Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра редких металлов и наноматериалов

Оценка работы _____________

Руководитель _____________

РЕФЕРАТ

Методы определения пористости твердых тел

Руководитель ______________Половов И. Б.

подпись

Студент ______________Кутовой М.Ю.

подпись

Код, наименование направления 18.03.01, Химическая технология

Группа Фт-300017

Екатеринбург 2022

Оглавление

1. Введение

Важнейшими характеристиками структуры пористых и дисперсных веществ и материалов являются: удельная поверхность, удельный объем пор, размер пор, открытая пористость и коэффициент газопроницаемости.

От данных свойств веществ зависят поглотительная способность адсорбентов, эффективность твердых катализаторов, характеристики фильтрующих материалов.

В соответствии с классификацией IUPAC по размеру пор вещества разделяются на три группы: микропористые (менее 2 нм); мезопористые (2–50 нм); макропористые (более 50 нм). Микропористые цеолиты участвуют в процессах изомеризации бензиновых фракций, крекинга нефти, их используют на стадиях пред- и гидроочистки нефти и нефтепродуктов. Мезопористые оксиды металлов применяют для очистки газовых и жидких сред от различных загрязнений, например, использование автомобильных катализаторов для очистки выхлопных газов, в индустрии наносистем и наноматериалов, при создании и обработке композиционных материалов, полимеров и эластомеров, в резинотехнической, химической, легкой и других отраслях промышленности. Макропористые фильтры и мембраны используют для очистки газов и жидкостей, и непористые металлические микро и нанопорошки служат для изготовления покрытий и новых композиционных материалов, применяемых в сварочной отрасли, а

---

также в машиностроении, авиации, химии и др.

2. Характеристика пористых структур

Понятие «пористость» связывают с наличием в объеме твердого тела как характерного и относительно постоянного его свойства свободного объема, не заполненного элементарными структурными частицами. Пористость определяют как долю объема твердого тела, занятого этим свободным объемом V_c:

П = V_c / V = 1 - V_т/V (1)

где V – общий объем тела, V_т – объем твердого скелета или матрицы.

Ввиду многообразия и сложности пористых систем их полное количественное описание ещё не найдено, поэтому в настоящие время порометрия сводится к нахождению основных характеристик пористости. К ним относятся: общий объем пор и объемы их отдельных разновидностей, характеристические размеры пор и распределение их по размерам, внутренняя поверхность пористой системы. Определение этих параметров не требует сложной аппаратуры и громоздких математических вычислений.

Существует более 60 методов исследования пористой структуры твердых тел. Эти методы можно разделить по физическим принципам в их основе (таблица 1).

Таблица 1 – Характеристика основных методов порометрии

Методы	Получаемая информация	Предел применимости по радиусам пор r, мкм
Непосредственного наблюдения:
Визуально-оптические	Выявление макропор	≥ 10 – 75

Продолжение таблицы 1

Методы	Получаемая информация	Предел применимости по радиусам пор r, мкм
Световая микроскопия	Число, объем и распределение пор, удельная поверхность	0,5 – 100
Электронная микроскопия		0,01 – 0,5
Просвечивание (радиографический, радиоскопический)	Выявление макропор	0,1 – 100
Капиллярные	Размер пор, распределение пор по размеру, удельная поверхность	0,01 – 100
Ртутная порометрия	Объем и распределение пор, удельная поверхность.	0,0015 – 800
Адсорбционно-структурные		0,0003 – 0,05
Малоуглового рассеяния излучений:
Рассеяние рентгеновских лучей	Выявление микронеоднородностей, размер пор, удельная поверхность	0,0005 – 0,7
Рассеяние нейтронов		0,002 – 0,1
Пикнометрические:
Газовая пикнометрия	Общая пористость, объем и размер микропор, распределение микропор	0,0002 – 0,001
Жидкостная пикнометрия
Калориметрические:
Погружение в жидкость	Удельная поверхность, размер микропор	0,0005 – 0,001
Термопорометрия	Распределение пор	0,002 – 1000
Объемно-весовые методы:
Волюмометрия	Общая пористость	0,001 – 1000
Заполнение пор жидкостью
Гидростатическое взаимодействие жидкостей	Объем пор, размер пор	0,001 – 1000
Эталонная порометрия	Объем и распределение пор	0,002 – 1000

---

3. Описание методов определения пористости твердых тел

   1. Микроскопические методы

К микроскопическим методам измерений характеристик пористости твердых тел относятся растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и атомно-силовая микроскопия (АСМ). Методы электронной микроскопии основаны на взаимодействии электронного пучка с исследуемым объектом, позволяют получить изображение поверхности объекта с высоким пространственным разрешением. В основе АСМ лежит взаимодействие зонда кантилевера с поверхностью образца, обусловленное действием сил Ван-дер-Ваальса, которое позволяет получить трехмерный рельеф поверхности.

Микроскопические методы совместно с применением компьютерных программ обработки графических данных позволяют оценить такие характеристики пористости, как размер пор и их распределение по размерам Преимуществом микроскопических методов является возможность выявления общего характера структуры пористых тел. Ограничения в применении данных методов обусловлены необходимостью специальной подготовки образцов для исследований. Кроме того, изображения, получаемые методами РЭМ и ПЭМ и представляющие собой проекции или сечения пространственной структуры, не являются адекватными объемному расположению структурных элементов и несут только первичную (и искаженную) информацию о структуре пористых тел.

2. Капиллярные методы

Перенос жидкости или газа через пористую среду непосредственно связан с параметрами пористой структуры. Сечение и длина, форма и направление поровых каналов, их взаимосвязь определяют скорость и глубину проникновения подвижной фазы в пористое тело. Капиллярные методы исследования пористости включают динамические проточные методы, метод капиллярного впитывания жидкости и метод вытеснения несмешивающихся жидкостей.

Динамические проточные методы основаны на зависимости удельного (на единицу сечения) расхода жидкости или газа, проходящих через пористую среду, от параметров её структуры. Простые эмпирические соотношения, описывающие эти зависимости, найдены только для простейших пористых систем – неконсолидированных сред.

Метод вытеснения несмешивающихся жидкостей заключается в пропитке исследуемого образца жидкостью с плотностью p

---

₁ и погружения его в другую жидкость с плотностью p₂. Процесс вытеснения первой жидкостью происходит под влиянием гидростатических сил и закона Пуазейля, поэтому скорость вытеснения будет связана с размером пор и функцией распределения объема открытых пор по размерам.

Рассмотренные методы не обладают достаточной точностью, однако их простота позволяет использовать их для сравнительного анализа.

3. Ртутная порометрия

Наиболее универсальным является метод ртутной порометрии, позволя-

ющий получать информацию о пористой структуре в широком интервале размера пор. Метод основан на зависимости между объемом жидкости, заполняющей поры твердого тела, и величиной внешнего давления, требующегося для проникновения несмачивающей жидкости в поры.

Для пор цилиндрической формы данная зависимость может быть описана уравнением Уошберна (2):

(2)

где r – радиус цилиндрической поры;

– поверхностное натяжение жидкости;

– равновесный краевой угол смачивания;

p – разность давлений в газовой и жидкой фазах, разделенных искривленным мениском (капиллярное давление).

Ключевым допущением в методе ртутной порометрии является предположение о цилиндрической форме пор. Для реальных пористых материалов, как правило, свойственна сложная форма поперечного сечения пор, т. е. уравнение (2) описывает не реальную структуру пор в твердом теле, а структуру пор в заменяющей его модели.

Теоретически для внедрения в поры может быть использована любая жидкость, угол смачивания которой более 90°. Однако, как правило, для этих целей используется ртуть, несмачивающая подавляющее большинство материалов. Известны случаи применения в качестве несмачивающей жидкости также таких веществ, как глицерин, сплав Вуда, металл Филда

Ртутная порометрия широко применяется для измерения сорбционных свойств горных пород, стекол, катализаторов, адсорбентов, наполнителей, тканей и волокон, полимерных и композитных материалов, огнеупорных и строительных материалов, ядерного топлива.

К достоинствам данного метода можно отнести:

– простоту расчетного уравнения;

---

– относительную простоту конструкции приборов;

– наличие стандартизированных методик измерений;

– наличие большого парка промышленных ртутных поромеров;

– широкую область применения.

Благодаря перечисленным преимуществам ртутная порометрия считается

оптимальным методом рутинных определений размера макропор и крупных мезопор.

Вместе с тем метод ртутной порометрии имеет ряд недостатков:

– высокую токсичность ртути, в том числе невозможность полной экстракции

ртути из образца, который утилизируют как ртутьсодержащий отход после проведения измерений;

– вероятность необратимого изменения пористой структуры при использовании высоких давлений;

4. Адсорбционно-структурный метод

Адсорбционно-структурные методы основаны на применении явления адсорбции – обогащения или обеднения (отрицательной адсорбции) одного или более компонентов в межфазном слое. Адсорбционно-структурные методы позволяют получать информацию о пористой структуре твердых тел в интервале размера пор от 0,0003 до 0,05 мкм (микро- и мезопоры).

В основе явления адсорбции лежит нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи поверхности на границе раздела фаз, вызывающая появление адсорбционного силового поля.

Средства измерений, используемые для получения изотерм адсорбции, делят на две группы: осуществляющие измерения количества газа, удаляемого из газовой фазы (объемные методы) и прямое измерение поглощения газа (т. е. гравиметрическое измерение изменения в массе адсорбента).

Наиболее информативным и широко используемым для определения характеристик пористости твердых веществ и материалов является газоадсорбционный (объемный) метод измерений. В основе данного метода лежит следующий принцип: если твердое порошкообразное или пористое вещество поместить в замкнутое пространство, заполненное газом или паром при определенном давлении, твердое вещество начинает адсорбировать газ, и его масса возрастает, а давление газа уменьшается. Спустя некоторое время давление становится постоянным, а масса вещества перестает увеличиваться. Если известны объемы сосуда (системы) и твердого порошкообразного или пористого вещества, то, основываясь на законах идеальных газов, по понижению давления в замкнутом объеме сосуда можно рассчитать количество адсорбированного газа. В качестве газа обычно используют аргон при температуре 87 К.

---

Смотрите также файлы

• Самостоятельная работа Вариант 1 (10 минут).docx

• Описание возможного союзамежду Вамии человеком, родившимся.pdf

• 3. Найдите выражение для спектральной плотности сигнала (п. 2) и постройте график модуля этой спектральной плотности.docx

• .docx

• Методические указания по выполнению рейтинговой работы по дисциплине Информационные технологии в психологопедагогической деятельности.docx