背景介紹:氣-液傳質(zhì)理論涉及相與相之間的物質(zhì)傳遞,它是化工單元操作中最普遍存在的現(xiàn)象,所以受到學術(shù)界的高度重視。尤其是以氣體為分散相在生物反應器(即城市污水生物反應器)中起著關(guān)鍵作用,例如處理發(fā)酵控制可用的氧氣用于微生物代謝。生物過程的性能以及相關(guān)的能源消耗,因此這直接關(guān)系到后一種轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的效率。常規(guī)的生物反應器涉及到液體培養(yǎng)基(培養(yǎng)基),它比純空氣-水系統(tǒng)復雜得多,因為它含有許多種類(鹽、碳氫化合物、酒精、有機營養(yǎng)物質(zhì)、表面活性劑等)。本研究人員應用微電極系統(tǒng)研究了含有鹽、葡萄糖或表面活性劑的清水中的氧的擴散系數(shù)實驗研究,討論溶液中不對物質(zhì)對液相傳質(zhì)系數(shù)的影響。


Unisense微電極系統(tǒng)的應用


unisense公司的克拉克型氧微電極應用于溶液中氧氣的濃度測試。實驗中所使用的丹麥unisense公司氧氣微電極的尖端直徑是25微米,所使用的氧氣微電極屬于快速響應型微電極,該電極的對于溶液中的氧的相應時間是小于1s,應用氧氣微電極測試含有溶液中的氧氣剖面濃度。其中的氧氣微電極在使用前進行了常規(guī)的兩點校正做出標準曲線。


實驗結(jié)果


本論文研究了生物介質(zhì)中常見的一些化合物在清水中存在對氧擴散系數(shù)的影響。2)量化其對液相傳質(zhì)系數(shù)的影響,首次測試了在含有鹽(NaCl)、葡萄糖或表面活性劑(十二烷基硫酸鈉)等各種溶液的液相中氧的擴散系數(shù)(D),與純凈的水測試的氧的擴散系數(shù)相比,可明顯觀察到氧的擴散系數(shù)(D)的減少。從而建立了氧的擴散系數(shù)(D)隨溶液中化合物濃度C變化的模型,并發(fā)現(xiàn)其依賴性取決于所添加的化合物本身性質(zhì)。在第二次使用相同的液體介質(zhì)系數(shù)時,實驗是在靜止的液相中一列氣泡上升的過程中進行并確定了相關(guān)液相傳質(zhì)系數(shù)(KL)。對于所有條件下中測試的(無論是哪種溶液)擴散系數(shù)(D)和液相傳質(zhì)系數(shù)(KL)對比,都能清楚地觀察到溶液的濃度(C)隨時間的增加而降低。這些發(fā)現(xiàn)首先表明了即使是潔凈水的性能(密度、粘度、表面張力)沒有顯著變化,通過添加鹽(NaCl),液體側(cè)傳質(zhì)系數(shù)可以得到同樣的修正。對于葡萄糖水溶液,液相傳質(zhì)系數(shù)(KL)與擴散系數(shù)(D)的降低有很好的相關(guān)性,這主要是由于粘度是隨物質(zhì)濃度變化的。對于表面活性劑,水的動力條件(即泡沫雷諾數(shù))在所有濃度下幾乎保持不變,唯一的氧擴散系數(shù)(D)產(chǎn)生變化的原因是KL下降導致的。

圖1、試驗裝置用于測量氧擴散系數(shù):(1)雙壁船,(2)Unisense氧微電極,(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),(4)溫度計(5)恒溫水浴(6)磁力攪拌器(7)氣體流量計(8)氮氣供應瓶、(9)空氣供應瓶、(10)三通閥

圖2、(a)產(chǎn)生一系列氣泡的圖解。(b)用于測量與后一列火車有關(guān)的液體側(cè)傳質(zhì)系數(shù)的實驗裝置(1)壓力表、(2)氣體流量計、(3)電子壓力計、(4)方形罐、(5)膜噴器、(6)氣泡柱、(7)皂膜儀、(8)化學溶液容器,(9)氧微傳感器,(10)采集系統(tǒng)(攝像頭,電腦),(11)氮氣壓力表,(12)攪拌系統(tǒng)

圖3、實驗過程中溶解氧濃度隨時間變化情況。采用亞硫酸鹽靜態(tài)法測試體積傳質(zhì)系數(shù)(kLa)。從圖中可以看出,當體系中充入氮氣后,水溶液中的氧氣呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

圖4、(a)含有鹽的水溶液中氧擴散系數(shù)的對比(實際測試與文獻報道的比較)。(b)葡萄糖水溶液的氧氣擴散粘度系數(shù)與粘度倒數(shù)的關(guān)系。

圖5、合成液體介質(zhì)中氧的擴散系數(shù)的比值。指的是純凈水中加入一定濃度的化合物(鹽-□;◆-表面活性劑;○-糖;)的氧的擴散系數(shù)(T=20?C)。虛線線和實線的曲線是通過方程擬合獲得(15)和表3所列的相關(guān)系數(shù)進行建模獲得的。


結(jié)論與展望


本論文主要就溶液中存在著不同物質(zhì)對于氣液介質(zhì)中的液相傳質(zhì)系數(shù)的影響,就氣液傳質(zhì)系數(shù)方面進行相關(guān)的研究。研究人員在研究過程中很好的結(jié)合了丹麥unisense公司開發(fā)的快速響應的克拉克型氧微電極(該類型的微電極具有響應快,測試精度高等優(yōu)點)完成了溶液中氧的剖面濃度測試,獲得的氧濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)為研究人員研究溶液中的氧的擴散系數(shù)提供了重要的數(shù)據(jù)支持,從而為研究氣液傳質(zhì)理論中解釋關(guān)于溶液中存在的物質(zhì)是如何影響液相中氧的擴散系數(shù)(D)及液相傳質(zhì)系數(shù)(KL)的,從而提出了關(guān)于純水溶液中存在鹽、葡萄糖或表面活性劑對氧擴散系數(shù)及液相傳質(zhì)系數(shù)的影響及提出產(chǎn)生這些影響的相關(guān)機制,強調(diào)了在復雜介質(zhì)溶液中的氧擴散系數(shù)數(shù)據(jù)庫的完成對于描述和建立關(guān)于氣-液傳質(zhì)現(xiàn)象的模型的重要性和必要性。