《新型分离技术》在研究生教学中的改革与思考

阐述《新型分离技术》在研究生教学中的重要性,以及目前该门课程在研究生授课过程中存在的问题。针对课程内容陈旧、课程对化工原理中这两个新的单元操作进行阐述。学生们通过学习可以掌握最新的单元操作的进展和发展方向。     

Mg-MOF-74的氨改性及其吸附CO_2和水蒸气性能

采取了水热法合成Mg-MOF-74晶体,然后提出应用氨水对Mg-MOF-74晶体材料进行表面改性制得NH3@Mg-MOF-74,并对改性后的材料进行了表征以及吸附CO2和水蒸气性能测定。结果表明,与原始的Mg-MOF-74晶体相比,改性后的NH3@MgMOF-74材料其比表面积变小了,但其单位比表面积对CO2的吸附容量却增加了。尤其是在P/P00.0010压力范围内,其CO2吸附容量明显提高。在低压条件下它对CO2的吸附容量达到0.66mmol/g,比原始的Mg-MOF-74晶体材料的吸附量提高了65%。水蒸气吸附实验结果表明,NH3@Mg-MOF-74的水蒸气吸附量明显低于Mg-MOF-74的吸附量,在相对湿度RH=10%时,NH3@Mg-MOF-74对水蒸气的吸附容量降低了50%。表明它的憎水性能得到提高。     

蚕沙基多孔炭表面氧化改性对农药噻虫嗪吸附及缓控释影响

选用桑蚕废弃物蚕沙为炭源,通过炭化活化的方式获得了一种高比表面的中微双孔道生物炭材料SCSE,并采用不同氧化剂对其表面氧化处理以调控材料孔径和表面积对农药噻虫嗪分子的吸附作用力,以实现SCSE材料对农药噻虫嗪的缓控释,并系统研究了氧化改性后材料的比表面积、孔径和表面基团性质的变化对材料吸附噻虫嗪的热力学和动力学平衡以及噻虫嗪的释放动力学等性能的影响。结果表明：SCSE孔隙结构发达,其BET比表面和孔容分别为1290.95 m²/g和0.690 cm³/g;在室温下,该材料对噻虫嗪分子的吸附容量达到560 mg/g。噻虫嗪在四种SCSE上的释放动力学可分为快速持续释放过程和慢速释放过程两个过程,其中快速持续释放过程的释放动力学常数约是慢速释放过程的29～34倍;其中硝酸改性后的SCSE-HN对噻虫嗪的释放比例最大,释放速度最快。本实验所获得的四种SCSE材料对噻虫嗪的释放均表现出长效释放效力。按照一般农作物的需药量,该吸附剂只要按照0.5 g/（d·m²）的投入量便能很好地对农作物进行长效的虫害防治（>40 d）。     

聚N-异丙基丙烯酰胺的微波快速合成及溶胀动力学研究

采用微波辐射溶液自由基聚合法合成了聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)水凝胶.采用傅立叶红外光谱仪、扫描电子显微镜和表面积及孔快速测试仪对PNIPAAm水凝胶的化学基团、表面形貌和孔结构进行了分析和测试,并测定了在不同溶液温度下水凝胶的溶胀动力学曲线和平衡溶胀率,对微波辐射和常规水浴法下合成的系列PNIPAAm水凝胶的溶胀动力学参数进行了计算和比较.结果表明,微波辐射法可以大幅度提高了水凝胶的合成速度,缩短PNIPAAm水凝胶的合成时间,使得合成时间由普通水浴法的24h缩短为20min;与常规水浴法合成的水凝胶相比,微波辐射法所合成的水凝胶在干胶状态和溶胀状态下都具有更为发达的孔隙结构,不仅增强了其容纳水分子的能力,更为水分子提供了进出水凝胶的孔道.由水凝胶的溶胀动力学和其动力学参数可知,PM系列水凝胶具有较快的溶胀速率,在14℃下表现为non-Fick扩散,在20℃附近转变成Fick扩散;而PN系列水凝胶的溶胀速率比较慢,在14℃下表现为CaseⅡ型扩散,在20℃附近转变成non-Fick扩散.     

蚕沙基多孔炭表面氧化改性对农药噻虫嗪吸附及缓控释影响

选用桑蚕废弃物蚕沙为炭源,通过炭化活化的方式获得了一种高比表面的中微双孔道生物炭材料SCSE,并采用不同氧化剂对其表面氧化处理以调控材料孔径和表面积对农药噻虫嗪分子的吸附作用力,以实现SCSE材料对农药噻虫嗪的缓控释,并系统研究了氧化改性后材料的比表面积、孔径和表面基团性质的变化对材料吸附噻虫嗪的热力学和动力学平衡以及噻虫嗪的释放动力学等性能的影响。结果表明:SCSE孔隙结构发达,其BET比表面和孔容分别为1290.95 m~2/g和0.690 cm~3/g;在室温下,该材料对噻虫嗪分子的吸附容量达到560 mg/g。噻虫嗪在四种SCSE上的释放动力学可分为快速持续释放过程和慢速释放过程两个过程,其中快速持续释放过程的释放动力学常数约是慢速释放过程的29~34倍;其中硝酸改性后的SCSE-HN对噻虫嗪的释放比例最大,释放速度最快。本实验所获得的四种SCSE材料对噻虫嗪的释放均表现出长效释放效力。按照一般农作物的需药量,该吸附剂只要按照0.5 g/(d·m~2)的投入量便能很好地对农作物进行长效的虫害防治(40 d)。     

聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸)水凝胶对铜离子的体积响应动力学

采用微波辐射法制备了N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸共聚水凝胶,探讨了该水凝胶对Cu²⁺的响应动力学,并估算出此过程中水凝胶的体积收缩速率常数及其反应活化能,同时建立了Cu²⁺浓度对水凝胶体积收缩响应速率常数影响的数学关系模型。实验结果表明,水凝胶对Cu²⁺所产生的体积收缩响应符合拟一级动力学反应。在40～60℃水溶液中,水凝胶的收缩速率随溶液中Cu²⁺浓度的增高而加快,其反应活化能在36～42 kJ•mol^-1之间,且随着溶液中Cu²⁺浓度的增大而逐渐减小。重复性实验表明,该共聚水凝胶经过3次体积收缩(50.0℃溶液)/溶胀(6.0℃溶液)的循环实验,它在含Cu²⁺水溶液中对温度变化仍能保持高灵敏度的体积收缩/溶胀响应,而且其3次体积收缩/溶胀响应值几乎一样,有很好的重现性。     

PNIPAAm共聚水凝胶的微波合成和性能

用微波辐射法合成了PNIPAAm共聚水凝胶,表征和测定了孔隙结构、形貌、溶胀和退溶胀速度.结果表明:与水热法相比,用微波辐射法合成的共聚水凝胶孔结构发达;在低于LCST下的溶胀率可达538,远远超过普通水浴法所得的共聚水凝胶的溶胀率;用微波辐射法所合成的PNA系列水凝胶具有比PNIPAAm更高的溶胀和退溶胀速度.微波辐射条件下特殊的"热效应"和"非热效应"有助于合成具有多孔结构网络的共聚水凝胶.这种孔结构有利于水分子的储存和扩散,提高了它的平衡溶胀率和水凝胶对环境温度的响应速度.     

二次生长法制备ZIF-8膜及其对CO2/N2的分离性能

采用二次生长法在α-Al₂O₃载体上制备超薄型ZIF-8膜,研究了多种轻分子气体以及混合气体CO₂/N₂的渗透分离性能。通过SEM和XRD表征了ZIF-8晶种层的晶种涂布状态,以及ZIF-8晶体膜的生长覆盖度和晶膜厚度。研究结果表明：采用低浓度的晶种悬浮液通过浸润式连续多次涂布法,有利于获得晶种层厚度均匀且覆盖度高的超薄均匀ZIF-8晶种层,经过二次生长后所得ZIF-8膜的覆盖度高、厚度均匀且较薄,仅约为8.8 μm;在所测试范围内的CO₂/N₂混合气体中,此ZIF-8膜对CO₂具有优先选择透过性,其对CO₂/N₂的渗透分离因子随温度的升高而降低,随渗透压力的增加而增加,在298 K、406 kPa和CO₂组分含量为50%时,该分离因子能达到6,显著超过Knudsen扩散的分离系数。     

配体诱导制备NM88(D)/COF-OMe复合材料及可见光芬顿联合降解抗生素磺胺甲嘧啶研究

基于配体诱导界面生长策略,制备了具有优异光芬顿降解性能与稳定性的NM88（D）/COF-OMe复合材料,并对该材料的结构形貌与光电性能进行表征。表征结果说明：DMTP的锚定能够诱导复合材料内部形成紧密连接的异质界面,并提高COF-OMe在NM88（D）表面的分散度,提升该材料的比表面积、可见光吸收能力和光生载流子分离能力,从而增强复合材料的光催化能力。光芬顿降解性能测试表明：NM88（D）/COF-OMe对磺胺甲嘧啶（SMR）的降解速率常数为0.0658 min^-1,明显高于原始材料和其他已报道的催化剂。经循环使用10次后复合材料的降解率仍能保持初始态的95%以上,表明NM88（D）/COF-OMe具有良好的结构稳定性。最后,对复合材料光芬顿降解SMR的催化机理进行推导,NM88（D）/COF-OMe优异的催化能力归因于异质界面的存在提升了光生载流子分离效率并促使·OH高效生成。     

MIL-100(Fe)中乙醇对低挥发性香兰素的协同脱附研究

提出“高挥发性分子协同脱附”策略,即利用高挥发性乙醇分子与低挥发性香料香兰素分子间的氢键作用,提升香兰素/乙醇MIL-100（Fe）共吸附体系中香兰素分子在MIL-100（Fe）上的脱附效率,并通过分子模拟计算香兰素与乙醇分子间的氢键作用,以及MIL-100（Fe）中香兰素和乙醇之间结合能的影响关系。结果发现：MIL-100（Fe）对香兰素乙醇溶液中的香兰素具有较高的吸附量 （780 mg/g）,并且将吸附香兰素后MIL-100（Fe）在60℃干燥预处理后,由于乙醇的协同脱附作用使香兰素在MIL-100（Fe）上的脱附效率显著上升,其脱附峰温为190℃。同时,考察不同香兰素吸附量对MIL-100（Fe）上香兰素脱附率的影响,发现香兰素的脱附率随香兰素吸附量的增加呈现先增加后下降的趋势,在吸附量约606 mg/g条件时达到最大脱附率（59.1%）。最后,采用分子模拟计算方法发现香兰素和乙醇之间存在强氢键作用,导致在乙醇存在的条件下香兰素与MIL-100（Fe）之间的结合能从-103.47 kJ/mol下降到-66.58 kJ/mol,使得香兰素分子更容易从MIL-100（Fe）上脱附。