溶解气体概述(1)

1）基本概念 ① 传质：在多相体系中，组份物质由一相经过 界面传送到另一相中去的过程，也叫传质作用。 ② 扩散作用：指物质分子由于热运动在整个容 积内趋向于使浓度均匀分布而自动进行的过程。 作用方向，浓度高→浓度低，浓度差是其动力。
③ 紊流（湍流）：在流体中每一个质点都 处于无规则，无一定方向的翻滚旋转的流 动状态。运动速度快。 ④ 层流：指在流体中每一个质点都处于有 规则，有一定方向的平行流动状态。
在不同温度、盐度下，溶解氧的饱和含量 （mg/L)
Cl温度 0 10 20 30 0 14.6 11.3 9.2 7.6 5000 10000 15000 20000 13.8 10.7 8.7 7.3 13.0 10.1 8.3 6.9 12.1 9.5 7.9 6.5 11.3 9.0 7.4 6.1
② 由于紊流区内的浓度降可以忽略不计， 相间界面本身也不存在对物质的扩散阻力 和浓度降低，因此传质过程中阻力和浓度 降都在两层边界膜内，传质过程的总速度 决定于边界膜的厚度和在其中进行的分子 扩散速度。
3）基本方程式 ① 扩散方程式 V＝（C1-C2)D/X D：扩散系数 X：边界膜厚度 C： 浓度 K=D/X V1=Ka(Pg-Pi) 气膜内 V2=Kb(Ci-Cl) 液膜内 Ka、Kb ：传质系数
水流速对积累在人工河道中沉积物耗O2率的影响 (沉积物上水温为15℃，水的溶氧为7.0mg O2/L。
平均流速(mm/s)
15
30 8.0
50 8.0
60 11.4
底质平均耗氧率(g/m2· d-1) 6.0
Ⅱ有机物分解耗氧。
这一过程大都与生物活动有关。纯化学氧化耗氧量 不大。水中常见低分子量有机物如乙酸、丙酸、 乙醇、乳酸、丙酮酸、葡萄糖、亮氨酸、丁酸、 戊酸等。
Ⅲ 底质耗氧，主要也是生物呼吸过程。沉积物中有 机物越多，则耗氧潜力越大，水温升高，氧浓度 较大，生物活性强时，底质耗氧速度也快。
在水-泥界面不搅动时，底质主要消耗界面附近水 中的氧。受扩散作用限制，速度较慢，若水的 流速增大 ，泛起底泥，则底质耗氧速率增大。
溶解气体概述(1)
3.1 气体在水中的溶解度和溶解速率 3.1.1 气体在水中的溶解度
气体溶于水的过程是一可逆过程：
溶解 气 态 逸散 溶 解
3.1 气体在水中的溶解度和溶解速率
气体的溶解度：在一定条件下，某气体在水中的溶 解达到平衡以后，一定量的水中溶解气体的量。
易溶气体的溶解度：100g水中溶解气体的克数。
自然增氧率(O2g/h)
=(增氧后的总溶氧量-增氧前总溶氧量)/光合作用持续时间。
3)水补给混合增氧 人工泵水、注水、自然流水补给以及水体内 部水团的垂直对流，在底水层溶氧增补上 有重要意义，对整个水体而言，效果多不 显著。 仅在补给水量大、流速快、溶氧丰富时， 增氧效果才显著。
总的说来，贫营养水体及流动水体，以大气 溶解增氧为主，富营养型静水水体以光合 作用增氧为主。
H2 S+2O2 → 2H +SO 4 6H+ +2O 2+CO 2 → (CH2 O)+5H2O CH 4+2O 2 → CO 2+2H2O 4FeCO3 +O2 +6H2 O → 4Fe(OH) 3+4CO 2 NH 4+ +0.5O2 → NH2OH+H+ + + FeS 2+3.5O 2+H 2O → 2SO 42-+Fe2 +2H 2S+2O 2 → 2SO 2
3.2.2
水中溶氧的消耗
1) 物理作用耗氧：
氧的逸散，水中溶氧过饱和时，会向空气中 逸散。夜间溶氧的扩散作用，与傍晚水体 中溶氧的饱和程度有关。
随水流失。
2) 水呼吸耗氧作用： ① 化学作用耗氧
物 质 反
+ 2-
应
耗氧量 2 0.33 2 0.25 0.5 3.5 1
硫化氢 氢 甲 烷 碳酸亚铁 铵 盐 黄铁矿 硫
海水中氧、氮气体在海水中的溶解度（c）与 温度（T）、盐度（S）的关系式：
3.1.1.2 溶解气体在水中的饱和度 1）体积与质量的换算系数
f=Mr/22.4(mg/ml) O2: f=1.429mg/ml N2: f=1.251mg/ml
2）溶解气体在水中的饱和含量与饱和度
饱和含量：在一定的溶解条件下（温度、压力、 含盐量）气体达到溶解平衡以后，1L水中所含 该气体的量。
② 气体溶解度较大，气膜的厚度和阻力是 影响溶解的主要因素。 采用水滴式，使气膜更新， 如NH3。 ③ 溶解度适中，气-液膜阻力相当。
3.2 水中氧气的来源与消耗
3.2.1 水中溶氧的来源：
1)大气中氧的溶解；只要水中溶氧未饱和，这一作
用可全天进行。温度一定时，水与空气接触越
充分，水中溶氧不饱和程度越大，增氧越快。
空气自然增氧通常只限于表水层，其量有限，饱和
度大、对流不好的静水水体尤其如此。
在自然条件下通过单位水面(m3)由空气溶解 增氧的效果(g/m2·d)
增 氧 数 水 体 状 量 态 D.O 饱 和 100% 度
80%
60%
40%
20%
10%
小 池 大 湖 缓 流 的 河 川 大 的 河 川 急 流 的 河川62.02.2
2）温度： 气体溶解度随温度升高而降低，较低温 度下温度变化对气体的溶解度影响显著。 3）含盐量 温度压力一定时，水含盐量增加，会使气 体在水中的溶解度降低。
4）气体分压力 亨利定律：c=KH×р 同一种气体在同一温度下有： c1/c2=p1/p2 道尔顿分压定律： pB=pT×φB
1）水中溶解气体的不饱和程度。C
2）气-液界面的大小，即水体的比表面积。 A/V 3） 扰动状况
4）气体的溶解度
①溶解度较小，液膜的厚度及阻力是影响溶 解的主要因素 加快气体交换速度的方法，将气体形成气 泡，让其在水中上升，或使水处于流动， 液膜更新，从而减小阻力，提高溶解速度。 如O2、CO2。
H2
O2
18.2
31.0
1.60
43.0
SO2
NH3
39.4×103
7.02×103
1.13×103
5.31×103
CO2
空气
878
18.7
1690
25.8
C2H2
C2H4
1.03×103
1.22×103
1.17×103
1.49×103
Cl2
O3
230
368
7290
1375
C2H6
CH4
47.2
33.1
饱和度：溶解气体的现存量（c）占所处条件下 饱和含量（cs）的百分比。
｛W｝10 ＝(c/cs)×100
-2
3）水中溶解氧的饱和含量
在天然水体表面所承受的大气压力下，空气中的 氧气在水中的溶解度。 附录8：不同盐度和温度下，大气压为101.3kPa的 饱和湿空气中的气氛在水中的饱和含量（cs0)。 任意大气压下饱和含量： cs=[(pT-pw)/(pT0-pw)]× cs0
0 0 0 0 0
0.3 1.0 1.3 1.9 3.1
0.6 1.9 2.7 3.8 6.2
0.9 2.9 4.0 5.8 9.3
1.2 3.8 5.4 7.6 12.4
1.5 4.5 6.7 9.6 15.5
2) 植物光合作用；自然条件下，溶氧的最大供应者，占 很大比例。具有如下特点：
①周日变化明显。白天增氧，晚上耗氧。 ②水层差别大。因光线的限制，仅在光线充足的表水层。 ③效果不稳定。增氧的数量及速率随光照条件、水温、 植物的种类、数量、生理状态及CO2、营养盐的供给 状况等因素不同而异，时空变化很大。
3.1.2 气体溶解平衡的有关计算 3.1.2.1 计算不同分压力下气体的溶解度 3.1.2.2 计算不同大气压力下氧气的溶解度和 饱和度
3.1.2.3 求水中溶解气体的分压力
3.1.3.1 影响气体溶解速率的因素 1）气体的不饱和程度 2）水的单位体积表面积
3.1.3 气体在水中的溶解和逸出速率 3.1.3.1 气体传质双膜理论及其基本方程式
2）双膜理论的具体内容
① 在气液两相体系中，每一相的主体部 分都是处于紊流状态，但在相间界面两侧 则各存在一层仍处于层流状态的气膜和液 膜。
边界膜的存在是由于界面的相对流动产 生相互阻力，使液流和气流流动减缓，而 产生的边界膜。
无论如何扰动气体或液体，都不能将这两 层膜消除，只能改变膜的厚度。气体主体 内的分子溶入液体主体中的过程有4个步骤： Ⅰ靠湍流从气体主体内部到达气膜； Ⅱ靠扩散穿过气膜到达气-液界面，并溶于液 膜； Ⅲ靠扩散穿过液膜； Ⅳ靠湍流离开液膜进入液相内部。
② 传质方程式 V=dc/dt =Kg (Cs-C) Kg：溶解速率常数 Kg=kg·A/V kg:迁移速率系数 A：水体表面积 V: 水体体积 kg=0.0096(t+36) (cm ·min-1) (t为℃) (Ct-C0)=(Cs-C0)(1-e-kgt)
3.1.3.2
影响气体溶解速率的因素
② 生物作用耗氧 Ⅰ水生生物呼吸耗氧
水中鱼、贝类、浮游生物、细菌等，在生命活 动过程中进行呼吸作用耗氧。生物密度越大，呼 吸耗氧越多。在一定范围内，温度越高，呼吸耗 氧越快。其他生理生态因子，如个体大小、营养 条件、水的pH、CO2、O2及毒物含量等，对生物呼 吸耗氧速率均有影响。
鱼类等较大型动物呼吸耗氧速率多变化 在44.4~46.5mlO2/千克动物·h之间.浮游动 物耗氧更快，细菌耗氧取决于它们的增殖 速率。处在指数生长期的浮游植物，每天 呼吸耗氧仅为其产氧量的10~20%左右。 一般认为，鱼塘中生物呼吸耗氧，通常以浮 游生物及细菌为主。