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。

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。

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。

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。

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。

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.

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.

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。

脱硫工程菌的构建及其脱硫性能分析

以专一性脱硫菌德氏假单胞菌Pseudomonas delafieldii R-8为出发菌株,利用pPR9TT穿梭质粒构建脱硫操纵子表达载体,转化原始菌培养得到1株多拷贝脱硫基因的脱硫工程菌R-8-1,并对其脱硫性能进行了研究。结果表明,在同样的生物催化脱硫反应条件下,工程菌的脱硫活性达到6.25μmol DBT/g dry cell/h,是原始菌的2倍;柴油的脱硫试验表明,在12h内工程菌静息细胞能将柴油硫含量从310.8mg/L降至100.1mg/L,脱硫率达到68%,而原始菌为53%。进一步比较了重组质粒pPR-dsz在工程菌株中传代的稳定性,试验表明pPR-dsz在工程菌株R-8-1中具有良好的遗传稳定性。此研究为生物脱硫提供了1株优良的工程菌株,并为该技术的应用提供了参考。

盐湖氯化镁制备炼钢用镁钙造渣剂的实验研究

本文探讨了盐湖副产氯化镁应用于炼钢冶金造渣的可行性。以盐湖水氯镁石和石灰为原料,通过化学合成制备了氧化镁,再将氧化镁与石灰、粘结剂混配成型制备炼钢用镁钙造渣剂,考察了粘结剂硼酸的不同用量时造渣剂形成的球团强度和抗压强度及微观结构变化;同时研究了不同煅烧温度、煅烧时间、氧化镁掺杂量的情况下,造渣剂的活性及杂质脱除率。实验结果表明,利用该方法制备的镁钙造渣剂应用于钢铁冶金造渣过程,可有效地脱除碳、磷、硫、硅等杂质成分,提高转炉冶炼的冶金效果的同时实现了盐湖资源再利用,具有较好的推广应用前景。

废旧磷酸铁锂正极粉磷酸浸出过程的优化及宏观动力学

随着新能源汽车产业快速发展,磷酸铁锂动力电池退役量爆发式增长,回收需求迫切,但面临回收利用经济性较差的难题。正极材料价值较高,本文提出采用磷酸浸出废旧正极材料以制备电池用磷酸铁,但铝等杂质的分离是关键。本文以含铝的磷酸铁锂正极粉为原料,开展了磷酸浸出过程优化及宏观动力学研究,重点研究了酸料比、浸出温度、液固比、搅拌速度等参数对磷酸铁锂及铝浸出效果的影响规律,并考察了磷酸铁锂在磷酸溶液中浸出的宏观动力学。研究结果表明,在酸料比1.1mL/g、温度20℃、液固比(5∶1)mL/g、搅拌速度400r/min、浸出时间120min条件下,磷酸铁锂浸出率大于93%,铝浸出率小于20%;磷酸铁锂正极粉磷酸浸出过程符合无固态产物层的收缩核模型,表观活化能为24.62kJ/mol,浸出过程受扩散控制。

反应耦合法制备苯氨基甲酸甲酯产物分离过程的模拟

对碳酸二甲酯(DMC)和二苯基脲反应耦合法合成苯氨基甲酸甲酯(MPC)的产物进行分离研究;测定了MPC的热重数据以及MPC-DMC物系的汽液平衡数据;在考虑了各组分分离特性的基础上,确定了单塔减压侧线采出工艺;采用AspenPlus过程模拟软件对分离工艺进行了模拟计算。优化的操作条件为:理论塔板数为12块,进料位置为第8块塔板,侧线采出位置为第4块塔板,塔顶采出量为535.3kg/h,侧线采出量为16.0kg/h,塔釜绝对压力为98.94kPa,回流比为0.12。在此条件下,分离得到的塔顶产品中xDMC=99.6%,DMC的收率大于99.0%;塔釜产品中xMPC=98.7%,MPC的收率大于99.0%。

Si-Sn合金精炼-定向凝固过程硅的分离和提纯

采用Sn-Si熔析体系,利用工业规模多晶硅铸锭炉通过控制温度梯度和热场上移速率进行定向凝固处理,研究硅锭的形貌特征、组织结构和提纯效果。结果表明:在定向凝固过程中析出了连续密实的硅晶,且晶体硅与金属熔析剂之间形成了平坦稳定的相界面,实现晶体硅与金属熔析剂的有效分离。晶体硅经过混酸酸洗后,总金属杂质含量由58.3×10-6降低为7.6×10-6,去除率可以达到87%;非金属P含量由50.12×10-6降低为8.48×10-6,去除率大于80%。因此,Si-Sn合金精炼与定向凝固过程复合,解决了硅与金属熔析剂的有效分离问题,同时也实现了杂质的高效去除。

锂电回收过程铁铝渣制备烧结砌块工艺

以废旧锂电池回收过程产生的铁铝渣为主要原料,页岩为辅料,制备铁铝渣烧结砌块,系统研究了页岩掺量、烧结保温时间和烧结温度对所制备的烧结砌块的体积密度、吸水率和抗压强度的影响,并优化得到最优的烧结条件为:页岩掺量30%、成型压力25 MPa、升温速率3℃/min、烧成温度950℃、保温时间1.0 h,烧制的烧结砌块样品体积密度为1.68 g/cm^(3),吸水率为18.13%,抗压强度达到21.81 MPa。XRD和SEM结果表明,生成的共熔物填充了空隙,提高了致密程度和强度。得到的产品毒性浸出结果符合《危险废物鉴别标准浸出毒性》(GB 5085.3—2007)的要求,使用过程无重金属污染风险。

褐铁矿型和蛇纹石型红土镍矿氯化浸出-选择性水解耦合提镍钴工艺研究

针对褐铁矿型和蛇纹石型红土镍矿开展了以盐酸为初始浸出介质的褐铁矿型红土镍矿氯化浸出-蛇纹石型红土镍矿选择性水解耦合提取镍钴工艺研究。结果表明,酸矿质量比5∶4、液固质量比4∶1、反应温度100℃、反应时间30 min条件下,氯化浸出褐铁矿型红土镍矿时Ni、Co、Fe浸出率分别为99.6%、100%、96.9%;采用褐铁矿型红土镍矿浸出液与浓盐酸按体积比1∶4调配,在液固比1∶1、温度150℃、浸出时间90 min条件下浸出,蛇纹石型红土镍矿中Ni和Co浸出率分别达到84.9%和100%。

四氯化硅冷氢化工艺及机理的研究进展

介绍了国内外冷氢化过程的研究现状,综述了对冷氢化过程工艺优化、热力学分析以及反应机理等领域的研究进展,分析了目前研究与工业应用之间的差距,并展望了未来的研究方向。

含金黄铁矿和白云石浮选分离研究进展

黄铁矿是卡林型金矿中微细颗粒金的主要载体,金的回收率取决于黄铁矿的浮选表现。同时,在卡林型金矿成矿过程中,成矿热液在粉砂质碳酸盐(主要是白云岩)岩层中扩散,增加了白云石等碳酸盐矿物的含量。因此,含金黄铁矿和白云石等碳酸盐矿物伴生是卡林型金矿的主要特点。浮选结果显示,随着卡林型金矿中白云石含量的增加(低、中、高比例),含金黄铁矿的回收率分别为51.3%、38.6%和36.7%。同时,随着给矿中黄铁矿的含量从1.2%上升至3.0%,精矿中白云石的上浮比例可从8.6%提高至18.7%。可见,黄铁矿与白云石之间的相互作用破坏了两者的分选,从而恶化了卡林型金矿的浮选表现。然而,由于缺少该相互作用的研究,其对卡林型金矿浮选的影响机理不明,无法指导工业实践,导致卡林型金矿实际浮选时存在药剂用量大、分选效果差等严重问题。因此,本文收集总结了国内外关于卡林型金矿浮选研究的信息,从黄铁矿的氧化动力学、黄铁矿氧化对黄原酸盐吸附的影响、白云石对黄铁矿浮选的影响、黄铁矿与白云石的分选手段以及现有研究存在的问题和未来的研究方向等六个方面进行介绍并加以评论,以期对将来的研究起到参考作用。