化學(xué)工程綜合

水泥-鋼渣-礦渣復(fù)合膠凝材料的水化特性

王強(qiáng)，黎夢(mèng)圓，石夢(mèng)曉

摘要：目的：在混凝土中大量使用礦物摻合料可以節(jié)省水泥、降低混凝土的生產(chǎn)成本。隨著粉煤灰和礦渣等優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的資源短缺，需要對(duì)鋼渣等新型礦物摻合料進(jìn)行開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。將鋼渣和礦渣復(fù)合使用，是在混凝土中有效利用鋼渣的一個(gè)重要途徑，通過(guò)研究水泥-礦渣-鋼渣三元復(fù)合膠凝材料體系的水化特性，探討了礦渣和鋼渣在三元體系的水化硬化過(guò)程中的作用機(jī)理。方法：設(shè)計(jì)了5種配合比，純水泥組記為C；復(fù)合膠凝材料組中水泥的含量為50%，分別記為C1、C2、C3、C4，礦渣的含量分別為10%、20%、30%、40%，鋼渣的含量分別為40%、30%、20%、10%。在25℃條件下，采用等溫差分量熱儀測(cè)定了5種配合比的早期水化放熱性能；采用溶出法測(cè)定了凈漿試樣中孔溶液的堿度；采用燒失量法測(cè)定了硬化漿體的化學(xué)結(jié)合水含量；采用EDTA溶液選擇性溶解法測(cè)定硬化漿體中礦渣的反應(yīng)程度；采用化學(xué)結(jié)合水法測(cè)定了鋼渣的反應(yīng)程度。結(jié)果：（1）從水化熱試驗(yàn)結(jié)果中可以看出：復(fù)合膠凝材料的水化放熱速率和水化放熱總量明顯低于純水泥組；在三元復(fù)合膠凝材料中，隨著礦渣摻量的增加和鋼渣摻量的減少，水化放熱速率的第二峰值和水化放熱量總量均略有提高；以純水泥組72 h 放熱量的50%為參照，復(fù)合膠凝材料組C1、C2、C3、C4的放熱量分別提高了2.68%、10.09%、19.27%、35.0%。（2）從硬化漿體中孔溶液的堿度隨齡期變化的曲線中可以看出：相同齡期時(shí)，復(fù)合膠凝材料硬化漿體中的孔溶液堿度低于純水泥組；復(fù)合膠凝材料體系中，鋼渣含量越小、礦渣含量越大，硬化漿體中孔溶液的堿度越低，但孔溶液的pH值始終高于12.6。（3）從鋼渣的反應(yīng)程度隨齡期的變化曲線中可以看出：不同pH值條件下，鋼渣的反應(yīng)程度差異很小，可以斷定鋼渣在四種不同的復(fù)合膠凝材料體系中的反應(yīng)程度接近。（4）從礦渣的反應(yīng)程度隨齡期的變化曲線中可以看出：復(fù)合膠凝材料體系中，隨著礦渣摻量的增加，礦渣的反應(yīng)程度降低；礦渣反應(yīng)程度的差異遠(yuǎn)小于礦渣摻量的差異。（5）從砂漿不同齡期的抗壓強(qiáng)度曲線上可以看出：早齡期，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度明顯高于復(fù)合膠凝材料砂漿，復(fù)合膠凝材料砂漿在中后期（28 d后）的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度大于水泥砂漿，最終水泥砂漿與復(fù)合膠凝材料砂漿抗壓強(qiáng)度相近；復(fù)合膠凝材料砂漿中，鋼渣的含量越高，抗壓強(qiáng)度越低。結(jié)論：膠凝材料中鋼渣的摻量對(duì)鋼渣的反應(yīng)程度影響很小，但礦渣的反應(yīng)程度隨著礦渣摻量的增加而有所降低；礦渣的早期活性略高于鋼渣，鋼渣在復(fù)合膠凝材料水化過(guò)程中所起到的化學(xué)作用小于礦渣；相比于水泥砂漿，復(fù)合膠凝材料砂漿早期抗壓強(qiáng)度較低，但鋼渣和礦渣后期的反應(yīng)程度不斷提高，尤其是礦渣反應(yīng)程度的提高，對(duì)砂漿強(qiáng)度的持續(xù)增長(zhǎng)做出貢獻(xiàn)，復(fù)合膠凝材料砂漿后期抗壓強(qiáng)度與水泥砂漿的差異較小。

來(lái)源出版物：硅酸鹽學(xué)報(bào), 2014, 42(5): 629-634

入選年份：2015

鐵碳微電解處理含硝基苯廢水

俸志榮，焦緯洲，劉有智，等

摘要：目的：硝基苯是一類重要的有機(jī)污染物。由于硝基的吸電子效應(yīng)，硝基苯特別穩(wěn)定，直接處理存在效率低、時(shí)間長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題。一種可選擇的方法是先將其轉(zhuǎn)變成易降解的苯胺，再進(jìn)行礦化降解。因此，本文以硝基苯為模型污染物，以價(jià)格低廉的鐵碳形成微電解處理含硝基苯廢水。旨在探討：（1）低pH（pH＜3.0）下鐵碳微電解的處理效果；（2）外加活性炭在鐵碳微電解還原過(guò)程中的作用，以期為鐵碳微電解技術(shù)的工程實(shí)踐提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。方法：鐵屑在使用前先進(jìn)行活化處理。先用10%（質(zhì)量）NaOH溶液浸泡30 min，去除表面油污；用自來(lái)水洗至中性，再用10%（體積）H2SO4溶液浸泡30 min，除去鐵屑表面氧化層，真空干燥，備用。活性炭預(yù)先采用循環(huán)吸附法吸附飽和，以避免吸附作用對(duì)鐵碳微電解還原效果的影響。鐵碳微電解處理效果以硝基苯去除率和苯胺生成濃度來(lái)表示，硝基苯和苯胺濃度采用戴安Ultimate 3000高效液相色譜儀測(cè)定。結(jié)果：（1）硝基苯去除率隨著鐵屑用量增大呈先增大后趨平緩的趨勢(shì)。達(dá)到一定去除率時(shí)，硝基苯初始濃度越小，所需的鐵屑用量也越小。當(dāng)硝基苯初始濃度較大時(shí)，單純?cè)黾予F屑用量并不能有效地提高硝基苯的去除率。（2）在較低pH值（pH＜3.0）下，鐵碳微電解還原硝基苯的動(dòng)力學(xué)符合擬一級(jí)反應(yīng)；pH值越小，表觀反應(yīng)速率常數(shù)越大。當(dāng)pH值較大時(shí)，雖然最終也能達(dá)到較好的去除效果，但所需的時(shí)間較長(zhǎng)。因此，為促進(jìn)還原反應(yīng)進(jìn)行，可適當(dāng)降低pH值。（3）鐵碳微電解中，炭的引入雖然能加速鐵屑的腐蝕，但由于炭本身較強(qiáng)的導(dǎo)電子能力將電子轉(zhuǎn)移，鐵屑腐蝕所產(chǎn)生的電子并不為硝基苯有效利用。在不考慮吸附作用時(shí)，外加炭對(duì)鐵碳微電解還原處理效果并無(wú)促進(jìn)作用。結(jié)論：硝基苯廢水初始濃度越大，達(dá)到一定去除率時(shí)所需的鐵屑用量越大。外加活性炭會(huì)與降解底物競(jìng)爭(zhēng)電子，導(dǎo)致電子利用率不高，微電解的還原效率并沒(méi)有因此提高。低pH可以加速鐵碳微電解處理速率，反應(yīng)過(guò)程中pH的升高對(duì)硝基苯還原中間產(chǎn)物羥基苯胺和苯胺的形成及分布影響較大，有限停留時(shí)間內(nèi)主要還原產(chǎn)物是二者的混合物。鐵碳微電解作為一種難降解有機(jī)物預(yù)處理手段，目的是將難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化成易降解有機(jī)物，從而有利于后續(xù)生化法將其徹底降解。外加炭的吸附作用雖然也能將污染物去除，但僅是將污染物從一相轉(zhuǎn)移到另一相，并未達(dá)到降解效果，后續(xù)仍需進(jìn)一步處理。且除去吸附作用，外加炭對(duì)鐵碳微電解的促進(jìn)作用并不明顯。因此，鐵碳微電解過(guò)程中沒(méi)有必要加入額外的炭。

來(lái)源出版物：化工學(xué)報(bào), 2015, 66(3): 1150-1155

入選年份：2015

超重力場(chǎng)內(nèi)氣液傳質(zhì)強(qiáng)化研究進(jìn)展

桑樂(lè)，羅勇，初廣文，等

摘要：超重力技術(shù)是典型的過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)。作為超重力技術(shù)的核心裝備，超重力旋轉(zhuǎn)床具有優(yōu)異的微觀混合和質(zhì)量傳遞強(qiáng)化性能。超重力旋轉(zhuǎn)床作為一個(gè)高效的設(shè)備，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在聚合物脫揮、磺化、吸收和納米材料制備等。從旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)出發(fā)，總結(jié)了整體旋轉(zhuǎn)式、雙動(dòng)盤式、動(dòng)靜結(jié)合式等轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的超重力旋轉(zhuǎn)床氣液傳質(zhì)強(qiáng)化的研究進(jìn)展和理論成果。超重力旋轉(zhuǎn)床的基本結(jié)構(gòu)與氣液傳質(zhì)強(qiáng)化原理：超重力旋轉(zhuǎn)床有不同的操作方式，按氣液流動(dòng)方向可分為逆流旋轉(zhuǎn)床、并流旋轉(zhuǎn)床和錯(cuò)流旋轉(zhuǎn)床。以逆流旋轉(zhuǎn)床為例，液體由液體分布器噴灑在多孔填料上并被強(qiáng)大離心力剪切成細(xì)小的液體微元，同時(shí)與逆方向的氣體完成兩相傳質(zhì)強(qiáng)化過(guò)程。按轉(zhuǎn)子內(nèi)是否裝載填料可分為填充式旋轉(zhuǎn)床和非填充式旋轉(zhuǎn)床。轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)床的內(nèi)構(gòu)件，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子、雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子、動(dòng)靜結(jié)合式轉(zhuǎn)子和和霧化式轉(zhuǎn)子等。超重力旋轉(zhuǎn)床的氣液傳質(zhì)研究進(jìn)展：對(duì)于氣液傳質(zhì)設(shè)備一般采用傳質(zhì)參數(shù)來(lái)表征其傳質(zhì)能力，在旋轉(zhuǎn)床發(fā)明以前，填料塔的傳質(zhì)系數(shù)與重力加速度的0.38次冪成正比。（1）整體旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)研究進(jìn)展：基于滲透理論，用離心加速度代替重力加速度得到液相傳質(zhì)系數(shù)kL。假設(shè)液體在旋轉(zhuǎn)床類似在旋轉(zhuǎn)盤或旋轉(zhuǎn)葉片上為層流液膜流動(dòng)，得到kL與離心加速度的關(guān)聯(lián)式。超重力場(chǎng)下的液相體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的值高出傳統(tǒng)塔器1個(gè)數(shù)量級(jí)。基于表面更新思想和層流流動(dòng)液膜流的假設(shè)，對(duì)超重力場(chǎng)內(nèi)的傳質(zhì)模型進(jìn)行了修正。以黃原膠水溶液為研究對(duì)象，得到旋轉(zhuǎn)床內(nèi)非牛頓流體kLa與操作條件的關(guān)聯(lián)式。旋轉(zhuǎn)床的氣相傳質(zhì)系數(shù)（kGa，KGa）也受離心力的影響。根據(jù)各區(qū)域傳質(zhì)量的差異，旋轉(zhuǎn)床可分為端效應(yīng)區(qū)、主體區(qū)和空腔區(qū)，同時(shí)得到旋轉(zhuǎn)床整體及各傳質(zhì)區(qū)域的傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式。有無(wú)填料內(nèi)支撐對(duì)RPB的kLa的影響，將電導(dǎo)探頭埋藏在填料中，對(duì)旋轉(zhuǎn)床沿徑向的液相濃度分布進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)得到并流和逆流操作時(shí)的kLa。臺(tái)灣的Chen考慮了旋轉(zhuǎn)床裝載不同填料種類等對(duì)KGa和kLa的影響，獲得不銹鋼絲網(wǎng)填料的傳質(zhì)效果最佳。假設(shè)旋轉(zhuǎn)床內(nèi)的流體流型全部為液滴，得到旋轉(zhuǎn)床的氣相總傳質(zhì)系數(shù)KG的模型。端效應(yīng)區(qū)和主體區(qū)的有效傳質(zhì)比面積ae被測(cè)量，空腔區(qū)傳質(zhì)貢獻(xiàn)占整體的13%～25%。利用表面更新理論獲取了離子液體吸收CO2的kLa，并提出旋轉(zhuǎn)床三個(gè)傳質(zhì)區(qū)域的設(shè)計(jì)方程。利用8中不同規(guī)格的不銹鋼絲網(wǎng)填料對(duì)RPB的ae進(jìn)行關(guān)聯(lián)。（2）雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子RPB傳質(zhì)研究進(jìn)展：為了評(píng)估過(guò)程強(qiáng)化的潛力，雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的KGa和kLa被測(cè)定，結(jié)果表明雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)系數(shù)將大于單個(gè)填料微元。雙動(dòng)盤式轉(zhuǎn)子由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可有效調(diào)節(jié)氣相和液相間的切線滑移速度。（3）動(dòng)靜結(jié)合式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床傳質(zhì)研究進(jìn)展：定-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床的kLa略低于整體旋轉(zhuǎn)床式轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)床，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更適用于高黏或不易清洗的反應(yīng)體系。折流式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)效率可達(dá)48.3塊理論板。噴射式旋轉(zhuǎn)床有壓降小的特點(diǎn)。新型折流式旋轉(zhuǎn)床的傳質(zhì)特性被研究，同時(shí)逆流同心環(huán)式旋轉(zhuǎn)床的KGa被測(cè)定。兩級(jí)逆流式旋轉(zhuǎn)床具有動(dòng)靜結(jié)合結(jié)構(gòu)的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)子。Chen提出一種動(dòng)靜結(jié)合式結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床，目前對(duì)其研究較少。（4）其他轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)RPB傳質(zhì)研究進(jìn)展：螺旋轉(zhuǎn)子式旋轉(zhuǎn)床其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易堵塞。碟片轉(zhuǎn)子式旋轉(zhuǎn)床的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究也在逐步開(kāi)展。霧化轉(zhuǎn)子式旋轉(zhuǎn)床有著氣體阻力小，能耗低等特點(diǎn)。板填料式旋轉(zhuǎn)床的KGa關(guān)聯(lián)式被建立。以強(qiáng)化主體區(qū)傳質(zhì)為總體目標(biāo)，首次利用端效應(yīng)原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了導(dǎo)向板式旋轉(zhuǎn)床和多段進(jìn)液式旋轉(zhuǎn)床，達(dá)到旋轉(zhuǎn)床節(jié)能降耗的目的，利用氫氧化鈉吸收二氧化碳驗(yàn)證了導(dǎo)向板式旋轉(zhuǎn)床的液相平均總傳質(zhì)系數(shù)模型T。網(wǎng)板復(fù)合旋轉(zhuǎn)床是一種有別于填料床和折流床的新型旋轉(zhuǎn)床，其具有傳質(zhì)效率高壓降小的特點(diǎn)。未來(lái)發(fā)展：超重力旋轉(zhuǎn)床的主體結(jié)構(gòu)和基本部件已經(jīng)成形，研究重點(diǎn)還應(yīng)轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)床內(nèi)構(gòu)件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)填料、液體分布器等，以實(shí)現(xiàn)超重力旋轉(zhuǎn)床的高效節(jié)能化。

來(lái)源出版物：化工學(xué)報(bào), 2015, 66(1): 14-31

入選年份：2015