2022年, 第49卷, 第2期　刊出日期：2022-03-20

  

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综述
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  高级氧化技术去除拜耳液中有机物的研究进展

  冉剑锋, 段海盛, 姚家舒, 李亚丽, 尹少华

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 1-12. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.001

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  高级氧化技术具有速度快、效率高、可控性好、适用范围广且环境友好等优点，在有机物脱除方面受到广泛关注。本文概述了高级氧化技术的原理与特点，综述了臭氧氧化法、湿式氧化法、光催化氧化法、其他高级氧化技术及复合高级氧化技术在拜耳液中有机物去除方面的研究进展，以期为高级氧化技术在相关方面的工业化应用提供一定的参考。
化学与化学工程
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  绿茶生物炭负载纳米零价铁对地下水中五价钒的去除效果及机理研究

  张胤杰, 易华炜, 谭笑, 林爱军, 刘亚修

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 13-23. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.002

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  钒(V)作为一种重要的工业原料被广泛应用于各个领域，但同时造成了一定程度的地下水污染。为了去除地下水中的五价钒V(Ⅴ)，利用常见的生产废料绿茶渣为生物质原料制备了活性炭(BC)，并在其表面负载零价铁(nZVI)，得到一种环境友好的可渗透反应墙(PRB)活性填料nZVI@BC；优化了nZVI@BC的制备条件，考察了溶液pH和竞争离子对V(Ⅴ)去除效果的影响；通过等温吸附试验判断其吸附模型，进行了吸附动力学分析，并探究了其反应机理。结果表明：FeSO₄溶液的最佳反应浓度为1.0 mol/L，热解温度为300 ℃，在该条件下制备的nZVI@BC在吸附19 h后对V(Ⅴ)的去除量达71.6 mg/g；当溶液pH>3.0时，随着pH的升高，nZVI@BC对V(Ⅴ)的去除率逐渐降低；地下水中的共存阴离子与V(Ⅴ)发生竞争吸附，使V(Ⅴ)去除率降低；nZVI@BC的等温吸附过程符合Sips模型，吸附动力学符合Elovich模型，nZVI@BC去除V(Ⅴ)的机理为：BC吸附V(Ⅴ)后，表面Fe⁰与V(Ⅴ)发生氧化还原反应，生成Fe₂VO₄，V(Ⅴ)被还原为V(Ⅳ)。
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  固相合成MAPO-5分子筛及其在甲苯催化燃烧中的应用

  金银樱, 杨鹏, 王叶青

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 24-30. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.003

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  以二正丙胺磷酸盐(DPA·H₃PO₄)和四乙基溴化铵(TEABr)为双模板剂，采用简单、绿色、高效的固相研磨法合成了多级孔杂原子磷酸铝分子筛CeAPO-5和CoAPO-5；为提升催化性能，增加分子筛中铈离子的含量，制备了一系列不同铈掺杂量的CeAPO-5分子筛，包括CeAPO-5分子筛(w(Ce)=2%)、1.2CeAPO-5分子筛(w(Ce)=2.4%)和2CeAPO-5分子筛(w(Ce)=4%)。通过X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N₂吸脱附测试(BET)、固体紫外可见(UV-Vis)漫反射光谱和X射线光电子能谱(XPS)等手段对所合成分子筛进行表征，同时以甲苯为目标污染物，考察了分子筛催化剂在催化燃烧反应中的催化性能。结果表明，所合成的分子筛都具有典型的AFI结构，结晶度较高，且Ce离子和Co离子被成功引入到分子筛骨架中；CeAPO-5分子筛在甲苯催化燃烧反应中较CoAPO-5分子筛具有更好的催化性能；在将金属Ce的含量从2%提高到4%的过程中，催化剂催化氧化甲苯的活性也有所提高，当反应温度为400 ℃时，2CeAPO-5分子筛的甲苯转化率接近100%；通过对催化剂在360 ℃时催化氧化甲苯的稳定性进行研究发现，2CeAPO-5分子筛在经过30 h的反应后仍保持70%左右的甲苯转化率。
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  基于FLACS的汽油储罐可燃气体泄漏的流场分析

  王旭, 廖柯熹, 张志坚, 曾昭雄, 王思汗, 向粟林

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 31-38. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.004

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  罐区油品储存量大，具有较高的泄漏风险，一旦发生泄漏，可燃气体遇火源易发生火灾、爆炸等事故，甚至引发后果更为严重的多米诺效应，而可燃气体探测器作为重要的保护层持续监控现场，对保障现场安全生产和风险预警具有重大意义。以某罐区汽油泄漏为例，通过FLACS软件建立汽油储罐泄漏扩散计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)模型，根据现行标准GB/T 50493—2019在泄漏源周围设置候选监测点，结果表明：部分距泄漏源10 m范围内的监测点不能检测到可燃气体，说明探测器的设置应遵循可燃气体扩散规律；对于比空气重的可燃气体的检测，建议探测器的最佳安装高度为0.3 m。
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  基于量子化学计算的乙烷、乙烯、乙炔水合物主客体间相互作用特性研究

  武晓敏, 贾丽

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 39-44. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.005

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  天然气水合物是一种特殊的笼状化合物，水合物中的客体分子不同，主客体间的相互作用存在差异。为了分析烃类水合物中主客体间相互作用的特征，利用量子化学方法，对乙烷、乙烯、乙炔这3种客体分子占据Ⅰ型水合物T笼时的结构、相互作用能及C—C键伸缩振动频率进行研究，讨论了客体分子在水笼中的赋存形态，揭示了主客体间的相互作用机制。结果表明：客体分子占据T笼后，与占据前相比，T笼会发生微小的膨胀或收缩，客体分子的原子间距减小；通过能量分析，发现主客体间相互作用能(ΔE_host-guest)的大小顺序为：ΔE_T笼-乙烯<ΔE_T笼-乙烷<ΔE_T笼-乙炔，色散矫正的加入使主客体间的相互作用能增大；能量分解结果显示C原子的杂化方式对水合物的主客体间相互作用影响较大，随着客体分子中C原子的杂化方式由sp³→sp²→sp杂化，客体分子与水笼间的相互作用中静电作用先略微减弱、然后增强，色散作用逐渐减弱；与未占据T笼相比，乙烷分子占据T笼后C—C键伸缩振动频率增加了6.79 cm^-1，乙烯和乙炔分子占据T笼后C—C键伸缩振动频率分别减小了5.86 cm^-1和15.87 cm^-1。
材料科学与工程
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  一种改进的低密度薄壁中空微球预混料均匀性及密度表征方法

  张冬阳, 许红, 白晓峰, 安瑛, 付红波, 姜勇, 吴大鸣

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 45-54. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.006

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  基于多级粉体堆积理论，建立了低密度薄壁中空微球预混料的堆积模型和理论密度计算方法；基于微球混合物的图像色彩亮度和混合均匀性存在一定映射关系，使用图像二值法进行图像采集处理，并引入综合分散度表征混合均匀度；设计了低密度薄壁中空微球预混料的密度及混合均匀性测量系统，通过PLC可实现压力和位移的可控精确测量。使用本测量系统对微球预混料进行了10组实验的密度值测定，结果表明：测得的预混料的平均密度为0.431 2 g/cm³，预混料的理论密度为0.428 2 g/cm³；密度测定的相对标准差为0.25%，与手工称量瓶法相比，本测量系统的密度重复测试精度提高了1.12倍，且平均密度更接近理论密度。测定了不同混合程度的3种预混料的混合均匀性，结果表明：随着预混料由粗混到精混，其对应的综合分散度逐渐增大并接近理想样品，采用本文算法得到的预混料的综合分散度量化数值能够反映预混料的混合均匀度。
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  聚磺酰胺/聚乙烯(PSA/PE)耐酸复合膜的制备及渗透汽化脱盐性能

  刘明悦, 夏建中, 曹兵, 张睿, 李培

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 55-61. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.007

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  以间苯二磺酰氯(BDSC)为有机相单体、二胺和多胺类化合物为水相单体，通过界面聚合法在聚乙烯(PE)微滤膜上制备了聚磺酰胺(PSA)/PE渗透汽化复合膜。经配方和工艺优化，确定了PSA/PE复合膜的制备条件为：将聚乙烯亚胺(PEI)与间苯二胺(MPD)以5∶1的质量比共混作为水相单体，将PE膜直接浸润到水相中，然后浸入含有0.5%BDSC的有机相中进行界面聚合反应。测定了在优化条件下制备的PSA/PE复合膜的渗透汽化脱盐性能和耐酸性，结果表明：在料液为3.5% NaCl水溶液、温度为75 ℃的条件下，PSA/PE复合膜的水通量为35.1 kg/(m²·h)，截盐率达99.85%；在20% H₂SO₄溶液中浸泡6个月后，其脱盐性能不变，化学结构稳定。
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  富马酸根插层的MgAl-LDH对水性环氧树脂涂层耐腐蚀性能的提升作用

  张俊, 赵景茂, 邵磊

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 62-71. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.008

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  使用超重力技术制备了富马酸根插层的镁铝层状双氢氧化合物(LDH-Fu)浆液，经水热处理后得到LDH-Fu粉末。利用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)及场发射扫描电子显微镜(FESEM)对LDH-Fu粉末进行了表征，结果表明与NO₃^-插层的LDH(LDH-NO₃^-)相比，LDH-Fu呈现出更加规则的六边形，并且分散性也更好。测试了富马酸根在0.01 mol/L NaCl溶液中从LDH层间释放的速度，结果表明LDH-Fu能对腐蚀性离子做出快速响应，并且能保持长时间的释放。将一定量的LDH-Fu添加到水性环氧树脂中，涂布在马口铁样板上，通过浸泡试验和盐雾试验测试了水性涂层的耐腐蚀性能，结果表明：在LDH-Fu添加量为0~7% (质量分数)的范围内，添加3% LDH-Fu的水性涂层具有最佳的防护性能；与添加3% LDH-NO₃^-相比，添加3% LDH-Fu的水性涂层具有更好的耐腐蚀性能。
生物技术与环境工程
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  磷酸奥司他韦-乳铁蛋白吸入剂的制备及HPAEpiC细胞毒性与抑菌作用研究

  冯伟扬, 付传博, 闫佳慧, 乐园

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 72-81. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.009

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  采用喷雾干燥法制备了磷酸奥司他韦-乳铁蛋白干粉吸入剂。以m(L-亮氨酸)∶m(甘露醇)、溶液体积、进料速率、气体流量为影响因素，以收率、卡尔指数(Carr’s index)、空气动力学直径(D_a)、体外肺部细微粒子沉积率(FPF)为主要指标，设计了4因素3水平的正交试验，对制剂配方及喷雾干燥工艺参数进行优化，得到优化后的制备条件为：m(L-亮氨酸)∶m(甘露醇)=3∶0，溶液体积40 mL，进料速率约6.4 mL/min，气体流量约473 L/h。采用CCK-8法测试在优化条件下制备的干粉吸入剂对正常人肺泡上皮细胞(HPAEpiC)的毒性，并采用梯度稀释法和菌落计数法测试了干粉吸入剂对金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)的抑制作用，结果表明：当干粉吸入剂的质量浓度不高于600 μg/mL(所含磷酸奥司他韦的质量浓度约为353 μg/mL)时，HPAEpiC细胞的存活率大于90%，表明制备的干粉吸入剂在此浓度范围内对HPAEpiC细胞几乎没有损伤作用；在质量浓度为1 mg/mL时干粉吸入剂对金黄色葡萄球菌具有一定的抑制作用，抑菌率为22.50%。
机电工程和信息科学
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  一种基于深度融合模型的滚动轴承故障诊断方法

  刘伟, 单雪垠, 李双喜, 王旭, 姚思雨

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 82-89. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.010

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  针对噪声环境下滚动轴承故障难以诊断的问题，提出一种基于深度学习融合网络的轴承故障识别新方法。该方法首先对轴承振动信号进行一定程度的随机损坏，并将加噪后的数据输入卷积降噪自编码器(convolutional denoising autoencoder，CDAE)中对网络进行训练，目的是降低信号中的噪声干扰并提取浅层特征；然后，利用深度信念网络(deep belief network，DBN)学习深层特征并建立轴承状态识别模型，输出故障识别结果。在融合模型中，将卷积降噪自编码器作为网络的第一层以增强网络的抗干扰能力，提高故障的识别精度。使用凯斯西储大学(CWRU)滚动轴承数据对所提模型进行验证，结果表明提出的融合模型在噪声环境下能够较好地实现轴承的故障状态识别。
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  锥纹管换热器流体流动与传热性能实验研究

  刘钢, 钱才富, 吴志伟, 刘志胜, 周金秀

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 90-98. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.011

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  波纹换热管是一种具有特殊形状的双面强化传热管，传热效率高，轴向变形补偿能力强，被广泛应用于工程实际中。锥纹管是在传统波纹管的基础上进行改进得到的新管型，具有优越的强化传热特性。针对锥纹管弓形折流板换热器的流动与传热特性进行实验研究，并将其与传统光滑管弓形折流板换热器进行对比，实验结果表明：在所测试流量范围内，当管程介质为水，壳程介质分别为水和32#液压油时，与光滑管换热器相比，锥纹管换热器的总传热系数分别提高了5%~40%和5%~20%，管程压力降升高了20%~70%，壳程压力降降低了10%。同时进行了相关数值模拟计算，并基于实验和模拟结果，对以水为介质的锥纹管换热器的管壳程传热准则关联式进行了拟合，数值验算结果表明，关联式可以满足工程设计的精度要求。
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  基于卡尔曼滤波的迭代学习控制方法研究

  栾欣雨, 樊铀, 陈娟

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 99-106. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.012

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  针对一类非线性欠驱动机械系统在干扰环境下动态性能变差的问题，提出了一种基于卡尔曼滤波器的遗忘因子型迭代学习控制律，以实现闭环系统的稳定控制和干扰抑制。首先，将卡尔曼滤波器作为系统的状态观测器，在含有随机噪声干扰的情况下，估计系统的最优状态；其次,通过设置自适应遗忘因子来动态适应迭代学习过程中的误差变化，使系统快速收敛并准确跟踪参考轨迹，实现运动过程中重复干扰信号的抑制；最后，以Quanser公司生产的柔性尺为实验平台来研究非线性欠驱动被控对象实际系统的控制方法，并对所提方法分别进行理论数值仿真与实物实验验证。仿真及实物实验结果表明，本文提出的控制方法可以保证被控系统稳定运行，当环境中存在随机非重复性噪声或重复性干扰时，被控系统都可以保持良好的鲁棒性。
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  基于变论域模糊PID的航空转台控制系统研究

  魏彬, 唐凤轩, 梁畅, 张爱军

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 107-115. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.013

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  航空转台是进行地面仿真的关键设备，其控制系统的随动性对地面仿真结果有很大影响。围绕航空转台的控制结构和算法策略，提出使用粒子群优化算法迭代寻优以保证论域最佳的变论域模糊比例积分微分(proportion integral differential，PID)控制策略。以MATLAB作为仿真环境，分析本文所提算法策略的优化效果，仿真结果表明该控制策略相较于常规PID的时间乘绝对误差积分准则(ITAE)指标有显著提升。搭建以可编程多轴运动控制卡(programmable multi-axes controller，PMAC)控制器为核心的航空转台实物测试系统进行算法验证，实验结果表明，基于变论域模糊 PID的航空转台控制系统可使航空转台的控制精度得以显著提升，超调量更小，调节时间更短，同时具备实用性，极大地提高了航空转台控制系统的随动性。
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  基于AMWPSO-LSTM的多阶段间歇过程故障预测

  梁秀霞, 庞荣荣, 郭鹭, 张燕

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(2): 116-124. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.02.014

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  过程安全对于间歇过程生产具有重要意义，为提高间歇过程生产安全性，提出一种基于改进粒子群算法(AMWPSO)优化长短期记忆网络(LSTM)的间歇过程故障预测模型AMWPSO-LSTM。针对LSTM中的神经元个数、迭代次数、学习率等参数需要人为设置的问题，采用AMWPSO对这些参数进行自动寻优。AMWPSO在原有粒子群优化算法(PSO)中融入了自适应变异和非线性递减惯性权重，提高了PSO的参数寻优能力。由于间歇过程具有多阶段性，因此先根据模糊C均值聚类(FCM)方法对间歇过程进行阶段划分，再利用Pearson相关系数对各阶段实验数据进行相关性分析，以降低系统变量的维数，并建立各阶段T²统计量控制限作为系统是否发生故障的指标。实验以青霉素发酵过程数据为例，建立基于AMWPSO-LSTM 的多阶段故障预测模型，并将该模型的预测结果与基于LSTM的多阶段预测模型、基于PSO-LSTM的多阶段预测模型的预测结果进行比较，结果表明，基于AMWPSO-LSTM 的多阶段故障预测模型可取得较高的预测准确度。