从海水淡化到能源技术的开拓创新天津大学海水淡化与膜技术研究中心发展历程

大规模的膜技术研究发端于人类对海水淡化的重大需求.天津大学海水淡化与膜技术研究中心从20世纪60年代即开始海水淡化和膜技术的研究,是国内早期研究膜法海水淡化技术的团队之一,主持了国家早期多级闪蒸海水淡化装置的研发攻坚.80年代以后,研究中心在成膜机理和膜过程等方面做出诸多贡献,逐步奠定了团队在膜科学与技术领域的研究基础.进入21世纪,特别是近十几年来,中心更加注重原始创新和成果转化,在高效节能海水淡化膜的制备机理及应用、能源气体纯化及CO_(2)捕集用膜的制备机理及工业示范、电池用膜、膜曝气膜生物反应器、反渗透过程能量回收等领域取得诸多重大研究突破以及实际应用进展.

煤化工废水近零排放与资源化关键技术研究与应用示范

介绍了国家重点研发计划项目"煤化工废水近零排放与资源化关键技术研究与应用示范"的研究背景、总体研究思路、主要研究内容、技术路线与创新点、预期成果等。建立起具"四高"(污染物去除率高、水回用率高、资源利用率高、工艺稳定性高)和"两低"(处理成本低、投资成本低)特点的煤转化废水处理、回用和资源化共性关键技术,构建出煤转化废水处理、回用和资源化全链条技术创新体系,形成煤转化废水长程处理与短程处理优化组合的新技术框架。

微波场强化化工分离过程研究进展

优化化工分离技术、实现化工分离过程的节能减排,一直是化工分离过程研究的热门课题。近年来,微波场强化分离过程的研究非常活跃。本文阐述了微波对物质的作用机理以及微波加热较普通加热的优势与特点;系统介绍了微波场在萃取、精馏、干燥、脱附/吸附、蒸馏和反应精馏等分离过程的强化效果和应用进展,并分析总结了微波场在这些分离过程中的强化机理,分析表明将微波应用于化工分离过程具有加热速度快、产品质量高、耗能低和易于控制等特点;同时指出微波在分离过程特别是蒸馏/蒸发和反应精馏领域研究的欠缺,提出对于微波是否对蒸馏/蒸发或反应精馏过程具有强化作用还需要大量的实验验证和相应的理论支撑;最后本文对微波在分离领域的发展作了分析与展望。

海水淡化—共识与创新

尽管海水淡化技术已经发展成熟,应用普遍,但人们对于应用淡化水仍有诸多疑虑和问题。本文将首先针对公众关心的问题进行讨论,并总结出几点基本的共识,诸如世界上的发展与应用、淡化水成本与市政应用的安全性、海水淡化对环境的影响以及海水淡化与其他水技术的互补关系等。文章第二部分着重介绍了作者团队自上世纪以来在海水淡化方面的研发工作,包括蒸馏法(MSF、MED)、反渗透膜与示范生产线、能量回收装置、膜蒸馏技术以及膜曝气生物反应器(MABR)与水再利用技术等。

化工类专业课程思政与教学改革探索--以“精细有机合成化学及工艺学”为例

"精细有机合成化学及工艺学"团队从教学理念、教学内容、教学方式与方法、实验教学等诸多方面进行了教学改革创新的有益探索和实践。将育人贯穿于专业课程教学的全过程,将学生为中心的理念贯穿教学全过程,将传授基础知识同介绍新技术相结合,讲解工艺内容同加强新理论相结合,课堂教学强化师生互动,讲解新技术知识强化学生深度参与,实验教学注重加强综合能力培养,综合实验注重创新能力培养。团队在专业教学中培养具有创新能力人才方面取得了良好的效果,并提出把新工科的理念贯穿在专业教学过程中,要着力推进信息技术与教育教学深度融合。

新型硫酸法C_4烷基化工艺的模拟

提出了一种新型硫酸法C4烷基化生产工艺,丁烯原料在气相状态下进入反应器,与液相异丁烷、浓硫酸混合后,部分丁烯溶于液相,在液相中进行反应;通过控制反应器的压力,部分液相吸收反应热而汽化,使反应温度基本稳定;经气液分离、酸烃分离及产品分馏后,气相丁烯、异丁烷、浓硫酸分别构成循环。采用Aspen Plus过程模拟软件对新工艺过程进行模拟计算的结果表明,在反应器进口压力0.2 MPa、压降4.5 k Pa的条件下,反应器进出口温度均在7.2℃左右,可通过调节反应器压力实现温度的控制;反应器进口液相中烷烯质量比为145∶1,可减少副反应的发生;与传统硫酸法C4烷基化工艺相比,新工艺耗电量可降低30%。

单铁氢化酶活性中心的仿生模拟研究进展

单铁氢化酶的活性中心能在自然环境条件下催化异裂氢分子并且选择性还原特定底物。自从20世纪90年代,其第一次被分离出来后,科学家一直在努力模拟单铁氢化酶活性中心的结构及功能,期望通过仿生手段,实现类似自然界温和利用氢气的功能,来解决当今氢能在使用中贵金属催化剂等问题。仿生单铁氢化酶活性中心模型化合物被不断合成研究,促进了对酶活性中心几何结构和电子特性的认知。红外光谱特征、催化禁阻特性、质子化特性、密度泛函分析(DFT)以及催化机理探索等为未来研究提供了理论基础。本篇综述主要总结了近些年单铁氢化酶的分离表征、晶体结构、活性中心的仿生模拟、催化机理探索方面研究进展。

化学化工理工复合型人才培养之思考

本文从国内外化学化工学科的发展、复合型人才培养的要求以及可行性人才培养方案三个方面展开论述,揭示了化学与化工融合发展的必然趋势,阐述了化学化工理工复合型人才对思维方式、知识结构与人才培养模式的内在要求,并结合"天津化学化工协同创新中心"的建设方案,对专业建设、课程改革以及人才培养模式进行了若干思考。

微溶性二氯联苯二胺的连续重氮化工艺

以微溶性3,3′-二氯联苯二胺(DCB)盐酸盐为原料,以碰撞式混合器为连续重氮化反应的混合与反应单元,连续化合成了DCB重氮盐水溶液。用分光光度法定量检测重氮盐的浓度来计算重氮化收率。考察了DCB质量浓度、进料温度、流速、盐酸用量对重氮盐收率的影响,优化了重氮化反应。得到最优条件为:DCB质量浓度70g/L、进料温度为20℃、流速为1.1m/s、n(HCl)∶n(DCB)=4∶1,在该条件下连续工艺重氮化收率达到98.3%。与间歇工艺相比,该工艺降低了酸用量,提高了反应效率,且反应可以在20℃下进行,大幅度降低了能耗,具有巨大的工业应用前景。

丁烯氧化脱氢钼铋系催化剂:晶相之间的协同效应

钼铋系催化剂以其优良的性能一直以来都是丁烯氧化脱氢研究和应用的热点。本文简述了已有研究中对钼铋系催化剂及改性后的多组分催化剂的晶相结构及其与反应性能间关系的研究进展。指出在钼铋催化剂中,有较多晶格缺陷的α-Bi_2(MoO_4)_3提供吸附位,氧流动性较强的γ-Bi_2MoO_6提供晶格氧,二者的协同作用提高了催化剂的活性。而在改性后的多组分钼铋系催化剂中,添加的组分与钼铋元素结合生成新的晶相,产生了更多的晶格缺陷及氧供体,从而提升了催化性能。对于钼铋系催化剂进一步改进的方向,本文认为在添加组分的方法基础上,还可以从催化剂表面结构方面入手,进行进一步的深入探究。

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。

CuO修饰的Cu_(1.5)Mn_(1.5)O_(4)尖晶石型复合氧化物对CO氧化的协同催化

铜锰复合氧化物是常用的氧化反应催化剂,一般认为铜锰尖晶石是活性组分;同时氧化铜和氧化锰也具有催化活性,但性能较差。研究表明,发现Cu_(1.5)Mn_(1.5)O_(4)和CuO的协同效应能促进CO的催化氧化。催化剂以柠檬酸络合法制备,采用氮气吸附-脱附、XRD、H_(2)-TPR、TEM、CO-TPD和O_(2)-TPD等手段对系列催化剂进行了表征,测试了对CO氧化的催化性能。结果表明,CuO修饰的Cu_(1.5)Mn_(1.5)O_(4)具有最好的催化性能和最高的单位表面活性(以单位表面积CO转化率计),表明CuO与Cu_(1.5)Mn_(1.5)O_(4)存在协同作用。认为协同作用源自CuO活化的O_(2)和Cu_(1.5)Mn_(1.5)O_(4)活化的CO结合生成CO_(2)提高了活性。

化工工艺学教学改革探索

《化工工艺学》是化学工程与工艺专业的基础课程,培养具有实践能力强、素质高的应用型人才。针对化工行业的发展趋势及我校化工专业的课程培养目标,结合地方企业特色,对课程教学内容、教学方法和化工实习实训等进行探讨。形成"课堂教学-专业实验-企业实习"的点、线、面培养路径。创新教学组织形式和课程考核方式,采用综合性考试模式评价学生的素质和能力,有效提高了学生的实践能力。

界面聚合法制备耐热型山梨醇水溶液微胶囊

为获得具有植物叶片近红外精细反射光谱特征的伪装材料,采用界面聚合法制备山梨醇水溶液微胶囊。选择聚脲为壁材,设计了两步升温的包覆工艺,通过反应温度的优化得到了水分含量达50%以上的山梨醇水溶液微胶囊。扫描电子显微镜下观察到微胶囊呈表面较为光滑的球形;紫外/可见/近红外分光光度计结果表明,微胶囊的反射光谱在1450 nm和1930 nm处呈现与绿色植被相似的水分吸收谷。微胶囊具有优良的水分保持能力,在25℃、相对湿度50%环境中放置96 h后水分含量变化率不超过3%;热重分析和差示扫描量热结果表明,微胶囊水分的流失起始温度超过200℃。该微胶囊轻质、水分含量高、耐热性强,制备工艺简单,与植物叶片近红外反射光谱匹配度高,在对抗高光谱探测技术领域具有良好应用前景。

氢氧化镁的表面改性及其在硅橡胶中的阻燃性能研究

分别采用乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)、乙基三乙氧基硅烷(ETES)以及3-(氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)对氢氧化镁(MH)进行表面改性,研究了改性工艺对改性MH粒子表面特性的影响。结果表明,确定的最佳改性条件为:改性剂为VTES、改性剂质量分数为8%、反应温度为80℃、搅拌转速为500 r/min、反应时间为2.0 h。将改性MH共混入硅橡胶,当VTES-MH质量分数为50%时,与未添加MH的硅橡胶相比,VTES-MH/硅橡胶复合材料的拉伸强度和断裂伸长率仅分别降低了5%和11%,具有良好的力学性能;极限氧指数为40.2%,具有优良的阻燃性能。

卟啉基金属有机框架在光疗领域的应用

卟啉基金属有机框架是金属或金属团簇与卟啉配体或其家族化合物配位自组装形成的晶体结构,结合了卟啉类分子良好的光物理特性和生物相容性,具有周期性和可调控的结构,在光化学领域和生物医药领域具有应用潜力;尤其是能够充分发挥卟啉类分子的优越性能,可通过光动、光热等光辅助治疗方法实现杀伤有害细胞的效果。该文介绍了卟啉基金属有机框架的结构,综述了卟啉基金属有机框架在光辅助治疗领域的最新研究进展,主要包括其在光疗抗肿瘤及抗菌领域的应用研究现状,重点介绍了近几年卟啉基金属有机框架在光敏剂基础上的改进以及衍生出的多样化的功能;最后,对其未来发展前景进行了展望。

泡沫镍负载CeO_(2)改性CuO催化剂的碳烟燃烧性能研究

通过在泡沫镍基底上预沉积CeO_(2)晶核,采用水热法成功合成出泡沫镍负载CeO_(2)改性CuO催化剂(xCeO_(2)-CuO/NF),同未加入CeO_(2)的催化剂(CuO/NF)相比,其碳烟氧化活性显著提高。随着催化剂中CeO_(2)含量的增加,Ce/Cu质量比不断增大直至趋于平稳,催化剂的催化活性随之提高直至基本不变。其中,6.5CeO_(2)-CuO/NF的催化活性最好,T_(50)(383℃)最低,比CuO/NF催化剂低32℃。研究结果表明,预沉积CeO_(2)晶核一方面可促进CuO微纳结构的生长,提高碳烟颗粒与催化剂活性位点的接触效率;另一方面,xCeO_(2)-CuO/NF中形成的Cu_(x)Ce_(1-x)O固溶体增强了铜铈之间的相互作用,通过Ce^(3+)/Ce^(4+)和Cu^(2+)/Cu^(+)之间氧化还原耦合循环促使活性氧物种的生成,并提升了其本征活性,从而极大地提高了其催化碳烟氧化的能力。

核壳结构Co_(3)O_(4)@MnOx整体式催化剂的碳烟催化燃烧性能

采用两步水热法在泡沫镍基底上合成了具有纳米棒形貌的Co_(3)O_(4)@MnOx整体式催化剂,通过X射线衍射、X射线能谱分析、氢气-程序升温还原、X射线光电子能谱、拉曼光谱和碳烟-程序升温还原等手段对催化剂进行表征,在微型固定床反应器上评价了其催化碳烟燃烧性能,通过等温动力学实验探究了催化剂的本征活性。结果表明,Co_(3)O_(4)@MnOx催化剂呈现了以Co_(3)O_(4)为核、以MnOx为壳的核壳结构。与催化剂Co-NW相比,Co_(3)O_(4)@MnOx催化剂中Co_(3)O_(4)与MnOx之间的相互作用使其表面产生了更多高价物种Mn^(4+)和Mn^(3+)以及更多的表面氧空位,其氧化还原性能提高,催化剂的活性氧物种数量增加了两倍,催化性能得到改善,在NO存在的反应气氛中使碳烟起燃温度降低148℃。此外,相比催化剂CoNW,Co_(3)O_(4)@MnOx催化剂使碳烟燃烧反应的活化能从113.6 kJ/mol降低至102.2 kJ/mol,催化剂的本征活性提高了两倍。

锂离子电池硅基负极用功能粘结剂的研究进展

硅(Si)具有超高的理论比容量、较低的嵌锂电位及丰富的储量等优势,是发展高比能锂离子电池的关键负极材料。同纳米Si相比,低成本、高振实密度和低界面反应的微米Si应用于高体积能量密度器件独具优势。然而其300%体积形变产生的巨大应力,使得颗粒破碎粉化、电极结构退化以及导电网络失效等问题更为严峻,极大制约了其商业化进程。粘结剂是适应Si体积变化,提供稳定导电网络的重要手段。开发高容量、高稳定微米Si基负极对粘结体系设计提出了更大的挑战。本文首先阐明了粘结剂的基础功能与粘结机制,然后从自愈合、电子导电、离子导电以及参与固态电解质层构建四个方面,总结了Si基负极用功能粘结剂的设计策略和作用原理,最后展望了面向实用化的Si基负极功能粘结剂面临的挑战和未来发展方向。

调控共价有机框架供-受体促进光催化水析氧

为探究电子供体-受体结构对共价有机框架(COFs)材料光催化性能的影响,以N,N'-对乙腈苯基-1,4,5,8-萘二酰亚胺(NBA)为基础构筑单体,分别与供电子的三(4-甲酰基)苯胺(N-CHO)、吸电子的1,3,5-三(4-甲酰苯基)三嗪(TFPT)脱水缩合,构筑了由C=C连接的NN-COF和NT-COF。采用XRD、FTIR、^(13)CNMR、XPS、SEM、TEM、EDS和紫外光电子能谱(UPS)表征了两种COFs材料的结构、形貌和光电性能,并测试其光催化水分子氧化反应(OER)性能。结果表明,与NN-COF相比,NT-COF中三嗪单元的吸电子能力和高度平面性使其具有更紧密的层间π-π堆积、更宽的可见光吸收范围和更强的光生载流子产生能力;Co(NO_(3))_(2)·6H_(2)O作为助催化剂添加后,NN-COF和NT-COF在连续6 h内平均析氧速率分别为303.73和449.53μmol/(g·h);NT-COF中相对缺电子的萘酰亚胺单元更有利于光生空穴在其杂原子上的积累,从而更高效地催化水分子OER的进行。