系统综述了水滑石(LDHs)基纳米阻燃剂的结构功能化设计策略与协同阻燃机理。首先阐述了通过层板阳离子调控、层间阴离子功能化插层、表面修饰改性及多维杂化结构构筑等手段实现LDHs功能化的核心策略;深入分析了LDHs与膨胀型阻燃剂、磷氮系阻燃剂及其他无机填料的协同作用机制,揭示了气相-凝聚相双重阻燃的协同效应;系统总结了功能化LDHs在聚烯烃、聚氯乙烯、环氧树脂等典型聚合物基体中的应用进展与界面相容性解决方案。最后展望了该领域在理论计算指导下的理性设计、生物基绿色改性及智能响应材料开发等发展趋势,为新一代高性能环境友好型聚合物阻燃材料的设计开发提供理论指导和技术参考。
采用深共熔溶剂(DES)辅助超声技术优化三七中人参皂苷Rb1和Rd的提取工艺。通过单因素实验和响应面法优化得到最优条件:甜菜碱/尿素DES(摩尔比1∶2),添加量9.3%(体积分数),含水量30%,超声功率500 W,温度61.2℃,时间9.8 min,料液比1∶20 g/mL。在此条件下,人参皂苷Rb1和Rd的提取率分别为(36.07±0.16) mg/g和(8.93±0.05) mg/g,较传统乙醇回流法分别提高41.75%和55.69%。体外抗氧化实验表明,4 g/L提取物对DPPH和ABTS+自由基的清除率分别为79.21%和95.59%,总还原能力(0.759)接近维生素C对照组(0.972)。分子模拟显示,人参皂苷Rd与DES的氢键作用更强(结合能-265 kJ/mol),为高效绿色提取人参皂苷及其后续开发提供了理论和实践基础。
CO2的高值化利用对双碳目标实现具有重要意义。以六亚甲基二异氰酸酯三聚体(HDI)、聚天门冬氨酸酯(PAE)和1,3-二丁基脲(DBU)为原料,制备出一系列新型聚脲材料(PHPB),并对其结构进行了表征;通过热重分析、拉伸测试、硬度测试、附着力测试等考察其基础性能;通过电化学实验考察了PHPB在3.5% NaCl溶液中对Q235碳钢的防腐性能,探究了不同PAE与DBU配比对聚脲材料性能的影响。实验结果表明,随着1,3-二丁基脲的比例增加,聚脲材料的性能明显提升,拉伸强度最高达到33.3 MPa,且阻抗模值也明显提高。该新型聚脲材料力学性能优异,硬度、附着力良好,能够有效抑制金属腐蚀。
采用苯胺原位氧化聚合反应在氧化铝载体小球表面修饰聚苯胺,并通过浸渍法负载金属活性组分钯后制备得到Pd/PANI-Al2O3催化剂。通过X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附、高角环形暗场-扫描透射电子显微镜(STEM-HAADF)、CO脉冲吸附和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,对比研究了聚苯胺修饰前后氧化铝载体及催化剂性质,并对催化剂催化蒽醌加氢反应性能进行了研究。结果表明,聚苯胺-氧化铝复合载体的晶相结构与氧化铝保持一致,其比表面积、孔容以及平均孔径均有所降低;Pd/PANI-Al2O3催化剂中金属钯颗粒大小均匀且粒径分布集中,平均粒径为3.14 nm;聚苯胺增强了与Pd2+物种间的相互作用,显著提高了金属钯分散度;在相同的氢耗下,Pd/PANI-Al2O3催化剂较常规Pd/Al2O3催化剂具有更高的氢效。
通过氯化铁和钼酸铵的协同作用,构建了无机/生物质复合水凝胶的无机结构,并引入了聚乙烯醇(PVA)和单宁酸(TA)的有机体系。该复合水凝胶在保持无机金属水凝胶的优异导电性和传感性能的同时,赋予了有机水凝胶良好的力学特性,单宁酸的抗氧化特性亦能在水凝胶中得到体现。利用乙二醇作为分散剂,实现了水凝胶的均质性,促进了TA与PVA之间的共价交联。此外,TA与Fe3+之间的螯合配位作用形成了酚羟基金属键,而钼酸铵的加入促进了Fe/Mo协同配位,进一步形成了Fe2(MoO4)3,从而使得水凝胶的交联结构更为紧密。随着铁离子浓度的增加,交联密度亦得到显著提升,这不仅增强了水凝胶的力学性能,也改善了其电学性能,从而在传感应用领域展现出更佳的潜力。
为提高B类火灾的灭火效率,以空心玻璃微珠为基体,聚磷酸铵为阻燃剂,羟丙基甲基纤维素为阻燃协效剂,制备了一种低密度固体阻燃材料,并对材料形貌、极限氧指数、密度、体积电阻率、隔热等性能进行表征。结果表明,材料的阻燃隔热性能优异[极限氧指数>60%,导热系数<0.05 W/(m·K),密度<0.41 g/cm3,低于常规易燃液体],抗静电能力强(体积电阻率 <106 Ω·m)。在与泡沫灭火剂复配使用中,铺设一层阻燃浮力小球明显抑制原油燃烧火焰高度与强度,有效降低原油储罐火灾的灭火时间(由600 s降低至120 s),明显提高灭火效率,为应对油品储罐火灾提供了新思路。
针对碱性电解槽耐久性提升难题,借助超酸催化策略,在聚(三苯基-冠醚-哌啶)膜体系中引入三氟苯乙酮单体,同步优化膜的尺寸溶胀特性与耐碱稳定性。相较于PDTP-30膜,PDTP-30-15膜在80℃时吸水率降低64.8%,拉伸强度提升56%;在80℃、1 mol/L KOH中浸泡1 500 h后,氢氧根电导率保留率高达88%。PDTP-30-15膜在2.04 V电压下可实现2 000 mA/cm2电流密度,且在80℃、1 mol/L KOH、250 mA/cm2工况下稳定运行210 h,电压衰减率仅0.9 mV/h,为高效稳定膜材料的设计开发提供了新路径,助力碱性电解水技术的发展突破。
采用原位溶胶-凝胶法制备了一种新型电气石/TiO2复合光催化材料(TT8.5),通过污染物去除实验并结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜-能谱分析(SEM-EDS)、比表面及孔径分析(BET)等表征手段,系统探究了该复合材料在不同水质条件下对四环素(TCH)的去除效果及作用机制。结果表明:在TCH浓度20 mg/L、材料TT8.5投加量0.25 g/L、吸附-光催化一体化反应1 h的条件下,水中TCH的去除率为52%(去除容量42 mg/g);而同等实验条件下,TT8.5对河水中的抗生素去除率仍可保持50%左右,效果显著高于TiO2和电气石。该合成材料的优异性能基于电气石与TiO2的“吸附-催化”协同作用,在实际水体中表现出良好的抗干扰能力,为低浓度抗生素污染水体的修复提供了新的思路。
对于醇/水共沸物的分离,渗透汽化由于不受气液平衡限制表现出显著的优势。单层MXene纳米片可以规则地堆叠以创建开放的狭窄纳米通道,使MXene成为制备高效分离膜的有前途的材料。通过物理共混将MXene二维纳米片掺入到 1,2-双(三乙氧基硅基)乙炔(BTESA)有机硅溶胶中,制备了BTESA/MXene混合基质膜。利用MXene二维纳米片的亲水性二维通道实现水分子的快速传输以达到提高BTESA膜渗透汽化分离性能的目的。当MXene的掺杂量为0.2%(质量分数)时,分离效果最佳。此时对水含量为5%的正丁醇/水体系在70℃下的通量和分离因子为1.00 kg/(m2·h)和716。
Baeyer-Villiger(B-V)氧化法是环酮制备酯类最常用的方法之一,δ-戊内酯由于在许多方面都有着重要作用,因此开发B-V氧化环戊酮生产δ-戊内酯具有重要的意义。采用共沉淀的方法制备了一系列Sn-W复合金属氧化物催化剂用于催化环戊酮氧化制δ-戊内酯。首先采用多种表征手段对催化剂的结构进行分析,发现催化剂结构为SnO2的四方晶系以及WO3的三斜晶系,形态为不规则粒状或块状集合体。接着,将上述催化剂用于催化环戊酮氧化制δ-戊内酯反应时,发现催化剂Sn-W-2-800有很好的催化性能。最后在此基础上进一步进行了反应条件优化,得到最优条件为:双氧水投加量为理论值的2.1倍,酮(环戊酮)与酸(丙酸)摩尔比为1∶20.25,催化剂投加量为8.8 g/L,反应时间为5 h,反应温度56℃。在此条件下,环戊酮转化率为81.47%,δ-戊内酯选择性为63.83%,收率达到52%。
将2,2'-二氨基二苯二硫醚(2-APDS)和2-羟乙基二硫化物(HEDS)同时引入水性聚氨酯主链,制备了具有高自修复效率和优异力学性能的自修复水性聚氨酯(SWPU),对SWPU的红外光谱、拉曼光谱、粒径及Zeta电位、热稳定性、力学性能和自修复效率进行分析。分析表明,合成的SWPU都具有较好的稳定性,且随着2-APDS含量的增加,SWPU自修复效率和力学性能都呈先增大后减小的趋势,SWPU3的拉伸强度达到19.34 MPa,在65℃下2 h自修复效率达到88.97%,而随着HEDS的引入,SWPU的自修复效率进一步提高,但力学性能下降,SWPU6具有较好的自修复效率和力学性能,拉伸强度达到17.43 MPa,65℃下2 h自修复效率达到97.25%。
利用硫酸水解法制备硫酸酯基改性的纤维素纳米晶(CNC),通过静电层层自组装法将质子化明胶(带正电)组装到带负电CNC稳定的乳液液滴表面,形成CNC/明胶(CNC-Gel)双层乳液。研究结果表明:随着明胶浓度的增加,CNC-Gel乳液的粒径呈先降低后增加的趋势,乳液稳定性呈先增强后降低的趋势;当明胶浓度为0.75%时,CNC-Gel-0.75乳液具有最小的粒径和最佳的稳定性。储藏30 d后,CNC-Gel-0.75保持稳定,具有良好的储藏稳定性。此外,CNC-Gel-0.75展现出优异的温度、离子强度和pH稳定性,适用于食品复杂的加工场景。本研究为提升CNC乳液的稳定性提供了新的研究思路,拓展了CNC乳液的应用范围。
以国内某生活垃圾焚烧厂为例,通过Kaya恒等式和LMDI加和分解法,识别影响城市生活垃圾碳排放的关键因素,再利用公式法和IPCC国家温室气体清单指南法,分析垃圾处理全过程中的主要温室气体排放量,并用SimaPro软件计算CO2排放量验证核算结果。研究发现主要排放的污染气体为CO2、CH4、N2O,各个过程累计排放量为439.047 7 kg,CO2当量值共计460.9 kg/t;对碳排放进行全生命周期分析发现焚烧过程碳排放占比最大,为95.1%,其次是渗滤液处理过程,占比4.89%。SimaPro软件计算CO2累计排放440 kg,2种方法结果相近,对核算结果提供了可行性依据。最后根据垃圾处理各个环节的特点,从技术升级、工艺优化以及资源化和无害化处理等方面提出了相应的减排措施。
针对液化天然气蒸发气(BOG)中氦气精制的技术难题,基于Aspen Adsorption软件,建立了包含质量、能量和动量守恒方程的多尺度耦合模型的新型变压吸附(PSA)氦气精制工艺。系统地对吸附剂进行对比筛选,继而考察了操作参数对分离性能的影响。在工艺设计方面,拓展性地提出了双塔PSA工艺方案,引入均压和真空解吸步骤。结果表明,CMS-5000-A型碳分子筛的孔径范围及适用条件均符合N2/He分离条件,表现出优异的分离性能,其对N2/He的选择性吸附比达到87.5∶1。当吸附压力控制在0.3~0.4 MPa时,氦气回收率可提高15%以上;吸附床高度在1.0~1.1 m范围内时,既能保证产品纯度 >99.99%,又能使能耗维持在较低水平。使氦气回收率从单塔系统的84.7%提升至89.8%。结合贝叶斯算法优化方法,新工艺能耗较传统深冷法降低52%~68%。该工艺具有启动时间短、操作弹性大等优势,为工业级氦气提纯提供了可靠的技术方案。
以四川中部某气田为例,利用Aspen软件搭建原料气集输系统流程,模拟研究区不同压力下的水合物生成温度,得到0~40 MPa内压力与水合物生成温度的对应关系。对比甲醇(MeOH)、乙二醇(MEG)及三甘醇(TEG)3种抑制剂在研究区内的适应性,水合物抑制效果为MeOH>MEG>TEG,而抗水量影响能力为TEG>MEG>MeOH。通过模拟原料输送过程管内温度、压力及水合物生成温度分布,以管内温度来判断是否存在水合物生成风险。以下游进站温度作为抑制剂加注时机参照点,结合气井各自产气、水量及管长特点,预设一定温度裕量,得到所需抑制剂加注量,最终以0.5℃温度梯度对应加注量确定加注方案。经现场验证,2024年冬季保供周期使用该方案,原料气安全输送同时有效减少了15%的抑制剂用量,解决了抑制剂加注量过大且加注时机不明确的问题。
为研究甲烷氧化偶联制乙烯(oxidative coupling of methane,OCM)不同分离流程的物耗、能耗、主要设备操作条件,采用Symmetry分别对深冷分离和中冷油吸收分离工艺进行建模计算。结果表明,深冷分离的主要设备在3.6 MPa、-100℃条件下进行操作,中冷油吸收分离的主要设备在2.7 MPa、-40℃条件下进行操作。2种分离方案均获得摩尔分数99.95%聚合级乙烯产品,深冷分离方案的乙烯产品摩尔回收率为98%,综合能耗是668.6 kgoe/t乙烯;中冷油吸收分离方案的乙烯产品摩尔回收率为95%,综合能耗是629.9 kgoe/t乙烯,中冷油吸收分离方案综合能耗达到新建乙烯装置能耗要求最低准入。
采用高压密闭法消解样品,建立了电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法快速测定钨钼矿中16种稀土元素的分析方法,对样品前处理方法、称样量及消解温度等条件进行了实验,确立了最佳样品前处理条件,选用铑为内标元素补偿了基体效应和仪器漂移。考察了各元素的方法检出限、精密度和准确度等技术指标,结果表明,各元素在所测含量范围内线性关系良好,方法检出限(3 s)为0.002~0.015 μg/g。采用该方法用于国家标准物质分析,测定值与认定值基本一致,相对标准偏差RSD(n=6)为0.76%~4.21%,对实际样品进行加标回收实验,回收率为95.3%~105%。同时采用试验方法和标准方法GB/T 14352.20—2021中的碱熔方法对3个实际样品进行分析,测定结果相吻合。