背景介绍:气-液传质理论涉及相与相之间的物质传递，它是化工单元操作中最普遍存在的现象，所以受到学术界的高度重视。尤其是以气体为分散相在生物反应器(即城市污水生物反应器)中起着关键作用，例如处理发酵控制可用的氧气用于微生物代谢。生物过程的性能以及相关的能源消耗，因此这直接关系到后一种转移现象的效率。常规的生物反应器涉及到液体培养基(培养基)，它比纯空气-水系统复杂得多，因为它含有许多种类(盐、碳氢化合物、酒精、有机营养物质、表面活性剂等)。本研究人员应用微电极系统研究了含有盐、葡萄糖或表面活性剂的清水中的氧的扩散系数实验研究，讨论溶液中不对物质对液相传质系数的影响。


Unisense微电极系统的应用


unisense公司的克拉克型氧微电极应用于溶液中氧气的浓度测试。实验中所使用的丹麦unisense公司氧气微电极的尖端直径是25微米，所使用的氧气微电极属于快速响应型微电极，该电极的对于溶液中的氧的相应时间是小于1s，应用氧气微电极测试含有溶液中的氧气剖面浓度。其中的氧气微电极在使用前进行了常规的两点校正做出标准曲线。


实验结果


本论文研究了生物介质中常见的一些化合物在清水中存在对氧扩散系数的影响。2)量化其对液相传质系数的影响，首次测试了在含有盐(NaCl)、葡萄糖或表面活性剂(十二烷基硫酸钠)等各种溶液的液相中氧的扩散系数（D），与纯净的水测试的氧的扩散系数相比，可明显观察到氧的扩散系数（D）的减少。从而建立了氧的扩散系数（D）随溶液中化合物浓度C变化的模型，并发现其依赖性取决于所添加的化合物本身性质。在第二次使用相同的液体介质系数时，实验是在静止的液相中一列气泡上升的过程中进行并确定了相关液相传质系数(KL)。对于所有条件下中测试的（无论是哪种溶液）扩散系数（D）和液相传质系数（KL）对比，都能清楚地观察到溶液的浓度(C)随时间的增加而降低。这些发现首先表明了即使是洁净水的性能(密度、粘度、表面张力)没有显著变化，通过添加盐(NaCl)，液体侧传质系数可以得到同样的修正。对于葡萄糖水溶液，液相传质系数（KL）与扩散系数（D）的降低有很好的相关性，这主要是由于粘度是随物质浓度变化的。对于表面活性剂，水的动力条件(即泡沫雷诺数)在所有浓度下几乎保持不变，唯一的氧扩散系数（D）产生变化的原因是KL下降导致的。

图1、试验装置用于测量氧扩散系数:(1)双壁船,(2)Unisense氧微电极,(3)数据采集系统,(4)温度计(5)恒温水浴(6)磁力搅拌器(7)气体流量计(8)氮气供应瓶、(9)空气供应瓶、(10)三通阀

图2、(a)产生一系列气泡的图解。(b)用于测量与后一列火车有关的液体侧传质系数的实验装置(1)压力表、(2)气体流量计、(3)电子压力计、(4)方形罐、(5)膜喷器、(6)气泡柱、(7)皂膜仪、(8)化学溶液容器，(9)氧微传感器，(10)采集系统(摄像头，电脑)，(11)氮气压力表，(12)搅拌系统

图3、实验过程中溶解氧浓度随时间变化情况。采用亚硫酸盐静态法测试体积传质系数（kLa）。从图中可以看出，当体系中充入氮气后，水溶液中的氧气呈现明显的下降趋势。

图4、(a)含有盐的水溶液中氧扩散系数的对比（实际测试与文献报道的比较）。(b)葡萄糖水溶液的氧气扩散粘度系数与粘度倒数的关系。

图5、合成液体介质中氧的扩散系数的比值。指的是纯净水中加入一定浓度的化合物(盐-□；◆-表面活性剂；○-糖;)的氧的扩散系数(T=20?C)。虚线线和实线的曲线是通过方程拟合获得(15)和表3所列的相关系数进行建模获得的。


结论与展望


本论文主要就溶液中存在着不同物质对于气液介质中的液相传质系数的影响，就气液传质系数方面进行相关的研究。研究人员在研究过程中很好的结合了丹麦unisense公司开发的快速响应的克拉克型氧微电极（该类型的微电极具有响应快，测试精度高等优点）完成了溶液中氧的剖面浓度测试，获得的氧浓度的相关数据为研究人员研究溶液中的氧的扩散系数提供了重要的数据支持，从而为研究气液传质理论中解释关于溶液中存在的物质是如何影响液相中氧的扩散系数（D）及液相传质系数(KL)的，从而提出了关于纯水溶液中存在盐、葡萄糖或表面活性剂对氧扩散系数及液相传质系数的影响及提出产生这些影响的相关机制，强调了在复杂介质溶液中的氧扩散系数数据库的完成对于描述和建立关于气-液传质现象的模型的重要性和必要性。