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1、第24卷第5期膜科学与技术Vo1.24No.52004年10月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYOct.2004文章编号:1007-8924(2004)05-0016-06中空纤维膜无泡供氧过程的传质性能研究3张六六许春燕牛津立沈志松(江苏省微生物研究所,无锡214063)摘要:使用中空纤维膜向液相系统中供氧时,无肉眼可见的气泡产生.与传统的泡式供氧相比,这种新颖的膜式无泡供氧具有传氧效率高、无泡沫产生和能耗低等优点,特别适宜应用于发酵、活性污泥废水处理和动物细胞培养等生物反应和人工控制的生命过程中.本文对中空纤维膜无泡供氧过程的传质机理、传
2、质阻力、传质方程和影响传质系数的操作参数等传质性能进行深入探讨,并提出了“边界层压缩”模型,以解释在无泡供养中传质系数随压力变化的原因.关键词:无泡供氧;中空纤维膜;传质;废水处理中图分类号:TQ028.8文献标识码:A近年来,膜式无泡供氧(membranebubbleless泡供氧中传质系数随压力变化的实验现象.[1-4]aeration)技术的研究和应用比较活跃.所谓无1基本理论泡供氧是相对于传统的鼓泡式供氧方式而言,是指液相内无肉眼可见气泡的供氧方式.让空气(或纯1.1传质过程和传质阻力氧)在一束疏水性中空纤维微孔膜的管腔内流动,液膜式无泡供氧的传质过程可用
3、图1来说明.氧相在管外流动,在膜两侧氧分压差的推动下,管腔内透过膜由气相向液相传递的过程可分为3步:(1)的氧透过膜壁上的微孔扩散进入管外的液体中.由在一定压力下,氧由气相主体穿过膜和空气之间的于膜微孔的孔径很小(0.01～0.1μm),孔密度又高气相边界层到达膜的表面,这一过程类似于气体在72(约10个/cm),气体在膜内被高度分散,传氧过程中无肉眼可见的气泡产生,传质达到最佳状况.膜式无泡传氧的优点是:(1)氧利用率高,在使用纯氧时,可达到100%的利用率;(2)无泡沫产生;(3)具有滤菌作用;(4)动力消耗低;(5)在供氧的同时,可把有害气体,如CO2,SO
4、2,H2S等从液相中洗涤出来.[4]目前国外已把这一技术应用于发酵、大规模[5][6]动植物细胞培养、外科心脏手术(人工肺)和好[7,8]氧生物水处理等技术领域的供氧.为促进膜式无泡供氧技术的研究和应用,对膜式无泡供氧过程图1无泡式膜供氧的传质过程示意图的传质性能,包括传质过程、传质推动力、传质阻力、Fig.1Illustrationofoxygenmasstransfer传质方程和影响传质的因素等方面进行了深入地探inbubbllessaeration讨.本文还提出了“边界层压缩”模型,籍此解释在无收稿日期:2003-02-24;修改稿收到日期:2003-09-
5、26基金项目:江苏省应用基础研究项目(BJ99047)作者简介:张六六(1973-),男,江苏泗洪人,助理研究员,主要从事生物和环境技术方面的研究.3通讯联系人.©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第5期张六六等:中空纤维膜无泡供氧过程的传质性能研究·17·固体表面的吸附过程,其传质阻力是气相边界层的-[(1-expkLaL/υ)(QL/V)]t(5)阻力1/Hkg;(2)氧沿膜微孔扩散透过膜,其传质阻式中,kL为氧
6、传质系数;υ为液相流速;C0为液相力是膜本身的阻力1/Hkm;(3)氧透过膜和液相之中溶解氧的起始浓度;Ct为液相中氧的瞬时浓度;间的液相边界层而溶解进入液相主体,这一扩散过V为液相总体积;QL为液相流量;pO为气相中氧2程的传质阻力主要是液相边界层的阻力1/kL.上述的分压;L为纤维长度,a为膜的比表面积,即a=2传质过程的总阻力1/k,可表示为膜表面积/膜容积=[(nπd0L)/n(π/4)d0L]=4/1/k=1/Hkg+1/Hkm+1/kL(1)d0(d0为中空纤维膜的外径).式中,kg,km,kL和k分别为气相、膜、液相和总传用一系列的ln[(pO/H-
7、Ct)/(pO/H-C0)]22质系数;H为氧的亨利系数.文献[2,3]认为氧透过对时间t作图,得一直线,直线的斜率是膜由气相向液相传递的阻力中,气相边界层的阻力B=-(1-expkLaL/υ)QL/V(6)1/Hkg可忽略不计.而对于疏水微孔膜,由于氧实际由式(6)计算得到上是在膜微孔中的空气中进行扩散传递,其膜阻力kL=-(υ/aL)ln(1+BV/QL)(7)也可忽略不计.因此,式(1)可简化为传质方程的详细推导过程,请参见文献[4].1/k=1/kL(2)2实验部分式(2)的物理意义是:膜式无泡供氧的传质主要受液相和膜之间的边界层(液膜)阻力的控制,任何2
8、.1实验流
