限域传质分离机制初探：界面吸附层的“二次限域”效应

限域传质分离膜主要面向分子/离子水平的高精度分离过程，对解决CO₂分离、共沸物分离、盐湖提锂、海水淡化等重大应用需求具有重要意义。然而目前，这类膜的限域传质机制研究滞后，理论模型缺乏，已不能满足材料和化工等学科高速发展的需求。用介科学观点思考限域传质分离膜同时具有高通量和高选择性这一反常现象，即突破Trade-off效应，这是选择性机制与通量机制之间的竞争与协调导致的。纳微固液界面处流体分子在界面处会优先吸附，形成稳定的吸附层，基于此本文提出了“二次限域”的假说，即界面诱导的类固态新界面会对中间流体再次产生限域效应。通过对比限域传质分离膜的孔道尺寸与二次限域尺寸，进一步认知了二次限域的选择性机制，并结合选择性机制与通量模型对膜通量和选择性的定量预测进行了初探，以期为精密构建限域传质膜提供理论基础。     

对化工原理三传类比教学方法的探讨

本文把三传类比方法用实例作了解析,从传递本质、基础定律数学模型、有效膜模型、物性系数四个方面介绍了化工原理传递过程的研究方法,目的是使繁杂的知识简练清晰,希望能引起化工原理初学者及相关教学人士的借鉴,从不同的角度来学习掌握化工原理这门理论。     

具有限域传质效应的碳基分离膜——从碳纳米管膜到石墨烯膜

限域传质是流体分子通过与其运动自由程相当的传质空间的过程,流体分子与限域壁面的作用与和流体分子间的相互作用决定了传质效率。当碳通道尺寸小于10 nm时,由于其壁面具有无摩擦效应,导致传质阻力小;因此,具有限域传质效应的碳基分离膜传质通量和选择性都高,有望成功突破渗透性和选择性的博弈效应。本文综述了近年来具有限域传质效应的碳基分离膜的研究进展,主要介绍了两类碳基分离膜,规整排列的碳纳米管膜和层层堆叠的石墨烯膜,概述了这两类膜的限域传质机理、构筑方法及其在水处理、脱水、脱盐、离子分离、气体分离等领域的应用。此外,展望了具有限域传质效应的碳基分离膜的发展及需要解决的问题。为创制新一代兼具高渗透性和高选择性的限域传质效应的分离膜的设计制备与应用提供了参考。     

限域传质分离膜

阐述了限域传质分离膜的研究背景及现状,分析了该领域面临的关键科学问题及研究思路,介绍了我国在此领域的研究进展,并提出了未来的发展方向。     

反应传递多尺度耦合的拟颗粒模拟

反应与传递过程的耦合是众多化工过程的重要特征之一。随着过程精准调控要求的不断提高和过程强化与微化工等领域的迅速发展,传统上宏观与微观分离的反应与传递描述方式遇到了诸多挑战。拟颗粒模拟耦合软球和硬球两类分子模拟方法的优势,显著简化了分子间作用模型,极大提高了计算效率,为描述宏微观之间的介尺度上反应与传递紧密耦合的复杂现象提供了一种有效手段。本文简要回顾该方法提出的背景,阐述其基本思想,并展示和分析其在气固多相吸附和催化、气液微流动等问题中的应用前景。     

学研结合的《化工传递原理》课程改革与实践——以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例

培养具有较强实践和创新能力的新工科复合型人才是本科化工教育的重点。化工传递原理作为化学工程与工艺专业学生必修课,在提升本科教育质量中发挥重要作用。然而,化工传递原理课程存在理论性强、抽象推理多、学科交叉广、实验及理论同步配套程度低等问题,为有的放矢地解决课程难题,提高教学质量和品质,教学团队从教学目标和教学方法等多方面进行深度改革和创新;为重点突出以前沿科学研究为契机的学研结合新范式进行化工传递原理课程改革与实践,本文以水净化膜表面特性影响的动量分子传递过程为例,通过科学研究实验结合化工动量传递理论提升教学质量。将化工传递的科学研究与课堂理论教学相耦合,突出以学生为主体和产出导向的标准提升教学品质。这种新范式将有益于工科学生解决复杂化学工程问题能力的显著提升,为综合型本科化工类专业的改革发展提供重要支撑。     

限域空间内的结晶研究进展

在经典成核理论基础之上,综述了无机、有机化合物和大分子聚合物等几类物质在不同的限域空间内的结晶行为,并与普通溶液结晶行为进行了比较。分析了不同限域空间对晶体的成核、生长以及相转化产生的影响,如成核速率、生长取向、晶型种类等。研究表明,在高度分散的纳米孔基质中,孔径尺寸、形貌对晶体成核与生长的控制机理不同,从而影响了最终的晶体结构。     

化工原理教学中的核心概念:传递的平衡态与过程的推动力

热力学平衡、过程推动力是化工原理课程中的两个核心概念,对于理解传递过程非常重要。文章围绕这两个概念,基于单元操作的特性与物理定律,建立相应的平衡线方程,从理论上明确传递的极限(终点);进一步依据传递方程的基本表达式,用图示法对传递过程的推动力进行具体描述,强调推动力在传递动力学中的核心作用,从工程实际角度加深学生对化工传递过程的理解。     

计算气体传递系数的林纳德-琼斯分子碰撞函数的经验式

在化学工程研究及计算中,传递系数(粘度、扩散系数及导热系数)是重要的物性数据。在迅速发展的石油、化工过程中,经常碰到一些物料缺乏实测数据,因而需要应用预测计算的方法。对于气体来说,这类预测需要藉助于分子运动理论,其中预测结果最好的方法之一是利用林纳德-琼斯式来描述实际分子间的相互作用,按此模型表达为分子碰撞函数,用以计算非极性气体的传递系数,其关联式如下(适用于常压):     

散度定理在化工中的一些应用

本文以化工传递过程原理中流体连续性方程、热传导方程和质量传递微分方程的建立过程，以及一个一般的化工建模问题为例，探讨了利用散度定理建立化工数学模式的方法。结果表明，应用散度定量及相关的数学公式，可简化化工模型建立过程，也可清楚地揭示不同坐标系下不同形式的同一模型（如三种坐标系下流体连续方程）之间的关系。     

化工装置反应能量系统的火用传递描述

对反应(能量)系统的描述，焓分析法单讲能的量的利用，火用分析法只作静态描述，只有火用传递法可作动态描述。运用火用传递理论分析，反应系统具有化学火用转换元在系统中起主导作用，各输火用元皆以反应高温火用源为公共火用源，呈放射型并联结构的特点。据此建立的反应系统通用火用传递模型——化学火用转换元与输火用元并联群相串联的串-并联复合结构模型，清楚地显示了模型的结构特点和基本特征。基于反应系统化学平衡、火用平衡方程和传递学原理建立的系统火用传递方程，揭示了系统中计量和过量反应物、生成物，以及杂质等各项火用流变化率的性质及其相互转换或传递的数量关系，由此可获得对反应系统火用传递机理的清晰描述，进而可以作反应系统的火用传递计算和火用传递分析。     

基于荷载传递法的嵌岩桩竖向承载特性研究

研究嵌岩桩竖向承载特性，基于荷载传递法理论，采用双曲线函数来表征桩侧阻力和桩端阻力的荷载传递规律，建立了一种可考虑嵌岩段侧阻力的嵌岩桩承载力计算模型；结合工程算例，根据理论分析和地基土性质，确定合理的模型参数，采用荷载传递的迭代法，计算桩顶荷载位移变化规律，与实测值进行对比分析。结果表明，当荷载较小时，桩顶荷载位移曲线变化相一致；随着荷载逐渐增大，计算值与实测值间存在一定误差，但整体变化趋势相一致，证明嵌岩桩承载力计算模型的合理性。当缺少现场试验时，可根据所提模型，对嵌岩桩极限承载力进行预测。     

化工原理教学中对传递过程的类比

基于一些过程速率计算的类似性,在<化工原理>教学中对照学生已经掌握的知识,可以帮助学生尽快理解各种传递过程的基本理论和计算思路.本文介绍了作者在两个方面的尝试:对照电路知识学习流体输送;对照传热学习传质.     

改进的液膜传递模型

本文提出了一种新的用来描述乳状液型的液膜,Ⅰ型促进传递分离体系的数学模型。引入了内相对流和分离过程中乳液平均滴径随时间变化的概念。提出了用两阶段模型来描述实际液膜分离体系的观点。即:在前一阶段应该考虑内相对流和乳液滴径变化,而后一阶段则可不考虑上述二因素的渐近前沿模型来描述。     

炭分子筛膜气体分离传递机理研究的新进展

炭分子筛膜由于其本身具备的独特优势以及其在气体分离方面的应用潜力,已引起了世人的关注.但对炭分子筛膜分离机理特别是传递过程机理研究的不足限制了其发展.本文介绍炭分子筛膜气体分离机理特别是传递过程机理研究的最新进展,包括针对制备方法不同所建立的气体传递机理模型,如Maxwell模型和Bruggeman模型;详细介绍了两种孔结构模型平行阻力模型和阻力串联模型.在此基础上,分析了各模型中存在的问题和不足,认为需要对炭分子筛膜进行进一步的完善并建立合理的传递机理模型,才能推动炭分子筛膜用于气体分离的进程.     

基于传递过程理论剖析湿球温度和绝热饱和温度

传递过程理论是理解和分析化工单元操作过程的有力工具。文章结合传递过程理论,探讨了湿空气-水体系在不同热边界条件下的接触过程,剖析了化工原理教材中关于湿球温度和绝热饱和温度的论述;基于传递过程理论和物料/热量衡算关系,建立了湿球温度和绝热饱和温度的严格计算式,并考察了水的初始条件对两个温度的影响;借助干湿比或干湿系数得到了湿球温度和绝热饱和温度之间的定量关系,实现了两个温度的简单计算和方便测量。     

受限界面处流体分子行为的调控及相关分子热力学模型初探：基于高比表面氧化钛的研究进展

纳米受限界面处的流体由于受到界面性质的影响显著,且存在复杂的传递和反应机制耦合问题,其流体分子行为难以调控,成为了现代化工新技术（如膜过程、多相催化）突破的瓶颈。结合了近几年本课题组的相关工作进展,以化学性质稳定的高比表面氧化钛作为研究平台,对界面处流体分子受限行为进行分析,研究了传递和反应机制分别对界面处流体行为的影响,并探索其调控机制;同时对建立的相应分子热力学模型进行了初步探索,通过原子力显微镜技术将界面摩擦性质和分子间相互作用关联,为分子热力学模型提供分子参数。     

高物性变化流体密闭空间内自然对流的数值模拟

流体物性随温度变化呈现高变化特性时,密闭空间流体自然对流规律的模拟计算需要采用变物性计算方法。以液态水为研究对象,采用变物性方法研究其在密闭空间内的自然对流现象,分析温度变化时流体流动与传热过程,并采用分子间距变化规律对变温差下的密闭空间满液体理论进行解释。模拟计算结果表明:液体密度、粘度随温度改变较大时,对密闭空间内流体传热过程有较大影响,采用变物性方法可以更准确地模拟密闭空间内自然对流现象,并为热管技术的发展奠定一定的理论基础。     

受限界面处流体分子行为的调控及相关分子热力学模型初探:基于高比表面氧化钛的研究进展

纳米受限界面处的流体由于受到界面性质的影响显著,且存在复杂的传递和反应机制耦合问题,其流体分子行为难以调控,成为了现代化工新技术(如膜过程、多相催化)突破的瓶颈。结合了近几年本课题组的相关工作进展,以化学性质稳定的高比表面氧化钛作为研究平台,对界面处流体分子受限行为进行分析,研究了传递和反应机制分别对界面处流体行为的影响,并探索其调控机制;同时对建立的相应分子热力学模型进行了初步探索,通过原子力显微镜技术将界面摩擦性质和分子间相互作用关联,为分子热力学模型提供分子参数。     

传递研究的形成脉络与发展现状

火用传递研究针对不同形式火用的转换与同一形式火用的传递,旨在通过探讨火用传递过程的变化规律及其影响因素,从而达到对传递过程进行动态调节和控制的目的。从火用传递与能量传递共同构成能研究的完整体系、火用传递与不平衡势场密不可分、火用传递是火用分析在动态层面的必要补充、火用传递用于描述多场耦合驱替机理的有益扩展等角度,阐述了火用传递研究的形成脉络与发展现状,指出火用传递研究不应偏离工程应用的主要方向,并应在 传递系数的内在机制及评价多场耦合火用传递过程的参数指标体系等方面进行更为深入的研究。