Явления несимметрического переноса газа в нанопористых средах

• Автор: Курчатов, Иван Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 101 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. Актуальность работы
2. Цели и задачи исследования
3. Содержание диссертации
4. Научная новизна работы
5. Практическая значимость работы
6. Основные положения выносимые на защиту
7. Основные публикации по теме диссертации
8. Апробация работы
1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Анализ экспериментальных работ
1.2. Выводы из обзора публикаций
1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Введение
1.2. Объекты исследования
1.3. Методы и подходы экспериментального исследования
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
2.1. Введение
2.2. Анизотропии проницаемости асимметричной трековой мембраны
2.3. Анизотропия и гистерезис проницаемости полимерной мембраны ПВТМС
2.4. Несимметрические эффекты переноса газа в образцах СВС-сред
3. ВОЗМОЖНАЯ ПРИРОДА ЯВЛЕНИЙ НЕСИММЕТРИЧЕСКОГО
ПЕРЕНОСА ГАЗА
3.1. Введение
3.2. Модель взаимодействия молекул газа с поверхностью типа
«перемешивающих биллиардов»
3.3. Модель взаимодействия молекул газа с поверхностью типа «белый шум»
3.4. Течение газа в цилиндрическом канале (ЗО-канал) с шероховатыми стенками
3.5. Методика определения параметра взаимодействия для исследуемых образцов
3.6. Течение газа в двухслойной мембране
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. БЛАГОДАРНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В настоящее время анизотропные пористые среды, т.е. среды с изменением радиуса пор и пористости в выбранном направлении, широко используются в мембранном газоразделении, водородной энергетике и других высокотехнологичных отраслях. В частности, к таким средам относятся композиционные и асимметричные мембраны, в которых размер пор уменьшается от слоя к слою. Последний, так называемый селективный слой - непористый или нанопористый, с размером пор от десятых долей до единиц нанометров. Селективный слой формируется на нанопористом слое, размеры пор в котором составляют десятки нанометров. Недавние исследования газопереноса через такие среды показали, что транспорт газа через них может быть несимметрическим, т.е. поток газа зависит от направления градиента давления, причем его изменение может достигать нескольких раз (гигантская анизотропия проницаемости).
Течение газа в пористых средах в широком интервале давлений исследовалось ранее в связи с решением ряда технологических проблем, в частности, газодиффузионного метода разделения изотопов. Теоретическое описание основывалось на решении линеаризованного уравнения Больцмана с граничными условиями, описывающими взаимодействие газа с поверхностью, как правило, в модели диффузно-зеркального рассеяния.
При уменьшении размера пор в канале режим течения газа переходит от вязкого к свободномолекулярному; при нанометровых размерах пор кроме
свободномолекулярного объемного потока газа становится существенным поток адсорбированных на поверхности молекул (поверхностный поток). В общем случае при расчете течения газа необходимо учитывать эти потоки, дающие заметный вклад в общий поток при заданных условиях.
Существующие методы расчета течения газа в градиентных пористых средах основаны на модели, согласно которой каждому слою мембраны ставится в соответствие сопротивление газовому потоку, а перепад давления на мембране рассматривается как

разность потенциалов. Этот подход не позволяет объяснить экспериментальные различия проницаемости, когда анизотропия достигает нескольких раз.
В настоящее время опубликованные сведения о несимметрическом переносе газа не имеют систематического характера, отсутствует данные о закономерностях этих явлений.
В связи с этим, тема диссертационного исследования является актуальной.
Цели и задачи исследования:
Целью диссертационной работы явилось экспериментальное исследование и установление закономерностей несимметрического переноса газа в нанопористых средах. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Экспериментально исследованы эффекты несимметрического переноса газа, проведен поиск пористых сред, в которых реализуются явления несимметричного переноса газа.
2. Определены закономерности несимметрического переноса газа.
3. Проведен анализ возможных механизмов несимметрических эффектов газопереноса.
Содержание диссертации
Во введении проведен анализ существующего состояния исследований в области газопереноса через пористые мембраны, обоснована актуальность проблемы, формулируются цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность данной работы.
В первой главе описаны объекты исследования: асимметричных полимерных газоразделительных мембран, композиционных неорганических мембран, изготовленных методом СВС и трековых мембран с асимметричной формой пор; описаны методы и подходы экспериментального исследования.
В работе экспериментально исследовано три объекта различной природы с разной структурой пористого пространства: асимметричные газоразделительные
полимерные мембраны из поливинилтриметилсилана (ПВТМС) с непрерывным изменением радиусов пор по толщине, двухслойные композиционные мембраны, изготовленные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), а также трековые полиэтилентерефталатовые мембраны с асимметричной формой пор.

поверхностных сил на перенос компонентов смеси в капиллярах. Показано, что влияние поверхностных сил носит двоякий характер. С одной стороны, необходимо учитывать больцмановское распределение плотности молекул в капилляре: этот фактор, как оказалось, может изменить примерно 20% от величины транспортных коэффициентов. С другой стороны, при наличии температурной неоднородности в газе появляется дополнительный кинетический вклад в транспортные коэффициенты. В этом случае коэффициенты переноса компонентов смеси под действием градиента температуры могут изменяться в несколько раз. При этом открывается новый механизм разделения компонентов смеси, связанный с различием потенциалов взаимодействия компонентов со стенками капилляра. Поверхностные силы изменяют и структуру феноменологических уравнений переноса компонентов, построенную на основе производства энтропии в неоднородном газе. Отдельно отмечается, что Онзагеровская симметрия между перекрестными коэффициентами при этом сохраняется.
В [54] указывается, что при течении газовых смесей в тонких капиллярах под действием градиентов температуры или парциального давления компонентов смеси имеет место ряд физических эффектов: возникновение термомолекулярной разности давлений (ТРД) на концах капилляров, диффузионный бароэффект, разделение компонентов смеси, молекулы которых характеризуются различными массами, сечениями или коэффициентами аккомодации на стенке канала и т.д. Для каналов микронного и субмикронного размеров эти эффекты были успешно описаны в рамках классического уравнения Больцмана и было достигнуто хорошее согласие между теорией и экспериментом.
Было показано [55], что при свободномолекулярном течении газов в наноразмерных капиллярах под действием перепадов температуры необходимо учитывать влияние поверхностных сил, действующих на молекулы в непосредственной близости от стенки. При течении жидкостей в ультратонких капиллярах эти силы определяют скорости термо-и диффузионного осмоса, величину механокалорического эффекта и скорость разделения компонентов смеси [56]. В случае неоднородного по температуре газа они естественным образом входят в левую часть линеаризованного кинетического уравнения Больцмана. Их учет сказывается на определении величины расхода газа через капилляр за счет градиента температуры и на величине, возникающей в стационарном состоянии термомолекулярной разности давлений в объемах, соединенных пакетом наноразмерных капилляров [55].
Обычно при рассмотрении течения газа через пористую среду, для упрощения задачи