2022年, 第49卷, 第6期　刊出日期：2022-11-20

  

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综述
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  生物炭对厌氧消化强化作用的研究进展

  沈如梦, 蔡凡凡, 宋超, 金琰, 张思, 陈畅, 刘广青

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 1-13. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.001

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  厌氧消化作为当前应用于有机废弃物减量化、无害化和资源化处理的重要技术，具有良好的经济、环境和社会效益，但其在实际应用中存在酸化、氨氮抑制、微生物增殖缓慢等问题，导致底物消化不彻底、系统运行不稳定以及产气效率低下。生物炭是一种低成本、可再生的碳质材料，具有比表面积高、导电性强、元素组成和表面官能团丰富等特性，可有效强化厌氧消化过程。然而，有关生物炭强化厌氧消化的作用机制，尤其是强化机制与生物炭理化特性间的联系尚缺乏系统梳理与深入剖析，限制了生物炭在实际工程中的应用。本文综述了生物炭对厌氧消化的作用效果、强化途径以及不同制备条件对生物炭理化性质的影响，以期为生物炭强化厌氧消化过程的机理研究提供理论指导，为未来推进生物炭强化厌氧消化技术的规模化及工程化应用提供借鉴。
化学与化学工程
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  芳香族二硫化物光吸收及光引发性能研究

  鞠小兵, 张玉含, 孙芳

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 14-22. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.002

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  以二苯二硫醚(PDS)、对甲苯二硫醚(MPDS)、2,2'-二氟二苯二硫醚(FPDS)、5,5'-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)、2,2'-二硫二吡啶(PDDS)和双(2-噻吩基)二硫醚(TPDS)这6种芳香族二硫化物为对象，研究了它们的光吸收和光引发性能，分析了供电子基团、吸电子基团、富电子五元芳杂环和缺电子六元芳杂环对硫自由基光引发活性的影响。结果表明：这6种芳香族二硫化物的最大吸收波长均小于300nm，供电基团甲基及芳香杂环的引入使芳香族二硫化合物的最大吸收波长红移，吸电子基团氟原子和硝基等使最大吸收波长蓝移；在385nm的发光二极管(LED)照射下PDS、MPDS、DTNB和PDDS均能发生二硫键的断裂而产生芳基硫自由基，而TPDS不能生成稳定的芳基硫自由基；在385nm的LED照射下PDS、MPDS、FPDS、DTNB和PDDS均能引发三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)聚合，在405nm的LED照射下也可以引发TPGDA聚合；TPDS不能引发TPGDA和TMPTA聚合。
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  微生物燃料电池阳极碳材料对垃圾渗滤液COD检测性能的影响

  邱松, 王陆洋, 喻长远

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 23-31. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.003

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  分别以碳毡(CF)、碳刷(CB)和碳布(CC)作为阳极材料构建了3组双室型微生物燃料电池(MFC)传感器：MFC-CF、MFC-CB和MFC-CC，考察了这3种阳极材料对MFC传感器电化学性能的影响，结果表明：MFC-CF的电化学性能最好，其最大输出电压为600.44mV，分别是MFC-CB和MFC-CC的1.29倍和1.55倍；MFC-CF的最大输出功率密度为265.95mW/m²，显著高于MFC-CB(167.54mW/m²)和MFC-CC(123.13mW/m²)。分别以最大输出电压和累计电荷量为检测信号考察了3组MFC传感器对垃圾渗滤液COD的检测性能，结果显示：3组MFC传感器的有效检测范围均为10~500mg/L；MFC-CF的检测灵敏度为1.038mV·L/mg和0.015C·L/mg，显著高于MFC-CB和MFC-CC；3组MFC传感器对垃圾渗滤液COD检测时均表现出良好的准确性，最大相对误差分别为11.20%(以最大输出电压为检测信号)和15.75%(以累计电荷量为检测信号)。
材料科学与工程
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  离聚物AClyn对扩链改性PET流变和结晶性能的影响

  聂鑫, 郑家欣, 信春玲, 何亚东

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 32-39. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.004

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  采用高分子钠盐类离聚物AClyn作为成核剂对均苯四甲酸二酐(PMDA)扩链增黏的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)进行改性；研究了AClyn对PET/PMDA扩链体系熔体的黏弹性、分子链支化程度及结晶行为的影响；采用偏光显微镜(POM)观察改性PET的晶体形态，并采用X射线衍射仪(XRD)分析了改性PET的晶体构型，计算出各典型晶面的晶粒尺寸。结果表明：与未添加AClyn的PET/PMDA体系相比，添加0.2%~1.0%(质量分数)AClyn可以加快PET/PMDA体系的扩链反应速率，增大PET熔体的黏弹性，提高PET的分子链支化程度；AClyn对PET具有一定的降黏增塑作用，并且AClyn含量越高，增塑作用越大；AClyn添加量从0增大到1.0%时，改性PET的结晶温度和结晶度在总体上呈现出先减小后增大的变化趋势；AClyn作为异相成核剂可以促进PET结晶，加快结晶速率；相较于未添加AClyn的PET/PMDA体系，添加0.5%AClyn可以显著细化PET晶粒，减小晶粒尺寸。
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  共聚磷酸酯与聚碳酸酯复配对聚对苯二甲酸乙二醇酯阻燃性能和发泡性能的影响

  郑家欣, 郭沛, 徐然, 何亚东, 信春玲

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 40-48. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.005

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  采用共聚磷酸酯(EFR8601)和聚碳酸酯(PC)作为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的复配阻燃剂，制备了PET/EFR8601/PC复合材料，通过极限氧指数(LOI)和垂直燃烧试验、热失重分析(TGA)、流变性能测试、扫描电子显微镜(SEM)、发泡倍率测定、差示扫描量热法(DSC)研究了EFR8601与PC复配对PET阻燃性能和发泡性能的影响。结果表明，EFR8601与PC复配对PET具有协同阻燃作用，与纯PET和加入10%(质量分数)EFR8601的PET相比，同时添加10%EFR8601和5%~15%(质量分数)PC后PET的垂直燃烧时间大幅缩短至10s以内，LOI增加到27%以上，垂直燃烧等级达到V-2级；随着PC含量的增加，PET的LOI逐渐提高，垂直燃烧时间缩短。EFR8601与PC复配对PET的发泡性能有一定影响，与纯PET和加入10%EFR8601的PET相比，同时加入10%EFR8601和15%PC后PET在230℃时的发泡倍率显著减小，但仍可达到20以上；随着PC含量增加，PET的可发泡温区变窄，但最佳发泡温度(230℃)没有变化；与加入10%EFR8601的PET相比，同时添加10%EFR8601和5%~15%PC后PET的泡孔密度增大，泡孔直径减小。
生物技术与环境工程
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  光依赖型微生物的筛选及MFC产电性能研究

  国震宇, 刘庠诗, 黄天灏, 王宇, 周星燃, 曹纳真, 公腾, 喻长远

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 49-55. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.006

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  从天然环境中筛选出一株具有光依赖性生长的菌株，经鉴定为门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)(编号LR134290)。使用双室微生物燃料电池(MFC)装置测定了该菌株的产电性能，结果显示：菌株LR134290在MFC阳极室中具有一定的独立产电能力；以菌株LR134290作为生物阴极、大肠杆菌(Escherichia coli)作为阳极时，MFC的输出电压峰值U_max为25.83mV，最大电功率密度P_max为0.622μW/cm²，与阴极室不加入菌株的对照组相比，U_max和P_max分别提高了88.9%和26.4%，阳极电极液中化学需氧量(COD)降低了50.6%。结果表明，门多萨假单胞菌株LR134290作为生物阴极在MFC中具有一定的应用潜力。
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  绿玉树羽扇豆醇合酶基因分离及异源表达

  乔玮博, 姜小梅, 章焰生

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 56-63. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.007

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  羽扇豆醇是一种重要的五环三萜化合物，具有抗肿瘤、抗感染、抑菌等多种药理活性。从非洲药用植物绿玉树(Euphorbia tirucalli L.)中分离出羽扇豆醇合酶基因EtOSC7，测序结果表明该基因全长2301bp，编码766个氨基酸，与蓖麻(Ricinus communis)和木览(Bruguiera gymnorhiza)的羽扇豆醇合酶氨基酸序列的相似度分别为78%和76%。利用羊毛甾醇缺陷型酵母GIL77菌株对EtOSC7蛋白进行了功能验证，结果表明该蛋白能够催化羽扇豆醇的合成。以EtOSC7基因为基础，在大肠杆菌和酿酒酵母两种模式菌株中进行了羽扇豆醇生物合成的尝试，结果表明，在重组大肠杆菌中未检测到羽扇豆醇的生成，而在重组酿酒酵母中测得羽扇豆醇的产量为0.55mg/L。研究结果可以为构建三萜化合物微生物细胞工厂提供新的基因元件，并为羽扇豆醇的生物合成提供理论支持。
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  柴胡地上部分总黄酮的大孔吸附树脂分离纯化工艺及抑菌活性研究

  郝彩琴, 冷晓红, 李军, 徐超, 陈海燕

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 64-72. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.008

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  采用静态吸附-洗脱试验，考察了12种大孔吸附树脂对柴胡地上部分总黄酮的吸附和洗脱效果，从中筛选出最佳的树脂为NKA-II型大孔吸附树脂。利用动态吸附-洗脱试验，对NKA-II型吸附树脂分离纯化柴胡地上部分总黄酮的工艺条件进行了优化，得到最优的工艺参数为：树脂径高比为2∶7，上样质量浓度为0.08g/mL(每毫升药液相当于生药0.08g)，上样流速为3.0BV/h，上样量为16BV，洗脱剂为70%乙醇，洗脱流速为2.5BV/h，洗脱剂用量为10BV。工艺放大验证结果表明，在最佳的分离纯化工艺条件下，吸附量、解吸率及干浸膏中总黄酮含量分别为80.46mg/g、95.72%和65.71%，分离纯化的效果较好。测试了柴胡地上部分总黄酮经纯化后的抑菌活性，结果显示：总黄酮对2种细菌——表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium)的抑菌活性较强，最低抑菌浓度(MIC)均为6.15mg/mL；对2种真菌——球形马拉色菌(Malassezia globosa)和糠秕马拉色菌(Malassezia furfur)的抑菌活性较强，MIC分别为12.30mg/mL和24.60mg/mL。
机电工程和信息科学
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  基于改进鸡群算法和相关向量机的燃气轮机气路故障诊断技术研究

  张平, 罗易洲, 王子聪, 李亚民

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 73-82. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.009

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  在管道输送过程中，燃气轮机的健康状态与管道的安全平稳运行密切相关。为提高燃驱压缩机组燃气轮机气路故障诊断的准确率，以双轴燃气轮机为对象，通过建模获得不同气路故障类型的数据集，引入相关向量机(RVM)模型对典型气路故障进行分类诊断，并采用改进鸡群算法(ECSO)对RVM模型的超参数进行寻优。结果表明，ECSO-RVM模型的分类精度为95.55%，明显优于支持向量机(SVM)、径向基核函数(RBF)神经网络、反向传播(BP)神经网络、改进蜂群算法-自适应模糊推理系统(IABC-ANFIS)和深度置信网络(DBN)等模型；在添加不同程度高斯白噪声的条件下，ECSO-RVM模型的分类精度始终保持在80%以上，说明该模型的分类精度、抗噪声能力和泛化能力较好，可用于燃气轮机气路故障的快速识别和诊断。
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  基于低秩-稀疏分解的滚动轴承故障特征提取

  刘伟, 刘洋, 单雪垠, 李双喜, 姚思雨

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 83-91. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.010

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  针对旋转机械早期故障特征微弱且易受背景噪声影响而难以提取的问题，提出一种基于低秩-稀疏分解的轴承信号瞬态特征提取方法。研究了周期性瞬态信号的稀疏时频表示，建立了低秩-稀疏模型并从背景噪声中提取瞬态冲击信号。首先，通过高阶同步压缩变换(high-order synchrosqueezing transform，FSSTH)将测量信号变换到一个新的稀疏子空间；然后，使用鲁棒主成分分析算法(robust principal component analysis，RPCA)将稀疏时频矩阵分解为低秩部分和稀疏部分；最后，对低秩矩阵施加逆高阶同步压缩变换恢复得到瞬态冲击信号，并通过包络谱分析实现故障诊断。该方法由数据驱动实现，不需要任何先验信息。仿真信号和实际信号分析结果表明，所提方法可有效增强振动信号中故障引起的周期性瞬态冲击特征，能够实现强噪声背景下滚动轴承微弱故障特征提取。
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  基于机器视觉的宏观超分子组装实验平台

  黄丰盛, 谢于锰, 梁焜明, 董力群, 卢延博, 张亚军

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 92-100. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.011

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  利用可编程控制器(PLC)技术与机器视觉技术，设计用于宏观超分子组装的自动化实验平台，平台主要由控制、图像采集和执行3部分组成。控制部分硬件包括工业计算机、西门子PLC；图像采集部分硬件包括工业相机和相机镜头；执行部分硬件包括三轴直线机械臂、振荡平台和液体抽注系统。为了解决平台的定位问题，提出双标识物视觉定位算法，实现了实验平台的精准定位。同时提出基于多代局部最优解的混合蚁群遗传路径规划算法，优化实验平台机械臂的运动路径，提高其工作效率。利用所设计平台进行宏观超分子组装实验，实验结果表明，该实验平台能够批量进行宏观超分子的组装、解组装和清洗等实验步骤，不需要实验人员干涉，节约了实验时间，对宏观超分子组装的工业化生产具有一定的指导意义。
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  GA-LVW算法在化工过程故障诊断中的应用

  耿志强, 李俊, 曹原, 韩永明

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 101-109. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.012

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  针对田纳西-伊斯曼(Tennessee Eastman，TE)化工过程中故障特征难区分、诊断方法易陷入局部最优等问题，提出一种基于遗传算法(genetic algorithm，GA)改进的拉斯维加斯包裹式(Las Vegas wrapper，LVW)特征选择方法GA-LVW。利用GA算法改进LVW算法搜索盲目性的缺点，使得特征组合能够快速有效地收敛到近似最优，进而集成机器学习的分类器对TE过程进行过程监控，发现异常状态，从而实现故障诊断。通过TE化工过程的故障诊断实验验证，将GA-LVW算法与未改进的LVW算法及未进行特征选择的分类算法进行对比，结果表明所提GA-LVW方法提高了LVW特征选择的稳定性和寻求近似最优解的迭代速度，从而提升了分类器故障诊断发现异常状态的准确率。
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  基于改进量子遗传优化支持向量机的配电网故障分类

  罗程浩, 赵启承, 魏云冰, 李思成

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 110-118. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.013

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  针对传统方法在解决现代配电网故障分类时存在的求解速度慢、分类精度差的问题，提出一种结合量子遗传算法的支持向量机配电网故障分类方法。首先采集故障信号并进行S变换处理，将处理结果的均方根与均值作为特征量，以提高特征量辨识度；其次在量子遗传算法的种群更新策略中引入自适应动态旋转角，避免算法在早期陷入局部收敛，增加算法的调参精度。以IEEE33节点配电网模型为研究对象的实验结果表明，所提的特征量提取方法有效提高了支持向量机的故障分类精度，改进后的量子遗传算法通过为支持向量机寻到更优参数从而进一步提高了故障的判别精度和分类速度，验证了方法的有效性与准确性。
管理与数理科学
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  具有判断学习能力的在线租赁问题与风险容忍水平

  刘斌, 王璇, 唐方成

  北京化工大学学报（自然科学版）. 2022, 49(6): 119-123. https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2022.06.014

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  研究了具有学习判断能力的在线租赁问题。在不确定性租赁设备过程中，决策者不能准确描述设备租赁需求时间信息的概率分布函数，只能在一定能力水平范围内预测判断设备的租赁需求时间是否达到临界值。判断正确则决策者获得一个改善性能的风险型竞争比，失败则得到一个比确定性竞争比性能差的竞争比，这种判断能力是随着时间和经验的累积而线性递增的。分析结果显示：对于具有学习判断能力的在线租赁决策者，存在一个最优的风险容忍水平，在该容忍水平下判断租赁需求临界值获得的预期竞争比最小。决策者可以有效利用其在实践过程中的经验对租赁需求时间进行判断以改进在线租赁策略的性能，而不是根据事先给定的风险容忍水平设计风险在线租赁策略。