段近壁面存在明显的涡流区,涡流区前端与上游来流发生强烈的碰撞,造成进入此区域的流体发生迅速减速,使得涡流区与主流交汇区附近静压急速增大;当此区域存在运动的气泡时,激增的压力梯度力以及附加质量力导致气泡运动速度迅速减小,并与周边流体形成了更强的相互作用;高流速条件下,会使气泡发生严重变形、甚至破碎。

2018 Vol. 69 (6): 2439-2445 [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [PDF 2254KB] ( 98 )
2446 鼓泡反应器中幂律型流体流动与传质特性
董鑫, 许晓飞, 刘凤霞, 曾倩, 王晓娟, 魏炜, 刘志军

很多废水处理装置涉及非牛顿型流体中的多相流动和传质问题,研究其中的气液传质过程有助于实现装置的优化设计和高效节能运行。以鼓泡反应器内清水和不同质量分数的羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液为实验对象,分别研究气相表观气速和液相流变特性对气泡尺寸分布、全局气含率和体积氧传质系数的影响。实验结果表明,液相的流变特性对其传质特性参数均有较大影响。与清水相比,CMC水溶液中气泡平均直径和分布范围更大;清水和CMC水溶液的全局气含率均随表观气速的增加而增大;CMC水溶液的体积氧传质系数随CMC水溶液质量分数的增加而减小。基于实验研究,得出修正的体积氧传质系数公式和适用于幂律型非牛顿流体流动体系氧传递过程的无量纲关联式,可很好地实现非牛顿流体流动的废水处理装置中气液传质参数的计算。

2018 Vol. 69 (6): 2446-2454 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 2762KB] ( 68 )
2455 矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动可视化研究
张文超, 焦琦, 周云龙, 杨美, 金光远, 杜利鹏

以去离子水为工质,对矩形通道内低压自然循环压降型脉动及其复合型脉动进行可视化实验研究,利用可视化手段拍摄脉动过程气相分布状态图像。通过流量脉动曲线与图像进行对照,分析流量脉动的物理过程及产生机理。实验过程中发现4类动态不稳定性:第Ⅰ类密度波(DWO)、压降型脉动(PDO)、复合型脉动(SPO)及第Ⅱ类密度波(DWO)。重点分析了压降型脉动与复合型脉动产生机理、影响因素及流动不稳定性边界。实验研究发现,受矩形通道挤压效应及稳压器内部可压缩空间影响,工质在稳压器和循环回路之间往复波动,形成压降型脉动,增大加热功率压降型脉动会叠加第Ⅱ类密度波形成复合型脉动。两类脉动的起始点会随入口过冷度增加呈现偏离趋势,并且压力增加,偏离趋势会随之增大。通过相变数、过冷度数等无量纲参数绘制了压降型脉动不稳定性边界。

2018 Vol. 69 (6): 2455-2462 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 3803KB] ( 6 )
2463 螺旋内槽管内天然气-水-表面活性剂体系的水合物生成动力学计算
辛亚男, 张建文, 张淑珍, 姜爱国

针对多组分气体(天然气)-水-表面活性剂体系在螺旋内槽管内的水合物生成过程,首先采用CFD方法结合群体平衡模型(PBM),基于溶质渗透模型和Kolmogorov各向同性湍流理论对螺旋内槽管内气液传质系数进行了模拟;其次基于Kashchiev和Firoozabadi的经典水合物成核和生长理论,将其体系从单组分-水系统扩展到多组分气体(天然气-水-十二烷基硫酸钠)系统,同时结合经典结晶理论利用传质系数对水合物生长模型进行了修正,建立了适用于螺旋内槽管流动体系内天然气水合物生成动力学模型。通过模拟计算,获得不同水合物生产条件下天然气在水中的平均传质系数;进而利用Microsoft Visual C++编程计算得到不同条件下水合物生成动力学数据,在考察范围内,天然气水合物的成核速率随着反应体系有效表面能的增大而锐减,而水合物生成驱动力和生长速率未受影响,同时水合物生长速率随着流速和反应压力的增大及温度的降低而增大,成核速率随着压力的增大和温度的降低而增大。

2018 Vol. 69 (6): 2463-2473 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 1044KB] ( 44 )
2474 矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率分布实验研究
蔡博, 夏国栋, 贾玉婷, 周燕昭, 宗露香

应用电导探针测量技术,对矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率进行实验研究。在不同的气相折算速度下,应用电导探针测量了弹状流弹单元的长度,并与可视化方法进行对比,验证了电导探针的可靠性,并为信号处理选择合适的阈值。分别在泡状流、弹状流及环状流三种流型的条件下,分析了气相与液相折算速度对局部含气率分布的影响。实验结果发现,螺旋通道气液两相局部含气率呈非对称的抛物线形分布,这种非对称性受流型和液相折算速度的影响。

2018 Vol. 69 (6): 2474-2480 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 591KB] ( 53 )
催化、动力学与反应器
2481 连续流微反应器中简单咪唑的制备
周峰, 刘宏臣, 王克军, 温正慧, 陈光文

研究了微反应器中Radziszewski反应连续高效制备咪唑的工艺过程,考察了停留时间、反应温度、甲醛/乙二醛摩尔比、醋酸铵/乙二醛摩尔比、乙二醛浓度及不同氨源等工艺参数对咪唑收率的影响,优化了咪唑合成的工艺路线。以醋酸铵为氨源、压力为1.7 MPa、反应温度为140℃、乙二醛浓度为0.25 mol/L、甲醛/乙二醛摩尔比为1.4、醋酸铵/乙二醛摩尔比为2.0、停留时间为159.4 s的条件下,咪唑收率高达81.6%。此外,探索了所构建的微反应器系统对于2-甲基咪唑、2-乙基咪唑和2-异丙基咪唑的合成过程适用性,并对其合成过程中存在的问题进行了讨论。

2018 Vol. 69 (6): 2481-2487 [摘要] ( 12 ) [HTML 1KB] [PDF 546KB] ( 14 )
2488 近临界乙醇中Zr-SBA-15催化糠醛一步法制备乙酰丙酸乙酯
吕喜蕾, 阮厚航, 陈皓, 吕秀阳

乙酰丙酸乙酯(ethyl levulinate,ELE)是一种用途广泛的有机化学品,可以通过糠醛先加氢再醇解制备,但存在工艺过程长、耗氢、成本高等缺点。提出了一种在近临界乙醇介质中,Zr-SBA-15催化糠醛一步法制备ELE的方法。制备了7种不同Si/Zr摩尔比的Zr-SBA-15,通过催化活性的比较优选出了Zr-SBA-15-10,并考察了催化剂量、乙醇量、反应温度和反应时间对糠醛催化转化制备ELE的影响,得到较佳的工艺条件。当糠醛量为100 mg,催化剂量为50 mg,乙醇量为7 ml,220℃下反应3 h,糠醛的转化率为99.9%,ELE的收率达47.4%。催化剂在重复使用四次之后依然保持良好的活性,通过XRD、N2-BET、TEM等表征表明反应前后催化剂的结构没有发生明显的变化。在反应机理方面,近临界乙醇介质中Zr-SBA-15-10催化下糠醛一步法转化制备ELE的主途径可能不同于乙酰丙酸甲酯,原位氢转移路径为主反应路径。

2018 Vol. 69 (6): 2488-2495 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 1100KB] ( 46 )
2496 脂肪酸甲酯加氢脱氧和蒸汽裂解两步法制备生物烯烃
孙培永, 王海星, 周玉鹏, 张胜红, 姚志龙

脂肪酸甲酯经生物烷烃制备轻质烯烃,有望缓解低原油价格导致的生物柴油产业发展困境。采用浸渍法制备了NiMo/Al2O3催化剂,首先考察其催化脂肪酸甲酯加氢脱氧制备生物烷烃的性能,然后进一步分析生物烷烃蒸汽裂解制烯烃的转化规律。结果表明,预硫化的NiMo/Al2O3能够高选择性地催化饱和脂肪酸甲酯加氢制备生物烷烃,并且催化剂的结构在反应1000 h后无明显改变。以上述烷烃为原料,在裂解炉出口温度为810℃,出口压力为0.10 MPa,物料停留时间为0.23 s和水油质量比为0.75的反应条件下进行蒸汽裂解,产物中乙烯、丙烯和丁二烯的收率分别达到36.30%、18.14%和7.46%,显著高于同等条件下石脑油原料得到的27.45%、14.74%和5.31%,表明源于脂肪酸甲酯的生物烷烃可以作为生产轻质烯烃的原料补充。

2018 Vol. 69 (6): 2496-2502 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 507KB] ( 59 )
2503 钌钯双金属催化剂催化L-氨基丙酸加氢特性
汤伟伟, 姚健龙, 许响生, 严新焕

通过添加金属Pd对Ru/C催化剂进行改性,提高了L-氨基丙酸加氢制备L-氨基丙醇的收率和光学选择性。采用ICP-MS、XRD、TEM和XPS对所制备的催化剂进行了系统的表征,结果表明:RuPd物种在载体活性炭上分散均匀粒径较小,Pd原子的加入可显著改善Ru的电子特性,调变不同的RuPd原子比,可影响RuPd物种的存在状态,进而影响L-氨基丙醇的收率和光学选择性。在氨基丙酸浓度为0.9 mol·L-1,磷酸浓度0.69 mol·L-1,催化剂用量为反应物的20%,反应温度95℃,压力4.0 MPa的反应条件下,RuPd原子比为3∶1时催化剂表现出最好的催化性能,L-氨基丙醇的收率达到99.7%,产品的光学选择性同样达到了99.7%,同时催化剂能循环使用20次,催化性能基本保持不变。

2018 Vol. 69 (6): 2503-2511 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 1461KB] ( 32 )
2512 Cu2O/TiO2催化甲醛乙炔化反应的载体效应
李海涛, 牛珠珠, 杨国峰, 张鸿喜, 王志鹏, 赵永祥

以不同温度焙烧的TiO2为载体,CuCl2·2H2O为铜源,NaOH为沉淀剂,L-抗坏血酸钠为还原剂,采用液相还原-沉积沉淀法制备了Cu2O/TiO2,借助X射线粉末衍射(XRD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、N2-物理吸附、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段,研究了TiO2载体焙烧温度对Cu2O/TiO2甲醛乙炔化反应性能的影响。结果表明,低温焙烧得到的TiO2载体以锐钛矿相存在,与Cu2O物种间具有弱的相互作用,使得Cu2O被过度还原为金属Cu,催化活性较低。随着载体焙烧温度的升高,TiO2中出现金红石相,Cu2O与载体间相互作用增强,Cu2O高效转变为乙炔亚铜活性物种,使催化剂表现出最佳的催化性能。

2018 Vol. 69 (6): 2512-2518 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 1357KB] ( 35 )
分离工程
2519 过程参数对采用多孔陶瓷超滤膜回收烟气中余热和水性能的影响
孟庆莹, 曹语, 黄延召, 王乐, 李丽, 牛淑锋, 漆虹

将孔径为20 nm的陶瓷膜组装制成膜冷凝器,在水蒸气-空气形成的模拟体系中,采用去离子水作为冷却介质,开展了传递膜冷凝技术在烟气除湿和工业余热综合应用方面的研究。考察了空气流量、冷却水流量、进气温度和冷却水温度对陶瓷内膜和外膜过程通量的影响,并比较了两者水热回收性能。结果表明,过程通量均随进气流量和进气温度的增大而增加。随着冷却水流量的增大,过程通量也不断增加,但是冷却水流量达到一定值后,过程通量基本不再变化。冷却水温度对过程水通量的影响较小,但是热通量对冷却水温度的改变较敏感。冷却水流量的变化对陶瓷外膜的过程通量影响更加显著,表明陶瓷外膜水热回收过程更易受流体边界层的影响。在各实验工况范围内,陶瓷内膜和外膜分别具有更高的热通量和水通量,采用陶瓷膜过程的水通量和热通量最高分别可达到23.1 kg·m-2·h-1和47.5 MJ·m-2·h-1。随着传递膜冷凝技术开发和研究的不断深入,该技术在除湿和工业余热综合应用领域有着广阔的发展空间,将为我国节水、节能以及环境保护等领域的发展提供新的解决思路。

2018 Vol. 69 (6): 2519-2525 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 1203KB] ( 71 )
2526 分子筛SBA-15负载离子液体[P66614][Triz]脱除氢烷气中CO2
李艳南, 程军, 刘建忠, 周俊虎, 岑可法

以高效吸收CO2的离子液体(IL)[P66614][Triz]作为吸收剂,通过浸渍法负载到两种不同孔径的介孔分子筛SBA-15上,用于脱除生物氢烷气中CO2,并利用N2吸附仪、扫描电子显微镜(SEM)和高倍透射电子显微镜(HRTEM)对负载材料进行了表征分析。混合吸收剂SBA-15(4.3 nm)-50%[Triz]的吸收容量和吸收速率比SBA-15(6.6 nm)-50%[Triz]的分别提高了12.4%和95.1%,这是由于SBA-15(4.3 nm)的孔道长度更短,避免了填充在孔道内的[P66614][Triz]在反应过程中接触不到CO2,从而比SBA-15(6.6 nm)-50%[Triz]有更多IL反应活性点参与反应。还研究了不同氢烷气速率下SBA-15(4.3 nm)-50%[Triz]对CO2的吸收并与2种吸附动力学模型相拟合,结果表明SBA-15(4.3 nm)-50%[Triz]对CO2的吸收更符合准二级吸附动力学模型,表明吸附过程受化学吸附机理的控制,验证了[P66614][Triz]是通过化学反应脱除CO2

2018 Vol. 69 (6): 2526-2532 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 2306KB] ( 10 )
2533 钙碳比对CaSO4-CaCO3-(NH4)2CO3-H2O体系反应-结晶过程的影响
宫源, 周加贝, 朱家骅, 罗安安, 薛潇, 田建

在CaSO4-CaCO3-(NH42CO3-H2O反应体系中,生成碳酸钙与硫酸铵的控速步骤是石膏溶解。溶解表面被新生的碳酸钙结晶覆盖是重要影响因素。基于反应面模型,通过调整钙离子溶出速率与碳酸根加入速率之比(钙碳比),将反应-结晶面控制在溶解表面的固液扩散边界层临界距离之外从而避免覆盖。实验采用表面积一定的天然纯净块状石膏试样,并向溶解体系滴加碳酸铵溶液,使钙碳比分别为0.125、0.25、0.5、1、2、4和8,观察碳酸钙在石膏表面的包覆现象,并预测反应-结晶面与溶解表面之间的微距离。结果显示,当钙碳比为0.125、0.25、0.5和1时,试样表面出现碳酸钙包覆但包覆量随λ增大而减小;当钙碳比为2、4和8时,试样表面不出现包覆,碳酸钙结晶生成于液相主体。将钙碳比为1视为临界值,该条件下反应-结晶面与溶解表面的微距离大于18 μm。

2018 Vol. 69 (6): 2533-2539 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 1400KB] ( 71 )
2540 萘磺酸盐分散剂在不同晶型吡唑醚菌酯颗粒表面吸附性能
王丽颖, 姜震东, 徐勇, 陈浩浩, 项盛, 郭鑫宇, 吴学民

通过X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、紫外光谱(UV)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)测试,研究了萘磺酸盐分散剂在两种晶型吡唑醚菌酯颗粒表面的吸附性能。两种晶型吡唑醚菌酯吸附萘磺酸盐分散剂后,晶型未发生改变;两种晶型吡唑醚菌酯吸附动力学均符合伪二级动力学方程,晶型Ⅱ Ea=16.04 kJ·mol-1,晶型Ⅳ Ea=12.42 kJ·mol-1,均为物理吸附;吡唑醚菌酯晶型Ⅱ、晶型Ⅳ吸附等温线均符合Langmuir模型,晶型Ⅱ的吸附焓变Had为20.64 kJ·mol-1,吸附过程为吸热过程,温度升高有利于萘磺酸盐甲醛缩合物(D425)在晶型Ⅱ颗粒表面的吸附;晶型Ⅳ的吸附焓变Had为-15.26 kJ·mol-1,吸附过程为放热过程,温度升高不利于D425在晶型Ⅳ颗粒表面的吸附。

2018 Vol. 69 (6): 2540-2550 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 2298KB] ( 40 )
过程系统工程
2551 基于集成学习的多产品化工过程软测量建模方法
邵伟明, 田学民, 宋执环

化工过程通常具有非线性、时变以及多产品等特性。针对上述特点,在集成学习框架下建立自适应软测量模型。首先,面向具有多个产品的化工对象,借助k近邻法,以统计假设检验理论为依据,提出一种自适应局部化方法,获得多样性程度高的局部模型集合。然后,根据未知样本量化局部模型的泛化能力,通过选择性集成方法获得主导变量的估计值。此外,为了对主导变量估计值的精度进行评估,基于局部模型泛化误差,给出一种通用性高的模型性能评价方法。在仿真的盘尼西林生产过程上的运行结果验证了所提方法的有效性。

2018 Vol. 69 (6): 2551-2559 [摘要] ( 54 ) [HTML 1KB] [PDF 1654KB] ( 39 )
2560 工业多水源供水网络优化设计
周文晋, 江苇, 邓春, 冯霄

传统的工业供水网络设计往往仅考虑单个水源或多个水源的单水质参数的优化问题,没有考虑多水质参数和多水源以及相应的原水预处理系统。提出了工业多水源供水网络的超结构模型,并对原水预处理系统进行了数学建模,考虑了不同水源的水质特点,相应的预处理设备产水率和水质的移除率,将工业水阱进行了分类并考虑了多种水质参数的约束。以沿海某炼油企业的多水源供水网络为例,利用商业软件GAMS进行建模求解。优化结果表明,该炼油企业最佳的供水方案是综合使用地表水,市政中水和地下水作为水源,不使用市政供水和海水。该案例优化的供水网络年度化费用为638.42万元。

2018 Vol. 69 (6): 2560-2566 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 564KB] ( 50 )
2567 基于过程迁移的间歇过程终点质量预报方法
褚菲, 程相, 代伟, 赵旭, 王福利

提出了一种基于过程迁移的间歇过程质量预报方法,旨在解决新间歇过程数据不足难以建立准确预报模型的问题。该方法基于多元统计回归分析模型,通过构建相似间歇过程间的共同潜变量空间,将已有相似间歇过程的数据信息迁移应用到未建模的新间歇过程中,实现新间歇过程的快速建模和质量预报。在线应用时,利用在线数据不断更新过程迁移模型;同时,实时估计模型预测误差的置信区间,判断预报模型预测误差的稳定性;为克服相似过程间可能存在的差异给迁移模型带来的不利影响,根据数据相似度逐步剔除相似间歇过程数据。最后,通过仿真实验验证了所提方法的有效性。

2018 Vol. 69 (6): 2567-2575 [摘要] ( 26 ) [HTML 1KB] [PDF 731KB] ( 36 )
2576 基于Gath-Geva算法和核极限学习机的多阶段间歇过程软测量
张雷, 张小刚, 陈华

间歇过程具有较强的非线性,多阶段、慢时变及批次间存在变化,采用单一预测模型不能反映间歇过程的多阶段特性及阶段间过渡特性。提出一种基于Gath-Geva聚类和核极限学习机(kernel extreme learning machine,KELM)的多模型软测量方法。首先采用主成分分析(principal component analysis,PCA)对输入做特征提取,然后利用Gath-Geva算法对间歇过程进行多阶段工况划分,根据生产工况特性划分为不同的操作阶段后,分别建立局部KELM模型。对任一待预测样本,分别计算其对应各局部模型的预测值,最后采用贝叶斯集成,将其隶属于各局部模型的模糊隶属度作为权重和预测值融合得到最终预测值。以青霉素发酵数据进行实验测试,结果表明所提多模型算法相较于单一模型,具有更高的预测精度。

2018 Vol. 69 (6): 2576-2585 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 1610KB] ( 51 )
2586 多反应器级联的沉铁过程pH优化控制
李勇刚, 马蕾, 伍铁斌, 朱红求, 阳春华

针对沉铁过程多反应器级联、离子浓度检测滞后及工况变化频繁导致pH优化控制困难的问题,提出了一种基于多反应器级联的沉铁过程pH优化控制方法。该方法基于入口工况划分与氧气变化量预设定各个级联反应器的pH,并针对影响焙砂添加量的两个主要因素:pH和亚铁离子浓度,建立了基于沉铁过程化学反应机理和物料平衡的焙砂添加量模型;考虑到沉铁过程机理复杂及离子浓度检测滞后影响焙砂的准确添加,引入了氧化还原电位(oxidation-reduction potential,ORP),并提出一种基于ORP和pH变化量的焙砂模糊修正模型。仿真结果证明了该方法的有效性,为针铁矿法沉铁过程的稳定运行创造了条件。

2018 Vol. 69 (6): 2586-2593 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 694KB] ( 17 )
2594 基于动态代谢通量分析的发酵过程多目标优化
高岩, 赵忠盖, 刘飞

通过动态代谢通量分析方法建立发酵过程模型,提出了一种基于微观代谢信息的发酵过程多目标优化策略,该策略基于所建微观模型,根据动态特性将发酵过程分为菌体生长和产物合成两个阶段,进行特征分析并从微观通量层面分别设计优化目标与约束条件,采用多目标粒子群算法求得最优解。该方法用于青霉素发酵过程底物流加速率和pH的操作轨迹优化,仿真实验结果表明,采用基于微观通量的多目标优化策略能够提高产物终端浓度,表明优化策略的有效性。

2018 Vol. 69 (6): 2594-2602 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 725KB] ( 63 )
2603 变透平效率有机朗肯循环工质筛选及多目标优化
韩中合, 梅中恺, 李鹏

针对523.15 K的中高温余热烟气热源,选取戊烷、己烷、庚烷、环己烷、MM(六甲基二硅氧烷)、苯和甲苯为候选工质,引入一维向心透平效率预测模型取代固定透平效率,以(火用)效率和系统净功为目标函数,基于NSGA-Ⅱ算法对ORC系统进行多目标求解,采用理想点辅助法对各工质Pareto前沿进行决策寻优。得出以下结论:工质的透平效率与透平等熵膨胀比(VFR)存在较强的相关性,透平效率曲线与VFR曲线的变化趋势相反;在给定热源条件下,苯是最优工质,甲苯和环己烷是次优工质;当蒸发温度超过400 K时,(火用)效率下降趋势加快,当蒸发温度超过410 K时,系统净功上升趋势放缓;定透平效率寻优会对最佳参数与最优工质筛选结果造成一定影响,与实际存在偏差;变透平效率寻优可以减少误差,更接近工程实际。

2018 Vol. 69 (6): 2603-2611 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 834KB] ( 64 )
表面与界面工程
2612 生物柴油碳烟分散特性对液体石蜡摩擦学行为的影响
李川, 张强强, 李中洋, 凤维民, 刘天霞, 胡献国

生物柴油碳烟(BDS)在润滑油中团聚会引起润滑油黏度增加和磨损加剧。为了提高BDS的分散性从而改善其在润滑油中的润滑性能,采用旋转黏度计和高频往复试验机分别考察分散剂聚异丁烯丁二酰亚胺(PIBSI)和钙盐清净剂(高碱值合成磺酸钙HACS、烷基水杨酸钙ACS、硫化烷基酚钙SCA)对含BDS的液体石蜡(LP)的分散特性和摩擦学行为的影响,借助X射线光电子能谱、Zeta电位仪、3D激光扫描显微镜和扫描电子显微镜附带能谱探究BDS分散和摩擦磨损机制。结果表明,与单一添加相比,PIBSI与HACS复合添加于含BDS的LP中,BDS表面的—OH含量最高,在LP中团聚态BDS的平均粒径最小,对BDS的分散效果最好;添加9%(PIBSI+HACS)于含5% BDS的LP时,磨损体积从7.73×105 μm3降低到5.42×105μm3,降幅为29.9%;机理分析显示(PIBSI+HACS)通过氢键吸附在BDS表面,阻碍LP中BDS团聚;(PIBSI+HACS)对BDS的分散和抑制BDS在摩擦表面吸附作用,起到提升含BDS的LP的抗磨性能的效果。

2018 Vol. 69 (6): 2612-2620 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 4415KB] ( 18 )
2621 反气相色谱法研究前沥青烯的表面性质
肖怀德, 王强

采用反气相色谱法表征前沥青烯的表面性质,测定了其表面色散自由能及酸碱常数,并基于极性探针的吸附,得到极性探针在前沥青烯表面的极性吸附自由能DGsp和极性吸附焓DHsp。结果显示,温度在60~100℃范围内,前沥青烯的表面色散自由能随着温度的升高而逐渐减小。前沥青烯表面的酸常数Ka为0.91,碱常数Kb为2.98,Kb/Ka=3.27。由此可知,前沥青烯为两性偏碱性材料。

2018 Vol. 69 (6): 2621-2626 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 553KB] ( 24 )
生物化学工程与技术
2627 重组大肠杆菌全细胞用于苯乙酮酸的绿色生物合成
唐存多, 史红玲, 和子涵, 丁朋举, 焦铸锦, 阚云超, 姚伦广

苯乙酮酸是化学合成中重要的合成砌块,可用于合成多种药物中间体,探索苯乙酮酸的绿色合成工艺具有重要的意义。以包含D-扁桃酸脱氢酶LhDMDH编码基因的重组大肠杆菌全细胞为催化剂,考察了它在无辅酶和辅底物添加的条件下对D-扁桃酸生物转化的效果,并对催化产物进行了纯化和鉴定。结果表明,本研究成功实现了在无辅酶和辅底物添加条件下苯乙酮酸的生物合成,产物的得率和纯度分别为45%和99%左右。成果也为外消旋扁桃酸的手性拆分及苯乙酮酸的生物合成奠定了基础。

2018 Vol. 69 (6): 2627-2631 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 564KB] ( 51 )
能源和环境工程
2632 O2/CO2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性的影响
李汉卿, 王长安, 朱晨钊, 赵磊, 韩涛, 车得福

近年在新疆准东地区探明了储量巨大的准东煤,而O2/CO2燃烧技术被认为是最有前景的碳捕集技术之一,因此研究准东煤的O2/CO2燃烧技术对中国煤炭的大规模高效清洁安全利用具有重要意义。然而目前鲜有O2/CO2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性影响的相关研究。因此针对准东煤,利用灰熔点测定仪、SEM-EDS分析开展相关研究。实验结果表明:空气气氛、CO2气氛及O2/CO2气氛的转变对准东煤灰熔融温度的影响可以忽略不计,但会在一定程度上改变煤灰的微观理化特性。O2/CO2气氛主要影响到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布,而O2浓度是影响准东煤灰表面微观形貌的主要因素。

2018 Vol. 69 (6): 2632-2638 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 6547KB] ( 23 )
2639 冷却水流量对ORC系统性能影响的实验研究
吴玉庭, 赵英昆, 雷标, 孟庆鹏, 陈如梦, 智瑞平, 马重芳

采用自主研发的单螺杆膨胀机作为机械动力,实验研究了冷却水流量对ORC余热发电测试系统及单螺杆膨胀机性能的影响。实验结果表明:当冷却水流量从8 m3·h-1升至19 m3·h-1时,单螺杆膨胀机输出功和轴效率分别从4.31 kW、36.38%增至5.15 kW、41.1%,分别增加了19.5%、13%。针对本实验系统,在考虑润滑油泵、工质泵、冷却水泵和冷却塔风扇等所有系统辅机功耗之后,当冷却水流量为12 m3·h-1时,系统净输出功和系统净效率达到最大值,分别为2.44 kW和2.47%。通过研究冷却水流量对ORC系统性能的影响,为ORC冷却系统的设计和优化系统性能提供重要的实验依据。

2018 Vol. 69 (6): 2639-2645 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 1397KB] ( 14 )
2646 新型空气-水双热源复合热泵系统除霜特性及能耗
徐俊芳, 赵耀华, 全贞花, 王会粉, 赵会刚, 王皆腾

基于新型空气-水双热源复合热泵系统(AWDSHPS-N),实验研究了AWDSHPS-N采用冷凝器出口制冷剂再冷却除霜(D-I)、低温热水除霜(D-Ⅱ)、低温热水+冷凝器出口制冷剂再冷却除霜(D-Ⅲ)3种除霜模式进行除霜时对系统整体性能系数(COP)的影响,除霜期间系统运行特性及除霜所消耗的能量,并与逆循环除霜模式进行了对比分析。测试工况下的实验结果表明,除霜模式D-I和D-Ⅲ仅使系统整体COP较结霜运行期间的COP分别降低了0.42%和3.93%;D-Ⅱ除霜期间系统的制热功率和COP分别较结霜运行期间提高了27.4%和17.8%。D-I、D-Ⅱ和D-Ⅲ完成一次除霜能耗仅分别为逆循环除霜能耗的3.11%、34.78%和28.26%;采用此3种除霜模式时系统整体COP较采用逆循环除霜时分别提高了26.06%、29.79%和17.02%。

2018 Vol. 69 (6): 2646-2654 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 697KB] ( 29 )
2655 污泥热解炭脱除NO特性
印安冬, 邓文义, 马璟宸, 苏亚欣

以废水污泥热解产生的污泥热解炭为原料,通过酸洗、活化、负载Fe、H2还原等方式考察不同污泥热解炭样品对脱硝性能的影响。结果表明,污泥原样中的Fe2P、FeS等低价态的铁具有良好的脱硝性能,450~500℃时最大脱硝效率达到81%。经过HNO3酸洗和KOH活化后的污泥热解炭,因为去除了Fe2P、FeS等低价态的铁,脱硝效率大幅下降,在450~500℃的最大效率分别仅为30%和53%。而热解污泥负载样中的Fe主要以Fe2O3形式存在,其最大脱硝效率在450~500℃时只有50%。经过H2还原后,负载样中的Fe2O3被还原为Fe2P、FeS等低价态的铁,其最大脱硝效率在450~500℃时上升至94%。

2018 Vol. 69 (6): 2655-2663 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 691KB] ( 31 )
2664 辉光放电电解降解水体中阳离子桃红FG的机理
陆泉芳, 俞洁, 杨彩玲, 李敏睿

用辉光放电电解(GDE)技术对模拟染料废水阳离子桃红FG的降解过程进行了研究。通过发射光谱法测定了GDE产生的活性粒子,用紫外光谱和总有机碳(TOC)分析仪研究了不同放电时间下的脱色率和去除率,用电导率仪和酸度计测定了降解过程中溶液的电导率和pH的变化,同时用离子色谱对降解中间产物进行了分析。结合各种分析结果,探讨了GDE降解阳离子桃红FG的机理。结果表明,在最佳电压600 V时,溶液中产生HO·、O·、H·等高活性粒子;放电120 min时,200 ml 20 mg/L阳离子桃红FG的脱色率和TOC去除率分别可达99.0%和72.6%;降解液pH先减小后增大,电导率存在先增大后减小的趋势;离子色谱测试表明,降解过程中产生多种有机小分子酸。羟基自由基(HO·)对阳离子桃红FG的降解起关键作用,GDE降解阳离子桃红FG的机理为:HO·作用下助色基团键断裂,产生酚类等中间产物,然后继续被降解为醌和小分子有机酸,最终矿化为Cl-、NO3-、CO2和H2O。

2018 Vol. 69 (6): 2664-2671 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 771KB] ( 15 )
2672 温度梯度与产物流动对先锋褐煤热解产物分布的影响
周国江, 刘竹涛, 战金辉, 赖登国, 刘晓星

通过两段固定床反应器分离了煤热解和二次反应过程,模拟了传统外热式固定床反应器和外热式内构件固定床反应器内挥发性热解产物流动与固相反应颗粒间的相互作用,研究了不同温度的半焦对先锋褐煤热解产物分布和品质的影响。结果表明:当半焦的温度在500~900℃时,焦油发生剧烈的二次反应,热解气收率增加,焦油收率大幅下降,H/C同时大量降低且均低于空白样,油品质下降;在100~400℃半焦作用下,焦油发生轻微的二次反应,热解气收率略微增加,焦油收率缓慢下降,但H/C均高于空白样,油品质提升。该结果验证内构件外热式固定床反应器热解产生的焦油具有更高的收率及品质。

2018 Vol. 69 (6): 2672-2680 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 786KB] ( 48 )
2681 含油污泥在ZSM-5沸石上催化热解产物特性
林炳丞, 王君, 黄群星, 池涌

采用U型固定床管式炉研究了含油污泥在ZSM-5分子筛催化剂上的热解产物特性。发现在450℃下未使用催化剂热解时,GC-MS和GC测得的油泥热解油产物中的主要成分为烷烃和烯烃,芳烃含量较低;气体产物中主要为短链烃类,氢气产量较少。而在ZSM-5分子筛的催化作用下,热解油中芳香烃产量达到88.4%,气体产物中的氢气产量和短链烃类产量均明显增加。研究了400~550℃之间分子筛对含油污泥的催化效果,发现ZSM-5在500℃时催化效果最佳,油相产率达到65.6%,油相中的沥青质和胶质含量较低,芳香烃产量达到90.9%。通过热重和XPS分析发现分子筛上的积炭主要以多环芳烃焦炭的形式存在。

2018 Vol. 69 (6): 2681-2687 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 1662KB] ( 29 )
2688 污泥水热处理过程中氮元素的迁移转化
王兴栋, 李春星, 尤甫天, 刘学蛟, 汪印

采用高温高压反应釜在不同温度下进行了污泥水热实验。主要考察污泥中氮元素在水热过程中的迁移转化以及水热温度的影响,并对水热过程中氮元素的迁移路径进行了系统分析。结果表明,氮元素主要分布在固相和液相产物中,并随着水热温度的升高,分布在液相产物中的氮元素逐渐增加。在水热过程中,污泥中的无机氮形态几乎全部转换为氨氮和硝酸盐氮形态;不稳定性蛋白质氮分解为有机氮和氨氮,有机氮可进一步分解为氨氮;而稳定性蛋白质可转变为吡啶氮、吡咯氮、季氮以及腈氮形态,在较高的水热温度下均可再分解为氨氮。因此,随着水热处理温度的升高,污泥中氮元素逐渐从固相中转移到液相中,在液相产物中主要以有机氮和氨氮形态赋存。

2018 Vol. 69 (6): 2688-2696 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 681KB] ( 69 )
2697 饮用水处理工艺中臭氧剂量控制消毒副产物生成势研究
袁展, 吉红军, 余冉, 朱光灿

依托江苏某自来水厂预臭氧+常规处理+臭氧-BAC深度处理示范工程,在浑浊度、TOC、CODMn、UV254等常规评价指标监测基础上,重点探讨不同臭氧投加量条件下各处理单元对总三卤甲烷生成势(TTHMFP)与总卤乙酸生成势(THAAFP)各类消毒副产物生成势(DBPFP)物质的去除规律与作用机理。结果表明,在预臭氧最佳投加量为1.1 mg·L-1,后臭氧最佳投加量为1.8 mg·L-1时,预臭氧和臭氧-BAC深度处理单元对THMFP的去除以三氯甲烷生成势(TCMFP)为主,其去除量分别占TTHMFP去除量的86.8%和60.2%,对HAAFP的去除在预臭氧单元以三氯乙酸生成势(TCAAFP)为主,占THAAFP去除量的77.2%,在O3-BAC深度处理单元以氯代卤乙酸生成势(Cl-HAAFP)为主,占THAAFP去除量的70.2%。深度处理工艺不同工艺段在最佳臭氧投加剂量下对TTHMFP及THAAFP的平均去除率分别可达21.9%及63.2%,生物可降解溶解性有机碳(BDOC)总去除率达82.49%,说明该优化的深度处理工艺能够较有效地去除DBPFP,保障出水水质生物稳定性。

2018 Vol. 69 (6): 2697-2707 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 939KB] ( 58 )
2708 煤粉炉掺烧生活垃圾对灰渣特性的影响研究
林晓青, 陈志良, 李晓东, 陆胜勇, 严建华

利用小试规模煤粉炉,研究掺烧不同比例生活垃圾对燃煤灰渣特性的影响,主要包括飞灰元素组成、飞灰粒径分布、飞灰形貌、灰熔点和结渣特性等影响变化研究。结果表明,随着生活垃圾掺烧比例的增加,灰分中Ca、Fe、Cl和S元素含量增加,Al、Mg、K、Na、Ti和Si含量降低,飞灰球形颗粒分布减少,层状堆积结构增多;灰渣熔融特征温度呈平缓下降趋势,但变化范围小于2%,影响较小;掺烧量为25%时,飞灰表面发现少量褐色大颗粒。总之,生活垃圾掺烧对燃煤灰渣特性影响很小,该结果为实际煤粉炉开展掺烧生活垃圾试验提供了一定理论基础。

2018 Vol. 69 (6): 2708-2713 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 1711KB] ( 39 )
2714 富氧燃烧下水蒸气对矿物捕集铬的影响
李箫玉, 董卉, 赵小平, 陈娟, 路春美, 姚洪

通过沉降炉煤燃烧实验及动力学模拟研究了水蒸气对Cr转化行为的作用及水蒸气对矿物吸附剂捕集Cr的影响。研究表明,CaO及Fe2O3在空气及富氧燃烧下均能较好地捕获Cr蒸气,石灰石的作用远差于CaO及Fe2O3,高岭土无论空气还是富氧燃烧下对捕集Cr均无效果。动力学模拟表明H2O促进Cr(Ⅲ)快速转化为高价Cr蒸气CrO(OH)2、CrO2(OH)及CrO2(OH)2。富氧燃烧下H2O抑制了CaO与Cr的反应,但燃烧灰中六价铬化合物大量增加,特别是当H2O与CaO同时存在时,灰中43%的铬为六价铬。水蒸气促进了Fe2O3捕集铬化合物使其固定在灰中。富氧燃烧下水蒸气促进Cr在煤灰中富集,随着H2O浓度由8%升高至20%,灰中铬的富集率又下降,主要由于水蒸气对CaO捕集Cr的抑制作用。

2018 Vol. 69 (6): 2714-2721 [摘要] ( 73 ) [HTML 1KB] [PDF 1160KB] ( 68 )
2722 ABR-MAP-MBR组合工艺处理高浓度养殖废水研究
聂丽君, 李德豪, 何京东, 钟华文, 林培喜, 周如金

针对养殖废水高悬浮物、高有机物及高氨氮的特点,采用厌氧折流板反应器/磷酸铵镁沉淀/兼氧-好氧膜生物反应器(ABR-MAP-MBR)组合新工艺对其进行中试处理研究,考察生物反应器的启动运行条件;考察水力停留时间(HRT)、水温和溶解氧(DO)等运行参数对养殖场废水各阶段处理效果的影响;考察MAP沉淀法对ABR厌氧出水的NH4-N去除效果。结果表明:采用阶梯负荷启动策略,60 d完成ABR反应器的启动,厌氧环节在HRT为24 h、水温25~35℃时COD去除率达73.5%;磷酸铵镁沉淀过程中选择氯化镁、磷酸三钠作为沉淀剂,控制Mg2+∶NH4+∶PO43-摩尔比为1.2∶1∶0.95,pH为8.5~9.0条件下处理ABR厌氧出水,COD、NH4-N和PO43--P去除率分别为28.2%、85.4%和89.7%;通过对A/O-MBR反应器HRT和DO的条件优化,该单元的COD、SS、NH4-N和TN等指标的去除率分别为82.0%、95.2%、72.4%和67.7%(HRT=16 h,O区DO≥3.0 mg·L-1)。经过组合工艺的综合处理,系统出水各项主要指标(SS、COD、TN和TP等)达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001)一级排放标准,表明该新工艺在规模化养殖场废水处理中具有良好的应用前景。

2018 Vol. 69 (6): 2722-2729 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 570KB] ( 23 )
2730 不同异位修复工艺对高浓度铬渣污染土壤中Cr的去除特性
朱文会, 李志涛, 王夏晖, 王兴润

以我国某铬盐厂的两种不同污染特性铬渣污染土壤(A土和B土)为研究对象,探讨了三种异位修复工艺(淋洗、稳定化、湿法解毒)去除铬渣污染土壤中总Cr和Cr(Ⅵ)的效果,并采用改进BCR顺序提取法分析了不同修复工艺对土壤中各形态Cr的去除效果。实验结果表明,三种异位修复工艺对铬污染土壤中Cr(Ⅵ)的去除效果为湿法解毒 > 稳定化 > 淋洗,湿法解毒工艺对A土、B土中Cr(Ⅵ)的去除率分别高达83.26%、92.94%;对铬污染土壤总铬去除效果最佳的是异位淋洗工艺,异位淋洗工艺对A土、B土总铬消减分别达54.87%、80.16%。异位淋洗工艺实现了对水溶态Cr(Ⅵ)、酸溶态Cr(Ⅵ)的泥水分离,是总铬消减的主要原因;稳定化工艺和湿法解毒工艺降低了土壤pH,促进了水溶态Cr、酸溶态Cr及可还原态Cr向可氧化态Cr的转化,因此土中总Cr并未发生显著消减。高浓度铬渣污染土壤经三种异位修复工艺处理后,A土Cr(Ⅵ)仍然残留736.6 mg·kg-1,B土Cr(Ⅵ)仍然残留245.47 mg·kg-1,酸溶态Cr的残留是导致三种工艺修复Cr(Ⅵ)效果受限的主要原因。

2018 Vol. 69 (6): 2730-2736 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 568KB] ( 25 )
2737 表面重构石英砂滤料的制备及微生物附着行为
李思敏, 王让, 徐宇峰

基于普通石英砂滤料表面光滑、比表面积小、微生物难以附着等缺陷,以BOE(buffered oxide etch)腐蚀液对普通石英砂滤料进行化学蚀刻处理,以改善石英砂的表面形貌,促进微生物在石英砂滤料表面附着。扫描电镜分析结果表明,经改性得到的表面重构石英砂形貌发生明显变化,整体呈沟槽形貌;因素分析试验结果表明,在腐蚀液浓度为15%(质量)、HF与NH4F的质量比为1∶1、反应温度为55℃、反应时间为45 min的条件下,所得改性石英砂表面的沟槽较多且宽度多介于1.0~5.0 μm之间,表面生物量由改性前的9.3 nmol P·g-1提高到改性后的15.7 nmol P·g-1;红外光谱分析结果显示,改性石英砂表面部分Si—O转变为Si—OH,有机物特征峰的消失反映了石英砂表面有机物的进一步去除;石英砂的比表面积由改性前的0.427 m2·g-1提高至改性后的1.475 m2·g-1;对CODCr的平均去除率由改性前的41.9%提高到改性后的51.6%。因此,表面重构石英砂具有较好的微生物亲和性,更适宜微生物的附着。

2018 Vol. 69 (6): 2737-2743 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 2878KB] ( 69 )
材料化学工程与纳米技术
2744 PEI交联的PECH/nylon复合阴离子交换膜的制备及性能研究
姜玉良, 刘元伟, 韩波, 阮慧敏, 沈江南, 高从堦

聚环氧氯丙烷(PECH)是一种线性高分子聚合物,具有较好的稳定性和成膜性能,且以PECH为基体制备阴离子交换膜,可避免致癌物质如氯甲醚、双氯甲醚的使用,但存在机械强度差与吸水性较大等缺点。本研究采用聚乙烯亚胺(PEI)作为交联剂,通过其与PECH发生交联反应,在其内部形成网状结构限制PECH膜在水中的过度溶胀,从而增强膜的机械强度,同时引入尼龙网布(nylon)作为支撑材料进一步提高膜的力学性能,制备了QCPECH/nylon复合阴离子交换膜。研究结果表明,制备的P1膜在电渗析应用过程中的脱盐效率(94.8%)比商业膜(Neosepta AMX)的脱盐效率(92.4%)更高,由此可见,用PEI交联的PECH/nylon复合阴离子交换膜在电渗析脱盐中具有潜在的发展前景。

2018 Vol. 69 (6): 2744-2752 [摘要] ( 11 ) [HTML 1KB] [PDF 3771KB] ( 12 )
2753 纳米CaCO3孔径调控及其对碳酸化反应性能的影响
卢尚青, 吴素芳

研究了纳米CaCO3颗粒间孔径调控对CaO与CO2碳酸化反应性能的影响。通过有机模板法制备得到一系列比表面积相近、孔径分布不同的纳米CaCO3,并考察其再生和碳酸化反应性能差异。结果表明:增大平均孔径能促进纳米CaCO3的热分解反应,并降低分解温度约15℃。将平均孔径由15 nm增大至113 nm可显著提高碳酸化反应速率和转化率。研究认为平均孔径和比表面积对碳酸化反应转化率的影响存在交互作用;比表面积小的纳米CaCO3,表现出碳酸化反应转化率受扩散控制影响较大,而比表面积较大的表现为碳酸化反应转化率以表面反应影响控制为主的规律。

2018 Vol. 69 (6): 2753-2758 [摘要] ( 40 ) [HTML 1KB] [PDF 1934KB] ( 39 )
2759 碱法制备蔗渣纳米纤维素/丁苯橡胶复合材料性能
沈佩瑶, 梁小容, 李彩新, 古菊

针对目前硫酸法制备纳米纤维素高污染、高危险、高处理成本的缺点,采用环境友好、低能耗、低成本的碱法从蔗渣中制备纳米纤维素(2-BNC),补强丁苯橡胶(SBR),并与硫酸法制备的纳米纤维素(S-BNC)以及白炭黑(silica)补强SBR的性能进行对比,探究2-BNC的加入对复合材料性能的影响。结果表明,2-BNC在基体中的分散性优于silica,与SBR基体有良好的界面结合,在同等填料份数下,SBR/2-BNC硫化胶的储能模量高于SBR/silica硫化胶,损耗因子下降,耐磨耗性能更加突出,且力学性能更佳;2-BNC和S-BNC对SBR的整体补强效果相当。

2018 Vol. 69 (6): 2759-2766 [摘要] ( 16 ) [HTML 1KB] [PDF 1903KB] ( 25 )
2767 双微乳液法制备纳米硫酸钡颗粒
叶飞飞, 郭晓燕, 侯静, 刘旭, 汪亮亮, 王梓宇, 靳海波

在水溶液/TritonX-100/正己醇/环己烷组成的反相微乳液中,以氯化钡和硫酸钠为原料,通过沉淀反应,制备出类球形BaSO4纳米颗粒,并通过XRD、SEM、TEM、FTIR对其进行表征。考察了三种反应方式、水/TritonX-100摩尔比(R)、反应物浓度以及助表面活性剂/表面活性剂摩尔比(P)对纳米BaSO4颗粒大小和形貌的影响。同时考察了R对微乳液液滴大小和粒径分布的影响,并通过动态光散射技术(DLS)对微乳液液滴进行测定。实验结果表明:室温条件下,采用双微乳液法,R=17.97,P在2.11~4.22之间是纳米BaSO4颗粒合成的最佳反应条件,反应物浓度对BaSO4颗粒的大小和形貌几乎没有影响。在该反应条件下,合成出的类球形BaSO4粒径为18~22 nm,产率可达87.5%。

2018 Vol. 69 (6): 2767-2774 [摘要] ( 65 ) [HTML 1KB] [PDF 7042KB] ( 72 )
2775 PVA/SO42--AAO催化-渗透汽化双功能复合膜合成乙酸乙酯
岳东敏, 张欠之, 孙德, 李冰冰, 毛钦烨, 彭从康

采用浸渍-涂覆法制备了聚乙烯醇/阳极氧化铝固体酸(PVA/SO42--AAO)催化-渗透汽化双功能膜,并用于乙酸与乙醇的催化酯化反应。用SEM、XRD、NH3-TPD分析了双功能膜的结构及性能。考察了双功能膜用量、乙酸/乙醇摩尔比及反应温度对酯化反应转化率的影响。结果表明:乙酸/双功能膜质量比为30∶1,乙酸/乙醇摩尔比为4∶1,料液温度为80℃时乙醇的500 min转化率可以达到87%。反应活化能为41.84 kJ/mol,比浓硫酸作催化剂的经典反应活化能降低6.74 kJ/mol。

2018 Vol. 69 (6): 2775-2781 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 2262KB] ( 52 )
2782 生物炭基催化剂制备对其催化降解Ni-EDTA性能影响
王宏杰, 高亚光, 赵子龙, 陈冠翰, 董文艺

以胶原蛋白、木质素和硝酸铜为原料,采用共混热解法制备新型生物炭基铜系催化剂,通过多种表征手段考察制备方法和参数对催化湿式过氧化氢氧化(CWPO)处理Ni-EDTA模拟废液效果的影响,并阐述氧化降解过程中生物炭基铜系催化剂的失活机制。结果表明,相比溶液浸渍法,共混热解法有利于提高催化剂的催化活性,控制活性组分的均质分布和溶出释放,表现为Ni和TOC去除率分别增加13.05%和16.63%,Cu2+溶出量降低93.54%;在焙烧温度为800℃,Cu掺量为10%,胶原蛋白与木质素质量比例为1:3条件下,1000 mg·L-1 Ni-EDTA模拟废液经60 min催化氧化后Ni和TOC去除率分别达到65.41%和34.85%,Cu2+溶出量仅为1.7 mg·L-1。氧化降解过程中羧酸类中间降解产物的形成、活性组分反应性溶出和价态转变是致使催化剂失活的主要原因。

2018 Vol. 69 (6): 2782-2789 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 3211KB] ( 39 )
2790 石墨烯类材料修饰尿液微生物燃料电池阳极的研究
周宇, 刘中良, 侯俊先, 陈稳稳, 娄晓歌, 李艳霞

尿液微生物燃料电池(urine-powered microbial fuel cell,UMFC)能够将尿液中有机物的化学能转化为电能,阳极是影响其产能的关键因素。黑磷(BP)、膨胀石墨(EG)和羧基化石墨烯(COOH-GN)是三种典型的石墨烯类新型材料,分别用这三种材料对阳极碳布进行修饰处理得到了三种电极(BP/CC、EG/CC和COOH-GN/CC)。修饰后的电极表面明显变粗糙,且碳布阳极阻抗均有一定程度的减小。分别以BP/CC、EG/CC和COOH-GN/CC三种电极为阳极运行UMFC,获得的最大电压分别为587.71,512.46和492.49 mV,最大功率密度分别为5254.43,3925.44和3252.05 mW/m3,BP/CC阳极UMFC的性能最好。

2018 Vol. 69 (6): 2790-2796 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 6206KB] ( 25 )
2797 蚕沙基多孔炭表面氧化改性对农药噻虫嗪吸附及缓控释影响
武煜翔, 王欣辉, 柴坤刚, 林国友, 赵祯霞, 赵钟兴

选用桑蚕废弃物蚕沙为炭源,通过炭化活化的方式获得了一种高比表面的中微双孔道生物炭材料SCSE,并采用不同氧化剂对其表面氧化处理以调控材料孔径和表面积对农药噻虫嗪分子的吸附作用力,以实现SCSE材料对农药噻虫嗪的缓控释,并系统研究了氧化改性后材料的比表面积、孔径和表面基团性质的变化对材料吸附噻虫嗪的热力学和动力学平衡以及噻虫嗪的释放动力学等性能的影响。结果表明:SCSE孔隙结构发达,其BET比表面和孔容分别为1290.95 m2/g和0.690 cm3/g;在室温下,该材料对噻虫嗪分子的吸附容量达到560 mg/g。噻虫嗪在四种SCSE上的释放动力学可分为快速持续释放过程和慢速释放过程两个过程,其中快速持续释放过程的释放动力学常数约是慢速释放过程的29~34倍;其中硝酸改性后的SCSE-HN对噻虫嗪的释放比例最大,释放速度最快。本实验所获得的四种SCSE材料对噻虫嗪的释放均表现出长效释放效力。按照一般农作物的需药量,该吸附剂只要按照0.5 g/(d·m2)的投入量便能很好地对农作物进行长效的虫害防治(>40 d)。

2018 Vol. 69 (6): 2797-2804 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 1508KB] ( 10 )

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