在過去的幾十年里，美國環(huán)境污染物的開發(fā)和產(chǎn)量呈指數(shù)級(jí)增長。因此，需要負(fù)責(zé)任的處置實(shí)踐來確保公共衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)。需要環(huán)境工程師來設(shè)計(jì)水處理系統(tǒng)和去除有毒化學(xué)品。這需要理解工程和自然系統(tǒng)中的平衡熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)，以預(yù)測這些污染物的歸宿。其中，質(zhì)量通量的概念是化學(xué)過程建模中最有用的工具之一，因?yàn)槿藗儗δ承﹨^(qū)域的質(zhì)量傳入或傳出感興趣。因此，許多出版物致力于開發(fā)傳質(zhì)模型方程。因此，理解和應(yīng)用這些模型于水處理設(shè)計(jì)非常重要。

盡管對環(huán)境傳質(zhì)模型有工作知識(shí)，但環(huán)境工程師通常對傳質(zhì)計(jì)算的系統(tǒng)條件控制有限。環(huán)境過程的自然可變性常常導(dǎo)致建模與實(shí)際傳質(zhì)過程之間的可靠性差。因此，傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)的原位測定對環(huán)境工程師來說極其寶貴。在過去的十年中，針型電化學(xué)微傳感器對環(huán)境系統(tǒng)的適應(yīng)改變了我們研究傳質(zhì)過程的方式。憑借如此小的尖端直徑（3-20μm），它們可用于在微觀尺度上進(jìn)行測量，從而可以提供給定位置的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)。這些包括生產(chǎn)速率（k）、組分通量（J）和擴(kuò)散系數(shù)（D）。有了這些信息，環(huán)境工程師可以更好地設(shè)計(jì)和優(yōu)化水處理過程。

這篇關(guān)于環(huán)境工程過程中傳質(zhì)機(jī)制基礎(chǔ)的簡要綜述討論了環(huán)境工程中的擴(kuò)散傳質(zhì)實(shí)例，包括非生物和生物膜過程中的傳質(zhì)過程，并探討了使用微傳感器確定傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)的方法。

擴(kuò)散傳質(zhì)

擴(kuò)散可能是氣體、分子、離子和小顆粒的重要傳質(zhì)機(jī)制。與其它體相傳輸過程相比，分子擴(kuò)散傳輸相對較慢。例如，如果將少量化學(xué)品注入一燒杯水中，該化學(xué)品將從高濃度區(qū)域緩慢擴(kuò)散到低濃度區(qū)域。經(jīng)過足夠的時(shí)間后，燒杯中的化學(xué)品將達(dá)到相等的最終濃度。雖然這個(gè)過程比攪拌燒杯慢得多，但擴(kuò)散傳輸在環(huán)境工程的許多領(lǐng)域中可以發(fā)揮重要作用。

擴(kuò)散傳質(zhì)示意圖

圖2-1. 作為時(shí)間函數(shù)的擴(kuò)散傳質(zhì)示意圖，其中(a)為化學(xué)物質(zhì)注入時(shí)間，(b)為擴(kuò)散形成的化學(xué)梯度（改編自Logan(2000)）

為了理解擴(kuò)散傳輸方程，理解化學(xué)物質(zhì)如何通過分子擴(kuò)散傳輸?shù)臋C(jī)制非常重要。布朗運(yùn)動(dòng)可以定義為由熱能驅(qū)動(dòng)的單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)。雖然任何一個(gè)分子的確切路徑無法預(yù)測，但我們可以量化布朗運(yùn)動(dòng)對系統(tǒng)中所有分子傳輸?shù)膬粜?yīng)。例如，如果運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，則均勻的分子沒有凈變化；然而，如果引入一種新化學(xué)物質(zhì)，分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)將把它們帶離初始位置。分子從其初始位置的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)由菲克第一定律描述，其中流體中的濃度變化隨距注入點(diǎn)的距離而變化。

觀察圖2-1，很明顯，任何點(diǎn)的化學(xué)物質(zhì)通量與該點(diǎn)的濃度梯度成正比。這可以使用菲克第一定律數(shù)學(xué)描述，即：

其中 jC w, z 是化學(xué)物質(zhì)C通過相w在z方向的質(zhì)量通量。 dcC w/dz 是任意點(diǎn)Z處C的梯度， DC w 是已知的擴(kuò)散系數(shù)。分子擴(kuò)散系數(shù)是化學(xué)物質(zhì)的基本屬性。它對每種化學(xué)物質(zhì)和每個(gè)相都是不同的，并且是溫度的函數(shù)。通常，擴(kuò)散系數(shù)可以在參考文獻(xiàn)中找到；然而，它們也可以通過實(shí)驗(yàn)確定或使用相關(guān)性來確定。

菲克定律和其它特殊的擴(kuò)散傳輸方程用于描述由于其熱能引起的分子傳輸。分散是指由于體相或湍流運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的化學(xué)物質(zhì)傳輸，不應(yīng)與擴(kuò)散傳輸混淆。雖然這兩種傳輸機(jī)制在反應(yīng)器設(shè)計(jì)中都起著重要作用，但擴(kuò)散傳輸是本論文討論的過程（例如，生物膜、乳液和光催化動(dòng)力學(xué)）的主要傳輸機(jī)制。

環(huán)境工程中的擴(kuò)散傳輸過程

傳質(zhì)建模是環(huán)境工程師的基本工具。應(yīng)用包括確定吸附動(dòng)力學(xué)、膜過程中的濃度極化、高級(jí)氧化動(dòng)力學(xué)以及生物過程，如確定生物膜的底物利用動(dòng)力學(xué)。在非生物過程中，傳輸通?？梢院喕癁槿N傳質(zhì)理論：1) 停滯膜理論，其中傳質(zhì)通過假定為停滯的層進(jìn)行；2) 滲透理論，其中化學(xué)物質(zhì)是氣相滲透到下降的液膜中；以及邊界層理論，其中到平坦表面的傳輸假定為均勻流場。生物傳質(zhì)可能更為復(fù)雜。生物膜可以增加和減少厚度。它們本質(zhì)上可能是異質(zhì)的，并且可能由于缺乏營養(yǎng)而在生物膜底部死亡。下面簡要討論非生物和生物系統(tǒng)中的傳質(zhì)。