以2-甲基萘(2-MN)为原料,系统探究了AlCl3、FeCl3和ZnCl2等一系列路易斯酸催化剂对酰基化反应的影响,同时对反应条件进行优化,考察反应温度、反应时间对酰基化反应产物中2-甲基-6-丙酰基萘(2,6-MPN)选择性的影响。结果发现,AlCl3表现出了较好的催化活性,在反应温度为20℃,反应时间为5 h,2-MN、丙酰氯(PC)、AlCl3的摩尔比为1∶1.4∶1.7时,2-MN转化率为100%,2,6-MPN选择性达92%,且2,6-MPN与2-甲基-7-丙酰基萘(2,7-MPN)的选择性之比可达到11.5∶1。进一步采用连续减压精馏装置,通过减压精馏和重结晶相结合的方法对反应产物进行分离提纯,结果发现,此方法显著提高了2,6-MPN分离效率,提升了2,6-MPN收率,经重结晶提纯后2,6-MPN纯度可达到99%。
通过共沉淀法合成了一种Cu/Zn/Al/Mn催化剂,将其与一种在工业中使用的铜锌基含Cr催化剂进行对比,通过比表面积分析(BET)、X射线衍射(XRD)、能量色散光谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)对催化剂进行表征,并在苯胺N-甲基化反应中研究其催化性能。结果显示在210℃、常压、空速0.5 h-1、n(甲醇)∶n(苯胺)=1.3∶1、苯胺与甲醇分别气化后混合进料的情况下,商业铜锌铬铝的转化率为74.34%、收率为73.43%,Cu/Zn/Al/Mn催化剂转化率为95.99%、收率为88.87%,表明Cu/Zn/Al/Mn催化剂在苯胺N-甲基化反应中拥有良好的稳定性和应用潜力。
凭借较低的电极电势以及较高的理论容量,层状结构的三氧化钼(α-MoO3)常作为负极材料应用于水系氢离子电池中,然而溶解流失问题导致其使用寿命较短。采用新型植酸电解液并优化使用条件,可有效解决上述问题。植酸能够降低电解液中的自由水活度,抑制水分子对α-MoO3晶格的腐蚀;控制充电电位能够避免与溶解流失有关的副反应的发生。因此,在 0.5 mol/L植酸水性电解液中,经充电电位优化后,α-MoO3电极具有188 mAh/g的可逆容量;在80 C下,倍率性能为56%;经 5 000次测试后,循环稳定性保持率100%。基于X射线粉末衍射技术的储能机理分析表明,α-MoO3在充放电过程中经历多次相变反应,仅钼青铜Ⅱ相与Ⅲ相间的反应是可逆的。
以还原氧化石墨烯(rGO)为载体制备了卷曲状、二维平面膜层和花瓣状3种不同空间结构的聚苯胺(PANI)复合材料,分析其形貌、结构及电容性能。结果表明,水热处理后具有花瓣状空间结构的石墨烯基聚苯胺复合材料(PANI/FS-rGO)在电容性能上表现优异,在25℃时,5 mV/s下比电容为480 F/g,2 A/g下能量密度为160.9 Wh/kg,分别是纯PANI的2.11倍和1.98倍;在2 A/g下循环测试1 000次后,能量密度保持率为92%;测试温度变化至0℃或50℃时仍表现出良好的稳定性。该性能优势可归为花瓣状rGO载体与PANI之间的强π-π共轭作用及其构建的空间通道对电容性能增强的协同效应。
通过等离激元金属金(Au)与非贵金属半导体光电催化剂二硫化钼(MoS2)的耦合作用,构建了新型光电析氢自支撑电极。采用水热法与离子溅射法成功制备了金基二硫化钼复合电极(MoS2-Au/Ti foil)。通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、X射线衍射仪(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)对电极的形貌、成分及化学价态进行了系统表征。光学与电化学性能测试表明,Au的等离激元效应与MoS2半导体光催化性能实现了有效协同,显著拓宽了电极的光响应范围;同时,MoS2的引入有效抑制了Au纳米颗粒中光生载流子的复合,提升了电荷分离效率。光电化学测试进一步证实,该复合电极具有更高的电化学活性比表面积和更低的电荷转移阻抗,从而显著增强了光电催化析氢性能,复合电极的光响应电流密度达到了688.5 μA/cm2,远优于单一的Au/Ti foil(50.5 μA/cm2)电极与MoS2/Ti foil(565.5 μA/cm2)电极。
采用原位沉淀法成功制备BiOBr/BiVO4复合光催化剂,对其晶体结构、微观形貌、吸光性能、能带结构等进行表征分析。BiOBr和BiVO4之间形成的良好异质结界面和匹配的能带结构,有效促进光生电子-空穴对的分离与迁移。在可见光照射下,BiOBr/BiVO4复合物对盐酸四环素(TCH)表现出显著增强的光催化降解性能,其中BiOBr/BiVO4-2样品光催化活性最优,光照40 min后,TCH的降解率达到80.0%,其一级动力学拟合的反应速率常数达到0.035 0 min-1,是单一BiVO4的2.01倍。自由基捕获实验进一步表明,·OH和光生空穴(h+)在BiOBr/BiVO4复合物光催化降解TCH过程中起主要作用。
以3种咪唑类磺酸功能化离子液体为催化剂制备薯蓣皂苷元。通过单因素及响应面试验,优化薯蓣皂苷元制备工艺条件为:[PSMIm]PTSA用量2.75 g,水解时间4.02 h,溶剂体积5.58 mL,水解温度100℃。此条件下,薯蓣皂苷元收率可达16.72%,是传统硫酸水解法收率的98.6%。所得水解产物纯度为66.2%,分别经重结晶和柱色谱分离后,纯度可达83.9%和98.5%。在优化条件下,含有离子液体的水解溶液经简单过滤和洗涤即可循环使用。所用离子液体在薯蓣皂苷元制备过程中显示出了良好催化效果和循环使用能力,优化工艺条件稳定可行,具有显著的环境优势。
为了提高臭氧氧化的矿化能力和臭氧的利用效率,利用共浸渍法制备了一种以γ-Al2O3为载体的Mn-Co双金属臭氧催化剂,将其与臭氧微气泡耦合,用于臭氧-生物活性炭处理微污染水。催化剂重复性实验显示其循环稳定性良好,使用4次后体系中Mn和Co的离子浸出率均在检出限以内,证实催化剂表面金属离子溶出低、稳定环保。连续流实验探究了耦合体系对臭氧-生物活性炭中臭氧单元的提升程度并分析了体相臭氧分布、臭氧传质速率、氧化还原电位的变化。结果显示,耦合体系比原臭氧-生物活性炭臭氧氧化CODMn和UV254去除率分别提高23.71%和12.13%,臭氧传质速率和氧化还原电位分别为普通臭氧氧化的5.87倍和1.27倍。
针对淀粉废水深度处理问题,采用电絮凝与空气电极耦合工艺,实现低能耗下淀粉废水二级出水的深度处理。通过优化阴极制备工艺,采用酸化炭黑与聚四氟乙烯(PTFE)以1.2∶1的质量比制备复合空气阴极,其H2O2产率达14.73 mg/(h·cm2),电流效率为86%。在电流密度20 mA/cm2、pH 4.0条件下,与传统电絮凝系统相比,空气阴极电絮凝系统对化学需氧量(COD)和浊度的去除效率分别提升了20%和10%。机理研究表明,该系统除电絮凝过程产生的羟基自由基(·OH)外,空气阴极电化学反应额外贡献了16%的COD去除率。在能耗方面,该系统表现出显著优势,空气阴极电絮凝系统单位能耗为1.58 kW·h/m3,较传统系统降低约34%,为高浊度有机废水深度处理提供了高效、低耗的解决方案。
以水稻秸秆生物炭(BC)和七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)为原材料、硼氢化钠(NaBH4)为还原剂制备了生物炭负载纳米零价铁(nZVI/BC)材料。考察了制备过程中铁碳比对nZVI/BC吸附特性的影响,结果显示在温度为25℃、pH=7、投加量为0.30 g/L、铁碳比为2∶1的情况下,2nZVI/1BC对对氯苯胺(PCA)的最大吸附量为162.73 mg/g。2nZVI/1BC对PCA的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir模型,说明对PCA的吸附过程主要是化学吸附和单分子层吸附;吸附解吸实验结果表明BC、nZVI、2nZVI/1BC对PCA的解吸率均极低(小于1.5%);负载BC后有效抑制了材料的老化,老化15天后对PCA的去除率仍有77%;经Zeta电位测定、L-H模型拟合、吸附后材料表征和高效液相色谱测定发现,2nZVI/1BC对PCA的去除除吸附外还存在静电吸引作用、氧化降解作用与还原脱氯作用。
为提升聚苯并咪唑(PBI)膜的气体分离性能,采用甲磺酸(MSA)为溶剂,制备了质子化PBI膜(PBI-MSA),并与以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂制得的PBI膜(PBI-DMAc)进行对比。研究发现,MSA引发的质子化作用有效抑制了分子间氢键的形成,改善了膜的链段堆积结构。气体渗透测试表明,PBI-MSA膜在35℃、30 psi下的H2和He渗透系数分别为7.95 Barrer和10.90 Barrer,H2/CO2选择性提升至14.64,远高于PBI-DMAc膜的4.36,H2/N2与H2/CH4选择性超过2 000。结果表明,质子化调控是提升PBI膜分离性能的有效策略,具有较好的应用潜力。
针对DMS制取DMSO过程中DMSO纯度低、能耗高的问题,首先运用Aspen Plus软件对过氧化氢氧化法制DMSO进行初步模拟,然后运用灵敏度分析模块对精馏塔进行参数优化,接着在分析塔的能耗后对DMSO初分离塔和DMSO精制塔进行热泵精馏改造,最后以夹点技术为指导,通过删除小面积换热器、选用合理公用工程的方法对流程换热网络进行优化。模拟结果表明,热泵精馏改造后,总公用工程消耗减少85%;DMSO纯度由96.94%提升至99.99%;换热网络优化后,总公用工程消耗减少5%,碳排放量减少33%。在完成所有节能优化后,总公用工程消耗较初始流程减少85.75%,碳排放量减少33%,DMSO纯度稳定达到99.99%。
选取MDEA-PZ二元复配胺液为吸收剂,建立低浓度烟气碳捕集的工艺计算模型。根据模拟计算,分析了影响MDEA-PZ二元复配体系的胺液配比、烟气入塔温度、贫液温度、气液比等影响碳捕集过程和能耗的关键因素,在此基础上通过集成吸收塔级间冷却工艺、MVR热泵工艺进行节能优化,级间冷却+MVR热泵工艺的系统能耗较典型工艺系统单位碳捕集能耗降低了16.7%;最后,分析了碳捕集系统可高效回收余热的点位,考虑节能工艺集成与余热回收的工艺系统,单位碳捕集能耗降低了33.63%。研究结果证明,通过多种节能工艺耦合与系统内烟气、CO2余热回收集成低能耗碳捕集系统,是降低碳捕集单位能耗的有效途径。