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    2024年 第24卷 第1期    刊出日期:2024-01-28
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    封面和目录
    过程工程学报. 2024, 24(1):  0. 
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    综述
    城镇污水处理过程的多角度综合评价研究进展
    崔晗 王玉亭 李华杰 张笛 吕龙义 任芝军 孙峙 王鹏飞 刘晓阳 孙丽 张光明 高文芳
    过程工程学报. 2024, 24(1):  1-16.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223037
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF (4095KB) ( )  
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    污水处理行业快速发展,各种治理技术层出不穷,在很大程度上解决了环境污染问题,但也不可避免地会造成环境影响。在“双碳”背景下,为选择更高效的污水处理技术,各种评价方法相继在污水处理行业中应用。本综述总结了城镇污水处理过程中应用较为广泛的评价研究现状,主要关注基于生命周期评价的环境影响评价,其中重点关注环境富营养化、全球变暖潜力等方面的影响;经济评价中通过对成本分析可发现在处理过程中能源成本很重要,由利润分析可发现回收利用沼气可以提高利润;此外,碳足迹和有机物毒性计算也逐渐成为研究重点。基于以上内容提出了“5E”评价系统,可切实解决城镇污水处理过程多角度综合评价问题,为行业可持续发展、“双碳”目标的实现提供支撑。
    研究论文
    基于CPFD方法的甲烷无氧芳构化流化床反应器数值模拟
    司金凤 龚明 冀晓姣 刘星 马晓迅
    过程工程学报. 2024, 24(1):  17-26.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223144
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF (1924KB) ( )  
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    基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法对甲烷无氧芳构化催化反应/催化剂再生系统中的流化床反应器进行了数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行比较,验证了CPFD模拟的可行性。通过模拟得到了反应器内整体气固流动状态、气相各组分浓度分布及催化剂积碳含量分布等,考察了不同操作条件如甲烷进料流量及反应器内催化剂存留量对气固两相流动及甲烷无氧芳构化反应性能的影响。结果表明,甲烷进料流量增加会降低甲烷转化率,提高芳烃选择性;反应器内催化剂存留量增加会加剧床内气固两相的返混程度,提高甲烷转化率,降低芳烃选择性。
    矿焦耦合反应对焦炭溶损行为的影响
    韩嘉伟 孙洋 窦明辉 郭瑞 孙章
    过程工程学报. 2024, 24(1):  27-35.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223117
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    “双碳”目标对高炉低碳冶炼提出了更高的要求,从矿焦耦合反应入手评价焦炭质量对理解焦炭在高炉内反应行为、降低高炉碳排放具有重要意义。为了探究矿焦耦合反应过程中焦炭的溶损行为,利用自制支撑式大型热重检测装置对两种具有不同热态性能的焦炭与烧结矿、焦炭与球团矿进行矿焦耦合实验,分析矿焦耦合反应过程中矿石还原度及焦炭碳素溶损率,并对反应前后焦炭的尺寸、光学组织结构、气孔结构进行检测。结果表明,焦炭与球团矿耦合反应的总失重率大于焦炭与烧结矿耦合反应的总失重率,而且焦炭的碳素溶损率和矿石还原度呈正线性相关,提炼拟合方程斜率k值为耦合反应参数以表征矿焦共同反应的耦合程度;焦炭与球团矿耦合反应的k值是焦炭与烧结矿耦合反应的k值的1.94~2.69倍,提高矿石还原性可以增加矿焦反应耦合程度,加剧焦炭表面孔壁溶蚀,导致焦炭溶损缩核程度增加,但可以减弱矿焦耦合反应对焦炭内部光学组织的侵蚀;而提高焦炭反应性则降低了矿焦耦合反应的k值,矿焦反应耦合程度减弱,能够缓解矿焦耦合反应对焦炭气孔溶损行为的影响,减小焦炭的溶损缩核程度,但是会加剧对焦炭内部光学组织的侵蚀。因此焦炭与矿石的性能相匹配才能表现出较高的耦合程度,减缓焦炭强度降级,从而提高高炉效率。
    六苄基六氮杂异伍兹烷氢解反应机理及工艺优化
    郭子杰 张彬 陈杰 冯鑫 王桂龙 张伟鹏 杨超 金万勤
    过程工程学报. 2024, 24(1):  36-46.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223070
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    六苄基六氮杂异伍兹烷(HBIW)配合钯基催化剂在氢气环境中进行氢解脱苄反应,生成四乙酰基二苄基六氮杂异伍兹烷(TADBIW),是制备六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)的关键步骤。本研究新建立一种HPLC分析方法,同时检测到原料与中间体的浓度变化情况。并以此为基础,研究了助溶剂和PhBr含量对氢解反应的影响,不仅将初始温度提升至65℃,同时反应时间也缩短至1 h以内,收率也达到78.90%。在优选反应条件基础上,对18~45℃反应温度下的氢解脱苄过程进行动力学研究,通过定量分析,得到反应过程中各中间体和反应产物的浓度变化规律,并以此推断后期主要是乙酰化反应。氢解脱苄中原料转化中间体,遵循一级反应动力学;中间体生成产品,遵循零级反应动力学,表观活化能分别为Ea1=62.43 kJ/mol, Ea2=52.80 kJ/mol;指前因子分别为A1=6.81×109 min-1, A2=5.91×108 mmoL/min;线性相关系数R12=0.99181, R22=0.98897。并进一步开发了连续合成方法,在反应温度70℃,停留时间4 min以内,TADBIW可达到95.89%的收率。
    煤气化渣改性工艺及吸附Cd2+性能
    徐颖 姚鑫毅 宋永红 孙一平 邹晶晶 郭春彬
    过程工程学报. 2024, 24(1):  47-57.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222479
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    以固体废弃物煤气化渣(CGS)为材料,通过水热法制备改性煤气化渣(MCGS)吸附材料,并用于吸附Cd2+。由于CGS吸附Cd2+能力较低,利用Box-Behnken响应面模型方法优化改性条件,X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪等表征CGS及制备的MCGS的物理化学性质。改性结果表明,MCGS最佳反应条件为碱度6.20%~8.10%、温度102~108℃和时间138~192 min,温度对MCGS吸附Cd2+性能影响最大。改性后Si-O-Si键断裂,MCGS表面含有丰富的孔隙结构,比表面积、孔容和孔径分别为255.08 m2/g, 0.24 cm3/g和3.72 nm;吸附结果表明,当Cd2+浓度50 mg/L、MCGS投加量为0.10 g时,Cd2+饱和吸附量为13.96 mg/g;当Cd2+浓度40 mg/L、MCGS投加量为0.20 g时,Cd2+去除率98.08%;MCGS对重金属Cd2+的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型。本研究可为CGS处理含Cd2+废水提供理论依据。
    铅锌冶炼污酸渣中重金属溶出研究
    钱凯 郑诗礼 张盈 周宏明 焦芬 陈世民 乔珊 邹兴
    过程工程学报. 2024, 24(1):  58-70.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222439
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    铅锌冶炼行业产生的重金属污酸渣对环境风险大,但同时也是一种可利用资源,硫酸钙基体净化是其资源化利用的第一步。本工作对污酸渣开展了全面的矿相解析,获得了污酸渣中重金属与硫酸钙的嵌布规律,并系统研究了加热时间、加热温度及硫酸浓度对污酸渣中Fe, Zn, As, Pb, Cd, Sb等关键元素浸出率的影响,系统探究了这些元素在酸性介质中的溶出规律,且基于硫酸钙晶相与介质水活度、温度的一般规律,开展了硫酸介质中常压下水活度调控致相转和高温水热致相转对元素溶出的影响。结果表明,加热时间为2 h、加热温度为80℃及硫酸浓度为.01 mol/L时效果较为理想,且在此优化溶出条件下,污酸渣中As, Zn, Sb, Cd, Fe的浸出率均可达95%以上,浸出残渣为表面光滑的薄片状和棒状的二水硫酸钙晶相;降低介质中水的活度和水热条件能够促进硫酸钙的相转,借助硫酸钙形态或晶型的转化,可进一步强化硫酸钙晶格内或晶间重金属的溶出。基于硫酸钙转晶的金属强化溶出技术是硫酸钙渣基体深度净化的有效手段。
    铁水降温过程中片状石墨的析出行为实验研究
    顾宇 公旭中 兰茜 郭磊 郭占成
    过程工程学报. 2024, 24(1):  71-78.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223116
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF (4540KB) ( )  
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    铁水中析出的片状石墨是一种可持续利用的资源,由于我国生铁产量巨大,因此从铁水中回收石墨具有广阔的应用前景。本工作通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)等手段,研究了向铁水中吹氩、铁水初始温度和冷却速度等条件对片状石墨析出行为的影响。结果表明,向铁水中吹氩可以有效促进铁水中片状石墨的上浮与分离。铁水初始温度对石墨析出量和尺寸有显著影响,主要表现在初始温度越高,石墨表面越平整光滑、尺寸越大、析出量越多。此外冷却速度越大,石墨析出量越少,石墨尺寸越小,较慢的冷却速度可获取更大尺寸的石墨。析出的片状石墨作为锂离子电池负极材料表现出良好的循环稳定性和高比容量。综上,通过控制工艺条件可获得不同表面结构和尺寸的石墨,证明通过铁水降温获取石墨具有一定的可行性,据此提出了两种新的石墨生产工艺,可为铁水析出石墨的工业化提供理论参考。
    表面改性PET网状纤维支架材料制备及其生物安全性评价
    李阳 高建萍 张扬 彭青 高毅 张贵锋
    过程工程学报. 2024, 24(1):  79-86.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222462
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    以氨气作为等离子体气体,对合成高分子聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)支架材料表面进行低温等离子体处理,获得了一种亲水性和生物相容性得到改善的网状纤维支架材料PET-LTPT。通过XPS光电子能谱仪、水接触角、电镜、BET比表面积测定对材料进行物理化学表征,同时培养肝细胞测定其生物相容性,并对其开展体外细胞毒性、皮内反应试验以及皮肤致敏试验以评估其生物安全性。结果表明,低温等离子体处理后,PET材料引入了N元素,含量为2.38wt%,亲水性得到了显著改善(P<0.001),比表面积为0.37 m2/g。PET-LTPT生物安全性良好,人肝癌细胞C3A细胞在处理后的PET-LTPT材料上实现黏附和增殖,证明了表面改性PET网状纤维支架材料用于生物人工肝用肝组织化三维培养具有可行性。
    下吸式气化炉高含水生物质气化过程模拟与机器学习研究
    祁风雷 王振 陆国庆 刘小好 党 琪 马培勇
    过程工程学报. 2024, 24(1):  87-96.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223114
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    采用机器学习方法和Aspen过程建模分析方法系统研究了含水率对生物质气化过程的影响规律。研究结果表明生物质含水率对气化气低位热值影响较大,含水率升高,热值降低,生物质含水率对碳转化率影响较小;随着空气当量比升高,气化气低位热值降低,而气化过程碳转化率提高。气化过程能量平衡分析表明,随着生物质含水率升高,气化过程维持能量平衡所需的空气当量比升高。生物质干燥预处理可保证气化气品质,但需消耗部分气化气为干燥供能,并且随着生物质含水率升高,干燥供热消耗的气化气比例提高,消耗比例在含水率20wt%~60wt%阶段近似线性增加,但是当含水率大于60wt%时呈指数升高。
    基于化学润湿作用的雾化除尘实验研究
    王烁鑫 李海英 张军亚 刘绍谦
    过程工程学报. 2024, 24(1):  97-106.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223086
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    针对传统的湿法雾化除尘过程存在喷嘴易堵塞、耗水流量大、雾滴粒度不均匀、能耗较高等问题,采用基于化学润湿作用的雾化除尘方法,考察了润湿剂种类、喷嘴出口结构、气液压力比等因素对钢铁生产过程转炉烟气中微细颗粒去除效率的影响。结果表明,在水中加入阴离子型润湿剂十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和非离子型润湿剂曲拉通(TX-100)、吐温20 (TW-20)都可降低溶液的表面张力,其中SDS溶液的润湿性最好。通过实验研究,与锥形、扇形喷嘴相比,多孔形结构喷嘴的雾滴粒径更小且分布更均匀,气液压力比为1.25时,0.05wt% SDS溶液的雾化雾滴索特尔平均直径可达到64.53 μm,PM2.5和PM10的去除效率可达74.28%和76.41%。研究结果可为钢铁、电力、建材等传统重工业微细粉尘的预处理及高效除尘工艺技术提供基础支撑,对PM2.5和PM10的高效去除具有重要意义。
    耐磨球形Ni/Al2O3催化剂催化CO甲烷化反应的本征动力学
    张烁 关宇 尤园江 岳君容 裴世红 崔彦斌 刘姣 许光文
    过程工程学报. 2024, 24(1):  107-116.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223080
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    一氧化碳和氢气在催化剂作用下合成甲烷,常应用于煤制合成天然气、焦炉煤气制液化天然气和生物质合成气等领域,有利于我国能源结构优化。针对CO甲烷化的快速表面反应、强放热特性,相比固定床,采用微球型催化剂的流化床甲烷化技术在移热和催化性能方面具有明显的技术优势。在前期开发的耐磨球形Ni/Al2O3催化剂的基础上,采用常压微分固定床反应器对其催化CO甲烷化反应本征动力学进行了研究,以揭示反应机理和路径。在消除内外扩散的前提下,通过控制催化剂装填量和反应气体的量,将出口CO转化率控制在15%以下,从而获得不同CO/H2比和不同反应温度下的CH4生成速率,采用幂指数型动力学模型和双曲线型动力学模型分别进行数据拟合。基于幂指数型动力学模型计算的动力学参数结果表明,随着反应温度从260℃升高至350℃,CO甲烷化反应活化能从145.99 kJ/mol逐渐降至123.54 kJ/mol,CO的反应级数由-1.22增加至0.34,H2的反应级数由0.31增加至2.28。为了进一步分析反应机理,根据不同温度下CO和H2浓度对反应速率影响程度不同,基于双曲线型动力学模型假设不同温度区间内的速控步骤并根据实验结果推导出相应的双曲线型反应速率方程,发现260~280℃下H2的解离、280~310℃下CO的加氢解离、310~350℃下碳中间体的进一步加氢分别为速控步骤时,R2大于0.99,表明甲烷化反应速度控制步骤随温度变化而发生改变。
    CeO2/Bi2WO6 Z型异质结构建及高效催化降解盐酸四环素
    吴平平 孟冠华 杜宇 刘宝河 施绪 周瑞 江用彬 章慧娟
    过程工程学报. 2024, 24(1):  117-126.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223053
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    盐酸四环素(TC)作为一种广谱抗生素,广泛应用于临床医学、畜牧业和水产养殖业,致使大量TC废水排放到水生环境中,并通过食物链危害人类健康。光催化作为一种先进的氧化技术,在处理难降解废水方面具有显著优势。本工作在水热法制备Bi2WO6的基础上,以共沉淀法掺杂适量的CeO2合成复合催化剂CeO2/Bi2WO6,并对其晶体结构、形貌特征和光吸收性能等进行表征。结果表明,CeO2/Bi2WO6摩尔比、催化剂投加量、TC初始浓度和溶液初始pH值对可见光催化降解TC有显著的影响,其中,CeO2/Bi2WO6异质结的形成能够有效提高光生电子空穴的分离效率,进而增强光催化效率。当CeO2/Bi2WO6的摩尔比为1:3、溶液初始pH为5、TC浓度为8 mg/L、CeO2/Bi2WO6投加量为0.4 g/L时,TC和溶液总有机碳(TOC)的去除率可分别达90.7%和64.3%。根据自由基捕获实验和催化剂的价带、导带位置,提出CeO2/Bi2WO6异质结光催化降解TC的机理。经过6次循环实验,CeO2/Bi2WO6催化剂对TC去除率仍为86.4%。