过程工程学报

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过程工程学报. 2020, 20(10): 0.

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浮选设备流体力学特征参数研究现状

韩继康王伟之张伟单志伟王东

过程工程学报. 2020, 20(10): 1121-1133. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.220139

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浮选设备是矿物加工工程领域一种重要的气液反应装置，主要包括浮选机和浮选柱。浮选设备应用已有百年历史，随着选矿技术水平的提高，浮选设备逐渐向自动化、大型化的方向发展。近年来对浮选设备内流体力学特征参数的研究解析越来越多，进一步促进了设备的合理放大和优化。本工作在简要介绍目前浮选设备的发展和应用现状后，总结了国内外学者对浮选设备内气泡尺寸、气含率和气泡速度3个重要流体力学特征参数的检测方法和研究现状，提出了在今后研究中，开发以机器视觉为核心的检测技术和强化侵入式检测装置的适用性是流体力学特征参数检测手段的发展方向之一。

微芯片中磁性液滴的生成与操控综述

龙超陈瑞翟持陈飞杨春曦

过程工程学报. 2020, 20(10): 1134-1146. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219346

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磁性液滴以其微尺度、多相流属性和非接触式操控特性，近年来因在生物细胞分离、靶向药物治疗等方面的成功应用受到来自科学界和企业界学者们的广泛关注，如何操控磁性液滴精确运动到设定位置是主要难点。本工作从磁性液滴的生成方式、运动基本机理及操控方法三个方面，对目前存在的主流磁性液滴生成与操控的方法进行了整理。目前对于磁性液滴的操控方法可分为三类，第一类是永磁铁?机械式操控方法：该方法将永磁铁放置在一个机械移动平台上，通过移动平台改变永磁铁与微芯片的距离进而改变磁场，最终实现操控液滴的目的；第二类是电磁铁?电气式操控方法：以高速照相机拍摄液滴运动的位置误差为检测信号，将检测信号传递给控制器，最终通过改变电磁铁的磁场强度实现对液滴的操控；第三类是永磁铁/电磁铁?电气式混合控制方法：通过将两者的优缺点进行互补，最终达到更优控制。总结了目前存在方法的缺陷和难点，指出了磁性液滴在未来发展中的一些可行的研究方法和研究方向。

基于CFD-DEM方法的净化器流场模拟与结构优化

沈文豪张亚新宋江

过程工程学报. 2020, 20(10): 1147-1155. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219356

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针对空气净化器能耗高的问题，使用离散元方法(DEM)在吸附滤网中建立随机堆积柱形活性炭模型，采用计算流体力学(CFD)方法对空气净化器内部流场进行数值模拟，在模拟与实验验证的基础上，考察了压降最小、流场最均匀的吸附滤网结构。结果表明，空气净化器压降主要发生在轴向，活性炭吸附滤网中回流、沟流现象严重，流体阻力是其他两种滤网的3倍。边数对多边形填充孔结构吸附滤网内压降与流场均匀性无影响，当孔结构改为圆形时，压降减小约52 Pa，节能18.4%(49 W)；当孔直径由8 mm增至12 mm，压降减小约48 Pa，节能19.4%(45 W)；滤网间距对空气净化器压降无影响，圆形、小孔径的吸附滤网内流场最均匀。

选择性还原氨浸从高硅低品位铜钴矿中提取铜、钴的工艺及其浸出动力学

龚傲吴选高喻小强王定纯徐志峰田磊

过程工程学报. 2020, 20(10): 1156-1165. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219351

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研究了非洲高硅低品位铜钴矿氨浸体系下的浸出工艺与动力学。首先采用控制变量法，通过单因素实验，系统研究了浸出剂浓度、添加剂用量、反应温度、反应时间及液固比对铜钴浸出率的影响，其次通过X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体(ICP)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)对高硅低品位铜钴矿和浸出渣的物相及化学成分进行了分析对比。最后，对高硅低品位铜钴矿氨浸提取铜的动力学模型进行分析。结果表明，用硫酸铵作为浸取剂，在硫酸铵浓度为300 g/L、还原剂用量为0.7 g、浸出温度为353 K、反应时间为240 min、液固比为6:1的工艺条件下，铜的浸出率可达97.29%，钴的浸出率可达95.18%。高硅低品位铜钴矿氨浸提取铜的活化能、硫酸铵浓度的反应级数及粒度的反应级数分别为76.06 kJ/mol, 1.50和0.25，表明其应遵循界面化学反应控制，并建立了相应的动力学方程。

磁性助凝剂资源化制备及强化污染物沉淀分离

孟晓飞侯蓉赵赫许斌杨林浩

过程工程学报. 2020, 20(10): 1166-1173. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219353

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通过高温碳化处理，研发并优化磁性助凝剂的资源化制备，并回用于混凝过程强化污染物的沉淀分离。采用磁化曲线、扫描电镜等表征手段，对不同高温制备得到的磁性助剂进行结构及形貌的表征。进一步对混凝过程中絮体的粒度粒型分析得知，磁性助剂有利于污染物的沉淀分离，加入700℃碳化后的磁性助剂(PFS:RW700=1:1.43)使污染物的沉淀分离效率提高至99.45%。磁性助剂带有的磁性使助剂易被絮体包裹，从而加速沉降；磁性助剂中含大量的碳且表面带有羧基等官能团，具有一定的吸附能力；经高温碳化结晶度增加且颗粒大小均一，有利于成核加快絮体增长。通过优化磁性助剂与聚合硫酸铁(PFS)的投加比，仍保持较高的污染物去除率，与活性炭相比，水处理成本降低了2 RMB/t，为解决混凝污泥资源化途径提供技术支撑。

钙化-酸浸提钒沉钒母液中锰的回收

张菊花梁月张伟薛正良

过程工程学报. 2020, 20(10): 1174-1181. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219354

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对钙化?酸浸提钒沉钒母液中锰资源的回收，一方面可以提升提钒工艺的经济效益，另一方面可避免母液循环时锰浓度不断累积而影响氧化钒产品质量，从而有助于实现母液闭路循环而提升全流程的环境效益。本工作提出了采用草酸沉淀法高效回收沉钒母液中的Mn2+，考察溶液体系pH值、草酸加量系数、反应温度和时间对锰回收率及沉淀产物物相组成的影响，以及草酸沉淀分离锰后母液的循环次数对钒浸出过程的影响。结果表明，草酸沉淀法可高效分离沉钒母液中的Mn2+，在溶液体系pH=4.0、草酸加量系数为1.5、反应温度为50℃、反应时间为60 min的条件下，锰回收率达94.33%，所得产物为纯度大于98%的水合草酸锰，为片状晶体，并呈花簇状生长。将脱锰后的沉钒母液循环至酸浸段，对钒浸出率及浸出液中锰的浓度没有明显影响，表明该方法有助于实现钙化?酸浸提钒中废水的闭路循环。

盐离子对蒙脱石水化膨胀特性的影响

陶源清颜克凤李小森陈浩

过程工程学报. 2020, 20(10): 1182-1189. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219364

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采用热失重法与经离心法、直接烘干法、冷冻干燥法结合对蒙脱石样品水含量进行测量，分析了NaCl浓度对蒙脱石中结合水与自由水含量的影响，探讨了蒙脱石中总含水量及结合水含量随NaCl溶液浓度变化的规律，研究了NaCl溶液中蒙脱石的水化膨胀特性及盐离子的抑制作用。结果表明，蒙脱石的水化膨胀受盐离子的抑制，盐离子的存在减小了渗透水化力，影响了水分子间的范德华力及水分子和蒙脱石表面间的氢键力和静电引力，总含水量随盐离子浓度增加而降低，盐离子浓度为0.2 mol/L时趋近最低值，样品膨胀程度由6.6缩小至1.6，盐离子对蒙脱石水化膨胀的抑制作用达峰值。盐离子浓度大于0.2 mol/L时，随盐离子浓度增加，自由水与结合水含量变化不明显。

多晶硅金刚线切割废料制备Al-Si合金过程中的热力学和动力学分析

肖庭吕国强王均鹏杨雄东马文会

过程工程学报. 2020, 20(10): 1190-1197. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219333

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通过X射线衍射仪、X射线荧光光谱分析仪、傅里叶变换红外光谱仪分析了金刚线切割多晶硅废料的组分及其体系中存在的硅氧化物，研究了铝与切割废料合金化过程中可能存在的化学反应过程，采用HSC Chemistry 6.0软件对其反应体系进行了热力学分析，利用差热分析法研究了铝热还原切割废料中SiO2的动力学过程，对金刚线切割多晶硅废料进行了掺铝制备铝硅合金的实验研究。结果表明，金刚线切割多晶硅废料和铝粒按不同铝硅摩尔比兑掺后，在电磁搅拌的作用下，合金化的温度范围为800~1600℃，铝热反应可将废料中少量的SiO2杂质还原成单质Si，铝热还原二氧化硅的活化能为364.1 kJ/mol，反应级数为0.91，实验样品的EPMA和XRD等表征结果表明合金成分和渣相与热力学分析完全吻合，合金化效果明显。

基于疫苗颗粒完整性的硅胶吸附/解吸附纯化重组乙肝表面抗原工艺研究

胡胜杰黄永东赵岚朱凯苗壮王飞晋洪超李建杨珺汪和睦马光辉袁洪水

过程工程学报. 2020, 20(10): 1198-1209. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219329

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针对重组汉逊酵母乙肝表面抗原(HBsAg)在传统纯化过程中稳定性差的问题，采用静态光散射、荧光光谱和动态光散射等分析手段，从颗粒完整性角度研究其在不同pH条件下的稳定性变化。以其为指导，采用硅胶吸附/解吸附纯化HBsAg，建立该过程中关键因素的响应面模型，并与疏水层析联用，进一步纯化HBsAg，分析纯化效果以及纯化后疫苗颗粒完整性。采用透射电镜观察纯化后疫苗形貌，用高效分子排阻色谱法(HPSEC)分析颗粒稳定性。结果表明在酸性溶液下，pH接近HBsAg等电点时，抗原颗粒间静电斥力减小，颗粒容易聚集；碱性条件下，抗原颗粒内部疏水基团暴露，造成颗粒解聚。建立响应面模型，以活性收率为响应值时，最佳纯化工艺为吸附pH=7.43，洗脱pH=10.48，洗脱温度55.4℃，此时活性收率最高为39.1%；以纯化倍数为响应值时，吸附pH=7.16，洗脱pH=10.52，洗脱温度55.1℃，此时纯化倍数最高为1.90。进一步对洗脱液进行疏水层析纯化，活性收率为49.73%，颗粒完整性为85.79%，透射电镜观察到抗原颗粒粒径为20~40 nm。与传统疏水层析方法相比，采用硅胶吸附/解吸附与疏水层析联用的纯化方法，疫苗活性收率提高31.99个百分点，颗粒完整性提高20.90个百分点，颗粒稳定性提高22.93个百分点。该研究为高效纯化重组HBsAg及提高疫苗纯化过程的颗粒完整程度等提供新思路。

多铜氧化酶在大肠杆菌中的分泌表达

杨涛陈坚方芳

过程工程学报. 2020, 20(10): 1210-1217. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219370

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生物胺是存在于发酵食品中的一类有机物，过量摄入会危害人体健康。多铜氧化酶中的某些酶具有降解多种生物胺的活性，在减控发酵食品中的氨(胺)类危害物方面具有良好的应用前景。研究多铜氧化酶的分泌表达，对酶的特性改造和工业化生产与应用具有重要意义。本研究通过在解淀粉芽孢杆菌来源的多铜氧化酶N端融合信号肽PhoA实现了多铜氧化酶在大肠杆菌中的分泌表达，胞外酶活为69.8 U/L。通过优化诱导条件和酶的分泌确定了多铜氧化酶最优发酵条件为诱导温度25℃、IPTG浓度0.05 mmol/L、诱导时菌体OD600=1.0、诱导6 h后添加150 mmol/L甘氨酸；发酵40 h时胞外多铜氧化酶酶活达到238.1 U/L，是优化前的3.4倍。

致密超细球形氧化铝制备性能良好的陶瓷超滤膜

罗盼欧阳玉阁丁飞范俊梅袁方利

过程工程学报. 2020, 20(10): 1218-1226. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219378

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热等离子体制备的超细球形氧化铝具有表面致密光滑、分散性好等特点，本工作以超细球形氧化铝为原料，通过浸渍提拉烧结法，制备了孔径分布窄、渗透通量高的陶瓷超滤膜，研究了烧结温度对陶瓷膜微孔结构的演化、孔径分布和渗透通量的影响。随后对1250℃下烧结的陶瓷膜进行了纳米硅水分散液过滤处理，采用不同堵塞模型分析了陶瓷膜过滤纳米硅水分散液的膜污染过程。结果表明，通过调节烧结温度调控陶瓷膜的微孔结构，当烧结温度为1250℃时，陶瓷膜的孔径分布较窄，孔径大小为25?65 nm，渗透通量为986.4 L/(m2?h)。超细球形氧化铝粒径分布较窄及表面致密光滑有助于1250℃下烧结形成均匀的烧结颈，提供了陶瓷膜较窄的孔径分布。对1250℃下烧结的陶瓷膜进行了纳米硅水分散液过滤处理后其浊度下降为0.231 NTU，浊度去除率达99.96%。采用不同堵塞模型分析了陶瓷膜过滤纳米硅水分散液的膜污染过程，结果表明，纳米硅水分散液的堵塞模型是滤饼过滤，属于可逆污染。

纳米Nb粉对等离子弧喷焊铁基合金组织与耐磨性的影响

徐露露张文旭詹龙胜李明喜

过程工程学报. 2020, 20(10): 1227-1233. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219359

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采用等离子弧喷焊技术在Q235表面制备未添加与分别添加1wt%, 3wt%和5wt%纳米Nb粉的铁基合金喷焊层。通过X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对喷焊层的相组成、显微组织、微区成分及磨损形貌进行分析；利用维氏硬度仪和销盘磨损仪检测喷焊层截面硬度和表面耐磨性。结果表明，铁基喷焊层主要由α-Fe, γ-Fe和Cr7C3组成，添加纳米Nb粉后原位生成NbC相，且随Nb含量增至5wt%，出现了Cr23C6相。纳米Nb粉的加入使喷焊层组织中未转变的奥氏体增多，组织形貌由近等轴晶转变为树枝晶，并且添加5wt%纳米Nb粉的喷焊层组织发生明显细化。添加纳米Nb粉使喷焊层的硬度明显提高，其中添加1wt%和3wt%纳米Nb粉的喷焊层硬度均可达约766 HV0.3。纳米Nb粉的加入同时提高了喷焊层的耐磨性，磨损机制由黏着磨损变为磨粒磨损。

海洋天然气水合物储层拉削开采新方法及可行性分析

宋震李凯莉孙嘉航吕忠蕾

过程工程学报. 2020, 20(10): 1234-1240. DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.219377

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针对深水浅层非成岩天然气水合物借鉴刨煤机刨削采煤过程提出一种新的拉削开采方法，参照拉刀结构特点设计了一种集开采、收集和输送为一体的拉削管。建立了拉削开采三维模型，对其工作原理和工作步骤进行了说明。用有限元仿真对采空区和拉削管受力进行了分析。结果表明，岩土力学仿真下采空区开采半径和开采角度的增大都会引起剪切应力的增加，最大剪切应力发生在采空区上部的起始位置和终止位置；在不发生剪切破坏的采空区中选择体积较大者作为理想采空区，估算出拉削开采方法的日产气量为142000 m3，具有应用潜力；开采工况下，拉削管的最大等效应力小于管材的屈服极限，表明开采过程中拉削管处于弹性形变，满足方法需求。

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