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技 术 信 息 资 源 速 递(第六十八期)
阅读次数:1064   添加时间:2016-1-18

技  术  信  息  资  源  速  递

第一期(总第68期)

(2016年1月)

行业动态:

IOP数据库开通使用

我校图书馆开通IPI数据库:

访问链接:  http://iopscience.iop.org/

访问方式:IP控制

在线视频演示:http://iopscience.iop.org/onlinetour

资源介绍:

英国物理学会是国际性的学术协会和专业机构,其使命是促进物理学的发展和其在全世界的传播。英国物理学会出版社是全球领先的专注于物理学及相关学科的科技出版社,是英国物理学会的重要组成部分。

IOP出版如下世界知名的学协会的期刊:英国物理学会,中国物理学会、欧洲物理学会、德国物理学会、法国物理学会、俄罗斯科学院、欧洲光学学会、国际计量局、伦敦数学学会、国际原子能机构、瑞典皇家科学院、放射保护学会、医学物理和工程学会、中科院等离子所和中国力学学会、日本国家材料研究所、日本流体力学会、意大利里雅斯特国际高级研究生院、中国天文学会、南京石油物探研究所、国际呼吸研究协会和国际呼吸气味研究学会等。

现在IOP为南京工业大学开放IOP出版的59种电子期刊,其中59种全部被SCI收录,54种有影响因子。出版学科包括:应用物理,计算机科学,凝聚态和材料科学,物理总论,高能和核能物理,数学和应用数学、数学物理,测量科学和传感器,医学和生物学,光学、原子和分子物理,物理教育学,等离子物理等。

具体刊名如下:

No

Titles

刊名

1

Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology

自然科学进展:纳米科学和纳米技术

2

Biofabrication

生物制造

3

Bioinspiration & Biomimetics

生物灵感和仿生学

4

Biomedical Materials

生物医学材料

5

Chinese Physics B

中国物理B

6

Chinese Physics Letters

中国物理学快报

7

Classical and Quantum Gravity

经典引力和量子引力

8

Communications in Theoretical Physics

理论物理通讯

9

Computational Science & Discovery

计算科学与发现

10

Environmental Research Letters

环境研究快报

11

European Journal of Physics

欧洲物理学报

12

EPL

欧洲物理快报

13

Fluid Dynamics Research

流体动力学研究

14

Inverse Problems

逆问题

15

IOP Conference Series: Earth and Environmental Science

IOP会议录:地球与环境科学

16

IOP Conference Series: Materials Science and Engineering

IOP会议录:材料科学与工程

17

Izvestiya: Mathematics

数学通报

18

Journal of Breath Research

呼吸研究学报

19

Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

宇宙论与天体粒子物理学学报

20

Journal of Geophysics and Engineering

地球物理与工程学报

21

Journal of Instrumentation

仪表学报

22

Journal of Micromechanics and Microengineering

微型机械与微型工程学报

23

Journal of Neural Engineering

神经工程学报

24

Journal of Optics

光学学报

25

Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical

物理学报A:数理与理论物理

26

Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics

物理学报B:原子,分子和光物理

27

Journal of Physics D: Applied Physics

物理学报D:应用物理

28

Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics

物理学报G:核与粒子物理

29

Journal of Physics: Condensed Matter

物理学报:凝聚态物质

30

Journal of Physics: Conference Series

物理学学报:会议录

31

Journal of Radiological Protection

放射防护学报

32

Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment

统计力学学报:理论和实验

33

Measurement Science and Technology

测量科学与技术

34

Metrologia

计量学

35

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering

材料科学与工程的建模与模拟

36

Nanotechnology

纳米技术

37

New Journal of Physics

新物理学期刊

38

Nonlinearity

非线性

39

Nuclear Fusion

核聚变

40

Physica Scripta

物理学手稿

41

Physical Biology

物理生物学

42

Physics Education

物理教育

43

Physics in Medicine & Biology

医学和生物学中的物理学

44

Physics–Uspekhi

物理科学进展

45

Physiological Measurement

生理测定

46

Plasma Physics and Controlled Fusion

等离子体物理学与受控聚变

47

Plasma Science and Technology

等离子体科学和技术

48

Plasma Sources Science and Technology

等离子体源科学与技术

49

Quantum Electronics

量子电子学

50

Reports on Progress in Physics

物理学进展报告

51

Research in Astronomy and Astrophysics

天文和天体物理学研究

52

Russian Chemical Reviews

俄罗斯化学评论

53

Russian Mathematical Surveys

俄罗斯数学述评

54

Sbornik: Mathematics

数学汇编

55

Science and Technology of Advanced Materials

先进材料科学与技术

56

Science Foundation in China

中国科学基金(英文版)

57

Semiconductor Science and Technology

半导体科学与技术

58

Smart Materials and Structures

智能材料与结构

59

Superconductor Science and Technology

超导体科学和技术

                                                   (南工大图书馆)

 

“呼吸电池”为远程电动汽车带来希望

锂-空气电池也被称为呼吸电池,近20年来,锂-空气电池在全球被广泛研究,但在实际应用时却存在多个重大缺陷。英国剑桥大学的化学家研制出一种更持久的设计方案,解决了几个主要的锂-氧技术问题,把这项技术朝实用化方向推进了一大步。

研究人员用多层次的大孔石墨烯作为正极材料,利用水和碘化锂作为电解液添加剂,最终产生和分解的是氢氧化锂,而不是此前电池中的过氧化锂。氢氧化锂比过氧化锂稳定,大大降低了电池中的副反应,提高了电池性能;其中碘化锂除了帮助分解氢氧化锂外,似乎还起到了保护锂金属负极的作用,使电池对于过量的水有一定的免疫性。该电池模型蓄电能力约为3000Wh/kg,约是现有锂离子电池的8倍,可循环充放电上千次,首次循环充放电效率高达93%。(科技导报,2015年第22期)

 

我国研制出高选择荧光探针

中科院大连化物所杨凌团队与大连理工大学崔京南团队合作,在药物代谢领域研制出人源性细胞色素P450 1A酶的高选择荧光探针。研究成果发表在JACS上。

细胞色素P450 1A是人体重要的药物I相代谢酶,参与多种临床药物、环境污染物及致癌物(如黄曲霉素)等的代谢。此次研究基于CYP1A酶的3D结构信息,采用可提高CYP1A专属性的结构修饰策略获得了兼具高灵敏度和抗生物基质干扰探针的高选择性CYP1A探针,并首次实现了CYP1A酶活性的比率型荧光检测及活组织层面的双光子荧光成像分析。该探针不仅适用于单酶、细胞及组织中CYP1A酶活的实时定量检测,还可用于新药研发早期筛选、组织成像及体外诊断等生物医药相关领域。(科技导报,2015年第22期)

 

决定晶体材料结构与性能的“基因”编码

最近,吉林大学于吉红教授领导的研究团队从生物学概念中获得启发,提出了基于生物基因组思想高通量预测与筛选晶体材料的新方法。这种新方法可以快速将复杂的三维晶体结构表达为一维的计算机编码,而这些计算机编码相当于晶体材料的“基因”,决定了晶体材料的结构与性能。研究人员以在工业上具有广泛催化与分离应用的ABC-6类型分子筛为研究对象,通过这种新的计算机编码技术枚举出近90000种未知的ABC-6类型分子筛结构,进一步通过对应的高通量解码技术提取其中关键的结构信息。在此基础上,筛选出1000余种最有可能被合成的理论结构,并利用水热合成法成功实现了其中两种新型分子筛的合成。通过量子化学计算,研究人员可以从预测结构中筛选出具有优异吸附与催化性能的新型分子筛材料。

这种新颖的晶体结构编码方式不仅可以用来预测和筛选分子筛材料,还可以用于其他任何由简单结构基元组成的复杂的晶体结构 。这项研究成果为计算机辅助新材料的研发提供了一种全新的研究思路,使得根据功能需求高通量筛选特定的目标结构成为可能。(科学通报,2015年第32期)

 

中国中车株机公司新一代大容量石墨烯超级电容问世

由该公司自主研制的两种新一代高比能石墨烯超级电容近日在浙江宁波问世,其核心参数“比能量密度”高达11W·h/kg,比目前美、韩等国创造的5 W·h/kg的水平提高了1倍。中国工程院院士杨裕生、刘友梅等9位专家鉴定后认为,上述产品性能指标居国际领先,代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

这两种产品分别是“3V/12000F 石墨烯/活性炭复合电极超级电容器”和“2.8V/30000F 石墨烯纳米混合型超级电容器”。前者在30s内即可充满电,单次充电行驶里程可达6km,适用于驱动在停靠站时充电的储能式城市有轨列车;后者可在1 min内充满电,单次充电行驶里程可从目前的4~6 km提高到8~10 km,适用于驱动城市无轨电动公交车,可满足只在线路起始站点充电的要求。

据悉,此前该公司研制的9500F、7500F等多款超级电容现已大量运用于广州、宁波等城市的有轨和无轨电车,受到广泛好评,并在技术上跻身世界一流行列。此次新品的研制成功,标志着其技术研发水平持续走在世界前列。(化工新型材料,2015年第11期)

 

锂电之父开发钠离子电池

    被称为锂电之父的美国德克萨斯大学奥斯汀分校教授John Goodenough的研究室,近日宣布已开发出使用寿命长、安全性能高的钠离子电池正极材料NaFe(SO42。该材料被作Eldfellite,是一种天然的矿物资源,它具有耐用度高、廉价易得的特点。但是其理论容量密度为99 mA·h/g,仅为同类锂离子电池正极材料的2/3,0.1C下反复充放电80次后容量密度为78 mA·h/g,库仑效率接近100%。研究室负责人相信钠离子材料具有乐观的应用前景。(无机盐工业,2015年第12期)

 

瓦克在华新建乳液用中试反应器

瓦克化学股份有限公司(简称“瓦克”)正在南京生产基地兴建一套新的供醋酸乙烯酯-乙烯(VAE)共聚乳液使用的中试反应器。此举将有助于加强公司在大中华区的本土研发能力。

瓦克不断扩大在当地的产品开发、应用支持和客户服务能力,以便更好地满足中国和亚洲市场对高品质VAE粘结剂日益增长的需求。瓦克为中试反应器共投资约240万欧元,设备可在明年下半年建成。瓦克以此继续巩固其作为全球最大VAE乳液生产商之一的市场地位。

瓦克总裁兼首席执行官鲁道夫·施陶迪格先生表示,“在南京新建中试装置是我们为继续满足客户对高品质聚合物产品日益强劲的需求而采取的一项重要战略举措”,而瓦克坚持在全球范围内对设备技术的不断投资,正是为了进一步加强和完善各地的技术应用和客户服务实力。

“拥有这套中试反应器后,我们能够同客户携手设计一流的本土产品和解决方案,并根据当地的特殊需要予以调整,”施陶迪格先生表示,“这套新设备能够进一步巩固瓦克在众多关键性产业中作为技术合作伙伴的地位,它再次表明我们长期服务于中国的努力和意愿。”

  这套中试反应器可用于试验建筑、涂料及胶粘剂等工业领域用VAE乳液产品。瓦克南京生产基地与瓦克在上海的技术中心紧密合作,根据当地气候条件、施工技术和原材料对新产品进行测试。瓦克以此举来满足中国和亚洲市场对高品质VAE粘结剂日益强劲的需求。瓦克VINNAPAS(威耐实)品牌的乳液常用于低气味、低排放型内墙涂料配方,也可用于抹灰、胶粘剂、地毯和工程织物等领域。

  瓦克早在20多年前便已在大中华地区设立分公司,并在过去几年中大规模加强在该地区的业务活动。瓦克除了在中国各重要经济区域设有8个销售代表处外,还拥有两个技术中心和3个生产基地。瓦克在江苏省张家港和南京市生产有机硅及聚合物产品,并在那里拥有中国同类生产设备中规模最大的生产线。瓦克2014年在大中华地区(含台湾)的销售额突破12亿欧元。

    瓦克是一家全球性化学公司,共有员工约16700人,2014年销售额约48.3亿欧元。目前在世界各地拥有25个生产基地,21个技术中心和48家销售办事处。主要业务包括瓦克有机硅、瓦克聚合物、瓦克生物科技、瓦克多晶硅、世创电子材料。(上海化工,2015年第12期)

 

艾得丹尼森推出全新生物基PE薄膜标签

  随着两款生物基聚乙烯(PE)薄膜标签产品的隆重推出,艾利丹尼森对可持续发展的重视,将在 2015亚洲国际标签展上再度成为关注焦点。这些新产品是首批面材中可再生材料含量超过 80%的压敏胶PE薄膜标签,品牌所有者在实现可再生资源包装目标的同时,也能继续安享常规PE标签所具备的功能和性能。

  艾利丹尼森材料部北亚区产品管理高级总监 Jant Hart 表示:“经济发展、自然资源匮乏以及对商品和服务需求的不断增长,都将在未来几年内造成有限的非再生资源出现供应不确定性。随着艾利丹尼森的环保标签材料的种类不断增加,包括此次新推出的生物基 PE 薄膜标签,我们不仅支持标签加工商满足品牌所有者在包装领域利用可再生资源的需求,还能帮助他们提供与众不同的产品,在快速发展的细分市场推动销售增长。”

   生物基 PE 压敏标签薄膜有白色和透明两种版本。生物基 PE 薄膜所使用的树脂由 Bonsucro 认证的甘蔗制成,符合严格的社会和环境监测标准。两种新产品的性能和可回收性与标准 PE85 树脂相当。  

  采取恰当的防范措施和准备工作,这些薄膜可直接用作替代方案,即标签加工商无需购买新机器,即可用生物基 PE 标签薄膜替代传统 PE标签。

   通过采用生物基树脂含量超过80%的PE标签薄膜,品牌所有者可降低对石化包装材料的依赖。推出生物基薄膜正是响应他们对生物包装材料的兴趣。

   整个价值链内各成员之间的紧密合作促成了生物基 PE 标签薄膜的问市。艾利丹尼森与全球树脂生产商 Braskem 和比利时标签加工商 Desmedt Labels 合作生产样品,并在生态环保清洁产品制造商 Ecover 的比利时基地对生物基 PE 标签进行了测试。

   此款新产品是艾利丹尼森为实现 2025 年可持续发展目标,进行的多项投入的其中一大成果,它证明了环境改善可与商业成功共存。(上海化工,2015年第12期)

 

美国公司开发一种由废气提取能源的系统

许多化学加工工业生产过程中会产生不纯的、并具有较低能量密度的气体副产品。美国加利福尼亚州的Ener-Core动力公司日前推出一项技术,可以从原本会被燃烧或排放而浪费掉的气体中提取出有价值的能量和热量。

仅在美国,每年即有65000 MW可利用的“免费能源”,以低质量甲烷的形式存在,主要来自垃圾填埋场、石油和天然气设施、乙醇生产厂、化工生产装置、煤矿及其他设施。Ener-Core公司的技术可帮助许多公司获取这些能源并减少污染物排放。

该技术通过精细控制,使热氧化反应即使采用稀释气体或不纯气体,也依然保持稳定。通常,具有燃烧特性的化学链式反应无法用这样的低质量的气体维持。通过减慢反应速率并降低反应温度,Ener-Core系统可以快速氧化甲烷而不产生CO、NOx和颗粒物等污染物。

在Ener-Core系统中,原料废气首先用空气稀释并压缩到0.6-0.7 MPa。然后,被压缩的气体在温度900-1000℃下被送入一台填充床反应器。包括挥发性有机化合物在内的所有物种在反应器中被氧化,反应产生的热量被用于驱动汽轮机以产生电力。

该公司已经在荷兰的一个垃圾填埋场建立了第一座250 kW的电站,并正在申请在不久的将来安装多个系统,包括位于美国加州某乙醇生产厂的一个更大的2×1.75 MW的系统。(化工环保,2015年第6期

 

日本横滨橡胶公司开发出由植物源直接合成丁二烯的催化剂

日本横滨橡胶公司与东京工业大学共同开发出由生物质源纤维素直接合成丁二烯的催化剂。横滨橡胶公司致力于碳中性产品的开发,东京工业大学一直进行各种生物活性的研究开发。从2012年开始两公司共同开发由生物质制备合成橡胶。这次,通过进行酸碱反应由糖(纤维素)直接合成丁二烯的催化剂的研究开发,成功地开发出使用固体催化剂高效合成丁二烯的技术。公司今后还要对催化剂进行量产化的开发设计,目标是到2025年之前投入实际工业化生产,以降低对石油的依赖。

生物丁二烯作为该公司轮胎产品使用的丁二烯橡胶等原料使用。对丁二烯为原料生产的丁二烯橡胶的使用量仅次于丁苯橡胶的使用量。横滨橡胶公司还在研究开发使用其他植物源作为原料生产丁二烯的方法。并且,由橘子皮萃取出的油作为添加剂提高轮胎的性能,已经应用在实际产品生产中。(石油化工,2015年第12期)

    

 

 

动态题录:

发现多能干细胞可用于治疗阿尔茨海默病(科技导报,2015年第22期)

石墨烯化学气相沉积生长研究获进展(化工新型材料,2015年第11期)

太阳能电池用纳米材料研究获重要进展(化工新型材料,2015年第11期)

SACIC新型LEXAN薄膜可满足消费者对防碎触摸屏的需求(上海化工,2015年第12期)

采用溶剂提取工艺将难处理炼油污泥变废为宝(化工环保,2015年第6期

赢创推出光固化有机硅新产品(现代化工,2015年第12期

陶氏化学与华体集团打造绿色体育新梦想(现代化工,2015年第12期

巴西研发出新型生物降解塑料(工程塑料应用,2015年第12期

北美PE装置利用率仍将维持全球最高水平(工程塑料应用,2015年第12期

全球生物能源公司开发出由木糖生产生物异丁烯的方法(石油化工,2015年第12期)

聚乙烯管和聚丙烯管的寿命将超过100年(石油化工,2015年第12期)

日本东邦公司开发出强度及弹性兼备的碳纤维(石油化工,2015年第12期)

Haydale复合材料解决方案公司开发石墨烯复合材料用作飞机雷击保护器(石油化工,2015年第12期)

 

 

 

专利文摘:

一种连续气固相法制备氯化聚氯乙烯的设备及方法

该设备由3个气固流化床和相应氯气循环泵组成,其中前2个流化床设有紫外灯,第三个流化床不设紫外灯;该方法使聚氯乙烯(PVC)原料依次通过这3个流化床反应器,颗粒在每个流化床反应器中停留一段时间,每个流化床反应器使用不同氯气浓度的混合气流化并控制在不同温度,最终获得氯含量达标的氯化聚氯乙烯(CPVC)产品。该发明采用连续进料氯化的流化床反应器形式,相同产能下反应器体积较目前间歇进料的气固相反应器缩小1倍以上,且反应过程温度控制良好,氯气转化率高,全过程工艺简单,无废水排放,产品质量稳定。(聚氯乙烯,2015年第11期)

 

一种新型碳酸钙铝净水剂制备方法及除磷工艺

    本发明的具体步骤:将乙酸钙水溶液加入到乙二醇中配成溶液A;将Na2CO3水溶液加入到乙二醇中配成溶液B;将一定量氯化铝加入到溶液A,搅拌溶解,在75℃条件下迅速将溶液A与溶液B混合反应;1 h 后得到产物,用无水乙醇反复润洗,取出在46-60℃下干燥;净水剂在废水处理中作用时间为2 h;静置一段时间,使碳酸钙铝净水材料颗粒沉淀下来,从而达到深度除磷的目地。本发明设计制备材料为碳酸钙铝,其对废水中磷污染去除效率达到近90%并且不受废水pH影响。工艺时间短、能耗低、操作简单易控且制备过程对环境无污染,为含磷工业水处理提供了一条新途径与方法,具有潜在的良好社会经流畅效益。(无机盐工业,2015年第12期)

 

一种菌丝-纳米颗粒复合球材料的制备方法

该专利涉及一种菌丝-纳米颗粒复合球材料的制备方法。具体步骤如下:配制培养基;在灭菌后的液体培养基中加入4~20 mL每毫升溶液中含纳米颗粒1-10 mg的纳米颗粒水溶液,混匀,接入菌种,在温度15-35℃、80-200 r/min的振荡条件下培养48-96 h,形成菌丝-纳米颗粒复合球材料,过滤除去液体,固体物即为菌丝-纳米颗粒复合球。用氢氧化钠水溶液浸泡12 h后,用去离子水冲洗至中性,再经冷冻干燥,即制得菌丝-纳米颗粒复合球材料。该专利制得的复合球材料适用于工业催化、废水处理、生物医药等领域,具有成本低、活性高、易回收等特点。(化工环保,2015年第6期

 

一种电催化还原氧化反应器及利用其预处理氯苯废水的方法

     该专利涉及一种电催化还原氧化反应器及利用其预处理氯苯废水的方法。将氯苯废水通入电催化还原氧化反应器的阴极室,开始电化学处理,废水在阴极室中发生还原反应,阴极室处理后的废水经由还原出水收集系统进入阳极室,废水在阳极室中发生氧化反应。阳极板和阴极板的电流密度为5-25mA/cm2,废水在阴极室和阳极室的停留时间为2-5h;阴极室与阳极室的极间距为1mm。该专利用电催化还原代替金属还原,避免了金属易钝化、传质效率低的问题;用电催化氧化代替Fenton氧化等其他高级氧化技术,避免了处理效率低、药剂投加量大的问题。该专利反应器和方法可高效地降低氯苯废水的浓度,削减废水毒性,提高废水的可生化性。(化工环保,2015年第6期) 

 

一种大孔微簇的制备方法

该专利提出了一种大孔微簇的制备方法,包括下列步骤:以至少一个单体或低聚物为原料,使用乳液聚合法合成分散的交联聚合物-胶乳初级粒子;溶胀初级颗粒中至少包含一种额外的单体和/或低聚物及交联剂,另外还包括官能化剂;通过增加离子强度(通过加入盐和/或酸和/或碱)与施加剪切力,直至形成聚合物的初级颗粒;最终形成大孔微簇。(石油化工,2015年第12期

 

 

专利题录:

利用金属纳米粒子/离子液体体系催化乙炔氢氯化反应的方法(聚氯乙烯,2015年第11期)

一种球形碳酸钙晶体的制备方法(无机盐工业,2015年第12期)

一种用于处理亚甲基蓝染料废水的可见光催化剂及其制备方法(化工环保,2015年第6期

一种重金属吸附剂的制备方法(化工环保,2015年第6期

含月桂烯嵌段的嵌段共聚物(石油化工,2015年第12期

低黏度高分子涂层组分及其制备方法(石油化工,2015年第12期

回收卤素助催化剂和去除高还原性化合物的方法(石油化工,2015年第12期

 

 

 

论文摘要:

乙酸戊酯酯化反应精馏过程系统控制模拟及分析

反应精馏技术是将反应和精馏两个单元操作耦合在一个设备中同时进行,其非线性给反应精馏过程的平稳操作和过程控制提出了更高的要求。目前,反应精馏过程控制研究都是针对特定反应体系进行的有针对性的研究,对于乙酸戊酯反应体系的控制研究少有报道。本文利用Aspen Plus和Aspen Dynamic 软件对乙酸戊酯的反应精馏过程进行动态模拟,针对塔釜产品组成要求提出温度控制和组成控制两种不同的控制方案,对两个控制系统分别进行±10%的进料流量扰动测试和酸醇比为1:1、1.2:1的进料组成扰动测试。研究了不同扰动对产品质量的影响并比较了两种方案在不同扰动干扰下的控制效果。结果表明:进料组成扰动会对两个控制方案造成较大影响;温度控制方案的控制稳定性要好于组成控制方案。(化工进展,2016年第1期)

 

静电层层自组装改性SPPESK/PWA质子交换膜

运用直接掺杂法制备的磺化聚芳醚砜酮/磷钨酸(SPPESK/PWA)复合质子交换膜存在PWA流失严重的问题,影响了膜的正常使用。为了解决这一问题,以壳聚糖(CS)和PWA为聚阴阳离子电解质对,对复合膜进行静电层层(LBL)自组装改性研究,对膜的吸水率、溶胀度、质子传导率等性能进行了表征,并测试了膜中PWA的稳定性。经测定,SPPESK/PWA/(CS/PWA)2的质子传导率达到154mS/cm(80℃),高于相应的SPPESK膜(118mS/cm)及SPPESK/PWA膜(147mS/cm);SPPESK/PWA/(CS/PWA)4在80℃水中浸泡30天后,膜的质量损失率由18.45%降为11.81%,电导率损失率由32.20%降为16.77%。结果表明,该方法不仅提高了复合膜的质子传导率,并且有效抑制了PWA的流失。(化工进展,2016年第1期)

 

穿流-柔性组合桨强化搅拌槽中流体混沌混合特性

刚性搅拌桨在搅拌混合过程中得到广泛的应用,在搅拌容器内容易形成两种不同的混合区域:混沌混合区和混合隔离区。强化流体混合的有效途径是合理设计搅拌桨,从而调控流体混沌混合行为。实验运用Labview和Matlab软件采集和处理流体内部压力脉动信号,并获取流体混沌特性参数Kolmogorov熵,对穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵随转速的变化规律进行了研究。结果表明,相比传统刚性桨,穿流桨对Kolmogorov熵影响不大。穿流-柔性组合桨通过穿流孔与柔性部分的共同作用调控流场结构,使流体混沌混合的效果最好,在转速为180 r·min-1时流体的混沌混合达到最佳状态,穿流-柔性组合桨体系的Kolmogorov熵为0.285,而传统刚性桨体系的Kolmogorov熵只为0.125;穿流-柔性组合桨体系的混合时间明显低于传统刚性桨体系,当转速为120 r·min-1时穿流-柔性组合桨体系的混合时间比传统刚性桨体系缩短了17%。(化工学报,2016年第1期)

 

多策略果蝇优化算法及其应用

针对果蝇算法容易陷入局部极值、收敛速度慢和收敛精度低的问题,基于粒子群优化算法中社会认知因子和差分演化算法的变异算子,提出了一种多策略果蝇优化算法(SFOA)。对于味道浓度值劣于平均味道浓度的个体,采用社会认知变异因子产生下一代个体,加快收敛速度。对于味道浓度值优于平均味道浓度的个体,引入差分向量,提高算法跳出局部极值的能力。经过8个测试函数的仿真实验对比,SFOA具有更好的全局搜索能力、更快的收敛速度和更高的收敛精度。最后,将改进后的果蝇算法运用到GE气化炉操作优化中,以有效合成气产率最大化为优化目标,氧煤比和水煤浆浓度为决策变量,结果表明,SFOA能够快速找到最优值,证明了多策略果蝇优化算法的有效性。(化工学报,2016年第1期)

 

9-乙基四氢咔唑的合成工艺研究

9-乙基四氢咔唑作为一种重要的精细化工合成中间体而得到广泛应用。本文以苯肼、环己酮为起始原料,经醋酸环化合成四氢咔唑(收率70.5%),再与溴乙烷经烷基化反应制得9-乙基四氢咔唑。获得了合成9-乙基四氢咔唑的最佳优化条件:n (四氢咔唑):n (溴乙烷): n (氢氧化钠)=1:4:1.5, m (四氢咔唑) : m (碘化钾) =1:0.01,c(四氢咔唑)=0.50 mol/L,c(十六烷基三甲基溴化铵)= 2.5 x 10-3 mol/L,乙腈为溶剂,回流反应9 h,收率为86.0%。该路线与传统工艺(环己酮先经氯化再与N-乙基苯胺缩合)相比,可避免氯化副产物生成,反应易控制,更适合工艺生产。(精细化工,2016年第1期)

 

Nb2O5/坡缕石固体酸催化合成偏苯三酸三辛酯

利用离子交换法将Nb5+引入坡缕石(Nb5+/PG),经300 ℃培烧后得坡缕石负载Nb2O5的固体酸 (300-Nb2O5/PG),利用X-射线衍射、X-射线光电子能谱、紫外漫反射、N2吸附-脱附(BET)、ICP、NH3-TPD对其结构、金属含量、酸强度进行表征。在催化合成偏苯三酸三辛酯(TOTM)中,当偏苯三酸酐与2-乙基己醇的摩尔比为14,300- Nb2O5/PG用量为酸酐质量的5%,210 ℃,反应5 h后,偏苯三酸三辛酯酯化率可达到95.3%,催化剂重复使用10次后,酯化率89.2%。(精细化工,2016年第1期)

 

文丘里型液液喷射反应器结构的研究

    介绍了文丘里喷射器的研究情况和进展,为了进一步优化反应器结构,达到最佳湍动效果,对喷射反应器内的湍流混合情况进行了模拟计算和分析。文中采用计算机模拟的方法,选择酸碱快速中和反应,应用计算流体力学ANSYS中的CFX软件,分析了文丘里型液液喷射反应器的结构尺寸(进口直径、混合室长度),对反应器内部流动混合性能的影响规律。结果发现,并不是进口直径越大,混合的效果越好。存在最优直径比,混合室的长度也有最佳值,以达到混合湍动区域最大,湍动效果最好的目的。(化学工程,2015年第12期

 

陶瓷膜脱除磷酸溶液中的硫酸钙

    湿法磷酸生产过程中常用絮凝沉降法脱除磷酸中的硫酸钙等固体杂质,除杂效果不稳定。采用孔径500 nm的陶瓷膜脱除磷酸生产过程中的硫酸钙杂质,考察了陶瓷膜在磷酸溶液中的稳定性,优化了陶瓷膜的操作条件,探讨了反冲对膜通量的影响。结果表明:随着腐蚀时间的延长,陶瓷膜抗折强度降低,腐蚀400 d后,其抗折强度仍大于45 MPa;在跨膜压差0.2 MPa,错流速率3 m/s,温度303 K,反冲力0.5 MPa的条件下,陶瓷膜渗透通量在400 L/(m2·h)以上,渗透液浊度小于0.3 NTU;反冲可去除硫酸钙有膜面形成的滤饼污染,恢复膜通量。研究可为陶瓷膜在湿法磷酸生产中的工业化应用提供依据。(化学工程,2015年第12期

 

剑麻纤维增强热塑性淀粉复合材料的制备及性能研究

为研究剑麻纤维增强的热塑性淀粉复合材料的制备工艺及热稳定性,以玉米淀粉为原料,先制得热塑性淀粉,再以剑麻纤维为骨架增强体制备剑麻纤维增强热塑性淀粉复合材料,通过正交试验优化制备工艺,DSC、TG/DTG、SEM分析其热稳定性及结构。正交试验表明,各因素对材料抗拉强度影响的主次顺序为纤维长度>纤维用量>模压成型温度>填料用量; 最佳工艺条件为纤维长度15 mm、纤维用量35 g、模压成型温度200℃、填料用量5 g,此时材料的抗拉强度可达到4.45 MPa。利用差示扫描量热分析和热重分析分别对热塑性淀粉及剑麻纤维复合材料的热稳定性进行了分析,结果表明,热塑处理提高了淀粉的熔融温度,有利于淀粉与纤维素羟基间的氢键结合,且热塑过程在一定程度上降低了淀粉的热稳定性; 剑麻纤维复合材料的热降解过程主要发生在200-400℃温度区间。SEM分析显示最佳工艺条件下得到的复合材料具有较好的泡孔结构。(生物质化学工程,2015年第6期

 

磷酸三丁酯萃取盐酸法湿法磷酸中铁的研究

    研究了磷酸三丁酯从盐酸法湿法磷酸中萃取三价铁离子的过程。研究了稀释剂种类以及磷酸三丁酯、盐酸、磷酸浓度对三价铁离子萃取率以及磷酸损失率的影响;研究结果表明:以煤油为稀释剂时磷酸三丁醇对三价铁离子的萃取效果较二甲苯为稀释剂时好;磷酸三丁酯、盐酸、磷酸浓度的增加对三价铁离子萃取率的影响是正向的;磷酸损失率随磷酸三丁酯浓度的增加而增加。用体积分数为10%的磷酸三丁酯逆流萃取盐酸法湿法磷酸中的三价铁离子,三价铁离子萃取率达到100%,磷酸损失率为2.44%。(无机盐工业,2015年第12期)

 

 

论文题录:

乙醇-水体系分离提纯过程新技术的研究(化工进展,2016年第1期)

不同复极性粒子电极的制备及电催化氧化效能(化工进展,2016年第1期)

Gemini型表面活性剂在离子液体中构筑的溶致液晶(化工进展,2016年第1期)

酸浸工艺脱除微硅粉杂质离子及其对热碱溶解过程的强化(化工进展,2016年第1期)

紫外光固化可剥离胶的研究与制备(化工进展,2016年第1期)

新型正交波纹板流体力学性能CFD模拟(化工学报,2016年第1期)

黏度随温度变化对三角形螺旋夹套内湍流流体流动及换热的影响(化工学报,2016年第1期)

活性炭纤维吸附石化废水中苯酚的吸附平衡及动力学(化工学报,2016年第1期)

三水醋酸钠/甲酰胺复合相变材料的制备及性能(化工学报,2016年第1期)

模拟微重力下影响重组Escherichia coli外源蛋白质表达途径分析(化工学报,2016年第1期)

制冷工况下降膜冷凝器的制冷剂积存特性与传热性能(化工学报,2016年第1期)

固定化色氨酸合成酶基因工程菌合成L-色氨酸的研究(精细化工,2016年第1期)

辅酶Q10纳米结构脂质载体的制备和表征(精细化工,2016年第1期)

N-正丁基硫代磷酰三胺的绿色合成研究(精细化工,2016年第1期)

负载型Zn(OAc)2催化合成1,6-六亚甲基二氨基甲酸甲酯(精细化工,2016年第1期)

双核酸性功能化离子液体催化酯化反应研究(现代化工,2015年第12期

壳聚糖和硅钨酸共混修饰直接甲醇燃料电池PtRu催化剂的研究(现代化工,2015年第12期

乳化液膜萃取Cr(Ⅲ)的内相反萃步骤动力学研究(化学工程,2015年第11期)

烷基化废酸制备硫酸铵的新工艺方法(化学工程,2015年第11期)

新型碳化硅泡沫阀搭盘的流体力学性能化学工程,2015年第11期)

组合桨搅拌槽内高黏流体混合改性的数值模拟(化学工程,2015年第11期)

啶虫脒/木质素两性表面活性剂/膨润土缓释剂的制备及性能(生物质化学工程,2015年第6期

复合相分离法制备PVDF-HFP超滤膜的研究(水处理技术,2015年第12期)

加设尼龙滤网防护罩对减缓膜污染的应用研究(水处理技术,2015年第12期)

Cu/Al-CO3LDH的制备、表征及催化性能(化学与生物工程,2015年第12期

钴镍/碳纤维传感电极的制备及其对邻苯二酚含量的测定(化学与生物工程,2015年第12期

温度响应性聚硅氧烷及其智能响应薄膜的制备(科学通报,2015年第36期

小节径比管阵流体弹性不稳定性的实验研究(化学工程,2015年第12期

含his标签水通道蛋白AqpZ的体外表达和功能表征(化学工程,2015年第12期

甘油水溶液中气液传质过程的研究(化学工程,2015年第12期

 

 

 

综述:

微反应器在化学化工领域中的应用

微反应器也被称作是微通道反应器,是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器、微萃取器、微化学分析等一系列的微型化工设备的统称。微反应器技术起始于20 世纪90 年代的微流控技术,属于微尺度的范畴。由于微反应器相比于传统的反应器具有极大的优势,顺应了高技术含量和可持续发展的要求,微反应器技术一出现就引起了相关领域极大的关注,特别是一些世界著名学府和大型跨国公司(比如麻省理工学院、美国西北太平洋国家实验室、杜邦公司、巴斯夫公司等)都开始致力于微反应器的研究和应用。微反应器技术在国内起步偏晚,在近十多年时间才被国内相关人士了解、研究并应用,目前国内主要研究的机构有中国科学院大连化学物理研究所、清华大学等。目前在化学工程、合成、化学、制药工业、分析和生物化学过程等领域,微反应器技术是最有创造性和发展最快的技术之一。

按照不同的分类方法,微反应器有多种类型。按照操作模式进行分类,可以分为连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器;按照反应相态可以分为气固相催化微反应器、气液相微反应器、液液相微反应器和气液固相微反应器;按照用途可以分为生产用微反应器和实验用微反应器;按照分析应用可以分为化学和生物中应用的微反应器以及化学工程和化学中应用的微反应器。微反应器有多种几何结构,最简单的是管式结构,还有板式结构、微通道结构以及集成试剂注射、混合、换热、溶剂交换、相分离等多种功能为一体的复合式结构。

针对化学反应的特点,比如温度、压力、腐蚀性、比热容和电特性等,要选择合适的微反应器制作材料。制作材料有玻璃、硅、陶瓷、金属和聚合物等。其中应用最广泛的材料是玻璃,这是由于玻璃材料是化学惰性的,允许在许多溶剂中使用电渗流(EOF),允许可见光检测设备并且易于制造。目前微反应器的制作技术主要有LIGA(光刻、电铸和塑模结合的工艺)、机械加工、微模塑技术等。

 

1  微反应器的特性

1.1  换热效率和混合效率高

微反应器内部微通道的特征尺寸一般在数十到几百微米之间,特征通道中单相流动的特点为较低的雷诺数,由层流扩散影响混合,局部也会形成二次流混合。微反应器的尺寸属于微尺度范畴,所产生的直接优势就是扩散时间很短,混合过程很快。微反应器内传质和传热推动力会随之增加,从而扩大了单位面积和单位体积的扩散通量,这对于化学反应过程非常有利。因为总传热系数与通道尺寸成反比,微反应器内液相传热系数可以达到10000W/(m2·K),比常规换热设备大一个数量级以上。尺寸的缩小赋予微反应器无与伦比的比表面积,可以达到10000~50000m2/m3,而传统的搅拌设备的比表面积最多可以达到1000 m2/m3 。研究结果表明,利用微反应器能够有效强化传递或混合控制的化学反应过程,而这类过程在传统的反应装置内往往难以精确控制,极易产生局部热点、浓度分布不均、短路流和流动死区等问题,微反应器具有的高效混合和快速传递性能是解决这些问题的重要手段,可以有效抑制不良反应的产生,提高反应产物的纯度。

为了进一步提高混合效率,还可以利用多种方法强化混合。强化混合分为两种,即主动混合和被动混合。主动混合主要是利用了外界的能量输入来形成局部二次流,这些主要的外界能量有超声波、声诱振动、周期性变化的泵送能等。被动混合方式主要是通过通道的设计实现流体的重组来加快混合,主要方式有在微通道中设置多层薄片进行流体的分离和再混、通过涡流的形成和重叠强化混合以及利用喷射流碰撞进行混合等。被动混合由于操作简单,因此广泛应用于化工领域,而主动混合由于装置比较复杂而且不易多通道并行放大,所以主要应用于生物分析领域。

1.2  可直接放大,无放大效应

传统的化工生产一般都是通过小试-中试-大生产的模式,但是在放大过程中流动、传质和传热的“三传”问题很突出。微反应器的优良性能得益于微尺度化,在扩大生产时是通过并行增加微反应器的数量而不是对反应器的尺寸进行放大。与传统管式反应器并行放大的主要区别在于其优良的单通道“三传”状态重现性和多通道间抗干扰性。在对整个反应系统进行优化时,只需对单个微反应器进行模拟和分析,这就避免了传统的从实验室规模到中试规模再到工业化规模的放大过程中所遇到的诸多问题,减少了操作费用,节省了空间,也避免了进行知之甚少的中试反应过程,提高了安全性。

1.3  高度集成化

利用成熟的微加工技术可将微混合、微反应、微换热、微分离、微分析等多个单元操作和一些与之相匹配的微传感器、微阀等器件集成到一块反应芯片上,实现单一反应芯片的多功能化操作,从而达到对微反应系统的实时监测和控制,提高反应速度并且可以节省成本。例如可以将混合和停留时间功能与换热在同一区域进行集成从而产生额外的反应性能。将微全分析系统(μTAS)应用于化工生产,可以大大提高反应过程的自动化水平,有效降低人为因素造成的失误。更为重要的是,这种微化学系统可以展现出优异的重复性,这对于平行实验和日常使用都有很大的吸引力。随着芯片实验室和桌面化工厂概念的提出,在实验室里小型的微化工系统已经成为新产品和新过程开发的重要平台。

1.4  精确控制反应时间

微反应器中反应物的停留时间由微通道的长度和液流速度决定。微通道的长度越短,液流速度越快,停留时间也就越短。微反应器可以通过改变微通道的长度和流率来实现精准的停留时间控制,反应过程中产生的中间体会在分解之前转移到下一个反应区域,特别适用于涉及到不稳定活性中间体的反应。但是在多相体系中,通过改变流速来改变停留时间会导致流体的流型发生改变,这就需要通过改变微反应器的长度来改变停留时间并且保持恒定的流速。传统间歇反应器中,由于反应物加入的时间不同,经常会引起副产物的产生,微反应器凭借可以精确控制停留时间的优良特性,可以保证产品有很高的质量,还可以完成在宏观过程中无法完成的反应。

1.5  安全性高

化学过程研究的一个主要目标就是消除安全隐患和危险的条件并且保证效率和操作的可行性。微反应器中反应物的量属于微量级别,这会使得很多危险反应过程能够高效并且安全地进行,比如高度放热反应、高温反应、涉及不稳定中间体的反应以及使用危险试剂的反应等,并且可以降低爆炸的潜在危险性。微反应器控温能力好,制冷能力往往也很高,能量的减少可以有效保证系统的安全。微反应器可以有效地保证生产过程的安全,即使生产有毒有害物质,也能够将反应进行有效控制,很大程度上降低安全事故的危害性。因此微反应系统为生产有毒或者有害的物质铺平了道路,有望使化工摆脱高危险的桎梏。

1.6  过程环保绿色化

伴随着环境问题的日益突出和资源的匮乏,微反应器技术也变得日益重要。传统的化工生产主要依赖于大型反应器并且伴随着大量的原材料和产品的存储,这都会带来健康和安全隐患问题,并且有可能对生产厂家和周边环境造成难以估量的损失和伤害。微反应器技术对于绿色化和可持续合成的贡献主要因为提高了产品的收率,减少了副产物的产生,降低了能耗和减少了辅助物质(比如保护基团)的使用等。从环境角度来看,微反应器可以有效减少化学研究和工业生产中的有害物质排放,实现绿色可持续发展。

 

2  微反应器在化学化工中的应用

2.1  提高安全性

快速的强放热反应在化学化工中普遍存在,很容易引起温度骤增,反应相对不易控制,容易引发危险事故。硝化反应是化工中应用最早也是最重要的单元反应之一,微反应器的出现已经为强放热和选择性敏感的硝化反应开辟了新的机遇,KULKARNI阐述了4 种利用微反应器的硝化方法,并且讨论了反应过程的优势、局限性和工业放大的实用性。费托合成是指合成气(CO 和H2)在催化剂及一定的反应条件下转化生成烃类等的反应,李毅等报道了在微反应器中进行强放热的费托合成反应,实现对费托合成过程中温度的精确控制,提高了反应物的转化率和产物的选择性,极大地提高了反应速率。重氮化合物在有机化学中是特别常见的试剂,但是重氮化合物具有潜在的爆炸性,在工业规模时很难安全处理,反应危险性很高,MÜLLER 等报道了利用微反应器合成重氮化合物,凭借优良的传热效率可以安全处理危险试剂,因此反应过程中连续流微反应器中的温度一直远远低于常规的间歇反应器,反应过程一直安全有序进行。

2.2  提高选择性和转化率

ZUIDHOF 等报道了环己酮肟的贝克曼重排反应,见图1。在微反应器中进行硫酸催化环己酮肟转化为己内酰胺的贝克曼重排反应时,需要先将环己酮肟溶解在环辛烷中,运送到混合微通道中,混合温度为65℃,然后立刻输送到反应微通道中,反应温度为100~127℃,停留时间为10s,在这种条件下选择性可以达到99%。而该反应在其他反应器中进行时,相同的反应条件选择性只能达到95%。

 

图1  贝克曼重排反应

 

PROTASOVA 等报道了氨基萘的Friedel-Crafts 酰化反应,见图2。在微型反应器中进行氨基萘的合成时,一共有9 步反应,其中第1 步是Friedel-Crafts 酰化反应。在传统的转化生产过程中使用Ac2O 和 KOAc 或NaOAc 作为溶剂。但是由于盐在溶剂中溶解性很低会造成微反应器管道的堵塞,因此用NEt3 来代替KOAc 更合适,有利于加速反应进行。在微反应器中进行反应时,首先需要将溶液在室温下进行预混合,然后通过泵运送到预加热微反应器,温度控制为130℃。最后目标产品的收率达到100%,而在釜式反应器中仅为86%-96%。

 

图2  Friedel-Crafts 酰化反应

 

AMII 等报道了二羰基化合物的直接氟化反应,见图3。这个反应在宏观反应器中进行时转化率只有15%,而在流微反应器中进行时转化率可以达到90%。

 

图3  氟化反应

 

2.3  无放大效应

PENNEMANN 等研究了在微反应器中进行一种金属有机化合物的加成反应,反应方程式见图4。

 

图4  有机金属加成反应

 

在实验室的500mL 规模下,反应温度为-40℃,反应0.5h,收率为88%;在6L 的搅拌容器中扩大反应规模,-20℃下反应5h,收率为72%。可见在传统反应器条件下反应时,放大过程中由于传热效率发生变化将会引起产率降低。而利用微反应器在实验室规模下进行初试时,反应温度为-10℃,停留时间在10s 以内,收率可以达到95%;接着在同样的条件下进行中试过程时,收率可以达到92%;最后在同样的反应条件下进行生产规模过程(5 倍中试规模),收率仍然可以保持在92%。可见微反应器不存在放大效应,可以直接进行放大过程。

2.4  缩短反应时间

微反应器凭借较大的传质和传热系数,可以明显缩短反应的时间,将反应效率提高到一个新的高度。MASON 等报道了一个醇醛缩合反应,见图5。这个反应是甲硅烷基烯醇和4-溴苯甲醛在四丁基氟化铵的存在下完成的,在达到100%转化率的前提下,微反应器中的反应时间仅仅20 min,而在传统反应器中却需要24h。

 

图5  醇醛缩合反应

 

WATTS 等报道了贝里斯-希尔曼反应,见图6。在微反应器中进行此反应时,首先将1,4-二(口恶)烷和水按照体积比1∶1 混合成溶剂体系,然后将预混合的1,4-二氮杂二环辛烷和4-硝基苯甲醛溶液加上丙烯酸甲酯溶液送入到微反应器中进行反应,生成的产物是2-(4-硝基苯甲酰)丙烯酸甲酯。产品的收率可以达到95%,反应时间590 min,这比在传统反应器中反应时间减少了30%。

 

图6  贝里斯-希尔曼反应

 

2.5  控制产物分子的特性

微反应系统不仅对于产品的转化率和收率有影响,还可以减少甚至消除传质过程中热点的形成,因此对于聚合物的分子量、粒径分布、形态和组成都有很好的控制。微反应器在聚合反应方面的应用已经有大量的研究,目前已成功应用于多种机理的聚合反应,包括阳离子聚合、阴离子聚合、自由基聚合、配位聚合、缩合聚合、开环聚合等,并表现出对传统釜式反应器的显著优势。从当前的发展趋势来看,微反应器在聚合反应中的应用将成为化工和高分子领域的研究热点之一。

IWASAKI 等分别用常规的釜式反应器和微反应器进行了甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯的自由基聚合反应,并对合成产物的分子量进行检测。结果显示:在相同的反应时间和产率前提下,微反应器生产的3 种聚合物的分子量分布指数(PDI)均在4 以下,比常规的釜式反应器生产的聚合物均有明显改善。

2.6 高温高压的反应

RAZZAQ 等研究了丙烯基苯基醚的Claisen重排反应,见图7。在传统反应器中进行该反应时,反应温度250℃、压强1.3MPa,反应时间1~2h。利用微反应器进行该反应时,以甲苯为溶剂,经过仔细优化条件,在240℃、10MPa 的条件下反应,得到了高纯度和高收率的产物,且仅仅有不到5%的副产物形成。这个Claisen 重排反应对于温度的改变非常敏感:在<230℃条件下,转化会不完全,影响收率;在更高的反应温度下,会有许多副产物形成。因此不允许通过提高反应温度来减少反应时间。通过这个例子可以看出,利用微反应器来优化反应

条件显得尤为重要。

 

图7  Claisen 重排反应

 

2.7  在线及时监控反应

微反应器系统集成化程度很高,可以在化学反应过程中通过传感器、控制器等分析监测装置实时掌握反应的进行程度,及时做出最优化的处理方式。在传统的批处理反应器中也可以监测反应来确保产品的质量,但是一旦发现有杂质出现时,整个反应产品往往已经被污染了。在微反应系统中的快速检测系统可以确保反应物不会被大量污染。其中应用广泛的有高效液相色谱法(HPLC)、紫外-可见光谱(UV/Vis)和红外光谱(IR)等技术。

GOMEZ-DE 等报道了利用计算机控制微反应器合成水溶性CdS 和CdS/ZnS 的纳米晶体,并且在线监测反应的过程,很好地控制了反应的进行,改善了量子产率和粒径分布;VAN DEN BROEK等研究了利用微反应器在线IR 技术监控芳烃化合物的甲酰化反应,很好地控制了危险活性中间体的产生;GROSS 等报道了利用微反应器在线IR和X射线高空间分辨率显微光谱技术进行多步有机转换的过程。

 

3  微反应器的主要应用领域

3.1  精细化工和制药工业

精细化工和制药行业中50%的反应都可能受益于主要基于微反应器技术的连续工艺,目前微反应器在精细化工和制药工业中的使用正在变得越来越普遍,驱动力主要有工艺开发需求、产品的收率、产品的产量、生产安全以及便于操作等。

在精细化工领域,许多反应对于温度的要求非常苛刻,需要在几百度或者零下几十度的条件下进行,这就需要通过滴加物料才能很好地控制反应温度。常规的反应器很难完成这样的操作,微反应器凭借微尺度的特性可以很好地控制温度和反应时间,保证反应顺利进行。在制药工业,新药的研发是一个耗时且耗资巨大的过程,选出优良品质的先导化合物是药物筛选的一个至关重要的过程,微反应器技术可以和基因分析设备进行集成,内部非湍流的环境和高敏感性生物测定系统的集成都为药物的筛选提供了有力条件,可以完成高通量的药物筛选,在药物研发领域应用广泛。微反应器技术还可以降低先导化合物筛选的成本,提高优化的速度,降低实验次数和试剂的成本。BRAUNE 等报道了利用微反应器生产选择性氟化的药物产品,并且在9 个月内完成从实验室规模到生产500kg 高质量产品的生产过程。PENNEMANN 等报道了利用微反应器合成苯基硼酸,反应器是基于分割和重组的混合原则的高流率微混合器,产率可以达到89%并且产品苯基硼酸中没有二苯代硼酸的污染,相比于传统的间歇过程产率提高了20%并且减少了能量消耗。MAURYA 等研究了串级的微反应器合成非常重要的精细化工和药物中间体重氮乙酸乙酯,结果显示可以达到99%的收率并且产生的有毒有害废物几乎可以忽略。大量事实表明,连续流的微反应器可以使精细化工及制药工业趋向更经济、高质量、安全生产和环境友好。

3.2  生物化学

多种重要化合物的生物合成已经在基因工程主体中得到了展示,但是鉴于生理系统的复杂性等诸多因素都限制产品的收率和对反应条件的控制,也表现出对于大规模工业生产的不适应性。微反应器技术作为一种替代途径将会消除这些缺点并且适合进行工业化生产。目前微反应器技术已经进入生物催化领域,将微反应器技术和生物催化进行结合将会是一项关键的绿色化工程,一些常见类型的酶微反应器已经在均相、非均相和多相系统中展现出了优良的性能。目前酶在诊断中的应用如酶联免疫吸附实验(ELISA)已经引起极大的关注。酶参与的微反应器已经在分析检测领域得到广泛的应用,优点是酶的用量非常少,在蛋白质的水解方面优势明显。可以利用微反应器高比表面积的优点将酶固载在固体载体上或者微通道的内壁上,制成固定酶微反应器,是微反应器技术在生物方面的重要应用之一。MIN 等研究了微反应器内固定化乙酰胆碱酯酶从自然提取物筛选抑制剂;IQBAL 等报道了将毛细管电泳用于固载酶微反应器,结果显示这种处理方法节省样品、成本低、时间短。近几年又研究了将酶固载到微反应器内的纳米材料上,可以展示出高的酶反应性。SUHAS 等报道了多种利用微反应器技术合成缩氨酸的方法。此外微反应器技术也为DNA 的分析提供了便利。比如生物有机合成中常常会将DNA 片段进行成倍地放大以备进一步的研究,即DNA 扩增技术。SCHAERLI等就利用微反应器进行了聚合酶链反应(PCR),实现了快速的DNA 扩增。

 

4  微反应器面临主要的挑战

4.1  堵塞

微反应器技术起源于20 世纪90 年代,到目前为止还属于一种新兴技术,虽然发展很快,但是仍然存在一些挑战。微反应器目前面临的最主要问题就是微通道的堵塞问题。当有固体物质(催化剂、试剂、产品和副产品)参与反应时,通道中会出现沉积、生长或者架桥现象,这会限制微反应器内的液体流动速度,影响液体混合并且会提高压降,最后很可能导致反应失败。

针对堵塞问题,目前已经有诸多的解决方法。SCHOENITZ 等阐述了目前微反应器内所有类型污垢的研究进展,包括结晶、颗粒、化学反应、腐蚀、生物污染和气泡,并分别介绍了相应的缓解或者阻止污垢形成的方法。将微通道管壁面设计得足够光滑可以有效缓解固体沿着壁面的沉积,比如纯氟表面。多段液-液流的使用可以限制固体粒子和通道内壁的相互作用,但是这种方法需要使用额外的溶液,可能会降低反应的效率或者出现这种额外溶液和特定的溶剂不兼容现象。还可以利用超声辐射减轻堵塞,这是因为超声波振动可以抑制沉淀物在管道中的附着和沉积;其他方法还有使用分散相液滴包裹粒子来减少粒子和管壁的相互作用以及使用鞘流技术产生纳米粒子来减轻堵塞等。虽然针对于堵塞问题已经有很多措施,但是仍然缺少将不溶性物质分离出来的有效方法,这将限制微反应器技术的发展。

4.2  催化剂负载

微反应器中化学反应经常涉及到催化过程,鉴于微通道的尺寸很小,这就对催化剂装载方式提出了很高的要求。催化剂的负载方式主要有两种:将催化剂涂敷在微通道内壁或者催化剂载体上。但是当催化剂被涂敷在表面时,容易出现低附着性、容易脱落、更换困难和加工费用高等问题,这都会对微反应器的产品化开发过程产生障碍。配位体和催化剂载体之间的连接经常会导致催化剂活性的降低,而一些常见的聚合物载体会发生膨胀堵塞微反应器,因此催化剂的装载方式很大程度上决定着产品的选择性。目前应用最多的催化剂载体是多孔材料,尽管关于多孔材料作为催化剂载体的研究很多,但是催化剂的粘附特性和高效的装载方式仍然有待于进一步优化,均质催化剂的固定仍然是一个长期存在的挑战。

4.3  微通道的设计和制造

微通道的制作经过几个阶段的发展,虽然目前已经可以设计出复杂的结构通道,比如基于光刻母模板的软刻法,制作工艺已经很成熟,但是制作的成本仍然很昂贵,因此开发简化的制作工艺、降低制作成本是一项艰巨的任务。对于高通量的微流体系统,快速均一的液体分布十分重要。微通道的几何构造将会决定流体的分布并最终影响产品质量,而优化微通道的几何结构是一项复杂的过程和挑战,因此开发一种精度高、成本低的微通道制造技术是急需要解决的难题。

 

5  结语与展望

相比于传统的反应器工艺,微反应器技术具有诸多优势:极高的传质和传热效率、反应时间短、无放大效应、安全性高、集成化程度高、生产过程绿色化等。微反应器技术能够显著强化反应过程,成为化工领域的一次革新,为化学化工领域提供了一个非常高效和便捷的平台。显然,微反应技术是21 世纪化学化工技术发展的重要分支之一。

展望未来的微反应器技术,需要在以下几方面做出更深入的研究。

(1)在理论方面,许多宏观的理论在微尺度方面已经不完全实用,需要深入系统地完善微反应器的理论体系。

(2)在应用范围方面,虽然利用微反应器已经完成了很多反应,但仍有部分反应在微反应器领域还没有找到合适的发展路线,因此期待将微反应器技术引入到更广泛的反应系统中。

(3)在加工技术方面,开发新的微反应器制造技术,特别是微通道的设计和制造,确保制作工艺简单高效、精度高、成本低。

(4)在功能方面,还应该加强集成化水平,提高实时监测和控制的能力,确保反应过程更符合可持续发展的要求。

显然,未来的化学化工领域,微反应器技术仍然有很广阔的发展空间,人们将会看到微反应器技术更大的发展潜力。

                                        (化工进展,2016年第1期)

 

 

 

联系人: 陈老师

                                   联系方式:E-mail:chenyz@njut.edu.cn

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