When and why do gradients of the gas phase composition and pressure affect liquid-gas transfer?

氣相組成和壓力梯度何時以及為何影響液氣傳遞？

來源：Water Research, Volume 178, 2020, Article number 115844

《水研究》，第178卷，2020年，文章編號115844

 

摘要

該研究探討了在污水處理等單元操作中，通過注入氣泡來吸收或剝離揮發(fā)性物質(zhì)時，氣相組成和壓力沿反應(yīng)器高度的變化對總液氣傳遞速率的影響。研究推導(dǎo)了考慮摩爾分?jǐn)?shù)和壓力完整梯度或均勻值的總傳遞速率解析表達(dá)式，并通過模擬分析了揮發(fā)性物質(zhì)類型、反應(yīng)器設(shè)計和操作條件的影響。結(jié)果表明，這些影響具有高度交互性和非線性。對于可溶性物質(zhì)，摩爾分?jǐn)?shù)梯度強烈影響總傳遞速率，而壓力梯度僅在促進(jìn)剝離的條件下重要；對于難溶性物質(zhì)，壓力在促進(jìn)吸收的條件下更重要。研究還提供了通過電子表格快速選擇適當(dāng)假設(shè)的方法，并應(yīng)用于好氧生物污水處理中的常見氣體。

 

研究目的

理解在不同情況下（如物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)器設(shè)計、操作條件），氣相組成和壓力的垂直梯度如何影響總液氣傳遞速率，以及哪些常用的特征值（如平均值）可以最好地模擬這些梯度效應(yīng)。

 

研究思路：

1. 推導(dǎo)總液氣傳遞速率的解析表達(dá)式，分別考慮摩爾分?jǐn)?shù)和壓力的完整梯度或均勻值。

2. 使用綜合模型進(jìn)行模擬，分析揮發(fā)性物質(zhì)類型、反應(yīng)器設(shè)計和操作條件的影響。

3. 比較綜合模型與假設(shè)均勻摩爾分?jǐn)?shù)或均勻壓力的模型結(jié)果，識別何時這些梯度顯著影響總傳遞速率。

4. 提供電子表格工具，用于快速選擇特定條件下的適當(dāng)假設(shè)，并以好氧生物污水處理中的常見氣體為例進(jìn)行應(yīng)用。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 總液氣傳遞速率：用于評估不同假設(shè)下模型的準(zhǔn)確性，來自圖4。

 

2. 氣體摩爾分?jǐn)?shù)沿反應(yīng)器高度的變化：幫助理解氣體組成梯度對傳遞速率的影響，來自圖2B和2F。

 

3. 壓力沿反應(yīng)器高度的變化：分析壓力梯度對溶解度和傳遞速率的效應(yīng)，來自圖2C和2G。

4. 傳遞驅(qū)動力沿反應(yīng)器高度的變化：直接關(guān)聯(lián)傳遞速率的變化，來自圖2D和2H。

5. 不同模型預(yù)測的傳遞速率比較：驗證簡化模型的適用性，來自圖3。

 

這些數(shù)據(jù)的研究意義在于量化了摩爾分?jǐn)?shù)和壓力梯度對傳遞速率的影響，揭示了其依賴物質(zhì)溶解性和操作條件的復(fù)雜性，為模型選擇提供了依據(jù)。

 

結(jié)論：

1. 分子性質(zhì)、反應(yīng)器設(shè)計和操作條件對液氣傳遞速率的影響高度交互且非線性。

2. 摩爾分?jǐn)?shù)梯度對可溶性物質(zhì)的總傳遞速率影響更大。

3. 壓力梯度對可溶性物質(zhì)僅在促進(jìn)剝離的條件下重要，對難溶性物質(zhì)則在促進(jìn)吸收的條件下更重要。

4. 在好氧生物污水處理中，液壓壓力對氧氣吸收和氮氣剝離至關(guān)重要，摩爾分?jǐn)?shù)梯度對二氧化碳或一氧化二氮的剝離也關(guān)鍵，而兩者對甲烷剝離均非必需。

5. 摩爾分?jǐn)?shù)和壓力梯度的影響通常可通過反應(yīng)器內(nèi)的平均值近似。

6. 提供的電子表格工具可用于快速選擇特定條件下的適當(dāng)假設(shè)。

 

詳細(xì)解讀使用Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：雖然論文未直接提及Unisense電極，但該類微傳感器常用于高分辨率測量溶解氣體濃度（如N2O、CH4）。使用Unisense電極測量數(shù)據(jù)可驗證模型中預(yù)測的濃度梯度，特別是在監(jiān)測溫室氣體排放時，能精確量化液相濃度變化，從而更準(zhǔn)確估算傳質(zhì)速率和排放量。高分辨率數(shù)據(jù)有助于理解深層反應(yīng)器中的濃度分布，驗證壓力對溶解度的影響，并優(yōu)化模型參數(shù)，對減少污水處理中的碳排放具有重要意義。