第I部分∶环境工程原理基础张旭等

1高级环境工程原理讲义天津大学环境科学与工程学院2012-11-25第一章质量传递1第一章质量传递在一个含有两种或两种以上组分的体系中，若某组分的浓度分布不均匀，则会发生该组分由浓度高的区域向浓度低的区域的转移，即发生物质传递现象。该现象称质量传递过程，简称为传质过程。在环境工程中，经常利用传质过程去除水、气体和固体中的污染物，如常见的吸收、吸附、萃取、膜分离过程。此外，在化学反应或生物化学反应中，也常伴随着传质过程，例如在好氧生物膜系统中，曝气过程包括氧气在空气和水之间的传质，在生物氧化过程中包括氧气、营养物及反应产物在生物膜内的传递。传质过程不仅影响反应的进行，有时甚至成为反应的控制因素，例如酸碱中和反应的速率往往受到物质传递速度的影响。可见，环境工程中污染控制技术多以质量传递为基础，了解传质过程具有十分重要的意义。引起质量传递的推动力主要是浓度差，其它还有温度差、压力差以及电场或磁场的场强差等等。由温度差引起的质量传递称为热扩散，由压力差引起的质量传递称为压力扩散，由电场或磁场的场强差引起的质量扩散称为强制扩散。在一般情况下，后几种扩散效应都较小，可以忽略，只有在温度梯度或压力梯度很大以及有电场或磁场存在时，才会产生明显的影响。本章仅讨论由浓度差引起的传质过程的基本规律。第一节环境工程中的传质过程环境工程中常见的传质过程有：1.吸收与吹脱（汽提）吸收是指根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同，使气体与液体充分接触，其中易溶的组分溶于溶剂进入液体，而与非溶解的气体组分分离。吸收是分离气体混合物的重要方法之一，在废气治理中有广泛的应用。如废气中含有氨，通过与水接触，可使氨溶于水中，从而与废气分离；又如锅炉尾气中含有SO2，采用石灰/石灰石洗涤，使SO2溶于水，并与洗涤液中的CaCO3和CaO反应，转化为CaSO3·2H2O，烟气得到净化，这是目前应用最为广泛的烟气脱旒技术。化学工程中将被吸收的气体组分从吸收剂中脱出的过程称为解吸。在环境工程中，解吸过程常用于从水中去除挥发性的污染物，当利用空气作为解吸剂时，称为吹脱；利用蒸气作为解吸剂时，称为汽提。如某一受石油烃污染的地下水，污染物中挥发性组分占45%左右，可以向水中通入空气，使挥发性有机物进入气相，从而与水分离。2.萃取萃取是利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异分离液体混合物的方法。向液体混合物中加入另一种液体溶剂，即萃取剂，使之形成液-液两相，混合液中的某一组分从混合液转移到萃取剂相。由于萃取剂中，易溶组分与难溶组分的浓度比远大于它们在原混合物中的浓度比，因此该过程可使易溶组分从混合液中分离。例如，以萃取－反萃取工艺处理萘系染料活性艳红Ｋ－2ＢＰ生产废水，萃取剂采用Ｎ235，使活性艳红Ｋ－2ＢＰ从水中分离出来，废水得到预处理，再经后续处理可达到排放标准；进入萃取剂中的活性艳红Ｋ－2ＢＰ通过反萃取可以回收利用，反萃取剂采用氢氧化钠水溶液，可以将浓缩液直接盐析回收活性艳红，萃取剂循环使用。该方法不仅减少了环境污染，也使有用的物质得到回收利用。第一章质量传递23.吸附当某种固体与气体或液体混合物接触时，气体或液体中的某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相，称为吸附。根据气体或液体混合物中各组分在固体上被吸附的程度不同，可使某些组分得到分离。该方法常用于气体和液体中污染物的去除，例如在水的深度处理中，用活性炭吸附水中含有的微量有机污染物。4.离子交换离子交换是依靠阴、阳离子交换树脂中的可交换离子与水中带同种电荷的阴、阳离子进行交换，从而使离子从水中除去。离子交换常用于制取软化水、纯水，以及从水中去除某种指定物质，如去除电镀废水中的重金属等。5.膜分离膜分离是以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，混合物中的某一或某些组分可选择性地透过膜，从而与混合物中的其它组分分离。膜分离技术包括反渗透、电渗析、超滤、纳滤等，已经广泛应用于给水和污水处理中。如高纯水的制备，膜生物反应器等。第二节质量传递的基本原理一、传质机理传质可以由分子的微观运动引起，也可以由流体的宏观运动引起，因此传质的机理包括分子扩散和涡流扩散，又称分子传质和涡流传质。（一）分子扩散将有色晶体物质如蓝色的硫酸铜，置于充满水的静置玻璃瓶底部，开始仅在瓶底呈现出蓝色，随后在瓶内缓慢扩展，一天后向上延伸几厘米。长时间放置，瓶内溶液颜色会趋于均匀。这一有色物质的运动过程是分子随机运动的结果。这种由分子的微观运动引起的物质扩散称为分子扩散。物质在静止流体及固体中的传递依靠分子扩散。分子扩散的速率很慢，对于气体约为每分钟10cm，对于液体约为0.05cm，固体中仅为0.00001cm。（二）涡流扩散由于分子扩散速率很慢，工程上为了加速传质，通常使流体介质处于运动状态。当流动处于湍流状态时，在垂直于主流方向上，除了分子扩散外，更重要的是由流体质点强烈掺混所导致的物质扩散，称为涡流扩散。虽然在湍流流动中，分子扩散与涡流扩散同时发挥作用，但宏观流体微团的传递规模和速度远远大于单个分子，因此涡流扩散占主要地位，即物质在湍流流体中的传递，主要是依靠流体微团的不规则运动。研究结果表明，涡流扩散系数远大于分子扩散系数，并随湍动程度的增加而增大。第一章质量传递3二．分子扩散分子扩散的规律可用费克定律描述。（一）费克定律某一空间中充满A、B组分组成的混合物，无总体流动或处于静止状态。若组分A的摩尔浓度为AC，AC沿z方向分布不均匀，上部浓度高于下部浓度，即21AACC，见图1.2-1。分子热运动的结果将导致A分子由浓度高的区域向浓度低的区域净扩散流动，即发生由高浓度区域向低浓度区域的分子扩散。图1.2-1分子扩散示意图在一维稳态情况下，单位时间通过垂直于z方向的单位面积扩散的组分A的量为dzdCDNAABAz(1.2-1)式中：AzN——单位时间在y方向上经单位面积扩散的A组分的量，即扩散通量，也称为扩散速率，kmol/（m2·s）；AC——组分A的摩尔浓度，kmol/m3；ABD——组分A在组分B中进行扩散的分子扩散系数，m2/s；dzdCA——组分A在z方向上的浓度梯度，kmol/m3·m。式(1.2-1)称为费克定律，表明扩散通量与浓度梯度成正比，负号表示组分A向浓度减小的方向传递。该式是以摩尔浓度表示的费克定律。设混合物的摩尔浓度为Ckmol/m3，组分A的摩尔分数为Ax。当C为常数时，由于AACCx，则上式可写为第一章质量传递4dzdxDCNAABAz(1.2-2)对于液体混合物，常用质量分数表示浓度，于是费克定律又可写为dzdaDNAABAz(1.2-3)式中：——混合物的密度，kg/m3；Aa——组分A的质量分数；AzN——A组分的扩散通量，kg/（m2·s）。当混合物的密度为常数时，由于AAca，则上式可写为dzdcDNAABAz(1.2-4)式中：Ac——组分A的质量浓度，kg/m3；dzdcA——组分A在z方向上的质量浓度梯度，kg/m3·m。因此，费克定律表达的物理意义为：由浓度梯度引起的组分A在z方向上的质量通量=－（分子扩散系数）×（z方向上组分A的质量浓度梯度）（二）分子扩散系数式(1.2-1)给出了双组分系统的分子扩散系数定义式，即dzdCNDAAzAB(1.2-5)分子扩散系数是扩散物质在单位浓度梯度下的扩散速率，表征物质的分子扩散能力，扩散系数大，则表示分子扩散快。分子扩散系数是物质很重要的物理常数，其数值受体系温度、压力和混合物浓度等因素的影响。物质在不同条件下的扩散系数一般需要通过实验测定。常见物质的扩散系数见附录。对于理想气体及稀溶液，在一定温度、压力下，浓度变化对ABD的影响不大。对于非理想气体及浓溶液，ABD则是浓度的函数。低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增加而减小。对于双组分气体物系，扩散系数与总压力成反比，与绝对温度的1.75次方成正比，即1.750,00ABABpTDDpT第一章质量传递5式中：,0ABD——物质在压力为0p、温度为0T时的扩散系数，m2/s；ABD——物质在压力为p、温度为T时的扩散系数，m2/s。液体的密度、粘度均比气体高得多，因此物质在液体中的扩散系数远比在气体中的小，在固体中的扩散系数更小，随浓度而异，且在不同方向上可能有不同的数值。物质在气体、液体、固体中的扩散系数的数量级分别为10-5~10-4、10-9~10-10、10-9~10-14m2/s。三．涡流扩散对于涡流质量传递，可以定义涡流质量扩散系数D，单位为m2/s，并认为在一维稳态情况下，涡流扩散引起的组分A的质量扩散通量AN与组分A的平均浓度梯度成正比，即dzCdNADA(1.2-6)涡流扩散系数表示涡流扩散能力的大小，D值越大，表明流体质点在其浓度梯度方向上的脉动越剧烈，传质速率越高。涡流扩散系数不是物理常数，它取决于流体流动的特性，受湍动程度和扩散部位等复杂因素的影响。目前对于涡流扩散规律研究得还很不够，涡流扩散系数的数值还难以求得，因此常将分子扩散和涡流扩散两种传质作用结合在一起考虑。工程中大部分流体流动为湍流状态，同时存在分子扩散和涡流扩散，因此组分A总的质量扩散通量AtN为dzCdDdzCdDNAABeffADABAt)((1.2-7)式中ABeffD称为组分A在双组分混合物中的有效质量扩散系数。在充分发展的湍流中，涡流扩散系数往往比分子扩散系数大得多，因而有DABeffD。第一章质量传递6第三节分子传质分子传质发生在静止的流体、层流流动的流体以及某些固体的传质过程中。本节讨论在静止流体介质中，由于分子扩散所产生的质量传递问题，目的在于求解以分子扩散方式传质的速率。当静止流体与相界面接触时，若流体中组分A的浓度与相界面处不同，则物质将通过流体主体向相界面扩散。在这一过程中，组分A沿扩散方向将建立一定的浓度分布。对于稳态过程，浓度分布不随时间变化，组分的扩散速率也为定值。静止流体中的质量传递有两种典型情况，即单向扩散和等摩尔反向扩散。一、单向扩散静止流体与相界面接触时的物质传递完全依靠分子扩散，其扩散规律可以用费克定律描述。但是，在某些传质过程中，分子扩散往往伴随着流体的流动，从而促使组分的扩散通量增大。例如，当空气与氨的混合气体与水接触时，氨被水吸收。假设水的汽化可忽略，则只有气体组分氨从气相向液相传递，而没有物质从液相向气相作相反方向的传递，这种现象可视为单向扩散。在气、液两相界面上，由于氨溶解于水中而使得氨的含量减少，氨分压降低，导致相界面处的气相总压降低，使气相主体与相界面之间形成总压梯度。在此梯度的推动下，混合气体自气相主体向相界面处流动，使流体的所有组分（氨和空气）一起向相界面流动，从而使氨的扩散量增加。由于混合气体向界面的流动，使相界面上空气的浓度增加，因此空气应从相界面向气相主体作反方向扩散。在稳态情况下，流动带入相界面的空气的量，恰好补偿空气自相界面向主体反向分子扩散的量，使得相界面处空气的浓度（或分压）恒定，因此可视空气处于没有流动的静止状态。设相界面到气相主体之间的距离为L，则在相界面附近的气相内将形成氨分压的分布，如图1.3-1所示，0,Ap、0,Bp分别为气相主体中氨和空气的分压，iAp,、iBp,分别为相界面处氨和空气的分压。图1.3-1单方向扩散以上分析表明，在单相扩散中，扩散组分的总通量由两部分组成，即流动所造成的传质通量和叠加于流动之上的由浓度梯度引起的分子扩散通量。分子扩散是由物质浓度（或分第一章质量传递7压）差而引起的分子微观运动，而流动是因为系统内流体主体与相界面之间存在压差而引起的流体宏观运动，其起因还是分子扩散。所以流动是一种分子扩散的伴生现象。（一）扩散通量由组分A、B组成的双组分混合气体，以组分A代表溶质，组分B代表惰性组分。组分A向液体界面扩散并溶于液体，则组分A从气相主体到相界面的传质通量为分子扩散通量与流动中组分A的传质通量之和。由于传质