铬掺杂铝基载氮体的化学链合成氨特性及机理

铝基载氮体化学链合成氨是一种具有良好发展潜力的新型合成氨技术,在高效合成氨的同时实现煤炭等碳基能源的清洁利用。然而,在氮化反应温度下铝基载氮体不可避免会转化为活性较低的α-Al_(2)O_(3),降低氨合成效率。为解决这一问题,利用共沉淀法制备了一系列Cr掺杂的CA-x%(x=0、2.5、5.0、7.5、10.0)载氮体样品用于化学链合成氨反应特性研究。XRD、XPS表明,Cr原子均匀掺杂进入Al_(2)O_(3)晶格内部并提高了其氧活性。将5种载氮体样品用于氮化-氨化反应试验,结果表明CA-5%载氮体的合成氨性能最佳,其NH 3收集量约为未掺杂时的3倍,Cr掺杂同时促进了氮化和氨化反应的进行。利用Material Studio软件建立载氮体的氮化反应模型,DFT计算结果表明Cr原子的掺杂可显著降低氮化反应过程中CO的生成以及N 2解离吸附过程的能垒,Cr掺杂后Al_(2)O_(3)的晶格氧稳定性降低,氧原子更易从载氮体表面解离且更易与N 2反应生成氮化铝。最后选用CA-5%载氮体进行10次氮化-氨化反应试验验证了Cr掺杂铝基载氮体的循环稳定性。

化学链合成氨研究进展与展望

氨主要被用作生产氮肥的原料,近年来被认为是一种具有重要应用前景的能源载体。目前工业合成氨主要采用Haber-Bosch工艺,该过程严重依赖化石能源,是高能耗、高碳排放过程,为生态环境带来巨大压力。因此,开发温和条件下可再生能源驱动的绿色合成氨过程具有重要的实用意义和社会价值。化学链合成氨过程是将合成氨反应解耦为两步或多步反应,具有规避催化中普遍存在的Scaling relations关系、避免氮气和氢气竞争吸附、可常压操作等特点,被认为是一种具有应用前景的合成氨技术。此外,该过程适合于分布式、小型化的生产模式,便于与可再生能源利用过程相耦合。因此,近年来化学链合成氨受到广泛关注。本综述首先简述了化学链过程的定义及其在化石能源转化领域的研究概况,随后重点介绍化学链合成氨的发展历史、载氮体分类及近期研究进展,最后对载氮体材料的设计思路及化学链合成氨过程的前景进行展望。根据载氮体不同,分别介绍了二元金属氮化物、多元金属氮化物、亚氨基化物及氮氧化物等载氮体材料在分别以N_(2)-H_(2)和N_(2)-H_(2)O为原料的化学链合成氨过程中材料种类、反应热力学及动力学、合成氨速率等方面研究成果。此外,由于近期外场驱动合成氨取得了较好进展,根据外场驱动力不同,分别介绍了以电、光、等离子体、微波等为外加能量形式的化学链合成氨过程。并从热力学及动力学两方面分别介绍了载氮体材料的改进策略。最后,对化学链合成氨技术存在的问题及外来研究方向进行展望。

根际微生态环境中氮源转化及循环研究进展

氮是植物生长所需的三大主要营养元素之一,而硝态氮和铵态氮是植物吸收的2种主要氮素形态。硝态氮与铵态氮在植物生长过程中发挥着不同的作用。植物主要通过根系吸收硝态氮来满足生长过程中氮的需求,并转化为氨基酸、蛋白质等生物活性物质的合成原料,同时硝态氮参与叶绿素的合成,促进光合作用的进行;铵态氮也可被植物根系吸收,并用于植物体内蛋白质和氨基酸的合成,而且铵态氮的吸收速度较快,能够满足植物对氮素的迅速需求。由于植物生长特性不同,植物对硝态氮和铵态氮的利用效率有所差异。植物的基因型和环境因素都会影响其对不同氮素形态的利用能力,形成一些植物对硝态氮偏爱,而另一些植物则对铵态氮更为偏爱。本文从土壤氮素形态与转化影响因子、植物对氮素吸收机制以及高效氮素循环转化展望3个层面综述相关的研究进展,为作物生产中氮肥调控、土壤生态修复等科学研究提供技术理论参考依据。

基于载氮体氢化与再生的化学链合成氨技术及展望

综述基于载氮体氢化与再生的化学链合成氨研究现状,讨论制约化学链速率的关键因素,并提出调控和增强载氮体性能的策略。总结载氮体的制备方法,从应用的角度评估载氮体性能调控的目标,以期为载氮体介导的化学链合成氨研究提供指导,促进基础研究向工业技术的转化。

火山岩载体对菖蒲脱氮作用的研究

当前水生植物-微生物联合修复技术中,针对微生物载体作用的研究尚少见报道。因此,以供试挺水植物菖蒲(Acorus calamus L.)为研究对象,不同火山岩(黑色、灰色、红色)为微生物载体,考察菖蒲在火山岩载体下对水体总氮(TN)的去除效果,以及对菖蒲生物量、根系氮代谢酶活性和根际微生物多样性变化的影响。结果表明:种植菖蒲前,黑色火山岩载体人工湿地的TN去除率最高(40.8%);而种植菖蒲后,灰色火山岩人工湿地脱氮效果最佳,TN去除率可达70.2%,相较种植菖蒲前其TN、高锰酸盐指数、氨氮去除率分别提高了32.2、46.9、66.6百分点,根际微生物数量增加,出水单元菖蒲生长最旺盛,优势菌属为红环菌科未知属(unclassified_f_Rhodocyclaceae)。由此可见,含高SiO_(2)和低Fe_(2)O_(3)的灰色火山岩载体可增强菖蒲对污染水体的脱氮能力,为水体脱氮提供理论和技术支撑。

半固定生物膜载体耦合改良SBR工艺深度脱氮效能及机理研究

传统SBR反应器TN去除效果较差,研究采用半固定生物膜载体模块、污泥回流系统和快速进出水系统优化传统SBR工艺,并开展中试试验探讨工艺深度脱氮的效果和机理。结果表明半固定生物膜载体耦合改良SBR工艺在低进水负荷情况下对COD、NH_(3)-N、TN和TP的去除率分别为87.19%、98.24%、63.42%和87.06%,高进水负荷情况下去除率分别为94.34%、98.47%、73.47%和73.73%。通过16S rRNA基因序列和PICRUSt2技术分析,悬浮污泥和生物膜载体的微生物群落存在显著差异。在低进水负荷情况下,悬浮污泥主要负责反硝化,生物膜载体主要负责氨氧化,TN主要通过硝化-反硝化去除。在高进水负荷情况下,悬浮污泥中硝酸盐还原酶的作用逐渐减弱,生物膜载体中厌氧氨氧化和氮的同化作用成为主导,TN主要通过同化作用去除。

HPB工艺用于污水厂扩容提标的中试实验

山东某水厂因进水超标而造成减产,拟用HPB(High concentration powder carrier bio-fluidized bed)工艺提高水厂产量,故进行中试实验验证该技术的可行性及低温下对北方高浓度工业废水的处理结果。实验期间,中试装置进水水质与原水厂相同,结果表明:工况Ⅰ,在水力停留时间为25.84 h时(模拟厂区3×10^(4) m^(3)/d),中试系统COD去除率为96.3%,TN去除率为91.1%,NH_(3)-N去除率为96.0%,TP去除率为98.8%;工况Ⅱ,在水力停留时间为20.0 h时(模拟厂区4×10^(4) m^(3)/d),中试系统COD去除率为94.3%,TN去除率为93.4%,NH_(3)-N去除率为96.4%,TP去除率为98.4%;极限工况下,水力停留时间15.6~20.0 h(模拟厂区4~5.33×10^(4) m^(3)/d),中试系统COD去除率为94.5%,TN去除率为92.0%,NH_(3)-N去除率为96.8%,TP去除率为98.3%。在水力停留时间减半的情况下,中试装置出水仍接近甚至优于原厂区,稳定达到二沉池设计出水水质(COD<100 mg/L,ρ(NH_(3)-N)<1.5 mg/L,ρ(TN)<10mg/L,ρ(TP)<0.3 mg/L)。中试实验验证了北方低温下HPB用于该水厂提标扩容的可能性,为日后的生产性实验奠定基础。

船用BOG再液化系统的工艺模拟及分析

船用BOG再液化系统是处理LNG船舶中蒸发气体的最常见方法。基于逆布雷顿循环的再液化系统,由于其紧凑性、简单性和安全性而成为再液化过程的首选。通过工艺模拟软件对BOG再液化工艺进行建模,研究制冷剂流量、制冷剂压缩机的出口压力对于再液化系统的功耗影响,并确定了不同出口压力下制冷剂的最小流量。此外,分析海水温度对于再液化系统的影响,结果表明,海水温度每升高1℃,系统功耗增加9 kW。

养殖尾水处理系统填料生物膜氮循环微生物功能特征

为探讨填料生物膜在养殖尾水处理中对水体氮循环的影响机制,采用16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组测序技术,对填料生物膜、水体细菌的群落结构及其与氮循环相关的功能基因丰度差异特征进行了研究。结果显示,填料生物膜微生物主要参与氮代谢活动。在属水平上,Pseudomonas、Spirochaeta、Opitutus和Syntrophus是填料生物膜氮素转化过程的重要功能微生物类群。与水体相比,填料生物膜的碳代谢活动能力较强(P<0.05);填料生物膜上固氮功能基因nifH、硝化功能基因hao、反硝化和异化硝酸盐功能基因napA、nirS、norB、norC、nrfA、nirB和氮代谢调控基因ntrC及其相应的关键酶均显著高于周围水体(P<0.05),且对含氮污染物有显著去除效果。研究表明,养殖尾水处理系统内复合填料生物膜具有比周围水环境更强的氮周转能力,主要通过关键功能物种介导的固氮和反硝化作用实现养殖尾水氮素的转化和迁移。研究结果作为野外实验证据,可为复合填料生物膜系统在水产养殖尾水治理中的应用提供理论依据。

中低温改性聚氨酯填料移动床生物膜反应器深度脱氮研究

小试条件下探讨了以改性聚氨酯海绵填料作为微生物载体的移动床生物膜反应器(MBBR)深度脱氮规律和用于城市污水深度脱氮的可行性。研究结果表明,常温和低温条件下,改性聚氨酯填料的填充率为50%时,连续流小试深度脱氮的总氮去除负荷率分别达到52.8、68.4 mg/(L·d),单位体积填料的反硝化负荷率分别为130.4、187.2mg NO_(3)^(-)-N/(L·d),水温降低对改性填料深度脱氮的影响不明显。随着外碳源投加比例增加,改性聚氨酯填料的脱氮效率明显提升,碳氮比为6:1时,去除效率最佳,每升填料的TN去除速率和反硝化速率分别为216.0 mgTN/d和240.0 mgNO_(3)^(-)-N/d。分析了填料上反硝化微生物的多样性,其中变形菌门是绝对优势微生物,占比达到71.5%。从属的角度,固氮螺菌属(Azospira)占比为16.42%,食酸菌属(Acidovorax)占比为2.23%,其它潜在反硝化菌占比为9.62%。研究认为,粉末活性炭改性的聚氨酯海绵填料用于城市污水厂的深度脱氮是可行的。

基于MBBR的高效脱氮工艺在酿酒废水中的研究

酿酒废水是一类高浓度有机废水,现阶段主流处理工艺为预处理+厌氧+缺氧/好氧组合工艺。本研究主要针对缺氧/好氧段进行改造,开发基于移动床生物膜反应器(MBBR)的高效脱氮工艺。通过对载体材料进行筛选,选择改性聚乙烯载体作为填料,其对COD、TN、TP的去除率分别为91.73%、95.14%、96.43%。将原A2/O工艺改为基于MBBR技术的A2/O工艺,水力停留时间从3.2 d减少到24 h,出水水质达到《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962—2015)排放标准。与原A2/O工艺相比,改良后的工艺通过对硝化菌和反硝化菌的富集促进了硝化和反硝化过程,从而提高了系统的生物脱氮能力。

不同载气对GaN薄膜外延生长影响的研究进展

氮化镓(GaN)凭借着优越的光学和电学性能使其成为新兴半导体光电产业的核心材料和基础器件,在光电子、微电子以及声电子领域中具有举足轻重的地位和广泛的应用前景。为了获得高品质GaN,对其生长条件的优化从未停止。本文综述了氮气(N2)和氢气(H2)作为载气在利用MOCVD外延生长GaN薄膜中的研究进展,讨论了不同载气的使用对生长机制、薄膜质量和GaN基器件性能的影响。从最优化工艺的角度出发,在生长过程中合理组合使用H2、N2和H2/N2混合气体为载气,并从其生长特点中优化材料性能获得最佳组合是更具优势的生长方案。

水热法合成3-硝基吡唑的工艺优化

为解决合成3-硝基吡唑(3-NP)时重排时间长、重排试剂毒性大、N-硝基吡唑(N-NP)易升华等问题,以N-硝基吡唑为原料,采用水热法以二甲苯作为重排溶剂制备了3-NP;并采用显微镜和红外光谱对其结构进行了表征。对水热法重排反应温度、反应时间、填充度等因素进行了优化。结果表明,该方法较佳反应条件为:反应温度180℃,保温时间3h,填充度为15%,对应理论压力为6.130MPa,此时3-NP得率为100%,产品纯度稳定在99%以上,该工艺所得产物无需进行后处理可直接使用;重排溶剂二甲苯在水热法中固液体积比(N-NP∶二甲苯)为1∶3时产品得率较高,大大节约了溶剂成本,重排试剂价格低、易得、毒性小,水热法有望替代传统合成3-NP工艺。

固氮功能性菌肥的研制及其对盐碱土壤性质的影响

氮素在植物生长发育过程中起着重要作用,土壤中可以直接被植物利用的速效氮的含量较少。目前主要通过施加化肥来快速增加土壤中的速效氮含量,但普通化肥的过度施用对土壤、大气以及水环境都有一定的负面作用。功能性微生物肥料的研究与应用可以减少化肥使用所带来的危害,并且提高土壤中的速效氮含量。本课题通过阿须贝氏培养基对土壤中的固氮菌进行了筛选,并探究了其对极端环境的耐受程度。并且选取了玉米秸秆粉末、发酵牛粪及稻壳三种材料作为菌肥载体来探究制备菌肥的最佳条件。将制得的菌肥施入滨海盐碱土中,测定并分析了其对该种土壤基本性质的影响。

不同填料UAFB-ANAMMOX反应器的脱氮效能

由于厌氧氨氧化菌增殖速率缓慢,对环境因素敏感,导致反应器启动时间长且运行不稳定.以人工配水为研究对象,采用UAFB(升流式厌氧固定床)反应器,分别填充组合填料、聚氨酯泡绵和立体弹性纤维作为生物载体,对各载体的挂膜特征及厌氧氨氧化的实现与稳定特性进行了研究.结果表明:与聚氨酯泡绵和立体弹性纤维相比,组合填料在快速启动反应器及运行稳定性上有较大优势,反应器启动时间为42 d,稳定运行后期NH4+-N及NO2--N的去除率均达到90%以上,最大TN去除负荷(以N计)为1.239 kg(m3·d);并且组合填料挂膜效果较好,生物膜跟载体结合较紧密.以聚氨酯泡绵为载体的反应器启动时间(66 d)长,挂膜效果较差,膜易脱落;稳定运行后期NH4+-N及NO2--N的去除率分别大于90%与95%,最大TN去除负荷为1.268 kg(m3·d).以立体弹性纤维为载体的反应器对ρ(DO)和ρ(基质)及水力冲击等环境因素较为敏感,运行效果不稳定,最大TN去除负荷仅为0.724 kg(m3·d).

化学催化法脱除模拟地下水中硝酸盐氮

利用化学催化对氮污染地下水进行修复,研究了化学催化载体-自制活性催化固体颗粒载体在停留时间(HRT)、p H、进水水质不同的条件下脱氮效能及脱氮机理,建立了脱氮反应动力学模型,提出了化学催化载体脱除地下水中硝酸盐氮的反应为三级反应,且水中氨氮初始浓度对硝酸盐氮的还原有抑制作用。试验结果表明:当HRT为2 h,在酸性、中性和碱性条件下,硝酸盐氮去除率均可达到90%左右;与一般铁碳微电解和零价铁脱氮相比,反应更为迅速,且不需调节p H。

竹丝填充床对高有机负荷及低C/N水质的脱氮特性

利用竹丝填料作为生物载体而组建的接触氧化工艺对高浓度难降解水质和低C/N水质的脱氮特性进行了研究.结果表明,当进水COD为804～5100mg/L,BOD为45.0～1100mg/L,BOD/COD为0.01～0.46的情况下,TN去除率为26.6%～96.95%,出水BOD/COD为0.07～0.75;当COD为98～251mg/L,TN为28.0～105.1mg/L,COD/TN为1.6～4.6时,TN去除率为4.94%～48.8%,说明竹丝填料接触氧化工艺在高浓度难降解水质和低C/N比水质条件下具有很好的脱氮效果,但竹子囊腔内的竹汁会使系统脱氮效果波动;对反应器内的主要菌群的分布特征研究发现,在处理高浓度难降解水质过程中,进、出口处细菌浓度相当;而在处理低C/N水质过程中,细菌、硝化细菌主要分布在反应器的进口处,反硝化细菌沿程均匀分布.

氮载气熔融法测定铝锂合金中氢

采用ＩＴＨＡＣ２００２型氮载气熔融法自动快速定氢仪测定铝镁合主中氢。对熔样条件及试样暴露在空气中对氢含量的影响进行了研究。结果指出，试样称量５～５．５ｇ，熔化电流３００ｍＡ左右的条件较为适宜。挤压态试样在空气中暴露与浸泡在丙酮中的氢含量是一致的。用离子探针微分析仪测氢作定性检验，证明本方法测定铝锂合金中氢是可靠的，相对偏差小于５％。

悬浮填料对厌氧氨氧化MBR运行的影响特性及机理

向厌氧氨氧化(anammox)膜生物反应器(MBR)投加悬浮填料,考察其对反应器脱氮性能和膜污染的影响特性,并探究了相关机理.试验结果表明,投加填料后,反应器脱氮性能良好.当进水氨氮(NH_4^+-N)160mg/L、亚硝态氮(NO_2^--N)180mg/L时,出水NH_4^+-N和NO_2^--N均在15mg/L以下,硝态氮(NO_3^--N)在30mg/L以下,总氮去除率可达90%.投加填料显著减轻了膜污染,跨膜压差(TMP)稳定在8k Pa左右.混合液中溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)成分分析结果表明,在第67~149d,蛋白质总量、多糖总量和总有机碳总量分别下降了49%、43%和61%,它们浓度的下降有利于延缓膜污染;此外,悬浮填料对膜组件的机械碰撞也起到了物理清洗作用.高通量测序结果显示,悬浮填料生物膜在anammox菌相对丰度方面显著高于混合液污泥,说明anammox菌更适宜于附着生长,投加填料可以为其提供更加稳定的生长环境.

悬浮填料内循环脱氮除磷效能分析

以校园生活污水为处理对象,在SBR(Sequencing Batch Reactor)反应池中投加悬浮填料进行脱氮除磷效能研究。填料填充率为30%,池底采用边缘对称曝气,填料在气力推动下进行对称逆循环流动,在时间顺序和在空间位置上循环经历好氧及微好氧过程,此工艺对COD的去除率可达95.2%,NH3-N(氨氮)去除率达95%以上,TP(总磷)去除率达75%。试验通过分析DO(溶解氧)及pH突变点规律,验证并指示该工艺中碳源降解及脱氮除磷过程进行得较为完全。