膜调控的头孢呋辛钠溶析-冷却耦合结晶成核介稳区测定及分析

溶析-冷却耦合结晶可以提高结晶产率的同时,降低溶析剂的消耗量,是一种高效的耦合分离过程。传统的溶析结晶传质的界面往往受到宏观混合规模的限制,传质调控通常为亚毫米级,容易爆发成核,导致结晶产品的纯度差、平均粒度小、晶体粒度分布宽,因而需要更精确的调节策略。本文提出了一种新型的膜辅助溶析-冷却耦合结晶的方法,应用于头孢呋辛钠的结晶过程研究。其中,聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜作为精确添加溶析剂和高效混合的界面,实现过饱和度的均匀分布。为了对比膜辅助溶析-冷却耦合结晶和传统耦合结晶方式的调控效果,对膜辅助溶析-冷却耦合结晶过程进行更为精确的调控,分别测量了传统和膜辅助条件下溶析-冷却耦合结晶的头孢呋辛钠-水-乙醇体系的介稳区宽度,计算了成核动力学参数。使用响应面方法和理论模型分析了冷却速率、溶析剂添加速率和溶析剂组分对介稳区宽度的影响,并比较了传统结晶和膜辅助结晶的介稳区特征。结果表明,膜辅助溶析-冷却耦合结晶的成核级数和成核速率常数(n=2.07,kn=158.15)均小于常规耦合结晶(n=2.45,kn=493.22),成核动力学方面更加温和,可调控性更强。

聚酰亚胺膜材料分子结构设计强化CO_(2)渗透性研究进展

膜技术基于渗透性差异实现天然气无相变脱碳,节能优势显著,此外膜装置的模块化制造可以灵活应对非常规天然气开采规模的大幅变化。聚酰亚胺(PI)是一种广泛研究的玻璃态聚合物膜材料,脱碳选择性较高、化学稳定性好,近年来在天然气脱碳领域已实现工业应用。尽管如此,通过分子结构设计提升聚酰亚胺膜的渗透性,从而大幅降低膜装置建设成本和占地面积,仍是未来的重要研究方向。从气体在玻璃态聚合物膜中的渗透传质机制出发,归纳总结了芳香族聚酰亚胺在链段构型与柔顺性、大位阻侧基、主链轴节结构等方面的设计进展以及膜材料自由体积分数和气体渗透系数随之发生变化的内在规律,对聚酰亚胺膜材料分子结构设计的未来发展方向进行了展望,兼顾考虑自由体积分数和自由体积空穴尺寸分布范围是同时提高渗透性和选择性的重要途径。

电辅助磺化聚砜膜分离医药废水传递机理的分子动力学模拟研究

医药生产废水的膜法分离技术对实现绿色医药化工意义重大。其中,通过电场辅助强化膜分离效率,阻止荷电医药分子迁移、离子跨膜传递,有较好的应用前景。但目前尚无分子尺度模型揭示相关膜界面和膜传递通道内的分离机制,也制约了相关新型膜材料设计和膜技术研发。利用分子动力学模拟(MD)技术,从分子层面上探究电场辅助下的磺化聚砜膜(SPSf)分离头孢呋辛钠医药废水的机理,并模拟膜内含水量对离子传递行为的影响。模拟过程中能量、温度波动低于10%,证明模型设定与计算方法可靠;所构建模型玻璃化转变温度与实验值接近,证明所选力场合适,所得数据可用于后处理及结果分析。结果表明,外加电场增强膜表面带电基团对同性离子的排斥能力。随着电场在一定程度上的增强(0~0.15 V·Å^(-1)),解离后的荷电膜对带负电粒子排斥能力增强(SPSf解离后,膜表面头孢呋辛离子强度下降15.7%),对Na+吸附更强(Na+强度增加19.4%),证明电增强Donnan效应与电增强吸附/脱附是电辅助荷电纳滤膜分离医药废水的主要作用机理。此外,分析了电场强度与膜内含水量对离子在SPSf膜体系中扩散的影响。在模拟实验范围内,随着含水量与电场强度增大,荷电膜内离子扩散能力增强;在膜内含水量λ=2.0、0.10 V·Å^(-1)时,Na+扩散系数与头孢呋辛离子扩散系数相差1.54×10^(-6)cm^(2)·s^(-1),在这种条件下离子选择性最高。通过分子动力学模拟技术(MD)从微观层面解释电辅助荷电膜分离医药工业废水的调控机理,为理性设计和选择荷电膜材料与膜表面的基团改性提供了有益的理论参考。

面向含氮油田伴生气提质利用的膜耦合分离工艺设计优化

近年来,随着氮气强化采油的不断推广,含氮油田伴生气产量不断增加,生产合格的管道天然气成为提高资源利用率、增加经济效益的重要命题。本研究从组成特征出发,成功研制并批量生产功能层减薄至700 nm的硅橡胶复合膜,大幅提高分离能力,未溶胀状态下甲烷渗透速率达到358 GPU[1 GPU=1.24 mol/(m^(2)·h·MPa)],同时提出浅冷液化与多级膜渗透集成的耦合分离工艺,在充分回收乙烷和丙烷等化工原料的同时,生产热值满足国家标准GB 17820—2018的管道天然气,实现伴生气高效提质和综合利用。以西北油田某集输站为实施案例,针对7000 m^(3)/h(标准工况)伴生气进行耦合工艺设计,模拟结果显示轻烃收率大于77.6%,甲烷提质利用率大于54.4%,乙烯裂解原料产量23604 t/a,管道天然气产量18.03×10^(6)m^(3)/a(标准工况),创造经济效益预计可达79.0×10^(6)CNY/a,为含氮油田伴生气的高效利用提供了极具前景的加工途径。

Co_(4)S_(3)修饰蜂窝状多孔碳膜用于锂硫电池

以低交换速率的正戊醇作为溶剂,通过相转化法制备了内部结构均一无大孔结构的ZIF-67/CNT/PAN相转化膜,再经硫化、碳化后制备了Co_(4)S_(3)修饰的蜂窝状多孔碳膜(Co_(4)S_(3)@DH-NC)。XRD表征结果证明了Co_(4)S_(3)的成功合成,其负载量高达19.5%(质量分数)。蜂窝状多孔结构可以有效促进电解液以及多硫化物在膜内的均匀分散;Co_(4)S_(3)均匀负载于蜂窝状结构内部,电负性更强的S有利于Co_(4)S_(3)吸附多硫化物;CNT为骨架的高导电网络促进了Co_(4)S_(3)对多硫化物的催化转化。以Co_(4)S_(3)@DH-NC为隔层的锂硫电池在4 C下循环400圈后比容量能保有581.3 mA h/g,库仑效率为100%左右。Li2S的沉积放电比容量为681.811 mAh/g,相较于DH-NC(43.034 mAh/g)更高,证明了Co_(4)S_(3)@DH-NC吸附催化多硫化物能力的提升。

能源化工专业拔尖创新人才培养的实践与思考

大连理工大学(盘锦校区)能源化学工程专业围绕培养高水平拔尖创新人才的目标,实施了一系列创新性改革举措。该专业以能源和“双碳”意识为主导,强化专业思政教育;依托化工原理课程改革,以科创活动为载体,实施长链条递进式创新训练;利用优质科研资源,建设高端化、模块化、智慧化产业链模式创新训练平台;实施创新人才培养“双计划”,加强本研贯通;以一流师资培养一流人才,强化高水平师资队伍建设。文章介绍了以上改革举措的实施过程,以期为其他专业的建设提供参考。

餐厨垃圾酸碱度对黑水虻灭活致病菌效率影响

黑水虻处理是近年发展起来的一种有机垃圾资源化方法,然而不同底物和处理方式下,致病菌的灭活规律存在较大差异,亟待研究和阐释.以沙门氏菌和大肠杆菌O157为模式致病菌,以不同初始pH条件下餐厨垃圾中致病菌的灭活规律为研究对象,分析致病菌灭活的主要因素和强化方法.结果发现,沙门氏菌在1~4 d被灭活,大肠杆菌O157在2~6 d被灭活,环境微生物以及物料酸性条件是致病菌灭活的主要因素.黑水虻是垃圾减量化的主要动力,但并不是致病菌灭活的主要因素.pH 6.0、8.0的条件比pH 5.3、10.0、12.0更具有优势,表现为较快的致病菌灭活速度、较高的黑水虻抗菌肽抑菌活性以及较快的幼虫生长速率.综上,黑水虻能够在减量化餐厨垃圾的同时灭活致病菌,初始pH 6.0~8.0的条件值得应用和推广.

疏水界面上的NaCl液滴蒸发过程内环流调控机制研究

盐水微液滴蒸发结晶在海水淡化、晶体制备、药物预混合和颗粒筛选中具有非常重要的作用。通过计算流体动力学模型,对不同疏水界面传热系数和不同直径疏水平台上的NaCl盐水液滴蒸发过程开展模拟研究,主要通过模拟预测了液滴内流体在温度和浓度差作用下的环流演变机制。模拟结果通过光学可视化和红外热成像仪进行了验证。结果表明,常温蒸发下,NaCl液滴内部的环流主要由Rayleigh对流和溶质Marangoni效应主导。不同的固液界面传热系数会影响液滴的升温速率和温度分布,当温差大于一定值时,热Marangoni效应可以主导液滴内部环流。基于Rayleigh数和Marangoni数的调控区间制得了流场演变相图,有效地预测液滴内部的环流状态。盐水液滴内环流方向和持续时间可以通过调整热Marangoni效应来控制,从而影响最终蒸发结晶的晶体形貌和沉积分布。这项工作可以为蒸发界面设计、蒸发结晶的过程控制等提供理论依据。

螺环柔性侧链PBI基阴离子交换膜的性能

提出具有高碱稳定性的螺环柔性侧链PBI基阴离子交换膜结构(ASD-PBI-x)概念.以二溴丁烷和1,3-二(4-哌啶基)丙烷为原料制备了螺环阳离子基团,以聚苯并咪唑(PBI)为基材,接枝螺环阳离子柔性侧链,主链和侧链结构均具有强碱稳定性,双醚柔性间隔基团提高了刚性螺环结构的成膜性,并促进了膜内良好的微相分离形貌形成.结果表明,该系列膜具有良好的性能,其中接枝度为90%的ASD-PBI-90膜在80℃时的电导率为83.2 mS/cm,在1 mol/L KOH、80℃浸泡1080 h后,膜的OH-电导率保持率达到94.2%.将该膜用于氢氧燃料电池,在60℃时单电池的峰值功率密度为367 mW/cm^(2).ASD-PBI膜具有优异的碱稳定性、良好的电导率和电池性能,有望应用于氢氧燃料电池领域.

考虑管壳式换热器传热强化的换热网络综合研究进展

换热器传热强化在换热网络中的应用可以解决现有换热网络改造中的瓶颈问题,在热回收系统配置没有过多结构改造的条件下,可以达到明显的节能及降低成本的目的;同时,在换热网络设计中,换热器传热强化技术的应用可以降低设备投资,实现更好的经济效果。本文首先通过文献检索数据说明了在换热网络改造和设计中考虑传热强化技术的研究在近5年得到了研究者的关注。然后概述了管壳式换热器传热强化的基本原理及主要方式,分析了传热强化技术的应用对换热器传热性能的影响,系统总结了管壳式换热器传热强化技术的分类和强化效果。进一步从设计和改造两个方面,对换热网络优化中考虑管壳式换热器传热强化的应用研究进行了综述,展示了传热强化对换热网络设计和改造的效果和优势。最后对下一步的研究进行了展望,指出可进一步探究换热器传热强化设备几何尺寸和换热网络同步优化、传热强化和换热器详细设计同步优化等。

化工原理国家精品在线开放课程的建设和开放

文章介绍了化工原理国家精品在线开放课程的建设思路和内容构建,并基于该课程的开放应用探讨了基于在线开放课程的教学模式改革,进而提出了持续建设课程的思路和计划。

微尺度过程强化的结晶颗粒制备研究进展

结晶颗粒制备技术在化工、医药、电子、生物等领域具有不可替代的作用。近年来,随着化工过程强化和微化工技术的快速发展,基于微尺度的过程强化方法在晶体颗粒制备过程中得到广泛的应用,成为高端颗粒制备的前沿技术。本文系统综述了该领域的研究进展:围绕微流控组件,简述微结构混合器、微流体技术对提高微观混合效率的原理及其在纳米材料、药物结晶等领域的应用;围绕微尺度力场,综述超重力旋转填充床的结构设计、可视化研究,超声场为代表的声空化效应及外加力场对超细纳米颗粒制备和药物连续结晶过程的应用;进一步,针对新型膜微尺度传质强化过程,分析微孔膜材料强化传质过程以及膜表面的晶体颗粒“黏附-生长-脱落”运动行为,阐明影响微孔膜分散传质强化过程的关键结构和过程参数,系统论述致密膜液层强化传质的表面更新机制和控制结晶颗粒制备的多级膜操作系统。最后,展望微尺度过程传质强化的结晶颗粒制备技术发展趋势。

聚烯烃双金属中心催化剂研究进展

综述了负载型双金属中心催化剂的研究进展,包括含铬、含Ziegler-Natta及含茂金属的双金属中心催化剂,分别介绍了催化剂的特点、优势及应用,探讨了影响催化剂活性和聚烯烃产品分子量及其分布的多种因素。同时介绍了均相双核催化剂的研究进展。对未来的研究方向进行了展望,应开发兼顾催化剂活性和聚烯烃产品性能的新型双金属催化剂。

改性ZIF90-Pebax混合基质膜的制备及CO_(2)分离性能

以骨架结构极稳定的ZIF-90作为掺杂材料,通过后合成修饰(PSM)技术使用不同链长结构的胺烷对ZIF-90进行表面修饰,并探究不同链长结构的改性剂及其用量对ZIF-90与其Pebax基混合基质膜气体分离性能的影响.实验发现,胺烷的改性不仅不会改变ZIF-90的晶体结构,还能够在ZIF-90表面形成“绒毛”状结构,形成有机-有机高相容的界面.除此之外,该“绒毛”结构虽然会降低填料本身的比表面积及孔体积,但是在合适的长度与数量下会与聚合物产生某种特殊的有益于气体分离的相互作用,可以明显提高混合基质膜的分离性能.使用正丙胺改性的PZ90/Pebax系列混合基质膜相较于纯ZIF-90/Pebax,CO_(2)/N2选择性与CO_(2)渗透性都有不同程度的提高,改性程度为20%时分离性能最佳,CO_(2)/N_(2)选择性为70,CO_(2)渗透率达到140 Barrer,与纯Pebax相比分别提高了45.8%和79.4%,接近2008年Robeson上限.

TiO2/PVDF共混微滤膜的制备及其吸附胆红素的研究

胆红素是一种内源性毒素,当人体肝脏系统受损或代谢受阻时,则在体内累积,引起高胆红素血症,其具有神经毒性,严重时甚至会危及生命。无机纳米材料作为胆红素吸附剂越来越受到关注,但也存在因团聚而吸附效率降低、因颗粒过小而容易泄漏的问题。以聚偏氟乙烯(PVDF)为基膜原料,掺杂纳米TiO2颗粒,DMAc为溶剂、PVP为致孔剂,通过干湿相转化法,制得TiO2/PVDF共混微滤膜。当铸膜液中PVDF浓度为10%(质量)、TiO2含量为1%(质量)、PVP含量为6%(质量)时,制备的TiO2/PVDF共混微滤膜的胆红素特异性吸附显著。电镜照片及EDX能谱发现,该膜内部及孔隙中均匀分布TiO2颗粒,颗粒无团聚现象。实验还考察了胆红素初始浓度、吸附时间、吸附温度、pH等吸附条件的影响。

聚醚酯弹性体的中试合成与表征

采用对苯二甲酸(PTA)法即直接酯化法实现了聚醚酯弹性体的中试合成,在210~240℃缩聚反应得到一系列的聚醚酯产品。经过测试发现,聚醚酯中试产品具有较好的拉伸强度和弹性,并且热稳定性好,具有很好的工业化生产前景。

膜结晶处理高浓度Na+、Mg2+//Cl--H2O溶液的结晶调控

利用真空膜蒸馏-结晶耦合技术处理多元高盐废水(Na+、Mg2+//Cl?-H2O),回收纯水和高品质NaCl晶体产品,考察不同操作温度和不同无机盐离子浓度对膜蒸馏性能和NaCl晶体产品性质调控作用。结果表明随着温度升高导致饱和蒸气压增大,增大了跨膜压差,膜的渗透通量逐渐升高;随着溶液中Mg2+浓度的逐渐升高,膜的渗透通量呈下降的趋势,主要是由于水的质量分数下降和溶液黏度增加;膜蒸馏过程中,通过对比实验,分析了疏水微孔膜表面在膜蒸馏操作条件下表面晶体颗粒沉积的程度,证实了使用的中空纤维膜性能稳定,重复使用20次后仍能保持稳定通量;操作温度为65℃时,不同离子浓度的饱和原料液(MgCl2质量占NaCl和MgCl2总质量的0%、5.0%和10.0%)得到NaCl晶体产品平均粒径分别为91.04、91.38和122.56μm,粒度分布的变异系数C.V.值分别为28.78、30.63和36.77,粒径分布集中,表面相貌平整,呈完美的立方体形态,没有团聚现象;同时,膜蒸馏得到的水纯度较高,电导率均小于5μS?m?1,采用选择性溶剂乙醇洗涤后的NaCl晶体产品纯度均大于98.15%。综上,通过膜蒸馏过程中渗透通量和膜界面的有效调控,在适宜的操作温度和较低的Mg2+含量下,膜蒸馏结晶过程从多元高盐废水(Na+、Mg2+//Cl?-H2O)控制分离获得纯度较高、表面形貌完好、粒度均一的NaCl晶体产品。这一研究将为综合治理多元无机高盐废水,实现废水的近零排放和无机盐资源回用开拓新的思路。

高浓度Na^(+)//NO_(3)^(-),SO_(4)^(2-)-H_(2)O溶液的膜蒸馏结晶耦合过程调控

煤化工、含能材料等工业领域产生的富含硝酸盐、硫酸盐的高浓废水排放量巨大、环境危害严重。高浓度复合盐水低能耗处理的同时实现高品质结晶过程调控,已经成为一个重要的研究方向。针对典型的高浓度Na^(+)//NO_(3)^(-),SO_(4)^(2-)-H_(2)O溶液体系,提出利用膜蒸馏结晶耦合技术处理,通过微孔膜界面调控目标盐分的成核能垒,有效控制了典型蒸发结晶过程中多元盐离子扩散差异、爆发成核,避免了形成空心、高杂质离子包藏的晶体,提升了结晶纯度和分离效率;同时,提出在膜蒸馏的优势分离区间内蒸发溶剂,然后再通过减压蒸发结晶的优化设计思路,降低了膜表面结垢和膜孔润湿风险,进一步提升了整个过程能量效率,提高了膜可重复利用率。研究为开发高浓度复合无机盐水处理技术提供了新思路。

膜分离耦合CO_(2)电催化加氢制甲酸工艺的设计及模拟

CO_(2)对气候影响越来越严重,将其转化为甲酸能够同步实现资源化和碳减排。当前CO_(2)加氢制甲酸的研究主要在于寻找高性能催化剂,而过程设计对甲酸实现工业化也不可或缺,但是CO_(2)电催化加氢制甲酸的过程设计尚未见报道。利用主要成分为H_(2)和CO_(2)的天然气制氢变压吸附解吸气为原料,设计了气体膜分离耦合CO_(2)电催化加氢年产3万吨甲酸的工艺,并在Unisim Design流程模拟软件中进行了模拟。随后利用灵敏度分析法对反应器中膜电极面积、阴极电势、H_(2)膜面积、CO_(2)膜面积、精馏塔压力和回流比等参数进行优化,在最优方案下甲酸的单位质量成本为6.37 CNY/kg,比传统的Kemiral-Leonard(KL)工艺高31.88%,但是所提出的工艺可以实现减排3.33万吨/年的CO_(2),具有重要的环境保护意义。最后通过成本分析,从反应器的寿命、成本和电价三个方面提出三种有效的解决方案,可以将甲酸生产成本降低到传统KL工艺的生产成本。

微孔膜法油水分离——表面性质及微观结构的研究进展

石油炼制和化工过程存在大量油水混合物体系,影响生产过程稳定性,也会造成环境污染,亟需高效低成本的油水分离技术。与气浮、离心、化学混凝等传统油水分离技术相比,微孔膜技术通过油或水的选择性渗透实现分离,具有操作简单、分离效率高、运行成本低等众多优点。然而,微孔膜处理油水混合物的分离效率和加工能力同时取决于膜材料的表面性质(表面浸润性能)和微孔结构(分离通道的尺寸效应)。本文首先基于表面润湿现象和尺寸筛分机制介绍了膜法油水分离的原理,然后从上述两个角度出发综述了近年来微孔膜法油水分离的相关研究进展,最后指出微孔膜法油水分离在迈向工业化应用的过程中还需解决的一些问题,并对未来膜材料表面性质和微孔结构的研究进行了展望。