无溶剂或少溶剂的固态化学反应

根据热力学,固态化学反应一般具有一旦发生就必完全的特征;但在固体之间存在组成可连续变化的溶液(固熔体)时,固态化学反应体系有可能出现化学平衡。固态化学反应还可能导致立体选择性产物、产物颗粒不易长大、最低反应温度等特征。本文特别指出,为了促进固态化学反应快速、有效、安全地发生,可使用少量溶剂而不用担心固态化学反应无平衡特征的丧失,同时获得良好流动性的反应物浆料,并因此能使用适当的搅拌技术来促进反应;其次,任何复杂的固态化学反应都可以分解成若干双组分反应,可以按一定步骤实现复杂化合物的合成或装配。因此,研究固态化学反应可能会产生更加绿色的化学过程,具有非常现实的理论和应用价值。本文以固态配位化学反应为例来说明如上理论推演结果。这里,固态配位化学反应是固体无机金属化合物与固体有机或无机配体之间的化学反应,它们与固态有机化学反应一样,可以在室温~300 ℃的温度下、不存在任何溶剂的情况下发生。     

利用高通量技术研究钴基费托催化剂的宏观动力学

利用高通量技术设计并运行了16路平行动力学固定床反应器,用于测量不同接触时间下的稳态反应物消耗速率和产物生成速率,研究了钴基费托催化剂的宏观动力学,包括C1～C4烷烃与烯烃的稳态反应速率及其随床层的分布,以及它们与反应器温度的关系.在等温固定床非扩散限制的反应条件下,除C1和C2烃类外,Cn的生成速率及CO/H2的消耗速率均随接触时间的增加先上升后下降,且烯烃生成速率的最高点较烷烃更靠近反应器入口;反应温度对速率的影响与转化率有关:生成烷烃的表观活化能大于烯烃.高通量动力学反应器可用于生成宏观动力学数据库,以预测催化剂在工业固定床反应器中的行为.     

不同链长正构烷烃在Pt/SAPO-11催化剂上的临氢转化规律研究

采用SAPO-11分子筛制备的双功能催化剂,以碳链长度为10-14的正构烷烃为模型化合物,探索了不同碳数的长链正构烷烃临氢转化反应规律。结果表明,低温下不同碳数的正构烃都表现出较高的异构化选择性,改变反应温度使反应转化率控制在85%以下时,正构烷烃的异构化选择性可以达到90%左右;随着碳数和温度升高,正构烷烃由于发生明显的裂化反应导致转化率提高和异构化选择性降低。采用SAPO-11分子筛催化材料的双功能催化剂具有明显的产物择形异构效应,异构化产物以甲基位于端位和碳链中心的单侧链异构体为主,双(多)支链产物较少。长链正构烷烃在Pt/SAPO-11催化剂上的裂化反应在低转化率以加氢裂化为主,裂化产物的碳数呈均匀分布;在高转化率下以酸催化裂化为主,裂化产物的碳数分布呈现明显的不对称分布特征。     

丁烯催化裂解制丙烯/乙烯反应的热力学研究

 通过对丁烯催化裂解反应网络中各反应步骤进行热力学分析计算,结合实际反应的产物分布,探讨了各产物的形成机理及影响因素. 热力学计算结果表明,升高温度有利于丁烯裂解为丙烯和乙烯,选择合适的反应温度和压力可有效提高产物中的丙烯/乙烯比. 低碳烯烃在热力学上有很强的芳构化倾向,升高温度可抑制氢转移反应,可以通过优化反应条件和开发高选择性催化剂的方法来提高丙烯和乙烯的选择性,抑制芳烃和烷烃的生成. 在催化裂解反应条件下,C5+烃的生成量较少. 热力学计算结果在进行催化剂筛选和反应条件优化过程中得到了验证和补充.     

十氢化萘低温燃烧反应的动力学机理

采用量子化学方法研究了十氢化萘低温燃烧的动力学机理,获得了脱氢反应、自由基加氧反应及1,5氢迁移反应等反应的动力学参数,并在CBS-QB3水平下获得了相关物种的热力学参数,通过过渡态理论计算获得了具有紧致过渡态反应的高压极限速率常数,而无能垒反应的速率常数则由变分过渡态理论得到.基于此机理分析了十氢化萘低温反应的动力学规律和热力学机制.相比于链烷烃和单环烷烃,十氢化萘自由基加氧反应的速率常数随温度变化较快,1,5-氢迁移反应的能垒较高,揭示了物质结构对反应动力学的影响.热力学平衡常数分析结果表明,在低温下十氢化萘自由基加氧反应起主导作用.通过拟合获得了所有反应Arrhenius形式的速率常数,这些参数可用于双环烷烃低温燃烧机理的构建和优化.     

甲基环己烷的高温燃烧机理及动力学模拟

本文根据高碳链烷烃和环烷烃高温燃烧的反应类型,开发了高温燃烧反应机理的自动生成程序ReaxGen,并据此建立了甲基环己烷的高温燃烧详细机理。采用激波管反应器模型开展了动力学模拟,研究了燃烧点火温度、点火压力、燃料摩尔分数和当量比对点火延时的影响。通过绝热燃烧平衡计算,得到产物浓度和绝热火焰温度。动力学模拟结果与文献实验结果及国际上同类机理的模拟结果进行了比较和讨论。     

羰基氧化物环化反应动力学的计算研究

用密度泛函（DFT）方法计算了羰基氧化物（H2COO、HFCOO、F2COO和Me2COO）环化反应的动力学信息，优化了反应物和产物的几何构型，优化搜索了各反应的过渡态结构，并用频率分析和内禀坐标法(IRC)验证了各鞍点构型和反应路径.计算了不同温度下经零点能校正的活化热力学量、反应过程热力学改变量，反应速率常数及频率因子.计算表明，电负性较大的取代基对环化反应有促进作用.     

硅烯与甲醛环加成反应的理论研究

本文用RHF/6-31G^*解析梯度方法研究了单重态硅烯与甲醛环加成反应的机理,用二级微扰方法对各构型的能量进行了相关能校正,并用统计热力学方法和过渡态理论计算了该反应在不同温度下的热力学函数的变化和动力学性质。结果表明,此反应历程由两步组成:1)硅烯与甲醛生成一中间配合物,是一无势垒的放热反应,2)中间配合物异构化为产物,此步势垒经零点能校正后只有51.4kJ·mol^-^1(MP2/6-31G^*//6-31G^*);从热力学和动力学的综合角度考虑,该反应在300～400K温度下进行为宜,如此,反应既有较大的自发趋势和平衡常数,又具有较快的反应速率。     

次甲基硅SiH与HF反应的热力学及动力学性质研究

在量子化学对SiH与HF反应计算的基础上,运用统计热力学和Wigner校正的Eyring过渡态理论计算了该反应在200～2000K温度范围内的热力学函数、平衡常数、频率因子A和速率常数随温度的变化。计算结果表明该反应在低温下具有热力学优势,而在高温下具有动力学优势。该反应在研究的温度范围内是一放热、熵减少的反应,反应的速率常数随温度的升高而增大,且服从Arrhenius定律。     

缩聚反应的统计力学和反应动力学理论

以两类典型的缩聚反应为例,研究了缩聚反应的统计理论和反应动力学理论之间的内在联系,给出反应程度与平衡反应动力学常数以及聚合反应自由能之间的关系.在此基础上,借助于聚合反应平衡常数使一些平均高分子物理量的表征得以简化.从热力学角度进一步研究了温度和压力等热力学量对反应体系的影响.     

Thermochemical sulfate reduction a review

The high concentrations of hydrogen sulfide found in many oil and gas fields is thought to arise from the oxidation of petroleum hydrocarbons by sulfate—a reaction that reduces the value of the resource. This review, undertaken in order to better understand the geochemistry of TSR reaction in oil field sediments, covers the relevant information on thermochemical sulfate reduction (TSR) to 1991. The theoretical and experimental aspects of TSR reactions (including sulfur and carbon isotope studies) are reviewed and their significance to the geochemical system discussed. The present review agrees with previous suggestions that biochemical reduction of sulfate dominates in sedimentary environments below 120°C, and supports the possibility that reactive sulfur species will oxidize certain organic molecules at meaningful rates in geochemically reasonable reaction periods at temperatures above 175°C. We conclude that under typical petroleum reservoir reaction conditions, both elemental sulfur and polysulfides are capable of oxidizing some organic molecules under basic conditions. But that sulfate alone will not react unless lower oxidation state sulfur is present. The possible interaction of low-valence-state sulfur with sulfate to form TSR active oxidants is examined. both H₂S and SO ₄ ²⁻ are required for the formation of active polysufide reductants (e.g. thiosulfate or polythionates) in TSR systems. Such intermediates can serve to lower the overall activation energy of the oxidation of hydrocarbons by sulfate via thermal generation of sulfur radicals that can function as TSR active oxidants in many oil field sediments. We suggest that some proposed chemical mechanisms for TSR need to be experimentally verified and the results re-interpreted with respect to TSR relations in geologic systems. Dedicated to Professor Lisa Heller-Kallai on the occasion of her 65^th birthday     

原油中有机硫化物成因的硫酸盐热化学还原反应模拟研究

原油中部分有机硫化物来源于硫酸盐热化学还原反应。利用高压釜在高温高压含水条件下对正戊烷 硫酸镁反应体系进行了热模拟实验研究。通过气相色谱仪、微库仑仪、毛细管气相色谱/脉冲火焰光度检测器、红外光谱仪及X射线衍射仪,对气、油、固三相产物进行了分析。结果表明,硫酸盐热化学还原反应在425℃~525℃可以进行,主要生成氧化镁、炭、硫化氢、二氧化碳以及硫醇、硫醚和噻吩类等有机硫化物。根据动力学模型计算出该反应活化能为58.0kJ/mol。     

油浆高温快速裂解过程的气固相产物研究

采用高频炉快速热解装置研究油浆的高温快速热解特性,考察了热解温度、氮气流量对气固相产物的组成和产率的影响。温度是影响气相产物产率的关键因素,气相产物主要为甲烷、氢气和乙烯,升高温度可提高甲烷和氢气的产率,而乙烯产率受高温下二次反应的影响在800℃到达最大值后逐渐降低,乙烷、丙烯产率较小且受二次反应的影响在700℃到达最大值后逐渐降低,温度高于800℃时会有少量乙炔生成且升温可提高乙炔产率。增加氮气流量可降低甲烷、氢气分压,缩短乙烯、丙烯等在高温区的停留时间,从而增加气相产物的产率。积炭产率随热解温度升高迅速增加,氮气流量的增加能够削弱二次反应从而降低积炭产率。     

氧化钙颗粒脱硫反应及数学模型的研究

对多孔状氧化钙颗粒脱硫反应进行了实验，得出了氧化钙脱硫反应转化率与反应时间的关系曲线。建立了化学反应时有结构变化的多孔非均相反应动力学数学模型由模型对氧化钙的脱硫反应进行了数值计算，计算结果与实验数据符合良好。     

稻秆的烘焙预处理及其固体产物的气化反应性能

稻秆资源分散、水分含量高且密度低、热值低,烘焙预处理技术能够降低收集运输的物流成本,获得的固体产物能量密度高、可磨性好,适于气流床气化。在固定床热解装置上通N₂保护,稻秆分别经过200℃、250℃、300℃烘焙30min,得到的固体产物在热重分析仪中与CO₂进行非等温气化实验,升温速率20℃/min,终温1200℃。实验结果表明,稻秆烘焙产物以固体剩余物和不凝结气体为主,还有少量可凝结液体(水分和焦油)。气体产物中CO₂所占比例超过80%,其次为CO和微量CH₄。预处理温度越高,固体剩余物越少、气体产物越多,可凝结性液体变化不大。稻秆烘焙过程的能量产率为40%~60%,随温度升高经历了急剧下降和缓慢降低两个阶段。固体剩余物的可磨性相比原始稻秆有了很大的提高,易于制细粉用于气流床气化。烘焙温度升高,所得固体产物气化反应性提高。根据Coats-Redfern法确定烘焙稻秆焦-CO₂气化反应机理符合二维扩散模型,求得反应活化能73kJ/mol~88kJ/mol。     

A biological process for the reclamation of flue gas desulfurization gypsum using mixed sulfate-reducing bacteria with inexpensive carbon sources

A combined chemical and biological process for the recycling of flue gas desulfurization (FGD) gypsum into calcium carbonate and elemental sulfur is demonstrated. In this process, a mixed culture of sulfate-reducing bacteria (SRB) utilizes inexpensive carbon sources, such as sewage digest or synthesis gas, to reduce FGD gypsum to hydrogen sulfide. The sulfide is then oxidized to elemental sulfur via reaction with ferric sulfate, and accumulating calcium ions are precipitated as calcium carbonate using carbon dioxide. Employing anaerobically digested municipal sewage sludge (AD-MSS) medium as a carbon source, SRBs in serum bottles demonstrated an FGD gypsum reduction rate of 8 mg/L/h (10⁹ cells)^-1. A chemostat with continuous addition of both AD-MSS media and gypsum exhibited sulfate reduction rates as high as 1.3 kg FGD gypsum/m³d. The increased biocatalyst density afforded by cell immobilization in a columnar reactor allowed a productivity of 152 mg SO₄ ^-2/Lh or 6.6 kg FGD gypsum/m³d. Both reactors demonstrated 100% conversion of sulfate, with 75–100% recovery of elemental sulfur and chemical oxygen demand utilization as high as 70%. Calcium carbonate was recovered from the reactor effluent on precipitation using carbon dioxide. It was demonstrated that SRBs may also use synthesis gas (CO, H₂, and CO₂ in the reduction of gypsum, further decreasing process costs. The formation of two marketable products—elemental sulfur and calcium carbonate—from FGD gypsum sludge, combined with the use of a low-cost carbon source and further improvements in reactor design, promises to offer an attractive alternative to the landfilling of FGD gypsum.

     

硫酸钙晶须催化合成三羟甲基丙烷三丙烯酸酯

以三羟甲基丙烷(TMP)、丙烯酸(AA)为原料,硫酸钙晶须为催化剂,环己烷和甲苯混合物为带水剂,合成三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA).考察了原料配比、催化剂用量等因素对产品酯化率的影响.结果表明:以对苯二酚和吩噻嗪做混合阻聚剂,n(AA)∶n(TMP)=3.40,硫酸钙晶须的质量分数(以三羟甲基丙烷用量为基准)为2.0%,、环己烷用量20%、甲苯用量30%;酯化反应温度为98 ℃,反应时间为5 h,在此条件下合成的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯酯化率大于96.8%,纯度达到97.6%.     

稻杆的热溶剂提质及多级分离

采用1-甲基萘(1-MN)为溶剂,在不同温度下(250、300、350 ℃)对稻秆进行热溶剂提质及多级分离,获得3种主要固体产物:低分子量萃取物(soluble)、高分子量萃取物(deposit)和萃取残渣(residue),以及少量气体产物和液体产物。对各组分的元素组成、化学结构、物理化学特性等进行了详细分析,并采用ICP-MS测定了其碱金属和碱土金属(AAEM)含量。结果发现,低分子量萃取物收率随着温度的升高而增大,350 ℃时碳基收率达到33.48%。3种固体产物的碳含量和氧含量随着温度的升高而分别升高和降低,350 ℃时soluble、deposit的碳含量分别高达82.36%、80.59%,氧含量分别低至9.50%、12.03%,稻杆原样中高达86.99%的氧以H₂O或CO₂的形式释放。soluble几乎无灰,deposit的灰含量也低于1.50%。3种固体产物的高位发热量显著高于稻杆原样。FT-IR结果表明,稻杆热溶剂处理过程中除发生了脱水反应、脱羧基反应外,还有明显的芳香化反应。soluble和deposit的Na、Mg和K含量极低,而且随温度的升高其含量逐渐降低。总之,热溶剂提质及多级分离法实现了温和条件下的生物质脱水脱氧提质,并获得低灰低氧含量、高碳含量和发热量的多种产物,此方法有较好的应用前景。     

Thermochemical investigations of natural phosphate with ammonium sulfate additive

Summary The free energy of the acidic ammonium sulfate is a good precondition its use as an additive or reagent for decomposition of natural phosphates on the way to obtain NPS or NPKS complex fertilizers. During our previous studies it was confirmed that as a result of thermo-mechanical treatment new solid phases are formed as a result of the phosphates decomposition. The aim of this study is to find out appropriate conditions for thermal treatment of Tunisia phosphorite with ammonium sulfate where the content of P₂O₅ soluble forms has its maximum. The process was investigated under dynamic thermal conditions. Structure and phase transformations of the mixtures to intermediate and final solid products are confirmed by different techniques. X-ray powder diffraction, infrared spectroscopy and electron microscopy have been applied successfully and relationship found between phase structure and thermal treatment applied. As a result of the complex studies optimal temperatures are determined. The solid products under optimal conditions contain phosphorous in soluble forms available for plants in the soil. As a final it is concluded that the final products could be used as complex mineral fertilizers.     

硫酸铵母液除氯及其对结晶影响

硫酸铵母液中Cl^-不断循环富集导致设备腐蚀严重,同时影响硫酸铵结晶及品质。本文运用硫酸钙铝法和脱硫灰铝法分别对硫酸铵母液进行除氯研究,采用筛分法对晶体粒径进行分析、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）对晶体尺寸、形貌进行表征,X射线衍射仪（X-ray Diffractometer,XRD）分析晶体物相。研究表明：除氯剂最佳投加量为3.0 g硫酸钙和0.8 g偏铝酸钠,3.0 g脱硫灰和0.8 g偏铝酸钠,对应除氯率分别为31.70%和36.38%。在转速200 r/min,反应温度为75 ℃,两种除氯剂加入会使ρ（Cl^-）快速下降,此为Cl^-与Ca²⁺和AlO₂^-反应形成了不溶钙铝氯化合物;除氯剂加入过量会使NaAlO₂发生双水解,解离出OH^-,抑制Cl^-与Ca²⁺、AlO₂^-反应,导致Cl^-去除率下降。硫酸钙铝法所产生的钙铝氯化合物会附着在晶粒活性表面进而增大硫酸铵结晶介稳区宽度,抑制晶体正常生长,导致结晶量减少;脱硫灰铝法中杂质金属可将OH^-消耗和减小硫酸铵结晶介稳区宽度,所含大量SO₄^2-会使硫酸铵结晶量增加,但晶体纯度降低。相关研究结果可为减少氨法脱硫设备腐蚀及优化硫酸铵结晶提供参考。