适用可再生能源不确定特性的合成氨多稳态柔性工艺技术

双碳背景下,风光可再生能源发电是能源发展的重要方向,“绿氢”由于其长周期存储和零碳特征,可以有效解决风光电力消纳的难题,有望与电能一同成为未来能源体系的两大支柱。但是由于氢气自身特性和氢脆造成的材料瓶颈,“绿氢”发展遇到制储运多环节安全性与经济性挑战。绿电制氢制氨的“电制绿氨”路径被认为是解决“绿电”“绿氢”技术经济困局的重要途径之一。针对风光资源的不确定性,分析了基于合成氨“哈-博”工艺多种解决方案的优劣,提出了多稳态柔性“电制绿氨”工艺模式以解决“源网氢氨”复杂技术特征耦合下的设计、装置和运行问题;研究了多稳态柔性“电制绿氨”工艺的系统性技术架构、整定经济运行负荷与运行周期的最优化方法;开发了电氢氨一体化数字仿真模型,计及电力约束、资源波动、氢氨需求、系统运行效率和可靠性等因素,对全场景、全流程下的“电制绿氨”进行协同优化,形成了一套面向动态运行的绿电耦合化工的设计方法;研究了催化剂结构性能调优与合成塔内件结构的优化方法,开发了复杂变工况条件的催化剂宏观动力学模型,以及电氢氨一体化协同调度与智能控制技术。多稳态柔性“电制绿氨”工艺实现了合成氨经济运行负荷在30%~110%,负荷调节速率在0.5~1.0%/min,支持日、班,及班内多时域负荷调节要求,30%~110%负荷运行下单位合成氨综合能耗均优于GB 21344—2015《合成氨单位产品能源消耗限额》的标杆值。

昭通褐煤催化热溶解聚及其可溶物组成和结构特征

温和热溶是从褐煤获取可溶有机质的有效途径,然而传统热溶过程可溶物收率较低。通过共沉淀法制备了一系列Al_(2)O_(3)负载金属催化剂,考察了昭通褐煤在异丙醇中的热溶和催化热溶行为。采用XRD、H_(2)-TPR、TEM和XPS研究了催化剂的物理化学特征,利用GC/MS、FTIR和MALDI-TOF-MS分析了热溶和催化热溶可溶物的组成和结构特征。结果表明,NiCu/Al_(2)O_(3)对昭通褐煤的催化热溶活性优于其他催化剂,该催化剂中活性组分以NiCu合金的形式存在,且Ni与Cu之间存在相互作用。热溶与催化热溶可溶物收率均随温度升高呈先上升后下降的趋势,320℃可溶物收率最高,分别为27.69%和50.54%。催化剂的引入可提高昭通褐煤可溶物中油、沥青烯(AS)和前沥青烯(PAS)收率,其中油和PAS的收率提升相较AS更明显。酚类化合物是非催化热溶衍生油的主要族组分,相对含量达到64.44%,而催化热溶衍生油主要由芳烃、酚类、醇类和酮类化合物组成,说明催化剂促进了可溶有机质碎片中共价键的断裂和酚类化合物加氢。与非催化热溶得到的AS和PAS相比,催化热溶得到的AS和PAS分子量分布范围窄,且FTIR谱图中羟基和醚键对应的吸收峰变弱或消失,说明催化热溶促进了C—O键加氢裂解。催化热溶可在相对温和的条件下从煤中直接高收率获取可溶有机质,研究结果为从褐煤直接获取化学品技术的开发提供参考。

化工冶金跨行业耦合二氧化碳循环利用技术

双碳战略是国家重大战略,也是推动国家经济高质量可持续发展的必由之路。我国碳达峰到碳中和时间短、任务重。我国化工冶金每年碳排放约36亿t,约占全国工业碳排放量的36%,此外化工冶金废气、固废、废热产生量大、堆存量多、难利用、循环利用率低。发展化工冶金低碳化转型和变革,是我国工业领域双碳目标实现的根本保证。我国化工冶金历时百年,已发展成熟,仅通过原料燃料替代及绿色工艺转型减碳容量有限,亟需开展化工冶金跨行业耦合与循环利用技术变革,深入推动工业领域减碳。我国化工冶金大多是孤立、非循环连续工艺过程,引起跨行业耦合难、循环利用难度大的问题。针对上述问题,首先分析了化工冶金行业碳排放治理现状及国家战略需求;其次,提出了废气与废热耦合热化学转化制高质气体、废气与废气耦合定向催化制高端化学品、废气与固废耦合制低碳材料3个减碳增效策略。结合其技术发展现状和趋势,提出了拟重点发展的化工冶金跨行业耦合二氧化碳循环利用技术,以期为工业低碳绿色发展提供支撑。

双碳时代下多源生物质热化学转化资源化利用研究进展

生物质是唯一的可再生碳资源,具有来源广泛、储量丰富等显著优势,利用先进的生物质热化学转化技术,可获得多种高值燃料、化学品和碳基材料,进而实现对化石资源的部分替代,在新能源领域具有重要的战略地位和发展前景。尽管生物质能源化利用技术已取得长足发展,但伴随社会与科技飞速进步,生物质的范畴已不再局限于传统农林废弃物,而是涵盖了农林源、工业源和生活源等多种来源的有机废弃物。复杂组成结构和差异化热分解特性为生物质的高选择性和大规模转化带来严重阻碍,如何实现其高值资源化利用仍面临诸多挑战。论述了生物质热化学转化技术发展现状,从多源生物质组成与热分解特性出发,针对热转化产物品质低和选择性差等问题,对比分析了当前选择性热解制备高值产物、热解重整制氢、新型气化等多种前沿资源化利用技术的最新研究成果与发展趋势。然而,要推动双碳时代下多源生物质热化学转化技术的进一步发展,仍需重点关注以下方面。首先,规模化利用是未来发展的必然趋势,开发高效的催化工艺与反应装备至关重要。通过突破催化剂效率瓶颈与循环再生技术,降低催化运行成本,同时研发新型热转化反应设备,优化传热与抗结焦性能,实现目标产物的定向富集,配合高效的原料收储运策略,从全流程提升生物质热化学转化工业化生产经济性。其次,全组分转化是实现生物质高值利用的关键。通过深入研究生物质不同特征组分分解机理和协同转化机制,开发耦合多重预处理、定向热转化和精准分离冷凝等技术,将生物质原料转化为富含高值化学品的生物油、高品质可燃气和高性能炭材料,实现热解多联产综合利用,有效提高技术资源产出率。最后,多能互补也是未来重要发展方向。通过将生物质与其他清洁能源与电力进行有效整合,充分发挥生物质热分解产物的长周期化学储能特性,构建灵活的多能互补供应体系,实现新能源产业的多维发展与经济效益提升。

神府烟煤及其煤岩组分制备氧化石墨烯的组成、结构演变

以煤为原料制备石墨烯是一种非常有前景的煤炭材料化、高值化利用途径。针对煤岩组分的组成、结构差异,探明煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的演变规律,是开发煤基石墨烯制备技术的理论基础。利用重选法富集低变质神府煤中镜质组和惰质组,并将富集煤岩组分通过高温石墨化得到石墨化碳,以石墨化碳为前驱体通过改良的Hummers氧化法制备煤基氧化石墨烯。利用元素分析、红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜等研究煤及其煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的组成和结构演变规律。结果表明炭化处理使煤有机大分子结构向无定形碳结构转变,高温石墨化使煤有机大分子结构向石墨碳结构转变;惰质组呈片状结构且分子结构中芳香结构单元较多导致石墨化碳微晶尺寸较大,高温石墨化处理后其拉曼光谱的(A_(D1)/A_(G))值为0.382,镜质组高温石墨化处理后的(A_(D1)/A_(G))值为0.686,原煤高温石墨化处理后的(A_(D1)/A_(G))值为0.864;利用富惰质组得到的石墨化碳制备氧化石墨烯厚度尺寸约5 nm;而镜质组的石墨化碳中石墨微晶结构较小,得到的氧化石墨烯尺寸较小,且氧化石墨烯平均厚度超过10 nm;原煤中由于石墨化过程形成棒状结构,较难形成有序片层结构,氧化剥离也难以得到氧化石墨烯。

煤沥青交联改性处理对碳结构的影响

沥青基炭制品的碳结构高度依赖前驱体沥青的性质。采用化学交联的方法对沥青进行改性处理时,尽管化学交联的反应机理为亲电取代反应,但交联剂、催化剂的种类不同,沥青改性程度存在差异,进而影响炭制品结构。以中低温煤沥青为原料,探索3种交联剂(对苯二甲醇(PXG)、苯甲醛(BA)、对苯二甲酰氯(TPC))、5种催化剂(对甲苯磺酸、浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸、硼酸)对沥青交联改性后炭制品结构的影响。通过TG-DTG、FT-IR研究交联改性后沥青热稳定性及沥青官能团的变化;借助XRD、Raman表征改性后沥青炭制品的微观结构差异。结果表明:交联剂和催化剂的存在促进了沥青分子的交联,有效阻止了热转化过程中轻组分挥发,提高了沥青的结焦值、软化点、热稳定等指标。以PXG为交联剂,沥青支链上亚甲基CH_(2)的H不易被取代;而以硼酸为催化剂时,支链末端甲基上的H易被取代;以BA为交联剂,取代氢的位置明显发生在芳香环上;以TPC为交联剂、浓硫酸为催化剂时,交联产品的C=0官能团含量增加,说明在这种组合下,TPC参加反应较多。无论与哪种交联剂相结合,浓盐酸为催化剂时,交联反应更易促进苯环上和支链上的C—H键发生取代反应。经过交联改性后的沥青,炭化过程中分子间较强的π-π相互作用减弱,有效阻止碳有序结构的形成,碳无序结构含量I_(D)/I_(G)增大。同时碳微晶层间距d_(002)明显增加,有序堆积平均堆积高度L_(c)减小,芳香层数降低,说明化学交联不仅影响有序碳结构排列,还可抑制碳微晶结构发育。其中硼酸作为催化剂时,催化效果更理想。获得的炭制品d_(002)在同组产品中最大。PXG、硼酸组合与沥青发生交联时,所得碳材料的d_(002)达0.377 nm。本研究为进一步定向调控和构筑沥青基碳材料奠定基础。

煤焦油衍生模板碳孔隙重整及高体积电容性能

各类储能器件中,超级电容器因其功率密度高、充放电速度超快、循环寿命长等优点,是电化学储能技术的重要发展方向。其中,多孔碳电极是超级电容的核心材料。然而,传统多孔碳电极材料重点关注高孔隙率和高比面积的实现,从而导致疏松的碳骨架结构,使材料密度降低,进一步限制了超级电容器的体积性能。因此,具有合理孔隙结构和致密骨架的碳电极材料是提升双电层电容器体积性能的关键。以低成本煤焦油为碳源,对基于相转变过程制备的不同模板材料进行包覆后碳化,获得具有致密多孔结构的碳纳米片PCS。该材料中优化的分级孔结构降低了多余的中/大孔占比,使其具有高堆积密度(0.64 g/cm^(3)),可同时实现优异的质量和体积比电容性能。在水系双电层电容器中,制备的PCS电极在低质量负载2 mg/cm^(2)时可以获得277 F/cm^(3)的高体积比电容;在高质量负载8 mg/cm^(2)时,体积比电容仍保持244 F/cm^(3),且最大体积能量密度和功率密度分别为8.46 Wh/L和10.9 kW/L。此外,双电层对称电容器也表现出优异的循环稳定性(超过4万次循环),证明了PCS在双电层电容器高密度储能方面的应用潜力。

机器学习驱动锅炉燃烧优化技术的现状与展望

伴随可再生能源发电装机容量快速增加,深度调峰过程中负荷多变、燃烧失稳等不稳定工况对火电机组的燃烧优化控制提出了更高要求,快速发展的人工智能技术与深度学习算法为锅炉参数预测建模及优化提供了重要手段。在机器学习算法方面,总结了特征筛选与建模算法的研究现状,提出了传统统计学方法与线性降维方法的科学解释性较差且不能很好地辨识高维数据,结合深度学习算法的特征筛选方法在处理复杂的火电机组数据时优势更明显;对比了多种神经网络在NO_(x)排放浓度建模中的优缺点,其中长短期记忆神经网络与卷积神经网络在处理时序数据时效果更好、集成模型通过组合不同学习器的优势可提高整个模型的泛化能力和鲁棒性。在预测模型的应用方面,通过对SCR脱硝系统建立预测模型可以方便运行人员模拟并修正可调参数,同时作为软测量手段监测燃烧系统运行状态;引入NO_(x)排放浓度预测模型的前馈控制和模型预测控制等先进控制手段可有效改善火电机组传统PID控制效果较差的问题;在多目标优化中NO_(x)脱除效率通常与锅炉效率或脱硝成本共同作为优化目标,以期实现经济效益与社会效益的和谐统一。

沥青基碳纤维的制备工艺、反应机理及调控方法

沥青基碳纤维是重要的工程碳纤维之一,在航空航天、国防军工等领域具有广泛应用。沥青基碳纤维制备流程长、影响因素多,归咎于对其制备工艺、反应机理及调控方法的认识不足,迄今工业化生产强度性能优异的沥青基碳纤维仍面临诸多困难。以碳纤维生产流程为主线,针对原料预处理、沥青前驱体调制、熔融纺丝、预氧化及炭化与石墨化的现状、方法、机理及调控进行深入探讨分析。沥青基碳纤维的原料有煤系、石油系、生物质系、高分子系和纯化合物,原料预处理方法主要有蒸馏和萃取;沥青前驱体的调制本质是以氢转移反应和自由基反应并行的液相炭化反应,包括环化、芳构化、低聚和缩聚等复杂的反应过程。芳烃低聚物在高温下缩聚形成稠环芳烃片状大分子的基本结构单元,基本结构单元经过热运动不断聚集,形成聚集体;由于范德华力作用使基本结构单元相互堆叠,形成平行堆积体,进而通过层积、堆积等过程形成基本构筑单元聚集体。基本构筑单元聚集体在不同反应条件下可以转变为长程无序、短程有序的难石墨化结构,也可以转变为长程有序、短程有序的易石墨化结构。以煤系、石油系和生物质系物质为原料调制沥青前驱体时,因其反应活性好,通常选用设备简单、操作容易、成本低廉的热缩聚法;而当以萘、甲基萘等纯化合物为原料时,因其反应活性差,需要较高的温度才能引发自由基反应,故通常采用催化合成法。熔融纺丝宏观上起到塑型的作用,通过改变纺丝参数和喷丝板的形状分别可以调节碳纤维的直径和形状;此外,熔融纺丝对中间相沥青前驱体的重排分子作用尤为明显,使得石墨微晶更易沿轴向一维排列形成有序的石墨晶体结构。为使沥青纤维在炭化过程中不发生融化,需要将沥青纤维由热塑性转变为热固性,即通过轻微的氧化反应,让沥青中的稠环芳烃分子经历氧化、缩合、分解和脱水,从而形成特定的交联结构,最终在纤维结构中生成一定量的含氧官能团。炭化是使预氧化后的纤维经过复杂的化学反应和结构转变形成具有炭材料分子结构特征的碳纤维。炭化过程中,石墨微晶发生重排,非碳原子被移除,碳元素含量进一步升高;经过石墨化后,石墨晶体结构更加完整、取向度更高,使碳纤维向石墨纤维转变,强度性能更加优异。另外,针对沥青基碳纤维的突破方向,提出了从分子维度定向可控制备的思路;并为碳纤维生产过程中耗时耗能的预氧化步骤的优化改进提供了具体方法。

气流分选技术研究进展

双碳背景下,气流分选技术因污染低、成本低、不用水、投资省、工艺简单等优势备受关注。为提升气流分选技术在多领域、多地区、多工况的适应性,解决气流分选物料适用范围窄、细粒分选效率低、设备大型化难等问题迫在眉睫。围绕气流分选理论、技术应用和技术改进3方面系统评述气流分选技术研究进展。首先,介绍了气流分选技术原理,分析气流分选过程颗粒受力及分选理论进展;其次,综述了气流分选在固废、矿业、农业等领域的应用进展,并评析了技术优势和技术短板;再次,系统分析了气流分选供风方式优化和设备结构优化等技术改进进展;最后,给出了通过单体并联和相似放大准则提高设备处理量,通过预干燥、分选干燥一体化、改进入料方式提高潮湿物料适应性与分散性,通过窄粒级分选和保持物料形状一致性的预处理过程提高细粒和薄片物料分选效率等路径。展望了未来气流分选技术在线检测与控制智能化、分选装备大型化、分选效率精细化、分选工艺联合化等方面的发展方向,为气流分选技术进一步研究和推广应用提供重要依据。

活性金属Ni d电荷密度对Ni_(2)P/Al_(2)O_(3)催化剂菲加氢性能的影响

高温煤焦油中菲含量高,将菲深度加氢饱和得到全氢菲,可提升菲利用率,且全氢菲密度大,热值高,可作为喷气燃料理想组分。然而,在菲加氢反应过程中菲与中间加氢产物的竞争吸附不利于菲在催化剂上吸附活化,且对称八氢菲进一步加氢是菲加氢饱和过程的速控步骤,其吸附活化困难不易解决,催化剂活性难以满足加氢需求。根据稠环芳烃与过渡金属间π络合吸附机理,在反应物吸附活化过程中,稠环芳烃分子和活性金属分别充当电子供体和电子受体,故Ni基催化剂中活性金属Ni处于缺电子状态时利于生成全氢菲,但关于Ni缺电子量及其电子结构如何影响催化剂菲、对称八氢菲加氢性能的原因需进一步探究。此外,基于负载型Ni_(2)P催化剂稳定性高、耐硫、耐氮性强等优势,采用次磷酸盐歧化法通过调变P/Ni物质的量比制备具有不同Ni d电荷密度的Ni2P/Al_(2)O_(3)催化剂,考察Ni d电荷密度对菲、对称八氢菲吸附和反应性能的影响规律。结果表明,在320℃、5 MPa、空速1 309 h-1反应条件下,Ni-2.5P/Al_(2)O_(3)催化剂转换频率fTO最高(44.64×10^(-3)s^(-1))。通过吸附活化熵描述菲、对称八氢菲与催化剂表面间相互作用强度,发现菲、对称八氢菲在不同Ni-xP/Al_(2)O_(3)催化剂表面吸附强度不同。通过定量计算Ni d电荷密度,明确了Ni2P/Al_(2)O_(3)催化剂用于菲加氢反应时适宜Ni d电荷密度约-0.24 e,对称八氢菲加氢反应适宜的Ni d电荷密度约-0.05 e。

煤矸石自燃的关键影响因素及治理方法研究现状

煤矸石作为煤炭的伴生产物,长期堆存过程中自燃现象频发,直接或间接产生生态污染、水体污染、地质灾害等诸多问题,造成巨大经济损失和人员伤亡。煤矸石从堆积初期到燃烧状态受诸多因素影响,包括自身性质、自燃条件和外部环境等,是一个复杂的物理化学反应过程。为提高煤矿矿区矸石自燃的防治能力,分析了煤矸石自燃理论的研究现状,系统总结了现阶段国内外学者对煤矸石自燃机理和治理方法的研究进展。围绕可燃物、氧气、温度3个影响煤矸石自燃的必要因素,提出了引发自燃的主要关键影响因素和作用过程机理。较全面介绍已有煤矸石山自燃防治的主要方法,对比分析了各种常规煤矸石自燃灭火手段以及治理技术的优缺点,指出了常规简单技术治理效果的局限性。针对煤矸石作为砂、石等替代材料,回填露天矿坑、采煤塌陷区等区域进行土地整治和生态修复,提出在防治过程中要明确自燃治理的控制对象,提升防灭火材料的特定性能,通过智能化设备提高辨识准确性进行精细化监控,并运用多种监测预警技术协同自燃防治材料多手段多方法运用综合治理,并提出了煤矸石自燃防治技术的未来发展和矿用防灭火材料的研究方向,为后续开展煤矸石自燃机理研究及自燃防治工程应用提供参考和理论支持。

煤液化残渣诱导缩聚制备冶金焦的影响因素

煤液化残渣所含沥青质和重油在热解时可产生大量自由基,如不能被及时稳定和缩聚将转化为大量焦油和气体,形成孔隙结构,从而影响所制冶金焦密度。为此,拟引入添加剂诱导其高效缩聚,提高聚合物密度,再经炭化后制备优质冶金焦。通过系统研究不同添加剂(糠醛、甲醇、呋喃和羟基丙酮)、温度(350、400、450、500和550℃)、停留时间(0、30、60和120 min)和添加量(0、4、8和16 g)对所制聚合物缩聚率、结构性质、密度、热稳定性和表面性质影响,获得煤液化残渣诱导缩聚的最优试验条件。在最优条件下,分别探讨所制聚合物和炭化物的表面形貌、微晶结构和元素变化情况,获得煤液化残渣诱导缩聚机理。结果表明,添加剂(糠醛)的诱导缩聚效果最佳,其次是羟基丙酮,因而理想添加剂至少应含有1个醛基或酮基。不同添加剂可促进煤液化残渣缩聚,提高所制聚合物比表面积、孔容、平均孔径和真密度。温度和停留时间对煤液化残渣/糠醛聚合物热稳定性和表面性质影响较大,温度升高和停留时间延长可促进煤液化残渣所含酚类基团和芳香物中H参与缩聚反应,提高聚合物的缩聚程度。煤液化残渣/糠醛(焦炭)整体呈片层密实状,并含更多无定形碳。

失活石灰石自活化增强循环捕集CO_(2)特性

钙循环工艺是一种低成本高效率捕集CO_(2)技术,运行过程需不断补充新鲜吸收剂并排出失活吸收剂,实现失活钙基吸收剂原位资源化利用具有重要意义。为研究颗粒状石灰石失活后自活化特性,运用双固定床反应器制备了失活石灰石,分析了自活化后石灰石碳酸化转化率随循环次数的变化规律,采用XRD、SEM、N_(2)吸附等分析测试手段探究了自活化提高失活石灰石循环捕集CO_(2)性能机理。结果表明,失活石灰石置于环境中可吸收空气中水分生成Ca(OH)_(2),吸水率φ达100%后,继续吸水生成氢氧化钙水合物,极限吸水率为130%。不同程度自活化后的石灰石循环捕集CO_(2)性能均有不同程度提高,随吸水率变化呈线性升高趋势。与分析纯CaCO3相比,失活石灰石对吸水率变化更敏感,随吸水率升高其循环捕集CO_(2)性能提高更快。吸水率为130%时,自活化后石灰石循环捕集CO_(2)性能甚至优于新鲜石灰石。微观结构分析结果显示:新鲜石灰石因高温烧结而失活过程中,CaO晶粒尺寸由41.9 nm长大至72.2 nm,孔隙结构发生坍塌阻塞,比孔容和比表面积显著降低。经过自活化,煅烧后的石灰石中CaO晶粒尺寸降低,原本密实的表面重新生成孔隙结构;吸水率为130%时,晶粒尺寸降至35.1 nm,比孔容和比表面积分别恢复至新鲜石灰石的70.5%和107.6%,特别是10~100 nm孔隙得以再生,因此失活石灰石循环捕集CO_(2)性能恢复。虽然自活化过程会加剧失活石灰石颗粒磨损速率,但吸水率100%的自活化石灰石磨损导致直径每小时减小量仅为颗粒直径的0.55%。综上所述,自活化后的失活石灰石完全可替代新鲜石灰石,作为补充钙基吸收剂用于钙循环捕集CO_(2)。

重金属-PAHs污染土壤植物微生物修复效果及机理

针对焦化厂等土壤中铬(Cr)、砷(As)重(类)金属和菲(Phe)、苯并[a]芘(BaP)等多环芳烃(PAHs)风险高、绿色低碳修复技术缺乏等突出问题,以黑麦草-玉米-食醚红球菌(Rhodococcus aetherivorans,BW2)开展植物微生物联合。结果表明,63 d后植物微生物联合修复组土壤中Cr、As、Phe和BaP浓度分别下降9.63%、5.28%、45.14%和26.87%,其中重金属的去除主要依赖于植物作用,而PAHs去除则在很大程度上取决于微生物与植物的共同作用;植物主要吸收可提取态重金属,63 d后不同修复组土壤中可交换态Cr平均下降2.19%,而As则由于降解作用使修复过程中可交换态增加;可交换态Cr和碳酸盐结合态Cr与土壤中放线菌门呈强正相关,2种形态As则与拟杆菌门、装甲菌门、FBP菌门和浮霉菌门呈正相关。污染物去除效率间存在明显的相互作用,同时受酶活性和不同功能微生物丰度的动态影响,反之土壤微生物群落结构和功能也在土壤污染物种类、浓度及理化性质等综合作用下发生改变。

响应曲面法优化高效除氟药剂的研制及除氟机理

我国电子、光伏、无机氟化工、煤矿开采、煤基化工等行业产生的废水普遍存在氟化物超标问题,除氟药剂法作为废水除氟的新方法,存在投药量及污泥产生量较大等问题。采用响应曲面BBD法对该除氟药剂的制备条件进行试验设计和优化,并与常用混凝剂除氟性能进行对比。通过扫描电子显微镜分析(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)分析手段对不同制备阶段除氟药剂进行表征分析,结合处理后上清液残留元素水平和各元素利用率对除氟机理进行探究。结果表明:除氟药剂最优制备条件为n(M)/n(Si)(M为金属总量)为44.91、n(Al)/n(Mg)为40.64、n(Al)/n(Fe)为34.92,在该条件下所制备的除氟药剂在投药量1.35 g/L时,氟离子质量浓度由20 mg/L降至0.71 mg/L,达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值1.0 mg/L以下,氟离子去除率达96.45%,响应曲面法建立的模型相关系数R 2为0.9690;对于初始氟质量浓度10~200 mg/L的含氟水样,除氟药剂按比例投加,上清液剩余氟质量浓度均小于1.0 mg/L;与常用混凝剂的除氟性能顺序为:除氟药剂>PAC(聚合氯化铝)>PAFC(聚合氯化铝铁)>PFS(聚合硫酸铁);SEM和XRD表征分析发现除氟药剂形态和结构均发生改变,通过反应聚合形成多种多羟基聚合物,这些多羟基聚合物与氟离子间发生离子交换,从而去除氟离子;通过对上清液残留进行元素分析,结合所投加除氟药剂中各金属元素浓度,分析得出铝、硅、铁、镁的元素利用率分别为99.98%、97.16%、92.22%和18.39%;除氟药剂对多种实际含氟工业废水均高效且适用。

煤矿酸性废水中硫酸盐的防治与潜在资源化技术研究进展

煤炭在未来依然是中国能源结构的重要组成部分,煤炭开采过程中产生含高浓度硫酸盐的煤矿酸性废水(ACMD)是制约其实现高质量绿色可持续发展的关键。ACMD是SO_(4)^(2-)的一个重要工业污染来源,其主要是含硫矿暴露后的氧化作用产生。通过回顾ACMD的形成机理和危害,分析了可用于源头预防和后续处理的技术,秉持“预防胜于治理”的原则,全面分析了抑菌剂、氧气隔绝和表面钝化等预防硫酸盐产生的技术特点,后续处理阶段目前采用较多的技术包括化学沉淀、吸附、离子交换与膜技术的主动修复技术和以生物处理与人工湿地为主的被动修复技术。主动修复技术存在二次污染的风险和成本较高等问题,被动修复技术的处理时间和系统稳定性限制其广泛应用;鉴于硫酸在化学和冶金工业中市场可观,从ACMD回收硫酸的资源化前景潜力巨大,目前关于从ACMD中回收硫酸的潜在技术包括精馏、扩散渗析、电渗析、溶剂萃取和结晶等,评估了每种工艺应用于ACMD中的技术和经济可行性;最后着重强调了关于ACMD中硫酸盐防治和资源化技术的未来发展前景,其中包括深入研究预防技术,降低处理成本,开发新型稳定的处理和回收工艺,为煤炭行业的污染控制与废弃物资源化提供新的控制策略和更广泛的研究思路。

煤液化残渣萃余物浮选预处理促进机理

煤液化残渣萃余物(ER)是指煤直接液化残渣通过萃取手段得到重质油和沥青后剩余的物质,约占原煤量的15%。利用扫描电镜(SEM)观察到萃余物表面疏松多孔的结构,通过浮选手段降低灰分后,可用于制作活性炭。由于萃余物中重质油和沥青附着在未反应煤表面导致萃余物中各种物质均具有无差别的疏水性,难以进行浮选,因此采用热处理手段将重质油及沥青脱除,使萃余物整体疏水性降低,增加疏水性的未反应煤和亲水性的硅铝酸盐矿物及催化剂(Fe_(7)S_(8))之间的差异性。重质油和沥青经热处理去除后,剩余的硅铝酸盐矿物及催化剂等具有亲水性,仍保留在未反应煤的孔隙和表面,因此采用超声处理手段将这些亲水性物质去除,暴露出未反应煤的疏水性表面,此时萃余物疏水性增加,煤与亲水性杂质之间的差异性增大,有利于浮选。对处理前后的萃余物进行浮选试验,结果表明:萃余物原样难以浮选,在马弗炉中260℃焙烧1 h后的萃余物可以浮选。在热处理的基础上进行超声处理,随超声处理时间增加,精煤产率呈上升趋势,灰分呈下降趋势。超声处理10 min的萃余物浮选精煤产率为58.20%,灰分为23.63%,相比仅经过热处理的萃余物,浮选精煤产率提高17.80%,灰分降低2.88%。热处理及超声处理均对浮选有促进作用。采用扫描电镜和DSA100接触角分析仪分别对超声处理前后萃余物的表面特性进行检测分析。通过扫描电镜观察到萃余物表面黏结有大量杂质,随超声处理时间增加,表面杂质逐渐减少,接触角逐渐增大,疏水性增加。扫描电镜及接触角分析均支持浮选结果。

超级电容器用生物质衍生多孔炭材料研究进展

能源消费增加促使绿色能源开发成为趋势,同时推动能源存储系统快速发展,超级电容器以高功率密度和长循环寿命的优势得到广泛关注,其中电容炭材料逐渐成为研究热点。用来源广泛、有可再生性、价格低廉、绿色环保的生物质制备超级电容器用多孔炭材料,在开发绿色能源的同时解决了能源存储问题。多孔炭材料结构调控与性能完善是提高超级电容器性能的重要途径之一。综述了生物质衍生多孔炭材料及其在超级电容器领域的应用,按原料来源(植物、动物和微生物)及材料维度(0D、1D、2D和3D)的分类体系,多孔炭材料制备方法及技术现状。将多孔炭的制备分为炭化和活化,简述了炭化与活化机理、活化方式选择和常见活化剂特性,但生物质衍生多孔炭材料制备过程中影响因素多,且性能不及传统煤基碳材料,需进行多方面设计优化,包括选择生物质前驱体、合理使用炭化技术、调控活化过程各影响因素和选择改性过程中掺杂物等。基于在超级电容器领域的应用需求,重点探讨生物质多孔炭材料优化方式,包括孔结构调控、表面元素掺杂及与石墨烯复合形成新型炭材料等。梳理多孔炭材料用于超级电容器中时的难题与重点,通过寻找多孔炭材料在高比表面积、均匀孔隙分布和高导电性3方面的最优组合,提升电极材料电荷存储能力攻克超级电容器能量密度低的问题,同时确保超级电容器耐压能力达到要求。在此基础上,提出提升材料电化学性能和循环稳定性、确保原料来源稳定性和一致性、逐步实现量产的商业化需要等有望取得突破的研究方向。

基于数据生命周期的煤泥浮选智能控制技术研究进展

随着国家政策和新一代人工智能技术的持续牵引,矿山智能化研究取得突破,其中,选煤厂智能化建设受到高度关注,煤泥浮选智能控制技术一直是阻碍选煤厂智能化建设的关键瓶颈之一。以煤泥浮选数据生命周期为主线,从浮选精煤/尾煤灰分在线预测、浮选药剂智能添加和煤泥浮选系统智能决策3个角度综述了煤泥浮选智能控制技术的研究进展,并展望未来煤泥浮选智能控制技术发展趋势。浮选精煤灰分在线预测困难重重,单一视觉特征信息并不可靠,尾矿灰分的预测技术相对更加成熟可靠;浮选药剂添加量受多个过程变量同时制约,模型性能在整个工况区间的自适应性和泛化能力还需进一步提升;当前浮选工业系统智能控制技术的进一步发展严重受限于浮选精煤/尾煤灰分等指标的预测精度、传感器检测精度、药剂添加精度等因素。浮选过程数据集维度更高,难以建立可靠的知识库,以深度学习为代表的新一代人工智能技术能适应这类数据结构。此外,已有浮选监测系统只针对特定矿物,唯一性较高。未来浮选智能控制系统应集中攻克指标预测、传感器检测精度等方面限制,建立多煤种、模板化的煤泥浮选智能控制资料大数据集和大模型。