化學(xué)工程綜合

剛?cè)峤M合攪拌槳強(qiáng)化攪拌槽中流體混沌混合

劉作華，陳超，劉仁龍，等

摘要：目的：攪拌槽內(nèi)普遍存在著2種不同類(lèi)型的混合區(qū)，混沌混合區(qū)和規(guī)則區(qū)。增大混沌混合區(qū)，是提高流體混合效率，降低攪拌過(guò)程能耗的重要途徑。而合理設(shè)計(jì)攪拌槳有助于流體形成適宜的流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)混沌混合。從攪拌槳的結(jié)構(gòu)考慮，對(duì)傳統(tǒng)剛性攪拌槳進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)將柔性體與剛性體組合，設(shè)計(jì)出具有多體運(yùn)動(dòng)行為的剛?cè)峤M合攪拌槳，從而強(qiáng)化攪拌槽中流體的混沌混合。方法：以自來(lái)水為介質(zhì)，雙層槳攪拌反應(yīng)器為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)是在室溫（25±2）℃下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用數(shù)據(jù)采集軟件 LabVIEW 采集攪拌槽內(nèi)壁壓力脈動(dòng)時(shí)間序列信號(hào)，采樣頻率fs設(shè)定為1000 Hz，通過(guò)小波分析對(duì)壓力脈動(dòng)時(shí)間序列進(jìn)行消噪處理。結(jié)合Matlab軟件計(jì)算壓力脈動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列的最大Lyapunov指數(shù)（LLE）和多尺度熵（MSE），從混沌程度和能量密度分布兩方面對(duì)比分析了剛性槳和剛?cè)峤M合槳對(duì)流體混沌混合的影響。利用碘液脫色可視化實(shí)驗(yàn)測(cè)量流體的混合時(shí)間，觀察攪拌槽中規(guī)則區(qū)和混沌混合區(qū)的演變情況，直觀分析剛?cè)峤M合槳對(duì)流體混合的影響。結(jié)果：由于不同采樣點(diǎn)會(huì)采集不同的壓力脈動(dòng)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)采集不同采樣點(diǎn)位置下剛性槳和剛?cè)峤M合槳體系的壓力脈動(dòng)信號(hào)，計(jì)算的得到 LLE和 MSE。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盡管采樣點(diǎn)位置不同所得的LLE和MSE略有不同，但它們的變化趨勢(shì)基本相同，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)多尺度混合行為的分析影響不大。對(duì)轉(zhuǎn)速的研究發(fā)現(xiàn)，在不同轉(zhuǎn)速時(shí)兩種體系的LLE均大于零，表明體系都進(jìn)入混沌狀態(tài)。隨轉(zhuǎn)速的增大，LLE呈先增大后減小趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為210 rpm時(shí)，LLE達(dá)到最大，此時(shí)體系的混沌程度最高，混合達(dá)到最佳狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算MSE發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速較小時(shí)（150 r·min-1以下），熵值隨尺度增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；而在轉(zhuǎn)速較大時(shí)（150～300 r·min-1），熵值隨尺度而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。并且熵值隨尺度增加而減?。ɑ蛟黾樱┦前l(fā)生在前10個(gè)尺度上，而在第 10個(gè)尺度以后，隨尺度的增加熵值逐漸趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)中又伴有小幅震蕩。相比剛性槳，剛?cè)峤M合槳在低轉(zhuǎn)速下（210 r·min-1以下）就有較大的LLE。在轉(zhuǎn)速為210 r·min-1時(shí)，兩者的LLE同時(shí)達(dá)到最大，混合達(dá)到最佳狀態(tài)，與剛性槳體系LLE為0.041相比，剛?cè)峤M合槳體系的LLE為0.048。剛?cè)峤M合槳體系的多尺度熵率在各轉(zhuǎn)速上均大于剛性槳體系，且在較低轉(zhuǎn)速下兩者差異較為明顯。剛?cè)峤M合槳的混合性能研究發(fā)現(xiàn)，與剛性槳相比，剛?cè)峤M合槳使流體的混合時(shí)間縮短了26%左右。結(jié)論：剛?cè)峤M合槳通過(guò)自身的多體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化流體的運(yùn)動(dòng)特性，抑制了流場(chǎng)中的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，使更多的流體進(jìn)入混沌混合狀態(tài)，通過(guò)剛-柔-流的非線性耦合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量的有效耗散，使整個(gè)槽體的能量分布更為均勻，提高流體的混合效率。剛性槳體系相比剛?cè)峤M合槳使流體的混合時(shí)間縮短 26%左右。剛?cè)峤M合槳能夠改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和能量耗散方式，強(qiáng)化流體混沌混合。

來(lái)源出版物：化工學(xué)報(bào), 2014, 65(1)： 61-70

入選年份：2016

基于MCM-41的鎳基甲烷化催化劑活性與穩(wěn)定性

張加贏，辛忠，孟鑫，等

摘要：目的：天然氣作為一種清潔高效的能源受到能源市場(chǎng)的熱捧，而煤制天然氣是制備合成天然氣最主要的方式之一。為解決目前負(fù)載型Ni基催化劑活性組分Ni容易燒結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致催化活性明顯下降的問(wèn)題，進(jìn)行載體的選擇非常關(guān)鍵。由于MCM-41具有高的比表面積、納米尺寸的孔結(jié)構(gòu)以及雜原子含量可以調(diào)節(jié)等優(yōu)良的性能，選擇MCM-41為載體來(lái)制備負(fù)載型甲烷化催化劑，以期獲得催化劑活性和耐熱性的同時(shí)提高。方法：采用等體積浸漬法分別以商用Al2O3、SiO2和MCM-41為載體制備了不同鎳負(fù)載量的甲烷化催化劑，并在連續(xù)流動(dòng)固定床反應(yīng)裝置上對(duì)其甲烷化催化活性和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。同時(shí)采用X射線衍射（XRD）、氮?dú)馕锢砦剑˙ET）、熱重分析（TG）及氫氣程序升溫還原（H2-TPR）等技術(shù)手段對(duì)金屬顆粒的大小，載體孔結(jié)構(gòu)和比表面積，催化劑的積碳以及載體和活性組分之間的相互作用進(jìn)行表征，來(lái)構(gòu)建催化劑的物化性質(zhì)與催化性能之間的關(guān)系，并揭示催化劑的失活原因。結(jié)果：通過(guò)表征發(fā)現(xiàn)，金屬Ni的負(fù)載并沒(méi)有改變MCM-41的介孔結(jié)構(gòu)，但其長(zhǎng)程有序性受到了明顯破壞。并且MCM-41載體的選擇大大提高了載體和NiO之間的相互作用力，從而抑制反應(yīng)過(guò)程中活性金屬的燒結(jié)，進(jìn)而使其所負(fù)載的金屬催化劑Ni/MCM-41相對(duì)于Ni/Al2O3和Ni/SiO2催化劑具有更好的活性和穩(wěn)定性。其中10%Ni/MCM-41催化劑在氫氣和一氧化碳的摩爾比為 3∶1、反應(yīng)壓力1.5 MPa、反應(yīng)溫度350℃及質(zhì)量空速12000 mL·h-1·g-1的反應(yīng)條件下，CH4選擇性達(dá)到 94.9%，CO轉(zhuǎn)化率接近 100%。并且其在100 h催化活性穩(wěn)定性試驗(yàn)中，催化活性無(wú)明顯下降，而10%Ni/Al2O3和10%Ni/SiO2催化劑的CO轉(zhuǎn)化率分別下降了12.0%和11.9%。通過(guò)反應(yīng)前后催化劑活性組分金屬顆粒大小的對(duì)照，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)反應(yīng)后10%Ni/Al2O3和10%Ni/SiO2的Ni顆粒分別增大了21.3%和19.6%，而10%Ni/MCM-41的Ni顆粒沒(méi)有發(fā)生明顯增大，即保持金屬顆粒尺寸的穩(wěn)定性對(duì)催化活性的保持至關(guān)重要。此外，反應(yīng)后催化劑的TG分析表明，10%Ni/MCM-41、10%Ni/Al2O3和 10%Ni/SiO2催化劑的積炭量分別為1.55 wt%、0.41 wt%和3.16 wt%。因此，積炭并不是催化劑失活的主要原因，活性組分的燒結(jié)才是甲烷化催化劑催化活性下降的主要原因。結(jié)論：由于載體MCM-41具有較大的比表面積，活性組分在載體表面分散均勻，以及活性組分與載體間存在較強(qiáng)的作用力，10%Ni/MCM-41催化劑表現(xiàn)出良好的催化活性和催化活性穩(wěn)定性；在100 h的催化活性穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，CO轉(zhuǎn)化率和CH4選擇性分別保持在100%和95%。結(jié)合不同載體Ni基催化劑的Ni顆粒大小及催化活性數(shù)據(jù)，可得出Ni顆粒大小是影響催化劑催化活性的主要因素，適宜 Ni顆粒大小是甲烷化催化劑制備的關(guān)鍵。

來(lái)源出版物：化工學(xué)報(bào), 2014, 65(1)： 160-168

入選年份：2016

有機(jī)胺吸收二氧化碳的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

陳健，羅偉亮，李晗

摘要：目的：二氧化碳捕集與封存技術(shù)（CCS）是針對(duì)大氣CO2含量增高導(dǎo)致的全球氣候變暖而提出的全球性解決方案。有機(jī)胺吸收法作為經(jīng)濟(jì)與技術(shù)層面最成熟的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)二氧化碳捕集的重要工藝過(guò)程。本文從有機(jī)胺法吸收二氧化碳的基本反應(yīng)機(jī)理出發(fā)，系統(tǒng)評(píng)述了應(yīng)用有機(jī)胺法吸收捕集CO2的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究進(jìn)展，對(duì)今后二氧化碳吸收熱力學(xué)和動(dòng)力的研究方向提出了展望。方法：將有機(jī)胺吸收CO2的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，與有機(jī)胺的分子結(jié)構(gòu)及其與CO2的反應(yīng)機(jī)理結(jié)合起來(lái)，深入分析不同有機(jī)胺水溶液中的CO2溶解度和反應(yīng)速度與有機(jī)胺分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，繼而提出進(jìn)一步的研究方向。結(jié)果：關(guān)于吸收熱力學(xué)，反應(yīng)機(jī)理上伯胺和仲胺水溶液吸收CO2的總反應(yīng)以形成氨基碳酸鹽為主，而叔胺和位阻胺的水溶液吸收CO2的總反應(yīng)以形成碳酸氫鹽為主。醇胺分子中氨基上氮原子的電負(fù)性是影響CO2在溶液中溶解度的關(guān)鍵，電負(fù)性高，反應(yīng)熱越高，吸收能力越高。混合溶劑主要是伯胺或仲胺與叔胺或位阻胺的組合，以綜合考慮CO2吸收溶解度和反應(yīng)速度。熱力學(xué)模型上，吸收體系是一個(gè)含有電解質(zhì)的混合溶劑體系，Clegg-Pitzer模型具有模型簡(jiǎn)單、參數(shù)少、擴(kuò)展預(yù)測(cè)精度較高的特點(diǎn)，eNRTL模型最復(fù)雜、參數(shù)最多、關(guān)聯(lián)精度高但擴(kuò)展預(yù)測(cè)的精度稍低，而 eUNIQUAC模型處于兩者中間。關(guān)于吸收動(dòng)力學(xué)，對(duì)于簡(jiǎn)單的單氨基化合物溶液，由于分子結(jié)構(gòu)不同，伯胺、仲胺與叔胺的反應(yīng)機(jī)理是不同的，目前普遍接受的有伯胺和仲胺的兩性離子反應(yīng)機(jī)理和三分子反應(yīng)機(jī)理，以及叔胺和位阻胺的改進(jìn)的堿催化水合機(jī)理。CO2吸收反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，攪拌釜法適合反應(yīng)速度慢的體系，濕壁柱適合反應(yīng)速度快的體系，而停流色譜法適合低濃度的液體反應(yīng)體系。伯胺和仲胺類(lèi)溶劑吸收 CO2的速度較快，位阻胺稍慢，叔胺類(lèi)要慢二到三個(gè)數(shù)量級(jí)，而環(huán)狀仲胺類(lèi)要快一個(gè)數(shù)量級(jí)。在吸收動(dòng)力學(xué)模型上，快速擬一級(jí)反應(yīng)的雙膜理論是最常用的。結(jié)論：CO2吸收的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究雖然已經(jīng)獲得一定成果，但仍需向更為微觀和系統(tǒng)的方向拓展，而分子結(jié)構(gòu)對(duì)吸收反應(yīng)機(jī)理和性質(zhì)的影響研究，是該方向的基礎(chǔ)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵，以下幾方面的工作值得進(jìn)一步開(kāi)展：熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的協(xié)同研究，新型溶劑和復(fù)合溶劑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究和實(shí)際吸收過(guò)程研發(fā)的結(jié)合。

來(lái)源出版物：化工學(xué)報(bào), 2014, 65(1)： 12-21

入選年份：2016

煤矸石綜合利用的產(chǎn)業(yè)化及其展望

郭彥霞，張圓圓，程芳琴

摘要：目的：煤矸石是中國(guó)產(chǎn)生量最大的工業(yè)固體廢棄物，開(kāi)展煤矸石的綜合利用，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。分析了各地煤矸石的理化性質(zhì)，總結(jié)了中國(guó)在煤矸石綜合利用方面的工業(yè)化進(jìn)展，并對(duì)中國(guó)煤矸石綜合利用的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。方法：通過(guò)查閱文獻(xiàn)獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、總結(jié)、統(tǒng)計(jì)和分析，抽提出煤矸石的一般特性，總結(jié)出中國(guó)不同時(shí)期煤矸石利用途徑和利用率。結(jié)果：（1）煤矸石主要含黏土礦物和有機(jī)質(zhì)，其化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3等無(wú)機(jī)組分和 C等；煤矸石的化學(xué)組成決定了其用途和工業(yè)價(jià)值，C含量大于20%一般用于發(fā)電，C含量為6%～20%用于生產(chǎn)建材，低于6%用于鋪路、充填等。（2）中國(guó)煤矸石綜合利用在“六五”之后才開(kāi)始逐步發(fā)展，1990年，中國(guó)煤矸石的利用率達(dá)到2600萬(wàn)t。“九五”期間，國(guó)家出臺(tái)了一系列煤矸石綜合利用的政策，并建立了以熱值為基準(zhǔn)的煤矸石綜合利用途徑分類(lèi)，因而中國(guó)煤矸石綜合利用在“九五”之后獲得迅速發(fā)展，2011年煤矸石的綜合利用率達(dá)到 4.1億 t。（3）煤矸石發(fā)電作為主要的利用方式之一，在中國(guó)始于20世紀(jì)70年代，主要以沸騰爐發(fā)電為主；從20世紀(jì)90年代開(kāi)始建設(shè)小型循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐，“十五”以來(lái)，開(kāi)始建設(shè)大型循環(huán)流化床供熱鍋爐，“十二五”以來(lái)，中國(guó)循環(huán)流化床煤矸石發(fā)電技術(shù)已引領(lǐng)國(guó)際先進(jìn)發(fā)展水平，開(kāi)始發(fā)展超臨界和超超臨界煤矸石發(fā)電技術(shù)。（4）20世紀(jì)60年代中國(guó)開(kāi)展了煤矸石制磚的工業(yè)化試驗(yàn)，“七五”以來(lái)，中國(guó)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備，到 20世紀(jì)90年代末，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤矸石制磚技術(shù)，在裝備水平上有了很大提高?！笆濉逼陂g，全煤矸石燒結(jié)磚裝備技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。（5）大規(guī)模利用煤矸石進(jìn)行充填采空區(qū)和塌陷區(qū)、筑基修路、土地復(fù)墾等成為煤矸石無(wú)害化處理的主要方式，占煤矸石利用總量的52%。（6）高附加值利用是煤矸石綜合利用的重要補(bǔ)充，將成為煤矸石綜合利用的發(fā)展方向?；谀壳案吒郊又道玫陌l(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建了煤矸石高附加值利用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線。結(jié)論：煤矸石綜合利用的途徑主要包括煤矸石發(fā)電、生產(chǎn)建材以及填埋、筑路、充填采空區(qū)等。目前發(fā)電利用約占煤矸石產(chǎn)生總量的21%，填埋、筑路和充填采空區(qū)等占產(chǎn)生總量的33%，建材的處理能力較低，僅占產(chǎn)生總量的 8%，煤矸石的綜合處理能力目前已達(dá)到4億t/年。盡管中國(guó)在煤矸石綜合利用的產(chǎn)業(yè)化方面取得了重大進(jìn)展，但相對(duì)于巨大的煤矸石產(chǎn)生量，現(xiàn)有的利用途徑仍難以滿足煤矸石的處理需求，仍有超過(guò)35%的煤矸石堆存。基于目前煤矸石高附加值利用的發(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建了“（高碳C≥15%）煤矸石發(fā)電-（灰渣）多元素梯級(jí)提取/生產(chǎn)保溫材料/陶瓷、沸石系列-（廢渣）制建材”以及“（低碳C＜15%）煤矸石生產(chǎn)高嶺土/肥料/保溫材料/陶瓷、沸石系列/多元素梯級(jí)提取-（廢渣）制建材”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線。

來(lái)源出版物：化工學(xué)報(bào), 2014, 65(7)： 2443-2453

入選年份：2016

液滴流微反應(yīng)器的基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用

趙述芳，程易，白琳，等

摘要：目的：20世紀(jì)90年代以來(lái)，液滴微流控技術(shù)的迅速發(fā)展逐步改變了人們對(duì)化工過(guò)程中傳統(tǒng)反應(yīng)器的認(rèn)知，其將反應(yīng)器尺寸縮小到微米—毫米級(jí)，利用受限空間強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱等特性提高反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)化率。以微液滴為基本單元直接進(jìn)行數(shù)量增加便可實(shí)現(xiàn)模塊的集成，避免了傳統(tǒng)反應(yīng)器直接幾何放大導(dǎo)致的難于預(yù)期的非理想行為。由于液滴流微反應(yīng)器靈活可控、傳遞效率極高的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，研究者們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算。本文整合并歸納了液滴流微反應(yīng)器在不同領(lǐng)域從基礎(chǔ)研究到潛在應(yīng)用的研究進(jìn)展，為讀者提供全面的知識(shí)脈絡(luò)，幫助讀者在短時(shí)間內(nèi)快速掌握液滴微流控的研究?jī)?nèi)容和現(xiàn)狀；并且對(duì)液滴微流控未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用方向進(jìn)行了總結(jié)與展望。方法：通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)，綜述了近年來(lái)快速發(fā)展的液滴微流控技術(shù)，回顧了微流控系統(tǒng)中液滴的基本行為，如液滴的生成、運(yùn)動(dòng)、聚并和分裂等研究進(jìn)展，重點(diǎn)探討微液滴作為反應(yīng)器其內(nèi)部的流動(dòng)、傳質(zhì)和反應(yīng)過(guò)程，以及液滴流微反應(yīng)器已有和潛在的重要應(yīng)用價(jià)值。結(jié)果：液滴流微反應(yīng)器作為一種新型的“柔性反應(yīng)器”，其構(gòu)建過(guò)程依賴于高頻率、可控尺寸地制備液滴。液滴的生成是一相流體在另一相不互溶或部分互溶流體中的分散過(guò)程?？赏ㄟ^(guò)不同的設(shè)備結(jié)構(gòu)，如同軸環(huán)管、T型錯(cuò)流和水力學(xué)聚焦通道來(lái)產(chǎn)生液滴，并對(duì)單個(gè)液滴的尺寸、形貌和成分組成進(jìn)行精確調(diào)控。因此，研究液滴的分散規(guī)律是最先發(fā)展起來(lái)的分支。同時(shí)，可利用微通道的水力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或者輔以外場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)和微加熱原件等）來(lái)實(shí)現(xiàn)液滴的聚并和分裂，使反應(yīng)物之間有效接觸混合、控制液滴體積和組成、及實(shí)現(xiàn)液滴陣列的高通量生產(chǎn)。液滴內(nèi)的流動(dòng)、混合、傳質(zhì)與反應(yīng)特性是其作為反應(yīng)器的重要特征，決定了其潛在應(yīng)用價(jià)值。多種實(shí)驗(yàn)手段（微激光誘導(dǎo)熒光法micro-LIF，粒子圖像測(cè)速法micro-PIV等）和理論模型方法（計(jì)算流體力學(xué) CFD，格子玻爾茲曼方法 LBM等）的發(fā)展幫助實(shí)現(xiàn)微液滴內(nèi)部流體力學(xué)行為的清晰可視化，為液滴流微反應(yīng)器的應(yīng)用推廣提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)研究平臺(tái)。研究者獲得了運(yùn)動(dòng)液滴內(nèi)的流型分區(qū)圖，以及揭示了封閉液滴體積內(nèi)的復(fù)雜三維環(huán)流運(yùn)動(dòng)；環(huán)流現(xiàn)象有效地強(qiáng)化了混合并加速了內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，外場(chǎng)（聲、光、電場(chǎng)）的引入可促進(jìn)混沌擾動(dòng)和強(qiáng)化混合。液滴與周?chē)黧w在相界面上通過(guò)曳力和表面張力的協(xié)同作用進(jìn)行著復(fù)雜的動(dòng)量傳遞和質(zhì)量傳遞，是進(jìn)行微尺度下的多相反應(yīng)、界面反應(yīng)及微液滴萃取的基礎(chǔ)。液滴流微反應(yīng)器具有降低試劑消耗、提高傳遞效率、組分靈活可控等多種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在高通量樣品預(yù)處理、化學(xué)分析、微納米顆粒合成以及生物化工等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。例如，微通道可用于制備尺寸、形貌、組成可控的單/多重乳液。通過(guò)操控極微量的流體在微米級(jí)尺寸的通道中流動(dòng)，可嚴(yán)格控制反應(yīng)時(shí)間和停留時(shí)間分布，制備高附加值、高度單分散的微米及納米顆粒。利用其高傳遞效率的優(yōu)勢(shì)，許多單步、多步有機(jī)合成反應(yīng)可在液滴內(nèi)、氣柱中或者兩相界面上進(jìn)行。在生物化工方面，液滴微流控技術(shù)對(duì)皮升體積樣品的精確控制以及高通量的實(shí)驗(yàn)操作顯著地提升了生物檢測(cè)和生物化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)能力，并大大降低了成本。例如，液滴流微反應(yīng)器可將單個(gè)細(xì)胞封裝在液滴中進(jìn)行長(zhǎng)期培養(yǎng)和觀察，為其提供精確定義的生存環(huán)境，并通過(guò)熒光技術(shù)對(duì)其蛋白質(zhì)的表達(dá)和酶活性進(jìn)行定量分析。此外，利用微升甚至納升級(jí)體積的小液滴作為獨(dú)立的微型釜式反應(yīng)器，可精確控制蛋白質(zhì)溶液及其反溶劑之間的混合過(guò)程，制備尺寸可控的高質(zhì)量蛋白質(zhì)晶體。結(jié)論：液滴流微反應(yīng)器的快速發(fā)展使其成為廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)工具以及基礎(chǔ)理論研究的高效平臺(tái)。尤其是多種液滴制備、操控和分析工具的整合一體化的發(fā)展，使得微流控設(shè)備變得更加靈活可控和自動(dòng)化。在液滴內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，一系列的基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，如化學(xué)試劑的引入、混合和輸送，以及對(duì)于液滴界面化學(xué)的控制和對(duì)反應(yīng)過(guò)程的分析等。這些技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用已經(jīng)在很多類(lèi)型反應(yīng)的微型化中得到驗(yàn)證，包括酶學(xué)測(cè)量、蛋白質(zhì)結(jié)晶以及有機(jī)合成和顆粒制備?；谝旱挝⒘骺丶夹g(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了傳統(tǒng)技術(shù)不能達(dá)到的各種領(lǐng)域的新發(fā)展，例如，多重乳液的合成帶來(lái)的新材料的發(fā)展，單細(xì)胞水平的特定基因的表達(dá)，快速反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)的測(cè)量，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，顆粒合成中微化學(xué)單元的制備，微量生物樣品的快速分析等?；谀壳耙延械膹V泛應(yīng)用，相信液滴流微反應(yīng)器未來(lái)會(huì)在上述各領(lǐng)域以及新的領(lǐng)域有更大的發(fā)展。

來(lái)源出版物：化工進(jìn)展, 2015, 34(3)： 593-607

入選年份：2016

我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)石油化工產(chǎn)業(yè)的影響

黃格省，李振宇，王建明

摘要：目的：我國(guó)化石資源稟賦的特點(diǎn)是富煤、少油、缺氣，煤炭資源探明儲(chǔ)量居世界第3位，但石油和常規(guī)天然氣資源不足，對(duì)外依存度逐年提高。2014年下半年之前，國(guó)際油價(jià)及亞洲天然氣價(jià)格高企，世界油氣供應(yīng)總體趨緊，由于高油價(jià)、高氣價(jià)的驅(qū)動(dòng)，加上我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)交通運(yùn)輸燃料和石化產(chǎn)品的需求一直比較旺盛，由此催生了煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇等現(xiàn)代煤化工的快速發(fā)展，現(xiàn)代煤化工從裝置示范、升級(jí)示范很快進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模產(chǎn)能擴(kuò)張時(shí)期，并逐漸對(duì)石油化工產(chǎn)生越來(lái)越大的影響，基于此，深入分析我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及對(duì)石油化工產(chǎn)業(yè)的影響，很有必要。方法：介紹了我國(guó)煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇等幾種新型煤化工技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀，探討了煤化工的資源消耗、二氧化碳排放及產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題；同時(shí)，分析了煤化工產(chǎn)能增長(zhǎng)對(duì)石油化工的影響，并對(duì)我國(guó)煤化工和石油化工的發(fā)展提出了有關(guān)看法和建議。結(jié)果：煤化工的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在資源和市場(chǎng)需求兩個(gè)方面。從資源情況看，我國(guó)中西部地區(qū)的煤炭資源比較豐富，煤/石油比價(jià)低廉，特別是坑口煤價(jià)低，發(fā)展煤化工具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。從市場(chǎng)需求看，煤化工產(chǎn)品尤其是煤制烯烴、煤制油、天然氣、乙二醇、芳烴等與石化產(chǎn)品一樣，消費(fèi)需求大，發(fā)展?jié)摿Τ渥?。隨著我國(guó)現(xiàn)代煤化工技術(shù)的不斷成熟，生產(chǎn)裝置的不斷建成投運(yùn)，現(xiàn)代煤化工已經(jīng)從產(chǎn)業(yè)示范階段進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)能擴(kuò)張期，必然對(duì)石油化工產(chǎn)生一定的影響。但煤化工產(chǎn)品（特別是煤制油、煤制天然氣）能否真正具備競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)鍵在于國(guó)際油價(jià)的變化，高油價(jià)會(huì)刺激其發(fā)展，但低油價(jià)則會(huì)抑制所有煤化工項(xiàng)目的投資沖動(dòng)。分領(lǐng)域來(lái)看，低油價(jià)下煤制烯烴盈利狀況尚好，產(chǎn)能增長(zhǎng)快，對(duì)石油化工產(chǎn)品市場(chǎng)的影響比較大；然而，煤制油、煤制天然氣、煤制乙二醇在低油價(jià)下盈利狀況較差甚至普遍虧損，因此對(duì)石油化工市場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，發(fā)展煤制油有利于降低我國(guó)石油對(duì)外依存度，具有重要戰(zhàn)略意義；煤制天然氣在高油價(jià)背景下具有發(fā)展?jié)摿?，但在低油價(jià)下發(fā)展動(dòng)力消失；煤制乙二醇由于我國(guó)乙二醇市場(chǎng)缺口大、進(jìn)口依存度高，因此發(fā)展?jié)摿薮?，但煤制乙二醇的?jìng)爭(zhēng)力最終取決于產(chǎn)品質(zhì)量及價(jià)格等方面。結(jié)論：我國(guó)石油對(duì)外依存度逐年上升，發(fā)展現(xiàn)代煤化工是對(duì)石油化工的有益補(bǔ)充，是發(fā)揮我國(guó)煤炭資源優(yōu)勢(shì)、保障國(guó)家能源安全的重要途徑；近年來(lái)我國(guó)現(xiàn)代煤化工取得快速發(fā)展，但總體來(lái)說(shuō)產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路仍在探索之中，需要深入研究、穩(wěn)步示范、有序發(fā)展。隨著我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能不斷釋放，其與石油化工的競(jìng)爭(zhēng)逐漸凸顯，石化企業(yè)應(yīng)注重創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，發(fā)揮產(chǎn)品差異化優(yōu)勢(shì)，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，與現(xiàn)代煤化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互利雙贏。

來(lái)源出版物：化工進(jìn)展, 2015, 34(2)： 295-302

入選年份：2016

玻璃纖維增韌SiO2氣凝膠復(fù)合材料的制備及隔熱性能

石小靖，張瑞芳，何松，等

摘要：目的：節(jié)能減排已成為我國(guó)一項(xiàng)重要發(fā)展戰(zhàn)略，大量隔熱材料應(yīng)用于建筑、工業(yè)等領(lǐng)域以降低能耗。為提高材料隔熱性能，降低生產(chǎn)成本，研究前驅(qū)體液中水與硅的摩爾比對(duì)隔熱材料中SiO2氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布的影響，同時(shí)對(duì)玻璃纖維進(jìn)行蓬松處理，探討了玻璃纖維添加量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能的影響，最終通過(guò)對(duì)比復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、孔隙率等得出實(shí)驗(yàn)最優(yōu)配比。方法：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前驅(qū)體液中水的最低用量是H2O∶Si＝2∶1，在滿足材料成型條件下，選擇纖維含量為16%，固定催化劑濃度、醇硅比、溶膠中硅含量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等其他條件，調(diào)整水與硅的摩爾比從2∶1到6∶1。實(shí)驗(yàn)將復(fù)合材料成型所需纖維的最小添加量 16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）記為 K1，隨后以2%比例增加至最大添加量28%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），依次記為K2～K6。采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料的微觀形貌；用瞬態(tài)平面熱源法測(cè)量樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，每組樣品測(cè)量3次取其均值；采用比表面積和孔隙分析儀測(cè)定材料樣品中SiO2氣凝膠的平均孔徑、孔徑分布曲線以及吸附-脫附等溫線；用電子動(dòng)態(tài)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品機(jī)械性能。結(jié)果：（1）采用纖維薄層作為增強(qiáng)相后復(fù)合材料密度更小 0.13～0.16 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)更低 0.023～0.027 W/m·K。（2）最佳工藝條件下，制備隔熱材料的水硅摩爾比為3∶1，材料的密度最低為0.142 g/cm3，孔隙率為88.03%，導(dǎo)熱系數(shù)低達(dá)0.0232 W/m·K。（3）在滿足材料成型條件下，材料纖維添加量為16%，材料的抗壓強(qiáng)度為29.59 kPa，抗彎強(qiáng)度為0.533 MPa（25%形變）。隨著纖維添含量的增加，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)增加，材料的抗壓強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度增大。材料纖維添加量最大為28%，抗壓強(qiáng)最大達(dá)0.189 MPa，抗彎強(qiáng)度1.474 Mpa。結(jié)論：玻璃纖維經(jīng)纖維梳理機(jī)處理后可得蓬松的玻璃纖維薄層，與傳統(tǒng)的玻璃纖維增韌SiO2氣凝膠復(fù)合材料相比，新材料的纖維含量大大降低，密度更小，導(dǎo)熱系數(shù)更低。前驅(qū)體液中水與硅摩爾比會(huì)影響SiO2氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響復(fù)合材料的隔熱性能。玻璃纖維薄層作為增強(qiáng)相加入到SiO2氣凝膠中，隨著纖維添加量的增大，復(fù)合材料隔熱性能下降，但材料力學(xué)性能增強(qiáng)，適合作為隔熱板材用于建筑、工業(yè)等領(lǐng)域隔熱。

來(lái)源出版物：硅酸鹽學(xué)報(bào), 2016, 44(1)： 129-135

入選年份：2016

燃煤電廠脫硫廢水處理技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

馬雙忱，于偉靜，賈紹廣，等

摘要：目的：2015年4月16日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《水污染行動(dòng)計(jì)劃》（《水十條》），國(guó)家將強(qiáng)化對(duì)各類(lèi)水污染的治理力度，脫硫廢水因成分復(fù)雜、含有重金屬引起業(yè)界關(guān)注。為響應(yīng)國(guó)家政策，推進(jìn)脫硫廢水的治理，闡述了脫硫廢水的水質(zhì)水量特點(diǎn)及影響因素，歸納了各類(lèi)脫硫廢水處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并總結(jié)符合中國(guó)國(guó)情、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行的可能的脫硫廢水處理方案。方法：綜述了脫硫廢水的水質(zhì)特點(diǎn)、水質(zhì)影響因素、各項(xiàng)脫硫廢水處理技術(shù)的特點(diǎn)，指出了脫硫廢水處理技術(shù)的發(fā)展方向。脫硫廢水的水質(zhì)主要受煤質(zhì)、石灰石品質(zhì)、脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行等因素的影響，脫硫廢水的處理技術(shù)主要分為4類(lèi)：傳統(tǒng)工藝，如化學(xué)沉淀法；深度處理工藝，如生物處理法；零排放技術(shù)，如煙道蒸發(fā)；其他技術(shù)，如蒸汽濃縮蒸發(fā)。由于脫硫廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)較低，除沉降池之外，各項(xiàng)技術(shù)都能使脫硫廢水達(dá)標(biāo)排放。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的處理技術(shù)是化學(xué)沉淀法，其技術(shù)成熟，能使脫硫廢水達(dá)標(biāo)排放，但存在對(duì)氯離子鹽及硒、汞等去除效率不高的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)脫硫廢水處理形勢(shì)的分析，得出煙道蒸發(fā)技術(shù)有一定的潛力，其能實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放，且具有運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，但可能存在增強(qiáng)系統(tǒng)腐蝕、影響飛灰利用等問(wèn)題。結(jié)果：國(guó)內(nèi)脫硫廢水的處理主要依靠化學(xué)沉淀工藝，其能滿足現(xiàn)有脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是隨著《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的頒布，國(guó)家開(kāi)始加大對(duì)脫硫廢水的處理力度，化學(xué)沉淀法的應(yīng)用將會(huì)受到限制。且隨著飛灰資源化，與飛灰混合方法不再適用。此外，較之美國(guó)，國(guó)內(nèi)脫硫廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硒、汞等的排放標(biāo)準(zhǔn)不高，因此深度處理技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)不適用。而蒸汽濃縮蒸發(fā)技術(shù)成本太高，蒸發(fā)池的應(yīng)用受地域的強(qiáng)烈限制，因此，煙道蒸發(fā)技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間將會(huì)受到重視，其面臨的重大技術(shù)缺陷需要被重新評(píng)估與攻克。結(jié)論：介紹了脫硫廢水產(chǎn)生的背景及燃煤品質(zhì)、石灰石品質(zhì)、脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行、脫硫塔前污染物控制設(shè)備、脫水設(shè)備等對(duì)脫硫廢水水質(zhì)、水量的影響。進(jìn)一步概述了各種脫硫廢水的處理技術(shù)，將其分為傳統(tǒng)工藝、深度處理工藝、零排放技術(shù)和其他技術(shù)四類(lèi)。就目前國(guó)內(nèi)脫硫廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)而言，除沉降池外，其他技術(shù)，如化學(xué)沉淀、煙道蒸發(fā)等技術(shù)都能使脫硫廢水達(dá)標(biāo)排放。但通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)形勢(shì)的分析，認(rèn)為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)工藝應(yīng)用受限，深度處理工藝不適用，而作為零排放的蒸發(fā)池、煙道蒸發(fā)會(huì)引起廣泛關(guān)注，但是其面臨的重大技術(shù)缺陷需要被重新評(píng)估與攻克。

來(lái)源出版物：化工進(jìn)展, 2016, 35(1)： 255-262

入選年份：2016