基于碰撞理论下多尺度固-液相粒群形成过程的流体传递机制

There are many "particle" aggregates (particle swarm) formed in many engineering fields, such as (flotation anterior) surface modification of particles, low - density flocculation, crystal precipitation, preparation of nanometer particles by liquid phase method and sludge granulation. On one hand, these "particles" comprised by different phases have an obvious characteristics of multi-scale. On the other hand, the formation of particle swarm needs more effective, even multi-stage fluid mass transfer and momentum transfer, so that making more contact collisions and more effective collisions between “particles”. What’s more, the effective collision determines the efficiency of actual engineering.. This project studies the particle swarm formation of multi-scale solid particles and liquid "particles" interaction (molecular beam group or oil droplets) and the subsequent particles interaction based on the molecular collision theory, the research contents are as follows: (1) Studying the characteristics of flow field providing high collision probability and the main forms of collision; (2) Based on a variety of collision assumptions, studying the characteristics of momentum transfer of fluid and the velocity field with high effective collision; (3) Based on some collision assumptions, making an intensive study on the fluid delivery mechanism of the interfacial liquid membrane layer and establishing mathematical model. Lastly, using similarity theory to study the realization and application of fluid delivery mechanism in large geometric boundary and perfect the mechanism.

在许多工程领域，如（浮选前段）颗粒表面改性、低浊絮凝、结晶沉淀及液相法纳米制备、微生物颗粒化等，形成的“颗粒”聚集体（粒群）：一方面“颗粒”由不同相组成，且具有明显的多尺度特征；另一方面此粒群形成时，需要更有效的、甚至多阶段的流体传质和传递动量的过程，使“颗粒”之间更多接触碰撞和有效碰撞，后者决定上述工程领域的实际效率。. 本课题基于分子碰撞理论，研究多尺度固相颗粒与液相“颗粒”（分子束群或油滴）、及后续的颗粒之间形成粒群时，其研究内容如下：（1）研究所需流体传质时具备大碰撞几率的流场特征及其主要碰撞形式；（2）基于多种碰撞假设，研究能发生较大有效碰撞时，流体传递动量及其速度场特征；（3）在某些碰撞假设的基础上，深入研究颗粒界面液膜层的流体传递机制，并建立数学模型。最后依据相似理论，研究大几何边界下，流体传递机制的实现和应用，完善其机理。

本研究对象是存在固液气三相间的粗分散体系工程领域，其体系内大都表现出表界面科学原理及其传递（质）作用，特别是微生物工程领域的传质及其表界面作用机理的开创性研究，不但完善了传质基础理论，也扩展了工程领域的实际需要；同时，从多尺度固-液相粒群形成过程的流体传递过程中的研究重点出发，首先是大几何空间的流场、其次是相界面薄层处的界面阻力以及粒群生成物的变大过程等的传质机理；这些是工程领域传质过程研究的重点所在，有重要的实际及科学意义。.依据分子碰撞理论并重点借助其有效碰撞和化学反应能垒的两个重要概念，提炼出本基金研究的重点：较大碰撞几率的流场、相界面阻力等； 并明确提出相界面阻力及形成机理是指，针对两个反应物碰撞界面薄层由于离子或不饱和键等电负性差异及其微生物EPS的特性等对介质的作用力，而形成的传质过程的物理＂能垒＂。总结研究了大尺度二次流场下的絮凝传质机理，构建了合适的二次流场使颗粒以能发生剪切碰撞的方式进行迁移传质，并保证碰撞颗粒间的作用力能够克服颗粒表面的界面阻力发生有效碰撞等；通过对微生物颗粒化的传质研究，并结合微生物EPS的特性等对介质的作用力而形成的界面层阻力，深入研究了其作用机理，它们主要体现为微生物EPS的亲疏水性、相似相溶性、桥连作用等；微生物降解过程吸附传质的研究发现，好氧微生物降解过程的曝气量与曝气方式之间的交互作用对降解效率有明显影响，厌氧微生物的降解试验中大回流比可以提高传质效率，与此同时提出并研究了误（吸附）传质等重要概念，进一步发现增大紊流力度、进行分区降解可以减少误传质现象，提高传质效率；另外，对离子液体萃取不同水合半径的重属离子影响传质的位阻效应研究表明，改变机械搅拌强度及超声波辅助手段增强了萃取过程的传质，同时通过合成功能性咪唑离子液体减少萃取体系中的内聚力的大小，克服了重金属离子进入离子液相的空间位阻，提高了萃取速度的同时还提高了萃取效率。