过程工程学报

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过程工程学报. 2021, 21(4): 0.

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典型过程强化技术在纳米材料制备中的应用进展

宋春雨聂普选马守涛任国瑜

过程工程学报. 2021, 21(4): 373-382. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220108

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纳米材料被誉为21世纪的新材料，广泛应用于化工、电子、国防、陶瓷等领域。传统的纳米材料制备方法面临粒径控制较困难、批次间重复性差，存在放大效应等不足。过程强化技术是化学工程学科的研究前沿和热点方向之一，旨在通过在生产过程中采用新工艺、新设备等手段，实现缩减操作单元、减小设备体积、提高生产能力及能量利用效率的目的，是实现化工过程安全、高效、绿色的重要途径。过程强化技术不仅在制备时间和能源利用效率等方面明显优于常规方法，还可以得到特殊形态和性能的纳米材料。过去二十年中，过程强化技术广泛应用于纳米材料的小试和规模化制备，并取得了良好的经济及社会效益，引起越来越多科学研究者的重视。本工作以超重力、微化工、微波、超声、等离子体技术、离子液体为代表，综述了过程强化技术在纳米材料制备领域中的应用及相关研究的最新进展，结合实例对不同领域进行了概述，分析总结了各领域的优势和特点，讨论了在快速发展的纳米材料制备领域中存在的机遇和挑战，并展望了其未来的应用前景。

基于全球专利信息的离子液体领域发展态势分析

郑征何宏艳

过程工程学报. 2021, 21(4): 383-393. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.221009

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当前世界各国对环境保护和绿色发展的重视程度日益提升，离子液体因其优良的理化性能和可设计性，在能源、材料以及环境等众多领域展现出广阔的应用前景。基于全球专利信息，对离子液体领域三类热点应用，包括CO2捕集及利用、电化学储能和生物质转化利用的全球专利申请趋势、申请地域、重要专利权人、重点技术等情况进行国内外的比较研究。研究结果表明，离子液体技术分类布局广泛，尤其是催化分离的相关专利充足。中国在离子液体领域的专利申请量多，但专利权人以高校或科研机构为主，专利转化应用和保护力度不足。因此建议中国离子液体领域加强科研机构与新型能源/环保科技公司合作，向动力电池、碳捕集、生物基材料、废水处理、空气净化等方面开展转化和深度应用。

氧化沟内曝气器布置方式对曝气性能的影响规律

许晓飞魏文泽董鑫刘凤霞魏炜刘志军

过程工程学报. 2021, 21(4): 394-400. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220123

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研究中试微孔曝气氧化沟内清水和活性污泥混合液中溶解氧的传递特性，考察了曝气器布置方式(交叉式、并排式和集中式)对清水和污泥混合液中氧传质效率的影响。结果表明，清水和活性污泥混合液中，交叉式曝气器布置方式下的氧传质效率最高，且交叉式>并排式>集中式。在活性污泥混合液中，DO浓度在1.3~1.7 mg/L之间时，三种曝气方式下脱氮消耗的氧气量基本相同，曝气器布置方式对COD的耗氧量变化的影响较大；活性污泥混合液中的氧传质效率OTE相对较低，活性污泥混合液中的OTE相比于清水中的SOTE受曝气器布置方式的影响偏小。活性污泥混合液和清水中传质速率比值Z在集中曝气方式下最大，在交叉曝气方式下最小。

多组扭曲片排布方式对乙烯裂解炉管内产物收率的影响

何星晨王娟张佳万加亿王江云毛羽

过程工程学报. 2021, 21(4): 401-409. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220082

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针对乙烯裂解炉炉管内置入不同组数扭曲片对裂解产物收率的影响进行数值模拟，选用石脑油为裂解原料，得到不同管型的温度分布、乙烯等产物质量分数的分布情况。结果表明，扭曲片可有效降低管壁与核心流体间的温度梯度，且出口段置入3组扭曲片的炉管换热效果最佳；炉管中乙烯与丁二烯的产率沿轴向距离线性增加，丙烯产率在反应后期的出口段下降；入口段置入2组、出口段置入3组扭曲片的L2R3型炉管具有较高的三烯收率，是光管的1.29倍。

废钢对转炉熔池流体流动影响研究

周小宾彭世恒刘勇王多刚

过程工程学报. 2021, 21(4): 410-419. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220131

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通过物理模拟和数值模拟，研究某钢厂250吨转炉中废钢集中分布时熔池特征，以及废钢对转炉熔池流体流动的影响。结果表明，底吹流量为40 L/min时，加入10, 20, 40, 60 t废钢的熔池混匀时间相比无废钢时分别上升21.16%, 63.70%, 87.02%和217.03%。底吹气量较小时(<40 L/min)，熔池混匀时间随底吹流量增大而减小，过高的底吹流量对熔池搅拌的贡献降低，反而可能造成熔池混匀时间增加，表明过量的底吹流量将会对熔池混匀产生不利的影响。随着废钢量增加，底吹形成的气液两相区开始向炉壁处偏移。当底吹气量50 L/min时，气液两相区最大速度由0.24 m/s增至0.40 m/s。随着废钢量增加，熔池低速区体积比逐步减小，当加入40 t废钢时，低速区体积比减小89.46%。熔池中随底吹气量增大，熔池获得动能增加，但气体能量利用率降低。熔池中废钢量为60 t，底吹气量增至25, 40和50 L/min时，底吹气体能量利用率比15 L/min时分别下降2.98%, 6.27%和8.68%。当熔池中加入废钢时，随废钢量增加，气体能量利用率上升。底吹气量25 L/min，熔池中废钢加入量为10和60 t，气体能量利用率分别增加2.48%和41.41%。废钢量较大时，底吹气体利用率出现较大幅度上升。

气-固微型流化床压降特性及最小流化速度的实验研究

史亚琪李彦君杜玉朋任万忠

过程工程学报. 2021, 21(4): 420-430. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220332

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在内径3~20 mm的4个气?固微型流化床中，分别考察了A类和B类两种类型颗粒的流化特性，同时研究了床几何结构、操作条件、物相性质等各因素对其最小流化速度的影响。结果表明，气?固微型流化床中的床层压降特性与颗粒类型密切相关，不同的流动状态下两种类型颗粒的流动特性存在显著地差异。在固定床阶段，与B类颗粒相比，A类颗粒与壁面间的相互作用更强，导致实验压降值偏离计算值更大；在流化床阶段，较大颗粒粒径和密度的B类颗粒在床层内表现出了更高的气泡聚并和破裂程度，加剧了颗粒间的碰撞，增加了能量损失，从而形成了较高的实验压降。气?固微型流化床的最小流化速度除了与操作条件和物相性质有关外，床内径与静态床层高度对其也会产生显著影响。随着床径减小及静态床高增加，最小流化速度逐渐增加。综合考察各影响的因素，提出了适用于实验考察范围内预测微型流化床最小流化速度的经验关联式。

水对离子液体微观结构和传输性能的影响

郭艳东张晓春游琳琳

过程工程学报. 2021, 21(4): 431-439. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220117

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离子液体以独特的结构性质和优异的物化性能而显示出日益广阔的应用前景，但实际应用中，不可避免的混入一些水，水的存在会对离子液体结构和性质产生显著影响。本工作采用分子动力学模拟方法系统研究了不同含量的水对三种离子液体([Bmim][B(CN)4], [Bmim][PF6]和[Bmim][Tf2N])微观结构、传输性能和相互作用的影响规律。通过氢键数目的分析可发现，随水含量增加，阴离子与水之间的氢键数目显著增加，而阴离子与阳离子之间氢键数目显著下降；阴离子与水之间的氢键数目大于阳离子与水之间的氢键数目。进一步计算了自扩散系数，发现随水浓度的升高，离子液体的自扩散系数逐渐增大，且水溶性较高的离子液体扩散系数显著增加。径向分布函数和配位数的计算结果表明，阴离子与水的相互作用强于阳离子与水的作用，但水的存在对阴离子与阳离子之间结构几乎没有影响。空间分布函数的结果表明，阴离子和水分子在阳离子咪唑环上H5和H4位置的分布区域存在竞争，减弱了阴离子与阳离子之间的相互作用。本研究有助于进一步理解离子液体与水体系的微观作用机理和推进离子液体的应用。

铝与硅铁混合物还原煅烧白云石中氧化镁

王耀宁马红周王致娴王丁丁王碧侠

过程工程学报. 2021, 21(4): 440-445. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220138

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皮江法炼镁是金属镁生产的主流工艺，该工艺的还原温度较高，导致镁还原过程能耗高，改进还原剂是降低原镁生产能耗的途径之一。本研究以铝和硅铁的混合物作为还原剂进行了煅烧白云石中氧化镁还原的理论和实验研究，探讨了铝配入量、还原时间、还原温度对镁还原率的影响，并对铝与硅铁共同还原氧化镁过程及铝与硅铁在不同温度时的物相转变进行了研究。研究结果表明，铝的加入可以使硅热法还原氧化镁的起始反应温度降低至700℃以下，并且在低温阶段对提高氧化镁的还原率效果明显，铝还原氧化镁的过程包括两方面，一方面是直接参与还原氧化镁而转变为MgO?Al2O3，随温度升高，MgO?Al2O3进一步被铝还原；另一方面铝与硅铁形成Al3FeSi2相，降低了硅参与氧化镁还原反应的温度。硅还原氧化镁的过程为：温度在700~950℃之间时，硅以Al3FeSi2的形式参与氧化镁还原，在1200℃时，以Si和FeSi2的形式进行氧化镁还原。在实验条件下，铝参与硅铁还原镁时，随着铝配入量的增加，氧化镁的还原率在逐渐升高，铝粉添加量为12%、1000℃时，氧化镁的还原率可达到90%以上。铝参与氧化镁的还原可提高镁的还原速率。

表面能对冰晶形貌的影响

吴琴琴陈拥军董祥雷邢辉韩永生

过程工程学报. 2021, 21(4): 446-453. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220110

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本工作从介科学概念出发，提出了表面能对冰晶生长形貌调控的科学假设。通过在水中添加不同添加剂(蔗糖、氯化钠、表面活性剂SDS)，改变水溶液的表面张力，利用激光共聚焦显微镜原位实验装置开展了冰晶生长动力学研究。结果表明，在相同过冷度条件下，随溶液表面张力降低，冰晶形貌由具有对称性的枝状变为无序的海藻晶，这种变化在不同溶液中得到验证。研究发现，溶液表面张力较低，导致冰在溶液中生长阻力增大，冰晶生长速度降低。在较高的生长速率条件下，冰晶生长表面失稳，晶面各向异性生长，生成有序枝晶结构；在较低的生长速率条件下，生长表面被添加物分子覆盖，晶面各向异性消失，生成无序枝晶结构。以上结果验证了过冷度和表面能对材料结构生长过程的调控作用，为材料介科学的发展提供了实验依据。

基于纤维素纳米晶稳定的亚微米Pickering乳液制备

屈艳玲吴颉马光辉

过程工程学报. 2021, 21(4): 454-462. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220141

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与传统表面活性剂稳定的乳液相比，固体纳米颗粒稳定的Pickering乳液具有较强的界面稳定性、多功能性、低毒性等优势，在生物医药领域具有较大的应用潜力。而相较于尺寸较大的微米级Pickering乳液，亚微米Pickering乳液具有更大的比表面积、更有效的递送效率，有望进一步拓展Pickering乳液在生物医药领域的应用。但由于Pickering乳液的制备影响因素众多，且相互制约，刚性的固体颗粒难以在较小的有限油水界面排布，增加了亚微米Pickering乳液的制备难度。本工作以制备稳定的亚微米Pickering乳液为研究目标，采用具有良好生物相容性的天然多糖–纤维素纳米晶(CNCs)为颗粒乳化剂，角鲨烯作为油相，考察了颗粒浓度、油水比例、水相成分、超声时间及频率对Pickering乳液粒径分布及稳定性的影响，最终得到了具有良好的储存稳定性和抗离心稳定性的粒径为638.7?8.40 nm的亚微米Pickering乳液(CNCs-PE)。通过激光共聚焦显微镜证实了CNCs吸附在油水界面，形成了Pickering乳液结构。利用CCK-8法评价了CNCs和CNCs-PE的细胞毒性，结果表明，两者都具有良好的细胞安全性。此外，将其用于吸附模型抗原OVA，吸附率达到约80%，且肌肉注射部位的切片结果也表明其注射安全性良好。此结果为亚微米Pickering乳液进一步研究提供了参考，并有望拓展CNCs稳定的亚微米Pickering乳液在生物医药领域的应用。

两亲性脂肽纳米混悬液冻干粉的制备及其表征

张梦秋靳惠娟巩方玲张佑红韦祎何玉先马光辉

过程工程学报. 2021, 21(4): 463-470. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220144

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为解决抗艾滋药物两亲性脂肽LP-98溶解度低的问题，采用高压均质技术制备LP-98纳米混悬液冻干粉，并对其进行理化性质表征及药代动力学研究。最优制备工艺为：稳定剂为SDS，浓度为0.80wt%，高压均质压力为150 MPa，高压均质次数为5次。制备得到的LP-98纳米混悬液冻干粉复溶后平均粒径为261.5?1.1 nm，Zeta电位为?31.5?0.2 mV。圆二色光谱仪与单周期病毒感染实验结果显示LP-98的结构与生物活性均未改变。药代动力学结果表明，LP-98纳米混悬液冻干粉生物利用度为原料药的98.1%。LP-98在水中溶解度由184 μg/mL提升至1733 μg/mL，与原料药相比提高了8倍，解决了注射时药物难混悬的问题。

青霉素菌丝中蛋白质酶法水解工艺

张展敖刘庆芬

过程工程学报. 2021, 21(4): 471-478. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220122

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采用碱热法溶解青霉素菌丝，研究酶法催化水解菌丝溶解液中蛋白质转化为氨基酸的过程。考察酶种类、溶解液pH值、酶与蛋白质质量比、反应温度和时间等因素对蛋白质水解度的影响，建立最佳水解工艺。结果表明，酶种类、酶与蛋白质之比、pH、温度和时间均对蛋白质水解过程产生影响。以单酶为催化剂，碱性蛋白酶催化水解效果最好，蛋白质水解度达31.43%。以碱性蛋白酶(A)和菠萝蛋白酶(B)组成的复合酶(A:B=2:1)催化水解效果更好，在复合酶与蛋白质的质量比9%、pH=10、反应温度50℃、反应时间3 h条件下，蛋白质水解度达到42.73%，比单酶法提高了11.30个百分点。在最佳复合酶水解工艺下，酶解液中含16种氨基酸，主要有谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、亮氨酸和丙氨酸等氨基酸。本工作为抗生素菌丝作为发酵培养基循环利用提供了一条新途径。

基于离子凝胶电解质的TiO₂(B)@C/CNT//AC准固态锂离子电容器

李伯森张家赫杨立鹏李佳佳邢春贤张海涛

过程工程学报. 2021, 21(4): 479-487. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220150

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以微波辅助溶剂热法制备多壁碳纳米管负载的碳包覆单斜相二氧化钛纳米复合电极，通过静电纺丝技术制备聚酰亚胺纤维膜，进而制备三元离子凝胶电解质，最后与商业活性炭组装成新型准固态锂离子电容器。结果表明，TiO2(B)@C/CNT纳米复合电极呈现出高可逆容量(291 mAh/g)和高电化学反应动力学特性。PI/[EMIM][BF4]/LiTFSI离子凝胶电解质呈现出高离子电导率和电化学稳定性，其可将锂离子电容器的工作电压拓展至3.8 V。由于电解质中存在离子液体，器件的电化学性能呈现出明显的温度依赖性。准固态锂离子电容器在60℃时最大能量密度和最大功率密度分别为83.1 Wh/kg和18338.1 W/kg。

Mextral V10–Mextral 973H体系脱除酸性矿山废水中重金属的研究

李晓晖艾仙斌吴永明孙小艳

过程工程学报. 2021, 21(4): 488-494. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219338

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矿山选、冶废水成分复杂、水量大，目前所用方法对重金属的脱除效果不理想、成本高，为解决矿山废水重金属污染问题，开发适用于酸度较高、重金属浓度较低、对钙、镁离子有抑萃作用的协同萃取法脱除并回收废水中的重金属。通过绘制萃取等温线、FT-IR及紫外吸收光谱对Mextral V10–Mextral 973H协同萃取体系进行分析，研究了萃取剂浓度、有机相和水相体积比(简称相比，O/A)和Mextral V10皂化率对废水中重金属分离影响。结果表明，Mextral V10–Mextral 973H协同萃取体系能有效脱除酸性废水中Cu2+, Pb2+, Cd2+和Zn2+。在10vol% (Mextral V10+Mextral 973H)+90vol% Mextral DT100，Mextral V10:Mextral 973H=1:1的最佳实验条件下连续萃取六次，萃后废水中Cu2+, Cd2+, Zn2+, Pb2+, Mg2+和Ca2+的萃取率分别为99.1%±0.1%, 99.9%±0.02% 99.5%±0.05%, 97.6%±0.03%, 10.11%±0.1%和18.3%±0.05%，废水中残留Cu2+, Zn2+, Cd2+和Pb2+浓度分别为1.720±0.10, 0.256±0.03, 0.054±0.01和0.929±0.01 mg/L，低于GB8978-1996中第一类污染物最高允许排放标准值。

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