基于典型期刊文献计量分析的国内外化工领域研究特点及趋势——对《化工学报》、AIChE Journal、Chemical Engineering Science和Industrial & Engineering Chemistry Research发文分析

基于文献计量方法,利用Scifinder Web数据库,从年发文量、研究机构、索引词、被引文献和施引文献等不同角度对《化工学报》、AICh E Journal、Chemical Engineering Science(CES)和Industrial&Engineering Chemistry Research(IECR)4个国内外主流化工期刊近20年(1996—2015年)发表的49565篇文献,进行了较为全面的探讨,以期为我国化工学科"双一流"建设及同类期刊的发展提供借鉴和参考。中国机构在国际期刊上日益增多的发文量和上升的发文机构排名,显示了近年来国内化工科研强劲的发展势头和国际影响力。同时,国内各机构化工学科的学术研究日益活跃,高水平学术论文成果的产出仅仅集中于少数顶尖科研机构的现象有所变化。《化工学报》与三大主流期刊AICh E Journal、CES和IECR的发文重点及热点基本一致。近10年(2006—2015年),中国机构在"聚合物形态"、"离子液体"、"纳米颗粒"等方面对三大国际期刊发文有较大的贡献。

餐厨垃圾热解实验研究

利用热重分析仪及管式炉反应器研究了餐厨垃圾的热解行为。餐厨垃圾的热解过程包括两个阶段,结合微分法与积分法对两阶段进行了动力学计算,确定管式炉热解实验反应温度。对热解产物进行了分析,结果表明,气体产物主要是CO和CH4;固体产物焦的恒容低位发热量为20.33 MJ kg 1;液体产物焦油主要是醇和烃,占焦油总量的70.55%。通过分析不同热解温度焦的红外谱图、元素组成及热解过程的小分子气体释放规律,探究了餐厨垃圾的热解机理。290℃时,餐厨垃圾中肽键断裂,释放出大量CO2和CO;350℃时,脂类化合物已经完全分解或挥发;500℃时,焦中甲基及亚甲基峰消失,释放出大量烃类;未分解的物质主要是淀粉。最后考察了升温速率对热解产物分布的影响,发现提高升温速率,焦收率基本不变,焦油收率下降,气体产物收率增加。

干旱瘠薄地研究的热点与可视化分析

【目的】统计分析国内干旱瘠薄地研究的热点,为旱地农业的高效发展和科研人员及时掌握干旱瘠薄地的研究态势提供参考。【方法】参考文献计量学方法,分析1955—2023年CNKI数据库中收录的相关研究文献,对国内干旱瘠薄地研究的论文数量、出版刊物、研究内容和研究重点等进行统计,并用CiteSpace V可视化软件进行研究热点预测和分析。【结果】1955—2023年干旱瘠薄地论文数量整体呈波浪式上升,其相关研究逐渐成为研究热点。目前,国内发文机构主要集中在农业发展水平较高、学术力量雄厚的省份,如北京、江苏、四川、河南和陕西等地,其中,西北农林科技大学的发文量最多,达92篇,且相关论文主要发表在环境和农业类学术期刊。检索获得的2116篇论文和高水平822篇论文中发文量在4篇及以上的作者分别有34人和15人,共发表论文分别为226篇和95篇,分别占干旱瘠薄地相关论文总数的10.7%和11.6%,与普赖斯推论的指标(核心作者的论文数应占论文总数的50%)尚存在差距,没有稳定的核心作者群体,核心作者人数较少。高频关键词主要有干旱胁迫、土壤退化、抗旱性、小麦、花生和光合特性等,且不同阶段研究重点和热点不同。【结论】干旱瘠薄地不同时间段的研究重点和热点不同。加强国内外干旱瘠薄地研究领域高水平科研机构间的合作与交流是提高科研成果产出的有效途径之一,研究干旱瘠薄地作物对干旱胁迫生理及分子水平的响应机理,选育抗旱性强的作物品种,改良干旱瘠薄地的水肥供应,从而提高作物产量已成为当前干旱瘠薄地研究的重点和热点。

花生磷利用效率及土壤盈余磷分布对不同耕作措施的响应特征

在农业生态系统中,提高作物对磷的吸收和利用效率是促进作物生长和节约养分资源的关键。为探究不同耕作措施下花生磷吸收效率及土壤盈余磷分布,在胶东半岛的莱西望城、招远夏甸和招远齐山三个试验点开展免耕、浅耕、深耕和深松四种土壤耕作措施下花生生产试验。结果表明,与免耕相比,深耕和浅耕提高了花生产量、磷吸收和磷利用效率。相同磷肥用量下,随着单产每增加1 000 kg/hm^(2),磷吸收量、磷肥回收率、磷肥偏生产力、磷肥耕作效率分别提高4.30 kg/kg、0.09 kg/kg、20.40 kg/kg和0.20 kg/kg,花生产量的提高和磷的吸收呈显著正相关。不同团聚体大小有效磷含量与土壤微生物组成有关,在大于2 000μm团聚体中有效磷含量随丛枝菌根真菌和腐生真菌的增加而增加,在53~250μm团聚体中细菌所占比例与团聚体有效磷含量呈显著正相关,在250~2 000μm团聚体中放线菌微生物种群占比与有效磷含量呈极显著正相关。上述研究表明,深耕和浅耕是改善花生田植株生长和磷吸收的较优耕作方式。

Fe_2O_3/ATP载氧体制备及煤化学链燃烧性能研究

以天然凹凸棒(ATP)为载体,分别利用机械混合法、浸渍法和溶胶-凝胶法制备了3种铁基复合载氧体。利用X射线衍射(XRD)、能谱(EDS)、N2-吸附脱附等温线等对其进行物化表征,并在900℃流化床中考察其煤化学链燃烧反应性能。结果表明,ATP能显著增加载氧体比表面积和抗磨损能力,并对煤转化过程有催化作用,其与Fe2O3的协同作用使初始碳转化速率显著提高。溶胶-凝胶法制备的U-Fe4ATP6表面Ca元素含量为4.3%,比表面积为4.920 7 m2/g,均高于其他两种载氧体,表现出更高的催化性能和反应活性:初始碳转化速率为0.168 min-1,平均CO2浓度为98.6%,燃烧效率为98.7%。20次反应后,U-Fe4ATP6催化性能略有降低,对应的初始碳转化速率降至0.108 min-1,停留时间t95延长到18 min;且能维持较高的反应活性,对应的CO2捕集效率和燃烧效率分别稳定在98.6%和96.7%。

铁基复合载氧体煤化学链气化反应特性及机理

以水蒸气作为气化/流化介质,在流化床中研究了两种铁基复合载氧体的化学链气化反应特性及循环特性,并对气化过程中的反应机理、动力学方程进行了推断。结果表明:温度为920℃时,添加不同修饰物的铁基复合载氧体与煤焦气化的反应活性依次为Fe4Al6K1>Fe4Al6>Fe4Al6Ni1。在多次循环实验过程中,合成气成分保持稳定,表明Fe4Al6K1复合载氧体循环特性良好。XRD谱图分析表明,六次氧化还原实验后的铁基载氧体氧化态仍为Fe2O3。K+主要以铁酸钾形态存在,该结构有利于促进化学链气化反应。利用高斯函数对气化反应速率进行了峰拟合,拟合结果表明化学链气化主要分为3个阶段:化学链作用阶段、煤气化阶段以及Fe3O4向FeO转变的气化阶段。

废弃咖啡渣化学链气化反应特性

利用溶胶-凝胶法制备了以Fe_2O_3为活性组分,天然凹凸棒土(ATP)为惰性载体,KNO_3修饰的Fe4ATP6K1铁基复合载氧体。在高温流化床中考察了反应温度、水蒸气流量和O/C摩尔比对咖啡渣化学链气化过程的影响。结果表明,与以石英砂为床料的咖啡渣气化相比,以Fe4ATP6K1载氧体为床料的咖啡渣化学链气化对应的碳转化率由71.38%提高到86.25%。咖啡渣化学链气化的较优操作条件为:反应温度900℃、水蒸气量0.23 g·min^(-1)、O/C摩尔比1;在此操作条件下,合成气产量达到1.30 m^3·kg^(-1),氢气产量达到83.79 g·kg^(-1),氢气的平均浓度达到52.75%。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)对900℃反应前后的Fe4ATP6K1进行表征,发现Fe相、K相、Si相可以发生相互作用,K以KFe Si_3O_8的形式存在于载氧体中,并且K在反应过程中有少量流失。20次氧化/还原过程中,铁基复合载氧体Fe4ATP6K1表现出较好的循环性能,碳转化率和冷煤气效率均保持在75%以上,各气体的平均浓度较稳定。

Ca-Fe/bentonite载氧体煤化学链燃烧反应特性

以天然石膏粉、膨润土(bentonite)和Fe(NO3)3·9H2O为原料,通过机械混合造粒法制备了钙基复合载氧体。在小型流化床反应器中,水蒸气作为气化-流化介质,研究了温度、活性组分含量及循环次数对复合载氧体反应活性的影响,同时考察了不同煤种化学链燃烧反应特性。实验结果表明,CaSO4含量为60%,Fe2O3为活性助剂的CaSO4-Fe2O3/ben(Ca-Fe/ben)载氧体平均磨损速率为0.089%/h。反应温度为900℃时,碳转化率达到95%所需的时间为20.8min,CO2平均干基浓度为95.99%,表现高的反应活性。10次氧化/还原反应后,CO2平均干基浓度保持在80%,载氧体保持良好的循环反应活性。同时,实验发现高挥发分高灰分的煤种更适于煤的化学链燃烧,且CO2浓度均保持在90%以上。粒径分布曲线表明循环反应中载氧体表现强的抗磨损能力。

K_2CO_3修饰钙基载氧体的煤化学链气化反应特性

以膨润土(Bentonite)为载体,采用机械混合-浸渍法制备了Ca SO4-K2CO3/Bentonite(Ca KBen)复合载氧体。在流化床反应器中,以水蒸气作为气化、流化介质,考察复合载氧体Ca KBen与不同煤种的化学链气化反应特性,并对该载氧体的循环特性、作用机理及气化动力学方程进行了研究。结果表明:复合载氧体Ca KBen适用于不同煤种的化学链气化过程。900℃时,与纯煤气化相比,Ca KBen化学链气化的碳转化率提高17.88%,反应时间缩短10 min,复合载氧体Ca KBen表现出良好的反应活性和催化性能。十次循环实验过程中,冷煤气效率稳定在85%以上,表明复合载氧体Ca KBen具有良好的循环特性。XRD、SEM分析表明十次循环实验后,钙基载氧体的晶相结构稳定,主要以CaS O4形式存在,K+主要以K2CO3形式存在,载氧体表面变得疏松多孔,该结构有利于化学链气化反应的进行。活性位扩展模型很好地体现了复合载氧体Ca KBen与煤化学链气化的动力学规律,验证了气化过程中CaS O4与K2CO3具有协同作用。

四乙烯五胺修饰介孔硅胶吸附CO_2性能的研究

采用浸渍法将四乙烯五胺（TEPA）负载到介孔硅胶（SG）上,制备了一系列胺功能化的CO2吸附材料（TEPA-SG）。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）和N2吸脱附等分析方法对样品进行了表征,并在固定床反应器中考察了TEPA负载量、吸附温度对CO2吸附性能的影响,同时通过添加不同质量分数的聚乙二醇（PEG）考察了羟基对吸附性能及再生性能的促进作用。结果表明,当TEPA负载量为40%（质量分数）、吸附温度为70℃时,TEPA-SG的吸附量高达2.21 mmol/g;PEG的加入改变了氨基与CO2的相互作用机理,当TEPA与PEG的质量比为3∶1,总负载量为40%时,CO2的吸附量为2.70 mmol/g,且经过10次吸脱附循环实验后,CO2吸附量仍保持在2.66 mmol/g,表现出较好的循环稳定性。Clausius-Clapeyron方程计算得该过程的等量吸附热为30-40 k J/mol,且随吸附量的增大等量吸附热逐渐减小,表明TEPA30/PEG10-SG吸附剂表面存在能量不均匀性。

废弃活性炭化学链气化制富氢合成气

以废弃活性炭为原料,以Fe4ATP6复合载氧体为载氧体,在间歇高温流化床中考察了废弃活性炭化学链气化制富氢合成气反应的较优条件及复合载氧体的循环反应特性。结果表明,Fe4ATP6复合载氧体具有提供晶格氧及催化气化的双重作用,显著提高了碳转化率,促进了废弃活性炭气化过程,反应活性良好。废弃活性炭化学链气化制富氢合成气的优化反应条件:900℃、水蒸气流量为0.25 g·min^(-1)、OC/C比为1。在上述条件下,碳转化率达92.15%,合成气产量达1.20 L·g^(-1),其中H2产量为1.09 L·g^(-1),平均浓度为55.30%。10次循环实验表明Fe4ATP6复合载氧体的反应活性略有降低,通过SEM、XRD分析载氧体的表面形貌、物质组成发现,载氧体反应后结构变化较大,粒径减小,生成了无反应活性的硅酸铁。

小球藻热裂解油催化加氢精制研究

以Ni-Co-Pd/γ-Al2O3为催化剂,在固定床反应器中研究了小球藻热裂解油的催化加氢精制。在较低加氢压力(2×106 Pa)下考察了加氢温度和氢油比(体积比)对精制生物油的含水率、热值、运动黏度和十六烷值等参数的影响,并对加氢前后油品进行了元素分析和GC-MS分析。结果表明,在2×106 Pa压力下,氢油比为120∶1,温度为300℃时,精制油收率达89.6%,热值和十六烷值较加氢前分别增加了17.94%和71.2%,黏度下降66.32%。元素分析和GC-MS分析表明,精制生物油的H/C原子比由1.55提高至1.97,氧、氮、硫含量明显降低,脱氧率达到80.46%。精制油中的有机酸、酯、酮、醛的含量明显降低,烷烃和醇醚含量明显增加。

PEDOT/MWCNTs复合阳极的制备及在MFC中的应用

采用循环伏安法制备聚3,4-乙烯二氧噻吩/多壁碳纳米管(PEDOT/MWCNTs)导电复合物修饰石墨棒阳极,并应用于厌氧流化床微生物燃料电池(AFBMFC)中以考察其产电性能。采用场发射扫描电镜(FESEM)观察复合阳极的表面形貌及断面结构,并用循环伏安法(CV)和交流阻抗法(EIS)测试了碳纳米管加入前后修饰电极的电化学性能变化。结果表明,复合阳极在MFC中运行时,其最大输出功率密度达到217mW.m-2,比未加碳纳米管的PEDOT修饰电极提高30%;相应的开路电压为837.8mV,运行3d后污水COD去除率达到96.4%,说明在液固流化床对传质的强化作用下,复合阳极在AFBMFC中具有良好的产电性能和污水处理效果,其中碳纳米管的加入在一定程度上提高了复合阳极的导电性及改善了微生物的附着情况。

石墨烯/聚苯胺复合阳极的制备及在MFC中的应用

采用化学氧化还原法制备高纯度石墨烯(GR),利用电化学修饰法得到石墨烯/聚苯胺(GR/PANI)膜阳极,采用红外光谱(FI-IR)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)对所制备复合电极进行了表征,采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)考察了复合电极的电化学性能。将GR/PANI膜阳极应用于固定床微生物燃料电池(MFC),考察了电池的产电性能。均匀地附着在石墨烯表面,GR/PANI膜电极具有良好可逆性,其电阻小、导电性良好。GR/PANI膜阳极应用于MFC,最大功率密度和开路电压分别为230.2 mW·m-2和834.6 mV,比未修饰阳极的最大功率密度和开路电压分别提高了110.6%和34.8%,GR/PANI膜阳极的表观内阻也由未修饰阳极的843.2Ω降低为469.4Ω,且电池启动时间大大缩短,产电稳定性增强。结果表明,GR/PANI复合物是一种优良的电极材料,GR/PANI膜阳极MFC具有良好的产电性能。

煤化学链燃烧中CaSO_4/膨润土复合载氧体的反应特性

以工业级硫酸钙和膨润土为原料，通过机械混合法，制备了具有高强度的钙基载氧体。同时，在小型高温流化床上，以水蒸气为气化剂，考察了不同温度下载氧体与煤的反应活性和循环反应性。实验结果表明， CaSO4/膨润土载氧体具有高的机械强度。在820～900℃，载氧体与煤反应性随温度升高而增强。反应温度为900℃时，气体产物中CO2平均浓度为89.52%，基本不存在CO和CH4。随着还原/氧化循环数增加，载氧体表现良好的反应性，7次循环反应后，碳转化率在70%以上，CO2的平均体积含量保持在80%左右。X射线衍射分析表明，载氧体的还原产物为CaS，未生成CaO副产物。

CaO表面更新对微拟球藻催化热解制备生物油的影响

分别以水合化法和热缺陷法对CaO进行表面更新，用N2物理吸附（BET）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和CO2吸附技术对表面更新后的CaO进行了结构表征，并利用制备的CaO在管式炉内对微拟球藻进行了催化热解研究。结果表明：两种更新方法均能明显提高CaO的比表面积、介孔数目及孔体积。CaO的表面更新处理没有改变基本的晶相结构，仍为立方晶型。两种更新方法均能显著提高CaO的催化活性，且改善了产物油品的性能。相比较而言，水合CaO的催化脱氧性能较高，催化热解得到的生物油产率为28.65%、含氧量为4.67%、热值高达38.600 kJ·g^-1、运动黏度低（8.011 mm2·s^-1）、含水率低（2.49%），且催化热解后的生物油以C12～C17饱和直链烷烃为主，适合进一步精制为生物柴油。

小球藻热解油在Ni-Cu/ZrO_2催化剂上的加氢脱氧

在小型固定床反应器中以Ni-Cu/ZrO2为催化剂,对小球藻热解油进行催化加氢脱氧,以改善生物油性能。利用XRD、H2-TPR、TG、NH3-TPD等技术对催化剂进行了结构表征。结果表明,Cu的加入有效促进了Ni-Cu/ZrO2催化剂活性相的表面分散,提高了该催化剂对小球藻热解油加氢脱氧反应的催化活性。在2 MPa、350℃反应条件下,随Cu/Ni的增大,Ni-Cu/ZrO2的催化活性先升高后降低,Cu/Ni质量比为0.40时的催化性能最好,连续运行3 h后所得精制生物油脱氧率达82.0%。Ni-Cu/ZrO2催化剂在反应过程中,表面结焦少,活性粒子及催化剂性能稳定,连续运行24 h后所得精制生物油脱氧率依然维持在77.0%以上。小球藻热解油经催化加氢脱氧所得的精制生物油,低位热值由31.5 MJ·kg-1提高至35.0 MJ·kg-1,40℃运动黏度由20.5 mm2·s-1降至9.5 mm2·s-1,且油品中水分更易于脱除。精制生物油中高级脂肪酸的含量减少,油品稳定性大幅提高。

碱脱硅改性的HZSM-5分子筛催化裂解小球藻的研究

用NaOH水溶液对HZSM-5分子筛进行脱硅改性。通过XRD、N_2物理吸附、NH_3-TPD对脱硅前后的HZSM-5分子筛进行表征,并研究脱硅改性前后分子筛对小球藻催化裂解的影响规律。结果表明:在适宜的温度和相同的碱处理时间下,改变NaOH水溶液的浓度,能调节分子筛晶体中产生的介孔比例并改变分子筛酸性能;以0.3 mol/L NaOH溶液在80℃下处理2 h改性制备的HZSM-5分子筛催化剂,其表面酸量增加、酸强度降低,有利于反应;小球藻催化热解产物中的氧大部分以CO和CO_2的形式脱除,可有效降低生物油的含氧量;裂解液体产率和生物油热值分别为46.83%、32.851 MJ/kg,生物油中烃类物质总量达到40.34%(质量分数),羰基化合物和醇类物质明显减少。

CO2气氛下褐煤还原磷石膏的TG-FTIR研究

为了实现磷石膏的资源化利用,采用热重-傅里叶红外光谱联用技术(TG-FTIR),在CO_2气氛下对曲靖褐煤还原磷石膏的反应特性进行了研究。通过热重-红外联用技术分别对固体产物和气体产物的生成规律进行分析。结果表明,CO_2气氛下褐煤的加入可以明显降低磷石膏的还原分解温度,褐煤还原磷石膏主要经过三个过程:水分析出过程、褐煤热解过程、褐煤和CO与磷石膏的还原过程,且第三个过程的反应产物随Ca/C摩尔比的不同而变化。当Ca/C=0.5时,主要固体产物为CaS,气体中SO_2的释放较少;当Ca/C=2时,褐煤与磷石膏反应生成CaS,此后生成的CaS又可与磷石膏发生固-固反应生成CaO,气体中SO_2释放量较高,为分解磷石膏制硫酸联产水泥提供一定的可能。

CaSO4-CuO-Ben载氧体煤化学链燃烧反应特性

以工业CaSO_4、Cu(NO_3)_2及膨润土(Ben)为原料,机械混合法制备CaSO_4-CuO-Ben载氧体;在高温流化床上以水蒸气为气化介质,考察CuO和温度对其煤化学链燃烧反应特性的影响及载氧体的循环反应性能。结果表明:CuO的添加有效增强载氧体的反应活性,提高煤的燃烧效率;850℃、m(CaSO_4)∶m(CuO)为10∶1.5(CaCu1.5)时复合载氧体的反应活性更高,碳转化率达到91.27%,CO_2体积分数达到89.34%;10次还原-氧化实验表明,CaCu1.5载氧体能够保持良好的循环反应活性。