基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型

介绍了一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型. 在模型中, 人工肾看成是一个由两个不相连通的多孔流动区域组成的多孔介质区域. 首先, 将透析液流动区域看成是一个多孔介质区域; 然后固定透析液流动区域和纤维膜所占区域, 人工肾中剩下的区域(也就是血液流动区域)也看成是一个多孔介质区域; 最后, 这两个多孔流动区域的交界面是纤维膜, 通过纤维膜进行质量交换. 透析液流动和血液流动均用带Darcy动量源项的Navier-Stokes方程描述, Kedem-Katchalsky方程作为其他的源项加进Navier-Stokes方程模拟通过纤维膜的渗透流. 计算过程中所有方程耦合求解, 模型被文献中的实验数据验证. 模拟结果显示, 模型预测的人工肾清除率与文献中的实验数据吻合, 并且优于其他模型对清除率的预测.     

电活性生物膜生长过程中电荷与传质阻抗的变化规律

电活性生物膜因为能直接向胞外产生电子,将生物能直接转化成电能,所以近年来已经成为国际领域内的研究热点.在电活性生物膜内部,一方面存在着复杂的生物电化学过程,另一方面微生物及生物膜生长又涉及复杂的质量传递过程.本文针对电活性生物膜不同生长阶段的质量传递损失和电荷传递损失展开研究,以期找到在不同时期内其产能的限制因素,这将对于电活性生物膜性能的改善具有至关重要的作用.本研究结果表明,80 h时,电荷传递阻抗占总内阻的99.8%.因此在电活性生物膜运行初期,电荷传递阻抗成为限制其产能的主要因素.随着运行时间的增长,电荷传递阻抗的比例不断下降,430和460 h时分别为86.9%和72.9%.运行到500 h后,电荷传递阻抗的比例下降到33.1%.然而此时,传质阻抗的占比上升到38.6%.因此当电荷性生物膜逐渐成熟时,电荷阻抗和传质阻抗共同成为其产能的限制因素.因此在电活性生物膜不同生长阶段,采用不同的方法来降低其对应的内阻对提高产电性能至关重要.     

纳米TiO2膜对水中微量微囊藻毒素的光催化降解

富营养化水体中的微囊藻毒素是一种传统净水技术难以去除的致癌毒素. 研究了低光强辐照条件下, 溶胶凝胶法制备的纳米TiO₂薄膜光催化降解水中微量微囊藻毒素Microcystin-LR. 固相萃取结合高效液相色谱方法的分析结果表明: 自然条件下浓度水平的Microcystin-LR (μg/L)能够有效地被光催化氧化分解, 降解受到pH值、毒素初始浓度和光照强度的影响. pH 4左右时降解速度最快, 辐照强度为400 μW/cm2条件下120 min内浓度为20 μg/L的毒素的降解率达到95%. 采用Langmuir-Hinshelwood机理研究了微量Microcystin-LR的光催化降解, 降解模式符合准一级动力学方程. 在pH 6.7和辐照强度为400 μW/cm²条件下, 浓度为20 mg/L的毒素的准一级降解速率常数和半衰期分别为0.0157 min^-1和44 min. 在200~1000 μW/cm²的UVA光照变化范围内, 降解速率随辐照强度的0.82次幂值增长, 相应表观量子效率为5.19×10^-8 g/J.     

水为自由基源的电晕放电引发羟基自由基及氧化甲苯

以水为自由基源通过电晕放电的方法产生强氧化性羟基自由基(·OH), 通过电子自旋共振技术(ESR)直接证实了·OH的生成. 电晕放电产生的·OH能有效降解气态有机污染物从而降低废气的毒性. 实验表明, 在以含饱和水蒸气的空气为介质的含甲苯废气中, 在电晕放电极间电压为20 kV, 放电电流为0.1 mA, 反应时间为120 s, 甲苯初始浓度为168 mg/m³的条件下, 甲苯的降解效率接近100%. 并检测到了7种溶解在液相中的甲苯氧化中间产物. 环境友好的·OH的应用为气态污染物的脱除开辟了新的途径.     

生物油燃烧与污染物排放特性的数值模拟

应用CFD(computational fluid dynamics)软件FLUENT对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟.获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息,揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点.对不同过量空气系数下生物油的燃烧进行数值模拟,结果表明,随着过量空气系数的增加,炉膛内最高温度减小,燃烧区域增大,尾气中CO的浓度减小,但NO的浓度增加.模拟结果与试验数据吻合良好,验证了模型的可靠性,为燃烧工况的优化设计和污染物的控制提供了一定的依据.     

二维各向异性介质中地震波前面参数方程的建立

本文从二维各向异性介质中地震波动偏微分方程组入手,建立了各向异性介质中波前面的法向方程,并利用特征带法求解常规的一阶偏微分方程获得了二维各向异性介质中地震波前面的参数方程.     

近红外光谱快速测定废水厌氧发酵过程中底物及液相产物浓度变化

利用近红外光谱技术对废水厌氧发酵处理过程进行分析监测. 主要通过正交信号校正法(OSC)对监测厌氧反应器的近红外光谱数据进行预处理, 并分别结合蒽酮法和气相色谱法对底物-蔗糖浓度和液相产物-挥发性脂肪酸浓度的测定结果, 建立了厌氧发酵过程中蔗糖和挥发性脂肪酸浓度的预测模型. 在预测集中蔗糖的预测浓度与实测浓度吻合较好, 而挥发性脂肪酸的各组分以及总挥发性脂肪酸的预测结果也同样令人满意. 研究结果表明, 通过与化学计量学的结合, 近红外方法可以快速、准确地测定厌氧发酵过程中液相中各组分的浓度变化, 为厌氧发酵过程的在线监测提供了新的思路.     

内电解预处理提高酵母废水可生化性机理研究

内电解预处理可以提高酵母废水的可生化性, 利用紫外扫描(UV)、渗透凝胶色谱(GPC)、气相色谱-质谱(GC-MS)等方法对处理前后废水中有机物的紫外吸收、分子量分布及化学组成等特性进行了研究. 旨在探讨内电解预处理法提高废水可生化性的机理. 研究结果表明: (ⅰ) 内电解过程中有机物可能通过分解, 水解使复合物简单化, 使环状物质开环, 分解或部分开环变为链状物质, 大分子物质裂解断链变为小分子物质, 生成的物质含有推电子基团的物质增多, 可生化性有所增强; (ⅱ) 原水中及内电解过程中生成的小分子的酸、醇等易降解的有机化合物可以通过挥发、电化学聚集等方式去除, 而其去除使废水COD降低, 从而B/C值提高.     

焦化废水处理过程中溴代二噁英类化合物的去除途径和生成机理

用同位素稀释法-气相色谱/高分辨质谱测定了焦化废水处理过程中废水和污泥中的多溴代二苯并-对-二噁英和多溴代二苯并呋喃(简称溴代二噁英, PBDD/Fs)的浓度, 并对其进行了质量平衡计算. 结果表明, 原水、出水、外排泥中8种2,3,7,8-PBDD/Fs的总量分别为1.94 pg/L, 0.28 pg/L和2.24 pg/g dw, 对应的毒性当量浓度分别为0.77 pg I-TEQ/L, 0.14 pg I-TEQ/L和0.46 pg I-TEQ/g dw. 采用两级高效厌氧生物流化床和内循环好氧生物三相流化床组成的A/O₁/H/O₂工艺能较好地去除2,3,7,8-PBDD/Fs, 各组分的去除率介于75%~100%. 去除的主要途径是吸附、沉淀到污泥中和除油池去除, 2,3,7,8-PBDD/Fs总量的去除率分别是59%和39%. 首次发现焦化废水处理过程的生物系统生成了一些2,3,7,8-PBDD/F单体, 其主要组分为1,2,3,4,7,8/1,2,3,6,7,8-HxBDD.     

黄孢原毛平革菌菌球对多环芳烃的生物吸附和生物降解作用

以黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium,Pc)为代表,研究了死体和活体Pc菌球对水中菲、芘等多环芳烃(PAHs)的生物吸附和生物降解作用及其相对贡献,探讨了碳源、氮源浓度和共存Cu2+的影响,考察了连续多次输入下菲的生物吸附和生物降解作用,试图为准确掌握微生物作用下PAHs的迁移转化行为及其调控作用提供理论指导.结果表明,死体Pc菌球对水中菲、芘的去除机制为生物吸附,分配系数分别为4040和17500L/kg.活体Pc菌球的去除机制包括生物吸附和生物降解,3d时生物吸附对水中菲、芘的去除率分别为19.71%和52.21%;随着作用时间延长(3～40d),生物降解对菲、芘的去除作用逐渐增大(20.40%～60.62%和15.55%～49.21%),且菌体中PAHs残留量不断下降.富碳限氮营养条件下,活体Pc菌球对PAHs的去除作用和降解效果最优,在60d时分别为99.55%和92.77%(菲),99.47%和83.97%(芘),主要源于富碳增加Pc菌体生物量而增强生物吸附、限氮则触发Pc对PAHs的生物降解作用.活体Pc菌球在富碳限氮强化条件下可连续多次去除和降解新输入的PAHs,其中单次生物降解率随循环次数(6d/次)增加而增大,循环3次后菲的生物降解率高达90%.     

面向工业废水处理的催化电极及燃料电池耦合体系

随着我国工业化水平的提高,工业废水的高效节能处理成为废水资源化与能源化进程中的重点和难点.工业废水中常含有难降解或有毒的有机污染物,水质复杂、可生化性差,采用传统废水处理技术(生物法、物化法等)难以实现高效处理和达标排放,残留毒物排入水体带来环境生态风险.电化学技术借助电场作用产生强氧化性物质,氧化去除难降解有机污染物,但去除效率较低、能耗及运行成本较高,限制了其在实际废水处理中的应用.高活性催化电极在结构、形貌、组成的优化进展,为构建以难降解污染物为燃料的新型燃料电池及废水处理体系提供了新的可能.本文围绕催化电极及燃料电池废水处理体系,综述了新型电极材料的制备、优化,探讨了基底、活性成分及其负载方式对催化电极和体系性能的影响;归纳了基于光催化燃料电池和微生物燃料电池的污染物催化降解及实际或模拟废水处理体系的研究进展,并对该类耦合体系的规模化应用作了展望.新型催化电极的开发和耦合燃料电池体系的优化设计,有望推动该技术在高效、节能实际(工业)废水处理中的应用.     

计算热辐射学的进展

描述辐射能传输过程的基本方程为辐射传递方程. 在三维半透明介质中, 辐射强度是七维变量的函数, 多数情况下只能通过数值计算的途径进行近似求解. 数值模拟方法已成为半透明介质内热辐射传递理论研究和工程应用的重要手段. 本文对国内学者在计算热辐射学方面取得的主要研究进展进行了综述, 提出了今后计算热辐射学研究的重点.     

紫外光降解水中亚硝基二乙胺

采用紫外光直接降解水中存在的亚硝基二乙胺(NDEA). 结果表明, 紫外光降解是一种能够有效去除水中NDEA的处理技术. NDEA的初始浓度对紫外光降解效能略有影响, 紫外光降解水中NDEA的反应符合假一级反应动力学模型. 水中腐殖酸对紫外光降解NDEA具有显著的抑制作用,且抑制作用随着腐殖酸浓度增大而增大. 采用气相色谱-质谱联用仪和高效液相色谱对NDEA的降解产物进行定性与定量分析. 甲胺?二甲胺、乙胺?二乙胺?亚硝酸盐和硝酸盐是紫外光降解NDEA的主要降解产物. 溶液pH值对紫外光降解水中NDEA有很大的影响. 酸性条件下, NDEA的光降解量子产率显著大于中性及碱性条件下的量子产率, NDEA的光降解速率随着溶液pH值的增大而减小. 溶液pH的变化对NDEA的紫外光降解产物的生成量具有显著影响. 乙胺?二乙胺和亚硝酸盐作为底物存在时, 不仅会抑制NDEA的紫外光降解, 同时还会影响到NDEA降解产物的生成量. 根据对NDEA降解途径的研究可知,紫外光辐射下, N—N键断裂导致NDEA的最终降解, 其中N—N键发生均裂生成产物乙胺, N—N键发生异裂则生成产物二乙胺和亚硝酸盐.     

生物膜填料塔对低浓度甲苯废气净化处理

生物膜填料法处理有机废气是近年发展起来的一项新技术,目前已成为世界工业有机废气净化研究的热点课题之一.文章主要对物膜填料法对净化处理低浓度甲苯废气实验进行了分析.     

旋转交错网格有限差分及其完全匹配层吸收边界条件

将完全匹配层吸收边界条件引入到旋转网格有限差分中, 用以解决在非均匀弹性和孔隙弹性介质情况下数值模拟中的吸收边界问题, 同时, 将旋转交错网格有限差分法用于数值求解等效弹性介质、孔隙弹性介质和各向异性弹性介质的波动方程. 与普通的交错网格有限差分方法相比, 旋转交错网格有限差分的好处在于不同的物理量只位于两个不同的位置: 应力和应变(或质点速度和位移)位于离散单元的中心, 而质点速度或位移(或应力和应变)位于单元的顶点. 经过这样的处理后, 弹性常数就不再需要进行平均(模拟非均匀介质时)或内插(模拟各向异性介质时), 因为此时所有的弹性模量都位于相同的位置, 且与应力或应变的位置相对应. 为了验证新算法, 对相同的模型采用了不同的算法计算和比 较. 研究结果表明, 旋转交错网格有限差分算法和普通交错网格有限差分算法的结果吻合很好. 不仅如此, 新算法能很方便地处理声阻抗差别较大的非均匀介质, 特别是在模拟充有液体或气体的裂缝介质时更具优势. 另一方面, 应用完全匹配层吸收边界条件可以大大减少人工界面产生的反射波. 当边界层的厚度超过半个波长时, 在人工界面几乎无反射波产生. 理论和数值模拟结果表明, 旋转网格中的完全匹配层吸收条件与普通交错网格中的吸收效果和处理方法几乎相同. 此外, 建立了在等效弹性、孔隙弹性和各向异性弹性介质中的完全匹配层吸收条件的速度-应力差分方程系统.     

氯代挥发性有机物的光、电催化去除研究进展

氯代挥发性有机物(chlorinated volatile organic compounds, Cl-VOCs)的化学稳定性好、毒性高、半衰期长,其去除技术一直都是环境领域的一个重点.光、电催化技术因其催化效率高、工艺设备简单、反应条件温和以及经济环保等工艺优势,受到广泛的关注.本文在对Cl-VOCs的去除方法进行简要分析的基础上,重点综述了光催化降解和电催化脱氯技术去除Cl-VOCs的研究进展.首先对Cl-VOCs的光、电催化反应机制及其优缺点进行简要总结;其次,结合光、电催化反应过程以及Cl-VOCs自身结构特点与催化剂的关系等方面,总结了催化活性的影响因素以及催化剂的种类和特性,为后期Cl-VOCs的有效处理和资源化利用以及高性能的催化剂的合理设计提供参考和依据;最后,对Cl-VOCs光、电催化去除领域潜在的发展趋势进行了展望.     

一种确定湿材料VOC释放过程的物理模型

提出了一种确定湿材料中VOC(volatile organic compounds)释放过程的物理模型. 与目前常用的其他模型不同的是, 该模型考虑了湿材料中VOC释放过程中的干燥过程, 分析了VOC的饱和蒸汽压在整个VOC的释放过程中的作用机理. 当湿材料应用在物体表面时, VOC开始释放, 材料中TVOC的浓度将减小, 在气液接触面上TVOC的分压力开始下降, 为了保证气液接触面上TVOC的分压力为饱和蒸汽压, 湿材料的液面开始下降, 并且不可挥发性物质在表面形成干燥层. 对该模型用数值方法进行了求解, 并与VB模型求解结果、CFD模型的求解结果以及实验结果进行了对比, 可以发现干燥模型计算结果与CFD模型的计算结果以及实验数据吻合较好, 较VB模型能更准确地描述VOC的扩散过程.     

气固两相流动中颗粒扩散的转捩现象

不引入任何湍流模型, 采用有限容积方法对三维气固两相湍流射流进行了直接数值模拟, 着重考察湍流结构的转捩行为对不同Stokes数颗粒扩散的影响. 为了得到高精度的结果, 同时降低计算量和存储量, 对气相流体控制方程组的求解采用分步投影算法, 对时间积分采用低存储、三阶精度的Runge-Kutta积分格式; 对颗粒控制方程的求解在拉格朗日框架中进行. 流场的统计结果与相关的实验数据吻合良好, 证实了数值算法的可靠性. 对颗粒扩散的研究发现, 展向涡结构对颗粒扩散的影响比较突出. 而在流场的演化过程中, 观察到颗粒扩散的新行为, 即中、小Stokes数的颗粒在流场中的分布出现了 “转捩”现象.     

浅谈气相色谱法测定污水中苯系物

顶空气相色谱法是一种非常简便的分析方法,可直接把样品放入顶空瓶中分析,减少了样品基质对分析的干扰,适应于液体或固体样品中低沸点挥发性化合物的分析.文章对顶空气相色谱法测定制药工业污水中的甲苯含量进行了分析.