物理場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的研究進(jìn)展

金付強(qiáng)，張曉東，許海朋，華棟梁，張杰

（山東省科學(xué)院能源研究所山東省生物質(zhì)氣化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

氣液傳質(zhì)在化工過(guò)程中廣泛存在，并且是某些單元操作（如精餾、吸收等）中的控制步驟，而強(qiáng)化氣液傳質(zhì)能夠提高單位體積設(shè)備的傳質(zhì)通量，簡(jiǎn)化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。國(guó)內(nèi)外關(guān)于強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程的研究主要集中在3個(gè)方面[1-4]：①改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，從而改善兩相流動(dòng)和接觸；②加入質(zhì)量分離劑，如催化劑、反應(yīng)組分、吸附劑、有機(jī)活性組分、無(wú)機(jī)電解質(zhì)等，提出各種耦合或復(fù)合型分離技術(shù)；③引入第二能量分離劑，如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、超聲場(chǎng)、超重力場(chǎng)等物理場(chǎng)，利用外場(chǎng)能量與體系內(nèi)各個(gè)組分相互作用實(shí)現(xiàn)或強(qiáng)化目標(biāo)組分的分離。其中采用物理場(chǎng)強(qiáng)化化工過(guò)程可有效地提高過(guò)程效率，縮短操作時(shí)間，且具有不向體系中引入添加物、不造成后續(xù)分離困難的顯著特點(diǎn)，是環(huán)境友好的新技術(shù)，因此引起了許多研究者的重視和研究[1，5]。本文針對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外分別以磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)和超重力場(chǎng)5種物理場(chǎng)強(qiáng)化蒸發(fā)、精餾和氣體吸收中的氣液傳質(zhì)的研究進(jìn)行討論，并介紹了物理場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的熱力學(xué)研究進(jìn)展。

1 磁場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)

磁場(chǎng)不僅能夠改變分子的微觀狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且能夠?qū)ξ镔|(zhì)分子間力產(chǎn)生影響，從而影響物系的宏觀性質(zhì)。對(duì)于氣液傳質(zhì)過(guò)程，磁場(chǎng)可以改變?nèi)芤旱谋砻鎻埩Γ磫挝幻娣e自由能）、黏度、飽和蒸汽壓和各組分間的相對(duì)揮發(fā)度，以及氣體的溶解度、擴(kuò)散系數(shù)等物理性質(zhì)，從而影響氣液傳質(zhì)過(guò)程[6-9]。

1.1 磁場(chǎng)強(qiáng)化蒸發(fā)與蒸餾

目前磁場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)還處于研究和探索階段，一些研究者從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)化蒸發(fā)與蒸餾進(jìn)行了研究。天津大學(xué)吳松海等[6]研究了磁場(chǎng)對(duì)蒸餾水蒸發(fā)過(guò)程的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施加磁場(chǎng)后的水蒸發(fā)速度約是無(wú)磁場(chǎng)的1.1倍，蒸發(fā)速度隨施加磁場(chǎng)磁強(qiáng)度增大而加大，并提出了氫鍵磁化共振理論假說(shuō)，認(rèn)為磁場(chǎng)對(duì)水分子的熱運(yùn)動(dòng)提供了能量，導(dǎo)致部分氫鍵被破壞；在磁場(chǎng)作用下正負(fù)電荷將受洛侖茲力的作用，陰陽(yáng)離子按磁場(chǎng)方向被推向相反的方向，使偶極的取向發(fā)生變化、氫健將發(fā)生畸變而更容易被破壞。氫鍵被破壞后，水分子團(tuán)變小，使水分子容易從液體中逸出。華南理工大學(xué)馬偉等[7]研究了磁場(chǎng)強(qiáng)化溶液蒸發(fā)過(guò)程的效果，實(shí)驗(yàn)表明磁場(chǎng)降低了溶液的表面張力，加速了蒸發(fā)過(guò)程；理論分析認(rèn)為磁場(chǎng)起到了磁致“表面效應(yīng)”的作用，促使氣泡核化勢(shì)壘和臨界半徑降低以及電位下降，從而微小的氣泡得以汽化，促進(jìn)了氣液傳質(zhì)過(guò)程，提高了蒸發(fā)效率。Guo等[8]在超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的大梯度磁場(chǎng)中研究了磁場(chǎng)對(duì)水蒸發(fā)的影響，結(jié)果表明在磁場(chǎng)中水的蒸發(fā)速度比不在磁場(chǎng)中的快，并發(fā)現(xiàn)水的蒸發(fā)量與樣品在磁場(chǎng)中所處的位置有關(guān)。

天津大學(xué)張敏卿等[9]通過(guò)研究磁場(chǎng)對(duì)乙醇-水、丙醇-水、乙酸-水物系汽液平衡的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響汽液平衡的機(jī)理在于各組分從磁場(chǎng)吸收能量用以降低氣化潛熱，若輕組分的磁化率大于重組分的磁化率，則輕組分在氣相中變大；反之，若輕組分的磁化率小于重組分的磁化率，則輕組分在氣相中變小，因此可利用磁場(chǎng)對(duì)物系分子間力的影響，提高待分離物中各組分間的相對(duì)揮發(fā)度。Jia等[10-11]先后對(duì)乙醇-水、正丙醇-水、正丁醇-水、乙酸-水物系進(jìn)行磁場(chǎng)處理，測(cè)得的氣相平衡組成均有不同程度的提高，從全回流下的精餾分離效果看，磁場(chǎng)作用均顯示出正效應(yīng)，但磁化效果與磁感應(yīng)強(qiáng)度不成比例，存在一個(gè)最佳值；分析認(rèn)為磁場(chǎng)使溶液中的氫鍵發(fā)生共振，引起氫鍵畸變或斷裂，從而影響體系的汽液平衡。從以上研究表明，磁場(chǎng)能否影響物系中的分子間力是影響相對(duì)揮發(fā)度，繼而影響汽液平衡的關(guān)鍵。

1.2 磁場(chǎng)強(qiáng)化氣體吸收

磁場(chǎng)能夠通過(guò)降低吸收劑的表面張力來(lái)減小液膜對(duì)氣體擴(kuò)散的阻力，使氣體分子更容易穿過(guò)液相薄膜至液相主體；由于表面束縛力的降低，噴淋下的吸收劑溶液更容易分散成小顆粒，使吸收系數(shù)增大，從而強(qiáng)化氣體吸收過(guò)程[12]。東南大學(xué)牛曉峰等[13-14]研究了磁場(chǎng)對(duì)氨水降膜吸收過(guò)程的影響，結(jié)果顯示在磁場(chǎng)條件下冷卻水出吸收主體段時(shí)溫度、傳熱降膜管壁溫度和吸收完畢后溶液濃度均比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)有所升高，表明磁場(chǎng)對(duì)氨水降膜吸收過(guò)程產(chǎn)生了一定的強(qiáng)化作用。他們還研究了磁場(chǎng)方向?qū)Π彼的の者^(guò)程的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)方向與降膜方向相同時(shí)可以強(qiáng)化吸收，而與降膜方向相反時(shí)則會(huì)減弱吸收[15]。

磁場(chǎng)除了通過(guò)對(duì)溶液性質(zhì)的改變來(lái)影響氣液傳質(zhì)外，還可通過(guò)宏觀磁場(chǎng)力的作用，即向溶液中加入微小的磁性顆粒，應(yīng)用外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)促進(jìn)磁性顆粒在溶液內(nèi)部的擾動(dòng)，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程[16]。例如Chen等[17]研究了磁流化床中的氣液傳質(zhì)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)表明由于氣液界面面積增加，傳質(zhì)系數(shù)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，最高增大了70%。上海理工大學(xué)Wu等[18]利用納米磁性流體 Fe3O4和外加磁場(chǎng)聯(lián)合強(qiáng)化氨水吸收，結(jié)果表明納米磁性流體和外部磁場(chǎng)的組合效應(yīng)能夠顯著強(qiáng)化吸收，并且強(qiáng)化效果好于單一強(qiáng)化方式；在氨初始濃度為20%、納米磁性流體體積分?jǐn)?shù)為0.10%、磁場(chǎng)強(qiáng)度280 mT時(shí)，吸收強(qiáng)化因子達(dá) 1.0812±0.0001。東南大學(xué)張?jiān)品宓萚19-20]把磁流化床技術(shù)應(yīng)用于煙氣脫硫過(guò)程，結(jié)果顯示磁場(chǎng)和鐵磁性顆粒確實(shí)對(duì)流化床中的脫硫反應(yīng)有著明顯的催化作用，使脫硫效率比普通噴霧干燥脫硫有大幅度提高；同時(shí)發(fā)現(xiàn)磁性顆粒粒徑越小，脫硫效率越高，而非磁性顆粒對(duì)脫硫反應(yīng)的作用不如磁性顆粒對(duì)脫硫反應(yīng)的作用明顯。分析認(rèn)為磁流化床對(duì)脫硫反應(yīng)的強(qiáng)化作用分鐵磁顆粒強(qiáng)化和磁場(chǎng)強(qiáng)化兩方面：鐵磁顆粒強(qiáng)化，體現(xiàn)在磁場(chǎng)改變了鐵磁顆粒表面脫硫產(chǎn)物的附著方式，加強(qiáng)了鐵元素對(duì)S（Ⅳ）的催化氧化作用，提高了SO2的吸收速率；磁場(chǎng)強(qiáng)化，體現(xiàn)在磁場(chǎng)能增強(qiáng)Ca(OH)2的溶解度，從而增強(qiáng)Ca(OH)2漿滴的脫硫能力[21-22]。

以上研究表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下磁場(chǎng)可以明顯改善物系的分離性能。此外，磁場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程具有良好的調(diào)節(jié)和控制特性，在化工、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 電場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)

電場(chǎng)（包括交變電場(chǎng)、直流電場(chǎng)、脈沖電場(chǎng)、靜電場(chǎng)和非均勻電場(chǎng)）可以通過(guò)極化效應(yīng)對(duì)物系的影響有效地控制和調(diào)節(jié)化工過(guò)程，可變參數(shù)多，易于通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，已經(jīng)成為近年來(lái)化工過(guò)程強(qiáng)化領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[5，16]。

2.1 電場(chǎng)強(qiáng)化蒸發(fā)與蒸餾

電場(chǎng)的極化效應(yīng)會(huì)影響物質(zhì)分子間力，從而會(huì)對(duì)蒸發(fā)與蒸餾產(chǎn)生影響。日本的Asakawa[23]最早將電場(chǎng)用于蒸餾水的蒸發(fā)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高壓電場(chǎng)下水的蒸發(fā)變得十分活躍，施加電場(chǎng)后水的蒸發(fā)速度加快，并認(rèn)為電場(chǎng)消耗的能量很小。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李里特等[24]研究了高壓靜電場(chǎng)對(duì)蒸餾水蒸發(fā)過(guò)程的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明施加電場(chǎng)后的蒸發(fā)速度是不施加電場(chǎng)的1.4倍左右，且隨施加電壓的增高而增高，施加電場(chǎng)后的蒸發(fā)效果是不施加電場(chǎng)時(shí)蒸發(fā)效果與電場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)蒸發(fā)效果的線(xiàn)性疊加。高壓電場(chǎng)應(yīng)用于濃縮和干燥過(guò)程具有設(shè)備造價(jià)低、能耗低、不升溫等特點(diǎn)，尤其適合熱敏性物料的濃縮和干燥[25]。

Tsouris等[26]研究了電場(chǎng)對(duì)蒸餾效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在直流電場(chǎng)下塔板效率和餾分流量均有提高，并將其歸因于電場(chǎng)對(duì)傳熱傳質(zhì)的強(qiáng)化。對(duì)于異丙醇-水蒸餾體系，當(dāng)電壓為14 kV時(shí)塔板效率提高了2.2%，餾出速率提高4倍；而對(duì)于具有較低介電常數(shù)的2-丁酮/甲苯體系，在電壓高達(dá)30 kV時(shí)蒸餾效率仍未能改進(jìn)。天津大學(xué)唐洪波等[27]研究了電場(chǎng)對(duì)乙醇-水、丙醇-水、乙酸-水體系汽液平衡的影響，結(jié)果表明電場(chǎng)使體系中介電常數(shù)大的組分在汽相中的含量增大，介電常數(shù)小的組分在汽相中的含量則減??；介電常數(shù)相差越大，越有利于電場(chǎng)的極化分離。電場(chǎng)對(duì)所研究的3個(gè)體系的汽液平衡均有影響，但對(duì)共沸溫度和共沸組成的影響有限，不能明顯使共沸點(diǎn)漂移。

2.2 電場(chǎng)強(qiáng)化氣體吸收

一般的電場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程都是以提高傳質(zhì)系數(shù)和增大傳質(zhì)面積為基礎(chǔ)，強(qiáng)化效果與電場(chǎng)種類(lèi)和強(qiáng)度有關(guān)。以色列的 Elperin等[28]認(rèn)為對(duì)懸浮于電介質(zhì)液體中的電介質(zhì)氣泡或液滴施加一個(gè)均勻穩(wěn)定的電場(chǎng)時(shí)就會(huì)在界面聚積電荷，這些電荷與電場(chǎng)相互作用形成的切應(yīng)力產(chǎn)生一個(gè)環(huán)流，這一環(huán)流會(huì)使氣泡與周?chē)后w之間的傳質(zhì)得到強(qiáng)化。大連理工大學(xué)劉鐘陽(yáng)等[29]為改善臭氧消毒過(guò)程中傳質(zhì)效率低的問(wèn)題，進(jìn)行了交流電場(chǎng)強(qiáng)化臭氧向水中傳質(zhì)的研究，結(jié)果表明電場(chǎng)能夠強(qiáng)化臭氧向水中的傳質(zhì)過(guò)程，且電壓越高，對(duì)于傳質(zhì)的加強(qiáng)效果越明顯。當(dāng)電壓為8 kV時(shí)，和未電場(chǎng)的情況相比，總傳質(zhì)系數(shù)提高41%。李楠[30]利用脈沖電場(chǎng)強(qiáng)化臭氧傳質(zhì)，結(jié)果表明隨著脈沖電壓的增加，水中臭氧濃度和總傳質(zhì)系數(shù)均相應(yīng)升高。當(dāng)脈沖電壓升到2 kV時(shí)，水中臭氧濃度提高了43.1%，總傳質(zhì)系數(shù)提高了89.11%。中南大學(xué)左恒等[31]為改善銅礦排土場(chǎng)氧氣的傳質(zhì)，研究了利用直流電場(chǎng)強(qiáng)化氧氣向溶浸液中傳質(zhì)的過(guò)程，結(jié)果表明電場(chǎng)對(duì)氧氣傳質(zhì)的強(qiáng)化效果與電場(chǎng)的強(qiáng)弱以及溶浸液的性質(zhì)有關(guān)，所加電場(chǎng)強(qiáng)度和溶浸液濃度越高，強(qiáng)化效果越明顯。和未加電場(chǎng)的情況相比，在強(qiáng)度為80 V/mm的電場(chǎng)作用下的總傳質(zhì)系數(shù)提高28.2%。

雖然不同形式的電場(chǎng)作用在傳質(zhì)效率、能耗等方面存在差異，但本質(zhì)上都是通過(guò)電場(chǎng)與帶電物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生的力來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳質(zhì)的，目前的研究結(jié)果表明電場(chǎng)種類(lèi)和強(qiáng)度是影響傳質(zhì)效果的重要因素，但強(qiáng)化傳質(zhì)的具體規(guī)律與機(jī)理還不是十分清楚，仍需要進(jìn)行深入地研究。

3 電磁場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)

電磁場(chǎng)能夠使極性分子從原來(lái)的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電場(chǎng)的極性排列取向，而高頻交變電磁場(chǎng)能夠使這些取向按交變電磁場(chǎng)的頻率不斷變化，造成分子的運(yùn)動(dòng)和相互摩擦產(chǎn)生熱量。與其他傳質(zhì)強(qiáng)化手段相比，其特點(diǎn)之一在于它的熱效應(yīng)，能使被作用的物料溫度顯著升高。目前關(guān)于電磁場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)的研究報(bào)道主要集中在微波方面，后者已在催化、合成、萃取、干燥、降解及破乳等過(guò)程中顯示出了良好的強(qiáng)化效果與應(yīng)用前景[16，32]。

3.1 微波強(qiáng)化蒸發(fā)與蒸餾

微波加熱比傳統(tǒng)加熱升溫快，且溫度場(chǎng)均勻，被加熱物料內(nèi)部的溫度梯度、壓力梯度與水分的遷移方向均一致，從而使氣液傳質(zhì)得到強(qiáng)化。Chemat等[33]報(bào)道了微波下的過(guò)熱沸騰現(xiàn)象，即在微波加熱下，液體溫度迅速升高并達(dá)到一穩(wěn)定值進(jìn)行回流，而這一溫度比常規(guī)加熱條件下液體的沸點(diǎn)高，這使得蒸發(fā)速率增大。Yousefi等[34]比較了微波加熱和常規(guī)加熱兩種方式對(duì)石榴汁蒸發(fā)速率的影響，分別在100 kPa、38.5 kPa和12 kPa的操作壓力下將石榴汁濃縮至40°Brix，常規(guī)加熱分別需要140 min、127 min和 109 min，而微波加熱所需時(shí)間分別減少至118 min、95 min和75 min。利用微波蒸發(fā)速度快的特點(diǎn)，Maichin等[35]在采用ICP發(fā)光光譜進(jìn)行微量元素分析之前、Bélanger等[36]采用氣相色譜-質(zhì)譜分析揮發(fā)性有機(jī)物之前均先采用微波濃縮或者干燥樣品，相比于傳統(tǒng)加熱方式，可顯著縮短操作時(shí)間。吳繼軍等[37]研究了菠蘿原汁在真空微波快速濃縮前后揮發(fā)性成分的變化，結(jié)果顯示菠蘿汁經(jīng)真空微波濃縮后損失較大的成分是D-檸檬烯、十五烷以及古巴烯等，完全消失的成分為己酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯和羅勒烯，并認(rèn)為這些容易揮發(fā)損失的香氣成分可以作為鑒別鮮榨菠蘿汁和濃縮菠蘿汁還原果汁的特征性成分。此外，微波在干燥領(lǐng)域已顯示出了顯著的優(yōu)勢(shì)，關(guān)于此方面已有大量研究與綜述[38]。

目前，僅有少數(shù)研究者對(duì)微波場(chǎng)下的蒸餾過(guò)程進(jìn)行了報(bào)道。天津大學(xué)侯鈞等[39]研究了微波對(duì)乙醇-苯體系間歇精餾的影響，結(jié)果表明微波能顯著提高塔頂餾分的采出速度，操作時(shí)間約是常規(guī)加熱條件下的一半。他們還研究了微波對(duì)二元體系汽液平衡的影響，結(jié)果顯示在微波場(chǎng)下介電常數(shù)差異較大的乙醇-苯體系的汽液平衡發(fā)生改變，共沸溫度和氣相中乙醇濃度均比常規(guī)加熱條件下的高，并且隨微波功率的增大而升高，而介電常數(shù)相近的鄰苯二甲酸二異辛酯-異辛醇體系無(wú)明顯變化[40]。羅立新等[41]也進(jìn)行了微波減壓蒸餾二元體系的研究，結(jié)果顯示微波能夠改變介電常數(shù)差異較大的乙醇-環(huán)己烷體系的汽液平衡，而對(duì)介電常數(shù)較大的異丙醇-乙醇體系和介電常數(shù)較小的苯-環(huán)己烷體系均無(wú)顯著影響?？梢?jiàn)與電場(chǎng)一樣，微波對(duì)汽液平衡的影響也與所作用體系的介電性質(zhì)密切相關(guān)。

3.2 微波強(qiáng)化氣體吸收

由于氣體在溶劑中的溶解度一般隨溫度升高而減小，而微波又會(huì)導(dǎo)致溶劑溫度顯著升高，所以微波一般不能通過(guò)提高氣體溶解度來(lái)強(qiáng)化吸收，而是通過(guò)影響其他因素來(lái)強(qiáng)化吸收。浙江大學(xué)趙德明等[42]進(jìn)行了微波強(qiáng)化臭氧氧化降解苯酚水溶液的研究，結(jié)果表明微波對(duì)臭氧氧化存在明顯的強(qiáng)化作用，去除苯酚的速率常數(shù)增強(qiáng)因子可達(dá)3.6，分析認(rèn)為這是由于微波能夠加快反應(yīng)體系中·OH自由基的生成速度。他們還對(duì)微波輔助二氧化氯氧化降解苯酚進(jìn)行了研究，結(jié)果表明微波輔助二氧化氯氧化系統(tǒng)相對(duì)單獨(dú)微波及二氧化氯體系而言具有明顯的協(xié)同效應(yīng)，分析認(rèn)為這是微波與二氧化氯作用更快地產(chǎn)生·Cl自由基強(qiáng)化氧化苯酚的結(jié)果，其增強(qiáng)因子為 1.4[43]。劉卉卉等[44]研究了微波輻照對(duì)磷礦漿吸收SO2的影響，結(jié)果表明微波輻照前后礦粉物相沒(méi)有變化，但礦粉上有新增的裂縫，從而增加了礦物的有效反應(yīng)面積，且輻照后礦粉中的催化劑Fe2O3更多地分布于礦粉表面，有利于增加催化劑顆粒的濃度，促進(jìn)磷礦漿吸收SO2反應(yīng)的進(jìn)行，表現(xiàn)為吸收效率的有效提高。此外，西安建筑科技大學(xué)薛娟琴等[45]進(jìn)行了微波解吸檸檬酸鹽溶液中SO2的研究，結(jié)果顯示在解吸前期微波影響非常顯著，后期影響程度逐漸減弱，且延長(zhǎng)微波作用時(shí)間可以提高SO2解吸率；隨著微波功率的增大，SO2解吸率快速增大，且在540 W時(shí)解吸率達(dá)到最大值，之后隨著微波功率的進(jìn)一步增大解吸率緩慢下降，分析認(rèn)為這與微波加熱升溫速率相關(guān)。

4 超聲場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)

氣液傳質(zhì)過(guò)程一般由氣膜或液膜控制，超聲場(chǎng)的介入能夠大大改善液膜控制。在超聲作用下液體會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，每個(gè)空化氣泡在潰滅時(shí)可產(chǎn)生局部高溫高壓環(huán)境，可產(chǎn)生湍動(dòng)效應(yīng)、微擾效應(yīng)以及沖擊波作用，一方面使滯流底層減薄，另一方面使滯流底層發(fā)生局部湍動(dòng)，甚至出現(xiàn)膜層空洞，改變了此層內(nèi)基本無(wú)渦流擴(kuò)散只靠分子擴(kuò)散的狀況，從而減小擴(kuò)散阻力，加速相際間的傳質(zhì)速率[46]。

4.1 超聲強(qiáng)化蒸發(fā)與蒸餾

超聲能夠使液體在其表面產(chǎn)生超聲噴霧和超聲空化，從而大大提高液體的蒸發(fā)表面積、湍動(dòng)系數(shù)、壓力降。新疆大學(xué)馬空軍等[47]對(duì)水-乙醇以及苯-乙醇二組分溶液的超聲蒸發(fā)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明聲場(chǎng)能夠促進(jìn)溶液的蒸發(fā)，蒸發(fā)效率提高2%～6%，且兩組分之間的體積分?jǐn)?shù)越接近，蒸發(fā)速率隨時(shí)間越容易表現(xiàn)出線(xiàn)性的變化關(guān)系。分析認(rèn)為聲場(chǎng)強(qiáng)化溶液蒸發(fā)的作用機(jī)理是聲場(chǎng)具有“空化效應(yīng)”，能夠降低溶液的表面張力，從而降低了成核勢(shì)壘，促進(jìn)了液體內(nèi)部的能量交換，使溶液蒸發(fā)過(guò)程得以強(qiáng)化。

張偉等[48]利用超聲強(qiáng)化水蒸氣蒸餾提取天然右旋龍腦，結(jié)果表明超聲能有效強(qiáng)化水蒸氣蒸餾效果，在超聲電功率400 W、超聲作用時(shí)間1 h、投料比為0.2 kg/L時(shí)，揮發(fā)油得率可達(dá)1.18%，右旋龍腦的純度達(dá)到60.6%。Zhu等[49]研究了超聲強(qiáng)化氣隙式膜蒸餾過(guò)程，將一個(gè)壓電式超聲換能器固定在膜組件熱側(cè)的不銹鋼板上進(jìn)行超聲膜蒸餾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明超聲使膜蒸餾通量增大，且通量隨超聲功率的增大而增大，在功率為 90 W 時(shí)膜通量約增大30%；在相同超聲功率下，熱側(cè)溶液溫度越低，通量增大幅度越大。分析認(rèn)為超聲空化、聲沖流以及膜面振動(dòng)改善了溫度和濃度極化并清洗了膜表面，是超聲提高膜蒸餾通量的主要機(jī)理。段小林等[50]也對(duì)超聲強(qiáng)化真空膜蒸餾進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果得到了相似的結(jié)論。

4.2 超聲強(qiáng)化氣體吸收

超聲在難溶氣體的吸收方面也能夠起到很好的強(qiáng)化作用，如北京科技大學(xué)趙媛等[51]為改善污水臭氧消毒過(guò)程中臭氧傳質(zhì)效率低的缺點(diǎn)，采用超聲來(lái)提高液相中臭氧濃度和傳質(zhì)效率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲輻射75 s時(shí)，臭氧傳質(zhì)系數(shù)最大；超聲功率由0增加到110 W時(shí)，液相臭氧濃度和傳質(zhì)系數(shù)隨功率升高而增大，當(dāng)達(dá)到110 W后不再增長(zhǎng)；傳質(zhì)系數(shù)和液相臭氧濃度隨頻率的增長(zhǎng)而增大。結(jié)果表明超聲對(duì)臭氧傳質(zhì)效果有很好的強(qiáng)化作用，同時(shí)可以提高液相臭氧濃度。

西安建筑科技大學(xué)薛娟琴等[52]進(jìn)行了超聲強(qiáng)化膜吸收脫除SO2的研究，結(jié)果表明超聲可以增大膜吸收通量，對(duì)氣液傳質(zhì)有促進(jìn)作用，但超聲的熱作用可以引起吸收液溫度的升高，而由于SO2在溶液中的溶解度隨著溫度的升高而降低，所以超聲膜吸收器上還需要添加溫控設(shè)備。他們還發(fā)現(xiàn)超聲能夠強(qiáng)化SO2的解吸過(guò)程，采用較低的超聲頻率可以獲得較高的解吸率，在超聲頻率為 40 kHz、解吸溫度為50 ℃、攪拌速度為300 r/min、檸檬酸鹽濃度為 1.0 mol/L、初始 SO2濃度為 120 g/L、超聲作用時(shí)間1 h時(shí)，解吸率可達(dá)82%[53]。浙江工業(yè)大學(xué)張?jiān)降萚54]采用氫氧化鈉水溶液吸收二氧化碳的方法，考察了超聲振蕩對(duì)擺式反應(yīng)器氣液傳質(zhì)性能的影響，結(jié)果表明在反應(yīng)器不擺動(dòng)和擺頻較低的條件下，超聲振蕩可提高反應(yīng)器傳質(zhì)系數(shù) 3～4倍。

綜上所述，超聲場(chǎng)對(duì)氣液傳質(zhì)具有良好的強(qiáng)化效果，展現(xiàn)出了很好的發(fā)展前景，但目前整個(gè)超聲強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程的發(fā)展仍處在實(shí)驗(yàn)研究階段，其經(jīng)濟(jì)性設(shè)備的開(kāi)發(fā)和規(guī)模放大是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)[46]。

5 超重力強(qiáng)化氣液傳質(zhì)

超重力指的是在比地球重力加速度大得多的環(huán)境下物質(zhì)所受到的力，在化工過(guò)程中常通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力而模擬實(shí)現(xiàn)。在超重力環(huán)境下，氣體的線(xiàn)速度也可以大幅度提高，同時(shí)液體表面張力的作用相對(duì)變得微不足道，并且強(qiáng)大的離心力使液體在巨大的剪切力和撞擊下被拉伸成極薄的膜、細(xì)小的絲和微小的液滴，產(chǎn)生巨大的相間接觸面積，使氣液傳質(zhì)過(guò)程得到高度強(qiáng)化，單位設(shè)備體積的生產(chǎn)效率能夠提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，尤其適合生產(chǎn)附加值較高的產(chǎn)品[1，4]。

5.1 超重力強(qiáng)化蒸發(fā)與蒸餾

超重力強(qiáng)化蒸發(fā)的應(yīng)用主要集中在蒸發(fā)脫揮方面，后者是聚合物生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要步驟，其消耗的能量占全過(guò)程的60%～70%，且脫揮結(jié)果直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。北京化工大學(xué)李沃源等[55]指出聚合物脫揮技術(shù)推廣的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)表面更新快速的新型高效傳質(zhì)設(shè)備，并提出了設(shè)計(jì)新型旋轉(zhuǎn)填充床用于高黏聚合物脫揮的可能性。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，旋轉(zhuǎn)填充床比常規(guī)脫揮設(shè)備效率高、能耗低，采用該技術(shù)對(duì)丙烯腈系聚合物進(jìn)行兩次循環(huán)脫揮處理，丙烯腈脫除率達(dá)到99%以上[56]。分析認(rèn)為，脫揮過(guò)程中解吸的揮發(fā)分氣體在第一時(shí)間離開(kāi)填料層，并迅速由真空泵抽走，防止了揮發(fā)分的二次溶解。

超重力精餾技術(shù)具有設(shè)備體積小、能耗低且傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，已引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。利用旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)行超重力精餾過(guò)程中，氣液兩相在離心分離因數(shù)大于 1000的離心力場(chǎng)中通過(guò)填料層時(shí)可以大大強(qiáng)化相際的傳熱和傳質(zhì)，傳質(zhì)系數(shù)較常規(guī)設(shè)備提高 10～1000倍[57]。1996年 Trevour等[58]以環(huán)己烷-正庚烷為物系，對(duì)旋轉(zhuǎn)填料床作了精餾實(shí)驗(yàn)，建立了壓降和傳質(zhì)效率的模型。中北大學(xué)栗秀萍等[59-60]以甲醇-水溶液為物系，在全回流操作條件下研究了旋轉(zhuǎn)填料床的傳質(zhì)和流體力學(xué)性能，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)填料床的理論塔板數(shù)隨超重力因子和氣相動(dòng)能因子的增大出現(xiàn)峰值，理論塔板高度最小為 9.5 mm；在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上應(yīng)用最小二乘法建立了旋轉(zhuǎn)填料床的傳質(zhì)、壓降實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。他們還以乙醇-水為物系，在多級(jí)旋轉(zhuǎn)填料床上進(jìn)行超重力精餾實(shí)驗(yàn)研究，理論塔板高度為12.7～152 mm，比傳統(tǒng)精餾塔低1個(gè)數(shù)量級(jí)；并分析了流體在超重力裝置內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，認(rèn)為超重力精餾過(guò)程的傳質(zhì)單元為液膜，超重力精餾傳質(zhì)過(guò)程克服了雙膜理論、滲透理論與表面更新理論中的瓶頸，是超重力精餾傳質(zhì)過(guò)程強(qiáng)化的根本原因[61-62]。為解決連續(xù)精餾過(guò)程中的中間進(jìn)料問(wèn)題，浙江工業(yè)大學(xué)鮑鐵虎等[63]開(kāi)發(fā)了一種折流式旋轉(zhuǎn)床，對(duì)轉(zhuǎn)子直徑為500 mm的折流式旋轉(zhuǎn)床進(jìn)行了精餾實(shí)驗(yàn)，獲得了每米48.3塊理論塔板的傳質(zhì)效果。折流式旋轉(zhuǎn)床的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為動(dòng)靜組合式結(jié)構(gòu)，具有無(wú)需液體初始分布器和設(shè)備內(nèi)部動(dòng)密封，易于實(shí)現(xiàn)中間進(jìn)料和多個(gè)轉(zhuǎn)子同軸串聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)[64-65]。但折流式旋轉(zhuǎn)床不使用填料而導(dǎo)致傳質(zhì)效果下降，為此，北京化工大學(xué)高鑫等[66-67]基于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)填料床和折流式旋轉(zhuǎn)床兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種多級(jí)逆流式超重力旋轉(zhuǎn)床，以乙醇-水為研究體系，最佳操作轉(zhuǎn)速為 800 r/min，理論塔板高度在19.5～31.4 mm之間；以甲醇-水為研究體系，最佳操作轉(zhuǎn)速為 700～800 r/min，理論塔板高度在31.16～47.21 mm之間；與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)填料床的理論塔板高度相當(dāng)，與折流式旋轉(zhuǎn)床相比傳質(zhì)效率提高且最佳轉(zhuǎn)速更低。

5.2 超重力強(qiáng)化氣體吸收

近年來(lái)，一些研究者報(bào)道了利用超重力技術(shù)來(lái)改善廢水降解過(guò)程中氣液傳質(zhì)效率低的問(wèn)題[68-70]。北京化工大學(xué) Zeng等[68]在旋轉(zhuǎn)填料床上進(jìn)行了鐵催化臭氧降解酸性含酚廢水的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)苯酚降解速率和降解程度具有顯著影響，苯酚最大去除率可達(dá)70%。他們還在旋轉(zhuǎn)填料床上進(jìn)行了臭氧/過(guò)氧化氫降解含酚廢水的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)苯酚降解率隨轉(zhuǎn)速、初始pH值和溫度的升高而增大，在苯酚初始濃度為 40 mg/L、H2O2濃度為 6.5 mmol/L、轉(zhuǎn)速為 1200 r/min時(shí)苯酚降解率可達(dá)100%[69]。中北大學(xué)Jiao等[70]在旋轉(zhuǎn)填料床上臭氧/過(guò)氧化氫降解含硝基苯廢水的研究，結(jié)果表明超重力工藝提高了臭氧利用效率，化學(xué)需氧量和硝基苯含量分別降低 45.8%和 50.4%，與常規(guī)曝氣攪拌混合器相比，分別提高 22.9%和 23.3%。分析認(rèn)為，超重力能夠?qū)U水剪切為薄液膜和小液滴，有效地增加氣液接觸面積和傳質(zhì)效率，從而提高臭氧化效率。

超重力對(duì)氣體吸收中的傳質(zhì)過(guò)程具有很好的強(qiáng)化作用，以旋轉(zhuǎn)填充床吸收CO2、SO2、NOx等氣體的研究結(jié)果均表明超重力能夠高度強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，大幅提高吸收效率[71-75]。針對(duì)燃煤電廠(chǎng)煙氣捕捉CO2效率低、再生能耗大以及設(shè)備體積龐大等缺點(diǎn)，內(nèi)蒙古科技大學(xué)李潔瓊等[71]采用 N-甲基二乙醇胺水溶液中加入烯胺組成的混胺為吸收劑，在旋轉(zhuǎn)填料塔中吸收煙氣中的CO2，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)吸收塔可以顯著提高CO2的吸收效率，增強(qiáng)傳質(zhì)效果，CO2的吸收效率達(dá)71.3%。北京化工大學(xué)謝冠倫等[72]采用一乙醇胺水溶液為吸收劑，在含有靜態(tài)環(huán)形擋板的新型結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)床中進(jìn)行了CO2吸收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明床內(nèi)的靜態(tài)環(huán)形擋板的加入使得CO2的吸收率較常規(guī)旋轉(zhuǎn)床提高了10%；CO2的吸收率隨著超重力因子的增加而上升，當(dāng)超重力因子超過(guò)125以后，CO2吸收率則趨于穩(wěn)定。他們還在超重力旋轉(zhuǎn)床中進(jìn)行了亞硫酸鈉溶液吸收煙氣中SO2的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SO2脫除率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨氣液比的增大而減?。辉谖找褐锈c離子濃度為0.25 mol/L、煙氣中SO2濃度為3420～3580 mg/m3、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為900 r/min、氣液比為1140的情況下二氧化硫的脫除率仍可達(dá)到90%，能夠滿(mǎn)足煙氣排放要求[73]。中北大學(xué)Jiang等[74]在旋轉(zhuǎn)填料床上進(jìn)行了以檸檬酸鈉緩沖溶液從SO2/空氣中吸收SO2的研究，實(shí)驗(yàn)表明SO2脫除率和氣液傳質(zhì)系數(shù)隨超重力因子、液氣比、吸收液中檸檬酸濃度和pH值的增加而增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)超重力工藝能夠抑制吸收液中硫酸根的生成，而后者大量存在時(shí)會(huì)有硫酸鈉結(jié)晶析出，不僅會(huì)導(dǎo)致吸收液效能降低，而且可能導(dǎo)致管路堵塞而使裝置無(wú)法運(yùn)行。Zhang等[75]采用旋轉(zhuǎn)床氣液反應(yīng)器提高EDTA螯合亞鐵溶液脫除氮氧化物的效率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮氧化物的脫除率在pH值為7時(shí)出現(xiàn)峰值，較佳的溫度范圍為293～303 K，當(dāng)超重力水平高于150 g時(shí)氮氧化物去除率能達(dá)到87%。旋轉(zhuǎn)填充床除了應(yīng)用于吸收CO2、SO2、NOx外，還可以用于吸收H2S、含乙酸尾氣、含氨尾氣等，已成為國(guó)內(nèi)外環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[76]。

綜上，超重力技術(shù)能夠使氣液兩相的界面更新加快，顯著提高氣液傳質(zhì)速度，使生產(chǎn)強(qiáng)度成倍提高，目前已經(jīng)在一些精餾和吸收單元操作成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

6 物理場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的熱力學(xué)

熱力學(xué)研究能夠判定化學(xué)反應(yīng)、相際傳質(zhì)的方向與限度，對(duì)科研和生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)作用。近年來(lái)，一些學(xué)者采用熱力學(xué)方法對(duì)物理場(chǎng)作用下的氣液傳質(zhì)進(jìn)行了研究。唐洪波等[77]對(duì)電場(chǎng)中的熱力學(xué)模型進(jìn)行了理論推導(dǎo)，從理論上證明了外加電場(chǎng)對(duì)汽液平衡的影響，結(jié)果表明對(duì)于二元物系，施加電場(chǎng)與未施加電場(chǎng)情況下某一組分的液相組成之比的對(duì)數(shù)與溶液介電常數(shù)一次方成正比，與所施加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比。周玉新等[78]通過(guò)引入磁力勢(shì)的概念，推導(dǎo)并建立了磁場(chǎng)中汽液相平衡熱力學(xué)模型，從理論上探討了外加磁場(chǎng)對(duì)汽液相平衡的影響，提出了磁場(chǎng)中的相平衡條件。華南理工大學(xué)韓光澤等[79-81]認(rèn)為外場(chǎng)作用下的化學(xué)勢(shì)不僅是溫度、壓強(qiáng)和組分摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)，還與外場(chǎng)的特征參數(shù)有關(guān)，于是推廣了化學(xué)勢(shì)的定義，導(dǎo)出了外場(chǎng)作用下化學(xué)勢(shì)的普遍化表達(dá)式；利用該普遍化表達(dá)式導(dǎo)出了重力場(chǎng)、離心力場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下的化學(xué)勢(shì)；并研究了電場(chǎng)作用下純物質(zhì)的氣液相變過(guò)程，結(jié)果證明電場(chǎng)作用可以使極性物質(zhì)的蒸汽壓略有上升，而對(duì)非極性物質(zhì)沒(méi)有影響。研究表明，熱力學(xué)分析是一種研究物理場(chǎng)下氣液傳質(zhì)方向與限度的有效方法。

7 結(jié) 語(yǔ)

物理場(chǎng)強(qiáng)化化工過(guò)程是實(shí)現(xiàn)綠色化工的重要手段，是一種環(huán)境友好的新技術(shù)，也是當(dāng)前化學(xué)工程領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)之一。對(duì)于物理場(chǎng)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，展現(xiàn)了誘人的發(fā)展前景，其中一些技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但大多還停留在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上。物理場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)涉及學(xué)科眾多，問(wèn)題復(fù)雜，今后的研究熱點(diǎn)主要包括：①繼續(xù)探索物理場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)的作用機(jī)理，例如如何利用實(shí)驗(yàn)或者理論分析解決微波的“熱效應(yīng)”與“非熱效應(yīng)”之爭(zhēng)；②拓展物理場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)物理場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，例如經(jīng)濟(jì)性超聲設(shè)備的開(kāi)發(fā)和規(guī)模放大；③進(jìn)行不同種類(lèi)物理場(chǎng)強(qiáng)化傳質(zhì)效果的橫向比較研究，并探索多個(gè)物理場(chǎng)耦合，及與優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、添加質(zhì)量分離劑等技術(shù)聯(lián)合強(qiáng)化氣液傳質(zhì)；④對(duì)物理場(chǎng)下多元體系進(jìn)行熱力學(xué)研究，確定各種物理場(chǎng)在強(qiáng)化傳質(zhì)領(lǐng)域的適用體系，發(fā)展具有普適性和預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)的強(qiáng)化傳質(zhì)理論。隨著研究的日趨深入，物理場(chǎng)必將能夠更有效地改善和強(qiáng)化現(xiàn)有的傳質(zhì)過(guò)程，滿(mǎn)足低耗高效和清潔生產(chǎn)的要求，在化工、醫(yī)藥、環(huán)保和節(jié)能減排等領(lǐng)域必將具有廣泛的應(yīng)用前景。

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