绿色过程系统工程

发展从源头消除污染的绿色技术是过程工业可持续发展的必然要求,任何单元技术的突破对过程工程的绿色化都是不可或缺的。然而过程工程是一个系统科学,不仅要考虑单个技术,重点还要考虑从原料替代、介质创新到单元强化及系统集成的整个链条,归根到底是要通过新介质(如催化剂、溶剂等)的原始创新和新工艺集成创新实现过程工业的绿色化。基于系统论的科学思想综合考虑过程工程这一复杂大系统,以离子液体介质创新为核心,综述了在原料替代、新型介质设计、传递规律、系统集成方面的新进展,以期为绿色化工技术的发展提供重要的科学基础。

硫酸钠制备碳酸氢钠过程中Na_(2)SO_(4)-NH_(3)-CO_(2)-H_(2)O体系相平衡规律

Na_(2)SO_(4)-NH_(3)-CO_(2)-H_(2)O体系相平衡规律的掌握,对硫酸钠高值利用制备碳酸氢钠过程的工艺优化有重要意义。本文采用等温溶解平衡法在101.3~1099.0kPa下303.15K、323.15K和343.15K时研究了Na_(2)SO_(4)-NH_(3)-CO_(2)-H_(2)O体系以及其子体系Na_(2)SO_(4)-NH_(3)-H_(2)O的液-固相平衡关系,并获得了Na_(2)SO_(4)-NH_(3)-H_(2)O体系以及SO_(4)^(2-)、CO_(3)^(2-)和HCO_(3)^(-)在Na_(2)SO_(4)-NH_(3)-CO_(2)-H_(2)O体系相平衡规律。研究结果表明,Na_(2)SO_(4)-NH_(3)-H_(2)O体系中氨对硫酸钠有强烈盐析作用,当温度低于305.55K时在氨的作用下,体系平衡固相以无水硫酸钠的形式存在。同时硫酸钠氨盐水溶液通入二氧化碳进行碳酸化可促进硫酸钠的溶解。低温、高压有利于促进硫酸钠氨盐水溶液的碳酸化,并提高硫酸钠向碳酸氢钠的转化率。

氧化法制备电子级高纯黄磷的实验研究

随着电子工业的发展,对电子级高纯黄磷的需求也日益增加。本文采用氧化法制备电子级高纯黄磷,考察了碘酸和双氧水两种氧化剂,分析了不同的双氧水比例、水洗次数对提纯效果的影响。结果表明,与双氧水对比,碘酸引入了Cu、Ag等金属杂质;经过2倍双氧水和2次水洗后Fe、Ca、Co、Mg等21种杂质均达到电子级高纯水平,且去除了77.9%的As杂质。该研究对电子级高纯黄磷的制备具有重要意义。

湿法磷酸半水工艺考察与石膏结晶过程研究

湿法磷酸半水工艺可生产高浓度磷酸[w(P_(2)O_(5))>40%(质量)],但在半水反应阶段磷矿易发生钝化,半水石膏结晶粒径小,造成工艺后端过滤困难,磷回收率降低。以湖北典型中低品位磷矿为原料,系统考察了半水工艺中SO^(2)_(4−)浓度、磷酸浓度、反应温度等条件对半水石膏结晶物相、形貌及粒径的影响规律,分析了优化条件下石膏杂质赋存与含量变化。结果表明,半水反应中液相硫酸、磷酸浓度会引起半水石膏物相、形貌、粒径变化,磷硫浓度提高会导致石膏晶体形貌由柱状变化为棒状、片状,粒径从70μm减小到10μm。优化工艺条件下,半水石膏较原工艺石膏P_(2)O_(5)含量降低至1.39%(质量),磷的主要存在形式为难溶性磷酸盐,同时F含量降低至0.44%(质量),其以CaF2、AlF3等难溶物形式存在于石膏,其他杂质含量均有所降低。本研究可为半水工艺生产过程参数优化及半水石膏品质提升提供参考。

LiNi_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y) O_(2)正极材料合成对匣钵的侵蚀过程

采用工业上用于焙烧三元正极材料LiNi_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y) O_(2)的废旧匣钵为试样,通过对试样进行荧光和化学分析、X射线衍射分析、微观结构以及能谱分析,研究了三元正极材料LiNi_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y)O_(2)高温合成过程对匣钵的侵蚀机理。结果表明:LiNi_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y)O_(2)合成过程中,主要是锂离子侵蚀,侵蚀产物为LiAlO_(2),同时对原有匣钵基体破坏形成了新物相Mg_(6)Al_(2)(OH)_(18)·4.5H_(2)O;镍、钴、锰三种金属离子在高温合成过程中并未对匣钵基体侵蚀形成新物相。经过侵蚀的匣钵明显分成两层,两层之间有一个过渡带状,可能是中间形成的致密过渡层,避免匣钵进一步被破坏。

高碳铬铁盐酸浸出过程工艺及动力学

传统铬盐行业生产过程中铬的价态需经过三价到六价再到三价的转化。六价铬的高毒性导致铬成为国家重点防控的重金属。铬盐行业的可持续发展亟需开发避免六价铬产生的新技术,含铬原料的酸浸为可行的途径。本文提出以高碳铬铁合金为原料,盐酸为浸出剂的酸性浸出制备三价铬盐新工艺。浸出后的氯化铬和氯化亚铁可制备出三价铬盐产品,其可作为铁铬液流电池的电解液。本文在对高碳铬铁元素含量、物相组成及形貌等分析的基础上,系统研究了反应温度、盐酸浓度、搅拌速率和反应时间对铬和铁浸出率的影响规律。结果表明,在反应温度100℃、盐酸浓度9mol/L、搅拌速率250r/min、反应时间6h的条件下,铬浸出率为92%,铁浸出率为95%。进一步研究了高碳铬铁在盐酸中浸出的动力学。高碳铬铁的浸出过程符合未反应收缩核模型,铬浸出过程受化学反应控制,表观活化能E_(a)=65.95kJ/mol;铁浸出过程受化学反应控制,表观活化能E_(a)=63.85kJ/mol。

添加纤维素对硫化铜矿细菌浸出过程的影响研究

将硫酸水解处理后的秸秆纤维添加到硫化铜矿细菌浸出过程中,考察其对浸出过程及浸出效率的影响。结果表明,采用50%硫酸处理后,纤维素水解产物为还原糖,有利于混合菌种的培养,提高细菌数量和活性;水解物可降低浸出液氧化还原电位,抑制矿物表面钝化层的产生;黄铜矿单矿物中Cu浸出率提高了36.35%;云南某低品位铜矿中的Cu浸出率提高了11.91%。

高铝粉煤灰碱法提铝过程镓的吸附研究

我国内蒙古中西部以及山西北部地区的高铝粉煤灰中氧化铝含量高达50%以上,伴生的镓含量可达60 mg/kg,是重要的含铝、镓二次资源。为进一步提升高铝粉煤灰资源化利用附加值,实现粉煤灰提铝过程低浓度含镓溶液的高效提取,本文基于高铝粉煤灰预脱硅拜耳-亚熔盐联合法提铝工艺中的含镓碱液体系,研究了含镓模型溶液中镓离子的静态吸附规律,系统考察了不同吸附时间、吸附温度、镓初始浓度以及碱浓度对螯合树脂吸附镓离子的影响,完成了吸附动力学与吸附等温线的考察,并采用吸附柱进行了低浓度含镓碱液动态吸附及淋洗试验验证。静态吸附试验结果表明:采用LSC-600型螯合吸附树脂可实现低浓度含镓碱液中镓离子的高效吸附,树脂的平衡吸附容量随静态吸附时间增大而增大,吸附24 h后树脂吸附容量达到平衡;镓离子初始浓度低于400 mg/L,树脂的平衡吸附容量受吸附温度影响较小,在镓离子浓度高于400 mg/L体系中,树脂的平衡吸附容量随吸附温度升高而降低,其中吸附温度为50℃时树脂对镓离子的平衡吸附容量最大;随含镓碱液碱浓度增加,螯合树脂对镓离子的吸附容量先增大后减小,螯合树脂对镓离子的平衡吸附容量随镓离子初始浓度增大而增大,镓离子初始浓度高于1 200 mg/L时树脂吸附容量达到饱和,吸附温度为50℃,镓离子初始浓度为1 200 mg/L,碱浓度为5 mol/L时树脂的最大吸附容量为36 mg/g。动力学拟合结果表明:碱体系树脂对镓离子的吸附动力学过程符合准二级动力学方程,属于化学吸附过程;吸附等温线拟合结果表明,LSC-600型螯合树脂对镓离子的吸附满足Langmuir等温方程,说明镓离子的螯合吸附过程为单层吸附。树脂的动态吸附和淋洗结果表明,液体流速越大,树脂达到吸附平衡时的穿透床层数越小,树脂对镓离子的吸附容量和吸附率均较低,镓离子初始浓度50 mg/L,吸附温度为50℃,吸附流速为2. 5 BV/h时,树脂对低浓度含镓碱液吸附效果最优,最大吸附容量为3. 13 mg/g,淋洗过程淋洗液镓离子浓度随着床层数增加先增大后降低,淋洗流出液达到0. 7 BV时镓浓度最高为1 936mg/L,高浓度段(0. 3~1. 5 BV)溶液中镓离子浓度为1 248 mg/L,富集倍数达25倍。

多晶硅装置尾气回收工艺研究进展

综述了改良西门子法多晶硅制备工艺及尾气回收研究现状,从回收率、回收效果及能耗等方面阐述了湿法回收、膜分离回收和干法回收3种尾气回收工艺。重点概述了多晶硅尾气干法回收工艺各个单元的研究进展,并根据现状总结了未来的研究方向。

反应精馏塔制备硅烷多目标优化研究

以年总操作费用(TAC)、CO_(2)排放量(GEC)和精馏塔热力学效率(η)为目标,提出了基于粒子群算法(PSO)的优化方法,并将该方法应用于三氯氢硅(SiHCl_(3),TCS)歧化制取硅烷(SiH_(4),MS)反应精馏塔的优化设计。在Aspen Plus V7中建立流程进行模拟,使用平衡级模型,对RD-2IC(带有2个中间冷凝器的反应精馏塔)和高压分离塔的双塔构型建立稳态模型,考察了塔压、塔板数、回流比、进料位置、反应段持液量和中间冷凝器气相分率等影响因素,初步确定了各参数的最优值,为进一步深度优化提供了初值和可行域。结果表明,与单因素灵敏度分析结果相比,PSO算法优化后的TAC节省了54.50%、GEC减少了38.13%、η提高了22.55%。

国内外提锂技术研究进展及应用

随着双碳政策的实施,新能源汽车产业快速发展,高容量的锂电池得到了大规模的应用,因此,绿色、高效的提锂技术成为决定最终锂资源回收经济效益的关键因素。根据资源类型的差异,提锂技术可分为盐湖卤水提锂和矿石提锂技术两种。盐湖卤水主要用于生产工业级的碳酸锂,工艺流程简单,成本较低,但其生产条件较差,常伴随较高的Mg/Li。盐湖卤水提锂技术主要分为分步沉淀法和吸附法两种,分别用来处理低、高Mg/Li盐湖卤水资源。锂辉石、锂云母、锂黏土等锂矿石主要用于生产电池级碳酸锂,提锂工艺成熟,但生产成本高,环境污染较为严重,目前常用的工艺为硫酸焙烧法、硫酸盐培烧法、氯化焙烧法、石灰石焙烧法和碱性压煮法。结合盐湖卤水、锂辉石、锂云母和锂黏土等目前主要的锂资源,从资源储量分布、典型工艺流程、代表性矿山项目以及相应的运营成本分析等方面详细阐述了国内外锂资源提锂技术的研究和应用现状,并通过对不同锂矿资源开发技术在应用过程中的优缺点对比分析,从工业应用价值的角度来阐述现有技术中制约提锂效率的关键因素,并据此提出了不同锂资源提锂技术未来的发展方向,为提锂技术的优化更新提供相应的参考。

电解锰渣资源化回收利用技术研究进展及“双碳”影响评估

我国电解锰产业每年产生大量含有锰、氨氮等毒害组分的电解锰渣,传统的堆存处置方式存在较大环境风险,其资源化利用对电解锰产业环境污染治理具有重要意义。系统梳理了电解锰渣干法、火法及湿法三类资源化利用技术最新研究进展,全面解析了技术开发中的环境风险点,深入讨论了相关技术资源化过程中的碳排放情况。最后,结合行业发展需求与“双碳”目标,提出了电解锰渣资源化利用的优先发展技术方向、过程碳排放核算、加速资源化产品市场应用等建议,旨在为推动电解锰产业绿色、低碳转型升级提供技术支撑。

黄铁矿和白云石浮选分离药剂研究进展

卡林型金矿中的金多以显微、次显微颗粒的形式赋存于黄铁矿中,同时,在卡林型金矿成矿过程中伴生的大量白云石与黄铁矿作用会恶化黄铁矿的浮选指标,因此,黄铁矿和白云石之间的相互作用是造成卡林型金矿浮选过程中Au回收率低的重要原因之一。机理研究显示:黄铁矿氧化过程中释放的Fe^(2+)能以Fe(OH)_(2)和FeCO_(3)的形式沉积在白云石表面,活化白云石的浮选,同时,黄铁矿氧化放出的酸促进了白云石的溶解,溶解产生的Ca^(2+)、Mg^(2+)能以CaOH^(+)和Mg(OH)_(2)的形式吸附在黄铁矿表面从而抑制黄铁矿的上浮,更重要的是,随着氧化程度的增加,黄铁矿和白云石表面会发生同质化效应,造成两者间的异相团聚,恶化矿物间的分选,最终降低卡林型金矿中Au的回收率。为了解决卡林型金矿浮选过程中药剂用量大、Au富集比低的分选难题,结合其浮选过程中黄铁矿和白云石间的交互作用恶化卡林型金矿分选的特征,对国内外现有研究中可能对黄铁矿和白云石分选具有促进作用的黄铁矿活化剂、白云石抑制剂、浮选增效剂、选择性捕收剂等药剂类型和作用机理进行了分析整理,并对各种药剂在实际矿石分选过程中的应用效果进行了对比,筛选出了能与不同浮选手段搭配使用的药剂制度。为将来实现通过药剂开发优化黄铁矿和白云石的分选,从而改善卡林型金矿浮选指标的目标,提供了有价值的参考。

非洲某鳞片石墨矿梯级回收工艺研究

以非洲某鳞片石墨为研究对象,开展了不同粒级石墨资源梯级回收工艺研究。结果表明,原矿固定碳含量为32.54%,其中大鳞片石墨主要呈片状或条带状结构与脉石矿物相互交代连生;粗选适宜条件为:磨矿细度-0.074 mm粒级占72.87%,煤油用量50 g/t,2#油用量150 g/t;浮选工艺为一粗一扫四精,其中粗精矿经精选1直接浮选后进行筛分分离出大鳞片石墨,筛下产物依次再进行三次磨矿三次精选获得细鳞片石墨。闭路试验结果显示,精矿中+0.150 mm大鳞片石墨和-0.150 mm细鳞片石墨固定碳含量分别达96.53%和96.21%,其中大鳞片石墨回收率达22.74%,比传统再磨再选工艺提高了7.66个百分点。

盐湖卤水萃取法提锂的研究进展

随着全球锂电行业的迅猛发展,作为原材料的锂需求量也日益攀升。盐湖卤水中蕴含着丰富的锂资源,但浓度低、成分复杂。开发高效锂分离技术,从卤水中提取锂资源具有重要的经济价值和战略意义。溶剂萃取法具有处理量大、萃取效率高、优异选择性以及易于规模化操作等优点,具有良好的工业应用前景。本文主要综述了近5年常用的萃取体系,包括β-二酮、有机磷化合物、大环分子、磷酰基吡唑啉酮、离子液体以及低共熔溶剂。系统地分析了各种萃取体系的作用机理、适用的环境以及存在的优缺点,对于萃取体系存在的问题进一步介绍了萃取过程强化技术,如膜萃取强化、电场强化。最后,对未来各种萃取体系的研究重点和改进提出了观点和评述,同时对萃取体系的发展前景进行了展望。

浮选配位化学模型、溶液化学计算和扩展的DLVO理论在浮选机理研究中的应用进展

当把实验室的理论研究成果应用于生产实践时,经常发现两者间存在明显的差异,使得浮选研究,尤其是纯矿物研究的实用性大大降低,造成理论研究与实际应用结果存在差异的原因在于浮选过程的复杂性,研究中不仅要关注药剂在矿物表面吸附的化学原理,还需要对浮选所处的化学环境(溶液条件、伴生矿物)进行综合的考虑分析。近年来,随着矿物浮选配位化学模型的提出和溶液化学理论的不断完善,给实现理论研究指导实际生产的目标提供了可能性。因此,收集总结了国内外关于矿物浮选配位化学模型、溶液化学计算和扩展的DLVO理论在矿物浮选机理研究中的应用实例,从理论内容、计算过程和应用实例等方面进行介绍并加以评论,以期对将来的浮选研究起到一定的参考作用。

多相传质过程中的Marangoni效应

Marangoni效应广泛存在于液液、气液相际传质过程中,通常会对传质速率产生重要影响。对Marangoni效应的实验及理论研究有助于增进对微观传质机理的理解,是强化相间传质过程效率的重要因素。重点介绍了液液体系中单液滴萃取的实验和模拟研究,对液液体系中Marangoni效应不稳定性的判据,对气液体系有效传质面积的影响,以及两种体系中利用表面活性剂进行传质调控的研究等方面的进展进行了综述,还探讨了传质过程中Marangoni效应应用研究的方向。

低密度薄水铝石晶体的水热生长过程

对A12(SO4)3-CO(NH2)2-H2O体系在[Al3+]=0.2 mol·L-1、[CO(NH2)2]:[Al3+]=2:1和反应2 h的水热条件下,不同反应温度的晶体生长过程进行了研究,得到呈多孔、针状团簇体状的微米级低密度薄水铝石晶体.采用ICP-AES、XRD、FT-IR、SEM、BET和粒径分布等手段对反应液和产物进行了分析和表征.结果表明,140℃时氢氧化铝凝胶或无定形粉体的析出已大部分完成,温度升高到180℃后,产物的结晶度变好,堆密度从117.2 kg·m-3相应增加到158.2 kg·m-3,比表面也从75.3 m2·g-1增加到88.3 m2·g-1,但平均粒径有所下降.晶体前驱体在550℃焙烧2 h后完全转化为形貌相似并且比表面增加的γ-Al2O3.

磷石膏加压碳酸化转化过程中平衡转化率分析

围绕磷石膏加压碳酸化转化过程,首先通过实验研究了原料种类对加压碳酸化转化过程的影响,进一步采用Aspen plus流程模拟软件深入分析了各工艺参数对磷石膏加压碳酸化过程平衡转化率的影响规律。结果表明,在加压条件下碳酸化反应均可在5 min时达到平衡,其中分析纯无水硫酸钙更容易完全转化,而二水硫酸钙及磷石膏因含有结晶水或其他杂质,使得其难以完全转化。增大初始氨水浓度、N/S(氨和原料中SO3的摩尔比)以及适量提高反应温度与体系压力,均能有效提高磷石膏加压碳酸化反应平衡转化率。特别是在高温和加压条件下,氨与CO2反应生成的碳酸铵盐可以通过降压闪蒸操作实现其自分解,经吸收返回用于加压碳酸化转化过程,可有效提高氨的利用率,降低硫酸铵生产成本。

化工过程纳微结构界面预测与调控展望

对国内外化学化工过程中纳微结构界面的研究进行了综述.通过对一些典型实例的分析和讨论,指出纳微结构界面不仅是目前化学化工研究的热点,也是对化工过程传递规律新认识的基础.提出从分子结构出发,建立多种数学模型,从而有可能实现对化工过程中纳微结构界面的预测与调控.随着结构、界面与'三传一反'关系的理论与计算模型的确立,有可能建立过程工业装置设计、放大和调控的科学理论,化学工程科学将会进入一个新的里程.