ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Диффузия в пористых материалах из "Массопередача" Диффузия в пористых твердых телах может проходить по одному из трех механизмов или сразу по нескольким из них. Эти механизмы следующие обычная ( объемная ), кнудсеновская и поверхностная диффузия. В отсутствие поверхностной диффузии близкое расположение пористых стенок не существенно, если поры велики относительно среднего свободного пробега молекул в газе, и процесс аналогичен обычной молекулярной диффузии в газе или жидкости, содержащихся в порах. В данном случае применимы коэффициенты диффузии, о которых говорилось в предшествующих разделах настоящей главы, и представленные в главе 3 уравнения скорости молекулярной диффузии. [c.53] Кнудсеновская диффузия встречается в порах, содержащих газ, при низком давлении или малых размерах пор. Если средний свободный пробег молекул газа велик по сравнению с диаметром поры, то молекулы гораздо чаще сталкиваются с ее стенками, чем друг с другом. Отражение от стенки не зеркальное, а по существу диффузное молекулы отскакивают хаотически практически во всех направлениях. При этом сопротивление диффузии молекул вдоль поры обусловлено главным образом столкновениями молекул со стенками, а не между собой, как при обычной диффузии. В некотором диапазоне изменения плотностей газа и размеров пор важны оба типа столкновений. [c.53] Поверхностная диффузия происходит при адсорбции диффундирующего компонента твердым веществом. Равновесная поверхностная концентрация увеличивается с возрастанием концентрации вещества в газе. Поэтому в поверхностном слое имеется тенденция к возникновению градиента поверхностной концентрации того же знака и в том же направлении, что и градиент концентрации газа в поре. При некоторых вариантах процесса адсорбированный слой подвижен и стремится перемещаться вдоль твердой поверхности, так что поверхностная диффузия протекает параллельно с диффузией в газе. Общий поток диффундирующего компонента в этом случае бывает больше, чем если бы адсорбция не происходила. [c.53] Здесь Оц р — коэффициент кнудсеновской диффузии, который по определению есть отношение потока на единицу площади общей поверхности пористого тела к градиенту концентрации по нормали к поверхности. Поскольку рассматриваются только столкновения со стенкой, а не с другими молекулами, Dj p не зависит от природы ионных компонентов, присутствующих в смеси. [c.55] Практическая значимость уравнения (2.44) обусловлена знанием величины т, которая как известно, широко изменяется с изменением структуры пористой массы, распределением частиц или размеров и формы пор эту структуру нельзя описать просто одним числом. Измерение коэффициента диффузии в пористом стекле Викор , которое характеризуется относительно одинаковыми размерами пор, дает значение т, близкое к 5,9. Пористые материалы, имеющие бимодальное распределение пор по размерам (распределения концентрируются вблизи одной поры большого размера и одной поры малого размера), могут дать значения т 1. Другими словами, диффузия протекает быстрее, чем это было бы в прямой круглой поре с радиусом, рассчитанным из поверхности по БЭТ и доли свободного объема. [c.55] Ограниченная сводка экспериментальных данных по диффузии в незатвердевшей и затвердевшей пористых средах цитируется Саттерфилдом [91 ], но, кажется, что нет надежной корреляции, пригодной для предсказания значений коэффициентов диффузии. По-видимому, ни одной такой корреляции нельзя ожидать, пока пе будут разработаны лучшие способы описания структуры пористых материалов (см. однако, работу [33]). [c.55] Обычная либо кнудсеновская диффузия будут контролирующими , если та или другая обратные величины в скобках пренебрежимо малы. Это указание вернее, чем эмпирическое правило, о том, что кнудсеновская диффузия является лимитирующей процесс стадией, если средний свободный пробег молекул больше диаметра пор. Экспериментальные данные по диффузии в малых капиллярах изложены Ремиком и Жанкоплисом [86]. [c.56] Многокомпонентной диффузии в пористых материалах уделялось мало внимания. Правда, в работе [33а] сообщается об исследовании диффузии газовой смеси Не — N2 — СН4 в гамма-глино-земе в области давлений от 0,1 до 0,7 МПа. Описано несколько моделей процесса, причем каждая включает член, характеризующий поверхностную диффузию. [c.56] Условия, при которых поверхностная диффузия становится важной, сильно изменяются с изменением природы рассматриваемой системы твердое вещество — газ, поскольку они зависят от существования адсорбированного слоя. Капиллярная конденсация может быть причиной заполнения пор жидкостью, если температура близка к температуре точки росы, однако обычно принимают, что абсорбированный слой настолько тонок, что поперечное сечение пор, доступное для диффузии газа, уменьшается не намного. Затем можно допустить, что поверхностная и газовая диффузия протекают параллельно и что соответствующие потоки, обусловленные ими, аддитивны. [c.56] Последнее соотношение наводит на мысль, что разные решения обыкновенного уравнения диффузии можно использовать для приближенного анализа ситуаций, при которых обычная, кнудсеновская и поверхностная диффузии протекают одновременно. [c.57] Вернуться к основной статье