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性物質時，氣相組成和壓力沿反應器高度的變化對總液氣傳遞速率的影響。研究推導了考慮摩爾分數和壓力完整梯度或均勻值的總傳遞速率解析表達式，并通過模擬分析了揮發性物質類型、反應器設計和操作條件的影響。結果表明，這些影響具有高度交互性和非線性。對于可溶性物質，摩爾分數梯度強烈影響總傳遞速率，而壓力梯度僅在促進剝離的條件下重要；對于難溶性物質，壓力在促進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假設的方法，并應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（如物質性質、反應器設計、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。

 

研究思路：

1. 推導總液氣傳遞速率的解析表達式，分別考慮摩爾分數和壓力的完整梯度或均勻值。

2. 使用綜合模型進行模擬，分析揮發性物質類型、反應器設計和操作條件的影響。

3. 比較綜合模型與假設均勻摩爾分數或均勻壓力的模型結果，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假設，并以好氧生物污水處理中的常見氣體為例進行應用。

 

測量的數據及研究意義：

1. 總液氣傳遞速率：用于評估不同假設下模型的準確性，來自圖4。

 

2. 氣體摩爾分數沿反應器高度的變化：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. 壓力沿反應器高度的變化：分析壓力梯度對溶解度和傳遞速率的效應，來自圖2C和2G。

4. 傳遞驅動力沿反應器高度的變化：直接關聯傳遞速率的變化，來自圖2D和2H。

5. 不同模型預測的傳遞速率比較：驗證簡化模型的適用性，來自圖3。

 

這些數據的研究意義在于量化了摩爾分數和壓力梯度對傳遞速率的影響，揭示了其依賴物質溶解性和操作條件的復雜性，為模型選擇提供了依據。

 

結論：

1. 分子性質、反應器設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. 摩爾分數梯度對可溶性物質的總傳遞速率影響更大。

3. 壓力梯度對可溶性物質僅在促進剝離的條件下重要，對難溶性物質則在促進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重要，摩爾分數梯度對二氧化碳或一氧化二氮的剝離也關鍵，而兩者對甲烷剝離均非必需。

5. 摩爾分數和壓力梯度的影響通常可通過反應器內的平均值近似。

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假設。

 

詳細解讀使用Unisense電極測量數據的研究意義：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電極測量數據可驗證模型中預測的濃度梯度，特別是在監測溫室氣體排放時，能精確量化液相濃度變化，從而更準確估算傳質速率和排放量。高分辨率數據有助于理解深層反應器中的濃度分布，驗證壓力對溶解度的影響，并優化模型參數，對減少污水處理中的碳排放具有重要意義。