促进微生物胞外电子转移的纳米材料研究进展

胞外电子转移(EET)是产电微生物在代谢过程中将自身产生的电子转移到外部电子受体的过程,然而较缓慢的胞外电子转移速率显著影响了微生物燃料电池(MFCs)的产电性能,提高胞外电子转移的效率对推动微生物燃料电池的大规模应用具有重要意义。纳米材料具备优异的导电性、稳定性以及生物相容性,对改善阳极与产电微生物之间的电子传递速率具有重要作用。该文综述了胞外电子转移的主要路径,阐述了不同种类的纳米材料在促进胞外电子转移过程中的机理和其对应的MFCs产电性能,并展望了纳米材料强化微生物EET过程在微生物电化学技术利用方面的研究前景。

微藻培养光生物反应器内传递现象的研究进展

微藻规模化培养过程中光生物反应器内传递现象是影响微藻的生长及产量的重要因素。本文重点综述了光生物反应器内传递现象(光传递、传热、传质和传动量传递)及其数学模型研究进展,分析了光生物反应器结构和尺寸对光传递和传质的影响,总结影响各传递现象的重要参数,如光吸收系数、体积传质系数等,为高效光生物反应器的设计、优化及放大提供了参考依据。

开放式光生物反应器内光传输数学模型研究

基于辐射传输理论建立了考虑微藻细胞和微气泡光学特性的开放式光生物反应器一维稳态光传递数学模型,采用Mie散射理论计算藻细胞和微气泡的光吸收系数、散射系数和相函数,数学模型的求解采用离散坐标法。计算结果表明:当忽略微气泡和藻细胞的光散射时,模型可转化为Lambert-Beer定律;考虑微气泡光散射时,当藻细胞浓度较低时微气泡的光散射对光衰减有抑制效果;藻细胞浓度较大时,微气泡的光散射对抑制光衰减影响不大。

微生物燃料电池纳米纤维基阳极材料的研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种非常有前途的环境友好型电化学装置,可以利用电活性微生物从废水中提取能源,并降解废水中的有机物,是目前解决环境与能源危机的重要技术。然而,相对较低的产电效率限制了其大规模应用,主要体现在阳极缓慢的胞外电子传递速率和较少的产电微生物附着量。纳米纤维具有高的比表面积、良好的电化学性能和电导率,是改善阳极的重要材料。该文介绍了影响阳极材料性能的因素,系统总结了近年来国内外纳米纤维基阳极材料的种类与制备方法,针对纳米纤维基阳极材料在MFC领域的研究现状,重点阐述了各种纳米纤维材料的优缺点。最后,对纳米纤维基电极材料以及MFC技术的发展方向进行了展望。

静电纺丝纳米纤维在吸波材料中的应用

随着电子设备的迅速普及,电磁干扰和电磁污染问题随之而来,因此,高性能电磁波吸收材料的设计迫在眉睫。静电纺丝纳米纤维复合材料具有质量轻、柔性大、易加工、兼容性强等优势,有望实现吸波材料“薄、轻、宽、强”的技术要求。该文首先介绍了电磁波吸收材料的吸波原理,之后综述了静电纺丝技术在吸波材料中的研究进展,包括静电纺丝纳米纤维与金属及其氧化物、碳纳米材料与导电聚合物、过渡金属碳化物的复合以及在多层吸波材料中的应用,总结了不同种类复合材料的优缺点。最后,展望了静电纺丝纳米纤维在吸波领域的发展趋势以及应该关注的问题。

秸秆固态发酵回转筒内颗粒混合状态离散元参数标定

为解决秸秆碎料在发酵过程中积热和触氧条件不均的问题,采用离散元法研究回转筒内秸秆颗粒的运动特性。为利用实验值定量对比仿真,基于图像处理法,定量分析实验法和离散元法的滚筒内颗粒混合状态。通过虚拟堆积实验和滚筒内颗粒混合仿真与实验现象进行对比,标定离散元法的颗粒物性参数。结果表明:图像法表征混合状态时,子域大小的划分与颗粒尺寸相关;影响堆积角的主要因素为颗粒间静摩擦因数和密度;影响回转筒内颗粒混合的主要因素为颗粒与壁面粘性系数和颗粒与壁面滚动摩擦因数;验证标定参数结果表明,颗粒参数能用于离散元法描述回转筒内秸秆碎料的运动特性。

添加剂对煤粉燃烧过程活化能变化规律的影响

采用热重法研究不同添加剂对煤粉燃烧性能的影响,通过积分法计算加入添加剂煤样的燃烧反应活化能,考察DTA曲线中燃烧放热峰的变化规律。结果表明,向煤中加入2%的MnO_2,CaO和CeO_2,燃烧放热温度由535℃降至480～490℃,活化能由98 kJ/mol降至70～80 kJ/mol;而加入等量的K_2CO_3,燃烧放热温度降至460～470℃,活化能降至50～60 kJ/mol。燃烧反应活化能E与燃烧放热峰对应温度T的变化趋势相一致,两者遵循玻尔兹曼方程E=106.22-323.37/[1+exp(T/35.45-11.42)]。

含煤球团直接还原热失重及动力学分析

随着电炉炼钢的快速发展,作为其原料的直接还原铁的需求量日益增大,对直接还原特性和机理的研究变得越来越迫切,过去的研究主要集中在工艺条件和节能减排方面,对反应控速模型的比较相对较少。本文在950~1100℃的N2气氛下,研究了还原温度对含煤球团还原速率的影响,并结合XRD技术对还原产物的物相转换进行了分析。同时基于热重实验,应用不同控速模型方程计算了直接还原过程反应动力学参数,并与实验结果进行了对比。结果表明,温度对还原过程起着至关重要的作用,Fe3O4还原生成Fe O在950℃以下已经开始了,Fe O的还原主要发生在1000℃以上,从950~1100℃还原速率迅速增加。通过模型对比,认为还原过程由三维气相扩散控制。

LiBr-[BMIM]Cl/H_2O工质对的饱和蒸气压、结晶温度和腐蚀性

为了解决LiB r/H_2O工质对易结晶和腐蚀性强的问题,提出了Li Br^-[BMIM]Cl/H_2O和LiB r-[BMIM]Br/H_2O新型工质对,研究了离子液体[BMIM]Cl和[BMIM]Br对LiB r/H_2O结晶温度和饱和蒸气压的影响。对质量比为2.5的LiB r-IL(ionic liquids)/H_2O的饱和蒸气压、结晶温度和腐蚀性进行了测定并与LiB r/H_2O的进行了比较,结果表明[BMIM]Cl/H_2O和[BMIM]Br/H_2O的饱和蒸气压与质量分数低8%~9%的LiB r/H_2O的饱和蒸气压基本相同。在常用工作浓度范围内,LiB r-[BMIM]Cl/H_2O的结晶温度比相同吸收能力的LiB r/H_2O的低约30℃。在相同的腐蚀条件下,LiB r-[BMIM]Cl/H_2O对碳钢的腐蚀性明显小于LiB r/H_2O,对紫铜的腐蚀性与LiB r/H_2O的基本相同。因此,采用LiB r-[BMIM]Cl/H_2O作为替代工质对具有一定的应用潜力。

沼气中甲硫醇的两段深度脱除法

研究了采用浸渍法制备的ZnO/γ-Al2O3、CuO/γ-Al2O3、γ-Al2O3以及商业Fe2O3脱硫剂对沼气中甲硫醇(CH3SH)的深度脱除性能。结果表明,CuO/γ-Al2O3的脱除性能优于γ-Al2O3、ZnO/γ-Al2O3及商业Fe2O3脱硫剂,但仍无法在较高的空速(GHSV 1200 h-1)下一步完成高浓度CH3SH的深度脱除。为此提出了两段深度脱除法,第一段采用廉价但活性较低的Fe2O3,第二段采用昂贵但高活性的CuO/γ-Al2O3,可将沼气中摩尔分数为100×10-6的CH3SH降低到10×10-9以下,从而能够满足PEMFC分布式电站的要求。还考察了沼气中水分的影响,当水分为2%时,对两段深度脱除法的影响不大。

沼气中羰基硫的深度脱除

沼气深度脱硫对于以沼气为制氢原料的分布式燃料电池电站十分重要。采用浸渍法制备了Zn O/γ-Al2O3、Cu O/γ-Al2O3及Cu/γ-Al2O3,实验研究了上述金属氧化物脱硫剂以及商业Fe2O3脱硫剂对沼气中羰基硫（COS）的深度脱除性能。结果表明,Cu基脱硫剂对COS的脱除性能优于Zn O/γ-Al2O3和Fe2O3,其可在250~400℃的温度下将COS脱除到10 ppb以下,能够满足分布式PEMFC电站对脱硫的要求,并达到在其沼气重整器的原料气体预热段完成深度脱硫的目标。Cu O/γ-Al2O3的硫容在250℃达到了最大的0.185 mmol·g^1。对Cu O/γ-Al2O3的脱硫机理进行了分析。固相产物中Cu S的存在说明了COS在Cu O/γ-Al2O3上的吸附为化学吸附,而Cu2O和Cu的存在则说明了沼气中的CH4与CO2在250℃以上的温度下发生了重整反应,Cu2O和Cu为该反应生成的H2和CO的还原产物。气相产物中检测到的H2S,可能是由COS的加氢反应生成的。还考察了沼气中水分对COS深度脱除的影响。Cu基脱硫剂的性能会受到水分的不利影响,但随着温度的升高,该影响呈减小的趋势。

基于CFD双a型燃气辐射管燃烧的传热特性

运用亚音速烧嘴技术和烟气循环技术，设计了一种烟气高循环倍率的新型双a型辐射管，采用涡耗散燃烧模型和离散坐标辐射模型计算其燃烧传热过程。结果表明：42.6％的CH4在烧嘴内燃烧，57.4％的CH4在辐射管中心管内长度为800mm、直径为40mm的区域内燃烧；辐射管中心管内，循环烟气使火焰和气体等温线呈“椭圆型”分布，三通管和支管内，流动惯性使气体等温线呈“偏心圆”分布；双a型辐射管热效率为70.8％，壁面最高温度1065℃，最大温差79℃，中心管壁周向温差0～21℃，三通管及支管管壁周向温差0～15℃，整个辐射管管壁径向温差0～2.5℃。

基于金属氧化物脱硫剂的天然气深度脱硫

确立了基于GC-MS和GC-SCD的天然气中超微量硫化物定性定量分析方法与条件,并分析了北京城市天然气中的硫化物。结果表明,天然气中含有三种硫化物,主要成分为四氢噻吩（THT）,占总硫的94.2%。采用共沉淀法制备了ZnO/Al2O3脱硫剂,采用浸渍法制备了ZnO/γ-Al2O3、CuO/γ-Al2O3和CuO-ZnO/γ-Al2O3脱硫剂,并进行了天然气中THT深度脱除的实验研究。结果表明,采用浸渍法制备的CuO/γ-Al2O3和CuO-ZnO/γ-Al2O3脱硫剂同时具有良好的低温活性和高温活性,可在50~500℃的宽温下将THT脱除至物质的量分数10×10-9以下,从而能够满足以天然气为燃料的分布式质子交换膜燃料电池电站对脱硫深度和脱硫温宽的要求。

沼气中羰基硫的两段深度脱除法

研究了采用浸渍法制备的ZnO/γ-Al2O3和CuO/γ-Al2O3,以及γ-Al2O3、商业Fe2O3脱硫剂对沼气中羰基硫(COS)的深度脱除性能。结果表明,CuO/γ-Al2O3的脱除性能优于γ-Al2O3,ZnO/γ-Al2O3及商业Fe2O3脱硫剂,可以在较高的空速(GHSV 1 200 h-1)下一步完成高浓度COS的深度脱除,但其工作温宽较窄。为此提出了两段深度脱除法,第一段采用廉价但活性较低的Fe2O3,第二段采用较昂贵但高活性的CuO/γ-Al2O3,可将沼气中摩尔分数为100×10-6的COS降低到10×10-9以下,从而能够满足PEMFC分布式电站的要求。考察了沼气中水分的影响,当水分为2%时,对两段深度脱除法的影响不大。

热重分析法研究不同添加剂对煤粉的催化燃烧

采用热重分析法和统计分析方法研究了原煤及加入不同添加剂后煤粉的燃烧效果.加入质量分数为2%的MnO2、CaO和CeO2可将原煤的活化能由98.07分别降至73.73、78.50和76.45 kJ·mol-1,原煤的燃烧放热峰温度也随之降低,由534.2分别降至482.7、489.4和484.9℃,但对氧化放热峰温度影响不明显,两者作用结果可将原煤氧化峰与燃烧峰对应温度差减小约30℃.添加剂对煤粉燃烧活化能和燃烧峰温度的影响规律符合玻尔兹曼方程拟合的函数关系,燃烧放热峰对应温度降低,活化能也减小,可通过煤样差热分析曲线中燃烧峰对应温度值粗略估计煤样的活化能.

双金属导电金属有机框架材料Ni/Co-CAT的制备及其氧还原催化性能研究

以2,3,6,7,10,11-六羟基三亚苯(2,3,6,7,10,11-Hexahydroxytriphenylene,HHTP)为有机配体,Ni、Co为金属中心,通过水热法制备了对应的儿茶酚酯盐(Ni-catecholate、Ni-Co-catecholate,以下简称Ni-CAT和Ni-Co-CAT).对其进行表征后,选用单室反应器装置搭建微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC).将Ni-CAT和Ni-Co-CAT与炭黑以3∶1的质量比混合后应用于MFC阴极催化氧还原反应(Oxygen reduction reaction,ORR).结果表明,Ni-Co-CAT催化的MFC反应器性能最好,其MFC反应器的最大输出电压和功率密度分别为310m V和190mW/cm^(2),与商业Pt/C的性能相当.Ni-Co-CAT催化MFC的极限电流密度为2.84 mA/cm^(2),优于Ni-CAT的2.18 mA/cm^(2),表明在Ni-CAT结构中引入Co后,MFC产电效能得到了提升.主要原因是,Ni-Co-CAT与炭黑充分混合后,具有了更高的孔隙率和比表面积,其结构上的金属位点M-O_(6)(M=Ni或Co)提供了更多的催化活性,使Ni-Co-CAT具有最优的电化学催化性能.

高分子聚合物基碳纳米膜的电催化降解污水性能及机理

目前的电催化高级氧化技术普遍使用平板电极,因为传质受阻在降解污染物方面具有降解不彻底的缺点,限制了其在电催化降解污染物的应用.多孔碳纳米膜作为一种新型电极,因其较大的比表面积,提供较多反应活性位点,可以有效地改善传质效率,从而克服此传统技术的缺点,在近年来得到广泛应用.本文首先综述了使用高分子聚合物制备碳纳米膜的方法,主要包括静电纺丝技术(EST)、化学气相沉积法(CVD)和模板法,分别介绍了每种技术的原理和操作方法,并展示每种方法的实际应用的实例.其中静电纺丝技术具有可以制备取向碳纳米纤维并有助于碳纳米纤维改性的优点.其次总结了碳膜电催化降解含抗生素、染料分子和其他有机物的污水的研究进展,对不同条件下电催化降解有机物的效果进行综述,大部分研究均通过在碳纳米膜上添加金属、金属氧化物和金属有机框架(MOF)来使电极的性能得到优化.最后阐述了电化学高级氧化的机理、电极效应及主要的检测自由基的方法,分别从直接氧化和间接氧化两个方面介绍了电化学高级氧化的机理,并通过公式进行具体论证;列举了电催化过程中可能产生的电极效应对有机物降解的影响;检测自由基的方法主要总结了淬灭法和探针法,并阐述了其原理和争议,并对碳纳米膜电催化降解废水的发展进行展望.

中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测

为了准确预报我国钢铁工业未来生产结构、能耗和排放情况,构建了钢铁生产、加工、消费、折旧的全生命周期模型和基于人均钢铁存储量的产量预测模型,结合工序能耗和排放特征,针对基准、折旧寿命延长、废钢回收率提升、能源效率提高及综合等五种情景进行了情景预测.中国钢铁产量、能耗和排放会历经一个峰值后下降,电炉短流程会逐渐替代高炉长流程成为主流.流程结构转变是未来中国钢铁行业节能减排的关键"红利",而节能技术的作用在后期越发凸显.中国钢铁行业要达到2050年减排一半的目标,需结合综合情景实施生产结构调整、废钢回收、节能减排技术推广等相应措施.

燃气辐射管换热器的结构优化与数值模拟

为解决W型燃气辐射管换热器排烟温度高的问题,设计了三种改进换热器性能的结构,采用ANSYS FLUENT软件进行数值模拟,得到了不同结构换热器的性能参数,如烟气出口温度、空气预热温度、压力损失、各换热面换热量和有无折流板的热阻变化.结果表明,中心空气管由一根φ79 mm粗管改为六根φ33 mm细管后换热量增加了57.6%,增设烟气双行程后换热量提高20.7%.增设密封折流板和多孔折流板后换热量分别增加了5.7%和5.3%,空气和烟气之间的热阻都降低了20%左右.多孔折流板的烟气压力损失比密封折流板低47.4%.

金属锂还原罐内化学反应与传热耦合特性

为了分析真空热还原制取金属锂的还原效率和还原率,综合考虑罐内球团传热和化学反应,建立了传热与反应动力学耦合模型.利用该模型对单球团和还原罐内球团还原过程进行数值模拟,得到了球团温度及还原率的时间分布,并分析了罐外换热系数对球团还原过程的影响.结果表明:球团低导热率和反应等效热汇是影响还原过程的主要因素,罐中心区域和罐壁处的温度和反应速率存在较大差值;还原初期传热为还原过程的主要控制因素,而反应后期化学反应为主要控制因素;罐外换热系数对还原过程影响不大,增强罐内传热是提高还原效率的有效途径.