973标书-工业生物技术的过程科学基础研究2007CB714300
水热和草酸改性对Y分子筛结构和酸性的影响
文章编号:100123555(2007)0420300204收稿日期:2006206228;修回日期:2006209208.基金项目:国家“973”重大基础研究项目(No .2004CB217805).作者简介:刘百军,男,生于1965年,博士,副研.水热和草酸改性对Y 分子筛结构和酸性的影响刘百军,李 敏,冯 智(中国石油大学(北京)CNPC 催化重点实验室,北京102249)摘 要:采用水热与草酸处理相结合的方法对NaY 分子筛进行了超稳化和脱铝改性,并利用XRD 、红外、NH 32TP D 及原位红外技术测试了Y 型分子筛结构和酸性.结果表明,水汽处理温度从500℃提高到600℃,Y 型分子筛的晶胞常数a 0从2.4729n m 降到2.4461n m,硅铝比从4.22提高到10.35,相对结晶度从53.4%提高到84.3%.随着草酸加入量从0.04g/g 增加到0.36g/g,总酸量从0.462mmol/g 降到0.315mmol/g .关 键 词:水热处理;草酸;Y 分子筛;改性中图分类号:O643.32 文献标识码:A Y 型分子筛作为催化剂在石油化工领域得到了广泛地应用,通过对分子筛的改性可以提高其在某些领域的催化性能[1].就Y 型分子筛而言,其改性方法基本上有两种:一种是利用其硅铝骨架外Na+的可交换特性,将Na +交换成其它的阳离子;另一种方法是通过脱铝或脱铝补硅来提高分子筛硅铝骨架中的硅铝比以提高其催化反应的性能.关于Y 型分子筛的改性方法,前人已做了大量的研究工作,主要方法有:高温水热法[2,3]、高温气相同晶取代法[4]、氟硅酸铵液相反应法[5]、有机配位反应法[6]、化学气相沉积法[7]、酸脱铝法[8,9]等.在上述几种Y 型分子筛的改性方法中,只有高温水热法实现了工业化;高温气相法和氟硅酸铵液相反应法均由于操作条件过分苛刻,或改性后分子筛晶格中存在一些无法除去的杂质而影响其工业应用;有机配位反应及酸脱铝法因反应条件相对缓和,且改性后样品无明显缺陷,因而表现出了十分诱人的工业化潜力.不管以何种方法对Y 分子筛进行改性,都是采用单一的方法,采用两种方法相结合对Y 分子筛进行改性的研究还未见报道,故本文采用两种方法相结合――水热超稳化和酸脱铝对NaY 分子筛进行改性,研究了改性Y 分子筛的晶相结构及表面酸性质变化的规律.1实验部分1.1改性Y 分子筛的制备取5.0g NaY 分子筛(Si O 2/A l 2O 3为4.22)置于100mL 三口瓶中,再加入6.5g 硫酸铵和50mL 的水,在100℃水浴中加热搅拌1h 后,过滤、洗涤三次,之后将得到的Y 分子筛在同样条件下再处理一次,将滤饼(含水量40%～60%)置于加盖的坩埚中,在500～650℃下自热水汽处理2h .将上述过程再重复一次,即得到“四交(换)二焙(烧)”的水热超稳化的Y 分子筛.将上述超稳化的Y 分子筛5g 放入三口瓶中,加入浓度为1mol/L 的硫酸铵溶液50mL,再加入草酸和草酸铵(质量比为2∶3)的缓冲溶液,加完后搅拌一定的时间.反应结束后,过滤、水洗三次,滤饼在120℃下干燥4h,600℃下焙烧2h,得到水热超稳化2草酸处理的改性Y 分子筛.1.2分子筛的表征采用日本岛津公司产XRD 26000型X 2射线粉末衍射仪测定晶相结构,测试条件:Cu 2Kα射线(λ=0.154056nm )为辐射源,N i 滤光片,管压40k V,管流30mA,扫描速度1°/m in,用文献[9]的方法计算结晶硅含量.采用德国B ruker 的113型红外光谱仪测样品的红外光谱,扫描样品及本底,扫描波数范围400～1300c m-1,分辨率4c m-1,扫描次数32.样品的NH 32TP D 测试在自制的装置上进行,N 2为载气,纯NH 3为吸附气体,TCD 检测.2结果与讨论2.1水汽处理温度对Y 型分子筛晶体结构的影响水汽处理温度对Y 分子筛的结构有很大的影 第21卷第4期分 子 催 化Vol .21,No .4 2007年8月JOURNAL OF MOLECULAR C AT ALYSI S (CH I N A )Aug . 2007 响.在交换温度为100℃、离子交换时间为1h、焙烧时间为2h及分子筛含水量为40%～60%的条件下,考察了水汽处理温度对Y结构的影响.结果如表1所示.表1水汽处理温度对NaY改性效果的影响Table1I nfluence of stea m treat m ent te mperature on the structure of zeolite YTreat m ent te mperature(℃)Crystal cell para meters/a o(n m)Si O2/A l2O3Relative crystallinity(Xc,%)-2.47274.22100 5002.45766.6553.4 5502.45417.5474.8 6002.446110.3584.3 6502.442012.5455.6 由表1数据可以看出,未经离子交换和水汽处理的分子筛其Si O2/A l2O3为4.22,随着水汽处理温度的提高,Y型分子筛的晶胞常数a逐渐减小,分子筛骨架的硅铝比逐渐提高,当温度为600℃时, a0为2.4461n m,硅铝比达到了10.35.由a0和硅铝比的数据说明,Y型分子筛发生了明显的脱铝现象,水汽处理温度越高分子筛的脱铝量越大.在500～600℃范围内,Y型分子筛的相对结晶度随处理温度的升高而增大,当温度达600℃时,相对结晶度达到最大值,这表明在水热条件下,分子筛骨架上铝即可以在水蒸气的作用脱离骨架,脱离骨架的铝或未反应的铝和未反应的Si4(发生固相反应而生成Y型分子筛,且温度越高,生成Y型分子筛的反应速率越快,所以,存在水汽处理温度越高,Y 型分子筛的相对结晶度越高的现象.进一步提高温度到650℃,这时对Y型分子筛存在热破坏的现象,故相对结晶度反而下降.2.2草酸加入量对Y型分子筛晶体结构的影响分子筛经过四次铵交换和两次水热处理(草酸改性的USY分子筛,均是以水汽处理温度为600℃,水汽处理时间为2h,Y型分子筛含水量为40%～50%条件制备的)后,内部产生了许多非骨架铝,这些非骨架铝不可避免的要堵塞分子筛的孔道,导致反应分子扩散性能降低,活性中心的有效利用率降低,因此它在分子筛中的含量需要适当控制.用草酸对水热改性后的分子筛进行处理,清洗残留在分子筛孔道中的部分非骨架铝,并利用草酸的酸性,进一步脱铝以调节分子筛的酸性.向四交二焙的Y型分子筛中加入一定量的草酸2草酸铵溶液,在100℃下反应1h,考察草酸加入量对Y型分子筛结构的影响,结果如表2所示. 由表2可以看出,当草酸加入量小于0.28g/表2草酸加入量对Y型分子筛结构的影响Table3I nfluence of a mount of oxalic acid on the structure of zeolite YAmount of oxalic acid(g/g)Crystal cell para meters/a o(n m)Si O2/A l2O3Relative crystallinity/Xc(%)0.042.44909.1689.8 0.122.44889.2189.8 0.202.44899.2090.5 0.282.44899.18102.8 0.362.446210.3186.0g,随草酸加入量的增加,Y型分子筛的晶胞常数a0和硅铝比变化都很小,表明此时脱除的主要是水热处理过程中形成的无定型铝,骨架上的铝被脱除的不多,如果按Si O2/A l2O3改变的数值来计算的话,则被脱除的骨架铝的量不超过10%.当加入量为0.36g/g时,Y分子筛的硅铝比提高较多,晶胞常数a也下降许多,表明此时被脱除的骨架铝较多,即便如此,被脱除的骨架铝也只有20%左右.相对结晶度的变化是随着草酸加入量的增加而变化很小,只是略有增加.2.3草酸加入量对Y型分子筛骨架振动的影响分子筛的骨架振动反应T O4四面体内部或外部联接键的强弱,对分子筛骨架硅铝比相当灵敏.由图1可知,在810c m-1附近的峰是O2T2O对称伸缩振动峰Us(c m-1),1050c m-1附近的峰是O2T2O反对称伸缩振动峰Uas(c m-1).由于Si-O的键长103第4期 刘百军等:水热和草酸改性对Y分子筛结构和酸性的影响图1改性分子筛的骨架振动红外光谱Fig.1The fra me work vibrati ons I R s pectraof modified zeolites YAmount of oxilic acid:a)0.04g/g,b)0.20g/g,c)0.28g/g,d)0.36g/g(0.161n m)比A l-O的键长(0.175n m)短,又因铝的电负性较小,因而A l-O键的振动频率应比Si-O键的振动频率低,随硅铝比提高,振动频率增大[10].图1(a)2(d)的振动光谱的振动频率依次向高波数移动,说明Y型分子筛的骨架硅铝比逐渐提高,同时也说明在此过程中确实存在着脱铝补硅的过程.2.4草酸加入量对Y型分子筛表面酸性的影响改性Y分子筛NH32TP D 测试结果如图2所示.从图2中可以看出,在NH32TP D 图上有两个NH3脱附峰,这表明在分子筛样品上存在着两种不同强度图2草酸加入量对分子筛酸性的影响Fig.2NH32TP D p r ofiles of zeolite Y modifiedby different a mount of oxalic acida)0.04g/g,b)0.12g/g,c)0.20g/g,d)0.28g/g,e)0.36g/g的酸中心.随着草酸加入量的增加,改性Y型分子筛酸性发生了明显的变化,总酸量和强酸量明显减少,这是由于草酸加入量越多,则非骨架铝被脱除的越多,同时骨架铝也在减少,这两种结果都将导致酸性中心数量减少,因而改性Y型分子筛的酸量减少.为了进一步考察草酸加入量对Y型分子筛表面酸类型的影响,又采用吡啶2I R法测试了改性Y型分子筛表面的酸性,实验结果见表3.表3草酸加入量对Y型分子筛表面酸性的影响Table3Effect of a mount of oxalic acid on the surface acidity of zeolite YAmount ofoxalic acid(g/g)Amount of acid/mmol・g-1W eak B Str ong B W eak L Str ong L Gr oss0.040.1620.1190.0540.1270.4620.120.1620.1050.0520.0910.4100.200.1610.0880.0500.0640.3630.280.1590.0860.0510.0640.3600.360.1590.0740.0500.0320.315 由表3可以看出,超稳化的Y型分子筛再用草酸处理后,分子筛的弱B酸中心数量变化很小,强B酸中心的数量减小,弱L酸中心数量略有减少,强L酸中心的数量减少得很多,并且总酸量减少,这与NH32TP D 表征的结论基本一致.其原因是铝的脱出而减少了形成酸性中心的位置,故总酸量减少.从表2的结果看,改性后的Y型分子筛的晶胞常数、硅铝比及相对结晶度变化很小,但酸性测定的结果表明草酸加入量不同导致Y型分子筛的酸性和酸量差别很大,究其原因,可能是在草酸脱铝的过程中,骨架铝和非骨架铝是同时被脱除的,而草酸的加入量越多,被脱除的非骨架铝越多,在草酸的加入量为0.04～0.28g/g范围内,骨架铝的脱除不因草酸加入量的改变而改变.酸性和酸量的贡献即有骨架铝,也有非骨架铝,故随草酸加入量的增加,被脱除的非骨架铝的量增加,Y型分子筛的总酸量和强酸的酸量都下降.由于Y型分子筛主要是作为酸性催化剂用于催化裂化、加氢裂化等过203 分 子 催 化 第21卷 程,因此酸类型和酸量的改变对Y 型分子筛的催化性能将产生较大的影响.3结 论3.1水汽处理温度对Y 型分子筛的晶胞常数、硅铝比及相对结晶度都有很大的影响,水汽处理温度越高,晶胞常数越小,硅铝比越大,而相对结晶度在600℃时出现极值.3.2草酸的脱铝作用主要是脱除非骨架铝,骨架铝被脱除的很少,随草酸加入量的增加,被脱除的非骨架铝越来越多,则Y 型分子筛的强酸和总酸酸量降低.通过草酸脱铝可以调节Y 型分子筛的酸量以适应不同反应的需要.参考文献:[1] Dong Song 2tao (董松涛),L i Xuan 2wen (李宣文),L iDa 2dong (李大东).A cta .Phys .Che m.S in .(物理化学学报)[J ],2002,18(3):201～206[2] Sal m an N,R üscher C H,Buhl J 2Chr,et al .M icropoM e 2soporM aterials [J ],2006,90(1～3):339～346[3] Huang Yao (黄 曜),Zhu Chong 2ye (朱崇业),L iQuan 2zhi (李全芝),et al .J.M ol .Catal .(China ).(分子催化)[J ],1993,7(5):347～353[4] HeyM J,Nock A,Rudha m R.J.Che m.Soc .FaradayTrans .[J ],1986,82:2817～2830[5] Kowalak S,Szy mkowiak E,Laniecki M.J.F luorine .Che m.[J ],1999,93(2):175～180[6] D ing R G,Q ian L,Yan Z F .J.M ol .Catal .(China )[J ],1997,11(3):163～164[7] Ki m J H,I koma Y,N i w a M.M icroporM esoporM aterials[J ],1999,32(1～2):37～44[8] He J ing (何 静),L i Xuan 2wen (李宣文),L iu Xing 2yun (刘兴云),et al .A cta .Phys .Che m.S in .(物理化学学报)[J ],1997,13(6):554～559[9] L i X M ,Yan Z F .Catal .Today [J ],2001,68(1～3):145～154[10]Xu Ru 2ren (徐如人),Pang W en 2qin (庞文琴),TuKun 2gang (屠昆岗),et al .Structure and Synthesis of Zeolite (沸石分子筛的结构与合成)[M ].J ilin Univ 2er .Press (吉林大学出版社),1987,91～96Effects of Hydrother mal and Oxali c Ac i d Treat ment on the Structureand Aci dity of Y 2Type ZeoliteL I U Bai 2jun,L IM in,FE NG Zhi(The Key L aboratory of Catalysis,Ch ina N ationa l Petroleum Corporation,China U n iversity of Petroleum ,B eijing 102249,Ch ina )Abstract:U ltra 2stabilizati on and dealu m inati on of Y zeolites were carried out with the combinati on of hydr other mal treat m ent and oxalic acid .The structure and acidity of the zeolites bef ore and after modificati on were characterized by XRD ,FT 2I R,NH 32TP D,and I R s pectr oscopy of pyridine ads or p ti on .The crystal cell para meter decreased fr om 2.4729t o 2.4416n m ,the Si O 2/A l 2O 3rati o increased fr om 4.22t o 10.35,and the relative crystallinity increased fr om 53.4%t o 84.3%,res pectively,with an increase of the steam te mperature fr om 500t o 600℃.The t otal acid a mount decreased fr o m 0.462t o 0.315mmol/g with an increase in the additi on of oxalic acid fr om 0.04t o 0.36g/g .Key words:Hydr other mal treat m ent;Oxalic acid;Zeolite Y;Modificati on303第4期 刘百军等:水热和草酸改性对Y 分子筛结构和酸性的影响。
973标书---秸秆资源生态高值化关键过程的基础研究
项目名称：秸秆资源生态高值化关键过程的基础研究首席科学家：陈洪章中国科学院过程工程研究所起止年限：依托部门：中国科学院一、研究内容和课题设置后三年主题路线仍为秸秆组分分离-纤维素酶解发酵与热化学转化的有机整合的研究主线。
主要研究内容为：1、秸秆组分分离机制及其新过程、新方法的研究进一步深入研究秸秆转化利用研究的三个共性关键问题：“组分分离”—“分级转化”—“产品集成”，归纳出木质纤维素“组分分离”普适规律；从木质纤维素组分性质入手，研究组分性质与纤维素酶解之间的关系，研究开发经济高效的处理方法，从秸秆组分分离方面，努力使纤维素底物酶解效益接近淀粉酶解水平；通过建立秸秆清洁经济系统的组分分离方法，形成秸秆高值化转化的龙头技术，建立了具有广泛影响的秸秆产业化生态示范工程,开辟秸秆生态工业新模式，建设若干个万吨级的、经济稳定运转的、具有显示度秸秆新产业；关注秸秆其他组分在秸秆转化过程的作用及其和开发利用，如细胞壁蛋白、灰分、阿维酸等，开发秸秆纳米二氧化硅、阿维酸等产品，提高秸秆转化整体经济效益。
2、纤维素酶解过程超分子结构变化与高效纤维素生物基因构建围绕生物质资源高值化过程中微生物学方面的关键科学问题展开，利用现代实验技术从多方面开展微生物及其纤维素降解酶类对秸秆纤维素的降解作用等的研究。
除此之外，在现有研究工作的基础上，扩展原立项研究内容：（1）非酶因素的研究可为木素降解机制研究打开新思路，增加木素降解机制研究利用，突破秸秆等天然木质纤维难被降解的瓶颈；（2）由于木糖醇生物转化的研究已经取得较显著的进展，加强对一些科学问题的研究，如磷酸戊糖途径的替代、细胞在长期营养缺乏条件下酶系的调控规律等的研究，以进一步提高酵母菌工程菌转化与利用半纤维素或秸秆水解液的能力。
3、秸秆分级转化反应过程的工程规律按照秸秆分级转化思路，确定秸秆生物和热化学序贯转化的主题路线，以秸秆转化乙醇、微生物油脂和生物油为重点，继续研究适合于生物反应过程、固相复杂结构物料反应过程以及复杂系统跨尺度的过程工程基础：（1）针对纤维素酶新型固态发酵过程，从基因分子、细胞代谢网络和生物反应器工程特性多个尺度上进行关联分析，阐明外界周期刺激（工程水平）对微生物基因分子、代谢网络的影响；（2）研究秸秆生物转化过程中特有的化工特征，建立纤维素微生物固相酶解、同步糖化发酵耦合新过程及代谢调控规律，提高纤维素酶效率和酒精、微生物油脂的发酵效率，降低纤维素发酵成本；（3）研究秸秆纤维素高浓度发酵分离耦合过程中特有生物反应非线性动力学特性与集成，高浓度固相酶解-液相发酵分离一体化过程的验证；（4）研究秸秆发酵剩余物定向转化新途径；（5）探索秸秆木质素酶系催化聚合秸秆木质素合成酚与木质素共聚材料新方法，以及分离的秸秆半纤维素结构与功能之间的关系。
973计划2008年立项项目清单
中国科学院对地观测与数字地球科学中心
中国科学院
2009CB724000
高分辨率对地观测系统中的高精度实时运动成像基础研究
房建成
北京航空航天大学
工业和信息化部
2009CB724100
飞行器气动力学与光学设计中的关键湍流问题
佘振苏
北京大学
教育部
2009CB724200
超大规模集成电路制造装备基础问题研究
中国科学院高能物理研究所
中国科学院
2009CB825300
惰性化学键的选择性激活、重组及其控制
麻生明
华东师范大学
教育部上海市科委
2009CB825400
新非编码RNA及其基因的系统发现和“双色网络”构建
陈润生
中国科学院生物物理研究所
中国科学院
2009CB825500
表观遗传学的结构机理研究
许瑞明
中国科学院生物物理研究所
傅伯杰
中国科学院生态环境研究中心
中国科学院
2009CB421200
中国近海碳收支、调控机理及生态效应研究
戴民汉
厦门大学
教育部国家海洋局
2009CB421300
干旱区绿洲化、荒漠化过程及其对人类活动、气候变化的响应与调控
王涛
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
中国科学院
2009CB421400
全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响
2009CB522400
器官移植的免疫学应用基础研究
郑树森
浙江大学
浙江省科技厅教育部
2009CB522500
丙型肝炎病毒感染及防治的基础研究
唐宏
中国科学院生物物理研究所
白立新- 超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究
中国科学 E辑: 技术科学 2009年 第39卷 第6期: 1122~1128 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究白立新, 许唯临*, 张法星, 李乃稳, 张毅弛, 黄德法四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 成都 610065* E-mail: xu_wl@收稿日期: 2008-04-29; 接受日期: 2008-10-05国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号：2007CB714105)和国家自然科学基金(批准号: 50539060)资助项目摘要利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性进行了实验研究, 重点研究了凹坑的驻气特性, 微泡散逸特性以及空泡对蚀坑发展过程的影响. 对直径为1 mm的玻璃凹坑进行了空化实验, 分别对金属铝和金属铜试件进行了为期60 min和240 min的空蚀实验, 发现硬壁凹坑开始驻留游移空泡是凹坑进入空蚀加速阶段的标志. 凹坑倾向于会聚较大的游移空泡并从驻留空泡顶端散逸微泡, 这使凹坑成为一个空化核的发生源. 在确定的实验条件下, 蚀坑直径存在一个确定的稳定值, 达到这个稳定值之后蚀坑直径不再增加. 关键词超声空化空蚀蚀坑壁面特性高速摄影空化是指当液体的压强下降到足够低时液体中空泡的生成及其后续的动力学行为. 空化现象广泛存在于许多工业领域, 损益并存. 比如, 空化可以应用于超声碎石, 声化学, 超声清洗, 废水处理, 射流切割等领域, 但是空化也可能造成大坝和泄洪洞的空蚀, 影响水泵和水轮机效率, 造成大脑的损伤和人工心脏瓣膜的失效等等. 不管是空化的利用还是空化的危害, 空化现象往往和边壁联系在一起, 因此近壁面空泡的生成与溃灭一直是空化空蚀研究的重点.Rayleigh提出了静止液体中孤立球形空泡的溃灭机理, 他认为壁面的空蚀破坏是由于近壁空泡溃灭的最后阶段产生的压力冲击波造成的[1]. Kornfeld 和Suvorov提出了空泡可能非对称溃灭, 溃灭时产生一个穿过空泡的液体射流, 如果溃灭发生在硬壁附近, 那么射流冲击可能造成壁面的空蚀破坏[2]. 除了上述的冲击波理论和微射流理论, Philipp认为空泡在溃灭时被吸向边壁的效应是空蚀破坏的第三种机理[3]. 此外Tomita和Shima还提出了在射流冲击之后产生向外的流动和溃灭时向内的流动碰撞的溅射机理[4].空蚀是空化破坏能力和边壁材料抗空蚀强度的综合结果, 前人对空蚀机理的研究多以水平壁面的空蚀为基础, 而边壁表面的几何特性也是影响壁面空蚀的一个重要因素. 前人利用震荡型空化实验, 对空蚀导致试件质量损失随时间的变化特性进行了研究, 发现由于材料的剥蚀改变了试件表面特性, 在空蚀酝酿阶段后有一个明显的空蚀加速阶段[5~9]. Ah-med, Chiu和Jiang分别对超声空化造成的壁面粗糙度的变化进行了研究[10~12]. Philipp利用激光诱发100个相同的空泡在壁面附近同一位置溃灭, 发现由于空蚀使壁面几何特性发生改变, 后期空泡溃灭过程与前期空泡溃灭过程相比有明显变化[3]. Dear等人指出在锥形坑或内凹的曲面附近空泡溃灭产生的激波经过凹面的反射, 可能在壁面附近会聚, 产生更大的压力, 这个压力可能诱发附近的空泡猛烈地溃灭[13]. Tomita利用激光诱发空泡, 对空泡在不同曲率壁面附近的溃灭过程进行了研究, 发现当空泡在硬壁附近1122中国科学E辑: 技术科学 2009年第39卷第6期溃灭时, 空泡的运动显著地受壁面曲率的影响, 就凸面而言, 其微射流的速度比平壁更高[14~16]. Farhat和Guennoun讨论了水力空化中壁面罅隙的自动成核机理, 指出罅隙附近流动结构对空化显著影响[17,18]. Chen对超声场中碳钢表面空蚀蚀坑的表观特性进行了研究[19]. Wu对一种常用的水轮机材料的抗空蚀性能进行了研究[20].综上所述, 关于壁面凹坑的空化空蚀特性, 自从Thiruvengadam[6]对空蚀阶段进行划分以来较少受到关注, 大多是在各自的研究方向上零散的对其进行研究. Tomita[14~16]是个例外, 他利用激光诱发空泡技术就壁面曲率特性对空泡溃灭的影响进行了比较系统的研究, 但他关注的是固壁曲率对空泡溃灭的影响, 而未关注空泡对凹坑形成, 发展所起的作用, 也未对空泡和蚀坑相互作用的长期过程进行研究. 本文利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性及其发展过程进行了观测, 重点研究了凹坑的驻气特性, 微泡散逸特性以及空泡对蚀坑发展过程的影响.1实验装置及步骤实验在四川大学高分子材料工程国家重点实验室空化室进行, 实验装置与布设图如图1所示. 试件(带有凹坑的玻璃, 铝板或铜板)通过有机玻璃支架固定在透明容器(170 mm×50 mm×90 mm)中, HG-LE高速摄影机(Redlake MASD Inc. USA), Navitar镜头组件以及氙气闪光灯(闪光持续时间600~1400 μs)分别置于容器两侧. 超声空化空蚀试验中, 高速摄影系统分别在3000 frame/s(分辨率512×512), 10000 frame/s (分辨率256×256)或50000 frame/s(分辨率80×80)的拍摄速度下拍摄, 曝光时间为5 μs. 实验所需空化场由VCF1500超声空化系统(Sonics & Material Inc. USA)产生, 净输出功率1200 W, 频率20 kHz. 实验采用二次去离子水, 由DLSB-10/30°恒温循环系统将水温控制在(20 ± 1)℃.为了保证声场的稳定, 超声空化系统的功率, 频率, 换能器浸没深度, 容器盛水量等在实验过程中均保持不变. 在空化系统运行5 min即空化稳定后才开始采集数据. 空化实验时, 分别将带有直径为1 mm图1 超声空化空蚀实验装置与布设图凹坑的玻璃试件水平地, 竖直地放入超声场中, 调整氙气闪光灯和高速摄影机的角度以达到最佳的拍摄效果. 空蚀实验时, 把金属铝板(或铜板)水平置于超声场中持续空蚀60 min(或240 min), 每隔2 min(或5 min)用高速摄影机以10,000 frame/s的频率记录下空化空蚀细节, 每次拍摄约100张照片(持续时间约0.01 s, 曝光时间为5 μs, 帧间隔为100 μs), 实验过程中拍摄位置、焦距、放大倍率均保持不变, 从而兼顾壁面瞬时空化和长期空蚀过程的详细信息.2 超声场中凹坑的空化特性图2为实验中观测到的玻璃壁面凹坑内一个空泡的溃灭和回弹过程. 在超声场中, 凹坑内的单泡空化与平壁单泡空化很相似, 也存在双周期特性[21], 即球形空泡在一个超声周期内溃灭至最小体积(如图2(g), (l)), 然后膨胀成一个环状空泡(或两个独立空泡)(如图2(d), (f), (i)), 在下一个超声周期, 环状空泡(或两个独立的空泡)溃灭至最小体积(如图2(c), (k)), 然后膨胀成一个球形空泡(如图2(a), (b), (e), (h), (j)). 但凹坑内的空泡很少以“单空泡-环状空泡-单空泡”的模式出现, 而多以“单空泡-双空泡-单空泡"”的模式出现, 这可能是因为凹坑内空泡溃灭时产生的微射流比平壁溃灭时要宽"[16], 易于把空泡一分为二, 而附壁射流因为曲率的缘故形成钝角, 使两个空泡较平壁时更为接近. 另外从图中可以看出, 凹坑有会聚和驻留空泡的倾向. 在平壁空化时, 空泡在壁面上游移不定, 捕捉空泡常常变成一个随机过程, 为了1123白立新等: 超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究图2 壁面凹坑内单空泡的溃灭和回弹(拍摄频率3000 frame/s; 曝光时间 5 μs)拍摄理想的效果需要大量重复实验, 而利用凹坑的这一特性, 我们可以在固定的位置拍摄适宜的空泡.图3(a)和(b)分别为t = 0 min 和t = 60 min 时金属铝试件的空化照片, 图3(c)为在为期60 min 的空蚀实验结束后拍摄的蚀坑分布照片. 图3(b)中用字母标示空泡的位置与图3(c)中空蚀蚀坑的位置相对应, 即图3(b)中的a 空泡位于图3(c)中标示的a 蚀坑处. 在t = 0 min 时, 实验刚刚开始, 铝试件表面光滑, 空泡在声流的作用下游移不定. 在t = 60 min 时, 铝试件表面已经变得粗糙, 发生了面蚀, 在局部地方还出现了蚀坑, 发生了点蚀. 空泡倾向于驻留在蚀坑内并反复膨胀图3 铝试件壁面的空化和空蚀(a), (b) t = 0 min 和t = 60 min 时铝试件表面空化现场照片;(c) 空蚀60 min 后铝试件表面的蚀坑分布1124中国科学 E 辑: 技术科学 2009年 第39卷 第6期和溃灭. 在10000 frame/s 的拍摄速度下对蚀坑, 驻留空泡以及游移空泡进行拍摄并对图像进行测量和分析.图4为在各时刻拍摄的约100张照片(需要0.01 s 的拍摄时间)中驻留空泡直径的最大值随时间的变化曲线. 从图中可见驻留空泡最大直径开始震荡较大. 分析原因, 可能是因为实验开始时蚀坑较浅, 若驻留的大空泡延展到小坑之外, 实验观测到的驻留空泡尺寸就大; 而大空泡易被水平声流冲走, 观测到的空泡尺寸则小. 后来震荡减小, 说明蚀坑变大, 空泡稳定驻留, 空泡的膨胀和溃灭即空蚀的过程渐趋于稳定. 另外, 蚀坑a 的驻留空泡最大直径比蚀坑b 的驻留空泡最大直径要大, 这与蚀坑a 处声场强度高于蚀坑b 处的声场强度的情况相符合.图4 蚀坑a 和蚀坑b 驻留空泡最大直径随时间的变化(直线为平均值)图5为蚀坑a 驻留空泡最大直径及其并入空泡的最大直径随时间的变化. 图中的折线是蚀坑a 驻留空泡的最大直径, 下面三角形点标为在该时刻(前后0.01 s 的时间段内)汇入驻留空泡的游移空泡直径. 有时在0.01 s 内会有两个空泡先后汇入(图中用不同的点标表示). 在实验过程中, 观察到在蚀坑a 形成之后有大量空泡并入其中, 表明凹坑有汇聚空泡的倾向. 但除了在蚀坑形成初期之外, 并没有观察到大空泡从蚀坑剥离的现象. 在30000 frame/s 的拍摄频率下对游移空泡并入驻留空泡的过程进行了观察, 发现游移空泡并入后驻留空泡直径明显增大, 这也说明空泡是含气型空泡. 如果有空泡持续并入, 驻留空泡应该逐渐增大, 但图4和5显示驻留空泡最大直径没有增大趋势, 这说明空泡可能以微泡的形式散逸出 去了.图5 蚀坑a 驻留空泡最大直径和并入空泡的最大直径随时间的变化在30000 frame/s 的拍摄频率和较高放大倍数下分别对驻留空泡侧边和顶端进行拍摄, 图6为拍摄的一组典型照片. 空泡溃灭时表面失稳碎裂成许多微泡(图6(b)), 这些微泡并未散逸出去, 而是被流体带向空泡中心方向. 在空泡再次膨胀时, 出现少量微泡距离空泡边壁较远的地方(图6(e)). 这些微泡随着驻留空泡的溃灭和膨胀在附近摇摆几个周期后最终散逸出去, 但是以这种方式散逸出去的微泡很少. 图7为一组竖直玻璃凹坑空泡溃灭时微泡的散逸照片. 图7(a)为空泡膨胀至最大体积时的照片, 图7(b)~(f)分别为该空泡在不同周期溃灭时微泡散逸的瞬间. 从图中可以清晰的看到空泡顶部有许多微泡, 可见微泡的主要散逸方式是从空泡顶部被抛出. 这种微泡从空泡顶端散逸的特性可能与微射流有关. 壁面凹坑的这种汇聚大空泡散逸小空泡的特性使它成为一个空化核的发生源.3 超声场中蚀坑的发展过程图8为图3中的蚀坑a 和蚀坑b 的直径随时间的变化. 对于蚀坑b, 在A 1时刻开始发现有空泡驻留现象, 空泡驻留几个声周期后旋即离开; 在B 1时刻空泡开始长期驻留在蚀坑中. 对于蚀坑a, 在A 2时刻开始出现空泡短期驻留现象, 在B 2时刻空泡开始长期驻留在蚀坑. 在B 1时刻和B 2时刻以后各点, 蚀坑中一直有空泡存在, 说明小坑中驻留空泡是一种常态, 这与玻璃凹坑的实验结果相符. 在有空泡驻留后, 蚀坑直径迅速增加, 说明空泡的驻留对蚀坑有加速空蚀的作用, 凹坑开始驻留游移空泡可以被看作是蚀坑1125白立新等: 超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究图6 蚀坑a 驻留空泡侧边的微泡散逸过程(拍摄频率50000 frame/s; 曝光时间 5 μs)图7 玻璃凹坑驻留空泡及其顶端的微泡散逸进入空蚀加速阶段的标志.从图8可以看出, 蚀坑b 的酝酿期较短, 而蚀坑a 的酝酿期较长, 两者在经过酝酿期后直径都迅速增加, 但蚀坑a 的直径增加得更为迅速. 蚀坑b 在实验之初即发现有一个由于金属加工造成的小瑕疵, 而图8 铝坑a 和铝坑b 的直径随时间的变化及表面的蚀坑分布蚀坑a 在A 2以前的各个数据点未发现有明显的凹陷,尽管蚀坑a 处的声场强度高于蚀坑b 处的声场强度, 蚀坑b 仍然先于蚀坑a 进入空蚀加速阶段, 这说明初始壁面状况对酝酿期的长短有重要影响. 蚀坑a 的直径增加得更为迅速, 与图4中蚀坑a 的驻留空泡最大直径比蚀坑b 的驻留空泡最大直径要大一样, 主要是由于蚀坑a 处的声场强度高于蚀坑b 处的声场强度. 由实验可知, 超声场中空蚀凹坑直径随时间变化曲线在空蚀加速段基本为线形关系, 其斜率与场强有关, 截距与初始壁面状况有关.在图8中铝坑直径达到0.42 mm 之后不再增加(如图8中C 1和C 2时刻). 不只是蚀坑a 和蚀坑b, 图3中所有蚀坑, 不论产生时间的早晚, 都不超过0.5 mm, 在另一次90 min 的掺气减蚀实验中(实验条件相同), 所有蚀坑的直径也都未超过0.5 mm. 图9为铜板空1126中国科学E辑: 技术科学 2009年第39卷第6期图9 铜坑a, b和c的直径随时间的变化及表面的蚀坑分布蚀实验中蚀坑直径随时间的变化及表面的蚀坑分布. 从图中可以看出铜坑a和铜坑b的直径达到0.45 mm 后也不再增加, 而铜坑c的初始直径大于0.5 mm, 在实验过程中其直径一直保持不变. 这说明, 在确定的工况下, 蚀坑的最大直径可能存在一个确定的稳定值, 在蚀坑直径达到某一数值后基本不再增加, 这对我们了解和预测空蚀过程很有帮助.这一稳定值的存在与凹坑的驻气特性和微泡散逸特性相关联, 如图10所示. 在确定的超声场中, 当驻留空泡较小时会通过汇聚游移空泡的方式长大, 当驻留空泡较大时会通过微泡散逸的方式使尺寸减小, 这样驻留空泡会保持相对稳定尺寸, 尤其在稳定值之后(如图4中的阴影区域). 在确定的超声场中, 空泡直径决定了其从超声场中获得的能量, 也就决定了空泡溃灭时施加在壁面的能量. 空泡溃灭时以冲击波和微射流的方式对壁面造成破坏. 当释放能量一定时, 可造成破坏的有效冲击波直径和有效附壁射流直径也是一定的. 因此, 在确定的超声场中, 蚀坑的直径也存在一个确定的稳定值, 达到这个稳定值以后蚀坑直径不再增加. 以上所述是平壁上单个蚀坑直径的变化规律. 当发生长时间高强度空蚀图10 硬壁凹坑空化空蚀特性时, 往往还会出现蚀坑的叠加现象, 即蚀坑的边界相侵或在原蚀坑内产生新蚀坑. 叠加蚀坑中每一个蚀坑直径的变化规律与平壁上单个蚀坑直径的变化规律相似.4结论进行了玻璃凹坑空化实验和铝试件和铜试件的空蚀实验, 利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性进行了实验研究, 重点研究了凹坑的驻气特性, 微泡散逸特性以及蚀坑的发展过程. 发现凹坑有聚集和驻留空泡的倾向, 空泡驻留后蚀坑直径迅速增加, 蚀坑开始驻留游移空泡是空蚀进入加速阶段的标志. 凹坑倾向于会聚较大的游移空泡并散逸微泡. 微泡主要从驻留空泡顶端散逸出去, 侧边散逸的微泡很少. 壁面蚀坑酝酿期的长短与壁面初始状况有关, 蚀坑直径的增大速度与声场强度有关. 在确定的实验条件下, 蚀坑直径存在一个确定的稳定值, 达到这个稳定值后蚀坑直径不再增加. 这一稳定值的存在是由于在确定的超声场中, 凹坑驻气特性和微泡散逸特性达到平衡的结果. 了解这一特性有助于明确空蚀的状态和预测空蚀的过程.参考文献1 Rayleigh L. 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973计划2013年立项项目清单
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免疫识别、免疫调节与免疫相关性疾病发生和干预的基础研究卫生部中国医学科学院基础医学研究所曹雪涛2013CB530600 脂肪代谢调控与肥胖的病理生理机制研究教育部清华大学李蓬2013CB530700 血管衰老及相关疾病的生物学基础教育部北京大学田小利2013CB530800 内脏器官衰老与相关老年疾病防治的基础研究中国人民解放军总后勤部卫生部中国人民解放军总医院孙雪峰2013CB530900 老年痴呆症的分子机制研究深圳市科技创新委员会香港科技大学深圳研究院叶玉如2013CB531100 心律失常的发病机理和干预研究教育部、上海市科学技术委员会同济大学陈义汉2013CB531200 线粒体功能障碍致早期心衰机制及干预策略研究教育部北京大学程和平2013CB531300 重度抑郁症遗传与神经生物学基础及干预研究教育部、中国科学院华中科技大学陈建国2013CB531400 肠道细菌微生态与感染及代谢的研究教育部、浙江省科学技术厅浙江大学项春生2013CB531500 持续性感染防治疫苗和佐剂的基础研究中国人民解放军总后勤部卫生部、重庆市科学技术委员会中国人民解放军第三军医大学叶丽林项目编号项目名称项目依托部门项目第一承担单位项目首席科学家2013CB531600 重要侵袭性致病真菌与宿主相互作用的分子与细胞机制研究中国人民解放军总后勤部卫生部会、上海市科学技术委员中国人民解放军第二军医大学姜远英2013CB531700 “脾主运化、统血”等脾脏象理论研究国家中医药管理局辽宁中医药大学杨关林2013CB531800 基于利水功效的中药药性理论研究国家中医药管理局黑龙江中医药大学匡海学2013CB531900 基于临床的针麻镇痛与机体保护机制研究国家中医药管理局、教育部北京大学万有2013CB532000 中医理论体系框架结构研究国家中医药管理局中国中医科学院中医基础理论研究所潘桂娟2013CB632100 硅芯片光互连用发光材料及器件研究教育部、浙江省科学技术厅浙江大学杨德仁2013CB632200 低成本、高延展性高强镁合金材料基础研究重庆市科学技术委员会、教育部重庆大学刘庆2013CB632300 高性能合成润滑材料设计制备与使役的基础研究中国科学院中国科学院兰州化学物理研究所刘维民2013CB632400 高效光催化材料及其应用的基础研究江苏省科学技术厅、教育部南京大学邹志刚2013CB632500 面向规模化应用的高性能热电材料及器件的基础研究教育部、中国科学院武汉理工大学张清杰2013CB632600 共伴生难处理两性金属资源高效清洁转化综合利用基础研究中国科学院中国科学院过程工程研究所刘会洲2013CB632700 人工微结构红外光电耦合材料及深空目标探测应用研究教育部南京大学陈延峰项目编号项目名称项目依托部门项目第一承担单位项目首席科学家2013CB632800 红外量子级联激光材料和探测材料基础研究中国科学院中国科学院半导体研究所刘峰奇2013CB632900 高性能声功能材料研究及其在高端超声换能器中的集成工业和信息化部哈尔滨工业大学曹文武2013CB733000 航天工程中机构可靠性及其动力学和系统控制基础研究中国航天科技集团公司北京空间飞行器总体设计部谭春林2013CB733100 全天时全方位多形式安全交会对接精确控制理论及方法研究中国航天科技集团公司中国空间技术研究院杨保华2013CB733200 西部山区大型滑坡致灾因子识别、前兆信息获取与预警方法研究四川省科学技术厅成都理工大学黄润秋2013CB733300 高分辨率高精度地球重力场及其时变效应和动力学机理研究教育部武汉大学李建成2013CB733400 复杂地表遥感信息动态分析与建模国家林业局、中国科学院中国林业科学研究院李增元2013CB733500 生物甲烷系统中若干过程高效转化的基础研究江苏省科学技术厅、教育部南京工业大学陆小华2013CB733600 工业生物过程高效转化与系统集成的科学基础研究教育部北京化工大学谭天伟2013CB733700 分子探针识别肿瘤特异性血清标志物的基础研究教育部华东理工大学田禾2013CB733800 基于多模态影像的缺血性脑卒中诊治新技术的关键科学问题研究江苏省科学技术厅、教育部东南大学滕皋军2013CB733900 抗逆元器件的构建和机理研究教育部清华大学林章凛项目编号项目名称项目依托部门项目第一承担单位项目首席科学家2013CB734000 合成微生物体系的适配性研究中国科学院中国科学院微生物研究所张立新2013CB834100 与激光聚变、自然灾害和深空探测等相关的非线性动力学斑图和轨道稳定性研究教育部南京大学王炜2013CB834200 现代密码学中若干关键数学问题研究及其应用教育部清华大学王小云2013CB834300 大亚湾中微子实验的物理研究中国科学院中国科学院高能物理研究所王贻芳2013CB834400 原子核稳定性极限的新物理与新技术教育部北京大学叶沿林2013CB834500 分子聚集体的化学：多层次功能组装体构筑与动态调控教育部、上海市科学技术委员会清华大学张希2013CB834600 化学反应动力学的若干前沿课题研究中国科学院中国科学院大连化学物理研究所杨学明2013CB834700 聚集诱导发光的基本科学问题深圳市科技创新委员会香港科技大学深圳研究院唐本忠2013CB834800 金属配合物激发态的基础与应用研究深圳市科技创新委员会香港大学深圳研究院支志明2013CB834900 利用南极巡天望远镜在超新星宇宙学及太阳系外行星方面的前沿研究中国科学院中国科学院紫金山天文台王力帆2013CB835000 从雪球事件到寒武纪大爆发：距今6亿年前后的生物与环境演变中国科学院中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎2013CB835100 遗忘的功能和机制研究中国科学院、云南省科学技术厅中国科学院昆明动物研究所徐林项目编号项目名称项目依托部门项目第一承担单位项目首席科学家2013CB835200 我国重要家养动植物在人工选择下进化的遗传和基因组机制中国科学院、云南省科学技术厅中国科学院昆明动物研究所王文2013CB835300 适应性免疫的起源与演化中国科学院、上海市科学技术委员会中国科学院上海生命科学研究院刘小龙2013CB035400 硬岩掘进装备的关键基础问题教育部、浙江省科学技术厅浙江大学杨华勇2013CB035500 核电站紧急救灾机器人的基础科学问题上海市科学技术委员会、教育部上海交通大学高峰2013CB035600 高效能电机系统可靠运行与智能控制基础研究教育部、天津市科学技术委员会天津大学夏长亮2013CB035700 先进重型燃气轮机制造基础研究教育部西安交通大学王铁军2013CB035800 高品质复杂零件智能制造基础研究教育部华中科技大学李国民2013CB035900 高碾压混凝土坝全寿命周期性能演变机理与安全控制教育部、天津市科学技术委员会天津大学钟登华2013CB036000 深长隧道突水突泥重大灾害致灾机理及预测预警与控制理论教育部、山东省科学技术厅山东大学李术才2013CB036100 海洋超大型浮体复杂环境响应与结构安全性中国船舶重工集团公司中国船舶重工集团公司第七○二研究所吴有生2013CB036200 高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全基础研究四川省科学技术厅、教育部西南交通大学翟婉明2013CB036300 特大跨桥梁全寿命灾变控制与性能设计的基础研究教育部、上海市科学技术委员会同济大学葛耀君项目编号项目名称项目依托部门项目第一承担单位项目首席科学家2013CB036400 梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论水利部中国水利水电科学研究院王浩青年科学家专题项目编号项目名称项目依托部门项目第一承担单位项目负责人2013CB336500社交网络信息传播分析与挖掘教育部浙江大学蔡登2013CB336600 密集立体覆盖移动通信的基础理论与方法教育部清华大学陈巍2013CB336700协同异构蜂窝层叠网络基础理论与关键技术教育部北京大学宋令阳2013CB336800基于周期极化铌酸锂波导的高效低噪频率转换研究及应用中国科学院中国科学技术大学张强2013CB836900调控生命过程的若干天然产物的合成、靶点和机制研究上海市科学技术委员会、中国科学院中国科学院上海有机化学研究所李昂2013CB837000暗物质粒子探测卫星的相关科学研究中国科学院中国科学院紫金山天文台范一中2013CB837100寒武纪叶足动物及其相关蜕皮动物起源与演化研究陕西省科学技术厅西北大学刘建妮2013CB837200三维微纳米生物芯片在肝癌和大肠癌肝转移中的分子机理研究及其临床应用中国科学院中国科学院物理研究所刘雳宇2013CB837300人类概念认知的脑网络基础教育部北京师范大学毕彦超。
科技部公布973计划立项项目清单 共批准94个项目
中国人民解放军国防科学技术大学
中国人民解放军国防科学技术大学
2011CB013300
人体运动功能重建的生机电一体化科学基础
朱向阳
上海交通大学
上海市科学技术委员会教育部
2011CB013400
机械装备再制造的基础科学问题
张洪潮
大连理工大学
教育部
2011CB013500
大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制
教育部浙江省科学技术厅
2012CB719900
高分辨率遥感数据精处理和空间信息智能转化的理论与方法
单杰
武汉大学
教育部
2012CB720000
行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究
崔平远
北京理工大学
工业和信息化部
2012CB720100
大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究
陈清焰
天津大学
教育部天津市科学技术委员会
祝之明
中国人民解放军第三军医大学
中国人民解放军总后勤部卫生部重庆市科学技术委员会
2012CB517900
儿童孤独症的遗传基础及其致病的机制研究
夏昆
中南大学
湖南省科学技术厅教育部
2012CB518000
重大心血管疾病相关GPCR新药物靶点的基础研究
肖瑞平
北京大学
教育部
2012CB518100
严重创伤重要组织器官修复再生的细胞与分子机制研究
付小兵
中国人民解放军总医院
中国人民解放军总后勤部卫生部
2012CB518200
高原低氧环境的快速习服与长期适应机制研究
范明
中国人民解放军军事医学科学院基础医学研究所
2014年973项目 重大科技计划 973计划 (2015)
2014CB744100 问题研究
四川省科学技术厅
心
深空探测高精度天文测角测速组合自主导航基础研 中国航天科技集团公司、上
2014CB744200 究
海市科学技术委员会
上海卫星工程研究所
2014CB744300 油页岩高效油气炼制与过程节能科学基础
中国科学院
中国科学院过程工程研究所
基于空间微生物变异规律探索重要感染疾病防控新 中国人民解放军总后勤部卫
2014CB542700
教育部
复制及宿主免疫应答的机制
中国农业大学
2014CB542800 新发、再发传染病病原体的结构研究
教育部、天津市科学技术委 南开大学
员会
2014CB542900 中医证候临床辨证的基础研究
国家中医药管理局
中国中医科学院
2014CB543000 “上火”的机理与防治研究
国家中医药管理局、浙江省 浙江中医药大学
兰州大学
冯其明 黄飞 杨士勇 沈保根 张洪杰
王庶民 赵继成 李志辉
张伟 许光文 刘长庭
卢光明
胡斌
—5—
黄土重大灾害及灾害链的发生、演化机制与防控理 国土资源部、陕西省科学技
2014CB744700
长安大学
论
术厅
2014CB744800 大型客机减阻机理和方法研究
中国商用飞机有限责任公 中国商用飞机有限责任公司 司、上海市科学技术委员会 上海飞机设计研究院
北京邮电大学
2014CB340000 基于光子轨道角动量（OAM）的新型通信体制研究 教育部
中山大学
2014CB340100 多维复用光纤通信基础研究
教育部、天津市科学技术委 天津大学
新型广谱米酒乳杆菌素对金黄色葡萄球菌的抑菌作用研究
Inhib ito ry action of a new broad - range sakacin to staphylococcus aureus
GAO Y u 2ron g, J IA Sh i2ru3 , TAN Zh i2le i
( Key Labora tory of Industrial M icrobiology, M inistry of Education, Tianjin UniБайду номын сангаасersity of Science and Technology, Tianjin300457)
中国食品添加剂 China Food Additive
s
试验研究
新型广谱米酒乳杆菌素对 金黄色葡萄球菌 的抑菌作用研究
高玉荣 , 贾士儒 3 , 谭之磊
(工业微生物教育部重点实验室 , 天津科技大学生物工程学院 , 天津 300457)
摘 要 : 测定了由米 酒乳杆菌 C2产生 的广谱细 菌素对金黄 色葡萄球 菌的最小抑 菌浓度和杀 菌浓度 , 并 以金黄色葡萄球菌 ATCC63589为模式菌株 , 通过细菌素对细胞渗透性影响及采用原子力 显微镜研 究了这种细 菌素的作用机理 。结果表明 , 这种细菌素 对金黄 色葡萄 球菌的 最小抑 菌浓度 和杀 菌浓 度分别 为 20AU /mL和 80AU /mL。同时杀菌浓度的细菌素引起了胞内紫外 吸收 物质的大量泄露 , 并引起细胞表面的严重皱折和破裂 。 因此 , 可推断杀菌浓度下细菌素导致了金黄色葡萄球菌 ATCC63589细胞壁和细胞膜的 破坏 , 引起 胞内物质的 泄露 , 最终导致细胞的死亡 。
973标书 XXXXCB833200-具有重要生物活性的天然产物的化学合成
项目名称：具有重要生物活性的天然产物的化学合成首席科学家：马大为中国科学院上海有机化学研究所起止年限: 201０年１月－２014年8月依托部门: 上海市科委ﻬ一、研究内容本项目的关键科学问题是针对具有重要生物活性的复杂天然产物,发展高效和实用的合成路线,以及阐明它们的结构–活性关系和作用机制。
本项目的将选择一批具有抗癌、抗炎、抗病毒和免疫等活性的生物碱、环酯肽、皂甙和萜类天然产物为研究对象,在综合运用化学各学科新概念、新知识和新技术的基础上，根据目标分子的结构进行巧妙设计，发展高效、高选择性的合成策略,实现一系列具有生物活性复杂天然产物的化学合成。
在合成方式上将重点发展基于串联反应、多组分反应、无保护基合成、原子经济性、催化反应的应用和仿生合成等新合成策略。
通过合成建立天然产物和其类似物的化合物库，与生物学家合作进行活性测试,总结相关天然产物的结构-活性关系。
在此基础上发展用于化学生物学研究的天然产物分子探针，以发现相应天然产物的作用靶点。
对于所发现的活性和选择性更好的化合物,我们将深入探索其成为治疗重要疾病药物的可能性。
在进行目标分子的合成和相关生物学研究的同时,也将关注合成中的反应方法学问题，发展一些高效、选择性好、具有普适性的新合成方法。
本项目具体的研究内容的如下：1.开展一些具有具有抗癌、抗炎、抗菌、抗病毒等活性,结果新颖，目前还没有全合成的报道，有一定的合成挑战性的天然产物进行全合成研究,争取实现它们的第一次全合成。
这样的工作也为加快后续的构效关系研究和结构优化打下基础。
所涉及的目标分子包括具有抗癌、抗炎、抗菌、抗病毒等活性的生物碱类化合物PＦ12７0Ａ／B/C, LｏngerａcinｐｈｙlliｎA，Sｉeｂoldine A和ＨaoｕaｍｉnｅA/B；环肽类化合物PｉperazimycinＡ, Chlｏptoｓin和Celogeｎtｉn C;皂甙和萜类化合物Sepｏｓiｔoｓiｄe A, ＳolanoeclepｉｎA，Ｍicrａｎdilａｃtone A, MaoecrｙｓtalＶ和Ainsliatrimer Ａ/B等。
3.973计划2007年立项项目清单
973计划2007年立项项目清单项目编号项目名称项目首席项目第一承担单位2007CB108700 植物生殖发育与育性的分子基础及其在农业中的应用孙蒙祥武汉大学2007CB108800 作物特殊营养成分的代谢及其调控研究黄继荣中国科学院上海生命科学研究院2007CB108900 中国西部牧草、乡土草遗传及选育的基础研究南志标兰州大学2007CB109000 主要农作物杂种优势形成机理及利用途径研究孙其信中国农业大学2007CB109100 农业鼠害暴发成灾规律、预测及可持续控制的基础研究张知彬中国科学院动物研究所2007CB109200 农业转基因生物安全风险评价与控制基础研究彭于发中国农业科学院植物保护研究所2007CB109300 肥料减施增效与农田可持续利用基础研究何萍中国农业科学院农业资源与农业区划研究所2007CB209400 煤矿突水机理与防治基础理论研究缪协兴中国矿业大学2007CB209500 中低丰度天然气藏大面积成藏机理与有效开发的基础研究赵文智中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院2007CB209600 非均质油气藏地球物理探测的基础研究王尚旭中国石油大学（北京）2007CB209700 电动汽车用低成本、高密度蓄电（氢）体系基础科学问题研究马紫峰上海交通大学2007CB209800 超临界水堆关键科学问题的基础研究程旭上海交通大学2007CB209900 嬗变核废料的加速器驱动次临界系统关键技术研究赵志祥中国原子能科学研究院2007CB210000 “均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧技术的基础研究苏万华天津大学2007CB210100 燃气轮机的高性能热－功转换科学技术问题研究蒋洪德中国科学院工程热物理研究所黄伟光清华大学2007CB210200 生物质转化为高品位燃料的基础问题研究朱清时浙江大学教育部骆仲泱中国科学技术大学中国科学院2007CB210300 大规模非并网风电系统的基础研究顾为东南京航空航天大学2007CB310400 太赫兹重要辐射源、探测及应用的基础研究张怀武中国科学院上海微系统与信息技术研究所2007CB310500 微纳生物医学传感器及超敏感探测相关基础研究王太宏湖南大学2007CB310600 多域协同宽带无线通信基础研究陆建华清华大学2007CB310700 可测可控可管的IP网的基础研究孟洛明北京邮电大学2007CB310800 需求工程--对复杂系统的软件工程的基础研究李德毅武汉大学2007CB310900 计算系统虚拟化基础理论与方法研究金海华中科技大学2007CB311000 基于视觉认知的非结构化信息处理理论与关键技术徐宗本西安交通大学2007CB411300 中亚造山带大陆动力学过程与成矿作用肖文交新疆自然资源与生态环境研究中心2007CB411400 华南陆块陆内成矿作用:背景与过程胡瑞忠中国科学院地球化学研究所2007CB411500 我国冰冻圈动态过程及其对气候、水文和生态的影响机理与适应对策秦大河中国科学院寒区旱区环境与工程研究所2007CB411600 中国-喜马拉雅地区生物多样性演变和保护研究张亚平中国科学院昆明动物研究所2007CB411700 南海大陆边缘动力学及油气资源潜力李家彪国家海洋局第二海洋研究所2007CB411800 北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响吴立新中国海洋大学2007CB511900 中国人口重大出生缺陷遗传和环境交互作用机理研究郑晓瑛北京大学2007CB512000 心力衰竭与恶性心律失常的防治基础研究杨宝峰哈尔滨医科大学2007CB512100 重大心脏疾病分子机理和干预策略的基础研究程和平北京大学2007CB512200 我国重要神经性致盲眼病的发病机制及防治研究葛坚中山大学2007CB512300 抑郁症和精神分裂症的基因与环境相互作用机理研究赵春杰东南大学2007CB512400 免疫识别、免疫调节与免疫相关性疾病发生和干预的基础研究曹雪涛中国人民解放军第二军医大学2007CB512500 基于临床的针麻镇痛的基础研究韩济生北京大学2007CB512600 中药药性理论相关基础问题研究王振国山东中医药大学2007CB512700 基于中医特色疗法的理论基础研究房敏上海中医药大学2007CB512800 乙型肝炎重症化的发病机制、临床预警和转归的基础研究王福生中国人民解放军第302医院2007CB512900 乙型肝炎重症化临床监测及防治的基础研究宁琴华中科技大学2007CB513000 肠道微生态与感染的基础研究项春生浙江大学2007CB513100 疟疾、血吸虫病防治的基础研究潘卫庆中国人民解放军第二军医大学2007CB613200 人工结构材料的能带设计、制备和效应的基础研究资剑复旦大学2007CB613300 光催化材料及其应用的基础研究邹志刚南京大学2007CB613400 硅基发光材料与光互连的基础研究杨德仁浙江大学2007CB613500 两性金属／黑色金属紧缺矿产资源高效清洁综合利用的基础研究刘会洲中国科学院过程工程研究所2007CB613600 战略有色金属难处理资源高效分离提取的科学基础陈启元中南大学2007CB613700 高性能镁合金加工与制备中的关键基础问题刘庆重庆大学2007CB613800 钛合金材料制备及加工的基础研究赵永庆西北有色金属研究院2007CB613900 高性能轻质非晶态合金若干关键基础问题研究张涛北京航空航天大学2007CB714000 全断面大型掘进装备设计制造中的基础科学问题杨华勇浙江大学2007CB714100 复杂条件下坝堤溃决机理与风险调控理论王光谦清华大学2007CB714200 城市工程的地震破坏与控制王自法中国地震局工程力学研究所2007CB714300 工业生物技术的过程科学基础研究谭天伟北京化工大学2007CB714400 陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法李小文中国科学院遥感应用研究所2007CB714500 微流控学在化学和生物医学中的应用基础研究杨芃原复旦大学2007CB714600 大型风力机的空气动力学基础研究王同光南京航空航天大学2007CB714700 高速列车安全服役关键基础问题研究张卫华西南交通大学2007CB814800 非线性科学核心问题及其重要应用王炜南京大学2007CB814900 金融风险控制中的定量分析与计算彭实戈山东大学2007CB815000 放射性核束物理与核天体物理叶沿林北京大学2007CB815100 高能量密度物理中的若干前沿问题张杰中国科学院物理研究所2007CB815200 复杂体系的化学动力学研究杨学明中国科学院大连化学物理研究所2007CB815300 物质性能的分子设计与结构调控郑兰荪厦门大学2007CB815400 宇宙大尺度结构和星系形成与演化景益鹏中国科学院上海天文台2007CB815500 基于通信卫星的卫星导航系统的基础研究和理论探索施浒立中国科学院国家天文台2007CB815600 若干生命活动中矿化作用的环境响应机制研究鲁安怀北京大学2007CB815700 人工选择与基因组进化王文中国科学院昆明动物研究所2007CB815800 免疫系统起源的亿年超前追溯徐安龙中山大学2007CB815900 大洋碳循环与气候演变的热带驱动翦知湣同济大学2007CB816000 基于全球实时海洋观测计划（Argo）的上层海洋结构、变异及预测研究陈大可国家海洋局第二海洋研究所2007CB816100 大型强子对撞机实验CMS和ATLAS的物理研究陈和生（项目协调人）中国科学院高能物理研究所。
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973项目标书工业生物技术的过程科学基础研究
年度：2007-2011
首席科学家：谭天伟
【研究内容】
·学术思路
过程工程科学问题是我国生物技术产业化的关键。
本项目将以可再生生物质为原料进行大规模生物转化合成大宗化学品为主线，研究从细胞
群出发放大到工业化生产的工业生物过程基础科学。
工业生物过程与传统化工过程的根本区别，在于工业微生物细胞具有生理活性及代谢的多样性。
因此工业生物反应过程面向的是复杂、多相的生物转化体系，工业生物分离过程面向的是组份多、结构类似物多的生物分离与纯化体系。
为此，本项目将从细胞群体、单元过程和系统优化三个层次进行工业生物过程的深入研究，如图9所示。
第一层次主要关注细胞群的群体效应现象、多相复杂生物体系的生化、生理特性分析及物质和能量传递规律，以及过程放大的基本原理和策略研究，着重进行新现象、新规律和新机理的发现和认识；第二层次主要进行基于细胞群体效应的直接放大、生物/化学方法耦联的系统优化以及多产物联产目标的全局调控研究，着重进行反应器直接放大、生物/化学方法耦联、多目标联产以及反应/分离单元耦合等新技术和新方法的创新研究；最终通过生物发酵过程和生物分离过程的集成优化，实现整个工业生物过程的系统集成与全局优化。
·技术路线
本项目所涉及的技术途径下图所示。
以工业生物过程从微观到宏观的放大为主线，由实验分析手段结合分子模拟计算，完成工业生物过程从小到大、从细胞群培养到大规模工业化生产中所涉及的关键科学问题的认识与研究。
利用化学信号分析与分子鉴定技术，研究工业生物放大过程的细胞群体效应现象；利用流场测试与物性分析技术，进行生物体系的传递与模型化研究；
利用计算流体力学方法与技术，进行反应器与过程放大研究；利用代谢物及生理特性分析技术，进行生物反应过程调控；利用分离介质制备、色谱与膜分离等技术，进行分离单元集成研究；利用多目标动态优化策略，进行工业生物过程的优化控制，从而阐明工业生物过程中细胞群体行为的变化规律、多相生化计算方法和理论模型、基于生物生理特性和传递特性的直接放大原理、生物/化学方法耦联和多产物联产策略、反应与分离过程单元集成原理以及工业生物过程的系统控制与优化方法等主要工业过程环节的关键科学问题。
·研究方向
·年度计划。