多孔陶瓷膜孔隙結(jié)構(gòu)輸運(yùn)性能的計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、多孔陶瓷膜屬于膜分離技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，與有機(jī)膜相比，陶瓷膜材質(zhì)具有耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在化工、能源、冶金、環(huán)保等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
　　對(duì)多孔陶瓷膜的孔結(jié)構(gòu)輸運(yùn)性能進(jìn)行定量表征可為多孔陶瓷膜制備和應(yīng)用提供重要參考。本課題基于三維孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立擴(kuò)散數(shù)值模擬方法綜合分析多孔陶瓷孔隙的連通性和曲折因子大小，擴(kuò)散模擬的研究對(duì)象包括相轉(zhuǎn)化流延法制得的多孔氧化鋁樣品和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的孔隙隨機(jī)分布的虛擬樣

2、品。
　　第一章簡(jiǎn)要地介紹了多孔陶瓷膜的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，主要內(nèi)容包括多孔陶瓷膜的分類、孔結(jié)構(gòu)成型工藝、表征參數(shù)及其方法、三維微結(jié)構(gòu)的斷層掃描成像研究。
　　第二章以一個(gè)虛擬的孔隙隨機(jī)分布樣品為例，詳細(xì)介紹了擴(kuò)散數(shù)值模擬方法的建立過程，指出該方法可根據(jù)穩(wěn)態(tài)下孔隙內(nèi)擴(kuò)散物質(zhì)的濃度分布，分析孔結(jié)構(gòu)的連通性，包括區(qū)分貫通孔、半開孔和封閉孔，并對(duì)各自含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì);該方法還可進(jìn)一步識(shí)別貫通孔中對(duì)輸運(yùn)不起作用的無效孔;根據(jù)多孔樣品在擴(kuò)散模

3、擬穩(wěn)態(tài)下的擴(kuò)散通量，結(jié)合由濃度分布區(qū)分出的各類孔隙率，可計(jì)算由總孔隙率、貫通孔孔隙率以及輸運(yùn)有效孔隙率分別修正得到的三類曲折因子。此外，第二章還研究了孔隙隨機(jī)分布樣品的孔隙率、取樣尺寸大小和厚度與邊長(zhǎng)之比對(duì)曲折因子大小的影響。
　　第三章采用相轉(zhuǎn)化流延法制備了非對(duì)稱氧化鋁多孔陶瓷膜并利用SRCT技術(shù)獲得其三維孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。利用擴(kuò)散數(shù)值模擬方法分析其沿指狀孔生長(zhǎng)方向的孔結(jié)構(gòu)輸運(yùn)性能，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生尺寸和孔隙率與其一致的虛擬樣品作對(duì)

4、比，結(jié)果表明對(duì)于總孔隙率都為34.7％的兩種樣品，前者的輸運(yùn)有效孔隙率為27.98％，后者的輸運(yùn)有效孔隙率為9.96％。對(duì)兩種樣品的曲折因子計(jì)算表明，相轉(zhuǎn)化流延法制得的氧化鋁陶瓷膜分別以總孔隙率、貫通孔孔隙率以及輸運(yùn)有效孔隙率修正得到的曲折因子為2.01，1.94，1.62，而孔隙隨機(jī)分布虛擬樣品對(duì)應(yīng)的三類曲折因子分別為67.28，46.17，19.30。由擴(kuò)散有效曲折因子可推算得幾何曲折因子，該值直接反映了孔隙通道的彎曲程度，經(jīng)計(jì)算，

5、相轉(zhuǎn)化樣品幾何曲折因子為1.27，而孔隙隨機(jī)分布樣品為4.39。兩種樣品各類曲折因子計(jì)算結(jié)果的橫向和縱向?qū)Ρ扔辛Φ卣f明相轉(zhuǎn)化流延法制得的多孔陶瓷的孔隙結(jié)構(gòu)非常利于物質(zhì)輸運(yùn)。
　　第四章采用相轉(zhuǎn)化流延法和添加石墨造孔劑制備多孔支撐層的雙層流延方法制備非對(duì)稱氧化鋁多孔陶瓷膜和非對(duì)稱YSZ-LSM陶瓷氧分離膜，對(duì)其中的多孔陶瓷膜進(jìn)行氣體滲透測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明相轉(zhuǎn)化流延法制備的陶瓷膜氣體滲透通量要遠(yuǎn)大于普通雙層流延法;氧分離膜的氧氣滲透測(cè)試結(jié)