[发明专利]测量多孔介质表界面传质系数与孔内扩散系数的方法

说明书

本申请公开了一种测量多孔介质表界面传质系数与孔内扩散系数的方法，所述方法包括用瞬态吸附速率法测量多孔介质在受到外界浓度或压力变化扰动后而产生的吸附量变化的过程；根据相应浓度或压力条件下多孔介质所能达到的平衡吸附量，对所得到的吸附量变化数据进行处理；确定所述多孔介质传质的控制步骤，以建立受浓度或压力变化扰动后多孔介质体系的质量守恒方程，并进行数学处理，获得描述这一吸附量变化过程的控制方程；通过建立的控制方程，拟合计算多孔介质的吸附量随时间变化过程，可同时获得多孔介质的表界面传质系数与孔内扩散系数。

技术领域

本申请涉及一种多孔介质的表界面传质系数与孔内扩散系数的测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

多孔介质的孔道内扩散性能可以显著影响及调控表观化学反应速率及产物选择性。基于孔道内扩散性能的不同，多孔介质材料广泛地应用于不同的催化体系及分离体系，以期实现定向生成及分离出预期的产物。表征出多孔介质的孔内扩散系数对于揭示反应机理、指导材料的开发应用以及工艺条件的优化具有重大意义。因而定量测量多孔介质的孔内扩散系数，即表征多孔介质的孔道内扩散系数具有十分重要的意义。

宏观法是实验室及工业领域中最常用于测量多孔介质的孔道内扩散系数的方法。宏观法的测量原理基于菲克第一定律，推动力为浓度或压力梯度，即在体系平衡的条件下，对系统输入一个扰动，记录系统达到另一个平衡状态的过程，这一动态过程可用于反映多孔介质的孔道扩散信息。宏观法原理一般基于扰动-瞬态响应原理，只需浓度或压力的改变可以直接影响多孔介质的宏观量如质量、压力或光信号的变化而被检测到，那么理论上即可通过这一原理获得该体系的扩散动力学信息。需要注意的是体系内不发生化学反应，所获得的信息才是体系的扩散信息。

瞬态吸附速率法是宏观法中最为常用以及可靠的方法之一。其主要包括重量法、量容或量压法、红外光谱法和紫外光谱法。重量法利用精密真空微天平或振荡微量天平测量多孔介质质量在体系吸附质浓度或压力阶跃后随时间的变化关系，以获取吸附量随时间变化曲线。量容或量压法记录的是吸附质的体积或者压力随时间的变化关系，从而换算出吸附量随时间的变化关系。红外光谱法通过检测吸附质在多孔介质内响应特征峰处的红外光强度来获取吸附量随时间的变化关系。紫外光谱法则是通过检测吸附质在多孔介质内吸光度的变化而获取吸附量随时间的变化关系。

然而，现有定量多孔介质的孔道内部扩散系数往往是假定体系内孔道扩散为控制步骤而得出的传质系数。但实际上，在宏观法测量的过程中，吸附质需要先克服多孔介质表界面的传质阻力，之后才能进入孔道内发生扩散。即现有定量多孔介质的传质系数方法实际上得出的是一种表观的传质系数。

以往在建立多孔介质内扩散的控制方程时，往往忽略了多孔介质表界面处的传质限制。因此，现有定量多孔介质传质性能的方法中缺少了一种简单易行、具有明确物理意义、同时能够获得表界面传质系数与孔道内扩散系数的精确测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量客体分子在多孔介质材料中的表界面传质系数与孔道内扩散系数的方法，以解决现有方法中所得到的多孔介质传质系数其物理意义不明确、误差较大的问题。

现有方法中，本领域研究人员的普遍认识是：客体分子在多孔介质中传质的控制步骤是孔道的内扩散限制而产生的。因而，构建起的定量或表征多孔介质的传质系数的方法往往只基于孔道内扩散限制的情况。但实际应用过程中，却发现这样的定量或表征的方法所得出的多孔介质的传质系数存在较大的误差，并且物理意义不明确，实验所得结果与理论预测存在很大程度上的偏差。本申请发明人通过创造性的研究，发现上述认识存在方法偏见。本申请的发明人创新性地发现，对于客体分子在多孔介质上所发生的传质过程，大体上应该分为两类过程，首先客体分子需要克服多孔介质表界面的传质阻力，通过多孔介质的表界面进入到其孔道内部后，才能发生孔道内扩散行为。因此，在表征多孔介质的传质性能时，应同时获得其表界面的传质系数及孔内扩散系数，所获得的传质系数才具有明确的物理意义。

本发明提供了一种测量多孔介质表界面传质系数与孔内扩散系数的方法，该方法包括以下步骤：