化工学报
 
 
 
 
 
国际刊号:ISSN 0438-1157
国内刊号:CN 11-1946/TQ
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主办:中国化工学会/化学工业出版社
出版:化学工业出版社
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  化工学报
 
2019年 70卷 3期
刊出日期:2019-03-05

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
能源和环境工程
材料化学工程与纳米技术
过程安全
   
目录
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2019 Vol. 70 (3): 0-0 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 34417KB] ( 30 )
综述与专论
791 离子液体在氨气分离回收中的应用及展望
曾少娟, 尚大伟, 余敏, 陈昊, 董海峰, 张香平

氨(NH3)是典型有毒有害工业气态污染物,也是形成PM2.5中二次颗粒物的根本原因之一,大量含氨气体的排放严重威胁人类的生活环境和健康。采用传统的酸法或水法,通常存在腐蚀性强、污染重、能耗高等问题,且难以回收利用氨资源。离子液体因其极低的挥发性、较好的化学/热稳定性、酸碱可调及高的氨溶解度等特点,为高效低能耗NH3分离提供了新途径。综述了近年来国内外离子液体在NH3分离中的研究进展,重点总结了常规离子液体、功能离子液体及离子液体溶剂/材料对NH3的吸收/吸附性能,阐明了阴阳离子、功能基团对NH3吸收性能的影响规律及其吸收机理,并探讨了该方向的研究和发展趋势。

2019 Vol. 70 (3): 791-800 [摘要] ( 84 ) [HTML 1KB] [PDF 823KB] ( 81 )
801 生物质的电化学转化反应及反应器
骆枫, 林力, 李振臣, 李文钰, 陈先林, 沙沙, 罗涛

生物质通过电化学转化合成燃料和高附加值化学品是未来化学工业发展的一个重要方向,也是现代社会实现可持续发展的重要保障。在可再生能源产能不断提升,而现阶段暂无成熟的大规模能源存储技术的背景下,如何有效地利用可再生能源所产电能进行生物质的电化学转化是目前学术界和工业界关注的一个热点。本文介绍了近年来该领域的研究进展,着重阐释了关键的电化学反应和相关反应器的设计。从生物质衍生的平台分子的电化学转化取得了一定的进展,然而从生物质到平台分子的电化学转化还面临较大的挑战。提高平台分子和生物质电化学反应的选择性有赖于合适的电极材料和催化剂,而将原位分离与电极反应耦合的设计能够提高产物的收率,特别是在生物质直接电化学转化的过程中。

2019 Vol. 70 (3): 801-816 [摘要] ( 82 ) [HTML 1KB] [PDF 1307KB] ( 78 )
热力学
817 阿奇霉素二水合物在水-有机溶剂中溶解度及三元相图测定
曹小雪, 吉绍长, 匡雯婕, 廖安平, 蓝平, 张金彦

采用静态法测定了293.15~323.15 K范围内,阿奇霉素二水合物在丙酮-水和异丙醇-水混合溶剂中的溶解度,并研究阿奇霉素在293.15、298.15、303.15及308.15 K温度下丙酮-水混合溶剂中转晶水活度,根据溶解度特性绘制丙酮-阿奇霉素-水三元相图,溶解度数据用Apelblat方程、λh方程和van't Hoff方程进行关联。结果表明,阿奇霉素溶解度随着有机溶剂体积分数和温度的升高而增加,转晶水活度随温度的升高增大,阿奇霉素一水二水共存区域随温度的升高减小,Apelblat方程拟合效果更好,R2≥0.988。

2019 Vol. 70 (3): 817-829 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 1207KB] ( 40 )
830 KCl-PEG4000-H2O三元体系288、298、308 K相平衡测定及计算
于旭东, 黄琴, 王林, 李茂兰, 郑洪, 曾英

采用等温溶解平衡法研究了288、298、308 K下三元体系KCl-PEG4000-H2O的相平衡关系,绘制了相应的相图、密度-组成图和折射率-组成图。研究发现:288、298、308 K下,三元体系KCl-PEG4000-H2O无分层现象,只存在固液相平衡关系,其平衡相图由不饱和液相区(L)、一固一液区(S+L)和两固一液区(2S+L)构成,且两固一液区随温度升高减小。KCl溶解度随着溶液中PEG4000含量不断增加而减小。溶液中PEG4000含量小于0.50时,盐析率受温度影响较小;含量大于0.50时,盐析率随着温度升高呈减小趋势。采用修正后的Pitzer方程进行了三元体系KCl-PEG4000-H2O(288、298、308 K)溶解度计算,对比发现,理论计算值与实验值吻合较好。

2019 Vol. 70 (3): 830-839 [摘要] ( 45 ) [HTML 1KB] [PDF 709KB] ( 38 )
流体力学与传递现象
840 液氢缩比贮箱蒸发特性数值模拟及实验验证
王舜浩, 朱文俐, 胡正根, 周芮, 余柳, 王彬, 张小斌

地面缩比贮箱用来模拟箭载液氢贮箱热物理过程及运行特性,包括筒段和壳段,壳段用于支撑筒段。筒段和部分壳段使用泡沫绝热,壳段结构部分裸露在环境中,成为液氢贮箱的主要漏热源。基于计算流体力学方法数值研究了液氢缩比贮箱蒸发特性,构建了基于VOF两相流模型以及Level-set界面跟踪方法的贮箱两相氢流动和相变传热传质数学框架,其中气液界面传质率基于Lee模型计算。框架中的系数、边界条件等作如下考虑:Lee模型中的液化/蒸发系数通过与实验数据对比获得;通过理论分析低温面有/无泡沫保温层的结冰特性,对暴露在环境的泡沫和铝壳表面施加对流换热或常热流边界条件;当贮箱压力达到约2个大气压(0.2 MPa)时,安全阀打开放气保持内部压力不变,基于自定义函数方法模拟阀门开闭实现控制贮箱压力的目的。与实验测量的液位下降速率和气相温度非稳态变化对比表明,构建的数值模型能够较好地模拟液氢贮箱自增压过程的复杂流动、相变传热传质特性。为模拟真实箭载液氢贮箱停放阶段的热物理过程打下基础。

2019 Vol. 70 (3): 840-849 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 998KB] ( 17 )
850 环形管填充金属泡沫强化相变蓄热可视化实验
韦攀, 喻家帮, 郭增旭, 杨肖虎, 何雅玲

针对管壳式相变蓄热器中换热基本单元——换热管开展了强化换热研究,通过在相变材料侧添加金属泡沫以强化蓄热。为了探索金属泡沫对相变蓄热过程强化的效果,设计搭建了相界面可视化的相变蓄热实验台,采用高清摄像机记录换热管内外侧相界面变化过程;通过在径向和轴向布置热电偶以获取相变过程的实时温度响应。测量了流速0.15 m·s-1下光管和金属泡沫管的蓄热过程,实验结果表明:在相同实验条件(初温、入口流量/温度)下,添加金属泡沫能明显提高蓄热效率,达到相同蓄热效果下纯石蜡管所需时间是金属泡沫管的2.9倍;添加金属泡沫后各测点的温度响应速率均高于对照组,各测试点的温差更小且变化更均匀。

2019 Vol. 70 (3): 850-856 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 799KB] ( 46 )
857 熔盐单罐释热过程换热器取热方式优选
施素丽, 鹿院卫, 于强, 吴玉庭

盘管释热换热器浸没式布置在熔盐单罐蓄热器内可实现低成本的蓄放热。盘管换热器取热方式会直接影响系统的释热性能。通过数值模拟研究了换热器取热方式对单罐蓄热系统释热性能规律的影响,同时分析了释热过程中熔盐侧流场变化。结果表明,换热器上进下出的取热方式能够提高盘管换热器的出口温度、单罐释热功率及释热效率,研究结果为熔盐单罐蓄放热系统设计提供了理论依据。

2019 Vol. 70 (3): 857-864 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 891KB] ( 25 )
865 静电场中极板表面液膜蒸发特性研究
常景彩, 王翔, 王鹏, 崔琳, 李军, 张鑫, 马春元

以静电场中水分子的极化和受力特性为基础,对热干烟气中极板表面液膜内水分子输运过程进行分析。考察了电场特征、液膜物性对静态高压电场中液膜蒸发特性的影响并提出了蒸发模型;同时研究了多场(温度、速度和静电)耦合作用下液膜蒸发过程中的主导作用机制。结果表明:离子风为静态高压电场中液膜蒸发的主要动力,蒸发速率是自然蒸发的6.7倍(25 kV)。液膜蒸发为等速过程,蒸发速率与电场强度呈正相关关系;液膜加入溶质,蒸发过程受抑制,蒸发模型变为等速和降速两个过程,最终液膜表面析出溶质;流场耦合静电场作用下,液膜蒸发速率随电压升高先缓慢上升(U<20 kV)后快速上升(U>20 kV),流速和电压分别是这两阶段的主要影响因素;温度场耦合静电场作用下,蒸发速率大于单场叠加数值。研究结果为热干烟气中极板表面稳定成膜、系统水耗及空间电场中温湿度分布等问题的研究提供理论支撑。

2019 Vol. 70 (3): 865-873 [摘要] ( 48 ) [HTML 1KB] [PDF 791KB] ( 33 )
874 吸湿性盐溶液振荡热管的传热特性研究
张航, 翁建华, 崔晓钰

研究了10%(质量分数)LiCl吸湿性盐溶液作为工质的振荡热管传热特性。测试了在45%~90%充液率、10~100 W加热功率下振荡热管蒸发端温度及热阻的变化,并与去离子水工质的实验数据进行了对比。结果表明:在45%、55%的低充液率下,加热功率达到50 W以上时,LiCl溶液振荡热管的热阻明显比去离子水振荡热管低,能有效延迟烧干现象的发生。在62%的中等充液率,35W加热功率以上,LiCl溶液振荡热管的蒸发端温度较离子水振荡热管振荡频率快,幅度小且热阻低。在80%、90%的高充液率下,两种工质振荡热管的蒸发端温度曲线在平均温度、振荡频率、振荡幅度上都较为相似,热阻也比较接近。

2019 Vol. 70 (3): 874-882 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 640KB] ( 27 )
883 圆柱壁面上液滴凝固相变对其运动行为的影响
周鑫, 邓乐东, 王宏, 朱恂, 陈蓉, 廖强, 丁玉栋

采用CLSVOF耦合焓-多孔介质方法对单液滴撞击低温光滑圆柱壁面的现象进行数值模拟研究,揭示了壁面温度、壁面浸润性和液滴撞击速度等因素对液滴撞击低温光滑圆形壁面后动力学行为及相变特性的影响,研究中主要关注两个重要参数的变化规律:液膜高度变化和液滴对壁面的润湿特性。研究表明:提高壁面疏水性能可有效减小液滴碰撞圆柱的铺展润湿面积,从而减小冻结面积,降低结冰的危害程度;由于圆柱壁面的曲率作用,液滴撞击疏水圆柱壁面会出现液膜断裂,但在极低温度下,可抑制液膜在圆形壁面上的分裂,导致液膜在壁面上的铺展面积有所增加,防结冰性能下降。

2019 Vol. 70 (3): 883-891 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 951KB] ( 30 )
892 超疏水表面太阳能加热金-水纳米流体液滴蒸发特性
闫鑫, 徐进良

实验研究了超疏水表面上太阳能加热金纳米流体液滴蒸发特性。用高速摄像机和红外摄像机同步触发记录了2 μl不同浓度金纳米流体液滴在超疏水表面的蒸发过程。通过一系列实验,观察对比不同浓度金纳米流体液滴蒸发过程中体积、接触角、接触直径、液滴表面温度以及蒸发速率等动态特性。结合水蒸气扩散模型以及红外温度图分析液滴在超疏水表面上的蒸发过程中蒸发通量变化以及表面温度变化等特性。发现不同浓度纳米流体液滴蒸发速率基本一致;超疏水表面上液滴蒸发以常接触角模式为主,后期呈现混合模式蒸发;液滴蒸发过程中,液滴上半部分蒸发通量大,致使液滴表面温度较低。

2019 Vol. 70 (3): 892-900 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 1030KB] ( 39 )
901 不同管口浸没方式下气泡生成行为特性
吴晅, 李晓瑞, 马骏, 秦梦竹, 周雅慧, 李海广

对三种管口浸没方式下气泡生成行为过程进行可视化实验和三维数值模拟。对比分析了管口浸没方式、管口直径、气体流量等因素对气泡生成形态、气泡脱离直径、气泡膨胀脱离时间以及气液流场速度的影响。实验与数值模拟取得较为一致的结果。研究发现,气泡生成过程可分为单气泡生成和双气泡生成聚并两种模式,两者之间存在明显的气泡脱离形态转折点;三种管口浸没方式下,气泡脱离直径均随着管径和气体流量的增大而增大;气泡膨胀脱离时间随管径的增大而增加,而随气体流量的增加先急剧下降然后趋于平缓;在底吹和侧吹方式下,气泡长短轴比C值分别在0.75和1.1附近波动,其最终脱离形式均接近于球形;而顶吹方式下,C值在1.5附近波动,气泡脱离形态为椭球形。

2019 Vol. 70 (3): 901-912 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 1375KB] ( 35 )
913 亲水无纺布PVC复合规整填料除湿性能实验
黄志甲, 罗良, 柯瑞, 卓飞飞, 钟亮

将亲水无纺布PVC复合规整填料作为溶液除湿塔芯体,开展亲水无纺布PVC复合规整填料除湿性能实验,分析在不同空气流量、溶液流量、溶液温度下,亲水无纺布PVC复合规整填料除湿率、除湿效率、传质系数和传热系数的变化。在实验条件下,除湿率、除湿效率、传质系数、传热系数最大值分别为11.05 g·kg-1、86.7%、12.95 g·(m2·s)-1、10.33 W·(m2·℃)-1;与CELdek规整填料和塑料波纹孔板填料相比,亲水无纺布PVC复合规整填料除湿性能最优。对实验数据回归分析,得到亲水无纺布PVC复合规整填料除湿效率实验关联式。

2019 Vol. 70 (3): 913-921 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 742KB] ( 20 )
催化、动力学与反应器
922 微反应器内苯甲醚连续合成
王瀚琳, 王德强, 王凯, 骆广生

苯甲醚是一种重要的溶剂和有机合成中间体,以往通过间歇反应合成,存在生产效率低下、操作周期长等问题,亟需开发连续化的生产装置和技术。提出以苯酚钠水溶液和硫酸二甲酯为原料通过连续微反应器合成苯甲醚的方法。该方法利用微混合器和局部收缩的反应管道强化反应物的混合,在近似绝热的反应条件下快速完成反应过程。报道了苯酚钠浓度、反应物流量和反应物摩尔比对于微反应器内苯酚钠转化率和硫酸二甲酯利用率的影响规律。与文献报道的间歇反应进行了对比,揭示了微反应技术的优势。

2019 Vol. 70 (3): 922-928 [摘要] ( 48 ) [HTML 1KB] [PDF 625KB] ( 71 )
929 交联菲罗啉负载铜催化剂用于合成三甲基苯醌
郭婉婉, 李如月, 黄军

烷基取代的苯醌可用作多种生物活性化合物的功能结构单元。提出了一种在温和条件下,用氧气氧化2,3,6-三甲基苯酚(TMP)得到2,3,5-三甲基-1,4-苯醌(TMQ,维生素E前体)的方法。利用Friedel-Crafts烷基化反应,成功制备了一种基于1,10-菲罗啉的交联多孔聚合物负载铜催化剂Cu/PPhen。采用氮气吸附脱附、SEM、FTIR和XPS对催化剂Cu/PPhen-4进行了一系列的表征,获得了催化剂的基本结构特征。并考察了催化剂的加入量、溶剂、氧气压力、反应温度以及反应时间等因素对Cu/PPhen-4催化氧化制备2,3,5-三甲基-1,4-苯醌的影响,得到最佳的工艺条件。当2,3,6-三甲基苯酚的加入量为136 mg时,催化剂量为150 mg,乙腈量为2 ml,0.5 MPa的氧气,40℃下反应4 h,2,3,5-三甲基-1,4-苯醌的收率可以达到99%。催化剂Cu/PPhen-4具有较好的稳定性,可以回收至少五次,活性几乎没有下降。

2019 Vol. 70 (3): 929-936 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 1130KB] ( 22 )
937 络合-溶剂热法制备钯基催化剂及其催化氧化间二甲苯性能
赫帅, 郭凤, 康国俊, 余剑, 任雪峰, 许光文

通过采用络合-溶剂热法、水热法和浸渍法三种方法制备了负载量为0.6%(质量分数)的Pd/Al2O3催化剂,重点考察不同制备方法催化氧化间二甲苯作为典型的挥发性有机化合物的能力。结果表明:络合-溶剂热法制备的Pd/Al2O3-com催化剂催化氧化间二甲苯的能力最强,间二甲苯体积分数为0.002%时完全转化温度(T100)为130℃,低于浸渍法制备催化剂的完全转化温度30℃。对Pd/Al2O3催化剂进行了比表面积(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)等表征分析,发现Pd/Al2O3-com中Pd主要以还原态Pd0高度分散于载体表面,而另两种方法制备的催化剂均有明显的Pd2+存在。结合性能测试及表征分析,表明络合-溶剂热法制备的Pd/Al2O3-com催化剂活性组分Pd的高度分散,增强了催化活性,可满足高浓度间二甲苯、宽气体体积空速条件下催化氧化脱除间二甲苯的工业应用要求。

2019 Vol. 70 (3): 937-943 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 768KB] ( 34 )
944 用于丙烷催化燃烧的PdxPty-ZSM-5/Cordierite整体式催化剂
唐铨, 郭杨龙, 詹望成, 郭耘, 王丽, 王筠松

以ZSM-5分子筛、铝溶胶、硝酸钯、硝酸铂和水为原料制备分子筛浆料,采用真空抽提-一次涂覆法在堇青石蜂窝陶瓷载体表面制备出PdxPty-ZSM-5/Cordierite整体式催化剂,考察了Pd负载量、ZSM-5分子筛的硅铝比和Pd/Pt质量比对整体式催化剂的丙烷催化燃烧性能的影响,并用超声波振荡、SEM、XRD、H2-TPR和C3H8-TPD等手段对整体式催化剂进行了表征。当球磨时间为60 min,分子筛浆料固含量为38%时,整体式催化剂的涂层上载量可达到178 g·L-1,涂层脱落率低于0.5%。Pd2Pt3-ZSM-5/Cordierite整体式催化剂(贵金属总负载量为1.2 g·L-1)对于丙烷的催化燃烧具有较好的催化活性(T50=259℃,T90=323℃)和稳定性,具有良好的工业应用前景,其中较低的ZSM-5分子筛硅铝比以及Pd和Pt之间的相互作用增加了对丙烷的吸附能力和表面活性氧物种的数量,从而提高了整体式催化剂的催化活性。

2019 Vol. 70 (3): 944-950 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 894KB] ( 28 )
分离工程
951 硅胶嵌入多孔纸基对苯蒸气吸附性能
李龙, 葛天舒, 吴宣楠, 代彦军

苯蒸气作为一种典型的有害VOC污染物,研究对其的高效净化处理具有重要意义。纸基材料是一种密度小、孔隙率高、机械强度高的多孔材料,分析以木浆纤维纸、陶瓷纤维纸作为多孔基材,通过多次硅溶胶浸泡的方法制得硅胶嵌入多孔纸基吸附材料样片。通过扫描电镜SEM研究两种纸基材料表面的形貌及结构,采用重量法蒸气吸附仪对不同上胶次数的两种基材样片进行吸附性能测试。测试结果表明:木浆纤维纸和陶瓷纤维纸6次上胶率高达3.38 g/g和8.66 g/g; 0.1分压苯蒸气下30 min样片吸附量即可达到最大吸附量的80%;两种硅胶嵌入多孔纸基样片吸附容量在0.8分压苯蒸气下均超过100 mg/g;在4次上胶时样片表现出最佳的苯蒸气吸附性能。此外,通过对实验结果进行分段拟合得到吸附特征曲线。

2019 Vol. 70 (3): 951-959 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 1056KB] ( 31 )
960 反应精馏隔壁塔制甲缩醛过程模拟与分析
杨杰, 祁江羽, 沙勇

甲缩醛(methylal)是一种重要的化工基本原料,广泛应用于化工中间体、溶剂、涂料及燃料添加剂等的生产中。目前,反应精馏技术是用于以甲醇和甲醛为原料制取甲缩醛的主要方法。利用Aspen Plus过程模拟软件模拟了常规的双进料甲缩醛反应精馏工艺流程,同时提出并模拟了反应精馏隔壁塔(RDWC)工艺制备甲缩醛的流程,通过对比来探究RDWC流程的优越性。结果表明,采用RDWC制备甲缩醛可避免中间组分在塔内的返混效应,同时可使年度总费用降低8.09%,显著提高过程的经济性。

2019 Vol. 70 (3): 960-968 [摘要] ( 47 ) [HTML 1KB] [PDF 666KB] ( 66 )
969 双塔微型变压吸附制氧机实验和模拟
田涛, 刘冰, 石梅生, 安亚雄, 马军, 张彦军, 徐新喜, 张东辉

设计一种两吸附床小型PSA制氧机,并在低压舱内模拟海拔高度对两吸附床小型PSA制氧机的影响,同时对结构参数以及操作参数的影响进行考察,建立制氧工艺流程数学模型,通过实验对比,微调模型使之与实际相符,验证模型的准确性,并开展数值仿真与模拟研究,以确定相关的内在参数及外部因素对制氧过程及制氧效果等性能指标的影响规律,得到不同海拔不同工况下,较优的设计参数和操作参数,从而提高制氧效率,降低制氧机的制造和运行成本。

2019 Vol. 70 (3): 969-978 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 989KB] ( 23 )
过程系统工程
979 基于PSO-控制变量参数化混合策略的间歇化工过程优化控制
石博文, 尹燕燕, 刘飞

控制变量参数化方法作为一种化工过程动态优化的梯度搜索算法,其求解效率过于依赖初始给定轨迹。目前初始轨迹一般都是设定在边界值或中间值,缺乏科学依据,从而大大影响了算法的收敛速度。针对这一问题,提出了一种粒子群优化(PSO)与控制变量参数化方法混合的策略,首先利用粒子群优化对间歇化工过程最优控制量进行求解,结果作为控制变量参数化方法初始给定轨迹,进行二次优化。双层优化的混合策略提高了控制变量参数化方法的收敛速度和粒子群优化算法的求解精度。将混合策略应用于两个间歇化工过程优化控制实例,仿真结果表明了该算法对求解化工过程动态优化问题具有可行性和有效性。

2019 Vol. 70 (3): 979-986 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 534KB] ( 37 )
987 基于潜变量自回归算法的化工过程动态监测方法
唐俊苗, 俞海珍, 史旭华, 童楚东

从建立潜变量自回归(AR)模型的角度出发,提出了一种基于潜变量自回归(LVAR)算法的化工过程动态建模与监测方法,旨在提取动态潜变量的同时给出各潜变量的AR模型。LVAR算法在最小化潜变量的AR模型残差的约束下,通过同时搜寻投影变换向量与AR系数向量,实现了对动态潜变量的特征提取及其AR模型的建立。此外,LVAR算法通过先提取动态潜变量后提取静态成分信息的方式,有效地区分了采样数据中的自相关性与交叉相关性。在对比实验中,通过比较分析LVAR方法与其他三种典型的动态过程监测方法在经典化工过程对象上的故障监测结果,验证了LVAR方法在动态过程监测上的优越性与可靠性。

2019 Vol. 70 (3): 987-994 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 689KB] ( 28 )
表面与界面工程
995 基于遗传算法的干气密封双向槽统一模型与参数优化
徐奇超, 江锦波, 彭旭东, 李纪云, 王玉明

通过提出表征能力更强的新型结构模型和引入全局寻优能力更强的智能优化算法以提高双向旋转槽干气密封的稳态密封性能。在综合分析国内外干气密封典型双向旋转槽结构特点的基础上,提出一种动压槽倾角可变的双向旋转槽统一模型。建立双向旋转槽干气密封的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解端面膜压控制方程,获得开启力和气膜刚度等稳态性能参数。分析了动压槽倾斜角对干气密封稳态性能的影响规律,对比分析了不同速度条件下单因素优化、迭代优化和遗传算法优化等三种优化方法对提高双向旋转槽干气密封稳态性能的作用。结果表明:相较于以往双向树形槽干气密封单因素优化的结果,基于遗传算法的统一模型槽干气密封获得的开启力和气膜刚度显著提高,最大增幅分别达到6%和55%;在高速条件下,上游动压槽螺旋角为锐角,下游动压槽螺旋角为钝角的似机翼形双向旋转槽干气密封具有最大的开启力和气膜刚度。

2019 Vol. 70 (3): 995-1005 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 1947KB] ( 53 )
1006 基于有序微造型的圆弧线槽干气密封性能分析
胡琼, 王衍, 戴嵘, 孙见君, 郑小清

基于激光技术的干气密封开槽方法,提出在圆弧线槽干气密封(A-DGS)槽底开设粗糙度量级的有序微造型,以提高开槽效率、降低成本。采用有限体积法对无微造型圆弧线槽干气密封进行仿真分析,通过与现有文献对比验证了仿真方法的正确性;对微造型结构进行分析和筛选,获得偏移迎风侧与偏移背风侧结构对密封性能影响基本无差,本研究基于偏移背风侧微造型结构进行深入研究;与无微造型圆弧线槽进行对比,分析了不同几何参数和工况参数下的开启力和泄漏量变化情况;最后对各参数的影响程度进行对比分析。结果表明:同工况下,具微造型圆弧线槽干气密封(MA-DGS)的开启力较A-DGS有一定提升,在低速高压及小槽深时提升效果最好;微造型深度和微造型宽间比对干气密封开启力的影响在给定情况下甚于膜厚与转速的影响;密封端面槽型结构优化参数不受槽底微造型设计的影响;基于Taguchi实验设计方法,可以便捷准确地获得不同影响因子的影响程度,帮助工程设计。

2019 Vol. 70 (3): 1006-1015 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 1143KB] ( 14 )
1016 摩擦副界面微造型序列对气体密封性能的影响
陈传刚, 丁雪兴, 陆俊杰, 张伟政, 陈金林

摩擦副表-界面的微型结构具有减少摩损、提高润滑性能等作用。在动、静环摩擦端面开设微槽与微孔的复合微造型跨尺度润滑气膜计算域模型,利用独有block映射技术的ICEM软件进行结构化网格划分,并对流场进行数值模拟。以密封的工况条件为出发点,结合微造型结构尺寸,从气膜开启力、泄漏量、润滑气膜摩擦系数及壁面剪切力四个方面展开讨论,结果表明:在介质压力和转速相同时,微孔的覆盖比对气体密封性能影响较大,增幅为5%~8%,并且当覆盖比为50%时气体密封的性能可达到最佳。之后以此为基准改变该模型微孔的密度、深度、直径,通过研究四种参数的变化规律发现微孔的密度和直径对密封性能提升较大,增幅为7%~8%,并且微孔密度为12.5%,深度为10 μm,直径为400 μm时气体密封性能可达到最佳水平。

2019 Vol. 70 (3): 1016-1026 [摘要] ( 14 ) [HTML 1KB] [PDF 1563KB] ( 22 )
1027 常顶系统流动腐蚀机理预测及防控措施优化
何昌春, 徐磊, 陈伟, 徐晓峰, 欧阳鹏威

国内某炼油厂常减压蒸馏装置的常压塔顶冷却系统换热器频繁出现腐蚀失效问题。基于物料衡算原理,采用逆向推导的方法及工艺过程模拟计算分析了该常压塔顶冷却系统的流动腐蚀失效机理,包括露点腐蚀、铵盐结晶沉积垢下腐蚀以及多相流冲刷腐蚀。注水是一种方便且非常有效的破除露点腐蚀和铵盐结晶沉积垢下腐蚀的工艺防护措施。但由于该炼油厂常压塔顶注水量有限,每台换热器采用不同的注水方式,依然出现了流动腐蚀失效问题。通过模拟计算,提出根据不同的注水量应选择不同的注水方式(总管注水、换热器定点注水和程控注水),从而实现该常顶冷却系统长周期稳定运行。

2019 Vol. 70 (3): 1027-1034 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 685KB] ( 47 )
1035 铝电解槽干式防渗料在电解过程中的反应机理探讨
王耀武, 彭建平, 狄跃忠, 蒿鹏程

通过对大修铝电解槽中废防渗料的成分和物相组成进行分析,探讨了干式防渗料与电解质的反应机理。研究结果表明,渗透电解质中的NaF和冰晶石均会与干式防渗料反应生成霞石(NaAlSiO4)玻璃体层,可起到防止电解质进一步向下渗透的作用。但随着渗透电解质的增加,冰晶石会继续与霞石反应生成β氧化铝,β氧化铝层不具有防渗作用,这是导致防渗料中电解质继续渗透的主要原因之一。渗透电解质与防渗料反应还可生成SiF4气体,使硅元素向防渗料下部迁移,导致废防渗料上层硅元素含量降低。

2019 Vol. 70 (3): 1035-1041 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 1361KB] ( 27 )
能源和环境工程
1042 甲烷水合物分解过程的微尺度测量
周雪冰, 刘婵娟, 罗金琼, 梁德青

实验采用激光拉曼和X射线粉末衍射(PXRD)在253 K,常压条件下对甲烷水合物的分解过程分别进行了原位测量。研究发现,位于表层的甲烷水合物在前30~50 min内发生分解并生成Ⅰh冰相,随后表层冰相对内层水合物相的包覆引起了“自保护”效应的产生并导致甲烷水合物分解速率显著降低。分解过程中,甲烷在水合物大小笼中的含量之比始终保持在3.2左右,同时水合物晶面特征峰峰面积也按照相同的曲线下降,表明甲烷水合物以晶胞为单位进行整体分解。Ⅰh冰的各个晶面特征峰峰面积差异化的增长曲线表明形成的Ⅰh冰相倾向于片状生长,有助于在水合物表面生成一层冰膜,进而产生“自保护”效应。

2019 Vol. 70 (3): 1042-1047 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 606KB] ( 35 )
1048 富氧富水蒸气条件下燃烧高氮燃料的NOx排放特性
朱传强, 刘殊远, 余剑, 高士秋, 许光文

在富氧富水蒸气条件下,研究了富含氮的燃料白酒糟在流化床中燃烧时NOx的排放特性。结果表明,在过量空气系数1.2条件下,水蒸气和O2对NOx的生成相互影响。当O2浓度低于约35%时,向燃烧气中加入水蒸气能抑制NOx生成,使烟气中NOx的排放浓度和燃料N转化为NOx的转化率降低;而当氧气浓度高于约35%时,加入水蒸气促进了NOx生成,表明提高氧气浓度使得氧化作用起到主导地位。NOx生成量随温度的升高先增加后减少,在较高氧气浓度下,NOx生成量随温度升高而降低的转折点发生在较低的温度;燃烧气氛中添加水蒸气延迟了转折点的发生,使转折点发生在较高温度。

2019 Vol. 70 (3): 1048-1055 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 660KB] ( 30 )
1056 赤泥催化剂的制备及其对模拟烟气中微量氨的脱除性能
王超, 李长明, 皇甫林, 李萍, 杨运泉, 高士秋, 余剑, 许光文

以赤泥固废为原料,采用酸解-碱沉淀法制备了赤泥粉体催化剂,并提出一种将催化剂直接喷入SNCR尾气中的除氨工艺,考察了催化剂加入点温度、空速、NH3浓度及水蒸气对氨去除能力的影响。研究发现,该催化过程具有很高的活性和N2的选择性,450℃以上NH3的转化率可达100%,同时在400~500℃间,N2的选择性高于80%,达到了很好的除氨效果;在500℃,空速为3×106~6×106 h-1之间时,出口NH3浓度均为0;此工艺对于逃逸NH3浓度的适用性较强,入口[NH3]=50×10-6~1000×10-6 mol/L范围内均可完全脱除,且具有一定的抗水能力。通过一系列表征发现,该种方法制备的赤泥催化剂不仅消除了原始固废的强碱性,还提高了其表面酸性,具有较高的比表面积、孔容和丰富的表面微观结构,使NH3的吸附及活化反应能力大大增加;该催化剂过程遵循iSCR机理,在400~500℃温度区间主要发生NH3-SCO反应,低于400℃主要发生NH3-SCR反应,粉体催化剂通过NH3-SCR和NH3-SCO协同反应达到了去除尾气中微量氨的目的。

2019 Vol. 70 (3): 1056-1064 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 814KB] ( 28 )
1065 基于铁基质高效催化还原污水中硝酸盐氮的实验研究
李德生, 张超, 邓时海, 胡智丰, 李金龙, 刘元辉

污水厂排水中硝酸盐氮(NO3--N)浓度偏高,难利用常规生物脱氮工艺实现NO3--N的深度脱除。以铁基质高效催化脱氮载体为污水中NO3--N的脱除材料,探究不同铁基质催化活性、pH和NO3--N浓度等对污水中NO3--N去除的影响及机制。研究结果表明:添加催化剂D的铁基质高效催化脱氮载体可脱除92.23%的NO3--N,调节污水为酸性至中性条件时,其NO3--N去除率均可达到92.09%以上,且氨氮(NO4--N)积累量先升高后降低;当污水为碱性条件时,NO3--N的去除率亦可达86.13%以上,且在碱性条件时无NO4--N积累;原水中NO3--N的浓度变化(20~70 mg·L-1)对铁基质高效催化脱氮载体的脱氮性能影响较小,NO3--N去除率均达到96.11%以上。与催化剂A、B和C相比,添加催化剂D的铁基质高效催化脱氮载体脱氮速率最快,NO3--N降解反应过程符合一级反应动力学方程,反应速率常数k=0.0170 min-1

2019 Vol. 70 (3): 1065-1074 [摘要] ( 67 ) [HTML 1KB] [PDF 917KB] ( 64 )
1075 煤粉炉和循环流化床锅炉飞灰特性对其汞吸附能力的影响
李晓航, 刘芸, 苏银皎, 滕阳, 关彦军, 张锴

通过分析两台容量相近的循环流化床锅炉和煤粉锅炉飞灰样品的粒径分布、表面结构特性、未燃尽碳含量、反应性和汞含量,探究两种类型锅炉飞灰特性差异及其与飞灰汞吸附能力的关系。结果表明:循环流化床和煤粉锅炉尾端除尘设备排灰口飞灰汞的含量分别为1584.0 ng/g和503.7 ng/g,其原因与飞灰粒径、未燃尽碳含量和表面特性相关。对于循环流化床锅炉,飞灰中汞含量随其粒径和反应性温度的减小而增加,随未燃尽碳含量增加而增加,且与比表面积和吸附量呈正相关关系。对于煤粉锅炉,粒径为75~53 μm的飞灰对汞吸附能力较强,未燃尽碳含量明显小于循环流化床所产生飞灰的含量,飞灰比表面积随粒径变化不大,由此导致煤粉锅炉除尘设备排灰口所取样品对汞的吸附能力远低于循环流化床锅炉相对应位置飞灰对汞的吸附能力。

2019 Vol. 70 (3): 1075-1082 [摘要] ( 42 ) [HTML 1KB] [PDF 866KB] ( 28 )
1083 循环冷却系统污垢中无机磷提取方法优化
张玉玲, 张利平, 王倩, 李旭东, 刘晓冬, 张敬红

再生水中磷绝大部分为无机磷,是引起循环冷却系统结垢腐蚀的重要因素。为了探究无机磷在系统内的迁移转化及其对系统的影响,无机磷的定量定性尤为重要。在分析了无机磷的SMT(standard measurements and testing)连续提取法在循环冷却系统污垢提取中应用的可行性的基础上,对SMT提取方法进行条件优化,建立了污垢中无机磷定性定量分析方法。结果表明,优化后的SMT连续提取法能够实现对系统内污垢中无机磷的完全提取,且回收率接近100%;污垢中弱吸附态磷(NH4Cl-P)、铝结合态磷(Al-P)、铁结合态磷(Fe-P)和钙结合态磷(Ca-P)4种形态无机磷能得到完全分离。

2019 Vol. 70 (3): 1083-1088 [摘要] ( 39 ) [HTML 1KB] [PDF 548KB] ( 44 )
1089 Fe3+在A2O工艺缺氧区的转化规律及其对污泥絮凝性的影响
张兰河, 张明爽, 郭静波, 贾艳萍, 李正, 陈子成

为了研究铁元素对A2O工艺污泥絮凝性的影响,考察Fe3+在污泥上清液、胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)与底泥(Pellet)中的分布和迁移转化规律,结合三维荧光光谱(3D-EEM)、原子吸收和X射线衍射仪(XRD)分析Fe的存在形态和结构特征,揭示Fe3+与微生物代谢产物的作用机制,探索Fe3+对脱氮除磷效率的影响。结果表明:低浓度Fe3+(<10 mg·L-1)能够提高COD和TN去除率,促进微生物活性,增强污泥生物絮凝性;高浓度Fe3+(10~40 mg·L-1)则抑制微生物活性,使EPS总量升高,污泥絮体脱稳,LB、TB层PN/PS是影响污泥絮凝性的关键因素;Fe3+的投加强化生物除磷效率,当Fe3+浓度为40 mg·L-1时,TP去除率为93%。Fe3+在污泥混合液中的分布规律为TB>上清液>LB>SMP,Fe3+在生物体内富集累积,能够改变EPS各层的组分。

2019 Vol. 70 (3): 1089-1098 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 1526KB] ( 19 )
1099 新型除磷填料的制备及除磷吸附床运行参数的优化
张千, 刘向阳, 陈旺, 吴恒, 肖芃颖, 吉芳英, 李宸, 念海明

为解决现有除磷吸附剂粒径小造成的材料易流失和系统压降过大等问题,以实现吸附除磷工艺在实际工程中的应用,以聚氨酯填料为载体,水溶性聚氨酯为介质,将水化硅酸钙负载到聚氨酯填料上制成负载型除磷填料。研究了制备条件对除磷填料除磷效果的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)观察分析了负载前后水化硅酸钙微观结构及化学基团的变化;利用除磷填料作为除磷吸附床的滤料,研究了运行条件对吸附床除磷效果的影响。在此基础上,利用响应曲面法研究了除磷吸附床磷酸盐去除率和各变量之间的关系,并对工艺参数进行了优化。结果表明,水性聚氨酯溶液的浓度和用量分别为100 g/L和50 ml,水化硅酸钙的质量为12 g的条件下所制备的除磷填料除磷效果最好;SEM和FTIR分析结果显示,水化硅酸钙负载前后其孔隙结构和化学基团没有明显的变化;预测模型的方差分析结果表明,HRT(X1)、进水ρ(PO43--P)(X2)、温度(X3)、初始pH(X4)以及X1X2X1X4X2X3X2X4的交互作用均对磷酸盐的去除具有显著影响(P<0.05),但X1X3的交互作用对磷酸盐的去除影响不显著。通过预测模型获得的最佳运行条件为:HRT为79.77 min,进水ρ(PO43--P)为1.70 mg/L,温度为34.04℃,pH为9.68。在该条件下,反应器对磷酸盐的去除率可以达到93.46%。

2019 Vol. 70 (3): 1099-1110 [摘要] ( 36 ) [HTML 1KB] [PDF 1263KB] ( 29 )
1111 生物质活性炭负载零价铁纳米晶簇直接催化还原NO
李艳鹰, 李先春

采用等体积浸渍法制备以生物质活性炭为载体的纳米铁基催化剂,利用TG、SEM、XPS、Raman等分析仪器对催化剂进行表征,探讨了活性炭负载零价铁和铁氧化物在无氧条件下脱硝的机理。结果表明:在750℃热还原条件下制得的铁基催化剂具备较高的活性,其活性中心是分散均匀的零价铁纳米晶簇。在280℃无氧条件下对NO的脱除效率达100%,且避免了活性炭载体的损耗。研究发现,催化剂快速失活是由于零价Fe被氧化为Fe3O4,因而降低了脱硝剂的活性。直接对失活催化剂进行热还原可以完全恢复活性,但这种方法会消耗炭载体;利用CO作为还原剂进行制备与再生,可以有效提高纳米晶簇的分散性,延长脱硝寿命并减少炭载体的损失,为零价Fe催化剂在实际应用中提供了可能性。

2019 Vol. 70 (3): 1111-1119 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 1006KB] ( 37 )
1120 废纸纤维素/SiO2复合气凝胶的性能
周钰寒, 陈晓玉, 左成, 郭庆杰, 赵军

对废纸纤维素进行处理,以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)作为硅源,制备纤维素/SiO2复合水凝胶,经过冷冻干燥得到性能良好的纤维素/SiO2复合气凝胶。利用扫描电镜(SEM)、接触角测量仪及热重分析(TGA)等对制得的气凝胶进行了表征测试。结果显示材料由大孔、介孔、微孔组成,最低密度为0.107 g/cm3,具有较好的疏水性能,静态疏水接触角可达148.5°,力学性能良好,可实现50%范围内压缩后100%恢复,材料具备良好的吸附性能,吸附油污可达到本身质量的12.7倍,热稳定性提高。在处理有机废水,尤其是水体油污方面有着广阔的应用前景。

2019 Vol. 70 (3): 1120-1126 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 810KB] ( 27 )
1127 聚糖菌反硝化影响因素及内碳源转化特性
刘小芳, 郭海燕, 张胜男, 黄靓

在SBR反应器中以乙酸钠为碳源、NO3--N为电子受体成功富集了反硝化聚糖菌,并采用批次实验进一步考察了进水C/N比(3.3,6.7,10)、电子受体(NO3--N、NO2--N)、碳源类型(乙酸钠、葡萄糖)对反硝化聚糖菌活性的影响及内碳源转化特性。实验结果表明,进水C/N比越高,系统NOx--N去除率越高,厌氧段合成PHB越多,但进水C/N比过高会导致普通反硝化菌占优势,影响内碳源反硝化效率,进水C/N比为6.7较为合适;以NO3--N为电子受体长期培养的DGAOs系统未经NO2--N驯化,对NO2--N同样具有良好的反硝化性能,在投加与NO3--N相同浓度的NO2--N后,系统NOx--N去除率达89.6%;当以葡萄糖为碳源时,DPAOs在厌氧段合成的PHB的量仅为以乙酸钠为碳源时合成PHB量的79.5%,且厌氧段葡萄糖利用率仅为72.8%,远远小于乙酸钠的利用率。

2019 Vol. 70 (3): 1127-1134 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 714KB] ( 9 )
材料化学工程与纳米技术
1135 金属-有机骨架材料CO2捕获性能的大规模计算筛选
王磊, 方桂英, 阳庆元

全球性温室效应形势的日趋严重,迫切需要研究和开发可用于CO2捕集的高性能材料。对于含有双铜船桨型片段(Cu2(COO)4)的MOF材料,因其结构中含有配位不饱和的Cu金属位点,在低压区域的CO2捕获方面展现出优异的性能。目前,大规模计算筛选工作主要是基于传统的分子力场,无法对此类Cu-MOFs中主客体分子间的相互作用进行准确描述。基于量化计算获得的精确分子力场,利用Monte Carlo分子模拟方法考察了常温常压条件下763个基于Cu-OMS的MOF材料对CO2存储和CO2/N2的分离行为。不仅筛选出潜在的高性能材料,而且揭示出了材料的结构与其性能之间的关系和具有优良性能的材料结构特征,可为面向特定应用的新材料设计和合成提供理论参考。

2019 Vol. 70 (3): 1135-1143 [摘要] ( 60 ) [HTML 1KB] [PDF 1005KB] ( 73 )
1144 柔性自支撑PDDA-Si/G纳米复合薄膜的制备及储锂性能
张亚婷, 张凯博, 贾凯丽, 贺新福, 刘国阳, 王伟, 张永玲, 邱介山

通过静电自组装技术成功制备得到柔性自支撑聚二烯二甲基氯化铵-Si/石墨烯(PDDA-Si/G)纳米复合薄膜。该复合薄膜无添加黏结剂及导电炭黑且仍能保持电极结构的完整性,其中石墨烯提供完整的导电网络和机械韧性。电化学测试结果表明,当电流密度为0.2 A/g,复合材料的比容量可达1439.9(mA·h)/g,库仑效率保持98%以上。且在高电流密度(2 A/g)下,复合材料的比容量仍可维持在499.9(mA·h)/g,远高于商品化纯Si电极的电化学性能。

2019 Vol. 70 (3): 1144-1151 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 1214KB] ( 9 )
1152 乳液法制备聚乙烯醇-石墨烯气凝胶及其对纯有机物的吸附
王振有, 刘会娥, 朱佳梦, 陈爽, 于安然

采用氧化石墨烯(GO)稳定的Pickering乳液为软模板,制备聚乙烯醇-石墨烯气凝胶。探究GO浓度、均质转速、油水比、乙二胺(EDA)和聚乙烯醇(PVA)用量等因素对乳液稳定性、粒径分布及气凝胶成型的影响,发现改变乳液配比可控制乳液粒径的大小,进而对气凝胶的密度和孔隙率进行调控。通过SEM、FT-IR、Raman、XRD对最优制备条件下制得的聚乙烯醇-石墨烯气凝胶(PGA)进行表征,可知GO经水热反应后被还原组装形成三维网络气凝胶结构(PGA)且其孔道直径与乳液粒径基本一致。对PGA进行挤压实验发现其具有轴、径双向挤压回弹性,且重复挤压200次以上PGA仍然具良好的弹性。PGA对纯有机物的吸附量最高可达280 g·g-1,且每克PGA吸附的有机物的体积为恒定值。

2019 Vol. 70 (3): 1152-1162 [摘要] ( 22 ) [HTML 1KB] [PDF 1056KB] ( 32 )
1163 静电辅助多孔液体的制备及特性研究
生丽莎, 陈振乾

以硬模法制备的纳米中空SiO2颗粒为腔洞结构,利用聚合咪唑阳离子与SiO2的静电作用使SiO2颗粒表面带正电荷,在外表面冠以磺化聚乙二醇赋予中空SiO2颗粒流动性,制备得到静电辅助的中空二氧化硅多孔液体。性能表征表明多孔液体具有大小约为10 nm的孔径均一的球形腔洞,多孔液体的中空SiO2含量约为13%(质量),室温条件下多孔液体的黏度为2.25 Pa·s,表现出良好的流动性。模拟结果得到聚合咪唑阳离子与中空SiO2的吸附能为279.55 kJ/mol,证实聚合咪唑阳离子可以紧密黏附在中空SiO2表面。采用的静电辅助表面修饰的方法为设计与制备多孔液体提供了一条新思路。

2019 Vol. 70 (3): 1163-1170 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 1047KB] ( 20 )
1171 玄武岩纤维增强聚乳酸力学性能及耐老化性能
韩露, 马芳武, 陈实现, 蒲永锋, 沈亮

通过拉伸实验和老化实验,研究了玄武岩纤维含量对BF/PLA拉伸性能、抗冲击性能及耐老化性能的影响规律,通过DSC实验得到BF/PLA复合材料的结晶度,分析其耐老化原因。随着质量分数增加,其拉伸强度增加可达到141 MPa,弹性模量达到5 GPa,达到峰值后又减小。质量分数达到30%时,缺口冲击强度和非缺口冲击强度分别达到6.7 kJ/m2和20.76 kJ/m2。DSC实验结果表明,随着玄武岩纤维含量的增加,聚乳酸复合材料的结晶度由34.6%增加到54.6%,而结晶度的增加可以减缓聚乳酸的降解速度。当质量分数达到60%时,老化实验后的弹性模量可以保持降解前的77%,延缓降解速度较为明显。经分析,拉伸强度与玄武岩纤维质量分数呈二次多项式关系,而弹性模量与玄武岩纤维质量分数之间呈线性关系。这种函数关系不受材料力学性能下降的影响。

2019 Vol. 70 (3): 1171-1178 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 750KB] ( 29 )
1179 微通道反应器合成纳米BaSO4颗粒及其在干片多功能层上的应用
叶飞飞, 张宝丹, 靳海波, 郭晓燕, 何广湘, 张荣月, 谷庆阳, 杨索和

以BaCl2和Na2SO4为原料,采用微通道反应器制备得到立方形纳米BaSO4颗粒,并通过SEM、XRD对其进行表征。考察了不同反应方式及微通道反应器结构、反应物体积流量、反应物浓度、反应温度、体积流量比对纳米BaSO4颗粒大小和形貌的影响。实验结果表明:25℃下,体积流量为2.5 ml/min,反应物浓度为0.1 mol/L,体积流量比为5是应用于淀粉酶医用干片多功能层的纳米BaSO4颗粒合成的最佳反应条件。与直接沉淀法相比,微通道反应器内制备出的纳米BaSO4颗粒形貌规整,最终得到产物粒径为25~55 nm。将所制备的BaSO4多功能层应用到淀粉酶医用干片中,颜色梯度明显,经反射光密度仪检测,信号值依次减小,且信号值变化曲线重复性、稳定性较好,说明制备的BaSO4颗粒可应用于淀粉酶体外诊断试剂中多功能层上。

2019 Vol. 70 (3): 1179-1187 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 1879KB] ( 20 )
1188 氧化石墨烯/石蜡复合相变乳液的制备及对流传热特性
刘小诗, 邹得球, 贺瑞军, 马先锋

为提高石蜡相变乳液的传热性能,通过添加氧化石墨烯(GO),制备了GO/石蜡复合相变乳液并对其相关性能进行了表征。搭建了流动阻力、对流换热试验台,对比研究了石蜡相变乳液及GO/石蜡复合相变乳液的流动阻力特性和对流换热特性,试验结果表明,由于GO的亲水性,复合相变乳液都表现出较好的稳定性。当GO的质量分数为0.01%、0.02%、0.03%时,复合相变乳液的热导率分别增加了20.01%、30.50%、35.18%。添加GO使乳液的流动阻力略有增加,直管段最大增加了6.70%,90°弯管处最大增加了13.20%;对流传热系数随着GO浓度的增加而增大,当GO浓度为0.03%时,对流传热系数最大提高了43.90%。

2019 Vol. 70 (3): 1188-1197 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 934KB] ( 15 )
1198 反溶剂沉淀法合成Fe3+掺杂ZnO纳米结构及其可见光催化性能
段云彪, 徐存英, 王祥, 刘海, 黄梦婷

以氯化胆碱-草酸低共熔溶剂(ChCl-OA DES)为溶剂,ZnO和Fe2O3为原料,通过简单的反溶剂沉淀法制备出不同掺杂浓度的Fe3+掺杂ZnO(Fe-ZnO)纳米结构。采用SEM、XRD、拉曼光谱、XPS等手段对所制Fe-ZnO结构与形貌进行了表征。结果表明,Fe-ZnO是由直径为20~30 nm纳米晶组装而成的微米棒。不同掺杂浓度的Fe-ZnO纳米晶均为六方铅锌矿结构,Fe3+很好地进入ZnO晶格。同时考察了所制Fe-ZnO的光吸收特性和光催化活性,发现Fe3+掺杂使其吸收峰红移至可见光范围,有效增强了可见光区域的催化活性。当Fe掺杂量为1.0%(atom)时,样品的光催化活性最好,比ZnO增大了约102倍。这说明Fe3+掺杂可改善ZnO对可见光光子的捕获能力。

2019 Vol. 70 (3): 1198-1207 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 768KB] ( 23 )
1208 泡沫相相分离制备多孔聚合物微球连续化工艺
周强, 郝军正, 祝琳华, 王红, 司甜, 何艳萍, 孙彦琳

采用在泡沫相进行溶剂挥发的方法,连续、高效制备聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯[P(MMA-BA)]共聚物多孔微球。采用自制的连续化反应装置,在一定搅拌速率和反应温度下,向反应器连续加料,在出口处连续收集溢出的泡沫并进行消泡、分散,再经洗涤、过滤、干燥得到多孔聚合物微球。重点研究了油相进料速率、反应温度、搅拌速率、聚乙烯醇用量(PVA浓度)对平均泡沫溢出速率、微球收率、微球粒径以及多孔形态的影响规律。结果表明:在反应温度为45℃,搅拌速率为500 r/min,油相溶液进料速率为30 g/min,PVA浓度为1.0%(质量),油相溶液中P(MMA-BA)∶二氯甲烷(DCM)∶正庚烷(HT)=10∶53∶6(质量比)的工艺条件下,聚合物微球的收率高达92%,平均粒径为130 μm,P(MMA-BA)微球球形饱满,呈多孔结构。

2019 Vol. 70 (3): 1208-1219 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 1215KB] ( 33 )
1220 基于硅硅低温直接键合的MEMS打印喷头制作工艺
翟彦昭, 蔡安江, 张栋鹏, 韩超, 李力

针对一种MEMS压电式集成打印喷头复杂腔室结构的加工,提出了一套基于ICP刻蚀结合硅硅低温直接键合的制作工艺。首先通过ICP体硅干法刻蚀工艺分别制作了打印喷头的上下腔室结构,然后将带有上下腔室结构的两硅片进行低温直接键合,形成完整的打印喷头腔室。通过对打印喷头上下腔室结构的键合实验研究,进一步探索并验证了硅硅低温直接键合的机理,重点研究了不同活化方法和退火时间对复杂腔室结构键合质量的影响,优化了低温直接键合工艺,为带有复杂三维结构的MEMS器件的制作奠定了工艺基础。测试结果表明,制作完成的MEMS打印喷头具有较高的键合强度,且其腔室流道的完整性和密封性良好。

2019 Vol. 70 (3): 1220-1226 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 612KB] ( 10 )
过程安全
1227 密闭空间内聚乙烯粉尘爆炸火焰传播特性的实验研究
喻健良, 侯玉洁, 闫兴清, 纪文涛, 于小哲, 王祎博

采用竖直、可视粉尘爆炸火焰传播实验平台,结合粒子图像测速PIV技术测得喷粉的冷态流场分布,研究聚乙烯粉尘在密闭容器内的爆炸火焰传播特性,探讨火焰结构与锋面位置的动态变化、火焰传播速度等参数的变化规律。结果表明,在200~1000 g/m3浓度范围内,低浓度聚乙烯粉尘爆炸火焰呈不连续片羽状结构,火焰锋面呈离散的星点状。粉尘浓度增加,火焰连续性及亮度增强,锋面呈齿状,并在400 g/m3火焰最明亮,火焰平均传播速度均随粉尘浓度的增加先增大后减小。采用均方根湍流速度量化体系整体脉动幅度,浓度接近最佳爆炸浓度400 g/m3时,均方根湍流速度为3.21 m/s。

2019 Vol. 70 (3): 1227-1235 [摘要] ( 33 ) [HTML 1KB] [PDF 1660KB] ( 23 )
1236 基于cup burner的含铁基添加剂超细水雾灭火有效性分析
梁天水, 王宗莹, 高坤, 李润婉, 王铮, 钟委, 赵军

针对典型的液体燃料(乙醇和正庚烷)油池火焰,在自行搭建的实验台上对含铁基添加剂的超细水雾的临界灭火浓度进行测量,定量评价其灭火性能。为深入分析铁基添加剂的灭火机理,基于密度泛函理论,对铁氧化物与H自由基反应产物的结构进行优化计算。研究表明:二茂铁与硫酸亚铁添加剂均能使超细水雾的临界灭火浓度呈现不同程度的降低,并且存在最佳浓度。二茂铁与硫酸亚铁的质量分数分别为0.01%和1%时,灭火效果最好;含铁基添加剂细水雾灭乙醇火的效果好于正庚烷火。铁氧化物与H自由基反应生成的Fe(OH)2是一种活性催化物质,能够通过链式反应消去H自由基。

2019 Vol. 70 (3): 1236-1242 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 588KB] ( 7 )

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