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    2024年 第24卷 第11期    刊出日期:2024-11-28
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    本期封面和目录
    过程工程学报. 2024, 24(11):  0. 
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    相关文章 | 计量指标
    综述
    锂云母提锂技术研究进展
    杨泓 钟巍 钟发平 赵佳慧 李栋 张磊 郭学益
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1251-1262.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224019
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    相关文章 | 计量指标
    锂及其化合物是现代工业不可或缺的材料,在电池、陶瓷、润滑剂等领域有着重要应用。尽管我国含有丰富的锂资源,但大部分赋存于盐湖卤水中,受资源禀赋和地理位置气候的限制,其产能无法满足我国新能源产业快速发展的需求,矿石提锂已成为重要的锂产品来源。江西宜春地区拥有我国最大的伴生锂云母资源,开发利用其中锂云母资源对保障我国锂资源的可持续发展具有重要意义。本工作综述了现有锂云母提锂工艺的原理和优缺点,在对现有方法的认识基础上,对酸法、碱法和盐法等典型锂云母提锂工艺进行了总结和评价,其中酸法工艺较为成熟,但存在浸出液除杂困难、提锂效率低和设备腐蚀问题;碱法工艺虽然提锂效率高,但其反应机理尚未明晰,废渣难以利用;盐法工艺虽然对锂的选择性高、工艺简单,但也存在能耗高、渣量大的问题。锂云母提取工艺的发展方向应致力于多种技术协同处理,实现有价元素高效、经济和环保的提取,为此提出了一些工艺改进的措施,旨在为未来工艺的研究、开发、优化和工业应用提供参考。
    研究论文
    平板式陶瓷膜过滤特性数值模拟
    卢铮 安燕 邓洋 程燃 刘海 田蒙奎
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1263-1273.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224044
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    相关文章 | 计量指标
    平板式陶瓷膜因其耐腐蚀、耐磨蚀、处理能力大等优点,广泛用于铁矿、铜矿、磷矿等金属、非金属料浆过滤分离过程。为深入探究平板式陶瓷膜在磷精矿分离过程内部流场特性,进一步优化工艺参数、膜结构和膜污染防治,建立了平板式陶瓷膜仿真模型,通过实验和计算流体力学分析,先验证多孔介质模型在模拟中的可靠性,然后研究了陶瓷膜过滤纯水时内部压力、流量的变化以及空气进入、工作压力、矿浆浓度对过滤的影响。模拟结果表明,空气进入对工作压力为-0.08 MPa时的真空度影响最大;瞬态仿真揭示了陶瓷膜在过滤时从开始抽气到流量稳定全过程的变化规律,发现开始过滤的前3 s为其高效过滤区间,之后流量下降并稳定,稳定流量大小取决于出口工作压力;-0.06和-0.08 MPa的工作压力在5 s内累积过滤流量差异极小。研究结果可为不同工艺需求选择高效过滤的时间和适用压力,及提高生产效率和降低能源消耗提供理论指导。
    焙烧改性对含锌电炉尘可见光光-芬顿催化性能的影响
    周芮 黄时雨 刘伟明 吴照金
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1274-1283.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224047
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF (1367KB) ( )  
    相关文章 | 计量指标
    对马钢现场采集的含锌电炉尘进行焙烧改性,以酸性橙II (AOII)为模型污染物评估焙烧对其可见光光-芬顿催化活性的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光电化学工作站等对含锌电炉尘的物相结构、微观形貌和光电化学性能进行表征分析,并讨论了相关机制。结果表明,含锌电炉尘具有良好的可见光催化活性,焙烧对其组织结构、载流子浓度及分离和输运行为影响显著,从而影响其光-芬顿催化性能。260℃焙烧使含锌电炉尘的载流子浓度提高1.66倍,且具有最佳的载流子分离和输运性能,其对AOII的2, 4和6 h降解率较未焙烧样分别增加47.6%, 11.1%和7.4%,6 h降解率高达94.2%。提高焙烧温度至510和650℃,含锌电炉尘中ZnO和部分Fe3O4转为ZnFe2O4,导致颗粒粗化并削弱其光催化性能。温和焙烧的含锌电炉尘可作为低成本、高可见光活性的光-芬顿催化材料,在治理工业废水中有机污染物领域具有应用潜力,对冶金固废高附加值利用和环境可持续发展具有积极意义。
    基于BP神经网络与遗传算法的液烃回收装置参数预测与优化
    王梓龙 刘桂莲
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1284-1296.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224072
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    相关文章 | 计量指标
    天然气液烃回收装置中,各操作参数间关联密切,混合制冷剂的组成和配比直接影响系统能耗和产品质量。基于某液烃回收装置的实际生产数据建立了该系统的BP神经网络模型,可根据天然气进料和生产要求变化优化预测混合制冷剂配比及其他关键操作参数。该模型整体预测精度较高,大多输出参数的平均绝对百分比误差小于5%,最小误差低至0.118%。用遗传算法对预测效果不理想的输出参数进行优化,制冷剂分离器液相流量误差由9.208%降低至3.321%,塔顶一板压差误差由9.602%减小为4.051%。基于所建立的GA-BP神经网络模型在夏、冬两季不同进料条件下,对制冷剂组分和制冷剂分离器液相流量、压力两项关键操作参数进行优化。优化结果表明,在夏季工况下应适当增加混合制冷剂中甲烷、丙烷和异丁烷的摩尔分率和液相制冷剂流量,并减少制冷剂中乙烯的摩尔分率。在冬季工况中,应适当减少异丁烷摩尔分率,并降低液相制冷剂压力。以夏季进料条件为例,优化混合制冷剂配比和各项操作参数,优化后制冷系统能耗降低518.12 kW。
    基于正交试验的钢渣中钙的萃取研究
    王瑞 颜峰 孔垂元 汤长西
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1297-1307.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224032
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    相关文章 | 计量指标
    钢渣和CO2是钢铁工业排放的两大废弃物。利用钢渣进行间接碳酸化可实现Ca循环和减少碳排放的双重效益,从钢渣中有效浸出Ca是间接碳酸化过程的关键步骤。然而,钢渣中的Ca存在于不同的Ca基相中,不同活性的相导致其浸出效率不同。为探究钢渣Ca基相在浸出过程的溶解规律和反应机理以及浸出工艺对浸出效率的影响,本工作以NH4Cl溶液作为萃取剂浸出钢渣,采用热力学计算方法预测钢渣含钙相的溶解行为,并通过正交试验研究固液比、萃取剂浓度、浸出温度3个主要工艺参数对浸出效率影响大小的关系,使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)和粒度分布等对浸出前后钢渣的矿物组成、表面形貌、元素分布和粒度变化进行表征。结果表明,在常压环境下,影响钢渣Ca浸出效率的因素,按其影响大小依次为固液比、浸出剂浓度和浸出温度,在固液比为1:40、浸出温度为80℃、浸出剂浓度为3 mol/L的条件下,浸出1 h后,溶液中Ca2+浓度为4689.4 mg/L,浸出率达63.1%。热力学计算结果和XRD, SEM-EDS分析都表明,NH4Cl选择性从含钙物相中浸出Ca,而铁则留在渣中形成富集,在此过程中,钢渣颗粒尺寸逐渐减少,其表面产生裂缝和孔洞,有利于增加钢渣与NH4Cl溶液的接触面积。
    铁氧化物对高砷污酸除砷及合成臭葱石的影响规律研究
    柴增斌 祝星 杜勃雨 江南
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1308-1317.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224079
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    相关文章 | 计量指标
    为实现高砷污酸无害化处置及砷高效固化,本工作提出了固体铁源除砷的思路,探究了铁氧化物对高砷污酸除砷及合成臭葱石的影响规律。结果表明,常温下铁氧化物与污酸充分反应可以提供铁离子并降低pH,有利于砷酸根沉淀反应的启动及臭葱石的成核结晶;发现了砷酸根离子促进铁氧化物溶解的现象,揭示了酸性环境下“铁氧化物溶解-砷酸根沉淀”的互促效应是实现高效除砷的重要途径;Fe3O4磁性纳米颗粒(MNPs)在除砷过程中会发生Fenton反应,促进Fe3O4溶解、加速砷酸根沉淀,除砷性能最优;在反应时间为12 h、pH为1.5、Fe/As摩尔比为2、反应温度为90℃时,Fe3O4的污酸除砷效率达到99.93%;提出了一种MNPs高效处置污酸新工艺,在臭葱石除砷基础上利用MNPs吸附性及磁性特征,实现了砷深度脱除及高效固化。
    二胺类药剂对霓石絮凝沉降性能的影响及吸附机理研究
    胡义明 曹阳 黄洋 杨诚 高翔鹏 李明阳
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1318-1325.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.223367
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    相关文章 | 计量指标
    霓石是一种常与铁矿石伴生的脉石矿物,由于其自身硬度较低,在磨矿过程中极易泥化,对铁尾矿絮凝造成不利影响。本研究通过絮凝沉降实验探索了6种分子两端均为氨基的二胺类药剂对霓石絮凝性能的影响,并通过对比实验筛选出了絮凝效果最佳的絮凝剂1,8-辛二胺(ODM)。絮凝沉降实验结果表明,在pH=6、ODM质量浓度为0.1wt%时ODM对霓石的絮凝效果最佳,此时霓石可在60 s内沉降完全,絮凝沉降速度约是自由沉降的4倍。此外,通过Zeta电位测量、红外光谱分析(FTIR)和X射线光电子能谱测试(XPS)等表征得出ODM在霓石表面的吸附机理。实验结果表明,ODM主要通过静电吸附和氢键吸附作用于霓石表面,且静电吸附在吸附过程中占据主导作用。
    钒钛磁铁矿钠化冶炼渣与SiC耐火材料间的润湿及界面行为研究
    赵斐 边志伟 赵宏欣 陈德胜 王丽娜 甄玉兰 袁章福 齐涛
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1326-1334.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224108
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    相关文章 | 计量指标
    为了研究SiC耐火材料在钒钛磁铁矿钠化冶炼工艺中的耐腐蚀性能,本工作对钒钛磁铁矿钠化冶炼渣与SiC耐火材料基板间的润湿及界面行为进行了研究。研究过程采用高温润湿实验装置,以钒钛磁铁矿钠化冶炼渣及SiC耐火材料为实验原料,采用静滴法考察了Na2O含量的变化对熔渣与耐火材料之间润湿及界面行为的影响。结果表明,随着熔渣中Na2O含量的增加,熔渣的熔点明显降低,在SiC基板上润湿铺展效果变好。同一时间及温度下,熔渣与SiC耐火材料基板间的接触角随着Na2O含量的增加而减小,熔渣与SiC耐火材料基板之间的界面能也随之降低,使熔渣与SiC耐火材料基板粘接紧密,两相之间更容易润湿;熔渣中生成的大量含钠低熔点化合物降低了熔渣的黏度,提高了其流动性,渣中分子或离子的传质扩散增强,从而加速了SiC耐火材料的氧化。Na2O含量从20.00wt%增加至40.00wt%,熔渣与基板间从分离状态过度到粘连状态,最终出现均匀的反应层。SiC耐火材料对20.00wt% Na2O含量的熔渣具有较好的抗侵蚀效果,随着Na2O含量增加,抗侵蚀性能逐渐下降。研究结果为钒钛磁铁矿钠化冶炼过程中耐火材料的抗渣研究提供了一定的依据。
    二氢杨梅素在黄铜矿与方铅矿浮选分离中的作用机理
    秦双 方建军 何海洋 邱芝莲 彭礼国 董诗钦
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1335-1343.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224074
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    通过纯矿物浮选试验、接触角测量、紫外分光光度计(UV)和X射线光电子能谱(XPS)分析考察了二氢杨梅素(DMY)对黄铜矿和方铅矿浮选行为的影响,并研究了DMY对方铅矿的抑制作用机理。在人工混合矿浮选试验中,使用1.0×10-4 mol/L的DMY作为抑制剂,获得铜精矿品位和回收率分别为29.28wt%和99.04%,铅精矿品位和回收率分别为86.29wt%和87.55%。接触角测量结果表明,加入DMY后方铅矿接触角降低了13.78°,显著影响了方铅矿表面的润湿性。吸附量测试结果表明,方铅矿对DMY的亲和力大于黄铜矿,同时经DMY处理后,方铅矿表面捕收剂吸附量显著降低,而黄铜矿的变化较小,这种捕收剂吸附量的差异进一步增大了两者的可浮性差异。XPS分析结果表明,DMY的羟基与方铅矿表面氧化的金属氢氧化物通过Bronsted酸碱相互作用形成氢键,并吸附于矿物表面,从而阻碍了捕收剂与矿物的作用。
    实验条件对共沉淀法合成的Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2中杂质含量的影响
    韩倩影 杨丽 王浩亮 陈日志 程景才 杨超
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1344-1353.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224102
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    在共沉淀法合成三元锂离子电池正极材料的前驱体过程中,铁、铝、镁、铜、硫等杂质的残留会对最终合成的正极材料的电化学性能产生不利影响。现有研究缺少关于共沉淀条件对前驱体颗粒中杂质掺入的影响规律与机理分析。本工作采用多种表征方法分析共沉淀法合成的Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2中的杂质种类、含量及结构,杂质主要为钠、镁、钙、铁、铜、锌、铝、硫,可能分布在前驱体颗粒的晶内、晶间、晶体表面。结果表明,氨水浓度对铁、铜、锌、铝的含量影响较大。在pH值11.7条件下合成的前驱体为胶体,具有较大的比表面积,吸附的钠和硫含量最高,分别为28134.62和12898.50 μg/g。搅拌转速的变化对硫含量的分布有一定影响。优化三元前驱体共沉淀过程工艺条件对控制前驱体中杂质含量、提升最终三元正极材料电化学性能及安全性具有重要意义。
    三维中空多孔Mn2O3纳米球设计制备及储锌性能提升研究
    韩世昌 余水华 张韩方 章泽恺 楚化强
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1354-1363.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224052
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    Mn2O3作为水系锌离子电池(AZIBs)的正极材料,因其卓越的储能潜力受到研究者广泛关注。然而,其应用受到材料体积膨胀和锰溶解造成的可逆性较差等因素的制约。针对这些挑战,本研究通过水热法和热处理工艺,成功制备了具有独特三维中空多孔结构的Mn2O3纳米球。这种独特的三维中空多孔结构赋予了Mn2O3更大的比表面积和更优越的离子扩散通道,从而使其具备出色的储锌性能。研究结果表明,在0.1 A/g的电流密度下,Mn-450-2h电极材料展现出高的比容量,达636 mAh/g,在经历了50次充放电循环后其比容量仍保持在330 mAh/g。同时,在0.5 A/g的电流密度下,Mn-450-2h电极材料经过500次循环后,放电比容量能够稳定在100 mAh/g。此外,对电化学储锌机制的详细分析揭示了材料的物理化学特性与其电化学性能之间的关系,为构建先进的锰基氧化物电极材料提供了新的视角和方向。
    基于压电响应的石墨相氮化碳材料的抗菌性能
    马文峻 王笑泽 张婧坤 陈运法
    过程工程学报. 2024, 24(11):  1364-1374.  DOI: 10.12034/j.issn.1009-606X.224098
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    二维石墨相碳氮化物(g-C3N4)因具有规则分布的非中心对称孔,可以产生压电响应而在抗菌领域得到了广泛关注。本研究设计制备了两种含氧官能团包括羟基和羧基化的二维g-C3N4材料。研究表明,含氧官能团改性后g-C3N4的结构保持较好。压电响应力显微镜(PFM)测试证实了这些复合材料具有不均匀的表面电位分布且羟基化和羧基化材料压电性能均有显著提高。活性氧物种测试结果显示羧基化材料表现出了较强的超氧阴离子(?O2-)信号但是羟基化材料并未表现出自由基信号。这可能是由于羧基基团具有比羟基更强的吸电子能力,在压电场下促进了电子-空穴对的分离并增强了材料俘获电子的能力,俘获的电子再还原周围的吸附氧产生了大量?O2-。体外抗菌测试显示,?O2-诱导的氧化应激与物理切割相结合,对大肠杆菌的抗菌率达到了5log (99.999%),对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到了4log (99.99%),超过了纯相g-C3N4和羟基化g-C3N4-H。这些发现突出了含氧官能团改性g-C3N4材料的抗菌潜力,可作为光限制环境中有希望的候选抗菌材料。