A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.4 2.5 Porózus anyagok új, környezetkímélő mérése Tárgyszavak: kapilláris, telítéses porometria; pórustérfogat-mérés; szűrés; átáramlásmérés. A biotechnológiában, az energiatechnikában, gázok tisztítására, ok szűrésére és a környezetvédelemben kiterjedten alkalmazott porózus anyagok pórustérfogatának és pórustérfogat-eloszlásának meghatározása az alkalmazások szempontjából jelentős. Gyakran szükséges különféle közegek porózus anyagokon való átáramlásának mérése is. A mérésekhez eddig alkalmazott áthatolásos porozimetriás vizsgálatokat higannyal végezték, amely azonban erősen mérgező és környezetszennyező anyag, és ezzel az eljárással az átáramlásra jellemző adatokat nem lehetett meghatározni. A kapilláris telítéses porozimetriának nevezett új eljárással anyagok pórustérfogatát, pórusméretét, a pórusméret eloszlását és az átáramlási sebességet higany és nagy nyomások alkalmazása nélkül lehet mérni. A kapilláris telítéses porozimetria alapjai Az új módszer alkalmazásakor a vizsgálandó anyagmintát olyan ba merítik, amelynek a mintára vonatkozó felületi szabad energiája kisebb, mint az anyagmintának a levegőre vonatkoztatott felületi szabad energiája. Az ilyen nedvesíti az anyagmintát, és spontán módon kitölti a pórusait. Az anyagmintát a mintatartó kamrában levő membránra helyezik. A membrán legnagyobb pórusának is kisebbnek kell lennie az anyagminta legkisebb pórusánál, és a nedvesíti a membránt. A mintakamrában valamilyen nem reaktív gáz, általában levegő, nyomását lassan növelik, hogy kiszorítsa a ot az anyagminta pórusaiból. A nak az anyagminta pórusaiból való kiszorításához szükséges nyomás összefügg a pórus méretével: p = 4 γ cos θ/d (1)
ahol p a differenciális nyomás, γ a nedvesítő felületi feszültsége, θ a nedvesítő és az anyagminta közötti érintkezési szög, D pedig a pórus átmérője. A kis felületi feszültségű érintkezési szögét nullának tekintik. Az összefüggésből látszik, hogy az anyagminta legnagyobb pórusából a legkisebb nyomáson lép ki a, és a nyomás növekedésével a kisebb pórusok is kiürülnek. A membrán legnagyobb pórusa is kisebb az anyagminta legkisebb pórusánál, és így a minta pórusait kiürítő nyomás nem tudja eltávolítani a ot a membrán egyetlen pórusából sem. Így az anyagminta pórusaiból a gázzal kiszorított összes áthatol a membránon, miközben a pórusai a kal töltöttek maradnak. A gáz nem képes áthatolni rajta. Az elvet az 1. ábra szemlélteti. gáznyomás gáznyomás nincs anyagminta áramlása membrán áramlása 1. ábra A kapilláris telítéses porozimetria elve (bal oldalt a pórusméret, jobb oldalt a áteresztő képesség meghatározása) A gáz nyomását és a membránból kilépő mennyiségét pontosan mérik. A nyomás megadja a pórusátmérőt, a kiszorított pedig a pórustérfogatot. A áteresztő képesség meghatározásához eltávolítják a membránt, és az anyagmintában maradt többletra ható nyomást növelik. A nyomást és a mennyiség elmozdulásának sebességét mérik. A kifejlesztett készülék teljesen automatikusan működik. Kivitele lehetővé teszi a nyomás kis lépésekkel történő, lassú növelését, valamint a nyomás és a kiszorított térfogatának pontos és reprodukálható mérését. Pórusméret és pórustérfogat A 2. ábrán a kiszorított térfogata és a nyomás közötti összefüggés egy jellegzetes görbéje látható. A térfogat a nyomás fokozásával a várható módon növekszik, amint a a kisebb pórusokból távozik. Az (1)
egyenletet alkalmazták a pórusátmérő meghatározásához, a kísérletben nedvesítő ként 72 dyn/cm felületi feszültségű vizet használva. Az érintkezési szöget nullának vették. kiszorított térfogat pórusgyakoriság differenciális nyomás psi µm pórusátmérő 1 psi = font/négyzethüvelyk = 6,895 10 3 Pa 2. ábra A kiszorított függése a nyomástól 3. ábra Pórustérfogat-eloszlás Pórustérfogat-eloszlás A pórustérfogat-eloszlás f függvényének definíciója: f = (dv/d log D) (2) ahol V a kiszorított térfogata. Az eloszlásfüggvény a 3. ábrán látható. A (2) egyenlet szerint a görbe alatti terület egy pórusméret-tartományban a pórusok pórustérfogatát adja meg az adott pórusméret-tartományban. A bemutatott példában a legtöbb pórus hozzávetőleg 30 µm átmérőjű. Pórustérfogat-eloszlás meghatározása higany-behatolásos porozimetriával A 4. ábrán higanyos eljárással mért pórustérfogat-görbe látható. A pórustérfogat nyomásfüggése hasonló a kapilláris telítéses porozimetriás módszerrel mért görbéhez. A kétféle eljárással mért pórustérfogat-értékek jól egyeznek, a higanyos módszerrel végzett méréshez azonban sokkal nagyobb nyomások szükségesek. A kétféle eljárással mért pórustérfogat-eloszlás görbéi az 5. ábrán láthatók. A görbék tökéletesen illeszkednek egymáshoz, a legtöbb pórus átmérője mindkét mérés szerint 30 µm körüli értékű.
fajlagos pórustérfogat, cm 3 /g nyomás psi dv/log p kapilláris telítéses x higanyos porozimetria pórusméret µm 4. ábra Higanybehatolásos porozimetriával mért pórustérfogat 5. ábra Higanyos porozimetriával és telítéses porozimetriával meghatározott pórustérfogat-eloszlás Folyadékáteresztő képesség Folyadék áramlási sebességét a differenciális nyomás függvényében a 6. ábra szemlélteti. A áteresztő képességet ezekből az adatokból az alábbi összefüggéssel számítják: k = F / (A / µ l) p (3) ahol k a permeabilitás, F a áramlási sebessége, A az anyagminta területe, µ a viszkozitása és l az anyagminta vastagsága. Az anyagminta (3) egyenlettel számított permeabilitása a 6. ábra görbéjének meredekségét, az anyagminta mért vastagságát és területét és az áramló ként használt víz viszkozitását behelyettesítve 6,5 darcy* értékűnek adódik. Az eljárások összehasonlítása Az 1. táblázat világosan bizonyítja a kapilláris telítéses porozimetria lehetőségeit, a tulajdonságok rendkívül egyedülálló kombinációját. Ezen túlmenően sok gyakorlati előnye is van. A higanyos módszernél kisebb nyomás szükséges, az alkalmazott anyag nem mérgező, és így nem okoz külön költségeket az anyagminta megsemmisítése vagy a biztonsági előírások betartása. A ke- * A darcy (jele d vagy D) a hidrodinamikai permeabilitás egysége. 1 darcy a hidrodinamikai permeabilitás, ha laminárisan áramló, 1 cp dinamikus viszkozitású 1 atm/cm nyomásgradiens hatására 1 cm 2 keresztmetszeten 1 cm 3 /s sebességgel áramlik. 1 Poise = 1 dyn s/cm 2 = 0,1 Pa s; 1 cp = 1 mpa s
reskedelmi forgalomban kapható berendezés olcsó, egyszerűen kezelhető, a mérés gyors. áramlási sebesség, cm 3 /s nyomás psi 6. ábra A kapilláris telítéses eljárással mért áramlási sebesség és a nyomás összefüggése A szűrőközegek jellemzésére alkalmazott három eljárás lehetőségei 1. táblázat Mérhető jellemzők Kapilláris telítéses Kapilláris áramlásos Higanybehatolásos Pórusméret Igen Igen Igen Folyadékáteresztő képesség Igen Igen Nem Pórustérfogat Igen Nem Igen Pórusméret térfogateloszlása Igen Nem Igen (Pálinkás János) Jena, A.; Gupta, K.: Measurement of pore volume and flow through porous materials. = Material Prüfung, 44. k. 6. sz. 2002. p. 243 245. Gabriel, S.; Stramm, R.: Das Qualitätsmanagementsystem in Berufsgenossenschaftlichen Messystem Gefahrstoffe. = Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft, 60. k. 10. sz. 2000. p. 403 406.