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2020年  42卷  第3期

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废催化剂中铂族金属回收现状与研究进展
丁云集, 张深根
2020, 42(3): 257-269. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.26.001
摘要:
我国铂族金属(Platinum group metals, PGMs)储量少,消费量大,对外依存度高,PGMs二次资源的回收利用是缓解我国PGMs短缺最重要的途径。废催化剂是PGMs最主要的来源,其回收成为研究的热点。本文详细介绍了PGMs消费结构与回收现状,全球PGMs回收量约占原矿产量的20%~30%,且将保持持续增长的趋势。样品的精准分析对PGMs回收有至关重要的作用,同时还原、焙烧、机械球磨等预处理能提高PGMs回收率。相对于传统氰化法和王水溶解,近年来开发出氯化浸出法、超临界萃取法、载体溶解法等较环保的浸出工艺。尽管部分湿法浸出工艺已经产业化应用,但存在废水量大、产生有毒气体及回收率低(特别是Rh)的问题。火法富集是以铅、铜、铁、镍锍为捕集剂,与PGMs形成合金富集,载体熔化造渣。本文对上述富集方法进行了综述并总结了优缺点,基于现有技术存在的污染严重、PGMs回收率不高等问题,展望了PGMs绿色高效回收技术,如活化预处理、协同提取有价金属和载体利用、贱金属协同冶炼和铁捕集–电解等,为从事该领域的科研工作者提供了良好的参考。
微生物燃料电池碳基阳极材料的研究进展
刘远峰, 张秀玲, 李从举
2020, 42(3): 270-277. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.27.008
摘要:
微生物燃料电池(Microbial fuel cells, MFCs)是一种绿色能源技术,通过微生物的催化氧化代谢污水中的有机物同时产生电能,具有清洁环境和产电的双重优势,为可生物降解及可循环利用的废弃物转变成清洁能源提供了潜在的机会,在环境治理和能源利用方面表现出较好的应用前景。然而,目前相对较低的产电效率限制了MFCs的实际应用,其中阳极电极是产电微生物富集和传递电子的重要场所,与电池极化、电子导电性、生物相容性密切相关,是影响电池性能和运行成本的关键因素。碳纳米材料具有导电性好、比表面积大、孔隙率高、成本低等特点,被认为是微生物燃料电池重要的阳极材料,得到了广泛的研究和关注。本文主要从阳极电极种类、电极结构设计和电极材料改性等方面总结改善电极生物相容性、增加产电微生物附着量、提高反应活性位点的方法,并对提高产电性能的机理进行论述。最后对碳基电极材料进行展望,以期为制备高电化学活性的阳极材料提供理论指导。
欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状
刘少名, 邓占锋, 徐桂芝, 李宝让, 宋鹏翔, 王绍荣
2020, 42(3): 278-288. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.001
摘要:
固体氧化物燃料电池(SOFC)具有燃料适用范围广、能量转换效率高(发电效率40%~60%,综合能效≥80%)、全固态结构、模块化组装、零污染等优点,作为固定式或分布式发电可增强电网清洁供电的能力、安全性、可靠性和稳定性。SOFC具有多种不同的结构,其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦,可根据不同的应用场景选择不同的结构,应用场景主要包括固定式发电、分布式供电、热(冷)电联供、交通车辆辅助动力电源等领域。国内的SOFC技术发展较晚,目前已取得一定的研究进展,并且能够自主研发出十几千瓦的SOFC发电系统,但与国际领先水平还有很大的差距,主要体现在输出功率、生产成本及使用寿命等方面。欧洲的SOFC技术处于国际领先水平,具有一批成功实现产品化的公司,通过对其技术和产品的调研,可深入的了解欧洲SOFC技术现状和发展趋势,为国内SOFC技术的发展提供借鉴作用。
MOF材料在水环境污染物去除方面的应用现状及发展趋势(I)
邹星云, 陈明, 曹晓强, 王璇, 贾荣畅, 黄祎萌, 李广, 颜炳琪, 王鹏, 李琳, 胡术刚, 吕宪俊
2020, 42(3): 289-301. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.003
摘要:
金属有机骨架(Metal-organic frameworks,MOFs)是一类有机‒无机杂化材料,通常是指金属离子或金属簇与含氮、氧刚性有机配体通过自组装过程形成的功能性多孔材料。MOF材料具有丰富的可设计的结构类型、可调控的化学功能、低密度的骨架、超高的比表面积,以及可功能化的永久的孔空间,在气体存储与分离、催化、传感、药物运输与缓释等领域都有广泛的应用潜力。近年来,MOF及其复合材料已经被应用于多种污染物的去除。本文对近年来MOF材料去除水环境中重金属、有机物的相关研究进行了总结与评述。本篇是该主题的第一篇,主要针对MOF材料在水体重金属污染物去除方面的研究进行论述。通过对以往的研究分析可知,MOF材料对常见重金属Pb2+、Cu2+、Cd2+、Co2+、Ag+、Cs+、Sr2+、Hg(II)以及\begin{document}$ {\rm{TcO}}_4^ - $\end{document}、Se(VI)、As(III)、As(V)均具有高效吸附性能,甚至部分MOF材料的吸附性能远高于传统吸附材料。主要的吸附机理包括:静电引力、配位/螯合作用、离子交换作用、孔道吸附(物理吸附)等。最后,基于以往的研究成果对未来的研究趋势进行了展望。
典型钒矿冶炼厂区域土壤重金属污染及陆生植物富集能力
邵慧琪, 张又文, 曲琛, 厉文辉, 赵妍珺, 刘凝, 蔡寒梅, 吴传东, 刘杰民
2020, 42(3): 302-312. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.23.001
摘要:
植物修复是土壤重金属污染修复的重要手段。为了探明南水北调工程中线水源地土壤污染状况并对其进行修复,本研究以湖北省朝北河和典型钒矿冶炼厂为对象,按季节采集该区域土壤(样本量n = 14)和当地优势陆生植物(样本量n = 113),使用微波消解‒电感耦合等离子体质谱(ICP‒MS)测定V、Cr、As和Cd重金属含量,根据内梅罗指数法综合评价了土壤污染程度,评估了各种植物对四种重金属的富集能力。结果表明,朝北河采样点中排污口与河水交汇处土壤中重金属Cd含量较高;钒矿冶炼厂原矿堆放区V超标近83倍,Cr、As和Cd重金属超标两倍以上,土壤受到严重污染;其他采样点均受到不同程度的重金属污染。植物重金属富集能力和耐受性评价结果表明,鼠麴草、密叶飞蓬、一年蓬对四种重金属耐受性极强,小蓬草、白茅、少花龙葵、野菊、白车轴草、稗是V、Cr和Cd的超富集植物,蜈蚣草、构树对As的富集能力极强,野艾蒿对Cr和Cd的富集能力较强,丁香蓼和日本毛连菜分别对Cr和V具有较强的耐受性和富集特异性,委陵菜和垂序商陆对Cd具有较强的富集能力和特异性。五种优势植物盆栽实验表明,苎麻在复合金属污染条件下耐受性最强,委陵菜富集能力最强。
SBA-15脱除超细颗粒的机制研究
邢奕, 崔永康, 苏伟, 尹丽鲲, 刘应书, 李子宜, 路培
2020, 42(3): 313-320. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.01.004
摘要:
利用扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(SMPS),针对不同孔径的介孔材料SBA-15,探索对UFPs(2.5~25 nm)的去除效率及脱除机理,以期为介孔材料过滤脱除UFPs在钢铁工业颗粒物超低排放控制的应用提供理论基础。基于实验结果及表征分析得知:UFPs入孔效应使大孔径介孔过滤介质效率更佳;介孔材料孔径端部内外表面存在大量UFPs亲和位点,提高端部复杂程度有利于提升材料过滤性能;氮气的有无对UFPs去除结果基本没有影响;介孔的存在使UFPs扩散效应更强,颗粒入孔使扩散系数增加,故UFPs在介孔材料实际扩散结果与传统扩散模式理论值(m=−2/3)不同。
MnOx−FeOy/TiO2−ZrO2−CeO2低温选择性催化还原NOz和抗毒性研究
张晴, 贺拴玲, 张铮, 汪莉
2020, 42(3): 321-330. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.002
摘要:
用溶胶凝胶法制备TiO2−ZrO2−CeO2(摩尔比4∶1∶1.25)载体,柠檬酸溶液浸渍法进一步负载MnOx及MnOx−FeOy,进而合成了一种Fe掺杂的新型Mn基复合氧化物催化剂,考察其NH3选择性催化还原NO性能及抗硫性能。它在含硫氛围中有良好的低温选择性催化还原(SCR)能力和抗中毒能力,Fe的引入促进了Mn与TiO2−ZrO2−CeO2载体之间的相互作用,增加了催化剂表面Lewis酸性位点的数量。根据X射线光谱分析,Mn4+,Ce4+和吸附的氧的含量明显增加,对提高催化剂的性能非常有利。根据热重分析,在SO2和H2O同时存在的环境下,Fe的存在使硫酸铵和硫酸铈的产生量减少,抑制了锰的硫酸化,进一步提高了催化剂的抗毒性。MnOx(12.5%)−FeOy(0.8)/TiO2−ZrO2−CeO2(4∶1∶1.25)催化剂在180 ℃下,同时通入体积分数10% H2O和125×10−6 SO2 240 min,NOz转化率可保持在75.6%。根据研究成果,新型锰基复合金属氧化物催化剂为进一步探索催化剂的SCR反应和抗毒机理提供了基础,促进了SCR工艺的工业应用。
含锰钢RH真空过程锰的迁移行为
宋磊, 王敏, 李新, 高振波, 李小虎, 包燕平
2020, 42(3): 331-339. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.08.006
摘要:
Ruhrstahl Heraeus(RH)精炼炉是重要的二次精炼装备,但在真空处理过程中会遇到钢液易挥发合金元素的损失量大的问题,且造成钢液真空喷溅的结瘤及对后续钢液的二次氧化。针对含锰钢RH真空处理过程锰的气化导致的元素损失及真空喷溅等问题,跟踪和研究了120 t RH不同真空处理模式下钢液中Mn元素的变化规律及迁移行为。分析了锰元素损失与其挥发和真空喷溅的关系,并在RH真空室内壁不同位置结瘤物的解剖实验中得到验证。研究表明,钢液中Mn元素在RH真空过程中存在着明显损失,真空前期损失量最大;RH真空室内壁结瘤物中锰氧化物的质量分数整体占比高达14%~70%;热力学计算结果显示:温度、钢中Mn的含量以及真空度对Mn的挥发行为均有着很大的影响,是真空过程锰迁移的关键影响因素。通过改进真空压降模式,采用步进式抽真空,元素锰的损失由原先的2×10−4降低至1×10−4,结果对现场生产具有很强的指导意义,通过改进真空压降模式可以有效的抑制钢液的喷溅和挥发,进而减少合金元素锰的损失。
低碳低合金钢时效过程中Mn在α-Fe与渗碳体间重分布特征
张植权, 周邦新, 王均安, 刘文庆
2020, 42(3): 340-347. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.24.005
摘要:
利用原子探针层析技术研究了核反应堆压力容器(RPV)模拟钢调质处理后在370和400 ℃长期时效以及淬火后在400 ℃长期时效后Mn在α-Fe基体与渗碳体间重分布的特征。研究结果表明,在所有热处理条件下,Mn均会从α-Fe基体向渗碳体内扩散,引起渗碳体内Mn浓度升高。其中淬火后直接在400 ℃时效条件下试样中渗碳体内的Mn浓度最高。即使在400 ℃经过35000 h长时间时效,Mn在渗碳体内的浓度仍未达到平衡,需要进一步延长时效时间,这与Mn在400 ℃在α-Fe基体中扩散速率极其缓慢有关。此外,Mn在渗碳体内的分布也不均匀,在靠近α-Fe基体/渗碳体界面附近的渗碳体一侧存在Mn的原子偏聚区,偏聚区Mn浓度随时效温度升高而增加。长时间时效后,Mn在两相间重分布特征与Mn在渗碳体内扩散速率低于Mn在α-Fe基体中扩散速率有关。
基于密度聚类和动态时间弯曲的结晶器黏结漏钢预报方法的开发
段海洋, 王旭东, 姚曼
2020, 42(3): 348-357. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.02.004
摘要:
针对漏钢时结晶器铜板温度呈现出的“时间滞后”和“空间倒置”等典型特征,本文通过引入动态时间弯曲(DTW)和机器学习中的密度聚类(DBSCAN)方法,提取、汇集并区分结晶器温度的典型变化模式,在此基础上开发出一种新型的漏钢预报方法。借助动态时间弯曲度量不同拉速、钢种或工艺操作条件下结晶器热电偶温度的相似性,并运用密度聚类方法聚集和分离正常工况、黏结漏钢状况下的温度样本,在此基础上检测和预报结晶器漏钢。结果证实,相较于传统的逻辑判断和人工神经元网络预报结晶器漏钢的方法,基于聚类的漏钢预报方法无需人为设置阈值或参数,能够依据漏钢历史样本中温度变化的共性规律,提取并融合热电偶温度在时间、空间上典型的变化特征,准确区分和预报结晶器漏钢,具有较好的自适应性和鲁棒性。
3D打印锂离子电池正极的制备及性能
左文婧, 屈银虎, 祁攀虎, 符寒光, 王钰凡, 高浩斐, 张红
2020, 42(3): 358-364. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.09.006
摘要:
采用挤出式3D打印技术制备锂离子电池电极,选取三元镍钴锰酸锂(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)作为正极活性材料,以去离子水、羟乙基纤维素和其他添加剂为溶剂来制备性能稳定且适合3D打印技术的锂离子电池正极墨水,利用流变仪、X射线衍射仪、电池测试仪、ANSYS模拟等探究了增稠剂种类和含量、墨水黏度、打印工艺等对墨水流变性质和可打印性能的影响。结果表明:选取羟乙基纤维素/羟丙基纤维素质量比为1∶1混合且质量分数为3%时,所制备的墨水黏度为20.26 Pa·s,此时墨水具有较好的流变性,打印过程出墨均匀,打印电极光滑平整,满足后期墨水的可打印性要求,经模拟分析,墨水黏度对墨水流动性影响明显;电极材料经超声分散、打印、烧结等过程后未造成原有晶体结构的改变;电极首次充放电容量分别为226.5和119.4 mA·h·g−1,经过20次循环后,电池充放电容量的变化率减小并趋于稳定,3D打印电极表现出良好的循环稳定性。
宽温域高阻尼聚氨酯弹性体的制备
卢珣, 徐敏, 李志鹏, 李翰模, 庄文辉
2020, 42(3): 365-371. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.12.006
摘要:
为拓宽材料的阻尼温域,增大聚氨酯应用范围,基于聚氨酯的结构可设计性,引入含有甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)和聚乙二醇单甲醚(MPEG)的预聚体制备带长支链的聚氨酯。长支链一端固定一端活动的特点赋予其特有的运动与松弛。甲苯-2,4-二异氰酸酯的存在不仅延长了支链长度,增大了支链与分子间的缠结程度,还使支链含有强极性的吸电子的异氰酸酯基和氨基甲酸酯基,使得支链与主链间具有较强的氢键作用。因此,从氢键及微相分离角度来分别探究聚氨酯阻尼的影响因素。结果表明,长支链占比增加,储能模量比值达到268.28,聚氨酯的微相分离程度降低,氢键作用增强,在氢键作用和微相分离程度降低的双重作用下聚氨酯的有效阻尼(阻尼因子大于0.3)温域超过150 ℃(−50~100 ℃),极大改善了聚氨酯弹性体的阻尼性能。此外,加入支链后聚氨酯具有一定的自修复性,对延长聚氨酯的使用寿命有较大意义。
基于自适应滑模的多螺旋桨浮空器容错控制
梁宽宽, 陈丽, 段登平
2020, 42(3): 372-380. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.25.002
摘要:
针对多螺旋桨浮空器执行机构易发生故障的容错控制问题,同时考虑系统所受到的未知外部扰动和螺旋桨输入幅值的饱和约束,提出一种自适应滑模容错控制方法。建立浮空器的四自由度运动模型,系统分析矢量螺旋桨的故障类型,分为输出力的大小故障和矢量转角故障,得到浮空器执行机构的故障模型。基于自适应和滑模控制理论,由跟踪目标与系统当前状态偏差设计积分滑模面。针对未知外部扰动和执行机构偏移故障,设计相应的自适应律进行处理;针对螺旋桨输入饱和约束,应用Sigmoid函数设计跟踪轨迹进行处理。由此设计一种自适应滑模容错控制策略,利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的全局渐近稳定性能。以上海交通大学的多螺旋桨浮空器为模型,仿真验证了故障容错控制方法的有效性和鲁棒性。
复杂环境下一种基于SiamMask的时空预测移动目标跟踪算法
周珂, 张浩博, 付冬梅, 赵志毅, 曾惠
2020, 42(3): 381-389. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.06.005
摘要:
随着无人工厂、智能安监等技术在制造业领域的深入应用,以视觉识别预警系统为代表的复杂环境下动态识别技术成为智能工业领域的重要研究内容之一。在本文所述的工业级视觉识别预警系统中,操作人员头发区域由于其具有移动形态非规则性、运动无规律性的特点,在动态图像中的实时分割较为困难。针对此问题,提出一种基于SiamMask模型的时空预测移动目标跟踪算法。该算法将基于PyTorch深度学习框架的SiamMask单目标跟踪算法与ROI检测及STC时空上下文预测算法相融合,根据目标时空关系的在线学习,预测新的目标位置并对SiamMask模型进行算法校正,实现视频序列中的目标快速识别。实验结果表明,所提出的算法能够克服环境干扰、目标遮挡对跟踪效果的影响,将目标跟踪误识别率降低至0.156%。该算法计算时间成本为每秒30帧,比改进前的SiamMask模型帧率每秒提高3.2帧,算法效率提高11.94%。该算法达到视觉识别预警系统准确性、实时性的要求,对移动目标识别算法模型的复杂环境应用具有借鉴意义。
隧道地质预报探地雷达信号干扰消除方法
刘宗辉, 吴一帆, 刘保东, 刘毛毛, 蓝日彦, 孙怀凤
2020, 42(3): 390-398. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.12.001
摘要:
受探测环境制约,隧道超前地质预报过程中探地雷达反射波往往具有“弱信号,强干扰”的特征,给数据处理和解译带来极大的困难。将剪切变换(shearlet变换,ST)引入探地雷达信号处理,根据有效信号和干扰信号在剪切域中不同尺度、不同方向上的能量差异,提出一种基于自适应阀值的随机干扰去除方法,并通过正演模拟数据验证了该方法在随机干扰去除上的优势;在此基础上针对隧道超前地质预报中常见的能量接近、频率异常干扰信号,以实际数据为例说明小波变换(WT)对其去除效果;从而进一步提出小波变换与剪切变换联合干扰压制方法,即首先使用小波变换对异常频率干扰进行分离,然后采用基于自适应阀值的剪切变换对随机干扰进行压制。现场溶洞探测案例应用效果表明,本文所提出的方法能在去除干扰的同时很好地保留有效信号,根据处理后的波形堆积图可以很好地凸显地质异常区域,从而提高探地雷达资料解译精度。