[發明專利]測量多孔介質表界面傳質系數與孔內擴散系數的方法

有效

• 申請號: 201811325520.4
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN111157404B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 葉茂;高銘濱;李華;劉中民
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 張瑩

本申請公開了一種測量多孔介質表界面傳質系數與孔內擴散系數的方法，所述方法包括用瞬態吸附速率法測量多孔介質在受到外界濃度或壓力變化擾動后而產生的吸附量變化的過程；根據相應濃度或壓力條件下多孔介質所能達到的平衡吸附量，對所得到的吸附量變化數據進行處理；確定所述多孔介質傳質的控制步驟，以建立受濃度或壓力變化擾動后多孔介質體系的質量守恒方程，并進行數學處理，獲得描述這一吸附量變化過程的控制方程；通過建立的控制方程，擬合計算多孔介質的吸附量隨時間變化過程，可同時獲得多孔介質的表界面傳質系數與孔內擴散系數。

技術領域

本申請涉及一種多孔介質的表界面傳質系數與孔內擴散系數的測量方法，屬于測量技術領域。

背景技術

多孔介質的孔道內擴散性能可以顯著影響及調控表觀化學反應速率及產物選擇性。基于孔道內擴散性能的不同，多孔介質材料廣泛地應用于不同的催化體系及分離體系，以期實現定向生成及分離出預期的產物。表征出多孔介質的孔內擴散系數對于揭示反應機理、指導材料的開發應用以及工藝條件的優化具有重大意義。因而定量測量多孔介質的孔內擴散系數，即表征多孔介質的孔道內擴散系數具有十分重要的意義。

宏觀法是實驗室及工業領域中最常用于測量多孔介質的孔道內擴散系數的方法。宏觀法的測量原理基于菲克第一定律，推動力為濃度或壓力梯度，即在體系平衡的條件下，對系統輸入一個擾動，記錄系統達到另一個平衡狀態的過程，這一動態過程可用于反映多孔介質的孔道擴散信息。宏觀法原理一般基于擾動-瞬態響應原理，只需濃度或壓力的改變可以直接影響多孔介質的宏觀量如質量、壓力或光信號的變化而被檢測到，那么理論上即可通過這一原理獲得該體系的擴散動力學信息。需要注意的是體系內不發生化學反應，所獲得的信息才是體系的擴散信息。

瞬態吸附速率法是宏觀法中最為常用以及可靠的方法之一。其主要包括重量法、量容或量壓法、紅外光譜法和紫外光譜法。重量法利用精密真空微天平或振蕩微量天平測量多孔介質質量在體系吸附質濃度或壓力階躍后隨時間的變化關系，以獲取吸附量隨時間變化曲線。量容或量壓法記錄的是吸附質的體積或者壓力隨時間的變化關系，從而換算出吸附量隨時間的變化關系。紅外光譜法通過檢測吸附質在多孔介質內響應特征峰處的紅外光強度來獲取吸附量隨時間的變化關系。紫外光譜法則是通過檢測吸附質在多孔介質內吸光度的變化而獲取吸附量隨時間的變化關系。

然而，現有定量多孔介質的孔道內部擴散系數往往是假定體系內孔道擴散為控制步驟而得出的傳質系數。但實際上，在宏觀法測量的過程中，吸附質需要先克服多孔介質表界面的傳質阻力，之后才能進入孔道內發生擴散。即現有定量多孔介質的傳質系數方法實際上得出的是一種表觀的傳質系數。

以往在建立多孔介質內擴散的控制方程時，往往忽略了多孔介質表界面處的傳質限制。因此，現有定量多孔介質傳質性能的方法中缺少了一種簡單易行、具有明確物理意義、同時能夠獲得表界面傳質系數與孔道內擴散系數的精確測量方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種測量客體分子在多孔介質材料中的表界面傳質系數與孔道內擴散系數的方法，以解決現有方法中所得到的多孔介質傳質系數其物理意義不明確、誤差較大的問題。

現有方法中，本領域研究人員的普遍認識是：客體分子在多孔介質中傳質的控制步驟是孔道的內擴散限制而產生的。因而，構建起的定量或表征多孔介質的傳質系數的方法往往只基于孔道內擴散限制的情況。但實際應用過程中，卻發現這樣的定量或表征的方法所得出的多孔介質的傳質系數存在較大的誤差，并且物理意義不明確，實驗所得結果與理論預測存在很大程度上的偏差。本申請發明人通過創造性的研究，發現上述認識存在方法偏見。本申請的發明人創新性地發現，對于客體分子在多孔介質上所發生的傳質過程，大體上應該分為兩類過程，首先客體分子需要克服多孔介質表界面的傳質阻力，通過多孔介質的表界面進入到其孔道內部后，才能發生孔道內擴散行為。因此，在表征多孔介質的傳質性能時，應同時獲得其表界面的傳質系數及孔內擴散系數，所獲得的傳質系數才具有明確的物理意義。

本發明提供了一種測量多孔介質表界面傳質系數與孔內擴散系數的方法，該方法包括以下步驟：