2021年, 第48卷, 第2期　刊出日期：2021-03-20

  

• 全选
  |

化学与化学工程
• Select
  电解法制备低浓度次氯酸钠消毒水的参数优化及表观动力学探究

  王晓晴, 鲁宁宁, 肖宁

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 1-7. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.001

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  高浓度次氯酸钠（NaClO）溶液在储存及使用过程中易产生有效氯浓度降低、氯气中毒等问题，因此在环境卫生消毒过程中为保证消毒水的稳定与使用安全，应尽量降低NaClO浓度。以低浓度食盐水为原料，利用无隔膜电解法制备了低浓度NaClO消毒水，采用单因素实验法研究了盐水流量、盐的质量浓度、电流密度与进水温度4个工艺参数对电解效果的影响，并以有效氯浓度、电流效率和运行费用为评价指标对电解参数进行了优化。结果表明，当盐水流量为75 mL/min、盐的质量浓度为7 g/L、电流密度为1 A/dm²、进水温度为30 ℃时，有效氯浓度和电流效率较高，运行费用最低。对电解制备消毒水反应进行了表观动力学探究，确定了该反应为一级反应，并归纳出盐的初始质量浓度a和电流密度J与反应速率常数k的关系分别为：k=0.007a^-0.459，k=0.003J^0.423。
• Select
  锌镁铝类水滑石催化臭氧氧化降解吡啶废水的工艺研究

  宋可可, 陈建铭, 宋云华

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 8-15. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.002

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  通过尿素水热共沉淀法制备了一种锌镁铝类水滑石（LDHs），将其煅烧制得焙烧态锌镁铝类水滑石（LDOs），使用鼓泡搅拌反应器，以吡啶降解率和出水化学需氧量（COD）为评价指标研究了LDOs在臭氧氧化降解吡啶中的催化潜力，并分析了其催化臭氧氧化动力学。结果表明，与单独臭氧氧化相比，LDOs催化臭氧氧化可显著提升对吡啶的降解效果。对于初始质量浓度为300 mg/L的吡啶废水，在反应时间为40 min、催化剂用量为0.6 g/L和初始pH为10的条件下，吡啶降解率和出水COD可分别达到96.9%和71.7 mg/L，并且初始吡啶的质量浓度越低，降解速率越快。此外，LDOs还表现出优异的催化稳定性。单独臭氧和催化臭氧氧化降解吡啶的过程都近似符合伪二级反应动力学模型，同时结果表明·OH是LDOs催化臭氧氧化降解吡啶的主要自由基。吡啶的主要降解产物可能为N-甲基乙酰胺或N，N-二甲基甲酰胺有机物以及硝酸根离子、二氧化碳和水等小分子无机化合物。
• Select
  不同氧化锆相的稳定性及电子结构的第一性原理研究

  温新竹, 刘明真, 彭玉颜

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 16-22. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.003

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  通过密度泛函理论计算了不同氧化锆相的晶体结构参数，在所有晶相模型结构优化的基础上，分析了在一般温度和压力下不同晶相稳定程度不同的原因。使用3种不同的泛函计算了不同晶相的电子能带结构和态密度电荷差分密度，发现在氧化锆高温稳定相体系中，由于强关联电子的相互作用增强，传统密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势泛函及其修正的Hubbard U方法都会严重低估能带带隙，因此所得各层能带位置不准确，而使用B3LYP杂化泛函计算的结果则可以很好地与已有实验结果相吻合。结合杂化泛函计算出的态密度和差分密度数据，在理论上从电子间相互作用的角度解释了氧化锆不同晶相的稳定性、导电性及光吸收性能。
• Select
  石化罐区典型火灾事故仿真模拟与分析

  李磊

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 23-30. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.004

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  石化罐区火灾事故影响范围广、危害性大，若不能得到及时有效的控制，将造成严重的人员伤亡、环境污染以及财产损失。对罐区火灾事故进行仿真模拟能够实时掌握事故的演变趋势，可作为制定应急处置方案的依据。提出一种罐区火灾事故模拟仿真方法，以某三苯罐区的事故案例为仿真对象，依托仿真平台对事故过程进行仿真建模，重现了事故发生全过程的动态数据变化情况。最后讨论了在不同工况下事故可能的发展过程。针对事故的分析结果可以为安全生产和应急管理提供指导。
• Select
  CO₂置换CH₄水合物技术中主、客体分子间作用的DFT研究

  陈浩, 颜克凤, 李小森, 陈朝阳, 张郁, 徐纯刚

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 31-40. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.005

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  天然气水合物是新型清洁能源，围绕CO₂置换CH₄水合物技术的研究对天然气水合物的资源开采和减少全球碳排放具有重要意义。其中，置换机理的解析是CO₂置换CH₄水合物技术的关键问题，对提升置换效率具有重要作用。为深入阐述置换机理的本质，采用量子力学（QM）方法对水合物中主、客体双分子聚体间的相互作用进行模拟。利用不同的密度泛函理论（DFT）方法对双分子聚体的结构及单点能进行计算分析，在对CO₂置换CH₄水合物过程的研究中，获得QM方法下进行几何结构优化和单点能计算的较优的计算参数。采用对称性匹配微扰理论（SAPT）进行能量分析，解析主、客体相互作用中各分子的贡献，并通过计算波函数信息分析约化密度梯度函数（RDG）、独立梯度模型（IGM）和静电势，定向研究主、客体分子间最主要的相互作用。研究结果表明CO₂置换CH₄水合物过程中主、客体分子间的作用主要由静电作用贡献，色散和诱导作用占比较小；在置换过程中，客体分子由CH₄转变为CO₂时色散作用影响减弱，静电作用影响加强。因此，静电作用是置换过程的关键，提高与H₂O的静电作用是提升置换效率的有效方法。所得结果为CO₂置换CH₄水合物技术的发展提供了理论指导。
材料科学与工程
• Select
  纳米氢氧化钙改性聚己内酯对红军标语的封护研究

  张涛, 王莉, 吴玉清, 王菊琳, 刘波涛

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 41-50. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.006

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  红军标语是不可再生的文化遗产，目前正面临着损坏乃至消失的危险。对地仗层进行适当的封护处理，可以增强其耐久性能，达到保护的目的。使用纳米Ca （OH）₂对聚己内酯（PCL）进行改性，制备了一种可生物降解的红军标语地仗层封护剂；通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和差示扫描量热法（DSC）等手段对封护剂进行了表征；通过耐紫外光老化、耐冻融循环、耐可溶盐侵蚀、耐水侵蚀和耐酸雨侵蚀试验评估了封护试样的抗压强度、抗折强度和色差值。结果表明，封护剂中PCL成膜后可有效阻止水分从试样外部进入内部；微团聚的Ca （OH）₂与纳米Ca （OH）₂共同形成了微米/纳米复合结构，使封护膜的疏水性得到有效增强；纳米Ca （OH）₂的加入可提高封护膜的透气性；封护剂可提高封护试样的耐久性。以上结果表明纳米Ca （OH）₂改性的PCL封护剂对模拟红军标语地仗层具有良好的封护效果。
• Select
  植酸/金属离子共掺杂聚苯胺/纤维素复合材料的制备与电化学性能研究

  孟庆方, 许成成, 孙志伟, 刘安琪, 孙棐驰, 谢瑞, 赵跃强, 徐国想, 朱婧

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 51-58. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.007

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  以再生纤维素微球为基底，通过原位聚合法制备了金属离子与植酸共掺杂的聚苯胺/纤维素复合材料，采用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、X射线粉末衍射仪（XRD）、热重分析仪（TGA）和比表面积分析仪（BET）对材料进行了表征，并探究了不同金属离子掺杂对复合材料电化学性能的影响。结果表明，与纯聚苯胺相比，以再生纤维素微球为基底的聚苯胺/纤维素复合材料的倍率性能、导电性均有大幅提升，锌离子、锂离子分别与植酸共掺杂后制备的聚苯胺/纤维素复合材料，在5 mV/s的扫描速率下比电容分别为343 F/g、332 F/g，远大于单一植酸掺杂的复合材料的比电容（286 F/g）；对锌离子、锂离子掺杂的复合材料进行了300次充放电测试后，其比电容保持率分别为87%、88%，均高于未经金属离子掺杂的复合材料的比电容保持率（83%），表明锌离子与锂离子掺杂可提升复合材料的循环稳定性。
生物技术与环境工程
• Select
  我国典型湖泊磷浓度对水体指标及蓝藻水华爆发趋势的潜在影响——基于Meta分析

  王金航, 李京霖, 江德霜, 武会会, 王曙光, 林爱军

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 59-67. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.008

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  水体富营养化可引发蓝藻水华，对水生态环境和饮用水的安全产生严重危害，揭示蓝藻水华的发生机理和变化规律是防治的基础。基于1989—2019年公开发表的相关研究，提取583对有效数据，利用Meta分析了我国典型湖泊中磷浓度对水体指标及蓝藻水华爆发趋势的影响。结果表明：磷浓度对水体透明度（SD）产生负效应，对溶解氧（DO）含量、高锰酸盐指数（COD_Mn）和叶绿素a （Chla）含量产生正效应。随着磷浓度的增加，上述4种指标呈现不同的变化趋势：磷浓度对DO含量的正效应逐渐转变为负效应，在磷的质量浓度为0.2~0.3 mg/L时负效应最大（亚热带季风气候）；对SD的负效应随磷浓度的增加先增大后略有减小，在磷的质量浓度为0.1~0.2 mg/L时负效应最大；COD_Mn和Chla含量对磷浓度的响应趋势基本相似，在亚热带季风气候条件下，磷的质量浓度分别为0.2~0.3 mg/L和>0.3 mg/L时二者的正效应最大。此外，与温带季风气候地区相比，在磷的质量浓度为0~0.1 mg/L时亚热带季风气候地区的湖泊水质更容易受磷浓度的影响，蓝藻水华爆发的风险相对较高。
机电工程和信息科学
• Select
  基于光学仿真Tracepro软件对多面微结构导光板光学性能的研究

  王佳佳, 贺建芸, 谢鹏程, 申增强, 马旭

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 68-74. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.009

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  导光板是液晶显示器重要的组成元件之一，光线从侧面耦合进入导光板时，导光板表面的微结构会改变光线的传播路径，使其从导光板出光面（正面）均匀出光，因此导光板表面的微结构是实现均匀出光的关键。基于光学仿真Tracepro软件进行导光板表面的微结构的设计，在保证出光效率的基础上，使导光板的照度均匀度由54.3%提高至80.8%；并且在照度均匀度为80%左右的基础上，在出光面添加微结构，使得出光效率提高至60%。最后采用底面网点微结构远光源处密度大于近光源处密度的排列方式，使得导光板的照度均匀度得到明显提升，最大达到90.2%。
• Select
  不均匀预紧对螺栓法兰垫片接头密封性能的影响

  王修慧, 李慧芳, 钱才富

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 75-83. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.010

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  测量了柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的非线性压缩-回弹曲线，建立了螺栓法兰垫片接头整体结构有限元模型，采用泄漏率来表征其密封性能，分析了螺栓不均匀预紧对接头密封性能的影响。结果表明：个别螺栓欠预紧会导致密封泄漏率增加；欠预紧程度越大，欠预紧螺栓数目越多，螺栓间越互相靠近，则泄漏率越大，且泄漏位置出现在欠预紧螺栓区域；个别螺栓超预紧时，泄漏率不降反略有增加，泄漏位置出现在超预紧螺栓对侧区域。
• Select
  基于FrFT滤波和LMS降噪的变转速滚动轴承故障诊断

  贾晋军, 黄玉婧, 张涛, 唐刚

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 84-91. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.011

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  变速工况下的机械故障诊断逐渐成为旋转机械监控领域的一个热门课题，在变转速下故障更容易发生且伴随更大的噪声，而相应的降噪问题目前却没有可靠的解决方法。因此提出一种基于分数阶傅里叶变换（FrFT）滤波和最小均方算法（LMS）降噪的故障诊断方法，对变转速工况下轴承振动信号进行降噪，进而提取非平稳故障特征。首先，同时获得滚动轴承振动加速度信号和转速信号；然后对Hilbert解调后的振动信号进行峰值搜索FrFT，按照搜索得到的最佳阶次和分数阶域聚集位置进行FrFT滤波；再将FrFT滤波得到的信号作为参考信号，原包络信号作为输入信号，进行LMS自适应降噪；最后对降噪后的信号按照转速重采样进行阶次分析，将包络阶次谱中的突出特征与故障特征阶次对比，判断故障。该方法可成功应用于变转速工况下滚动轴承的试验数据处理，证明了方法的有效性。
• Select
  基于联邦学习的网络异常检测

  赵英, 王丽宝, 陈骏君, 滕建

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 92-99. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.012

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  作为一类网络安全的基础研究，网络异常检测技术目前还存在检测准确率低、误报率高以及缺乏标签数据等问题。为此提出一种融合联邦学习和卷积神经网络的网络入侵检测分类模型（CNN-FL），可有效解决多个参与者在不共享隐私数据的情况下进行一个全局模型的协作训练时所带来的问题。该模型无需汇集模型训练所需要的数据进行集中计算，只是传递加密的梯度相关数据，即可利用多源数据协同训练同一模型，并解决缺乏标签数据的问题。随后将该模型应用于二分类和多分类方法中，并在同一基准数据集NSL-KDD上进行了实验比较与分析，实验结果表明，与其他研究方法相比，所提CNN-FL分类模型在二分类以及多分类中具有较高的识别性能和分类精度。
• Select
  基于机器学习高通量筛选吸附甲烷的金属有机框架材料

  于天鑫, 彭璇

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 100-107. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.013

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  采用决策树（DT）模型及其衍生的随机森林（RF）模型、极端随机树（ET）模型和梯度提升树（GBDT）模型，对用于甲烷吸附的金属有机框架材料（MOFs）进行了高通量的计算筛选。利用1 800种材料的特征向量数据，计算了特征向量之间的相关性并进行重要度分析，发现材料的结构特征与化学信息特征的相关性不大，但是结构特征的重要度较高。将数据库中的1 260种材料作为训练集并使用上述4种机器学习模型进行训练，再将剩余的540种材料作为测试集对模型的筛选结果进行比较和评估。接收者操作特征（ROC）曲线和查准率-查全率（PR）曲线结果表明，GBDT模型自身稳定性强且预测结果精度高，因而成为筛选吸附甲烷的高性能金属有机框架材料的最佳模型。针对RF模型和GBDT模型进行参数优化，发现协调单个决策树的个数和决策树节点的分裂特征数量能够有效改善RF模型的性能，而调节回归树的学习速率和迭代次数可有效改善GBDT模型性能。最后基于540种材料的测试集，利用GBDT模型筛选出前20种高性能吸附材料，分析了它们的主要特征向量与甲烷吸附量之间的关系。
• Select
  基于LSTM-DAE的化工故障诊断方法研究

  张敬川, 田慧欣

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 108-116. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.014

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  现代化工过程愈加精密化、复杂化，使得化工过程数据呈现高度非线性、强耦合等特点，传统的故障诊断模型难以学习此类数据的有效特征表示，且无法挖掘隐含的时间序列信息。针对上述问题，提出了一种长短期记忆（long short-term memory，LSTM）网络与降噪自编码器（denoising auto-encoder，DAE）结合的LSTM-DAE化工故障诊断方法，用基于LSTM的特殊编码方式代替传统DAE模型的全连接网络编码方式，并结合高斯噪声处理和全连接网络解码层，搭建出基于LSTM-DAE的特征提取模型，最后由Softmax分类器输出故障诊断结果。该方法结合了DAE与LSTM的优点，确保了编码特征获取的有效性。使用田纳西-伊斯曼（Tennessee-Eastman，TE）过程数据设计所提方法与其他5类模型的对比实验，实验结果表明：在多故障诊断效果上，基于LSTM-DAE的化工故障诊断方法的训练集正确率达到了96.02%，测试集正确率达到了97.31%，平均误报率仅为0.65%，平均漏检率仅为3.19%，在6类模型中为最优；在单故障诊断效果上，基于LSTM-DAE的化工故障诊断方法能够提高对故障14的分辨能力，并缩短对故障18的检测延迟时间，有效降低了漏检率，表明所提方法能够在实际化工过程中进行有效的故障诊断。
管理与数理科学
• Select
  基于极限学习机的微量溶解氧传感器优化研究

  郑志城, 陈娟

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 117-123. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.015

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  溶解氧浓度作为水质检测的重要指标，在环境监测、食品加工、电力电子等行业具有重要的应用。采用基于遗传算法优化的极限学习机算法，建立了电极长度和传感器的输出电流、响应时间之间关系的预测模型，优化了阳极与电解液的接触面积，验证了传感器的测量稳定性和精度。结果表明，当阳极与阴极的反应面积之比约为33时，传感器的残余电流小于0.2 μA，上升和下降响应时间均小于60 s；重复5次的实验结果表明，自制传感器具有较好的稳定性；与商用传感器相比，自制传感器测量的相对误差小于1%，表明其具有较高的测量精度。
• Select
  弹性体内一类表面波的求解

  王杰, 许兰喜

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2021, 48(2): 124-128. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2021.02.016

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML   可视化   收藏

  研究了在平面应变假设条件下，弹性体内一类表面波的求解以及一般解的结构。文献[6]只给出了表面波的一个右行波解，且无求解过程。基于表面波的解可表示为膨胀波和畸变波的叠加，利用分离变量法求出了表面波的一般解，一般解包含无穷多个行波解，这些行波解可能为左行波、右行波或左右行波的叠加。另外，还讨论了表面波一般解的结构以及不同行波解波速之间的关系，发现不同行波的波速大小相同。