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。

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.

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。

化学链低碳烷烃氧化脱氢技术进展

低碳烯烃生产能力是化工行业技术水平的重要标志。随着低碳烯烃市场需求的增加,新型高效的低碳烯烃生产工艺得到了广泛关注。化学链低碳烷烃氧化脱氢技术,通过载氧体中的晶格氧与反应物分子发生反应,实现烷烃分子向烯烃分子的选择性转化,可以提高烯烃产率,有效降低过程能耗和CO_(2)排放。本文针对化学链低碳烷烃氧化脱氢技术,深入分析了载氧体材料的筛选和理论设计、表面活性位和体相氧传输的调控机制、循环稳定性、载氧体的制备、化学链烷烃脱氢反应器和工艺设计优化等方向的研究现状和进展,并系统总结了未来化学链低碳烷烃脱氢技术及相关领域的发展趋势,为化学链烷烃脱氢领域的技术进步提供参考和借鉴。

构建Cu台阶位促进电催化CO_(2)还原制醇类化学品的研究

电催化CO_(2)制备高附加值的化学品是解决当前碳排放问题的可行技术路线之一.其中,合成醇类化合物因具有广泛用途和高价值而备受关注.在电催化CO_(2)还原合成多碳醇反应中,关键中间体*CH_(2)CHO容易发生热力学有利的脱氧反应而生成C2H4,降低了醇类产物的选择性.由于电催化CO_(2)还原是一个表面结构敏感的反应,因此可以通过设计Cu基催化剂的特定表面结构,实现对反应路径的有效调节,从而提升醇类产物的选择性.本课题组前期通过密度泛函理论(DFT)计算和主成分分析法等对Cu基催化剂的构效关系进行解析,说明配位不饱和的台阶位点有望高效地促进醇类产物的生成.本文进一步从实验角度,证明了配位不饱和的台阶位点是生成醇类产物的活性位点.本文采用CO分子作为还原剂制备了CuO衍生的金属Cu催化剂(COD-Cu),利用CO分子对Cu表面的重构作用,获得了具有丰富台阶位点的Cu催化剂.而通过H_(2)还原制备的金属Cu催化剂(HOD-Cu)对照样表面则多为平面位点.X射线衍射和原位拉曼光谱结果表明,CuO前驱体经过CO或H_(2)还原后被完全还原为金属态,并且在电化学还原条件下依旧呈现金属态,排除了催化剂价态对反应的影响.扫描电镜结果表明,两种催化剂的形貌没有明显区别,排除了催化剂形貌对反应的影响.高分辨透射电镜结果表明,COD-Cu表面因为CO的重构作用,产生相较于HOD-Cu更多的台阶位点,这与CO原位红外光谱结果一致(COD-Cu催化剂在2080 cm~(–1)波数处具有明显的台阶位点CO吸附峰).电化学CO_(2)还原活性测试结果表明,COD-Cu表现出更高的醇类产物选择性,相较于HOD-Cu,法拉第效率与部分电流密度均提升了5倍以上,醇类产物的法拉第效率达到40.5%,部分电流密度达到56.3 mAcm~(-2),产物中醇/烯烃比值为2.2.这表明台阶位点对调控反应路径促进醇类生成具有重要作用.结合原位衰减全反射表面增强傅里叶变换红外吸收光谱的阶跃电位和Ar气吹扫实验结果表明,COD-Cu因具有更多的台阶位点而表现出更高的催化CO_(2)到*CO反应活性,并有效促进后续的C–C偶联反应.通过热退火实验制备了具有不同台阶位点含量的COD-Cu催化剂,其台阶位点的含量与醇类产物的选择性保持良好的线性关系,进一步验证了台阶位点是促进醇类产物生成活性位点的结论.DFT结果也表明,台阶位点可以有效的提升关键中间体*CH_(2)CHO中C–O键强度,从而抑制C–O键断裂,促进醇类产物的生成.综上,本文提出了一种通过催化剂活性位点设计调控电催化CO_(2)还原反应路径的有效策略,为解析催化剂构效关系、明确活性位点提供参考.得益于催化科学的快速发展,具有高活性的CO_(2)还原电催化剂不断涌现,未来可在发展活性位点精细化调控方法、开发新型原位瞬态表征技术、创新催化剂失活机制原位研究方法等方面做出更多的努力.

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。

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。

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。

CaO机械化学法去除土壤中DDTs的工艺参数优化

为了探究应用机械化学技术处理高浓度DDTs污染土壤的最优工艺,以CaO为球磨药剂,采用行星式球磨机对高浓度DDTs污染土壤进行球磨无害化处理研究,分析不同尺寸磨球配比、球磨机转速、球料比(磨球与物料的质量比)和物料比(CaO与土壤的质量比)对DDTs的去除效果,并通过响应面法优化工艺参数.结果表明:单独使用大球(直径20 mm)球磨4 h后,土壤中DDTs残余量为4 mg/kg;而单独使用其他更小尺寸(10和8 mm)的磨球或不同尺寸磨球组合处理下的DDTs残余量均超过80 mg/kg,与单独使用大球处理的效果有显著差异.单因素试验结果显示,去除土壤DDTs的最佳参数为转速500 r/min、球料比35∶1、物料比5∶10,在该工艺条件下球磨3 h后土壤中DDTs残余量为44 mg/kg,去除率可达99.6%.依据三因素三水平的BoxBehnken试验建立的响应面模型可较好地反映土壤中DDTs残余量与转速、球料比和物料比之间的关系,各因素对土壤中DDTs残余量的影响大小表现为球料比>转速>物料比;通过优化计算得到使DDTs残余量达到最低时的工艺参数为转速500 r/min、球料比24∶1、物料比5∶10,在该工艺条件下球磨3 h后土壤中DDTs残余量为369 mg/kg,可见响应面法优化并未能够筛选出最优的球料比.因此,CaO机械化学法无害化处理高浓度DDTs污染土壤的最优工艺参数为各单因素试验确定的工艺条件组合,即球磨转速500 r/min、球料比35∶1、物料比5∶10.

高浓度DDTs污染土壤机械化学球磨试剂筛选

为了筛选DDTs(包括DDT及其衍生物——DDE、DDD)高污染土壤无害化处理的机械化学球磨试剂,以某退役DDT生产场地高污染土壤为研究对象,将不添加任何球磨试剂处理作为对照,分析添加不同球磨主剂(Ca O、Ca O2和Fe粉)、球磨助剂(Si O2、Al2O3)组合以及双金属(Fe-Ni、Fe-Zn)试剂对土壤中DDTs的去除效果.结果表明:1对照处理下土壤w(DDTs)随球磨时间的延长而不断降低,8 h后降至404.0 mg/kg,仍远超过GB 5085.6—2007《危险废物鉴别标准毒性物质含量鉴别》标准限值〔w(DDTs)为50 mg/kg〕;单一添加Ca O2处理球磨8 h后,土壤及球磨剂混合物中w(DDTs)仍为118.0 mg/kg;而单一添加Ca O和Fe粉处理分别于球磨4和6 h后,土壤及球磨剂混合物中w(DDTs)低于GB 5085.6—2007标准,因此,Ca O和Fe粉是较好的DDTs机械化学球磨主剂.2与单一添加Ca O处理相比,在Ca O中加入球磨助剂Si O2或Al2O3球磨4 h后,土壤及球磨剂混合物中w(DDTs)由28.55 mg/kg分别显著降至18.70或17.57 mg/kg,DDTs去除率由99.16%升至99.45%或99.48%.与单一添加Fe粉处理相比,在Fe粉中加入Si O2或Al2O3球磨4 h后,土壤及球磨剂混合物中w(DDTs)由193.0 mg/kg分别显著降至54.25或69.98 mg/kg,虽然仍略超过GB 5085.6—2007标准限值,但却显示出Si O2或Al2O3对机械化学去除土壤DDTs具有显著的促进作用.3Fe-Ni和Fe-Zn双金属球磨处理4 h后,土壤及球磨剂混合物中w(DDTs)分别为27.00和4.00 mg/kg,DDTs去除率分别达到99.21%和99.88%.因此,Fe-Zn双金属作为去除土壤DDTs的机械化学球磨试剂,具有潜在的应用前景.

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。

化学品绿色制造核心技术--合成生物学

合成生物学即生物学的工程化,因其打破了非生命化学物质和生命物质之间的界线,推动了生命科学由理解生命到创造生命的革新,因此对科学发展和技术创新起到了颠覆性作用,引发了化学品绿色制造的巨大变革。合成生物学作为化学品绿色制造的核心技术,主要从原料到菌种再到过程进行全链条设计和优化。本文首先从原料多样化、产品的合成与底盘细胞的选择这三个方面,综述了化学品绿色制造过程中合成生物学所起到的关键核心作用。在此基础上系统阐述了人工体系的设计与构建,并对今后如何通过发展合成生物学来促进化学品绿色制造,从'原料、底盘细胞、反应过程'这三个方面提出了相应的展望。

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%。

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。

CeO_(2)载体在CO_(2)加氢制甲醇中的应用和研究进展

随着经济的快速发展,CO_(2)排放导致的温室效应日益严峻,通过与绿氢反应将其转化为甲醇等有价值的化工产品是减少CO_(2)排放、缓解全球气候变暖的有效途径。近年来,CeO_(2)负载金属催化剂在CO_(2)加氢制甲醇反应中得到了广泛关注。本文主要综述了CeO_(2)表面氧空位和碱性位点、Ce3+/Ce4+可逆氧化还原能力、几何形貌等特性在CO_(2)/H_(2)吸附活化和甲醇形成过程中所起到的重要作用,比较了CeO_(2)与ZrO_(2)、ZnO以及复合金属氧化物等载体在反应中的差异,提出了CeO_(2)载体催化剂在确认活性关键中间体、兼顾CO_(2)转化率和甲醇选择性、提高催化活性与稳定性等方面的不足和挑战,以期为新型CO_(2)加氢制甲醇催化剂的设计提供有益参考。

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。

CO_2化学转化研究进展概述

CO_2的化学转化以获得具有经济价值的能源或化学品为目标,可实现CO_2的资源化循环利用,是解决中国碳排放问题的理想方式之一。但由于CO_2极其稳定且转化路径复杂,导致其转化率低且产物选择性不佳。开键还原和不变价化合是CO_2化学转化的两条基本路径。在开键还原方面,CO_2加氢还原已有工业示范装置报道,但单程转化率较低且选择性不足;而CO_2光电还原目前尚处于实验室研发阶段。在化合转化方面,可将CO_2转化合成为碳酸酯/聚碳酸酯,或通过矿化过程实现CO_2的转化与利用,但反应系统的转化效率以及转化过程的经济性仍有待提高。在此背景下,科技部2016年启动了"基于CO_2高效转化利用的关键基础科学问题"国家重点研发计划项目。在未来的研究工作中,将阐明CO_2光电还原和加氢还原的微观动力学机制与能量传递路径,建立更加可控的催化剂制备方法,实现CO_2还原新途径与新技术的突破;研究CO_2与离子液体相互作用机制、催化转化过程及介质强化反应-传递耦合规律;揭示非碱性矿活化CO_2过程的相变规律和矿化反应原理,为CO_2转化与利用的大范围推广奠定基础。

化学链重整直接制氢技术进展

化学链重整直接制氢技术使用固态金属氧化物作为氧载体代替传统重整过程中所需的水蒸气或纯氧,将燃料直接转化为高纯度的合成气或者二氧化碳和水,被还原的金属氧化物则可以与水蒸气再生并直接产生氢气,实现了氢气的近零能耗原位分离,是一种绿色高效的新型制氢过程。根据产物和供热方式的不同,可以将化学链重整直接制氢工艺分为双床系统和三床系统两类,并对各系统中氧载体与反应器的设计与选择进行了分析。通过Elingham图对不同氧载体的氧化还原能力进行比较,选取适于直接制氢的金属氧化物,并讨论了氧载体材料研发的最新进展。化学链制氢反应器设计应根据不同原料和产品的特点,选择合适的气-固接触方式,以强化化学链重整直接制氢效率。