2020年, 第47卷, 第5期　刊出日期：2020-09-20

  

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综述
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  基于厌氧微生物的碳链延长合成高价值化学品反应机理及研究进展：不同电子供体

  刘昊鹏, 刘超, 王雯, 刘广青

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 1-17. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.001

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  近年来，世界各国对能源的需求及依赖日益剧增。与此同时，为了实现社会的可持续发展和生态系统的健康稳定，可再生能源及化学品受到了极大的关注。厌氧发酵系统可以在缓解废弃物对环境造成污染的同时生产生物燃料和化学品，逐渐成为一大研究热点。基于厌氧微生物的碳链延长生产中链脂肪酸（C₆-C₁₂），可比制备传统厌氧发酵产品（CH₄）获得更高的附加值，而与采用传统的化工方法生成中链脂肪酸相比可节省更多成本。中链脂肪酸可以通过短链有机酸的碳链延长得到，这个过程需要电子供体和电子受体的共同参与。电子供体作为驱动碳链延长的主要动力，其种类和性质会直接影响碳链延长的途径，最终产物的类型、产量和产率。因此，本文综述了乙醇、乳酸、H₂和CO等作为电子供体的链延伸机理、主要微生物和研究现状，并给出厌氧微生物利用不同电子供体实现碳链延长制取高附加值化学品的优缺点，提出有待解决的问题和发展前景。
化学与化学工程
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  管式反应器中环己烯氧化制环氧环己烷

  李艳超, 周志远, 刘彩红, 金君素, 赵风云

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 18-23. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.002

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  以过氧化氢为氧化剂，自制的十六烷基吡啶过氧磷钨酸为催化剂催化环己烯合成环氧环己烷，根据釜式反应器反应的最佳时间确定了管式反应器的管长，考察了反应温度、环己烯与H₂O₂物质的量比、反应溶液的pH和催化剂用量对产物收率的影响，并对这些条件进行了优化。实验结果表明，管式反应器最佳条件为反应温度50℃，反应时间30 min，投料比n（环己烯）：n（H₂O₂）：n（催化剂）：n（氯仿）=1：0.75：0.000 25：2，pH=3，此条件下环氧环己烷的收率可达55.24%。同样实验条件下釜式反应器内环氧环己烷收率为44.42%。
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  直流电场下O/W体系中油滴的迁移行为及油水分离效果研究

  王梦芸, 王莉莉, 张婷婷, 肖宁

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 24-29. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.003

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  首先利用电化学工作站和生物显微镜研究了直流电场下水包油（O/W）乳化体系中油滴的迁移行为，然后分析了电场强度、油滴粒径等因素对油滴迁移行为的影响规律，结果表明：直流电场下，油滴会发生定向迁移，但迁移过程中不会发生聚并；油滴迁移速率随着电场强度的增大而增大，随着平均粒径的减小而变小。直流电场可破坏油滴表面稳定的电荷结构，导致油滴表面电荷分布不均，从而促使油滴在电场中发生定向迁移，并在阳极表面发生破乳、聚并，实现与水相的分离。最后，对直流电场作用下乳化含油体系的油水分离效果进行了实验验证，结果表明，对初始含油量为89.2 mg/L的模拟乳化废水而言，在一定条件下进行处理后，其出水含油量低于5 mg/L，除油率高达95.3%。
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  基于多巴胺的杂化膜界面优化及其气体分离性能强化

  俞青芬, 吴永林, 李一凡, 吴一凡, 杨文彦

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 30-37. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.004

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  采用仿生黏合剂多巴胺改性二氧化硅纳米颗粒（PDA@SiO₂）并与聚乙烯醇（PVA）高分子基质共混，再将获得的PVA-PDA@SiO₂杂化材料涂覆到聚砜（PSf）中空纤维支撑层表面制备中空纤维复合膜用于丙烯气体除湿，研究了杂化膜的微观形貌、晶态结构、高分子链运动性、自由体积特性等物理化学性质。实验结果表明，当填充剂PDA@SiO₂含量（质量分数，下同）为1%时，在298 K、原料气水含量为0.5%的条件下，PVA-PDA@SiO₂/PSf膜分离因子为24 837，是PVA/PSf膜的12.7倍，渗透系数为904 GPU[1 GPU=7.501×10^-10 cm³/（cm²·s·Pa）]，是PVA/PSf膜的3.6倍。仿生黏合剂多巴胺的多重相互作用可改善PVA与填充剂SiO₂的界面相容性，进而提升杂化膜的分离性能。
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  团簇NiMo₃P极化率与催化性质的研究

  王美玲, 方志刚, 秦渝, 李历红

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 38-45. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.005

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  为了探究团簇NiMo₃P各优化构型的形变情况，并寻找催化性能最优异的团簇NiMo₃P构型，根据拓扑学原理，在B3LYP泛函条件下，采用Lan12dz基组运用密度泛函理论对团簇NiMo₃P进行优化计算，得到4种四重态、5种二重态共9种稳定构型。对团簇NiMo₃P的变形性能进行分析发现：团簇极化率对于几何结构具有很强的依赖性，构型1^（2）的结构最为紧凑，不易发生形变。对前线轨道进行分析发现：金属原子与非金属原子相比具有更好的催化活性；在Ni、Mo、P 3种原子中，Mo原子最有可能是团簇潜在的催化活性位点；在催化反应中，团簇NiMo₃P具有强的电子接受能力，但其提供电子的能力亦不可忽略；构型2^（2）的能隙差值最小，亲电指数值最高，反应活性最强。
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  同心双扭旋元件内外叶片数量对管内传热性能的影响

  张傲宇, 汤方丽, 丁桂彬, 王宗勇

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 46-53. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.006

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  为探究同心双扭旋元件组合方式变化对换热管传热特性的影响规律，采用数值模拟方法对雷诺数Re=200~1 800范围内恒壁温条件下的管内传热进行了分析，并进行了实验验证。研究结果表明：在Re=200~1 800的范围内，含有4-4同心双扭旋元件换热管的努赛尔数Nu值最大，其次为3-3同心双扭旋元件，2-4与2-2同心双扭旋元件的Nu相差不大，最大仅相差5%；4-4同心双扭旋元件换热管的阻力系数f最大，其次为3-3同心双扭旋元件，2-4同心双扭旋元件的阻力系数略高于2-2同心双扭旋元件；2-2同心双扭旋元件换热管的综合传热性能评价因子（PEC）值最大，为1.50，且明显高于其他3种换热管，其余3种换热管的PEC值相差不大；4-4同心双扭旋元件换热管的场协同数F_c值最大，其余3种换热管的F_c值相差不大。
材料科学与工程
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  双端丙烯酸酯基聚异戊二烯液体橡胶的合成与紫外光固化

  王震, 鲁建民, 韩丙勇

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 54-60. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.007

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  以双锂引发剂引发异戊二烯进行活性阴离子聚合，之后依次使用环氧乙烷和丙烯酰氯封端合成双端丙烯酸酯基聚异戊二烯（ATPI），并以其为预聚体，以丙烯酸甲酯为稀释剂，在紫外光照下制备了光固化弹性体。采用凝胶渗透色谱（GPC）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振氢谱（¹H-NMR）对产物ATPI进行了表征分析，结果表明：当采用机械搅拌方式，环氧乙烷加入10倍量（相比与活性种数量），封端6 h，丙烯酰氯加入1.5倍量（相比与活性种数量），封端1 h时，可制备丙烯酸酯基官能度达1.87的液体橡胶，其分子量约为3 000，分子量分布达1.25；当稀释剂占光固化胶液质量分数的65%时，光固化弹性体的拉伸强度达到6.16 MPa，断裂伸长率为138%，邵氏硬度为90.5。
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  Co₄S₃纳米片的制备以及Fe³⁺掺杂对其电催化析氧性能的影响

  陈凤华, 张昭乾, 梁娓娓, 石向东, 张华淇, 张朝伟, 张文杰

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 61-68. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.008

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  采用溶剂热和超声剥离相结合的方法制备了超薄Co₄S₃纳米片，通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X-射线衍射分析（XRD）、拉曼光谱（Raman）等手段对其进行了结构和形貌的表征，并研究了其电催化产氧性能。结果表明，Co₄S₃纳米片在电流密度为10 mA/cm²下的过电势为377 mV，塔菲尔（Tafel）斜率为64.47 mV/dec；溶剂热过程中反应温度和溶剂比对产物的析氧反应（OER）催化活性影响不大，但是Fe³⁺的掺杂可以显著降低Co₄S₃纳米片的析氧过电势和Tafel斜率，提高材料的电催化稳定性。最后通过X-射线光电子能谱（XPS）分析了Fe³⁺的掺杂对Co₄S₃纳米片OER性能影响的机理。
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  二甲基硅油/硅溶胶共前驱体法制备二氧化硅气凝胶微球

  孔令汉, 余婷婷, 詹建波, 张莹, 李赓, 王浩, 王旭, 程量, 王芳辉

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 69-75. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.009

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  由于二氧化硅气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热系数等特点，引起了人们的广泛关注。但是，其较差的机械性能和较高的制备成本一直限制二氧化硅气凝胶的应用和推广。采用带有活性端基的二甲基硅油和硅溶胶制备共前驱体溶液，以微乳液法和滴定法分别制备了不同尺寸的二氧化硅气凝胶微球，并探究了甲基含量对其性能的影响。实验结果表明，相对于滴定法，微乳液法制备的气凝胶粒径分布范围较宽，在硅溶胶与硅油体积比相同时，两种方法所制备的气凝胶微球具有相近的比表面积、堆积密度及导热系数；滴定法制备的气凝胶随着甲基含量减少，气凝胶微球的比表面积减小，堆积密度增大，接触角减小，导热系数增大，机械强度增大。
生物技术与环境工程
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  柴胡皂苷d对肝星状细胞的作用分析

  王祎, 庞旭, 张保财, 喻长远, 王磊

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 76-82. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.010

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  从传统药物中寻找生物活性成分是开发抗肝纤维化药物的重要途径。人们发现中药柴胡成份柴胡皂苷d（SSd）可以抑制肝星状细胞（HSC）活化，但是相关生物学机制的研究较少。本研究以体外诱导活化的HSC为肝纤维化细胞模型，探究SSd抗肝纤维化效果及其分子机制。结果显示，SSd能够抑制HSC增殖和纤维化相关基因转录，并且可能通过激活细胞凋亡通路和抑制线粒体能量代谢两条途径诱导HSC发生凋亡。本研究表明，SSd有希望成为抗肝纤维化的潜在药物。
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  雷公藤甲素与雷公藤红素对小胶质细胞炎症反应的影响机制

  宋海红, 毕滢, 何栾樱, 闫培丽, 安文林, 喻长远, 王诗卉

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 83-88. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.011

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  雷公藤甲素与雷公藤红素是雷公藤的主要生物活性成分，具有多种潜在的药理作用与毒性。神经炎症是各种神经退行性疾病的共同特征，小胶质细胞的激活是中枢神经系统神经炎症的主要组成部分。本文用雷公藤甲素与雷公藤红素处理小胶质细胞（HMO6），探究其对小胶质细胞增殖、细胞膜完整性的影响，以及雷公藤甲素对小胶质细胞M1、M2极化的影响。结果表明：与对照组相比，雷公藤红素（10^-4 mol/L）处理HMO6后，细胞增殖抑制率可高达（71.91±16.28）%（P<0.01，n=3），当浓度为10^-5 mol/L时，乳酸脱氢酶（LDH）释放量明显增加（8.58±1.56）%（P<0.01，n=4）；与对照组相比，雷公藤甲素处理HMO6后，对细胞膜完整性无显著影响，但当浓度为10^-5 mol/L时，细胞增殖抑制率可高达（94.31±0.62）%（P<0.01，n=5），与脂多糖（LPS）组相比，雷公藤甲素浓度为10^-7 mol/L时人肿瘤坏死因子-α（TNF-α）释放量显著减少至（264.83±64.25）pg/mL（P<0.01，n=3），人白细胞介素-10（IL-10）释放量减少至（63.48±16.79）pg/mL（P<0.05，n=3）。
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  添加铁氧化物和活性炭对玉米秸秆两相厌氧消化性能和微生物学特性影响研究

  石思慧, 郭荣欣, 张良, 左晓宇, 李秀金, 袁海荣

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 89-96. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.012

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  为了提高玉米秸秆厌氧消化性能，将铁氧化物（Fe₂O₃，Fe₃O₄）和活性炭分别添加到玉米秸秆两相厌氧消化系统中的酸化相和甲烷相进行试验。结果表明，在酸化相和甲烷相中分别添加Fe₃O₄粉末和活性炭粉末（PAC）的试验组效果最佳。Fe₃O₄粉末添加到酸化相后，挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）与乙醇的总含量比对照组中两者的总含量提高了25.4%。酸化结束后加入活性炭粉末继续进行甲烷化试验，玉米秸秆累积产甲烷量达到7 965 mL，比对照组提高了27.8%。与对照组相比，添加Fe₃O₄粉末和活性炭粉末试验组的t₈₀（累积产甲烷量达到总甲烷产量的80%所用的时间）缩短了8 d，电导率提高了33.3%。从微生物群落角度分析，在Fe₃O₄+PAC试验组中，细菌优势菌属为Clostridium_sensu_stricto_1，古菌优势菌属为Methanobacterium，可以提高H₂利用率并且促进厌氧过程中的直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer，DIET）。因此，Fe₃O₄粉末和活性炭粉末的添加可以有效提高玉米秸秆厌氧消化产甲烷潜力。
机电工程和信息科学
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  一种用于机床角度头故障诊断的双重降噪方法

  高树成, 姚剑飞, 陈建, 张素燕, 张泽, 何万林

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 97-103. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.013

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  角度头是数控机床必不可少的加工附件，由于长期处于恶劣的加工工况下，极易受到损坏。采集角度头的振动信号时，环境中大量的随机噪声会湮没故障特征信息，从而造成角度头故障特征提取困难。针对此问题，提出了一种基于总体平均经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition，EEMD）及自相关的双重降噪方法。该方法采用自相关滤波方法对振动信号进行降噪预处理，再对降噪后的信号进行EEMD分解，随后采用遗传算法对EEMD输入参数优化，依据相关峭度系数准则筛选分解得到的固有模态函数（intrinsic mode function，IMF）分量进行信号重构。最后，对重构信号进行时频分析，提取角度头故障特征。对仿真和实测信号分析的结果表明，本文方法能够有效抑制噪声干扰，可准确提取到角度头的故障特征信息，为机床角度头的故障诊断提供依据。
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  碳纤维石墨化专用微波矩形槽波导谐振腔的设计及数值模拟

  张欢雷, 程礼盛, 王安, 谭晶, 杨卫民, 安瑛

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 104-108. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.014

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  微波作为一种碳纤维石墨化过程中的加热方式，对于实现碳纤维在径向和周向上的均匀石墨化具有潜在优势。由于电磁波在腔体内传递时能量分布有很大的不均匀性，首先针对微波加热腔体的形状和尺寸进行了设计；随后采用Ansys Electronics软件建立了加热碳纤维丝束的电磁加热-热辐射-流动传热模型，模拟了腔体内的电磁场和温度场；最后分析了走丝速度与保护气体流速对于腔内温度场分布的影响，结果表明：保护气体流速对加热过程中丝束能达到的最高温度影响较大，而走丝速度对最高温度的变化基本没有影响。本文研究对于碳纤维微波石墨化加热腔的研制具有较实际的指导意义。
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  基于IAHP和模糊综合评判的企业安全风险预警系统研究

  肖遥, 张东胜, 董博恺

  北京化工大学学报(自然科学版). 2020, 47(5): 109-117. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2020.05.015

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  为有效控制企业安全生产风险，实现安全风险早期预警，基于理论及企业安全管理体系研究，确定了安全风险预警评价指标，采用区间层次分析法（IAHP）计算指标权重，确定了预警监测关键点，并运用模糊综合评判法构建作业现场安全风险预警评价模型与评价思路。研究结果表明：区间层次分析法和模糊综合评判法能够较好地对作业现场安全风险进行评估；该风险预警系统能够实现企业安全风险的量化评估，确定风险预警等级。实例分析结果与实际情况基本相符，表明本文风险预警系统能够为企业安全风险水平的管控提供指导。