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(xué)術(shù)界的高度重視。尤其是以氣體為分散相在生物反應(yīng)器(即城市污水生物反應(yīng)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(yīng)器涉及到液體培養(yǎng)基(培養(yǎng)基)，它比純空氣-水系統(tǒng)復(fù)雜得多，因?yàn)樗性S多種類(鹽、碳?xì)浠衔铩⒕凭⒂袡C(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、表面活性劑等)。本研究人員應(yīng)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(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究，討論溶液中不對(duì)物質(zhì)對(duì)液相傳質(zhì)系數(shù)的影響。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

unisense公司的克拉克型氧微電極應(yīng)用于溶液中氧氣的濃度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)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(yīng)型微電極，該電極的對(duì)于溶液中的氧的相應(yīng)時(shí)間是小于1s，應(yīng)用氧氣微電極測(cè)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(jìn)行了常規(guī)的兩點(diǎn)校正做出標(biāo)準(zhǔn)曲線。

實(shí)驗(yàn)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(duì)氧擴(kuò)散系數(shù)的影響。2)量化其對(duì)液相傳質(zhì)系數(shù)的影響，首次測(cè)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(kuò)散系數(shù)（D），與純凈的水測(cè)試的氧的擴(kuò)散系數(shù)相比，可明顯觀察到氧的擴(kuò)散系數(shù)（D）的減少。從而建立了氧的擴(kuò)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(shí)，實(shí)驗(yàn)是在靜止的液相中一列氣泡上升的過程中進(jìn)行并確定了相關(guān)液相傳質(zhì)系數(shù)(KL)。對(duì)于所有條件下中測(cè)試的（無論是哪種溶液）擴(kuò)散系數(shù)（D）和液相傳質(zhì)系數(shù)（KL）對(duì)比，都能清楚地觀察到溶液的濃度(C)隨時(shí)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(duì)于葡萄糖水溶液，液相傳質(zhì)系數(shù)（KL）與擴(kuò)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(duì)于表面活性劑，水的動(dòng)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(kuò)散系數(shù)（D）產(chǎn)生變化的原因是KL下降導(dǎo)致的。

圖1、試驗(yàn)裝置用于測(cè)量氧擴(kuò)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(jì)(5)恒溫水浴(6)磁力攪拌器(7)氣體流量計(jì)(8)氮?dú)夤?yīng)瓶、(9)空氣供應(yīng)瓶、(10)三通閥

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

圖3、實(shí)驗(yàn)過程中溶解氧濃度隨時(shí)間變化情況。采用亞硫酸鹽靜態(tài)法測(cè)試體積傳質(zhì)系數(shù)（kLa）。從圖中可以看出，當(dāng)體系中充入氮?dú)夂螅芤褐械难鯕獬尸F(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

圖4、(a)含有鹽的水溶液中氧擴(kuò)散系數(shù)的對(duì)比（實(shí)際測(cè)試與文獻(xiàn)報(bào)道的比較）。(b)葡萄糖水溶液的氧氣擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)(T=20?C)。虛線線和實(shí)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(jìn)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(duì)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(jìn)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(yīng)的克拉克型氧微電極（該類型的微電極具有響應(yīng)快，測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)）完成了溶液中氧的剖面濃度測(cè)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(kuò)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(kuò)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(duì)氧擴(kuò)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(jī)制，強(qiáng)調(diào)了在復(fù)雜介質(zhì)溶液中的氧擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)庫的完成對(duì)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。