2023年, 第50卷, 第2期　刊出日期：2023-03-20

  

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化学与化学工程
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  大豆皂脚热解反应动力学研究

  李雪光, 刘洋, 代建军, 刘广青, 张瑞红

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 1-7. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.001

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  大豆皂脚是大豆油精炼过程中的副产物，在我国产量非常可观，但针对大豆皂脚的有效处理目前尚未引起广泛关注。采用热重分析法对不同升温速率下大豆皂脚的反应动力学进行研究，结果表明：大豆皂脚热解过程可分为4个阶段，在380~565 ℃范围内失重率最大；采用Flynn-Wall-Ozawa法和Kissinger-Akahira-Sunose法计算的表观活化能相近，数值在55~227 kJ/mol之间，转化率为0.5时的活化能最大。通过Malek法确定大豆皂脚的热解反应机理为三维扩散Jander 3D(n=1/2)反应。
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  Janus CoSTe单层膜在Li-S电池中的应用研究

  温新竹, 曾凤生, 彭玉颜

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 8-16. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.002

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  开发新的亲硫催化材料是解决锂硫电池正极多硫化锂存在的严重的穿梭效应和缓慢的动力学转化等问题的有效方案。构建了一种潜在的锂硫电池正极锚定材料—Janus过渡金属二硫属化物CoSTe单层膜，采用第一性原理计算发现多硫化物Li₂S_n团簇在CoSTe单层膜表面吸附能适中(0.88~2.85 eV)，大于石墨烯表面和有机电解液中的吸附能，且高阶Li₂S_n团簇的表面吸附在一定范围内得到了优化；Li₂S_n团簇的分解不太容易自发地在CoSTe膜层上发生；Li₂S_n团簇在CoSTe单层膜表面的扩散有其微观上的“通道”；Li₂S的解离能优于石墨烯表面，CoSTe单层膜比石墨烯表面更利于硫还原反应的顺利进行；CoSTe单层膜的金属特性在吸附Li₂S_n团簇后得以保留。综上，理论上Janus CoSTe单层膜表面在锂硫电池电极中具备优异的电化学性能，具有开发应用的潜力和价值。
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  阻垢剂对电解循环水除垢性能的影响

  胡凯, 鲁宁宁, 成斌, 唐世宝, 江裕, 梅刚, 肖宁

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 17-25. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.003

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  以含有阻垢剂(KURITA ST-8690)的模拟循环水为研究对象，从循环水pH值、硬度去除率、碱度去除率以及阴极垢质的微观形貌、元素组成和晶体结构等方面研究了阻垢剂对电解模拟循环水除垢性能的影响。结果表明：添加阻垢剂会降低循环水的pH值；阻垢剂可显著降低电解对循环水硬度的去除率，当阻垢剂的质量浓度为50 mg/L时，硬度去除率从不含阻垢剂时的33.6%降低至8.4%，实际阴极沉垢量从23.2 g/(m²·h)减少至6.7 g/(m²·h)；阻垢剂亦可降低电解对循环水碱度的去除率，当阻垢剂的质量浓度为50 mg/L时，碱度去除率从不含阻垢剂时的44.4%降低至4.2%；扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)的表征结果显示，阻垢剂的加入使阴极垢质从有序排列的紧密结构变为无序的疏松结构，垢质中含有阻垢剂元素，证明阻垢剂参与了成垢过程；X射线衍射(XRD)测试结果显示，与不加阻垢剂相比，循环水中加入阻垢剂后，方解石结构的CaCO₃的结晶性变差，结晶程度降低。
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  交联聚邻苯二胺对水溶液中Cu(Ⅱ)的电化学去除性能研究

  卡米来·买买提, 孟宇, 付家龙, 阿孜古丽·木尔赛力木

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 26-37. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.004

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  为了改善导电聚合物基电极材料在电化学还原去除水溶液中Cu(Ⅱ)的效果，采用交联改性法制备了交联聚邻苯二胺(交联PoPD)，并采用红外吸收光谱(FT-IR)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X-射线粉末衍射(XRD)、N₂吸脱附曲线(BET)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)等手段对其进行了表征。以交联PoPD涂覆的石墨电极为工作电极，利用电化学还原电沉积法去除水溶液中的Cu(Ⅱ)，筛选出电化学还原法的最适宜条件：电极电位为-0.4 V，Cu(Ⅱ)的初始质量浓度为15 mg/L，溶液的初始pH为4，电解时间为10 h，在此条件下Cu(Ⅱ)去除率可达83.28%，并且电沉积过程遵循准一级动力学模型，电极重复使用5次后脱附率保持在94.09%以上。电化学还原法去除Cu(Ⅱ)前后工作电极的SEM、SEM-mapping以及BET测试结果表明：Cu均匀沉积于电极表面，Cu(Ⅱ)的去除为吸附与电沉积的共同结果。以上结果表明交联PoPD在水体重金属离子的电化学法去除方面具有一定的应用潜能。
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  同分异构体蒽和菲的荧光特征比较

  孙雅静, 沈鉴, 程澄, 刘传旸, 宋逸明, 熊秋燃, 吴静, 唐建设

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 38-45. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.005

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  荧光寿命和荧光量子产率在揭示同分异构现象对有机分子荧光的影响机制方面具有重要作用，有望成为区分水体中结构相似的有机污染物的光谱参数。对同分异构体蒽和菲的三维荧光光谱、荧光寿命和荧光量子产率进行了研究，结果表明：在三维荧光光谱中，蒽强荧光峰的发射波长相对于菲发生了红移，蒽弱荧光峰的激发波长和发射波长相对于菲均发生了红移；在激发波长为254.5 nm、质量浓度为5 mg/L的条件下，蒽和菲的荧光寿命分别约为4.4 ns和14.9 ns；蒽和菲的最大吸收波长分别为355 nm和292 nm，在25 ℃、质量浓度为1 mg/L的条件下对应的荧光量子产率分别为(29.07±0.61)%和(4.94±0.12)%。密度泛函理论的计算结果表明：在发射态下，蒽和菲的前线分子轨道能级差ΔE分别为0.284 56 eV和0.325 77 eV，说明蒽的分子硬度比菲小，蒽较不稳定，其π电子更容易从基态被激发到激发态，因而荧光强度和荧光量子产率比菲大；同时蒽上离域的π电子完成π-π^*跃迁所需的时间更短，因此荧光寿命更短。
生物技术与环境工程
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  精油与天然产物复配对阴道炎念珠菌的体外抑制作用

  安瑞珩, 乔翰林, 陈颖, 王楚乔, 彭鑫, 康志伟, 梁浩, 周延

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 46-52. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.006

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  念珠菌性阴道炎(vulvovaginal candidiasis, VVC)是女性阴道感染中最常见的疾病之一，临床上一般采用作用于局部或全身的抗真菌药物，但这些药物常引起阴道微生态失调，治疗效果不佳。以精油和天然产物为原料，采用低能乳化法配制了复方微乳液，研究了复合配方对白色念珠菌和乳酸杆菌的抑菌作用。当精油和天然产物的复合配方含有柠檬香茅50 mg/mL、厚朴提取物0.3 mg/mL、白千层5 mg/mL、香桃木5 mg/mL和KHC20抑菌剂2 mg/mL时，白色念珠菌对10倍最小抑菌浓度(MIC)的复合配方表现为高度敏感，在24 h的抑菌试验中无菌落生长；对于乳酸杆菌，由于未达到其MIC，复合配方的抑菌效果不显著，乳酸杆菌可形成菌膜且生长良好。结果表明，该复合配方在体外环境下能有效抑制白色念珠菌生长并且保护有益菌群不受破坏，为维护阴道微生态平衡的药物开发提供理论基础。
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  基于磁性Fe₃O₄粒子的固定化过氧化氢酶的制备及催化性质研究

  胡艺凡, 李正军, 刘长霞

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 53-62. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.007

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  采用溶剂热法合成了磁性Fe₃O₄粒子，并对其进行Ni²⁺离子表面修饰，得到Fe₃O₄@Ni；通过Fe₃O₄@Ni上的Ni²⁺与过氧化氢酶(CAT)中2×6×His的咪唑基之间的金属螯合作用将CAT固定在Fe₃O₄@Ni上，成功制得固定化酶Fe₃O₄@Ni-CAT。通过对固定化条件进行优化，CAT的固定化量达到376.13 mg/g，酶活性达到4 946 U/g。与游离CAT相比，Fe₃O₄@Ni-CAT具有较高的热稳定性和储存稳定性。采用响应面法(RSM)的Box-Behnken设计(BBD)对Fe₃O₄@Ni-CAT的催化反应条件进行优化，得到最佳条件：反应温度为40 ℃，溶液pH为6.4，底物H₂O₂的浓度为14.5 mmol/L。在最佳条件下反应2 min，Fe₃O₄@Ni-CAT对底物H₂O₂的清除率可达84.32%。重复使用10批次后，Fe₃O₄@Ni-CAT对H₂O₂的清除率仍保持初始H₂O₂清除率的69.07%，表明该固定化酶具有良好的可重复利用性。
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  L-天门冬氨酸镁制备高热稳定性三水碳酸镁晶体

  崔万顺, 文伟翔, 高玉娟, 闫平科, 白阳

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 63-69. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.008

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  在二氧化碳转化为固体碳酸盐的存储过程中，碳酸镁盐所展现出的强大储碳能力使其备受关注。碳酸镁的种类繁多，其中水合碳酸镁是实现经济化固碳的可行性材料之一。受生物矿化的启发，采用L-天门冬氨酸镁盐为原料，在不同反应温度下合成了高热稳定性的三水碳酸镁晶体，并采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外吸收光谱(FT-IR)和热分析等手段对其进行表征分析。结果表明，随着反应温度的升高(30~82 ℃)，三水碳酸镁晶体由单棒状变为放射状圆饼，当反应温度升高至92 ℃时碳酸镁晶体分解成碱式碳酸镁；在L-天门冬氨酸根的调控作用下，三水碳酸镁向碱式碳酸镁的相变过程受到抑制；与常规方法合成的三水碳酸镁晶体相比，本实验合成的三水碳酸镁晶体的初始分解温度升高至85.51 ℃，分解释放CO₂的温度升高至440.23 ℃，其热稳定性显著提高。本研究通过仿生矿化方法提高了碳酸镁碳封存的稳定性和安全性，为间接CO₂矿化法制备碳酸镁盐提供理论依据。
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  双酶法制备L-天冬氨酸的循环生产工艺

  韩卫强, 解茹, 梁玉霞, 曹卫荣, 惠希武, 姚兵

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 70-77. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.009

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  目前，工业上采用化学法将马来酸转化为富马酸，然后用L-天冬氨酸裂解酶菌株全细胞催化富马酸和氨水生产L-天冬氨酸，并采用硫酸酸化方法使L-天冬氨酸结晶。两步催化反应步骤繁琐，并且全细胞催化富马酸为L-天冬氨酸的菌体消耗量大，硫酸结晶法会产生废品硫酸铵。为了克服以上不足，将两步反应合并，利用实验室构建的马来酸异构酶和L-天冬氨酸裂解酶共表达的大肠杆菌(Escherichia coli BL21(DE3) Bptm-Easp)细胞裂解液催化马来酸铵生产L-天冬氨酸；对酶催化反应条件进行了优化，得到最佳条件：采用pH8.0的200 g/L马来酸铵溶液作为底物，加入马来酸异构酶总活力为2 000 U/L的E.coli BL21(DE3) Bptm-Easp细胞裂解液，于40 ℃反应24 h，马来酸可转化完毕；反应液经活性炭脱色后，采用马来酸代替硫酸使L-天冬氨酸结晶，经洗涤、干燥后得到L-天冬氨酸晶体，结晶收率达到81.80%；采用碳酸氢铵和少量氨水中和结晶后的马来酸滤液，作为下一批次反应的底物溶液；在此基础上进行了4批次马来酸滤液转化反应，马来酸转化率均在99%以上，L-天冬氨酸结晶收率均在80%以上，L-天冬氨酸纯度达到98%以上。
机电工程和信息科学
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  非对称极齿磁性液体密封耐压能力研究

  赵云翔, 杨晟, 谭晶, 李德才

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 78-88. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.010

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  通过仿真模拟手段研究非对称极齿型结构磁性液体密封，分析计算了不同轴径、不同密封间隙结构的密封耐压，并针对不同应用场景对磁性液体密封装置两轴端的漏磁场的需求差异，探讨了非对称极齿型结构轴端漏磁场分布的影响因素及规律。结果表明：非对称极齿型结构密封耐压随磁源两侧极齿数量差的增大而减小，最小的密封耐压值也能达到对称极齿型结构密封耐压的70.1%；密封轴径和密封间隙对于非对称极齿型结构与对称极齿型结构密封耐压能力的影响相同；存在一临界值，当密封轴径小于该临界值时密封耐压随轴径增大而减小，当密封轴径超过该临界值时，密封耐压保持不变；非对称极齿型结构的漏磁场主要集中在极齿分布少的一侧的轴端处，另一轴端处漏磁场相比对称极齿型结构的轴端漏磁场要更小，因此可以利用此漏磁特征通过改变磁源两侧极齿数量差对不同轴端漏磁场进行调控。
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  内置转子太阳能集热管流动与传热特性的数值模拟研究

  黎昊为, 左夏华, 张岱凌, 温馨, 阎华, 杨卫民, 安瑛

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 89-96. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.011

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  通过数值模拟方法模拟了非均匀加热工况下内置两叶片转子和低流阻转子的太阳能集热管的流动与强化传热特性，得到了集热管内的温度分布、湍动能分布、努塞尔数以及阻力系数等参数，并通过综合性能评价因子(PEC)对内置转子集热管的综合强化传热性能进行了衡量。结果表明：内置转子后，管内流体的温度分布更加均匀，并且升温速率明显提升，若控制出口温度一致，则内置两叶片转子集热管的长度相较于光管可减少46.15%；内置两叶片转子和低流阻转子集热管内的努赛尔数和阻力系数相较于光管均有明显提升，其中内置两叶片转子集热管提升幅度较大，努赛尔数和阻力系数相较于光管分别提升94%~190%和308%~449%；通过PEC对两种集热管的综合强化传热性能进行衡量，两种集热管的PEC值均大于1，内置两叶片转子集热管具有最大值1.82。
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  一种自适应核SMOTE-SVM算法用于不平衡数据分类

  吴海燕, 陈晓磊, 范国轩

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 97-104. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.012

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  面向不平衡样本集，提出一种自适应核人工合成过采样-支持向量机(synthetic minority oversampling technique-support vector machine，SMOTE-SVM)分类算法。首先通过支持向量机将数据集投影到核空间，找出类边界样本—支持向量(SV)，然后基于核距离对少数类样本集的支持向量(SV+)计算其近邻，再根据近邻样本类别分布自适应地选择内插或外推两种方式合成新样本。由于核空间中映射函数无法具体得知，新样本无法用显式表示，因此将生成样本与原始样本一起形成增广Gram矩阵，最终利用SVM实现分类。该算法中样本生成、近邻计算以及SVM分类均统一在同一核空间中，提高了新样本的可信性；同时自适应插值方式改善了传统人工合成过采样技术(SMOTE)线性生成算法不适用于非线性分类的问题，提高了新样本的多样性。在多个数据集上的实验结果表明，所提算法可以改善不平衡数据的分类准确率，具有更好的稳健性。
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  响应面法优化L型宽幅挤出机头流场的研究

  郭超, 焦冬梅

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 105-111. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.013

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  在宽幅胶片的生产中，只有选择合理的机头结构参数、工艺参数才能实现高质、高效的生产，故基于数值模拟技术与响应面方法提出了机头流场的多目标优化分析方法。以机头出口截面挤出速度均值和标准差为目标函数来研究生产过程中各参数对机头三维非等温挤出流动稳定性的影响规律，基于Fluent模拟结果，通过单因素试验筛选出对目标函数影响显著的参数，再由Box-Behnken法设计试验，分析显著参数间的交互效应，建立目标函数与各参数之间的回归方程并验证。结果表明回归方程预测值与Fluent模拟值的偏差在允许范围内；获得了满足多目标优化的机头结构及工艺的最优设计点，对最优设计点进行Fluent模拟试验验证，结果表明在以出口截面挤出速度标准差为表征的挤出质量均匀性要求下，较工厂原有参数模拟得到的生产效率(以出口截面挤出速度均值表征)提高了13.2%，说明Fluent模拟结合响应面的方法可用于L型宽幅挤出机头流场的分析及优化，为工业生产提供指导建议。
管理与数理科学
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  超高维异方差数据下基于边际经验似然的分位数特征筛选

  刘漫雨, 黄彬, 刘佳乐

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 112-118. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.014

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  针对超高维异方差数据，基于边际经验似然提出一种分位数特征筛选方法，该方法不依赖于模型假定，且计算简单快捷，无须进行复杂的参数估计和迭代计算。同时，沿袭经验似然方法的优点，该方法对分布的假设较宽松。在一定的正则条件下，理论上证明了所提方法满足确定筛选性质。此外，为了筛选出对响应变量有影响的所有协变量，将上述方法进行推广，得到一种基于边际经验似然的分布函数特征筛选方法。最后，通过数值模拟和实例分析验证了所提出的两种方法具有良好的有限样本性质。
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  一类离散神经系统中的混沌存在性

  陈晓楠, 常玉, 陈娇, 杨睿丰

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2023, 50(2): 119-125. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2023.02.015

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  研究了离散FitzHugh-Nagumo神经系统的混沌现象。从理论上严格证明了在一定参数条件下系统存在Marotto意义下的混沌，并通过数值计算模拟出该混沌吸引子，以及周期14轨、周期16轨等其他复杂动态。此外，通过Lyapunov指数的计算对Marotto混沌吸引子的存在性加以验证。