过程工程学报

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过程工程学报. 2023, 23(8): 0.

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钠离子电池电解液添加剂研究进展

郭玉玥翟笑影张宁博

过程工程学报. 2023, 23(8): 1089-1101. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223104

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随着能源革命的高涨，二次电池作为新型储能方式受到人们的广泛关注。钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，且在资源储备、成本低廉、低温、倍率及安全性能方面具有极大优势。钠离子电池体系中，电解液作为衔接正负极材料体系的中间桥梁，发挥着至关重要的作用，而添加少量的功能性分子可以使电池整体性能实现显著提升。本工作围绕电解液添加剂进行介绍，综述了近年来不饱和碳酸酯、含硫化合物、含磷化合物、含硅化合物、无机钠盐及其他类型组分在钠离子电池电解液中的研究进展和相关机理。最后从科学理念和实际应用的角度出发，对电解液添加剂的未来研究进行展望。

锂离子电池热管理技术研究进展

李嘉鑫李鹏钊王苗陈纯闫良玉高月杨生宸陈满满赵财毛景

过程工程学报. 2023, 23(8): 1102-1117. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223094

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高效的电池热管理技术对于锂离子电池的安全运行、长循环使用寿命以及整体成本的降低至关重要，且对推动锂离子电池的大规模应用具有重要意义。本综述详细讨论了几种主流的电池热管理技术，即空气冷却、液体冷却、新型的相变材料冷却和热电冷却技术，并对电池产热模型进行了简要阐述，最后对电池冷却技术的发展方向进行了展望。空气冷却技术结构简单，但难以保证电池组内电芯温度的一致性，不适用于大型锂离子电池组的冷却，更多应用于小型飞行电动设备和低端车型中。冷却板液冷技术的冷却效果较好，但存在冷却液泄漏风险且需要进一步提高均温性。浸没式液冷技术的冷却和均温效果显著，但价格昂贵，未来可能会更多地应用到冷却要求较高的储能电站中，而对于大多数锂离子电动汽车而言，成本更低的冷却板液冷技术是更好的选择。相变材料冷却和热电冷却技术无移动部件，在电子设备和小型动力设备领域实现了初步商业化应用，但冷却效率较低，还需要进一步优化。值得注意的是，根据用户的需求来选择合适的冷却技术是十分关键的，虽然目前没有完美的冷却方案，但可以通过复合使用多种冷却技术的方式来满足更多应用场景的热管理需求。

新能源电池领域导电剂技术的研究与产业化

袁佩玲丁星星郭鹏张彩丽胡锐

过程工程学报. 2023, 23(8): 1118-1130. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223115

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二次电池已经被广泛开发并应用于各种领域，如大规模储能、便携式电子设备和电动汽车。作为锂离子电池的重要组成部分，主要通过构建导电网络来增加和保持电极的电子导电性，从而有效改善电池的电化学性能。导电剂虽然在锂离子电池成本的占比较小(2%左右)，但相比于数十万亿级别的锂离子电池产业，导电剂也随之成为了千亿级别的产业。目前，主流导电剂为炭黑类、导电石墨类、气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管和石墨烯。其中，炭黑类、导电石墨类和VGCF作为传统导电剂，其在活性物质间可形成点、线接触式导电网络；碳纳米管和石墨烯属于新型导电剂材料，其可分别形成线、面接触式导电网络。相对于单一导电剂，复合导电剂可使不同导电剂之间产生协同效应，从而表现出更优异的性能，因此新型导电剂与传统导电剂是高度统一的关系，在成本及性能的综合考量下，未来导电剂体系将逐步从单一化走向多元复合化。此外，我国导电剂长期依赖进口，近年来一些优秀企业在制备方法和分散技术方面逐步打破工艺壁垒，加速国产化进程。本工作将讨论碳纳米材料作为导电剂用于电池领域并改善电池电化学性能的相关工作，并进一步讨论导电剂的产业化现状前景。

千瓦级铝空电池用含Ti阳极材料的研究

徐聪房新月孔敏王瑞智张钧卢广玺胡俊华关绍康

过程工程学报. 2023, 23(8): 1131-1136. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223107

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随着科学技术的发展，现代工业与社会发展对电力能源的依赖程度越来越高，先进高效的能源转换技术是发展的关键，新型大功率燃料电池(如铝空气电池)因其具有能量密度高(理论能量密度8100 Wh/kg)、储量丰富、生产成本低、环保无毒等优点而受到众多学者的青睐。本工作通过对千瓦级铝空电池用含Ti阳极材料的系统研究，探明了不同Ti含量(0.03wt%, 0.05wt%, 0.08wt%和0.10wt%)对千瓦级铝空电池用Al-Mg-In阳极材料微观组织、腐蚀行为、电化学行为和放电行为的影响规律。结果表明，随Ti含量增加，Al-Mg-In阳极中纤维状晶粒逐渐细化，晶粒组织逐渐均匀，晶界数目增多，可以为铝空电池提供更多的反应面积。阳极材料的放电反应通道较多，放电活性也随之升高，有助于铝阳极工作电压提升。当Ti添加量超过0.05wt%时会导致Al-Mg-In阳极板材中第二相颗粒数目增多，第二相与基体之间形成“原电池”，加速合金腐蚀，晶界局部溶解从而造成合金耐蚀性能下降，放电性能降低。因此，添加0.05wt% Ti的Al-Mg-In合金具有最佳的耐蚀性和电池放电性能，说明适量的Ti可以优化铝空气电池的性能。

生物基材料核心单体分离纯化技术研究进展

王坤纪秀玲蔺琨黄玉红

过程工程学报. 2023, 23(8): 1137-1149. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222314

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石化基材料生产消耗大量不可再生资源，并对环境造成一定程度污染。而利用可再生资源生产的生物基材料性能可以与石化基材料相媲美，符合绿色、低碳、环保的发展理念，为实现“碳达峰、碳中和”的目标提供强有力的技术支撑。近年来，随着国内外政策对生物基材料的支持，生物基材料已成为国内外争相发展的新材料，为生物基材料行业的发展提供了良好的契机。利用生物法生产的生物基材料核心单体具有生产条件温和、价格低廉、绿色环保等优点，但发酵液内成分复杂以及单体浓度偏低，导致分离难度增加，严重制约了生物基材料整个行业的发展。生物基材料生产要求单体纯度高，少量杂质会影响生物基材料的外观性能。现有的生物基材料核心单体的分离研究及应用中，充分发挥化工分离技术的优势，开发出了获得高纯度生物基材料核心单体的分离纯化工艺。本综述介绍了生物基材料的生产现状，综述了近年来几种应用广泛的生物基材料核心单体分离纯化技术的研究进展，分析了目前分离技术的优缺点，最后对生物基材料核心单体分离纯化技术的发展趋势进行了展望。

浮选过程中壳聚糖及其衍生物的抑制机理研究进展

张鹏鹏杨诚龙红明高翔鹏李明阳

过程工程学报. 2023, 23(8): 1150-1160. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222217

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浮选作为分选低品位矿石的有效手段之一，具有对细粒矿石分选效果明显、分选效率高等优点。为了取得更好的浮选分离效果，选用合理且绿色高效的抑制剂至关重要。作为一种新型有机抑制剂，凭借自身良好理化性质、绿色环保和易于制备等优点，壳聚糖被广泛应用于矿物浮选，并且多种壳聚糖衍生物同样具有优良的抑制性能。本工作综述了近几年来壳聚糖及其衍生物在多种矿物浮选试验中的研究进展，首先重点介绍了壳聚糖及多种新型衍生物作为抑制剂在矿物表面的主要吸附方式，其次总结了它们的抑制机理和影响抑制效果的主要因素，最后对壳聚糖衍及其衍生物抑制剂的未来研究方向进行探讨及展望。尽管壳聚糖及其衍生物抑制剂的相关研究日益成熟，但针对其产生抑制的主要机理研究仍然不够细致。随着各项检测手段的进步，如何在提高抑制效果的同时进一步明确产生抑制的相关基团及主要机理，将是未来壳聚糖衍生物抑制剂研究的一大重点。

金属有机骨架材料修饰MFC空气阴极提高产电性能研究进展

逯金戎任林德柳华

过程工程学报. 2023, 23(8): 1161-1172. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222339

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能源危机的出现推动了人们对清洁能源的探索与发展，近年来微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)作为一种新型的绿色能源转换技术引起了学者们的广泛关注，然而MFC空气阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)活性不高的问题严重阻碍了MFC在实际中的应用。本工作综述了金属有机骨架(Metal-organic Framework, MOF)及其衍生材料作为催化剂修饰MFC空气阴极提高其产电性能的研究进展。介绍了MFC的原理和MOF材料作为ORR电催化剂的天然优势，重点列举了原始MOF、MOF复合材料、MOF衍生物这三类材料作为MFC空气阴极催化剂的最新应用，引出了MOF及其衍生材料作为MFC空气阴极催化剂的多种不同研究方向。最后阐明了MOF及其衍生物在修饰MFC空气阴极提高其产电性能时面临的挑战和未来展望。

不同构型挡板搅拌槽内液-液分散特性

覃华龙郭梦珂巩向阳田义群彭春雪张庆华杨超

过程工程学报. 2023, 23(8): 1173-1179. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222397

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以水和煤油为研究体系，利用数值模拟方法研究了标准挡板(Standard Baffle, SB)、标准穿流挡板(Standard Punched Baffle, SPB)和之字形穿流挡板(Zigzag Punched Baffle, ZPB)搅拌槽内液-液分散特性。结果表明，采用之字形穿流挡板可有效降低搅拌槽内挡板后方的死区。随着搅拌转速增加，三种挡板搅拌槽的搅拌功耗逐渐增大，煤油液滴直径逐渐减小。在相同搅拌转速下，之字形穿流挡板搅拌槽内液滴直径均小于标准挡板和标准穿流挡板。随着搅拌转速增加，ZPB和SPB搅拌槽内的液滴直径与SB搅拌槽的差距均呈现先增大后减小的趋势，当搅拌转速为400 r/min时，差异最大。此时，相较于SB搅拌槽，SPB和ZPB搅拌槽内液滴直径分别减小18.16%和36.87%。

低浓度表面活性剂对蒸发固着液滴颗粒沉积形态影响的实验研究

吴楚越何永清陈曦

过程工程学报. 2023, 23(8): 1180-1189. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222355

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调节液滴蒸发后的沉积形态存在许多应用与潜在价值。以聚苯乙烯颗粒配置悬浮液，加入表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)，进行液滴蒸发的观察与分析，探究浓度为0wt%~1wt%的SDS对聚苯乙烯颗粒悬浮液液滴蒸发的过程及蒸发后沉积形态的影响。结果表明，实验的浓度范围内，随SDS浓度增加，液滴接触角非线性减小；加入SDS后，受表面张力梯度的驱动，液滴会自发向外铺展，最大铺展系数与SDS浓度呈正相关。液滴铺展过程较短，大约只占液滴整个蒸发过程的1/5~1/3。采用灰度共生矩阵分析加入SDS后对咖啡环内部的沉积形态的影响可知，SDS不仅能调节液滴沉积的环宽，还会减少沉积中间部分颗粒的聚集，沉积纹理更均匀(SDS浓度为0wt%与0.1wt%时两种沉积形态对比最明显)；SDS浓度的增加会使液滴内Marangoni流动更加剧烈，沉积的环宽随SDS浓度增加而变宽，当SDS的浓度高于0.75wt%后，环状沉积不再明显，颗粒大部分均匀分布在整个沉积区域，形成盘状沉积，说明SDS对环形沉积的环宽调节存在上限；比较直径为5.7和10 μm颗粒沉积的环宽随SDS浓度变化以及与咖啡环沉积面积占比的最大值(直径为5.7 μm时约为58.6%，直径为10 μm时约为44.6%)可知，SDS对不同直径的颗粒的沉积形态的影响存在差异。

气固顺/逆流间歇移动床内颗粒速度分布特性

赵志锋贾启璠王若瑾王德武张少峰

过程工程学报. 2023, 23(8): 1190-1198. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222423

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采用颗粒示踪方法考察了顺流和逆流间歇移动床内颗粒流动状态和速度分布随表观气速和时间的变化规律，进行定量化分析并建立颗粒速度计算式。结果表明，示踪层颗粒始终近似为V形分布，表明颗粒速度呈“慢-快-慢”的形式分布，且变化幅度随时间的推移更加明显。不同于重力条件，顺流和逆流条件下气体和颗粒间相互影响更为复杂。同一时刻下，顺流床内颗粒速度变化幅度随表观气速增加而增大；逆流床与之相反。然而在同一料位高度下，随表观气速增大，顺流床内流动区域宽度增大，时间不均匀指数和流动死区占比减小，表明颗粒速度分布更加均匀；逆流床与之相反。借助料仓中常用的颗粒运动模型(Particle Kinematic Model, PKM)，引入雷诺数Re和斯特哈尔数St，建立气固顺流和逆流条件下的颗粒速度计算式，以期为顺/逆流间歇移动床的操作和设计提供参考。

1,3-二异丙氧基杯[4]冠-6/4-叔丁基-2-(α-甲基苄基)苯酚协萃体系弱碱条件选择性分离铯

邢慧芳王露杨良嵘戎猛叶钢刘会洲

过程工程学报. 2023, 23(8): 1199-1207. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222383

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采用1,3-二异丙氧基杯[4]冠-6 (BPC6)和4-叔丁基-2-(α-甲基苄基)苯酚(t-BAMBP)组成的协萃体系，实现了弱碱条件(30 mmol/L NaOH)下铯的选择性萃取分离。当BPC6和t-BAMBP浓度分别为10和200 mmol/L时，协萃系数高达89.5。反萃过程仅用10 mmol/L HCl或313 K热水即可分别达到84.1%和81.3%的反萃率。此外，本工作提出了配位-阳离子交换的耦合协萃机理；获得了萃取反应的热力学参数和平衡常数；探究了温度对反萃过程的影响；确立了一种温和条件下萃取/反萃铯的协萃体系。

外加酶强化剩余污泥与厨余垃圾渗滤液混合厌氧消化

薛同站孙鑫李卫华刘晓吉王坤闫祥宇杨厚云

过程工程学报. 2023, 23(8): 1208-1219. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222311

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为了研究水解酶对剩余污泥和厨余垃圾渗滤液混合厌氧消化产气性能的影响，以城市污水处理厂剩余污泥和厨余垃圾渗滤液为底物，在混合比为1:1和2:1混合液中分别加入比例为1:1, 1:2和2:1 (总酶加入量60 mg/g TS)的蛋白酶和纤维素酶，在38±0.5℃的温度下进行混合厌氧消化。结果表明，在剩余污泥与厨余垃圾渗滤液2:1混合厌氧消化体系中1:1投加蛋白酶和纤维素酶时产气性能和处置效果最佳。其日产甲烷峰值为60.15 mL/g VS，比单独消化污泥提高了1.84倍，比同底物不加酶时提高了70.49%；甲烷总产量为296.17 mL/g VS，比单独消化污泥提高了75.99%，比同底物不加酶时提高了62.87%；总固体(TS)和挥发性固体(VS)去除率分别为41.43%和67.32%，比单独消化污泥分别提高了14.74和27.89个百分点，比同组不加酶的混合液分别提高了8.34和21.99个百分点，且消化过程中没有出现氨抑制和挥发性脂肪酸(VFAs)积累的状况。利用三维激发矩阵荧光光谱结合平行因子法分析，发现混合厌氧消化过程中存在的荧光物质主要有类蛋白质、类富里酸和类胡敏酸，在消化的不同时间段蛋白质荧光强度存在明显差异，加酶的实验组中这一变化更加显著。此结果可为剩余污泥和厨余垃圾的减量化和资源化提供借鉴。

基于纳滤-闪蒸的含离子液体废水耦合回收新工艺的评价与分析

牛典钱建国陈健詹国雄

过程工程学报. 2023, 23(8): 1220-1230. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223168

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从混合溶液中高效、低能耗地回收离子液体，一直是实现其再利用的难点。本研究提出纳滤、闪蒸回收溶液中离子液体的耦合工艺，即先将较低浓度的离子液体水溶液通过纳滤提浓，获得较高浓度的离子液体水溶液通过减压闪蒸工艺获得纯离子液体并实现离子液体的高效分离回收。在模拟研究过程中，以1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C8Mim][BF4])和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C2Mim][BF4])作为模型化合物，来探究耦合工艺的离子液体回收效果。基于文献报道数据，采用回归方法构建起离子液体主要物性和离子液体-水之间的热力学模型，采用Aspen Plus模拟软件建立分离回收过程的耦合新工艺模型，考察不同操作条件对工艺分离效果的影响变化规律，获得工艺最佳操作方案。同时，对回收过程进行换热改造，提高回收工艺的热效率，降低公用工程消耗量。对不同分离过程的能耗进行分析评价，以明确耦合新工艺的分离回收优势。研究结果表明，经过换热改造后，[C8Mim][BF4]和[C2Mim][BF4]的回收工艺热公用工程分别为改造前的11%和13%，冷公用工程分别为改造前的15%和19%。2级膜分离-闪蒸耦合工艺的综合能耗最低为3.9 GJ thermal-eq/t IL([C8Mim][BF4])和4.5 GJthermal-eq/t IL([C2Mim][BF4])，仅为直接闪蒸工艺的20% ([C8Mim][BF4])和27% ([C2Mim][BF4])。本研究结果可为未来离子液体回收工艺的工业化应用提供理论依据和指导。

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