在過去的幾十年里，美國環(huán)境污染物的開發(fā)和產量呈指數(shù)級增長。因此，需要負責任的處置實踐來確保公共衛(wèi)生和環(huán)境保護。需要環(huán)境工程師來設計水處理系統(tǒng)和去除有毒化學品。這需要理解工程和自然系統(tǒng)中的平衡熱力學、化學反應動力學和傳質，以預測這些污染物的歸宿。其中，質量通量的概念是化學過程建模中最有用的工具之一，因為人們對某些區(qū)域的質量傳入或傳出感興趣。因此，許多出版物致力于開發(fā)傳質模型方程。因此，理解和應用這些模型于水處理設計非常重要。

盡管對環(huán)境傳質模型有工作知識，但環(huán)境工程師通常對傳質計算的系統(tǒng)條件控制有限。環(huán)境過程的自然可變性常常導致建模與實際傳質過程之間的可靠性差。因此，傳質動力學的原位測定對環(huán)境工程師來說極其寶貴。在過去的十年中，針型電化學微傳感器對環(huán)境系統(tǒng)的適應改變了我們研究傳質過程的方式。憑借如此小的尖端直徑（3-20μm），它們可用于在微觀尺度上進行測量，從而可以提供給定位置的重要動力學參數(shù)。這些包括生產速率（k）、組分通量（J）和擴散系數(shù)（D）。有了這些信息，環(huán)境工程師可以更好地設計和優(yōu)化水處理過程。

這篇關于環(huán)境工程過程中傳質機制基礎的簡要綜述討論了環(huán)境工程中的擴散傳質實例，包括非生物和生物膜過程中的傳質過程，并探討了使用微傳感器確定傳質動力學的方法。

擴散傳質

擴散可能是氣體、分子、離子和小顆粒的重要傳質機制。與其它體相傳輸過程相比，分子擴散傳輸相對較慢。例如，如果將少量化學品注入一燒杯水中，該化學品將從高濃度區(qū)域緩慢擴散到低濃度區(qū)域。經過足夠的時間后，燒杯中的化學品將達到相等的最終濃度。雖然這個過程比攪拌燒杯慢得多，但擴散傳輸在環(huán)境工程的許多領域中可以發(fā)揮重要作用。

擴散傳質示意圖

圖2-1. 作為時間函數(shù)的擴散傳質示意圖，其中(a)為化學物質注入時間，(b)為擴散形成的化學梯度（改編自Logan(2000)）

為了理解擴散傳輸方程，理解化學物質如何通過分子擴散傳輸?shù)臋C制非常重要。布朗運動可以定義為由熱能驅動的單個分子的運動。雖然任何一個分子的確切路徑無法預測，但我們可以量化布朗運動對系統(tǒng)中所有分子傳輸?shù)膬粜＠纾绻\動是隨機的，則均勻的分子沒有凈變化；然而，如果引入一種新化學物質，分子的隨機運動將把它們帶離初始位置。分子從其初始位置的這種隨機運動由菲克第一定律描述，其中流體中的濃度變化隨距注入點的距離而變化。

觀察圖2-1，很明顯，任何點的化學物質通量與該點的濃度梯度成正比。這可以使用菲克第一定律數(shù)學描述，即：

其中 jC w, z 是化學物質C通過相w在z方向的質量通量。 dcC w/dz 是任意點Z處C的梯度， DC w 是已知的擴散系數(shù)。分子擴散系數(shù)是化學物質的基本屬性。它對每種化學物質和每個相都是不同的，并且是溫度的函數(shù)。通常，擴散系數(shù)可以在參考文獻中找到；然而，它們也可以通過實驗確定或使用相關性來確定。

菲克定律和其它特殊的擴散傳輸方程用于描述由于其熱能引起的分子傳輸。分散是指由于體相或湍流運動而導致的化學物質傳輸，不應與擴散傳輸混淆。雖然這兩種傳輸機制在反應器設計中都起著重要作用，但擴散傳輸是本論文討論的過程（例如，生物膜、乳液和光催化動力學）的主要傳輸機制。

環(huán)境工程中的擴散傳輸過程

傳質建模是環(huán)境工程師的基本工具。應用包括確定吸附動力學、膜過程中的濃度極化、高級氧化動力學以及生物過程，如確定生物膜的底物利用動力學。在非生物過程中，傳輸通常可以簡化為三種傳質理論：1) 停滯膜理論，其中傳質通過假定為停滯的層進行；2) 滲透理論，其中化學物質是氣相滲透到下降的液膜中；以及邊界層理論，其中到平坦表面的傳輸假定為均勻流場。生物傳質可能更為復雜。生物膜可以增加和減少厚度。它們本質上可能是異質的，并且可能由于缺乏營養(yǎng)而在生物膜底部死亡。下面簡要討論非生物和生物系統(tǒng)中的傳質。