2021年47卷5期
2021, 47(5)
:519-527.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200929001
摘要:
伴随着化学工程学科基础理论的发展与应用领域的拓宽，结合现代农业的迫切需求和发展趋势，化学工程与农业学科互相渗透、交叉孵化出农业化工新领域。本文尝试归纳农业化工的内涵，并综述了农业化工领域纳米农用化学品的制备和应用，重点介绍以瞬时纳米沉淀技术为代表的纳米农药制备技术，环境响应型控释农药和纳米农药的迁移规律，以及利用控释肥料和农药促进水肥药一体化新技术的发展。最后对农业化工的未来发展进行了展望。
伴随着化学工程学科基础理论的发展与应用领域的拓宽，结合现代农业的迫切需求和发展趋势，化学工程与农业学科互相渗透、交叉孵化出农业化工新领域。本文尝试归纳农业化工的内涵，并综述了农业化工领域纳米农用化学品的制备和应用，重点介绍以瞬时纳米沉淀技术为代表的纳米农药制备技术，环境响应型控释农药和纳米农药的迁移规律，以及利用控释肥料和农药促进水肥药一体化新技术的发展。最后对农业化工的未来发展进行了展望。
2021, 47(5)
:528-536.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200929002
摘要:
农药的减量增效是近年来农药领域的关键问题，使用纳米载体技术将农药制成纳米农药为解决这一难题提供了新思路。不同于大多数基于热力学平衡组装的纳米载体技术，新兴的瞬时纳米沉淀法基于动力学控制原理、通过化学工程上的流体湍流混合方式制备纳米材料。这种方法不仅具有载药率高、制备时间短、易于放大与连续化生产等特点，还可以系统地调控纳米微观结构，如形貌、内部结构、表面结构等，为纳米材料在农药领域进一步的高效和低毒利用提供帮助。本文综述了瞬时纳米沉淀法在纳米结构调控及农业上的应用。
农药的减量增效是近年来农药领域的关键问题，使用纳米载体技术将农药制成纳米农药为解决这一难题提供了新思路。不同于大多数基于热力学平衡组装的纳米载体技术，新兴的瞬时纳米沉淀法基于动力学控制原理、通过化学工程上的流体湍流混合方式制备纳米材料。这种方法不仅具有载药率高、制备时间短、易于放大与连续化生产等特点，还可以系统地调控纳米微观结构，如形貌、内部结构、表面结构等，为纳米材料在农药领域进一步的高效和低毒利用提供帮助。本文综述了瞬时纳米沉淀法在纳米结构调控及农业上的应用。
2021, 47(5)
:537-546.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200724001
摘要:
纳米农药因粒径小、药力高、分散性好等优势，受到人们的日益青睐。然而，受制于现有的农药制剂技术，纳米农药工业化制备的成本普遍较高，尚未能在以量换利的农药领域获得较好应用。近年来，在国家有关农药减施增效的政策引导下，纳米农药的应用刻不容缓。本综述介绍一种高效制备具有超高负载量的纳米水分散体系的新技术−瞬时纳米制备（Flash nanoformation, FNF）技术，该技术可实现纳米农药的快速、大量、经济制备。
纳米农药因粒径小、药力高、分散性好等优势，受到人们的日益青睐。然而，受制于现有的农药制剂技术，纳米农药工业化制备的成本普遍较高，尚未能在以量换利的农药领域获得较好应用。近年来，在国家有关农药减施增效的政策引导下，纳米农药的应用刻不容缓。本综述介绍一种高效制备具有超高负载量的纳米水分散体系的新技术−瞬时纳米制备（Flash nanoformation, FNF）技术，该技术可实现纳米农药的快速、大量、经济制备。
2021, 47(5)
:547-554.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20201010001
摘要:
以高效氯氟氰菊酯(LC)为模型药物，通过物理吸附作用将LC负载在氨基化中空介孔二氧化硅(HMSN)纳米粒中，通过酰胺化反应在HMSN表面接枝羧甲基-β-环糊精(CM-β-CD)作为封堵分子，制备得到α-淀粉酶响应型CM-β-CD/LC/HMSN纳米粒。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、N2物理吸附-脱附及Zeta电位测试等实验证实该纳米粒制备的可行性。体外释放实验结果表明，在α-淀粉酶存在的条件下，CM-β-CD/LC/HMSN中LC的释放率可达55%，在无酶条件下LC的释放率仅约为20%，表明该农药配方的酶依赖性较强。分别采用浸叶法和浸虫法测定CM-β-CD/LC/HMSN对黏虫幼虫的杀虫活性，浸叶法测定结果表明CM-β-CD/LC/HMSN对黏虫幼虫具有良好的杀虫效果，但浸虫法效果较差。这一差异的原因可能是CM-β-CD/LC/HMSN在靶标幼虫体内可酶解环糊精从而释放LC，导致黏虫幼虫死亡。
以高效氯氟氰菊酯(LC)为模型药物，通过物理吸附作用将LC负载在氨基化中空介孔二氧化硅(HMSN)纳米粒中，通过酰胺化反应在HMSN表面接枝羧甲基-β-环糊精(CM-β-CD)作为封堵分子，制备得到α-淀粉酶响应型CM-β-CD/LC/HMSN纳米粒。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、N2物理吸附-脱附及Zeta电位测试等实验证实该纳米粒制备的可行性。体外释放实验结果表明，在α-淀粉酶存在的条件下，CM-β-CD/LC/HMSN中LC的释放率可达55%，在无酶条件下LC的释放率仅约为20%，表明该农药配方的酶依赖性较强。分别采用浸叶法和浸虫法测定CM-β-CD/LC/HMSN对黏虫幼虫的杀虫活性，浸叶法测定结果表明CM-β-CD/LC/HMSN对黏虫幼虫具有良好的杀虫效果，但浸虫法效果较差。这一差异的原因可能是CM-β-CD/LC/HMSN在靶标幼虫体内可酶解环糊精从而释放LC，导致黏虫幼虫死亡。
2021, 47(5)
:555-560.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200927001
摘要:
采用反渗透膜法处理废水的过程中反渗透膜表面极易结垢，往往要加入相应的膜阻垢剂，膜阻垢剂的好坏直接影响废水处理的效果及效率。采用光乳液聚合法合成具有核壳结构的高分子组装体纳米球形聚电解质刷，其在静电作用和道南效应影响下具有选择性吸附反离子及抑制无机盐结晶的特性，可以作为膜阻垢剂应用于废水处理过程。通过动态评估实验研究了纳米球形聚电解质刷对CaCO3、CaSO4、Al3+的阻垢性能，结果表明与进口阻垢剂ASD-200相比，纳米球形聚电解质刷对CaCO3、CaSO4的阻垢性能分别提升了100%和30%，且具有出色的阻Al3+性能。
采用反渗透膜法处理废水的过程中反渗透膜表面极易结垢，往往要加入相应的膜阻垢剂，膜阻垢剂的好坏直接影响废水处理的效果及效率。采用光乳液聚合法合成具有核壳结构的高分子组装体纳米球形聚电解质刷，其在静电作用和道南效应影响下具有选择性吸附反离子及抑制无机盐结晶的特性，可以作为膜阻垢剂应用于废水处理过程。通过动态评估实验研究了纳米球形聚电解质刷对CaCO3、CaSO4、Al3+的阻垢性能，结果表明与进口阻垢剂ASD-200相比，纳米球形聚电解质刷对CaCO3、CaSO4的阻垢性能分别提升了100%和30%，且具有出色的阻Al3+性能。
2021, 47(5)
:561-568.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200911005
摘要:
经氧化剂与亲核加成剂分步复合改性后，制得改性活性炭。通过BET比表面积测试法分析测定活性炭比表面积和孔结构等参数。以甲醛作为模型污染物，测试改性活性炭对空气中甲醛的净化性能。结果表明，通过先氧化剂后亲核加成剂的分步复合改性后，活性炭对甲醛的快速净化率显著提高，而通过先亲核加成剂后氧化剂的分步复合改性后，活性炭表现出优异的长效净化效果。活性炭经先浸渍2-咪唑烷酮后浸渍次氯酸钠的分步复合改性后，椰壳活性炭和煤质活性炭对甲醛的长效净化率分别达到94.2%和96.2%。
经氧化剂与亲核加成剂分步复合改性后，制得改性活性炭。通过BET比表面积测试法分析测定活性炭比表面积和孔结构等参数。以甲醛作为模型污染物，测试改性活性炭对空气中甲醛的净化性能。结果表明，通过先氧化剂后亲核加成剂的分步复合改性后，活性炭对甲醛的快速净化率显著提高，而通过先亲核加成剂后氧化剂的分步复合改性后，活性炭表现出优异的长效净化效果。活性炭经先浸渍2-咪唑烷酮后浸渍次氯酸钠的分步复合改性后，椰壳活性炭和煤质活性炭对甲醛的长效净化率分别达到94.2%和96.2%。
2021, 47(5)
:569-576.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200731002
摘要:
设计并合成了以螺芴刚性结构为骨架、基于萘酸酐基团的探针分子（ 3 、 6 和 9 ）。将萘酰亚胺荧光团转化为萘酸酐荧光团，利用酸酐基团在碱性条件下的水解反应，将萘酸酐基团转化为带电荷的羧酸根进而提高探针分子的水溶性，同时酸酐基团在有机溶剂中的溶解性也有利于探针分子的分离纯化过程。随着水溶液pH值的增大，探针分子的吸收光谱起峰蓝移，探针溶解性增加，表明探针的萘酸酐基团已经向羧酸根转变。探针分子 3 、 6 、 9 在细胞成像中皆成功染色，有效消除了背景信号干扰问题，说明通过将萘酰亚胺转化为萘酸酐提高了现有荧光团的水溶性。
设计并合成了以螺芴刚性结构为骨架、基于萘酸酐基团的探针分子（ 3 、 6 和 9 ）。将萘酰亚胺荧光团转化为萘酸酐荧光团，利用酸酐基团在碱性条件下的水解反应，将萘酸酐基团转化为带电荷的羧酸根进而提高探针分子的水溶性，同时酸酐基团在有机溶剂中的溶解性也有利于探针分子的分离纯化过程。随着水溶液pH值的增大，探针分子的吸收光谱起峰蓝移，探针溶解性增加，表明探针的萘酸酐基团已经向羧酸根转变。探针分子 3 、 6 、 9 在细胞成像中皆成功染色，有效消除了背景信号干扰问题，说明通过将萘酰亚胺转化为萘酸酐提高了现有荧光团的水溶性。
2021, 47(5)
:577-583.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200828001
摘要:
以肿瘤细胞毒活性筛选为导向，采用硅胶柱色谱及高效液相色谱等现代色谱技术对南海海绵Pseudoceratina sp.化学成分进行分离纯化，并利用电喷雾质谱和核磁共振波谱等波谱技术对化合物进行结构表征；采用磺酰罗丹明B（SRB）法评价化学成分对人肺癌细胞A549、人肝癌细胞HepG2和人宫颈癌细胞HeLa的增殖抑制作用，分析化学成分和单一化合物的细胞毒活性，探讨可能的联合作用机制；采用Chemmapper Server对化合物进行靶点计算，推测作用靶点。结果表明，从南海海绵Pseudoceratina sp.中分离并鉴定得到溴代酪氨酸类生物碱hemifistularin-3（ 1 ）和11, 19-dideoxyfistularin 3（ 2 ），2个化合物对3种肿瘤细胞的半数抑制浓度（IC50）均大于91.76 μmol/L，而以一定配比时IC50可达到8.71 μmol/L，二者对肿瘤细胞的增殖抑制具有明显的协同作用；2个化合物作用靶点可能集中在热休克转录因子1和辣椒素受体1，而协同作用可能跟化合物的多靶标作用相关。
以肿瘤细胞毒活性筛选为导向，采用硅胶柱色谱及高效液相色谱等现代色谱技术对南海海绵Pseudoceratina sp.化学成分进行分离纯化，并利用电喷雾质谱和核磁共振波谱等波谱技术对化合物进行结构表征；采用磺酰罗丹明B（SRB）法评价化学成分对人肺癌细胞A549、人肝癌细胞HepG2和人宫颈癌细胞HeLa的增殖抑制作用，分析化学成分和单一化合物的细胞毒活性，探讨可能的联合作用机制；采用Chemmapper Server对化合物进行靶点计算，推测作用靶点。结果表明，从南海海绵Pseudoceratina sp.中分离并鉴定得到溴代酪氨酸类生物碱hemifistularin-3（ 1 ）和11, 19-dideoxyfistularin 3（ 2 ），2个化合物对3种肿瘤细胞的半数抑制浓度（IC50）均大于91.76 μmol/L，而以一定配比时IC50可达到8.71 μmol/L，二者对肿瘤细胞的增殖抑制具有明显的协同作用；2个化合物作用靶点可能集中在热休克转录因子1和辣椒素受体1，而协同作用可能跟化合物的多靶标作用相关。
2021, 47(5)
:584-591.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200903030
摘要:
提出了一种用于模拟摇瓶内气液两相流动的计算流体力学模型−旋转离心加速度模型，利用该模型成功模拟了摇瓶内的气液两相流动，并分别考察了摇瓶挡板、转速、装液量等参数对传质及剪切环境的影响。结果表明：摇瓶内加装挡板可增加气液传质能力，并且提供了更大的剪切环境；提高转速有利于提升气液传质能力，特定转速下存在提供最大气液传质能力的最佳装液量。最后，利用流场模拟结果，分析了带挡板摇瓶较不带挡板摇瓶对克拉维酸种子及其发酵培养结果更好的原因。该文方法可推广到其他品种发酵摇瓶的流场分析。
提出了一种用于模拟摇瓶内气液两相流动的计算流体力学模型−旋转离心加速度模型，利用该模型成功模拟了摇瓶内的气液两相流动，并分别考察了摇瓶挡板、转速、装液量等参数对传质及剪切环境的影响。结果表明：摇瓶内加装挡板可增加气液传质能力，并且提供了更大的剪切环境；提高转速有利于提升气液传质能力，特定转速下存在提供最大气液传质能力的最佳装液量。最后，利用流场模拟结果，分析了带挡板摇瓶较不带挡板摇瓶对克拉维酸种子及其发酵培养结果更好的原因。该文方法可推广到其他品种发酵摇瓶的流场分析。
2021, 47(5)
:592-597.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200824001
摘要:
采用Plackett-Burman(PB)实验设计，考察了培养基各组分对重组大肠杆菌表达豹蛙酶的影响，优化了重组大肠杆菌表达豹蛙酶的发酵培养基，并进一步优化了诱导表达条件。在此基础上，采用指数补料和pH-Stat方式在7 L发酵罐中进一步验证优化结果。结果表明：摇瓶水平豹蛙酶表达量由优化前的9%提高到优化后的36%，OD600值由优化前的4.80提升到优化后的5.47。优化后7 L发酵罐中重组菌豹蛙酶表达水平可达到55%，OD600可达到35。
采用Plackett-Burman(PB)实验设计，考察了培养基各组分对重组大肠杆菌表达豹蛙酶的影响，优化了重组大肠杆菌表达豹蛙酶的发酵培养基，并进一步优化了诱导表达条件。在此基础上，采用指数补料和pH-Stat方式在7 L发酵罐中进一步验证优化结果。结果表明：摇瓶水平豹蛙酶表达量由优化前的9%提高到优化后的36%，OD600值由优化前的4.80提升到优化后的5.47。优化后7 L发酵罐中重组菌豹蛙酶表达水平可达到55%，OD600可达到35。
2021, 47(5)
:598-608.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200831001
摘要:
针对实际生产系统中生产方式复杂多样的特点，研究了带批处理的混合流水车间批量流调度问题。综合考虑批处理机容量和不相关离散机加工能力，提出了一种可变分批方法，以最小化完工时间为目标建立了调度模型，并提出了一种动态连续加工策略来优化目标函数。同时提出了一种离散水波优化(DWWO)算法求解模型。结合分批特点与优化目标，设计了4种解码方式对机器选择及工件的加工顺序进行优化；利用块最优插入、交叉操作和多邻域搜索对操作算子进行改进，增强了局部搜索能力；提出了一种替换差解的操作来提高算法的收敛能力。最后，采用实验设计的方法对算法的参数进行了标定；并设计了不同规模的算例，对算法的性能进行评估。实验结果表明DWWO算法能够有效解决带批处理的混合流水车间批量流调度问题。
针对实际生产系统中生产方式复杂多样的特点，研究了带批处理的混合流水车间批量流调度问题。综合考虑批处理机容量和不相关离散机加工能力，提出了一种可变分批方法，以最小化完工时间为目标建立了调度模型，并提出了一种动态连续加工策略来优化目标函数。同时提出了一种离散水波优化(DWWO)算法求解模型。结合分批特点与优化目标，设计了4种解码方式对机器选择及工件的加工顺序进行优化；利用块最优插入、交叉操作和多邻域搜索对操作算子进行改进，增强了局部搜索能力；提出了一种替换差解的操作来提高算法的收敛能力。最后，采用实验设计的方法对算法的参数进行了标定；并设计了不同规模的算例，对算法的性能进行评估。实验结果表明DWWO算法能够有效解决带批处理的混合流水车间批量流调度问题。
2021, 47(5)
:609-618.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200824003
摘要:
运动控制算法是机器人系统设计的关键技术，通常面临通用性差、嵌入算法复杂、设计周期长等问题。本文结合嵌入复杂的柔性S形加减速运动控制算法，提出了一种基于模型的软硬件协同高效设计方法，可以大大缩短机器人运动控制系统的设计周期，提高开发效率。通过对柔性运动控制算法建模,建立了一组易于解算的接口参数列表,算法将根据输入列表参数自适应变化运动速度规划,提高应用灵活性。在Simulink中完成了柔性运动控制算法的模型设计与仿真测试；然后通过MathWorks工具箱为模型自动生成嵌入式C代码和可编程逻辑IP核；最后在以Zynq-7000为核心的运动控制器中实现算法功能。实验结果验证了基于模型的软硬件协同设计方法的可行性和有效性。
运动控制算法是机器人系统设计的关键技术，通常面临通用性差、嵌入算法复杂、设计周期长等问题。本文结合嵌入复杂的柔性S形加减速运动控制算法，提出了一种基于模型的软硬件协同高效设计方法，可以大大缩短机器人运动控制系统的设计周期，提高开发效率。通过对柔性运动控制算法建模,建立了一组易于解算的接口参数列表,算法将根据输入列表参数自适应变化运动速度规划,提高应用灵活性。在Simulink中完成了柔性运动控制算法的模型设计与仿真测试；然后通过MathWorks工具箱为模型自动生成嵌入式C代码和可编程逻辑IP核；最后在以Zynq-7000为核心的运动控制器中实现算法功能。实验结果验证了基于模型的软硬件协同设计方法的可行性和有效性。
2021, 47(5)
:619-626.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200903001
摘要:
歌声分离是音乐信息检索领域最具挑战的任务之一，本文对基于Wave-U-Net的歌声分离模型进行了改进以增强其性能。首先，在Wave-U-Net的编码和解码块中设计并引入了残差单元以增强其特征提取的有效性和训练效率；然后，在Wave-U-Net的跳跃连接部分设计并引入了注意力门控机制以减少从编码块对应层提取的特征和来自解码块上一层特征之间的语义鸿沟。在MUSDB18数据集上的实验结果表明：本文提出的RA-WaveUNet模型在分离性能上优于传统的Wave-U-Net模型；采用残差单元和注意力门控机制均有助于提高模型的性能。
歌声分离是音乐信息检索领域最具挑战的任务之一，本文对基于Wave-U-Net的歌声分离模型进行了改进以增强其性能。首先，在Wave-U-Net的编码和解码块中设计并引入了残差单元以增强其特征提取的有效性和训练效率；然后，在Wave-U-Net的跳跃连接部分设计并引入了注意力门控机制以减少从编码块对应层提取的特征和来自解码块上一层特征之间的语义鸿沟。在MUSDB18数据集上的实验结果表明：本文提出的RA-WaveUNet模型在分离性能上优于传统的Wave-U-Net模型；采用残差单元和注意力门控机制均有助于提高模型的性能。
2021, 47(5)
:627-634.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200802001
摘要:
信息物理系统 (Cyber-Physical System, CPS) 进行远程状态估计时，攻击者容易通过篡改无线传输的测量数据对系统进行攻击，从而对系统性能造成损失。根据攻击者对系统知识的了解程度，分两种情况研究了传输过程中容易发生的线性欺诈攻击，同时分析了在KL散度检测器下两种情况的估计性能以及最优攻击策略，并且将最优攻击问题转化为凸优化问题。最后，给出了一维情况下的最优攻击的闭式表达式以及使用数值仿真来验证所得结论的有效性。
信息物理系统 (Cyber-Physical System, CPS) 进行远程状态估计时，攻击者容易通过篡改无线传输的测量数据对系统进行攻击，从而对系统性能造成损失。根据攻击者对系统知识的了解程度，分两种情况研究了传输过程中容易发生的线性欺诈攻击，同时分析了在KL散度检测器下两种情况的估计性能以及最优攻击策略，并且将最优攻击问题转化为凸优化问题。最后，给出了一维情况下的最优攻击的闭式表达式以及使用数值仿真来验证所得结论的有效性。
2021, 47(5)
:635-646.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200824002
摘要:
航空发动机是多学科交叉、多组件耦合的复杂系统，其工况复杂，一旦发生故障便会造成灾难性后果。采用共词分析法将航空发动机系统失效领域内的关键词加以分类，归纳出了主要的失效形式并实现了结果可视化。研究发现考虑自相关性后的聚类分析效果更佳，且对于不同失效机理的研究更加具体和准确。对于服役过程中的常见故障，结合聚类分析结果和多维尺度分析图可以更快速地采取检查手段进行失效分析，有效避免类似事件的再次发生。
航空发动机是多学科交叉、多组件耦合的复杂系统，其工况复杂，一旦发生故障便会造成灾难性后果。采用共词分析法将航空发动机系统失效领域内的关键词加以分类，归纳出了主要的失效形式并实现了结果可视化。研究发现考虑自相关性后的聚类分析效果更佳，且对于不同失效机理的研究更加具体和准确。对于服役过程中的常见故障，结合聚类分析结果和多维尺度分析图可以更快速地采取检查手段进行失效分析，有效避免类似事件的再次发生。
2021, 47(5)
:647-652.
doi: 10.14135/j.cnki.1006-3080.20200911004
摘要:
纳米银颗粒由于其优越的物理化学性能被广泛应用于柔性电子产品中，单一的纳米银颗粒烧结形成的薄膜因缺陷较多而面临诸多挑战。采用有限元对50 nm和10 nm两种大、小不同的银混合颗粒薄膜的力学性能进行了研究。模拟过程中将大颗粒之间的填充间距作为参数来表征大、小颗粒的混合质量比。仿真结果表明，当填充间距较小时，小颗粒作为填充区域受到的应力不均匀，容易发生裂纹；当填充间距过大时，填充区域孔隙的增加导致薄膜强度降低；混合模式下填充间距为50 nm时纳米银颗粒薄膜的力学性能更优越。
纳米银颗粒由于其优越的物理化学性能被广泛应用于柔性电子产品中，单一的纳米银颗粒烧结形成的薄膜因缺陷较多而面临诸多挑战。采用有限元对50 nm和10 nm两种大、小不同的银混合颗粒薄膜的力学性能进行了研究。模拟过程中将大颗粒之间的填充间距作为参数来表征大、小颗粒的混合质量比。仿真结果表明，当填充间距较小时，小颗粒作为填充区域受到的应力不均匀，容易发生裂纹；当填充间距过大时，填充区域孔隙的增加导致薄膜强度降低；混合模式下填充间距为50 nm时纳米银颗粒薄膜的力学性能更优越。
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