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(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(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(yīng)型微電極，該電極的對于溶液中的氧的相應(yīng)時間是小于1s，應(yīng)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(dǎo)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(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(xué)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(dāng)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(yīng)的克拉克型氧微電極（該類型的微電極具有響應(yīng)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(fù)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。