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    1. 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
    摘要711)   HTML36)    PDF (3494KB)(580)    收藏
    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。
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    2. 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
    摘要534)   HTML25)    PDF (13593KB)(235)    收藏
    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。
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    3. 钠离子电池层状氧化物正极材料改性研究进展
    李苗苗 邱祥云 尹延鑫 张涛 戴作强
    过程工程学报    2023, 23 (6): 799-813.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222296
    摘要383)   HTML93)    PDF (47402KB)(379)    收藏
    由于储量丰富、价格低廉及安全环保等突出优点,钠离子电池(SIBs)被认为是大规模储能应用的主要候选技术之一,而正极材料的开发也决定了钠离子电池的商业化进程和最终性能。钠离子电池层状氧化物正极材料,具有比容量高、构造简单、稳定性好等优势,是最富有前景的钠电正极材料之一。但此类材料目前仍面临电化学过程的不可逆变化、空气中储存不稳定和界面稳定性较差等问题,严重制约着钠离子电池商品化进程的发展。为了解决材料所存在的这些问题,研究人员对其进行改性优化。据此,本工作综述了钠电正极材料层状氧化物离子掺杂、表面包覆、纳米结构设计、P/O混合相等改性措施所取得的成效,为钠电正极材料层状氧化物改性研究提供了基础,并对层状氧化物的后续发展趋势进行了展望。
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    4. 生物合成尼龙新材料核心单体二元胺研究进展
    蔺琨 李壮 王坤 毕莹 纪秀玲 张志刚 黄玉红
    过程工程学报    2023, 23 (7): 958-971.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223147
    摘要369)   HTML15)    PDF (1140KB)(299)    收藏
    二元胺是聚酰胺、聚氨酯和聚脲等高分子材料合成的核心单体,生产需求巨大。在碳中和大背景下,合成生物基二元胺是实现低碳生产和可持续发展的有效途径,借助合成生物学、代谢工程、蛋白质工程等策略能够设计和开发高效的二元胺生物合成关键酶和途径。本工作简述了1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺的天然或人工合成路径,围绕微生物从头合成发酵和全细胞催化两种合成策略综述了二元胺的合成进展,丁二胺的生物合成主要包括鸟氨酸脱羧与赖氨酸脱羧路径,目前主要以发酵法生产丁二胺,但丁二胺的产率较低,不能达到工业生产的需求;戊二胺的生物合成路径为赖氨酸脱羧,主要采用发酵法和全细胞催化法,其中全细胞催化合成戊二胺更为高效,技术趋于成熟,已被广泛应用于规模化生产;己二胺目前主要是通过构建人工途径进行生物合成。另外,针对二元胺生物合成过程遇到的副产物多、菌株活性差、产率低、分离纯化困难等问题与挑战,提出了结合代谢工程和蛋白质工程优化关键酶催化、探索二元胺积累造成细胞损伤的影响机制、增强酶催化专一性和活性以提高生产强度、优化发酵体系、简化后续分离纯化步骤等提高生物合成二元胺的方法,同时指明了未来生物基二元胺工作的重要方向并展望了生物基二元胺的发展前景。
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    5. “双碳”背景下新能源固态电池材料理论设计与电池技术开发进展
    徐红杰 汪光辉 苏钰杰 张志高 李海通 杨中正 王雨晨 胡林悦 曹国钦
    过程工程学报    2023, 23 (7): 943-957.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223113
    摘要259)   HTML7)    PDF (4779KB)(231)    收藏
    由于可充电锂金属电池(LMBs)具有较高理论能量密度,在便携式电子设备、电动汽车和智能电网等方面有重要应用。以固态电解质和锂金属负极组装的固态电池(ASSBs)具有高安全性,被认为是可提高电池能量密度和有效解决安全问题的一种有前景的电池技术。然而,LMBs在实际实施过程中仍面临许多挑战,如库仑效率低、循环性能差和界面反应复杂等。深入分析ASSBs的物理基础和化学科学问题对电池开发具有重要意义。为了证实和补充实验研究机理,理论计算为探索电池材料及其界面的热力学和动力学行为提供了一种强有力的支撑,为设计综合性能更好的电池奠定了理论基础。本工作论述了理论计算方法在电池关键材料计算中的应用和研究意义;综述了硫化物固态电解质中Li10GeP2S12 (LGPS)及银硫锗矿体系的理论和结构设计思路,包括锂离子的输运机理和扩散路径。分析了新型反钙钛矿Li3OCl和双反钙钛矿Li6OSI2电解质体系的理论设计思路。综述了氧化物固态电解质体系在缺陷调控下锂离子的输运机理。此外,本工作针对新型卤化物电解质体系的理论设计也进行了介绍。介绍了计算材料学在电池材料性能研究中的作用:借助理论手段分析离子传输机制、相稳定性、电压平台、化学和电化学稳定性、界面缓冲层和电极/电解质界面等关键问题;理解原子尺度下的充放电机制,并为电极材料和电解质提供合理的设计策略。总结了固态电解质和ASSBs电极与电解质间界面的理论计算的最新进展。最后,对ASSBs理论计算的不足、挑战和机遇进行了展望。
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    6. 面向微纳技术的液桥断裂研究进展
    朱朝飞 楚亚龙 高羡明
    过程工程学报    2023, 23 (6): 814-825.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222287
    摘要220)   HTML10)    PDF (4290KB)(185)    收藏
    受尺度效应的影响,液桥的形态特征决定了液桥力的变化,液桥力的变化对液桥的形成与断裂具有重要影响。基于液桥形态学的液桥断裂机理是生物、化学、材料、微纳技术等研究领域的理论基础。目前,液桥断裂研究属于跨学科研究,涉及数学、流体力学、界面化学、材料学等学科,但较少有专注于液桥形态学的液桥断裂研究的综述。本综述总结了轴对称液桥、非轴对称液桥和非牛顿流体液桥的断裂理论模型和实验方法。首先,介绍了平衡或稳定状态下,液桥受迫拉伸、断裂过程中产生的流体弱非线性行为。其次,描述了液体体积、黏度、表面张力、表面润湿性和粗糙度、断裂速度、液桥形态等关键因素对液桥断裂位置或分配率的影响,归纳了研究影响液桥断裂参数时所采用的实验方法,讨论了不同实验装置的结构特征及其优缺点,总结并提出了该研究的创新特性和高价值的研究方向。最后,展望了微纳技术领域的液桥断裂的前沿研究方向,指出建立更全面的液桥断裂模型、研究多参数约束下的液桥断裂机理和控制方法是未来的研究重点。
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    7. 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
    摘要205)   HTML8)    PDF (2738KB)(114)    收藏
    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。
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    8. 基于OpenFOAM模拟精馏塔板的气液流动
    周晓庆 焦云鹏 范天博 何险峰 陈建华
    过程工程学报    2023, 23 (6): 858-869.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222258
    摘要198)   HTML2)    PDF (8891KB)(187)    收藏
    本研究对筛孔型精馏塔板上的空气-水两相流进行了模拟,模拟方法采用基于开源软件平台OpenFOAM的双流体模型框架。模拟体系选用Solari-Bell经典实验体系,研究了不同操作条件下的气液两相流动参数,包括清液层高度、气相速度、液相速度和塔板压降等,模拟结果与实验结果的变化趋势基本一致。基于CFD模拟结果,分析了不同工况下塔内气液两相速度场与气含率分布等流动参数,结果表明本工作可以较好地捕捉塔板上的气液流动特征。进一步地,讨论了应用OpenFOAM模拟精馏塔内气液两相流动的若干影响因素,在此基础上分析了气液错流体系相间曳力对模拟结果的影响,实现了与使用商业软件模拟结果相接近的预测效果,验证了使用OpenFOAM模拟精馏塔体系的可行性。
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    9. 高炉煤气脱硫技术研究进展
    王新东 朱廷钰 李玉然
    过程工程学报    2023, 23 (7): 1003-1012.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222334
    摘要198)   HTML8)    PDF (1011KB)(125)    收藏
    实施高炉煤气脱硫进行源头减排对推进钢铁行业全流程超低排放改造具有重要意义。高炉煤气含硫组分以有机硫为主,具有复杂组分共存的排放特征,本工作论述了含硫组分在不同赋存形态(SO2, H2S和S)下的排放限值,通过硫平衡给出了排放限值间的转化关系。高炉煤气脱硫技术的瓶颈是有机硫(主要是羰基硫,COS)脱除,重点分析了用于COS水解的铝基催化剂和碳基催化剂,γ-Al2O3既是载体也是活性组分,而活性炭兼具催化剂和吸附剂功能;进一步阐述了煤气中复杂组分O2和Cl-等对水解催化剂失活的作用机制在于生成了沉积产物。针对COS水解形成的气态H2S脱除,详细对比了湿法脱除工艺中化学吸收法和催化氧化法在反应机理、脱硫剂、脱硫产物等方面的差异;在干法脱硫工艺中,对比了氧化锌、氧化铁和活性炭在反应机理、硫容、温度适应性等方面的区别。针对有机硫和无机硫的一体化吸附,简述了分子筛吸附剂的选择性吸附原理及其再生工艺。对目前已有探索应用的催化水解+湿法脱硫、催化水解+干法脱硫和一体化吸附工艺进行了初步的评价,提出了高炉煤气脱硫技术的研发重点在于如何提高水解催化剂的活性以及降低高炉煤气中复杂组分对催化剂活性的影响,提高技术的适用性。
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    10. 多孔生物质碳材料的制备及其在超级电容器中的应用研究进展
    张学民 贺冠宇 尹绍奇 黄婷婷 李金平 郑健
    过程工程学报    2024, 24 (2): 127-138.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223036
    摘要197)   HTML21)    PDF (1013KB)(120)    收藏
    生物质碳材料是一种绿色环保可再生的能源材料,对其高效利用对实现能源环境的可持续发展和能源绿色低碳转型具有重要意义。生物质碳材料具有多孔性、官能团丰富、比表面积大、电化学性能优异、成本低廉和可再生的特点,广泛应用于能源存储与转化、催化、吸附等诸多领域。然而,生物质碳材料的性质不仅与微观结构密切相关,而且杂原子掺杂对生物质碳材料的结构及电化学性能具有重要影响。实现生物质碳材料结构的精准调控是提高其电化学性能的有效途径。本工作全面综述了生物质碳材料的制备方法及其在超级电容器中的应用研究进展,讨论了多孔生物质碳材料结构与性能之间的关系。在此基础上,深入分析了不同条件、不同制备工艺(如材料的选择、材料的处理和活化方式)等因素对多孔生物质碳材料结构特性的影响机理及其规律;详述了多孔生物质碳材料结构特性对电化学性能的影响机制及其规律,分析了多孔生物质碳材料制备过程及其性能调控尚待完善和改进的地方。最后,指出了未来多孔生物质碳材料制备工艺及其电化学性能研究的主要发展方向。
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    11. 电石渣湿法脱硫过程亚硫酸钙强制氧化及杂质影响规律
    郑跃武 孟子衡 练领先 韩吉亮 赵立文 王兴国 邢岗 朱干宇 李会泉
    过程工程学报    2023, 23 (12): 1725-1738.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223048
    摘要194)   HTML4)    PDF (9117KB)(131)    收藏
    电石渣主要成分为氢氧化钙,可以代替石灰石进行湿法烟气脱硫,但是电石渣的碱性较强,脱硫产物亚硫酸钙颗粒细小,可能会影响其氧化结晶过程。系统考察了不同工艺条件对亚硫酸钙氧化及硫酸钙结晶过程中粒径、氧化速度、含水率及微观形貌的影响规律,并得到优化的工艺条件:亚硫酸钙浓度为5 g/L,曝气量为400 mL/min,初始pH为5.5,反应温度为40℃,反应时间为4 h;在最优条件下得到了粒度大、含水率低、纯度高和形貌均匀的脱硫石膏(主要为二水硫酸钙)产品,有利于其后续的资源化利用。电石渣在酸性条件下各元素浸出的先后顺序为Na>Ca>Mg>Si>Fe>Al;在上述最佳反应条件下考察了Na, Mg, Si, Fe, Al等杂质对亚硫酸钙的氧化过程及硫酸钙结晶的影响,结果表明,Mg, Si, Fe对亚硫酸钙氧化速率有明显促进作用,而Al, Na抑制亚硫酸钙氧化;同时添加杂质Si对硫酸钙结晶几乎无影响,添加杂质Mg, Fe, Na对硫酸钙结晶影响较小,而添加杂质Al对硫酸钙结晶有明显不利影响。本研究以电石渣基亚硫酸钙为原料,开展了亚硫酸钙氧化与二水硫酸钙结晶研究,为工业实际电石渣脱硫的强制氧化过程提供理论指导。
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    12. CO 2微气泡强化纳米碳酸钙的制备及传递-反应分析
    王立恒 管小平 杨宁 牟祖泽
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1313-1324.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222450
    摘要194)   HTML3)    PDF (2491KB)(114)    收藏
    控制碳酸钙的粒径大小和粒径分布是碳化法制备高质量纳米碳酸钙的关键。采用间歇鼓泡碳化法制备纳米碳酸钙,考察了操作参数(气体流量、初始浆料浓度)、气泡类型(普通气泡、微气泡)对碳酸化反应速率和沉淀碳酸钙的粒径大小及分布的影响规律,同时深入分析了反应过程中稳定区和突变区随气泡类型的变化规律。结果表明,在使用普通气泡时,增加二氧化碳气体流量有利于二氧化碳的吸收和碳酸钙粒径的减小;在小塔中使用普通气泡,随着初始浆料浓度增加,在低浓度下,减小碳酸钙粒径,当浓度升高到一定程度后,对反应时长和物质混合的影响会促进晶体增长,使碳酸钙粒径增加。采用微气泡后会显著减小沉淀碳酸钙的粒径,同时,二氧化碳气体流量不再影响碳酸钙的粒径分布,表明气液传质过程不再是控制步骤。
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    13. 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
    摘要190)   HTML3)    PDF (2082KB)(81)    收藏
    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。
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    14. 锂硫电池中多硫化锂捕获研究进展
    胡婷婷 刘海建 陈云逸 刘伶俐 戴春爱 韩永生
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1231-1243.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222413
    摘要188)   HTML17)    PDF (6063KB)(185)    收藏
    锂硫电池具有超高的理论比容量(1675 mAh/g)和理论比能量(2600 Wh/kg),并且单质硫在地球中的储量丰富、价格低廉、提取过程对环境友好,因此,锂硫电池被认为是未来储能系统的理想储能单元。然而,锂硫电池在充放电过程产生的多硫化锂中间体易溶于电解液,导致电解液的黏度增加,离子导电性降低。此外,溶解的多硫化锂通过在正负极之间迁移,与锂负极发生反应,产生严重的穿梭效应,造成活性物质硫的不可逆损失,极大地降低了电池的寿命和安全性,也阻碍了锂硫电池的商业化进程。近年来人们通过物理吸附、化学作用及外场约束等策略来攻关这一难题,并取得较好的结果。本文总结了物理、化学、外场三种捕获多硫化锂方法的研究进展,讨论了每种方法捕获多硫化锂的特点及其对锂硫电池电化学性能的影响,并对其未来发展进行了展望。
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    15. 微反应器内Stöber法可控制备SiO 2微球
    余杨屏 杨梅 李明芝 陈光文
    过程工程学报    2023, 23 (6): 908-917.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222290
    摘要182)   HTML3)    PDF (41018KB)(78)    收藏
    采用微反应器与间歇反应器串联策略,实现了反应物料的快速混合及陈化时间的灵活调变,基于St?ber法可控合成了SiO2微球。通过X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)对样品的物相和形貌进行了表征。结果表明,SiO2微球的平均粒径及粒径分布取决于TEOS水解反应及硅酸盐单体缩聚反应间的竞争,同时还受反应前期物料的混合速率的显著影响。当陈化温度从25℃增高至75℃,SiO2微球平均粒径从472 nm减小至200 nm,单分散性变化不大。当氨水浓度从0.8 mol/L增加至5.6 mol/L时,SiO2微球平均粒径从34 nm增大至261 nm,单分散性变好。当水浓度增加至35.6 mol/L或TEOS浓度增加至1.0 mol/L时,溶液中发生多次成核或持续成核现象,使得SiO2微球的单分散性急剧变差。提高雷诺数或缩小通道内径有利于获得单分散SiO2微球。
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    16. 正电子发射粒子示踪的关键技术与进展
    李坤 吴利芸 陈平 韩焱
    过程工程学报    2024, 24 (4): 381-390.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223266
    摘要178)   HTML4)    PDF (2513KB)(98)    收藏
    多相流参数检测对工业过程装置的设计和优化至关重要,但其多尺度与内在复杂性限制了对多相流动过程的理解,在流动机制方面仍有许多关键问题尚未明晰。正电子发射粒子示踪(PEPT)是一种面向工业过程中复杂多相流的新型无扰、无损的核成像方法,利用γ光子探测对放射性标记的示踪颗粒进行三维动力学成像。由于γ光子具有高穿透性、不受电磁场影响等特点,使得PEPT在非透明复杂多相流检测上具有独特优势。目前主要应用于化工、食品、制药等工业领域内多相流动现象的测量和系统物理参数提取。然而,小型化示踪颗粒制备困难、多个示踪颗粒同时定位效果差等问题严重阻碍了PEPT技术的进一步应用和推广。本工作首先介绍了PEPT技术的基本原理;然后重点从示踪颗粒、算法、硬件系统、数据处理及应用等方面讨论了PEPT关键技术及其研究进展,并指出其中存在的问题和潜在的发展方向;最后,对PEPT技术的发展和应用进行总结和展望。
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    17. 移动床内颗粒共振行为的DEM模拟
    沈秦坚 董世杰 张丹城 郭辉 宋吟玲 刘晓星
    过程工程学报    2023, 23 (6): 826-836.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222161
    摘要168)   HTML5)    PDF (5476KB)(147)    收藏
    移动床在各种过程工业中普遍存在。从颗粒尺度出发刻画移动床内颗粒物料的复杂流动行为,对于大型移动床反应器的设计、放大和优化具有重要的意义。本工作基于三维离散单元法(Discrete Element Method, DEM)数值模拟,考察了漏斗流和半整体流卸料流型下移动床内颗粒物料的运动特性,重点探讨了两种卸料流型下颗粒运动脉动特性的异同。首先通过对比流动区轮廓及其特征宽度随时间演化的模拟预测结果和实验测量结果,检验了DEM模拟结果的可靠性。DEM模拟结果表明,两种卸料流型下,流动区上部区域不同位置处颗粒平均轴向速度随时间的变化都呈现出显著的非随机波动,表现为颗粒平均轴向速度时间序列的离散傅里叶变换频谱图都出现了明显的特征峰。空间相关性分析结果表明,在流动区上部区域,不同位置处颗粒轴向速度随时间的波动呈现强烈的空间相关性,两种卸料流型下体系内都形成了局部共振。不同轴向位置处颗粒轴向速度的延迟相关性分析结果表明,这种共振行为源自于床层底部出口上方。对颗粒轴向速度和颗粒间接触力之间延迟相关性的分析结果显示,两者之间存在显著的相关性,且后者的波动先于前者的波动,说明模拟得到的共振现象可能源于自由落体拱机制。本工作的模拟结果表明,漏斗流和半整体流流型下移动床内颗粒物料卸料过程中都可出现共振,且两种卸料流型下颗粒共振特征并无本质区别。
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    18. 多囊脂质体研究进展
    樊星 岳华 王晓军
    过程工程学报    2023, 23 (10): 1371-1380.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222431
    摘要165)   HTML11)    PDF (2032KB)(88)    收藏
    自1983年以来,作为脂质体家族的一员,多囊脂质体(MVLs)在生物材料和医学领域逐渐引起人们的关注。多囊脂质体由于其蜂窝状的内部结构,克服了传统脂质体在亲水性药物包埋率和稳定性方面的缺点。由于MVLs内水相体积大,药物包埋率高,具有很好的缓释效果。目前文献报道的多囊脂质体的尺寸大多在10 μm以上,主要在镇痛药包埋方面取得了良好的进展。本工作综述了近年来MVLs的制备方法、表征设备、释药机制,归纳了临床研究现状、商品化产品和应用研究进展,同时还提出了MVLs在小尺寸、多样化生物医学应用和放大策略方面的挑战及未来前景。
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    19. 耦合传质的CO 2气泡上升过程数值研究
    裴东号 曾乐翔 高梦蝶 阮锦程 曹军
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1244-1255.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222385
    摘要157)   HTML5)    PDF (15818KB)(124)    收藏
    利用Volume of Fluid (VOF)法对静止水中CO2气泡的上升过程进行数值模拟,采用自定义程序考虑传质过程,研究了不同初始直径的气泡上升过程中瞬时速度、传质系数、CO2溶解量以及气泡传质尾迹的变化。结果表明,气泡上升过程中横向速度周期性变化并且随着气泡初始直径增大,振荡幅度减小,而纵向速度随气泡初始直径增大而增大。在初始直径3.5~6 mm的范围内,随着气泡初始直径增大CO2溶解量增大,其尾流表现为对称态、过渡态及周期性脱落三种状态。初始直径3.5~6 mm的气泡尾流发生转变的临界Re随着气泡初始直径增大而增大,其尾流周期性脱落的频率为17~22 Hz,且脱离频率随气泡初始直径增大而减小。气泡尾流与传质尾迹保持一致,随着气泡初始直径增大,气泡传质尾迹影响的范围也增大。
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    20. 复杂氧化铜矿浮选活化剂研究进展
    汪浩翔 申培伦 蔡锦鹏 贾晓东 彭蓉 刘殿文
    过程工程学报    2023, 23 (10): 1381-1389.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222336
    摘要149)   HTML10)    PDF (5380KB)(110)    收藏
    铜因其优异的物理化学性能而在工业中得到广泛应用。目前,随着硫化铜资源的枯竭,氧化铜资源的开发利用逐渐成为研究的重点。氧化铜矿作为铜金属的最主要来源之一,其有效回收的关键是活化过程。然而由于易选铜矿物的逐渐减少,且现存氧化铜矿资源呈现出氧化率高、矿物组成复杂、易泥化等特点,致使选别过程较为困难。经典的硫化-黄药浮选法无法满足目前复杂氧化铜矿资源的选别要求。此外,活化剂作用于矿物表面的机理以及对活化产物晶体结构的解释不明确,在一定程度上制约了氧化铜矿分离理论和方法的发展。近年来,针对复杂难选的氧化铜资源,多种新型活化剂或者组合活化剂已见诸报端,在一定程度上解决了复杂氧化铜矿难选的问题。本工作通过梳理近年来氧化铜矿活化剂发展脉络,重点综述了新型活化剂以及新型活化方法的应用及活化机理,旨在丰富氧化铜矿高效浮选理论体系,为生产实践提供参考。
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    21. 狭缝孔锥形分布板对流态化反应器内部流动特性的影响
    王天成 陈功 王德喜 邵立新
    过程工程学报    2023, 23 (10): 1390-1400.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222472
    摘要145)   HTML5)    PDF (1471KB)(105)    收藏
    针对目前污水处理流态化反应器存在液相返混、液固混合不均的问题,设计了一种开有狭缝孔的锥形分布板,该分布板上单孔的开孔面积由反应器中心向反应器外侧逐渐增加,并采用欧拉-欧拉多相流模型、RNG k-ε湍流模型对狭缝孔锥形分布板进行数值仿真计算。结果表明,狭缝孔锥形分布板能够使反应器内部形成多个环核流流动,强化液固两相之间的混合。此外,狭缝孔锥形分布板能够使反应器内部的颗粒均布,避免颗粒在反应器壁面附近聚集,且颗粒能够获得较高的循环速度。综合评估颗粒体积分数、流速和床层密度标准差等参数,狭缝孔锥形分布板的狭缝孔的最佳开孔方式为垂直于中心轴线方向,最佳锥角为120°。
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    22. 耦合电化学和多相流模型的强制循环水电解槽性能研究
    段旭东 王斯民 文键
    过程工程学报    2023, 23 (6): 880-888.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222318
    摘要145)   HTML5)    PDF (10405KB)(104)    收藏
    碱性电解槽中气泡行为所带来的浓度极化对电解槽的性能影响较大,增大了电解水制氢能耗,但大多数研究未考虑电化学过程中气相产物流动行为的影响。本工作将电化学模型与气液两相流模型耦合,在描述气相体积力的方程中引入了曳力、升力和气泡弥散力,考虑了浓度极化的影响,模拟了强制循环碱性电解槽的产气过程,并进一步研究了操作工况对于电解槽性能的影响。随着电解液温度从60℃升高至80℃,平均电流密度提高了3.84%,电流密度分布均匀度恶化。当电解液入口流速从0.10 m/s增大至0.30 m/s,可以同时提高平均电流密度及其分布均匀度,平均电流密度提高了0.64%。电解液中氢氧化钾浓度对电解性能的影响最大,随着氢氧化钾浓度从2 mol/L提高至6 mol/L,电流密度提高了40.21%,但电流密度分布均匀度会恶化。
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    23. 烧结时间对Fe-Si/SiO 2软磁铁芯微观结构演变及磁性能的影响
    孔辉 王锐 吴朝阳 贺弋海 王海川 鞠纳川
    过程工程学报    2023, 23 (6): 898-907.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222166
    摘要139)   HTML1)    PDF (51402KB)(62)    收藏
    软磁铁芯由铁基软磁合金粉末和作为绝缘层的氧化物陶瓷组成,这二者在软磁铁芯中形成的核壳异质结构是限制交流磁化过程中涡流运转和降低高频损耗的基础,因此在烧结成型过程中保持软磁铁芯内核壳异质结构的完整性和均匀性对优化其磁性能至关重要。本工作制备了Fe-Si/SiO2软磁铁芯,并研究了Fe-Si/SiO2核壳异质结构随烧结时间的演化行为及对软磁铁芯磁性能的影响。结果表明,在3~10 min范围内,随烧结时间的延长Fe-Si/SiO2软磁铁芯内核壳异质结构逐渐趋于完整,烧结时间为9 min时,SiO2绝缘层开始结晶;当烧结时间超过11 min时,由于热压烧结过程中的梯度温度场引起的过热现象,导致核壳异质结构坍塌。在核壳异质结构保持完整的情况下,烧结时间为10 min的Fe-Si/SiO2软磁铁芯性能较佳,饱和磁化强度为220.9 emu/g,电阻率为0.72 mΩ?cm,总损耗Pcv (10 mT, 100 kHz)为627.5 kW/m3。相比于核壳异质结构坍塌的样品(13 min),总损耗Pcv (10 mT, 100 kHz)降低约38.7%,其中涡流损耗降低了约33.1%,磁滞损耗降低了约14.7%。
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    24. CO 2环加成过程中副产物溴乙醇的催化转化研究
    高瑞斌 易礼鑫 杨子锋 董丽 刘一凡 郭洪范 李雨浓
    过程工程学报    2023, 23 (11): 1518-1529.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222468
    摘要137)   HTML0)    PDF (1824KB)(140)    收藏
    CO2是温室气体之一,其在大气中快速大量积累直接导致了全球变暖和生态破坏等环境问题。从可再生碳资源利用的角度来讲,CO2是广泛存在、价廉易得的C1资源。以环氧乙烷(EO)和CO2为原料生产碳酸乙烯酯(EC)的工艺,具有高“原子经济”和“绿色化学”的优势,为C1资源的化学利用提供可行的工业方案。卤素离子型催化剂是该环加成反应的传统催化剂,但在反应过程中,催化剂中卤离子流失,生成副产物卤代醇分子,从而影响主产物碳酸乙烯酯的收率、增加了分离难度和对设备的要求。因此,开发理想的催化体系,将副产物卤代醇抑制并转化、促使其正向消耗十分必要。本工作设计开发了系列弱碱性离子液体,以溴乙醇(BE)为研究对象,在环加成反应条件(温度130℃、CO2压力3 MPa、反应时间3 h)下,添加弱碱性离子液体,实现了溴乙醇的原位转化。考察了不同的反应条件和不同碱性离子液体对溴乙醇转化的影响,包括离子液体种类、反应温度、压力环境、反应时间等因素,揭示了溴乙醇转化的反应规律,其中[Bu4P][HCO3]的效果最好;采用气体氛围和溶剂微环境调控不同反应路径,使BE的转化率可达20%~50%,添加EC后含溴共价键副产物减少,更有利于溴离子的生成。将卤素共价键转化为卤素离子,使环加成反应体系恢复了部分催化活性。该方法简单易行,能够实现CO2环加成的副反应路径的原位调控,完善CO2资源化利用体系,促进卤素离子的循环,具有重要的科学意义和应用价值。
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    25. 退役动力电池回收利用的现状及碳核算研究进展
    赖志颖 赖文斌 林楚园 何灵均 林慧 肖富玉 钱庆荣 张继享 陈庆华 曾令兴
    过程工程学报    2024, 24 (2): 139-150.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223195
    摘要137)   HTML5)    PDF (3821KB)(83)    收藏
    新能源汽车行业的蓬勃发展促使动力电池报废量大幅上涨,产生数量庞大的固体废物。通过梯次利用和回收再生对退役动力电池进行再利用不仅能够实现有价金属的资源化再利用,还可降低碳排放和生产成本,是推进循环经济发展和资源集约利用的关键环节,对于落实“双碳”战略和推进生态文明建设具有重要意义。目前,研究领域内已发布大量与退役电池相关的文献和资讯,汇总行业关键信息,为业内人员提供参考十分有必要。为此,本综述立足行业现状,讨论了退役动力电池不同回收利用方式对环境和经济的影响,同时,分析回收利用现状并归纳研究进展,提出退役动力电池碳排放核算方法,指出回收的必要性和可行性,为建设无废城市和实现“双碳”目标提供借鉴。希望电池回收行业未来能够在国家的宏观调控下,结合高效绿色的回收技术和相关标准规范实现健康有序发展。
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    26. 基于串级模糊自适应PID的蒸发器温度控制系统设计
    孙军 张典 黄青山 田亮 常天奇 刘琪
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1290-1299.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222320
    摘要135)   HTML11)    PDF (1561KB)(88)    收藏
    蒸发器温度控制存在时变性、非线性和滞后时间长等特性,传统控制方法难以实现温度的精确控制。通过对蒸发器的生产过程进行分析,提出了一种基于串级模糊自适应比例-积分-微分(PID)的蒸发器温度控制方法,将模糊控制理论和串级PID控制理论相结合,建立了主回路和副回路的模糊自适应PID控制连续功能图(CFC),实现了对蒸发器温度控制的主回路和副回路PID参数的实时修正。采用SMPT-1000仿真设备和西门子PCS7过程控制系统的研究结果表明:PID参数实时修正后,比例参数加快了系统响应速度,积分参数减小了系统的偏差,微分参数起到了超前控制作用;温度响应的调节时间缩短二分之一,最大偏差降低幅度超过五分之四;温度提升负荷的调节时间缩短幅度超过五分之三,最大偏差降低幅度超过五分之四;过热蒸汽干扰的恢复时间缩短幅度超过二分之一,最低和最高温度偏差降低幅度超过十分之一。与传统串级PID控制方法相比,串级模糊自适应PID控制具有调节时间短、超调量小、鲁棒性好等优势,克服了传统串级PID的不足,为解决蒸发器温度精确控制提供了一种有效途径和方法。
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    27. 熔池对流对废钢熔化过程影响数值模拟研究
    周小宾 滕宇 汪万行 岳强 朱正海
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1256-1267.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222403
    摘要134)   HTML4)    PDF (24471KB)(85)    收藏
    随着我国环保要求日益严格和废钢量的增加,转炉炼钢过程中对废钢的使用量将逐渐增加。因此,大量废钢加入转炉后废钢的熔化将是一个非常重要的问题。熔池中碳含量、熔池温度和熔池流动是影响废钢熔化的重要因素。本工作以废钢在铁水熔池中的熔化实验过程为研究原型,利用数值模拟方法对废钢熔化过程中熔池流动对废钢熔化的影响进行研究,主要考察了熔池自然对流和强制对流对废钢熔化过程的影响规律。结果表明,废钢浸入熔池后,熔池和废钢间的温差使界面附近区域产生自然对流,界面处的流动可以加速熔池和废钢间的传热,并驱动高碳铁水向熔化界面运动,加速熔化过程。废钢初始温度升高,熔池中产生的自然对流强度下降。当熔池中流动为强制对流时,废钢熔化速率大大提高。熔化进行到5 s时,初始温度为25℃时的废钢棒熔化速率为107 mm3/s,而初始温度为1000℃时的废钢棒熔化速率仅为50 mm3/s,不到前者的50%。在15 s时刻,自然对流作用下废钢熔化剩余量为1054 mm3,是驱动速度0.15 m/s下的2.3倍;在10 s时,强制对流驱动速度0.15 m/s时废钢的熔化速率约为自然对流下的1.8倍。
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    28. 二元颗粒在气固流化床中的轴向分布特性
    闫珺 金伟星 范怡平 鄂承林 卢春喜
    过程工程学报    2023, 23 (6): 837-846.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222204
    摘要132)   HTML5)    PDF (2638KB)(99)    收藏
    通过大型冷模实验测量了二元混合颗粒在流化床内沿轴向的压力分布,考察了混合颗粒截面平均浓度沿轴向的变化特点。通过分析床层压差分布的转折点,确定了密相区与稀相区的相交界面高度,根据实验结果给出了经验关联式。通过压力信号标准差分析了流化床内混合颗粒流化性能与表观气速和颗粒混合比例的关系。实验结果表明,平均颗粒浓度沿流化床轴向呈下降趋势,且在密相区中随表观气速增加而减小,在稀相区中随表观气速增大而增大。二元颗粒中大颗粒比例xl为0.685时,密相区总平均颗粒浓度存在最大值。密相区与稀相区相交界面高度随表观气速增大而提高。当0.225≤xl≤0.479和0.561≤ug≤1.122 m/s时,流化床内二元颗粒的流化性能和混合程度达到最佳。
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    29. 盐梯度太阳池储热性能提升与发电领域应用综述
    马豪 王华
    过程工程学报    2023, 23 (7): 972-986.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223111
    摘要130)   HTML3)    PDF (1859KB)(75)    收藏
    盐梯度太阳池是一种能够同时吸收并以热的形式储存太阳能的大面积盐水池,因其具有储热时间长、储热量大且能够提供稳定清洁的低温热源等优点而受到研究者们的广泛关注。传统盐梯度太阳池利用显热进行热量储存,但是其储热密度往往偏低。盐梯度太阳池的应用十分广泛,可直接对其进行热利用,为工业、农业以及日常生活等领域提供稳定的低温热源;还可利用盐梯度太阳池的热能进行热电转换,为各领域供电。本工作分析了影响盐梯度太阳池储热性能的关键因素以及提高盐梯度太阳池储热性能的方法,并对各种盐梯度太阳池热提取方法进行对比分析,并对国内外盐梯度太阳池在发电领域中的应用以及盐梯度太阳池发电技术的研究进行总结与分析,以期为盐梯度太阳池的建造、运行、维护以及在发电领域中的应用提供参考。
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    30. 凹壁面切向射流近壁面单颗粒尾流特性的大涡模拟
    张静 侯文浩 周承昊 田志国 龚斌
    过程工程学报    2023, 23 (11): 1497-1505.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223019
    摘要129)   HTML4)    PDF (6139KB)(220)    收藏
    采用大涡模拟研究了凹壁面切向射流作用下近壁面圆球型颗粒对流体流动特性的影响,模拟获得的尾涡结果与实验示踪剂图像吻合较好。研究了颗粒尾流的涡旋结构及其演变过程,考察了雷诺数Re=700~10 000时颗粒周围速度、涡量及流线变化。结果表明,随着雷诺数增加,颗粒的影响区域涡量增强,涡量的峰值始终出现在颗粒迎流面,颗粒后侧的回流区显著收缩。Re≥2000时在射流展向颗粒后侧存在两个尾涡,流体的切向速率和涡量均发生周期性波动。对颗粒的升力和阻力进行了监控,Re=2000时旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数St=0.000 854,升力功率谱中峰值对应的St=0.001 52;Re=10 000时阻力功率谱没有发现峰值,升力功率谱中峰值对应的St=0.008 74。
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    31. 流固耦合对微尺度下气体扩散层液态水流动的影响
    王杰敏 张赛 王庆泰 王宪军
    过程工程学报    2023, 23 (12): 1627-1636.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223096
    摘要129)   HTML6)    PDF (1468KB)(67)    收藏
    提出了一种重构碳纤维气体扩散层(GDL)微观结构的新方法,用于研究粗糙孔隙通道内速度场对GDL渗流量的影响。利用粗糙元和分形理论得到GDL内部孔隙通道随机分布模型,通过区分通道壁面亲/疏水性,得出了弥散速度占比、滑移增强系数、黏性增强系数和微尺度效应增强系数四种参数,并以此作为控制因素重构更加准确的内部速度分布,结合Darcy定律得到有效渗流系数模型。对GDL孔隙通道内部液态水的流动过程进行模拟,分析了不同粗糙度和接触角对液态水传输性能的影响。研究结果表明,孔隙通道粗糙元随机分布和不均匀流固耦合作用影响扩散层内部弥散速度、黏性、滑移速度的分布,四种控制因素共同作用于液态水的流动过程并促进液态水排出;相同粗糙度情况下,接触角为0o~180o时,亲水壁面滑移效应的促进作用大于弥散效应和黏性的抑制作用的程度逐渐增加,疏水壁面滑移效应的促进作用大于弥散效应和黏性的抑制作用的程度逐渐减小,流量变化曲线的斜率先显著增加后逐渐减小。新建立的扩散层内部液态水有效渗流系数模型可准确描述GDL内部液态水的流动规律,对GDL内部水管理具有一定的指导意义。
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    32. 旋流器结构对主吸收塔内流动特性的影响
    杨展玉 尹琦岭 王团亮 李玉阁 宋文明 张玉福 闫渊 魏利平
    过程工程学报    2023, 23 (10): 1401-1410.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222384
    摘要125)   HTML3)    PDF (17878KB)(114)    收藏
    高含硫天然气净化主吸收塔需要定期堆焊修复腐蚀部位,修复前后各需采用内燃法整体热处理技术进行消氢、消应处理。旋流器布置对空气分布及热处理过程中火焰调控具有重要影响,本工作分别对双级旋流器、单级旋流器I和II在吸收塔内的流动特性进行了模拟。结果表明,双级旋流器上方未产生明显回流区且速度分布均匀,内外两侧旋流叶片上方均产生较大的切向速度,空气入口速度为9.8 m/s的工况下产生的最大切向速度为8.33 m/s,其次为单级旋流器II的4.5 m/s和单级旋流器I的3.12 m/s。双级旋流器对应的塔内压降变化最小,证明其可有效产生低阻旋流场,且对应的塔底流线占比随气体质量流量变化可保持平稳,约为14%,与塔底壁面占塔体总表面积的百分比一致,能保证足够的气体介质回流塔底,促进气体对流。双级旋流器对应的90%塔内停留时间随气体质量流量增大而线性增长。总体上,双级旋流器的旋流效果优于其他两种旋流器,本研究可为内燃法整体热处理工艺旋流装置的优化设计提供参考。
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    33. 磁性活性炭制备及其在水处理中的研究进展
    汪前雨 张玉明 崔彦斌
    过程工程学报    2024, 24 (3): 259-272.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223228
    摘要123)   HTML6)    PDF (2257KB)(117)    收藏
    活性炭具有比表面积高、孔隙结构发达、表面官能团丰富、化学性质稳定等优点,是水处理中常用的吸附剂。吸附饱和的活性炭需从水中分离并进行再生处理以供重复利用。但传统分离方法耗时长、收率低、成本高,难以高效地将吸附饱和的活性炭从水中分离,在一定程度上限制了活性炭在水处理中的应用。通过对活性炭进行赋磁处理可制备得到吸附容量高、易于分离回收的磁性活性炭。同时,磁性活性炭具有良好的催化活性,可用于在高级氧化反应中高效降解水中有机污染物。因此,磁性活性炭在水处理领域具有广阔的应用前景。本工作主要介绍了磁性活性炭制备方法、微观结构和物化性质,综述了磁性活性炭在污水治理方面的研究进展,总结了磁性活性炭的吸附特性和再生方法,并对磁性活性炭在水处理中的发展趋势进行了展望。
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    34. 弗氏盐法废水除氯产物资源化及二次利用进展
    顾云 储鹏 葛冬冬 黄寿强 蒋敏 吕红映 张文欣 吕杨杨 吕扬 张雅珩
    过程工程学报    2024, 24 (2): 151-161.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223122
    摘要121)   HTML4)    PDF (1474KB)(83)    收藏
    废水中高浓度氯离子不仅会腐蚀工业设备,还易污染水环境。目前,已报道了一系列去除废水中氯离子的技术,如膜分离或浓缩、蒸发结晶、化学沉淀、吸附、离子交换、电解、氧化和溶剂萃取等。化学沉淀法在设备投资和可操作性等方面具有较大的优势,其中,相对于基于银、铜或铋等除氯方法,弗氏盐沉淀除氯法因所用原料来源广、价格低而得到广泛研究。但弗氏盐沉淀除氯后会产生大量的化学污泥,这些污泥主要含有弗雷德盐(3CaO?Al2O3?CaCl2?10H2O)、加藤石[Ca3Al2(OH)12]和氢氧化钙等,成分复杂,循环再生难。为使弗氏盐沉淀除氯法能够推广应用,对其除氯产物,特别是其中的弗雷德盐进行资源化再利用至关重要。本工作在介绍弗雷德盐成分结构特性的基础上,通过比较弗雷德盐不同制备方法,突出弗氏盐沉淀法(如超高石灰铝法和钙铝石法)既能去除氯离子又能得到弗雷德盐的优势。根据弗雷德盐含铝和钙成分和层状双金属氢氧化物结构特性,可进行有效的资源化利用,包括去除各类重金属阳离子(如Cu2+, Cd2+, Co2+, Zn2+, Pb2+)和含氧阴离子[如Sb(OH)6-, AsO43-, SeO42-, CrO42-),并制备聚合氯化铝混凝剂、作为污泥脱水调理剂等,这些用途都具有广阔的应用前景,为弗氏盐沉淀除氯法的进一步发展提供借鉴和探索方向。
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    35. 障碍微通道内气液两相流运动特性
    霍元浩 杨刚 张会臣
    过程工程学报    2023, 23 (12): 1617-1626.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222454
    摘要121)   HTML9)    PDF (5399KB)(124)    收藏
    微通道内障碍对气液两相流压力降和气泡形状具有显著影响。采用实验和数值模拟的方法探究了微通道内障碍位置对氮气/水气液两相流运动特性的影响,分析了不同气液流量条件下障碍微通道内压力降和气泡长度的变化规律。结果表明,障碍微通道内压降高于无障碍微通道,当障碍位于中心位置时,压降最大,这是由于障碍后产生涡流所致,且压降与涡流长度正相关;障碍微通道气泡长度相对于无障碍通道变化均在25%以内,且随着障碍趋近于中心位置,气泡长度变短;不同工况条件下气泡通过障碍时的形状变化呈现三种现象:回缩不发生破裂、回缩发生破裂和不回缩直接破裂。回缩不发生破裂时,回缩长度随毛细数增大而增大;回缩发生破裂时,回缩长度随毛细数增大而减小;回缩长度减小到0时,变为不回缩直接破裂。回缩长度的变化范围随着障碍趋近于中心位置逐渐变大。通过所有障碍过程中,不同工况条件下展现出不同的破裂与合并规律。数值模拟揭示了障碍后产生旋涡长度不同导致压降不同,在气泡破裂瞬间压力存在剧烈变化。通过障碍时,气泡形状的变化源于其周围液相流速的变化,障碍两侧子通道内的速度不同决定两子气泡经过障碍后的不同规律。
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    36. 代谢工程改造大肠杆菌生产戊二酸
    张芝兰 高聪 郭亮 陈修来 魏婉清 吴静 宋伟 刘立明
    过程工程学报    2023, 23 (9): 1340-1350.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222453
    摘要118)   HTML4)    PDF (2028KB)(94)    收藏
    戊二酸是一种重要的中间体,在化工、农业和医药等领域有着广泛的用途。目前,戊二酸的生物合成途径存在合成路径冗长、辅因子消耗多和产物得率低等问题。为开发高效的戊二酸合成方法,将酶工程和代谢工程相结合,构建了一条以葡萄糖为底物生产戊二酸的新途径。首先,通过数据库挖掘设计了一条由赖氨酸α氧化酶(LO)、单胺氧化酶(MAO)、α-酮酸脱羧酶(KDC)和醛脱氢酶(ALDH)组成的新型催化途径,引入赖氨酸生产菌株E. coli CCTCC M2019435后实现了戊二酸的从头合成;为进一步提高该路径的合成效率,针对路径的限速酶KpALDH进行理性分析和蛋白质改造,使酶的催化效率提高了66.5倍;在此基础上,通过代谢工程强化限速酶KpALDH的表达并阻断副产物乙酸代谢支路,使戊二酸得率提高了2.0倍;最后,优化戊二酸发酵条件,发酵结束时戊二酸产量提高到62.0 g/L,生产强度和得率分别达到1.6 (g/L)/h和0.3 g/g葡萄糖。
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    37. 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
    摘要117)   HTML6)    PDF (27370KB)(51)    收藏
    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。
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    38. 基于疏水离子配对法制备奥曲肽缓释微球的研究
    朱裕 韦祎 隋东霖 刘静璇 巩方玲 马光辉
    过程工程学报    2023, 23 (12): 1646-1656.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223064
    摘要117)   HTML7)    PDF (3357KB)(65)    收藏
    奥曲肽(OCT)在临床上常被用于治疗肢端肥大症、胃泌素瘤等神经内分泌肿瘤以及食管胃底静脉曲张破裂出血等疾病,应用广泛。由于OCT半衰期较短,对于治疗肢端肥大症等需要长期用药的疾病,患者需要频繁给药,这导致顺应性差,因此亟须开发一种能够提高病人依从性的长效缓释制剂。此外,奥曲肽是极易溶于水的小分子多肽药物,在制备微球的过程中易逃逸至外水相,导致微球载药量和包埋率低。本工作采用疏水离子配对(HIP)法制备了HIP-OCT复合物,考察了电荷比、pH值、温度对复合物结合率的影响,并对复合物的水溶性、解离率进行检测,从四种复合物中筛选出结合率93.77%,水溶性9.31%,解离率92.10%的十二烷基硫酸钠-奥曲肽(SDS-OCT)为最优复合物。该复合物改变了OCT的亲水性,克服了OCT在传统复乳法中包埋率低的难点。采用O1/O2/W复乳法结合快速膜乳化技术,在抽负压固化、药物浓度80 mg/mL、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)浓度200 mg/mL的条件下制备了均一SDS-OCT复合物PLGA微球,粒径为28.02 μm,Span值为0.776,载药量为6.51%,包埋率为72.00%。制备的SDS-OCT复合物微球体外加速释放基本符合零级释放的趋势,累计释放度接近100%;体内药效实验表明该微球在一个月内具有稳定的长效缓释作用。
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    39. 磁化水中氢氧化钙对半水硫酸钙形貌影响机制
    林星彤 雷大士 王宇斌 李亮 张帅 华开强
    过程工程学报    2023, 23 (7): 1081-1088.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222285
    摘要116)   HTML4)    PDF (2866KB)(67)    收藏
    为掌握在磁化水体系中氢氧化钙对半水硫酸钙水热产物形貌的影响规律,采用扫描电镜(SEM)、电导率和X射线衍射(XRD)等方法对半水硫酸钙试样进行表征,在此基础上阐明氢氧化钙对其形貌的影响机理。结果表明,在磁化水体系中氢氧化钙对半水硫酸钙水热产物的形貌有明显的调控作用。随氢氧化钙浓度增大,水热产物的形貌由纤维状先转变为板状,后转变为柱状,并且在此过程中,有少量颗粒状形貌产物出现,其可能是氢氧化钙和二水硫酸钙晶体的混合物。当氢氧化钙的浓度为5.0×10-7 mol/L时,水热产物的形貌主要为纤维状。随着氢氧化钙浓度的增加,当其浓度为5.0×10-5 mol/L时,Ca2+通过同离子效应抑制二水硫酸钙溶解,导致SO42-数目减少,同时,OH-与SO42-产生竞争吸附并以化学吸附的形式作用于半水硫酸钙晶体的(002)晶面,不利于生长组元在该晶面的沉淀,导致晶体形貌向板状转化。当其浓度为5.0×10-3 mol/L时,溶液中过大的Ca2+浓度有利于半水硫酸钙晶体沿(200)和(110)晶面生长,而OH-抑制(002)晶面生长,在二者共同作用下,晶体形貌转变为柱状。研究可为磁化水体系中制备不同形貌半水硫酸钙水热产物提供一定的参考意义。
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    40. 毫米级菱镁矿颗粒流态化热分解反应行为及其动力学特性研究
    高峰 付亮亮 白丁荣 许光文
    过程工程学报    2023, 23 (10): 1435-1445.   DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.222470
    摘要116)   HTML3)    PDF (5290KB)(79)    收藏
    流态化热分解毫米级菱镁矿颗粒是提高和促进小颗粒菱镁矿资源利用的有效途径,但有关基础研究尚处于空白阶段。对此,本工作选取粒径范围为0.3~3 mm的四种颗粒样品,利用直径为30 mm的实验室流化床反应器结合在线质谱分析仪,研究了不同温度下菱镁矿颗粒流态化热分解行为。结果表明,菱镁矿颗粒热分解速度随床层温度升高和粒径减小而加快。随着颗粒粒径增大,反应界面缩小,活化分子减少,表观活化能减小。随着反应程度加深,热分解反应控制机理逐渐由化学反应控制向颗粒内扩散和传热控制转变。本研究揭示了毫米级菱镁矿颗粒流态化热分解行为,对开发新型流态化制备菱镁矿颗粒热分解产品提供基础数据支持,对高温流态化制备毫米级尺寸高密度重烧镁砂技术也具有重要的参考价值。
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