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好氧处理工艺传质强化的机理与应用研究

环境科学学报 2003年第4期23卷 432-435页

作者：赫俊国李军张金松李建政杨海燕哈尔滨工业大学市政环境工程学院尔滨150090 北京工业大学建筑工程学院北京100022 深圳市水务(集团)有限公司深圳518031

依据惯性效应理论研究了传统污水好氧处理工艺传质强化过程 .研究表明 ,提高传统工艺曝气均匀度和控制多相物系中微涡漩的离心惯性效应 ,可有效促进物相接触传质和相界面更替 ,为活性污泥 (或生物膜 )有机底质与氧气进行生化反应提供良... 详细信息

依据惯性效应理论研究了传统污水好氧处理工艺传质强化过程 .研究表明 ,提高传统工艺曝气均匀度和控制多相物系中微涡漩的离心惯性效应 ,可有效促进物相接触传质和相界面更替 ,为活性污泥 (或生物膜 )有机底质与氧气进行生化反应提供良好动力条件 ,从而提高反应效率 ,缩短生化反应历程 .该工艺在试验及实际工程应用中氧利用率最高可达 4 8% ,COD容积负荷 8 1— 9 0kg (m3 ·d) .在处理屠宰废水的实际应用中 ,当气水比为 12∶1,水力停留时间 4h ,进水CODCr浓度 80 0— 2 2 0 0mg L ,CODCr负荷达 8— 9kg (m3 ·d)时 ,CODCr去除率平均达 95 % ,BOD5去除率大于 97% ,SS去除率在 95 %以上 .

关键词：好氧处理工艺传质强化应用机理惯性效应理论污水处理

水相稀物质电解的流动反应器设计及传质强化研究

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水相稀物质电解的流动反应器设计及传质强化研究

作者：赵雅婷北京化工大学

学位级别：硕士

水相电解往往是稀物质反应,底物浓度低且扩散速率慢,使得反应器中存在传质受限的问题。针对该问题,本论文首先通过计算流体力学（CFD）仿真模拟研究电解器件的流场结构对物质传递规律的影响,进一步设计和构建电化学器件研究传质效率与... 详细信息

水相电解往往是稀物质反应,底物浓度低且扩散速率慢,使得反应器中存在传质受限的问题。针对该问题,本论文首先通过计算流体力学（CFD）仿真模拟研究电解器件的流场结构对物质传递规律的影响,进一步设计和构建电化学器件研究传质效率与电解反应性能的相关性。最终,针对废弃镀液中金属离子电还原和生物质平台分子—5-羟甲基糠醛（HMF）—电氧化,分别设计了传质强化的流动电解器件,具体研究内容及结论如下:（1）针对阴极电还原反应,本论文开发了用于回收镀液中金属离子的流动电解器件。为了强化器件的传质均匀性,通过CFD研究了分配器对流场中电解液流动轨迹的影响规律。仿真结果表明具有柱状分配器的反应装置可以优化流体流动轨迹,增强反应器中电解液在空间分布的均匀性。基于仿真结果构建了流动反应器,在模拟电镀铜废液回收金属铜的实验中,铜离子回收率>95%,电流效率约为43.7%,金属铜的回收速率达1.57 g h-1。此外,该反应器应用于化学镀镍废液中镍离子的回收,实现了>99%的回收率,回收的镍作为HMF电氧化催化剂,表现出良好的催化性能（1.4 V vs RHE,FE为90%,2,5-呋喃二甲酸选择性为93%）。（2）针对阳极电氧化反应,为强化电解液中HMF从体相到阳极催化剂表面的传递,本论文开发了仿枪管膛线的流动电解器件用于HMF电氧化制备2,5-呋喃二甲酸（FDCA）。首先通过CFD研究了传统蛇形流道和仿枪管膛线流道对流体流动形态的影响,仿真结果表明流体从传统流道中的层流变成了仿枪管膛线流道中的三维旋转流动,有利于HMF从体相到电极表面的传递。基于此,设计并构建了电极面积100 cm2的流动反应器,在500 m A cm-2电流密度下,该反应器实现了93%的FDCA法拉第效率,明显高于传统蛇形流道（约为70%）,实现了HMF电氧化反应器中的传质强化。本论文分别针对电还原回收废弃镀液金属和电氧化生物质平台分子中的传质受限共性科学问题,通过仿真模拟和实验验证,实现了水相中稀物质电解反应的过程强化,为提高该类反应效率提供了新思路。

关键词：电催化反应器设计传质强化金属回收生物质转化

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鼓泡对膜蒸馏的传质强化和阻垢性能研究

鼓泡对膜蒸馏的传质强化和阻垢性能研究

作者：马淑洁河北工业大学

学位级别：硕士

膜蒸馏过程是以蒸汽压差为驱动力的膜分离技术,在高盐废水处理、果汁浓缩、海水淡化等领域有广阔的应用前景。相比传统的压力驱动膜过程,膜蒸馏技术具有能耗低、截留率高、操作压力低等优势。然而,在膜蒸馏过程中的温差极化、浓差极化... 详细信息

膜蒸馏过程是以蒸汽压差为驱动力的膜分离技术,在高盐废水处理、果汁浓缩、海水淡化等领域有广阔的应用前景。相比传统的压力驱动膜过程,膜蒸馏技术具有能耗低、截留率高、操作压力低等优势。然而,在膜蒸馏过程中的温差极化、浓差极化现象会增加运行能耗,高浓度料液浓缩中的膜面结垢等问题也会降低系统的稳定性,限制其工业化推广应用。在膜蒸馏系统中通入气体,利用鼓泡对膜表面产生剪切力,能有效破坏边界层,减缓极化现象,同时延缓膜表面结晶。本文研究了鼓泡对直接接触膜蒸馏过程的传质强化和高盐溶液浓缩过程的阻垢效果。首先研究了对平板式直接接触膜蒸馏进料侧的鼓泡传质强化过程,讨论了不同进料温度、进料浓度、进气流量和进料流量条件下鼓泡对膜蒸馏的传质强化效果。研究结果表明,在相同鼓泡强度下,鼓泡对低进料温度和高进料浓度的体系传质强化效果更显著。随着进气流量的增加,气泡的上升速度随气泡面积的增加先增大后减小,对膜通量的提高比也先增加后减小。50～100 mm的气泡具有最快的上升速度,对膜面边界层扰动最强,传质强化效果最好,最佳强化效果达到2.5倍。随着进料流量提高,隔网对气泡的剪切作用增强,气泡变小,最佳进气流量增大。对渗透膜蒸馏膜两侧鼓泡时的传质强化效果研究结果表明,进料侧鼓泡强化效果优于渗透侧。由于渗透侧浓差极化的存在,渗透膜蒸馏原料侧鼓泡的通量提高比低于直接接触膜蒸馏,由直接接触膜蒸馏的2.50倍通量提高比降低为渗透膜蒸馏1.97倍通量提高比。考察了鼓泡对高盐溶液浓缩过程中的阻垢效果。结果表明,鼓泡能提升高盐溶液浓缩过程的水通量,推迟晶体在膜面沉积发生的时间,显著减缓结垢层的增长速度。通过对比鼓泡在近饱和CaSO和Na Cl两种体系中的阻垢效果发现,0.1 L/min鼓泡强度产生的剪切力对减缓大尺寸针状的CaSO结晶的表面沉积就有更好的效果。而对小颗粒的Na Cl立方晶体,需要相对较大的进气流量来实现阻垢效果。

关键词：直接接触膜蒸馏传质强化两相流温差极化浓差极化阻垢

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多降液管塔板气液传质强化与气泡行为研究

多降液管塔板气液传质强化与气泡行为研究

作者：邹元强青岛科技大学

学位级别：硕士

介观尺度上的气泡对于气液两相之间的传质有着极其重要的影响。大气泡的存在将会导致气相的停留时间减小,气液接触界面更新缓慢,使塔板的效率大打折扣。因此若能打破大气泡,减小其尺寸,便能增加气液接触面积,强制界面进行更新,强化其传... 详细信息

介观尺度上的气泡对于气液两相之间的传质有着极其重要的影响。大气泡的存在将会导致气相的停留时间减小,气液接触界面更新缓慢,使塔板的效率大打折扣。因此若能打破大气泡,减小其尺寸,便能增加气液接触面积,强制界面进行更新,强化其传质过程。基于此,本文提出了一种塔板气液传质强化的新方法:液滴破泡,并以此为依据对传统塔板进行优化,提出了新型多降液管塔板。本文自行设计了一套可视化实验流程,通过粒子图像测速技术（PIV）结合计算流体动力学分析软件（CFD）对气泡的破碎行为进行研究。实验选择无液滴影响下的气泡运动作为对照,分析了气泡受液滴影响后其上升速度、质心位置、等效直径、纵横比、气泡内部压力速度变化、外部流场等信息。结果表明液滴进入液层后直接或间接作用于气泡,受到液滴冲击的大气泡被撕裂成小气泡。且单个气泡的上升时间延长至172.663 ms;气泡破碎前被纵向压缩、水平拉伸,其表面积增大为原来的2倍。气泡周围流场发生改变,气泡内部压力及其速度增大,表面更新加快。CO吸收实验结果显示采用液滴破泡后气液传质效果得到了加强。在空气-水体系中对新型多降液管塔板进行流体力学实验,通过改变气体与液体流量的大小,探究不同操作条件下新塔板的压降、等效液层高度、气含率等流体力学参数。借助于模拟软件计算分析塔板上的气液流动状态。研究结果显示新型多降液管塔板的湿板压降约为传统塔板的80%,有效地降低了能耗;在相同操作条件下,新塔板的气含率比传统塔板平均高出66.3%,且气含率分布更加均匀。新多降液管塔板对降液管的改造使塔板上的传质区域面积增大;很好地消除了液面落差,使液层分布更加均匀。本论文的研究为传递过程强化提供了新思路,在开发新塔盘、强化传质等方面可以起到一定的理论指导作用。

关键词： PIV CFD 气泡破碎新多降液管塔板传质强化

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突扩微通道内气液两相流与传质强化研究

突扩微通道内气液两相流与传质强化研究

作者：张诗哲天津大学

学位级别：硕士

微流控技术由于其极高的相界面面积与极短的传质扩散距离已成为强化气液传质的有效手段,具有广阔的应用前景。本文针对含突扩结构的新型微通道在物理吸收与化学吸收过程中的气液流动过程及传质强化特性进行研究。采用数值模拟的方法考... 详细信息

微流控技术由于其极高的相界面面积与极短的传质扩散距离已成为强化气液传质的有效手段,具有广阔的应用前景。本文针对含突扩结构的新型微通道在物理吸收与化学吸收过程中的气液流动过程及传质强化特性进行研究。采用数值模拟的方法考察了突扩结构内气液两相流的流动特性。利用可视化方法实验研究了突扩单元数量、连续相浓度、操作条件等对流动与传质的影响。结合能量耗散评估突扩微通道的有效传质效率,探索突扩微通道的最优构型并建立传质预测模型。以CO/[Bmim][BF]为实验物系,研究了物理吸收下的气液传质强化效果。伴随着气液比的增大,突扩微通道的体积传质系数与增强因子均随之显著增大。而随着连续相浓度的提升,增强因子下降。此外,传质增强效果随着微通道内突扩单元数量的增加而增加,n=16的微通道传质增强因子可达到2.0,显示出优良的传质特性。采用CO/[AMP]为实验物系,研究在化学吸收的条件下,突扩微通道的传质强化效果。结果表明,化学吸收下的增强因子普遍大于1,但最大值仅为1.33。同物理吸收相比,提升效果相对较小。将增强因子与能耗比的比值定义为有效传质效率φ,相比于直通道,在0传质效率最高可达到2.4,突扩结构改善相间传质的效果远超于因压力损失造成的能耗增加。研究了突扩结构几何参数变化对传质的影响,发现长度比与宽度比的提升均有利于液膜传质与液弹传质的增强。分析φ值发现,宽度比的增大在突扩微通道传质强化过程占据主导地位。将舍伍德数、施密特数、雷诺数、无量纲结构参数与传质系数相关联,针对突扩通道的传质系数提出了新的预测模型,预测值与实验值吻合良好。

关键词：微通道气液两相流传质强化突扩单元能耗有效传质效率

基于燃料及离子传质强化的被动式纸基微流体燃料电池性能特性

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基于燃料及离子传质强化的被动式纸基微流体燃料电池性能特性

作者：文金玲重庆大学

学位级别：硕士

近年来,基于电化学反应的纸基微流控芯片实现了高特异性、高灵敏度的定量检测,广泛应用于生物医学领域,有巨大的发展潜力。目前市场上主要采用锂离子电池作为微型电源为其供电,但锂离子电池存在存储安全性问题、一次性使用成本较高、后... 详细信息

近年来,基于电化学反应的纸基微流控芯片实现了高特异性、高灵敏度的定量检测,广泛应用于生物医学领域,有巨大的发展潜力。目前市场上主要采用锂离子电池作为微型电源为其供电,但锂离子电池存在存储安全性问题、一次性使用成本较高、后处理程序复杂等缺点。因此,开发存储方便、价格低廉的高性能微型电源成为国内外研究热点。纸基微流体燃料电池利用燃料和氧化剂溶液在纸内气液界面的压力差驱动的毛细渗流实现了反应物的被动输运,同时利用平行层流的特性自然分隔阴阳极反应物,去除了质子交换膜和微泵,使电池设计、加工和运行都更为简单,更利于实现系统集成,但是目前纸基微流体燃料电池性能较低,限制了其实际应用。本文从强化燃料传输和减小离子传输阻力的角度改进电池结构,构建了阳极流道具有微孔阵列的被动式单层纸基微流体燃料电池结构、具有楔形流道的被动式双层纸基微流体燃料电池结构、阴阳极电极纵向布置的堆叠式纸基微流体电池结构,研究了微孔阵列、楔形流道、阴阳极间距、电极长度、燃料浓度、电解液浓度等对电池性能特性的影响。本文的主要研究成果如下:(1)构建了阳极流道具有微孔阵列的单层纸基微流体燃料电池,通过在阳极流道构建微孔阵列强化燃料与阳极接触,增大接触面积,减小传质阻力,降低电池欧姆内阻,使得阳极流道具有微孔阵列的纸基微流体燃料电池最大功率密度比常规纸基微流体燃料电池提高了41.2%;当阴阳极间距为1.0 mm,电极长度为5.0 mm,燃料和电解液浓度均为2.0 mol/L时电池性能达到最优,其最高功率密度为29.7m W/cm。(2)构建了具有楔形流道的双层纸基微流体燃料电池结构,利用楔形流道加快阳极附近燃料流动速度,同时增加燃料与阳极表面和内部催化剂的有效利用面积,强化燃料传输。电池的最大功率密度为59.9 m W/cm,分别相比于单层纸结构和双层纸结构的最大功率密度,提高了245.8%和125.5%。(3)构建了基于阴阳极电极相对布置的堆叠式纸基微流体电池,通过阴阳极电极相对布置的设计,使离子沿竖直方向进行传递,缩短离子传递距离,强化离子传输;当电解液浓度为1.0 mol/L,燃料浓度为2.0 mol/L,纸基流道宽度为2.0 mm时电池的性能达到最优,其最大功率密度为63.0 m W/cm;且该电池具有良好的恒电压放电稳定性。

关键词：纸基微流体燃料电池微孔阵列楔形流道阴阳极相对布置传质强化

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膜蒸馏传质强化研究

膜科学与技术 1999年第2期19卷 17-21页

作者：李凭力郑峰任延王世昌天津大学化学工程研究所

以纯水和ＮａＣｌ水溶液为实验物系，采用聚丙烯中空纤维微孔膜分别进行了渗透膜蒸馏、纯水介质膜蒸馏和盐水强化膜蒸馏实验研究，考察了盐水浓度和操作温度对膜蒸馏传质通量和热效率的影响，并对３种形式膜蒸馏的实验数据进行了对比．... 详细信息

以纯水和ＮａＣｌ水溶液为实验物系，采用聚丙烯中空纤维微孔膜分别进行了渗透膜蒸馏、纯水介质膜蒸馏和盐水强化膜蒸馏实验研究，考察了盐水浓度和操作温度对膜蒸馏传质通量和热效率的影响，并对３种形式膜蒸馏的实验数据进行了对比．结果表明，盐水强化措施可以有效地提高膜蒸馏传质通量，并使过程的热效率显著提高．

关键词：膜蒸馏中空纤维聚丙烯膜蒸馏传质强化

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生物反应器气液传质强化的研究进展

生物加工过程 2023年第5期21卷 564-573页

作者：黎兴燕甘建陈家俊刘华宗李干禄李辉陈可泉南京工业大学生物与制药工程学院江苏南京211800

生物反应器是生物过程工程的核心设备,应用广泛,已实现了巨大的经济价值,但仍然存在较低的气液传质效率,这是降低生物转化效率的关键因素。本文综述了生物反应器中基于溶质渗透模型的传质机制及常用的体积传质系数(k_(L)a)测量方法,剖... 详细信息

生物反应器是生物过程工程的核心设备,应用广泛,已实现了巨大的经济价值,但仍然存在较低的气液传质效率,这是降低生物转化效率的关键因素。本文综述了生物反应器中基于溶质渗透模型的传质机制及常用的体积传质系数(k_(L)a)测量方法,剖析了气含率(Φ)、气泡直径(d B)、扩散系数(D_(L))、湍动能耗散率(ε)、液相密度(ρ)、流体黏度(μ)以及表面张力(σ)等因素对k_(L)a的影响机制,论述了最新的气液传质强化方法及应用进展,以期为生物反应器的气液传质强化提供研究思路。

关键词：生物反应器传质强化气液界面体积传质系数气液传质

入口射流对电化学反应器传质强化的实验和数值模拟研究

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入口射流对电化学反应器传质强化的实验和数值模拟研究