水基炭黑-胶原蛋白纳米流体制备及稳定性实验

纳米流体由于其优异的光热转换性能,已成为新型太阳能集热介质的研究重点;但因其稳定性差、制备工艺复杂,未能在实际应用中得到推广。本文以去离子水为基液,通过两步法制备炭黑-胶原蛋白纳米流体。探究了材料添加顺序、胶原蛋白种类、超声时间、材料配比以及溶液pH等对纳米流体稳定性的影响。结果表明,制备水基炭黑-胶原蛋白纳米流体时,先分散炭黑再加入胶原蛋白可以提高其稳定性;猪皮胶原蛋白更适用于炭黑-胶原蛋白纳米流体的制备;超声45min,炭黑胶原蛋白质量配比为1/20,悬浮液pH在6.5~7.5之间制备得到的纳米流体稳定性较好。本研究有助于今后水基炭黑-胶原蛋白纳米流体产业化应用于太阳能光热转换领域。

焦炉煤气脱碳法及甲烷化法制液化天然气的生命周期环境影响分析

作为焦化副产品,焦炉煤气富含氢气和甲烷,采用焦炉煤气制液化天然气(LNG)已成为当前焦炉煤气利用的主要途径之一。为系统评估焦炉煤气制LNG工艺的能源消耗和环境影响,尤其是碳排放,本文采用生命周期评价方法对脱碳法和甲烷化法两种焦炉煤气制LNG工艺进行系统评价。结果表明,无论采用哪种方法,LNG生产阶段均为焦炉煤气制LNG工艺生命周期环境负荷的控制阶段;在脱碳法工艺中,中压蒸汽是环境影响贡献的关键物质,可通过干熄焦回收红焦余热副产蒸汽补充LNG生产消耗来降低环境负荷;在甲烷化工艺中,电力为主要贡献物质,在碳排放中占比41.09%,若采用可再生能源电力(太阳能发电、风电、水电)替代后环境影响显著降低;相比于脱碳法,采用甲烷化工艺环境性能更优,主要源于甲烷增产优势。本文研究结果可从生命周期角度为焦化行业焦炉煤气的综合利用提供理论支持。

CTAB改性Cu-BTC材料的合成及其吸附分离二甲苯异构体的性能

通过水热法合成Cu-BTC晶体的过程中添加十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),通过调节CTAB的添加量对吸附材料的形貌和孔结构进行改性,改性后的Cu-BTC材料与原Cu-BTC相比,其对对二甲苯(PX)的静态吸附量明显提高,且高于间二甲苯(MX)和邻二甲苯(OX),从而提高了异构体的吸附选择性。研究了二甲苯异构体在Cu-BTC-CTAB材料上的静态吸附性能和吸附动力学性能。在298K、318K和338K温度下进行了一系列二甲苯有机蒸气吸附平衡实验,得到了静态吸附速率曲线和吸附等温线。改性材料中CTAB添加量为0.08%的Cu-BTC-CTAB样品对PX的吸附量和选择性最优。动力学研究表明,二甲苯异构体在Cu-BTC-CTAB上的吸附过程可以用一级动力学模型来描述。

适应锅炉调峰运行的水冷壁高温腐蚀预测模型

随着可再生能源大规模并网,传统火电机组作为调配能源的地位显著增强,这对锅炉灵活调峰运行的安全稳定性提出了更高要求。本文耦合烟气侧与工质侧传热,结合管壁温计算,形成水冷壁壁温分布耦合计算方法。同时,建立了用于确定还原性气氛下的燃料硫释放以及含硫组分的相互转化过程的SO_(x)生成模型。综合炉膛数值模拟、水冷壁壁温耦合计算以及包含时间维度的管壁高温腐蚀模型,提出了一种适应锅炉调峰运行的水冷壁高温腐蚀预测模型并基于Matlab GUI开发了对应软件。选取一台超临界600MW四角切圆燃煤锅炉为研究对象,结果表明:采用壁温耦合计算模型和SO_(x)生成模型得到水冷壁的壁温分布和近壁面H_(2)S浓度分布准确度高,为水冷壁高温腐蚀的准确预测提供了良好基础。不同负荷下水冷壁高温腐蚀特征存在差异,壁面腐蚀程度整体上随负荷降低而降低。100%BMCR与75%THA负荷下前墙水冷壁燃烧器与SOFA之间的区域腐蚀最为严重,最大年腐蚀深度分别为276μm和233μm;50%THA与35%BMCR负荷下高温腐蚀深度在燃烧器区域的上部迅速增加至最大值,分别为224μm和256μm。多工况运行水冷壁高温腐蚀状态表现为各工况腐蚀状态的时空叠加。运用水冷壁高温腐蚀预测模型可实现通过锅炉运行参数和运行时间预测多工况下水冷壁高温腐蚀状态程度的时空分布。

液相剥离法高效制备石墨烯的研究进展

石墨烯是一种具有优良物理化学性质的二维纳米材料,广泛应用于电池、催化、传感器、印刷、生物医药等领域。然而,石墨烯及其衍生产品的应用与发展面临着巨大挑战——低成本、高品质、规模化生产。本文综述了液相剥离法高效制备石墨烯的研究进展,重点探讨了电化学插层法、溶剂插层法、高温膨胀法和微波膨胀法等液相剥离的前处理方法原理以及对石墨烯剥离效果的影响;分析了水基溶剂、有机溶剂和混合溶剂等剥离溶剂的优缺点与选取原则;对比了超声、高剪切和微通道等过程强化设备的剥离原理和优缺点;简述了离心分离的后处理方法以及分离效果;最后对液相剥离法宏量制备石墨烯的发展趋势进行了展望:通过结合人工智能等方法进行多目标优化,开发无残留的功能化插层剂并匹配温和快速的膨胀方法,寻找低毒、低沸点、高分散的溶剂体系,精确调控液相剥离设备作用机理,设计连续化梯级离心设备,实现液相剥离制备石墨烯的连续化、规模化、低成本快速制备。

氢产业链发展的路径分析

碳达峰、碳中和战略的提出为我国各行业绿色低碳转型指明了方向,绿色氢能源有望在交通、化工、发电等多个领域发挥重要作用,推动氢产业发展可成为我国实现双碳目标的有效途径。本文在对美国、欧盟、日本和中国近年来氢产业发展情况进行比较与分析的前提下,提出了中国氢产业链的发展路径。文中指出,我国需要在借鉴发达国家氢产业发展政策的基础上,立足本国国情,统筹谋划构建从制氢、储运、加氢站建设到多场景应用的产业链。综合考虑我国的资源分布情况,加大绿氢产业布局,依据绿氢的绿色能源、绿色材料以及绿色原料的多元属性,推动氢能在交通、化工、冶金、发电等多场景的高效利用,同时我国要加强国际合作,联合研发相关新型技术与基础设施,制定涉氢国际标准,统筹兼顾氢产业经济发展与应对全球气候变暖的双重目标。

征稿简则

期刊简介:《化工进展》(月刊,中国化工学会会刊)创刊于1981年,是由中国科学技术协会主管,中国化工学会、化学工业出版社共同主办,化学工业出版社出版的化工及其相关领域综合性科技期刊。是中文核心期刊、科技核心期刊,被EI、SCOPUS.CSCD等国内外重要数据库收录。2023年“百种中国杰出学术期刊”、列2023版《中文核心期刊要目总览》“化学工业”类期刊第1名。2019年起入选中国科协中国科技期刊卓越行动计划。

基于CFD-DEM算法的气力输送气固两相流特性分析

超轻粉体颗粒由于质量较小,在运输过程中易受气流扰动而飘散,物料的管道气力输送过程不稳定,易发生堵塞。为了研究超轻粉体颗粒在旋流气力输送中气固两相流流动特性,采用计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM),对Komax型静态混合器内气固两相流动特性进行数值模拟研究。研究发现,带有Komax型元件的水平管道可以改变颗粒的流动情况,改善了水平管道内颗粒堆积和分布不均匀的现象;分别从颗粒相和流体相的流动状态分析得到元件长径比Ar=3时为最优几何结构;通过正交实验极差分析得到影响气固两相流动特性的因素顺序:输送气速>颗粒质量流量>颗粒粒径。当元件Ar=3时,颗粒-颗粒和颗粒-管壁的碰撞次数与碰撞强度呈现负相关,结合出口颗粒流分散状态,优选输送气速为3~4m/s;主要考虑输送气速对管内压降的影响,提出了带有Komax型元件的水平管道气力运输过程中压降与输送气速和轴向位置的经验拟合式。

循环流化床高碱煤气化技术研发及应用进展

系统回顾了循环流化床高碱煤气化技术的研发及应用历程,重点概况了在高碱煤基础理化特性、气化反应特性及碱金属的迁移特性、防结渣技术研究及循环流化床高碱煤气化工程应用四个方面的进展与成果。梳理了高碱煤的煤质特征、碱金属的赋存形态和含量、前处理方法对碱金属含量测定的影响,以及高碱煤的燃烧和成灰特性。总结了煤种、反应进程、气化温度、氧碳摩尔比、反应气氛等对高碱煤气化性能指标和气化灰结渣特性的影响。阐述了配煤、添加剂及更换床料等方法对预防高碱煤气化结渣的作用和反应机理,采用刚玉做床料实现了循环流化床高碱煤气化中试装置稳定运行。评述了循环流化床高碱煤气化技术的自主创新以及在工业燃气、合成气领域的成功应用。最后,从建立高碱煤气化用煤数据库、开发纯用高碱煤的气化技术、开发高效脱碱及原位耦合利用革新技术、探索高碱煤与其他物料协同利用技术并制备高性能材料四个方面展望了未来高碱煤气化技术的发展方向。

酶催化固碳过程及其强化技术研究进展

全球范围迅猛发展的工业生产导致温室气体CO_(2)的排放,引发人们对全球气候变化的普遍关切。在发展清洁能源、工业流程再造等减少碳排放的同时,开发高效、经济的CO_(2)捕集、利用与储存(CCUS)技术显得尤为迫切。本文基于CO_(2)资源化利用的目的,对生物体外酶催化固碳过程及其强化技术的研究进展进行综述。首先,介绍了CO_(2)转化过程中涉及的关键催化酶及其优化,阐述了CO_(2)资源化利用的具体策略,涵盖了将CO_(2)催化转化为甲酸、甲醇、甲烷、淀粉以及L-乳酸、丙酮酸等特定产物分子。进而,重点阐述了辅因子的原位再生、酶的固定化、反应系统的优化设计、反应条件优化(pH、温度、底物浓度)以及产物原位分离等技术对CO_(2)生物酶催化反应过程的强化,实现CO_(2)的高效固定与资源化利用。旨在通过多方面交叉论述,为生物酶催化过程及路线设计包括固定化酶催化剂的制备、反应器选择设计与开发、酶催化过程调控、高值化产品定向合成等提供有益的启发和思考。最后,总结了酶催化固碳过程存在的问题和挑战,并对其未来值得研究的方向进行了展望。

分子动力学模拟在沥青体系中的应用研究进展

随着计算机技术的飞速发展,分子模拟方法已被广泛应用于各个领域。本文总结了沥青分子模型、老化沥青模型、集料模型的构建方法以及基质沥青模型的验证方法。通过分子动力学(MD)模拟,探讨了沥青的性质与性能、沥青的扩散现象、改性剂对沥青的改性作用、沥青老化与再生以及沥青与集料的界面相互作用。MD模拟方法能够预测沥青材料的性能,包括基质沥青的力学性能、低温性能、抗老化性能、自愈合性能,基质沥青与改性剂的相容性以及沥青与集料界面的力学性能、黏附性等性能,架起了宏观和微观行为之间的桥梁,为MD模拟在沥青材料的广泛应用提供了指导。但MD模拟在沥青体系中还需要进一步完善,如初始模型的建立、力场的优化和模型验证等,目前分子动力学模拟只关注沥青材料与改性剂之间的物理作用,缺少对两者之间化学作用的研究。此外,分子动力学在沥青混合料中的应用目前只限于沥青与集料界面之间的研究。最后,对MD模拟在沥青体系中的未来发展方向进行了展望,在未来需要使用MD方法来研究沥青的高温流变性能、沥青与改性剂的界面模拟以及多种改性剂与沥青之间的相互作用。此外,还需要探究多种因素(如裂缝宽度、改性剂、温度和再生剂)共同作用下对沥青自愈合性能的影响,为了探究沥青与改性剂之间的化学相互作用,建议结合量子力学等其他模拟方法进行研究,在沥青混合料方面建议结合有限元等模拟方法来研究沥青混合料的性能。

石墨烯复合载体催化剂在柴油车尾气NO脱除中的应用

氨气选择性催化还原法有利于柴油车尾气中NO的脱除,为适合柴油车尾气条件和温度,制备一种石墨烯和TiO_(2)复合载体的脱硝催化剂,通过NH_(3)-SCR催化活性评价、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积与孔隙度分析仪(BET)和程序升温还原(H_(2)-TPR)等表征得出以下结论:对于TiO_(2)载体催化剂,高含量的Ce有利于提高NH_(3)-SCR催化活性,并扩宽活性温度区间,活性组分Fe有利于其低温活性;对于石墨烯载体催化剂,活性组分Ce的催化活性更优越,但Fe更有利于高温活性;针对TiO_(2)和石墨烯复合载体脱硝催化剂,进一步扩宽了催化活性温度区间,改善催化剂反应过程中的粉化现象,但是催化活性略有下降,其中Fe0.1Ce0.4Ti/10%GR催化剂具有最优的NH_(3)-SCR活性,在220~450℃温度区间内NO转化率达到90%以上。

CO_(2)原位矿化选址关键参数及其封存潜力评估研究进展

温室气体特别是二氧化碳的大量排放,是导致全球变暖的主要原因之一。根据国际能源署的报道,碳捕集利用和封存(CCUS)技术是缓解全球气候变化的重要措施之一,约占累计碳减排量的15%。原位矿化封存技术基于快速CO_(2)矿化机制,以镁铁质岩石和超镁铁质岩石(玄武岩、橄榄岩等)地层为碳封存位点,利用CO_(2)与富含Ca、Mg元素矿物的矿化反应,转变为稳定的碳酸盐,从而达到永久且高效封存CO_(2)的目的。冰岛和美国的中试项目已经证明了该技术的可行性,但中国尚未进行相关示范项目。本文介绍了原位矿化封存技术的机理、CO_(2)封存潜力的评估手段及其面临的风险与挑战,讨论了已开展的案例项目及其技术细节,梳理了实施该技术所必需的选址关键参数(包括源-汇距离、矿物类型、注入性、封闭性等),并基于目前研究对其前景进行展望,以期提高我国对原位矿化技术的认识和重视,为推动该领域进一步发展提供理论指导。

耐火材料热化学反应典型应用技术发展

高温工业的发展,与耐火材料的发展密切相关,其技术进步无一例外地都依赖于优质耐火材料的研发。耐火材料在制备及应用过程中,都和热化学反应息息相关。本文首先简要介绍了耐火材料的发展历程,其次以二氧化硅质、莫来石质耐火材料为例,介绍了上述耐火材料制备中的热化学反应过程;以莫来石-碳化硅、方镁石-尖晶石、镁碳质耐火材料为例,介绍了上述耐火材料在服役过程中的热化学侵蚀反应行为,并给出了热化学模拟在耐火材料与熔渣/气相反应中的应用情况;以氧化铝-碳质过滤器为例,介绍了其应用过程中的吸附夹杂机理。最后介绍了常用的耐火材料煅烧设备。

超亲气泡沫铜纳米线电极电化学还原CO_(2)性能

利用可再生电能进行电化学还原CO_(2)被认为是一种有前景的储能和减排技术,但在阴极发生析氢副反应,将降低电化学还原CO_(2)的性能。采用泡沫铜为基底制备铜纳米线电极扩展电极的电化学活性面积,然后通过十七氟癸基三甲基硅烷对电极进行亲气处理,使电极表面从疏气状态变为超亲气状态,从而强化气相反应物CO_(2)传质,增加反应三相接触线,提高电极的电化学还原CO_(2)性能。实验结果表明:与未亲气处理的泡沫铜纳米线电极相比,所制备的超亲气泡沫铜纳米线电极虽然具有较小的电化学活性面积,但其超亲气的特性更有利于CO_(2)的传质,抑制了电解液中氢离子的传输,有效削弱了析氢副反应的发生。在电解电位为-1.5V(vs.Ag/AgCl)时,H_(2)法拉第效率降低了17.7%,电化学还原CO_(2)性能提升。

微纳米气泡强化臭氧氧化降解含酚废水

为了降解毒性强的含酚工业废水,本文将微纳米气泡与臭氧氧化法相结合,探究了处理温度、溶液pH、苯酚初始浓度和臭氧浓度对苯酚降解的影响。结果表明,相较于传统气泡,微纳米气泡破裂可诱导产生更多的·OH,弥补了臭氧传质效率低和氧化性不足等缺点,使反应体系的氧化还原电位明显提高,并在苯酚降解过程中起到主要作用;相比于臭氧氧化法,苯酚降解效果得到显著提升;提升臭氧浓度、溶液pH及降低苯酚初始浓度均可促进反应体系中生成更多的·OH,进而提升除酚率。通过气相色谱-质谱法(GC-MS)检测苯酚降解的中间产物,分析了苯酚降解的可能路径。总体而言,微纳米气泡结合臭氧氧化法是一种有潜力的除酚技术,研究结果对此技术在工业废水降解中的应用和推广具有指导意义。

基于GA-BP神经网络模型预测水基炭黑-胶原蛋白纳米流体热导率和黏度

纳米流体由于其独特的强化传热性能,已广泛应用于各个领域。而热导率和黏度直接影响纳米流体在实际工程中的适用性,因此在考察纳米流体的强化传热特性前首先要分析研究其热导率和黏度。本研究利用炭黑和胶原蛋白,采用两步法制备了水基炭黑胶原蛋白纳米流体。实验分析了炭黑和胶原蛋白质量分数、温度对纳米流体热导率和黏度的影响。采用灰色关联方法对这些参数的权重进行了数学计算,基于实验数据建立了三输入两输出的BP神经网络预测模型,并利用遗传算法(GA)对BP模型进行优化。结果表明,遗传算法优化后的BP神经网络模型对预测输出具有更高的准确性和更好的稳定性,回归系数和最大偏差分别为0.99918和0.002。本研究不仅对于理解和控制水基炭黑-胶原蛋白纳米流体的热物理性能有重要意义,而且为工程设计和材料科学等方面的应用提供了新思路。

利用PEG/Na_(2)CO_(3)双水相乳液法制备碳酸钙微球及其形成机理

具有微隔室化作用的乳液法是制备球形材料的有效手段。本研究利用聚乙二醇(PEG)与碳酸钠(Na_(2)CO_(3))组成的双水相体系制备碳酸钙微球。首先对双水相的形成条件进行了探究,并绘制相图。然后以Ca Cl_(2)为钙源、PEG/Na_(2)CO_(3)双水相乳液的分散相Na_(2)CO_(3)为碳源,制备了高分散性的Ca CO_(3)微球。研究了双水相体系组成、复分解反应条件等因素对Ca CO_(3)成球效果的影响,分析了产物的微观形貌、晶体结构和粒径分布。结果表明,在33%PEG8000-7%Na_(2)CO_(3)(质量分数)的双水相乳液中,Ca Cl_(2)溶液与PEG/Na_(2)CO_(3)乳液体积比为1∶15、反应时间为1min、陈化时间为0.5h的最优条件下,合成了球形度高、粒径为3.4μm的Ca CO_(3)微球,且Ca CO_(3)以球霰石为主(高达95.72%),包含少量方解石;其成球机理为,Ca^(2+)渗透至微小球形液滴的内部,在具有微隔室化的细小空腔中与CO_(3)^(2-)发生反应,形成晶核并快速生成球霰石,PEG-水环境阻止球霰石发生溶解-重结晶,抑制了球霰石向方解石发展的趋势,然后晶核在双水相体系的大分子拥挤微环境下限域生长,最终得到球形结构。

热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统耦合特性

为了减少工业烟气中余热与CO_(2)的排放,本文提出了热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统(TRBCO_(2)RR)。该系统通过串联多个非水系热再生电池(thermally regenerative battery,TRB)构建电堆,并将其用于驱动CO_(2)电化学还原(electrochemical reduction of CO_(2),CO_(2)RR)。本文研究了CO_(2)电化学还原特性、非水系TRB电堆性能及非水系TRB-CO_(2)RR系统耦合特性。研究结果表明,碳纸负载纳米银多孔电极上催化剂分布较为均匀,在-1.8V电位下(对应的槽电压为5.1V)表现出最佳的电化学还原CO_(2)性能,其CO法拉第效率达到了最佳值78.7%。为此,构建了6个子电池的串联电堆,开路电压达到7.2V左右,最大功率为235mW,在34min内放电相对稳定。运行非水系TRB-CO_(2)RR耦合系统后,电堆未出现反极现象,CO法拉第效率(73.1%)接近稳定电源所获得的最佳值。未来研究可通过优化催化剂和电堆设计,有望进一步提高耦合系统CO_(2)RR转化效率。

二氧化碳捕集技术研究和工程示范进展

捕集、封存(CCS)/捕集、利用和封存(CCUS)技术是缓解日趋严重气候问题的有效措施,其中CO_(2)捕集是CCS/CCUS技术中的关键环节。经过多年发展,以乙醇胺为代表以及在此基础上发展起来的多氨基胺、位阻胺、离子液体等化学胺吸收碳捕集技术逐渐成熟,此类技术已开展或正在进行大型试验或工业示范。科研机构已经完成了技术评审(TR)的关键节点验证,积累了丰富的经验。本文结合具体案例简要介绍了包括燃烧前、富氧燃烧、化学链燃烧和燃烧后捕集技术的进展情况,分析了各类技术目前存在的主要问题,并提出了影响CO_(2)捕集技术大范围推广的关键因素。捕集能耗高、设备投资和维护成本高、产生的废弃物量大是影响捕集成本的主要因素。此外,捕集的CO_(2)主要还是用于驱油和埋存,尚不成熟的CO_(2)化工转化技术生产的产品竞争力比较弱。