Áramlásos módszerek a pórusos anyagok jellemzésére

1. Áramlásos módszerek a pórusos anyagok jellemzésére Fábián Balázs Harangozó Márta 2013

2. Áramlásos módszerek Információt kapunk: • Pórusméretről • Eloszlásáról • Tekervényességéről Darcy- törvény: Gázáramlásos módszerek Folyadékáramlásos módszerek

3. Gáz-permeabilitási mérések A tiszta, nem adszorbeálódó és nem kondenzálódó gázok pórusos anyagokon át történő transzportjának négy különböző mechanizmusa van: • Viszkózus áramlás tág pórusokban nagy nyomáson • Knudsen áramlás szűkebb pórusokban, alacsony nyomáson • Áramlás a felületi diffúzió miatt • Molekulaszita- jellegű anyagátadás • Makropórus, amelynek sugara nagyobb, mint 50 nm, • Mezopórus, amelynek sugara 2 – 50 nm közé esik, • Mikropórus, amelynek sugara kisebb, mint 2 nm.

4. Mezo- és makropórusos anyagok • Viszkózus áramlás • Knudsen áramlás Az alkalmazott modellt az intermolekuláris és a molekulák pórusfallal való ütközéseinek arányaként a Knudsen-szám határozza meg: • >> 1 : A Knudsen-áramlástarománya. Az intermolekuláris ütközések elhanyagolhatók a pórus falával való ütközésekhez képest. • << 1 : a molekula-molekula ütközések a meghatározóak. Az áramlás viszkózus. • 0.1 << << 10 : Átmeneti tartomány, amelyen a két mechanizmus jó közelítéssel additív.

5. Viszkózus áramlás • Ha a Knudsen szám értéke alacsony, akkor az anyagtranszport döntően viszkózus áramlással történik: Valós pórusos anyagok estén egészül ki az ε (anyag porozitás) és a τ (pórusrendszer tekervényessége) hányadosával. Függ az abszolút nyomástól !

6. Knudsen áramlás • Ha a molekula közepes szabad úthossza sokkal nagyobb, mint a pórusátmérő, akkor az anyagtranszportra a Knudsen-áramlás jellemző: Valós pórusos anyagok esetén vezetjük be a tekervényesség és a porozitás mellett a kapilláris érdes fala miatt fellépő diffúz visszaverődést Független az abszolút nyomástól !

7. Szerkezeti paraméterek az átmeneti tartományon- felületszámítás Az átmeneti tartományban az áramlás a két mechanizmus összegével írható le: Az egyes mechanizmusokra korlátozódva definiálhatjuk a felületeket: • Viszkózus: • Knudsen:

8. Folyadék-permeációs mérések Hagen-Poiseuille egyenlet: hengeres pórusokat feltételez Kozeny-Carman egyenlet: tömör gömbök közötti lyukakon való áramlást vesz alapul Adott viszkozitású anyag esetén a folyadékáram-sűrűség: A valósághoz ragaszkodva, bevezetve a tekervényességet, a permeabilitási együttható: Így a folyadék stacionárius áramsűrűsége a Poiseuille egyenlet alapján:

9. Retenciós módszer Permporometria • Különböző méretű szuszpendált makromolekulák áthaladásával kategorizálják a pórusos anyagokat. • A permeabilitás-porozimetria mérések során valamilyen inert gáz áramlását vizsgálják pórusos anyagon, melynek kapillárisait részben elzárja valamilyen kapilláris-kondenzációval lecsapódott gőz. Amennyiben a Kelvin egyenlet érvényes, akkor meghatározható az átlagos pórusméret:

10. Kiszorításos mérések • Folyadék/gáz: Inert gáz áramlását a pórusos anyagokon keresztül, melynek pórusait valamilyen nedvesítő folyadék zárja el. Young-Laplace egyenlet szerint a pórusátmérő: Minél nagyobb a pórusméret, annál kisebb nyomáskülönbség kell a folyadék kiszorításához. • Folyadék/folyadék: A kis kontaktszögű folyadékot a nagyobb kontaktszögű kiszorítja, feltéve, hogy nem elegyedik!

11. Összefoglalás • Gázáramlásos és folyadékáramlásos módszerek • Áramlásos módszerekkel a makro-, mezo és mikropórusok egész tartománya megvizsgálható • Feltételezések szükségesek a pórusok geometriájával kapcsolatban melyek megnehezítik a kísérletek és az elméletek közötti összefüggések megteremtését

12. Köszönjük a figyelmet

13. Kérdések • Mi a tiszta, nem adszorbeálódó, nem kondenzálódó gázok pórusos anyagon át történő transzportjának négy mechanizmusa? • Mi a különbség a Knudsen és a viszkózus áramlás egyenletei között? • Mire és milyen feltételezések mellett jók a Hagen-Poiseuille és a Kozeny-Carman egyenletek?