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基于自上而下法制备甘蔗纤维素气凝胶及其油水分离性能研究

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中国造纸 2024年第6期43卷 9-17页

作者：常俊霞陈昕仪周伟任梦遇杨淑娟杨飞张勇浙江理工大学纺织科学与工程学院教育部先进纺织材料与制造技术重点实验室浙江杭州310018 浙江宇博新材料有限公司浙江台州318000 浙江理工大学象山针织研究院有限公司浙江宁波315700

本研究以甘蔗为原料,通过“自上而下”的方法制备了具有各向异性的甘蔗纤维素气凝胶。首先利用NaOh和h_(2)O_(2)原位脱除了甘蔗细胞壁中的木质素和半纤维素,随后使用TEmPO氧化法使原本聚集的纤维素部分分离,冷冻干燥后得到甘蔗纤维素气... 详细信息

本研究以甘蔗为原料,通过“自上而下”的方法制备了具有各向异性的甘蔗纤维素气凝胶。首先利用NaOh和h_(2)O_(2)原位脱除了甘蔗细胞壁中的木质素和半纤维素,随后使用TEmPO氧化法使原本聚集的纤维素部分分离,冷冻干燥后得到甘蔗纤维素气凝胶。通过万能材料试验机、比表面积及孔径分析仪和热重分析仪对甘蔗纤维素气凝胶进行表征。结果表明,甘蔗纤维素气凝胶最大应力可达0.28 mPa,比表面积高达22.4 m^(2)/g,且表现出优异的热稳定性。采用甲基三甲氧基硅烷(mTmS)对甘蔗纤维素气凝胶进行疏水改性后,得到了超疏水性纤维素气凝胶,其水接触角高达147.17°,对玉米油的最大吸附量达15.86 g/g。

关键词：甘蔗纤维素气凝胶自上而下氧化疏水改性油水分离

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丙烷mILD燃烧方式下碳烟生成特性研究

洁净煤技术 2024年

作者：田松杰任豪徐顺塔席礼阳涂垚杰刘豪华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室

mILD(moderate or Intense Low-oxygen Dilution)燃烧是一种新型低氧稀释燃烧技术，能够同时实现低NOx和碳烟排放。基于化学动力学分析软件Ch.m.IN-PRO中的对冲火焰模型，模拟研究了丙烷mILD燃烧方式下碳烟的生成路径及其与常规燃烧之... 详细信息

mILD(moderate or Intense Low-oxygen Dilution)燃烧是一种新型低氧稀释燃烧技术，能够同时实现低NOx和碳烟排放。基于化学动力学分析软件Ch.m.IN-PRO中的对冲火焰模型，模拟研究了丙烷mILD燃烧方式下碳烟的生成路径及其与常规燃烧之间的差异，并考察了拉伸率(50-80s-1)和CO2稀释(0-60vol%)对丙烷mILD方式下碳烟生成路径的影响。结果表明：mILD燃烧方式下碳烟生成的主要路径是2C3h3=>A1、A1-+h(+m)A1(+m)、A1-+Ch4A1+Ch3、A1-+C2h4A1+C2h3、C6h5Ch3+h=A1+Ch3和C4h5-2+C2h2=A1+h ；与常规燃烧相比，mILD燃烧方式下2C3h3=>A1和A1-+h(+m)A1(+m)反应速率降低，减少了A1生成进而抑制了碳烟成核，最终导致碳烟峰值浓度降低了83.7%；相比之下，mILD燃烧方式下2C3h3=>A1路径对碳烟生成的贡献率降低了7.7%，而C6h5Ch3+h=A1+Ch3和C4h5-2+C2h2=A1+h路径的重要性明显上升；此外，mILD燃烧方式下碳烟峰值体积分数随拉伸率的增加呈现先升高后降低趋势，并且CO2稀释通过CO+OhCO2+h反应促进h消耗可进一步减少mILD燃烧方式下碳烟的生成。

关键词： mILD燃烧常规燃烧丙烷碳烟拉伸率 CO 稀释

光热水蒸发-催化双功能竹纤维基复合材料的制备及其性能研究

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光热水蒸发-催化双功能竹纤维基复合材料的制备及其性能研究

作者：潘瑞杰北京化工大学

学位级别：硕士

工业化和人口不断增长导致了严峻的能源短缺和环境污染问题。水资源短缺和水质恶化已成为全球性的紧迫问题。太阳能作为一种可再生能源,其潜力巨大,将太阳能应用于海水淡化和污水处理具有广阔的研究前景。传统的光热水蒸发技术可以从海... 详细信息

工业化和人口不断增长导致了严峻的能源短缺和环境污染问题。水资源短缺和水质恶化已成为全球性的紧迫问题。太阳能作为一种可再生能源,其潜力巨大,将太阳能应用于海水淡化和污水处理具有广阔的研究前景。传统的光热水蒸发技术可以从海水/污水中分离收集淡水,但鉴于有机污染物的多样性、毒性、蓄积性和难降解性,其不能有效去除这些有机污染物。基于过一硫酸盐（PmS）的高级氧化法能生成多种活性自由基,有效降解废水中的有机污染物。因此,将光热转化材料与具有高效活化PmS能力的催化剂相结合,制备成具有光热水蒸发和催化降解能力的双功能复合材料,对解决淡水资源短缺和水污染问题具有重要意义。为此,我们选取碳纳米管（CNTs）为主要光热转化材料,CoFe2O4和Au做主要催化剂,用亲水的竹纤维布为基材,制备了双功能复合材料。通过设计并优化双功能三维蒸发器,解决平面装置光热转化效率低、能量利用率低的问题,进一步提高其光热水蒸发效率和催化降解能力。具体研究内容如下:（1）山峰状铁酸钴/碳纳米管装饰的纤维布用于协同光热水蒸发和催化降解双酚A:全面净化海水/污水,确保在水蒸发的同时去除水体中的有机污染物,是提高水净化效率和解决水污染问题的关键,因此制备了CoFe2O4和CNTs装饰的竹纤维布（CCBF）,用于光热水蒸发与催化降解污染物相结合。CCBF中竹纤维具有大量的孔道和极性基团,CNTs具有高效的光热转化能力,同时原位生长的CoFe2O4不仅可以提高光热转换效率,还能激活PmS,催化降解双酚A。此外,将CCBF折叠成一个山峰状的三维蒸发器,可以提高光能利用率和利用环境能量,促进光热水蒸发和催化降解性能。三维蒸发器在一个太阳光强照射下水蒸发速率达到了2.72 kg m-2h-1,同时可在10 min内100%降解海水中的双酚A。将光热水蒸发与催化降解相结合,山峰状CCBF蒸发器对含BPA海水的水处理总速率达到27.72 kg m-2h-1。（2）仿生牵牛花三维结构用于同时光热水蒸发和催化降解污染物的研究:针对环境湿度会影响水蒸发速率这一问题,设计了一种基于仿生牵牛花状的三维结构蒸发器,用于提高装置的光热水蒸发和催化降解性能。Au纳米颗粒具有高光热转化率、催化活性和化学稳定性等优点,是用于双功能蒸发器的理想材料,通过在CCBF表面负载Au制备获得复合材料,进一步提高其光热水蒸发效率和对污染物的催化降解能力。设计三维结构,利用烟囱效应,产生气流,降低蒸发器表面及周围空气湿度,具有中央干态“花蕊”的仿生牵牛花状三维蒸发器达到了3.21 kg m-2h-1的高效水蒸发速率。此外,该材料与PmS结合使用,展现出高效的催化降解能力,且对环境因素如p h值和盐度具有良好适应性,具有广阔的应用范围。

关键词：光热水蒸发催化降解三维蒸发器铁酸钴高级氧化法

基于聚苯醚的交联型阴离子交换膜的制备及性能研究

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基于聚苯醚的交联型阴离子交换膜的制备及性能研究

作者：李嫒杰北京化工大学

学位级别：硕士

阴离子交换膜电解水（AEmWE）由于其绿色高效的“绿氢”制备而成为最具发展潜力的可再生能源制氢技术之一。而作为AEmWE的核心组分,目前阴离子交换膜（AEm）的制备和应用仍有不足,主要体现在:自身结构局限性导致的离子传导率偏低和结构... 详细信息

阴离子交换膜电解水（AEmWE）由于其绿色高效的“绿氢”制备而成为最具发展潜力的可再生能源制氢技术之一。而作为AEmWE的核心组分,目前阴离子交换膜（AEm）的制备和应用仍有不足,主要体现在:自身结构局限性导致的离子传导率偏低和结构机械强度偏弱;传统热处理成膜耗时长难以快速制备。本研究将从结构设计和制备工艺角度出发,对聚苯醚基AEm进行研究以解决上述问题。首先,针对AEm自身结构局限性导致的离子传导率偏低和结构机械强度偏弱,设计了刚性交联双侧链结构策略,交联形成丰富离子基团的同时构建致密有力的膜结构。所制备的膜展现了离子交换容量为1.73 mmol g–1,吸水率为46.3%,拉伸强度为11.43 mPa的优异性能,其在1 mol/L Na Oh溶液中能稳定存在168 h。在电解池性能测试中,当电压为2.2 V时,电流密度能达到将近600 m A cm–2,与商业化AEm达到了相当的水平。其次,针对AEm传统热处理方式成膜耗时长的问题,开发了一种基于光响应超快速制备AEm的方法,通过溴甲基化反应调控聚苯醚主链骨架上的溴含量,接枝含阳离子基团与光可聚合基团的单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯,赋予成膜骨架聚苯醚离子交换特性与光交联特性。结果表明,与传统热处理12 h以上相比,光交联膜可在15 min内快速固化,成膜速率大幅提高,离子交换容量达到2.19 mmol g–1,吸水率为38.17%。在电解池性能测试中,电压为2.1 V时,电流密度能达到580 m A cm–2;在电渗析脱盐测试中,脱盐率达到了98.34%,脱盐效果优异。

关键词：电解水制氢阴离子交换膜聚苯醚交联剂光交联

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电催化甘油氧化制乳酸及产物分离研究

电催化甘油氧化制乳酸及产物分离研究

作者：郝鹏杰北京化工大学

学位级别：硕士

粗甘油是目前生物柴油工业的主要副产物（～10 wt%）,其产量随着生物柴油产业的发展迅速增长。甘油通过催化氧化可以转化为多种高值化学品,如甘油醛、二羟基丙酮（DhA）、甘油酸、乳酸和甲酸等。其中,乳酸是生产生物可降解聚合物聚乳酸... 详细信息

粗甘油是目前生物柴油工业的主要副产物（～10 wt%）,其产量随着生物柴油产业的发展迅速增长。甘油通过催化氧化可以转化为多种高值化学品,如甘油醛、二羟基丙酮（DhA）、甘油酸、乳酸和甲酸等。其中,乳酸是生产生物可降解聚合物聚乳酸的单体,同时也被广泛应用于制药和农化领域。因此,甘油催化氧化制乳酸具有重要的研究意义。与传统需要高温高压环境的热催化方法相比,利用电催化方法进行甘油氧化制乳酸反应可以在温和条件下进行,且不需要额外的氧化剂,具有绿色高效的优点,同时阴极可联产氢气,进一步提高了经济效益。但目前电催化甘油氧化制乳酸的选择性仍然不令人满意（hA的生成,而DhA在碱性条件下可以自发转化为乳酸。因此设想构筑BiOx/Au协同催化剂,强化DhA的生成,从而提高乳酸选择性。基于该思想,制备了BiOx/Au、Au和BiOx三种催化剂,并研究了其对甘油氧化制乳酸的性能。结果表明,在0.3 m甘油+3 m KOh的电解液中,1.05 V ***反应电压下,BiOx/Au催化剂的性能最佳,电流密度高达226 m A cm-2,甘油转化速率为2.1 mmol cm-2h-1,乳酸选择性达到了82%,性能优于目前报导的多数催化剂。基于OCP（开路电压）、原位红外、电化学吸脱附、荧光及玻碳电极等实验的研究,证实了BiOx/Au有利于甘油仲羟基的吸附,促进DhA的生成,提高了乳酸选择性;另外,BiOx/Au中的Au为缺电子状态,更有利于产生活性氧（Oh*）,提高了甘油转化速率。最后,利用实验室自制的无隔膜流动电解槽,成功将粗甘油转化为乳酸,同时阴极联产氢气。2.双极膜电渗析用于电催化甘油氧化产物乳酸盐的分离电催化甘油氧化产物主要是以羧酸盐形式存在且溶液中含有过量碱。双极膜电渗析由可再生电能驱动,不仅可以高效地将乳酸盐转化为乳酸,同时还能实现碱的回用,从而解决传统酸碱中和反应回收羧酸产物中的高成本、资源浪费及不可持续的问题。因此,本工作进一步尝试利用双极膜电渗析技术对乳酸盐进行分离并回收多余的碱。首先配置了模拟产物溶液,即含0.4 m乳酸的0.5 m KOh溶液,利用恒电压反应测试了操作电压对乳酸盐分离的影响,通过考察酸碱回收率、电流效率和能耗,发现18 V操作电压下分离效果最好;随后利用恒电流反应,测试了电流密度对乳酸盐分离的影响,得出最佳电流密度为25 m A cm-2。两者比较,18 V恒电压的分离效果优于25 m A cm-2恒电流。此外,在18 V恒电压条件下考察了初始钾离子浓度（乳酸钾+KOh）对乳酸盐分离的影响。结果显示,初始K+为1 m时,乳酸盐分离效果最好(乳酸和KOh的回收率分别为96%和95.3%、电流效率为80%、能耗为1.2 k Wh kg-1)。另外,在恒电压18 V和初始K+为1 m条件下利用双极膜电渗析对其他有机酸盐（羟基乙酸钾、甲酸钾、乙酸钠）溶液进行了分离,成功将其分离为相应有机酸,并得到了相应的碱,证明了双极膜电渗析技术在有机酸盐分离中具有普适性。

关键词：电催化甘油乳酸协同催化剂双极膜电渗析产物分离

华中背景地区大气颗粒物中水溶性离子特征与来源解析

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中国环境科学 2024年第7期44卷 3573-3580页

作者：邓萌杰雷雨果成海容武汉大学资源与环境科学学院湖北武汉430072

为探究华中背景地区大气Pm_(2.5)中水溶性无机离子(WSIIs)的特征、形成机制及来源,本研究在金沙国家大气本底站进行了为期一年的采样观测.结果表明:Pm_(2.5)年均质量浓度为(31.40±2.05)µg/m^(3),季节变化明显,冬季最高,夏季最低.二次... 详细信息

为探究华中背景地区大气Pm_(2.5)中水溶性无机离子(WSIIs)的特征、形成机制及来源,本研究在金沙国家大气本底站进行了为期一年的采样观测.结果表明:Pm_(2.5)年均质量浓度为(31.40±2.05)µg/m^(3),季节变化明显,冬季最高,夏季最低.二次无机气溶胶(SNA,即SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)和Nh_(4)^(+))是WSIIs的重要组成部分,春季、夏季、秋季和冬季SNA在WSIIs所占比例分别为84.0%、77.6%、79.8%和84.5%.研究期间阴阳离子物质的量当量比值(AE/CE)的平均值为0.91,Pm_(2.5)呈现弱碱性.(Nh_(4))2SO_(4)、Nh_(4)NO_(3)和Nh_(4)Cl是夏季离子形态的主要形式,而(Nh_(4))2SO_(4)是春、秋、冬季的主要离子形态.硫氧化率(SOR)和氮氧化率(nor.分别为0.48和0.14,与Pm_(2.5)呈显著正相关,表明SO_(4)2-和NO_(3)-主要来自二次生成,二次转化是Pm_(2.5)浓度上升重要原因.WSIIs的潜在来源和传输路径具有明显的季节特征,近距离输送气流的SOR和nor.较大,污染物从源区向背景地区迁移过程中二次转化明显,来自西北或者正北方的远距离气团携带的污染物浓度较大,受到明显的区域传输影响.

关键词：背景地区 Pm_(2.5) 水溶性离子来源解析

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针状电极作用下相分离结构逆流微细通道流动沸腾传热性能

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农业工程学报 2024年第14期40卷 271-280页

作者：罗小平陈伟强范一杰华南理工大学机械与汽车工程学院广州510640

为研究针状电极与相分离结构强化技术组合作用下微细通道流动沸腾传热性能,该研究提出了一种平行逆流微细通道热沉,针对顺流和逆流微细通道,通过高低压切换实现气相分离。以乙醇为试验工质,改性聚偏二氟乙烯多孔疏液膜(polyvinylidene f... 详细信息

为研究针状电极与相分离结构强化技术组合作用下微细通道流动沸腾传热性能,该研究提出了一种平行逆流微细通道热沉,针对顺流和逆流微细通道,通过高低压切换实现气相分离。以乙醇为试验工质,改性聚偏二氟乙烯多孔疏液膜(polyvinylidene fluoride,PVDF)作为气液相分离工具,在入口过冷度为10℃,有效热流密度范围为48.08~87.29 kW/m^(2)工况下开展流动沸腾试验,引入饱和沸腾传热系数传热强化因子(Fht)研究不同相分离结构孔数(4孔PSS-1、6孔PSS-2、10孔PSS-3)(phase separation structure,PSS)和不同电场强度(200、400、600 V)组合作用下的微细通道沸腾强化传热特性规律和机理。研究结果表明,在相同工况下,与普通微细通道(无相分离结构0孔PSS-0和无电场)相比,单独相分离结构和单独针状电极作用下微细通道的传热性能均得到有效提高,10孔相分离结构和600 V电场强度分别作用时的最大Fht为1.14和1.20,相分离结构和针状电极组合作用下微细通道传热性能得到进一步提升,10孔和600 V电场强度组合条件下的最大Fht为1.29,结果表明相分离结构和针状电极2种强化技术存在一定的协同效果。研究结果为微尺度复合强化沸腾传热技术提供参考。

关键词：针状电极电场强度相分离微细通道流动沸腾

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mOx-Au/TiO2负载型催化剂的制备及在光催化氧化5-羟甲基糠醛中的应用

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MOx-Au/TiO2负载型催化剂的制备及在光催化氧化5-羟甲基糠醛中的...

作者：李彦杰北京化工大学

学位级别：硕士

相比于传统热催化转化,光催化氧化是一种利用太阳能作为驱动力的氧化方法,具有绿色温和等优势。与此同时,不可再生的石化资源的过量开采和使用带来了能源和环境的双重问题,以具有储量丰富、绿色可再生等特征的木质纤维素生物质为原料,... 详细信息

相比于传统热催化转化,光催化氧化是一种利用太阳能作为驱动力的氧化方法,具有绿色温和等优势。与此同时,不可再生的石化资源的过量开采和使用带来了能源和环境的双重问题,以具有储量丰富、绿色可再生等特征的木质纤维素生物质为原料,制备生物基化学品成为了学术界和产业界共同关注的焦点。2,5-呋喃二甲酸（FDCA）被誉为“沉睡的巨人”,因其与石油基对苯二甲酸具有相同的官能团和类似的芳香性,被公认为是石油基对苯二甲酸最具潜力的替代品,具有巨大的市场规模。由重要的生物基平台分子5-羟甲基糠醛（hmF）经光催化氧化制备FDCA不仅具有原料绿色化的特征,也具有过程绿色化的优势,具有重要的学术研究意义和工业应用价值。针对光催化氧化hmF制备FDCA领域催化效率低下的问题,本工作致力于设计和构筑高效的光催化剂,使用沉积沉淀的方法将过渡金属氧化物与Au纳米颗粒均匀负载在载体Ti O2上,形成mOx-Au/Ti O2（m=Fe、Co、Ni）光催化剂。在室温常压的反应条件下,使用LED灯作为光源,经过3 h的反应时间后,反应物hmF的转化率能达到99.9%,同时FDCA的收率高达99.9%,大大提高了光催化制备FDCA的催化效率。结合物理表征、动力学实验、选择性毒化实验,进一步揭示了催化机理。负载的Au纳米颗粒能够提高对于可见光的响应值,其优秀的产生以及传递电子的能力,促使光生载流子的分离能力显著提高,抑制了其复合的效率。同时提供了充足的活性位点,促进反应的进行。而Fe3O4的成功负载,可以把光激发Ti O2生成的光生空穴进行高效的转移,从而避免羟基自由基的生成,进而提高反应的选择性,同时也可以产生电子,促进反应的高效进行。反应动力学研究明晰了羟基氧化为hmF氧化制备FDCA反应网络中的决速步。对光催化剂能够产生的自由基种类进行分析测试,根据ESR结果可以得到光催化剂mOx-Au/Ti O2能够高效产生活性适中的超氧自由基以及单线态氧,并通过选择性毒化实验验证了这两种自由基是光催化氧化反应进行的必备物质。通过其他的物理表征对催化剂进行活性表征测试。该研究不仅提供了一种使用负载型催化剂将hmF光催化氧化为FDCA的新方法,为以后光催化剂的开发提供了新的思路与想法,而且为有效利用生物质及其衍生物获得高价值的重要化学品开辟了新的前景。

关键词： 5-羟甲基糠醛 2,5-呋喃二甲酸光催化氧化超氧自由基单线态氧

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工厂化轨道式水产养殖精准投饲机器人研究

工厂化轨道式水产养殖精准投饲机器人研究

作者：蔡圣杰浙江科技大学

学位级别：硕士

工厂化循环水养殖具有养殖效率高、生产可不受地域空间和季节限制、均衡上市等优点,是国际上公认的现代水产养殖产业的主要发展方向。我国工厂化循环水养殖规模发展迅速,养殖水体近1亿立方米,但配套智能化精准作业设备缺乏,特别在投饲... 详细信息

工厂化循环水养殖具有养殖效率高、生产可不受地域空间和季节限制、均衡上市等优点,是国际上公认的现代水产养殖产业的主要发展方向。我国工厂化循环水养殖规模发展迅速,养殖水体近1亿立方米,但配套智能化精准作业设备缺乏,特别在投饲环节仍以人工投喂为主,劳动强度大、效率低,粗放型投饲管理不仅造成饲料浪费,而且增加水处理负荷,会进一步的增加养殖成本,降低养殖效率。目前国内研究人员针对此问题进行了相关投饲关键技术的研究,研发了一系列自动投饲设备,但其大多存在着储料量较低、投饲距离不可控、设备功能固定且适用对象单一等问题。本研究针对上述问题,设计了一种自动精准投饲机器人,其机械结构基于模块化设计思想,控制方法采用了“端-边-云”架构,结合编码器、超宽带定位(UWB)以及惯性传感器(ImU)多信息融合进行高精度定位,利用Solidworks、QT、SQLite等软件进行三维建模和软件开发设计,最终完成机器人样机试制及性能测试。主要研究成果如下:(1)机器人模块化机械结构设计及优化根据工厂化循环水养殖的特点及养殖条件,确定了机器人的功能需求,并提出机器人的参数要求。基于以上条件,设计了机器人的行走、挂载、储料以及投料机构,单个机构可独立成为模块单元,模块之间采用标准的螺栓连接方式,保证强度的同时,使得安装和拆卸简易快速;根据工况要求和行走机构尺寸,分析得到两种约束条件,确定了机器人运动轨道的半径参数;分析机器人的受力情况,对关键承力部件进行了仿真分析,对变形量较大处改变结构提高强度,对应力集中较小地方镂空减轻质量。最后机器人行走速度可达20m/min,储料量为60kg,轨道半径为2.5m。(2)机器人软硬件设计及交互界面开发本研究采用中心软件系统和嵌入式系统协同管理模式,采用STm32开发板作为机器人执行端功能控制器,利用NVIDIA开发的Jetson Nano开工控机作为边缘计算的核心,对执行端数据进行收集和本地AI计算,基于阿里云服务平台进行上层云端管理,并与终端用户进行数据交互。利用GUI界面开发软件和数据库软件设计交互界面和数据库建立。(3)机器人融合定位策略研究本课题融合编码器的位移数据、ImU的角位移数据以及UWB的坐标数据,基于EKF扩展卡尔曼滤波和机器人的割线运动模型研究了机器人的定位策略,经过测试定位精度可在1～5cm之间。试验结果和验证情况表明,投饲精度误差低于3.3%,饲料有效抛撒半径在0～8m,破损率低于5%,最大投饲能力为260kg/h。整个系统运行稳定,能够实现智能化、无人化精准投饲作业,并且能够实时进行自主状态监测、完成定位、充电、补料等作业任务,具有较高的实用价值,为后面关于工厂化水产养殖开发智能化投饲设备提供应用和参考价值。

关键词：水产养殖精准投饲机器人融合定位