面向学科交叉的“工科大学生科研训练”探究——以河北工业大学海洋技术专业为例

实施“大学生科研训练计划”已成为国内外众多高校培养新型人才、增强学生综合素质的有效措施。河北工业大学海洋技术专业开展基于海洋化学、海洋生物和海洋环境三方面交叉的“工科大学生科研训练计划”,结合相应的“校内外生产实践能力提升计划”,探索创新训练实施方案,取得了一定成效和部分经验。此外,通过对实施过程中问题的分析提出了解决办法和建议,以期为加强新的专业内涵建设和应用创新型人才培养提供借鉴和参考。

“化学海洋学”课程思政教学设计

推进课程思政建设是坚持落实立德树人根本任务的必由之路。目前理工科专业课教学多注重专业能力培养,在学生的德育培养方面,课堂思政功能明显不强。以“化学海洋学”课程为例,挖掘、整合、精选思想政治案例,引入紧扣思想政治主题的热点议题,引导学生结合专业知识解读思想政治议题,使思想政治教育与化学海洋学专业知识在育人上形成协同效应,突出价值塑造与能力培养,让学生在润物无声的专业知识学习中树立正确的价值观,最终达成思想政治育人的成效。

抗生素生产中含盐废水的资源化利用技术研究

抗生素生产过程中会产生大量以氯化钠和氯化钾为主的含盐废水,若直接排放,不仅会对环境产生污染或影响,还会造成资源的浪费。本研究以抗生素生产中含盐废水为处理对象,面向资源化利用,设计采用“机械式蒸汽再压缩技术(Mechanical vapor recompression,MVR)+冷却结晶”工艺,分离获取其中的氯化钠和氯化钾,重点考察不同温度下的分离效果及经济能耗。研究表明,在母液循环操作模式下,常压蒸发温度为90℃、蒸水量为(85.00±0.50)%、结晶温度为25℃时,氯化钠收率可达85.00%以上,氯化钠和氯化钾纯度可达国家标准中工业级产品要求。

锂铝层状双金属氢氧化物的制备及其锂脱嵌过程

锂铝层状双金属氢氧化物(Li/Al-LDHs)是一种适用于高镁锂比卤水中提锂的吸附剂,但其存在吸附容量偏低、吸附机理与适用条件不够清晰等问题。本工作以铝粉、氢氧化锂为原料制备Li/Al-LDHs,考察了适用条件下溶液中阴阳离子对吸附过程的影响并进行了不同溶液组成下的提锂性能测试,结合红外光谱测试和X射线光电子能谱等表征明晰了锂脱嵌机理。结果表明,Li/Al-LDHs在卤水中的最大吸附容量为8.350mg/g,阳离子选择性顺序为Li^(+)>Na^(+)>Mg^(2+)>Ca^(2+)>K^(+)。Li/Al-LDHs对Li^(+)的吸附符合Langmuir等温吸附模型和准二级吸附动力学模型,吸附过程主要是基于尺寸筛分效应进行的,Li^(+)进入吸附剂层间的空位后需要等量的阴离子(Cl^(-)、SO_(4)^(2-)等)进行电荷平衡,其吸锂容量随溶液体系总离子浓度的增加而变大,因此更适用于从高含盐量卤水中提锂。研究结果可为后续废旧金属铝制取Li/Al-LDHs用于盐湖卤水提锂提供技术参考。

二次界面聚合法制备具有高锂镁分离性能的电纳滤膜

通过调控界面聚合水相单体并利用二次界面聚合(SIP)构建荷正电表面,制备了高选择性电渗析分离锂镁的电纳滤膜(ENFMs).采用不同水相单体与均苯三甲酰氯进行单次界面聚合(IP),实现了对分离膜孔径及荷电性能的调控,其中以哌嗪为水相单体时膜的Li^(+)/Mg^(2+)分离性能最优(P_(Mg^(3+)^(Li^(-)))=4.75).随后,利用SIP过程在其表面聚合不同浓度的荷正电水相单体聚乙烯亚胺(PEI,M_(W)=70000),使膜表面由荷负电转为荷正电.随着PEI浓度的增加,膜表面正电荷密度显著增加,PEI质量分数为2.0%时,最优膜的Li^(+)通量为3.26×10^(-8)mol·cm^(-2)·s^(-1),选择性高达15.90,打破了传统的“Trade-off”效应,为后续盐湖卤水中Li^(+)/Mg^(2+)分离的研究和应用奠定了基础.

电纳滤膜制备与表征的开放实验设计

开放实验课程是基于专业老师的研究课题,以学生为中心设计的研究型综合实验课程。课程实施过程主要包括课题选择、文献调研、实验及方案优化、数据处理及分析、报告撰写五部分。以电纳滤膜制备与表征实验为例:学生选定课题并分工后,通过文献调研确定初步实验方案;探究基膜、热处理温度对膜选择分离性能的影响以确定最优制膜条件;表征最优膜的性能并分析分离机理,结合与商品膜性能对比完善数据分析及实验报告。通过开放实验课程,将实现对学生团队合作能力、实践能力和创新能力等的综合培养。

电化学协同过硫酸盐氧化法处理含盐有机废水

近年来,随着煤化工行业不断发展,废水排放量加大。煤化工行业废水排放量大、高盐和高化学需氧量的现状使得对其的处理成为一大热点和难点。本文以伊犁某工厂实际含盐有机废水(TDS含量25000mg/L)成分为依据,选取2-甲氧基苯酚作为煤化工废水中典型有机物,采用电化学协同过硫酸盐法处理含盐有机废水,主要考察电压、初始过硫酸钠浓度、极板间距及初始pH对2-甲氧基苯酚降解率的影响。结果表明,综合考虑电能消耗及氧化剂成本,在2V电压、极板间距3cm、过硫酸钠投加量5g/L、pH=12以及反应3h条件下,2-甲氧基苯酚的降解率可达到97.5%,相较单一的电化学法或过硫酸盐氧化法均有显著提升,协同效应明显。本文研究结果为今后煤化工行业含盐有机废水的绿色高效处理提供了一种新的思路。

电化学提锂技术中电极材料和电极体系的研究进展

锂及其化合物具有广泛的应用前景,锂资源需求越来越大,因此,开发能实现高储量、低品位的(浓)海水/卤水锂资源高效提取的方法具有重要意义。近年来,电化学提锂技术因其高选择性、低能耗和环境友好等特点而成为研究热点。本文针对电化学提锂技术中锂吸附电极材料的选择/制备和电极体系构建两方面的研究进展进行了归纳分析。在锂吸附电极材料的选择/制备上,基于高锂离子选择性的LiFePO4、LiMn2O4和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2电极被逐渐开发应用。在电极体系构建上,与具有阴离子可逆交换性能的AgCl、ZnCl2和聚吡咯对电极所构成的电极体系可避免副反应发生,能耗较低;不含其他对电极材料的“摇椅式”结构电极体系可降低电极成本,提高提锂效率。此外,指出了目前电化学提锂技术尚存在的不足,未来可从电极材料制备、提锂过程优化、装备设计三方面进行研究,以推进电化学提锂技术的发展与应用。

选择性电渗析提锂技术的研究进展

伴随电动汽车等新兴行业的快速发展,市场对锂及其化合物的需求高速增长。开展高储量、低品位的盐湖卤水、(浓)海水及油气资源生产水中溶存锂资源的高效提取具有重要意义。不少地区的溶存锂资源中镁锂比高,分离难度大,目前尚未实现充分开发利用。基于单价选择性离子交换膜的单价离子选择性电迁移特性,选择性电渗析(Selective Electrodialysis,S-ED)逐步应用于高镁锂比水体中镁锂间的预分离与锂的初步纯化。S-ED在保证较高锂回收率的条件下可获得低镁锂比的锂富集液,展现出较高的研究价值与应用前景。本文综述了S-ED用于盐湖卤水和(浓)海水中锂资源提取的研究现状,重点总结了主要操作参数和共存离子对S-ED提锂性能的影响规律,对目前高镁锂比水体选择性电渗析提锂技术存在的不足进行了总结,并对其未来发展趋势进行了展望。

新型太阳能海水淡化材料制备及其性能表征

设计一个操作简单的光热材料制备及在新型太阳能海水淡化中应用的创新性化学综合实验。通过一步浸泡涂覆的方法,制备出具有优异光热性能的材料,将其应用到新型技术——太阳能界面海水淡化中,可实现淡化水的收集和海水的浓缩。并通过实验表征材料微观形貌结构,探究太阳能利用效率,分析不同水样品的电导率。结合基础理论知识,引入前沿科学研究课题,实验方案设计既简单又具探究性,有利于培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。

面向“三全育人”的工程图学课程思政教学实践

以工程图学课程为例,从家国情怀、科技创新、工匠精神、职业素养等多个方面挖掘思政元素,强化联动机制、团队建设和顶层设计,以实现全员参与课程的思政教育。通过课前自主学习,课中引经据典,课后科技创新,致力全程、全方位精准融入课程思政。通过升级三维目标,优化教学内容,创新教学模式等探索工程图学混合式课程思政教学实践,达成聚焦三观教育、拓展思政路径、精准渗透思政的目的,以实现立德树人的根本目标。

纳米粒子/氧化石墨烯改性复合膜制备及其分离性能研究

采用真空抽滤-压力喷涂的方法,以聚酰胺纳滤膜为基膜,制备了氧化石墨烯和二氧化钛纳米粒子质量比为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的复合膜GOT1、GOT2、GOT3和GOT4以及氧化石墨烯和二氧化硅纳米粒子质量比为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的复合膜GOS1、GOS2、GOS3和GOS4。通过SEM、EDS、XPS和GIWAXS方法对GOT复合膜和GOS复合膜进行了分析表征,结果表明,氧化石墨烯和纳米粒子均匀负载在聚酰胺纳滤膜表面。研究了复合膜的性能,并推测了复合膜的净水机理。其中GOT复合膜在0.75 MPa下水通量可达50 L·m^(-2)·h^(-1),相较于原始基膜提高了25%,显示出了最佳的水通量性能,并且在保持较高通量的同时,对盐溶液和重金属离子的截留率仍能维持在90%左右。真空抽滤-压力喷涂的方法为氧化石墨烯复合膜的制备提供一种新的工艺思路,为废水处理提供了一种更高净化效率的复合膜。

应用分子动力学模拟和拉曼光谱对钙、镁、氯离子水化现象的研究

应用分子动力学方法,模拟了298 K下,密度为1.0 g/cm^(3)的水溶液中Ca^(2+),Mg^(2+),Cl^(-)的水化现象,得到了相应离子周围水分子的微观分布情况.发现在钙离子周围,水分子以其氧离子去靠近中心离子;而在氯离子周围,水分子则以其中的一个氢原子去靠近中心离子.通过分析三种离子的径向分布函数、配位数曲线、水化数、水化半径,发现Ca^(2+)的水化数和水化半径均大于Mg^(2+),即Ca^(2+)的水合能力比Mg^(2+)强.与以往研究结果相比,本文计算所得的自扩散系数更接近实验所得结果.为了使模型更好的代表真实水溶液体系,本文还应用分子动力学和拉曼光谱法研究了不同浓度的CaCl水溶液.分子动力学研究发现随着浓度的升高,CaCl溶液中Ca^(2+),Cl^(-)的配位数分别呈降低趋势.同时,随着浓度的升高,Ca,Cl^(-)的自扩散系数也呈现降低的趋势.作者推断这是由于浓度的升高,加剧了离子的微观反向运动造成的.拉曼光谱法研究发现随着水溶液中CaCl浓度的升高,溶液中的氢键网络结构受到了越来越严重的破坏,溶液中Ca^(2+)与Cl^(-)形成的直接接触离子对的数量开始大量增加.

选择性电渗析镁锂分离过程模拟优化

选择性电渗析(selective electrodialysis,S-ED)技术是目前实现高镁锂比卤水锂资源提取的有效手段。通过建立一种二维传质稳态模型,以离子通量分布为研究对象,探究体系离子强度、外加电压和通道流速对镁锂分离的影响。结果表明:体系离子强度和通道流速的增大与外加电压的减小均对镁锂分离具有促进作用。在体系离子强度为1378 mol/m^(3),外加电压值为0.8 V,通道流速为5.7 cm/s的条件下,锂镁分离系数为2.31。研究结果可为推广S-ED过程数值模拟提供理论指导和数据参考。

CNT-GO掺杂LiMn_(2)O_(4)膜电极的制备及其提锂性能

针对传统LiMn_(2)O_(4)(LMO)膜电极导电性差及提锂效率低等问题,引入一维碳纳米管(CNT)和二维氧化石墨烯(GO),制备新型CNT-GO-LiMn_(2)O_(4)膜电极(CNT-GO-LMO),CNT与GO通过π-π键相互作用,实现了与LMO活性材料“互联互通”三维致密导电网络结构的构建,使CNT-GO-LMO膜电极具有优异的导电能力和提锂性能。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射等手段对膜电极进行表征,并考察了膜电极在高Mg/Li溶液中的提锂性能,结果表明,CNT与GO的引入有效提高了CNT-GO-LMO的镁锂分离系数和电流效率;与LMO、CNT-LMO膜电极相比,CNT-GO-LMO膜电极展现出更优的提锂性能:平均提锂容量为36.04 mg·g^(-1),提锂速率为1.085 mg·(g·min)^(-1),电流效率为94.73%。

硫酸钾溶液结构的X射线散射和Raman光谱的研究

钾是海水中的常量元素之一,硫酸钾水溶液结构研究有利于解释其溶解度的微观机理,从而为海水中钾盐的分离纯化提供理论指导。利用实验室改装的X射线衍射仪、上海同步辐射光源装置及拉曼光谱技术研究了不同质量分数的K_(2)SO_(4)水溶液的微观结构信息。由X射线散射数据处理得到的差值结构函数F(Q)可知,Q=2.5A^(-1)附近的一高一低双峰逐渐变成强度相当的两个峰,此处双峰与水溶液中的氢键网络结构有关;随着质量分数的增加,Q=5.0?^(-1)附近的峰位向坐标轴右侧移动。由G(r)可知,2.8A处峰随质量分数的增加有展宽趋势,主要受O—O相互作用影响。在拉曼光谱图中,位于3200 cm^(-1)附近的肩峰强度随溶质含量的增加逐渐降低,2800~3800 cm^(-1)范围内整体峰形变窄。拉曼光谱去卷积拟合的结果表明,K_(2)SO_(4)的加入破坏了水的四面体氢键构型,小幅促进了质子供体型氢键的形成。X射线散射和拉曼光谱的分析结果均说明K_(2)SO_(4)的加入破坏了原有的水分子四面体网络结构。

过硫酸盐高级氧化降解水体中有机污染物研究进展

基于硫酸根自由基(sulfate radical,SO_4^-·)氧化原理的活化过硫酸盐(persulfate,PS)氧化法是近年来高级氧化工艺(advanced oxidation process,AOP)的研究热点,以经济、高效、环境友好、安全稳定的优势在水处理、环境保护等领域开辟了新的思路。此前,学者们发现过硫酸盐高级氧化根据活化反应条件(如温度、光照、pH、过渡金属及催化剂等)的不同,会产生不同的自由基参与氧化反应,对降解结果也会产生不同程度的影响。本文根据相关自由基氧化机理,从产生硫酸根自由基的单一氧化、复杂活化体系硫酸根自由基与其他自由基复合氧化以及强化降解等方面,分析了近几年国内外学者对过硫酸盐降解典型有机污染物的研究及在催化剂开发方面所做的工作,指出了许多新颖的过硫酸盐活化手段及其降解效果与不足,并就未来的发展进行了展望,以期为过硫酸盐氧化法未来更好地发展和应用探索出路。

低共熔溶剂在萃取/萃取蒸馏分离中的研究进展

对国内外低温共熔(DES)在萃取/萃取蒸馏的研究进行了详细的综述。首先,列举了现有DES的组成,并分析DES熔点与其组成的内在联系。其次,综述了DES在天然产物、金属离子、有机物等萃取方面的研究;最后,综述了DES在芳烃与非芳烃、醇和酯、醇和水等萃取精馏方面的研究进展,从机理、条件及检测方法 3个方面对DES展开讨论,为DES在未来工业应用方面提供多尺度、全过程的调控和指导。

氯化铵转化新工艺的机理及条件探究

针对目前纯碱产业氯化铵产能过剩的问题,提出一种氯化铵转化新思路。即以固体氯化铵和碳酸镁为原料,采用固相加热反应生成氯化镁、氨气、二氧化碳和水,其中氨气和二氧化碳可回收用于纯碱的生产。从热力学角度分析了固体氯化铵和碳酸镁的反应机理,探讨了反应温度、反应时间和配料比对氯化铵转化率的影响,进行了正交实验并确定了最优反应工艺条件,对反应产物进行了X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)表征。最佳反应条件:碳酸镁与氯化铵物质的量比为1.8∶2.0,反应温度为523 K,反应时间为120 min。在该反应条件下氯化铵转化率可达94.40%,氯化镁纯度可达工业标准。

GO/LiMn_(2)O_(4)膜电极构建及其提锂性能研究

实现盐湖卤水、地热水、海水等溶存态锂资源的高效提取对于满足强劲的锂产品市场需求至关重要。电化学吸附是一种低成本、环境友好的提锂技术,极具发展前景。本工作基于LiMn_(2)O_(4)材料,通过分别掺入常规氧化石墨烯(CGO)、低缺陷氧化石墨烯(LDGO)和大片径氧化石墨烯(LGO),制备CGO-LiMn_(2)O_(4)、LDGO-LiMn_(2)O_(4)和LGO-LiMn_(2)O_(4)膜电极,并对其提锂性能进行考察。结果表明,不同氧化石墨烯(GO)的掺入均有利于提升膜电极的提锂容量、提锂速率及对Li^(+)的选择性;掺入LGO的膜电极表现出最优的提锂性能,提锂容量达到35.29 mg/g,提锂速率达1.044 mg/(g·min),镁锂分离系数高达588.30。结合分析与表征认为,GO由于具有较大的比表面,可为膜电极表面提供更多的“有效锂离子”,使得提锂容量有效提升;同时,阳离子嵌入GO片层后固定层间距,进而阻挡大半径离子进入,使得其对Li^(+)的选择性提高;因LGO具有更大的片径和更高的石墨化度,使得对应膜电极的导电性更好,整体提锂效果更优。