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透气膜动态

防水透气膜气体如何透气?

防水透气膜气体传递理论
 
 
不同防水透气膜的结构不同,气体通过膜的传递扩散方式不同,透过机理也各异。气体透过薄膜机理有两种:一是通过非多孔膜的溶解-扩散机理;二是通过多孔膜的微孔扩散机理,多孔介质中气体传递机理包括努森扩散、粘性流动、表面扩散流、分子筛分、毛细管凝聚等。由于多孔及孔内表面性质的差异使得气体分子与多孔介质之间的相互作用程度有所不同,从而表现出不同的传递特征。
(1) 努森扩散(Knudsen扩散)
如果薄膜孔径很小或气体压力很低时,λ/d>>1(λ:分子自由程;d:孔径),孔内分子流动受分子与孔壁之间的碰撞作用支配,称为努森扩散,又称自由分子流,如图2-1中右侧所示。单位面积的气体透过速率qK和透过系数KK用下式表示:
 式(2-1)
 式(2-2)
式中:r:微孔孔径,m;ε:孔隙率;τ:孔的形状因子;L:薄膜厚度,m;τL:阻力厚度,m;T:温度,K;P2-P1:薄膜两侧压差,pa;M:气体分子量,kg/mol;R:气体常数:8.314J/mol·K;qK:气体透过速率,mol/m2·s;KK:透过系数,mol/m2·s·pa。
从式(2-1)可见,气体分子的透过系数与压力差无关,而与分子量的平方根成反比。当膜与压差一定时,分子量是决定膜透过速率的唯一参数,显然只有当分子量相差较大时,气体的过滤性能才有明显的透过速率差,此时由于努森扩散可使气体得以分离。

图2-1 Poiseuille流动与Knudsen扩散示意图
(2)粘性流动(Poiseuille流动)
如果d/λ<<1,孔内分子流动受分子之间碰撞作用支配,则透过性能受粘性流动控制,此时努森扩散对气体透过量的贡献可以忽略,如图2-1中左侧图所示。根据Hargen-Poiseuille方程,单位面积的气体透过速率qP和透过系数KP用下式表示:
式(2-3)
式(2-4)
式中:r:微孔孔径,m;ε:孔隙率;τ:孔的形状因子;L:薄膜厚度,m;τL:阻力厚度,m;T:温度,K;P2-P1:薄膜两侧压差,pa;η:气体粘度,pa·s;R:气体常数:8.314J/mol·K;qP:气体透过速率,mol/m2·s;KP:透过系数,mol/m2·s·pa。
可见,气体分子的透过性能与气体粘度有关。采用Chung、Lucas、Reichenberg等方法可较好地对气体粘度进行估算、气体粘度与温度、气体分子摩尔体积。分子量等因素有关。在上述计算方法中,粘度均与气体分子量的1/2次方成正比。
若λ/d值近似为1,努森扩散和粘性流动并存,此时气体透过整张膜的流量是以粘性流动和努森扩散共同贡献的结果,两者均不可以忽略,对于同一气体而言,单位面积总透过速率q和透过系数K为:
q=qK+qp式(2-5)
?
式(2-6)
(3)表面扩散流
如果气体分子可与介质表面发生相互作用,气体分子吸附在孔壁上,当存在压力梯度,分子在表面的占据率不同,产生沿表面的浓度梯度和向浓度递减方向的扩散,从而产生表面扩散流。操作温度越低,孔径越小,表面扩散越明显。在表面流存在的条件下气体流过膜孔流量由努森扩散和表面扩散流叠加。
(4)毛细管凝聚
对孔径仅仅比分子筛稍大数埃的膜孔,若气体的凝聚温度较低,凝聚性气体将在孔内产生毛细管凝聚现象,阻碍其他分子通过,从而造成不同气体的透过行为不同。
(5)分子筛分机理
如果膜孔径介于不同气体分子直径之间,那么直径小的分子可以通过膜孔,而直径大的气体分子将被截留,即具有筛分效果,则使得不同直径的气体有很大差别的透过行。
以上是对多孔膜的气体传递理论的说明。实验系在室温下进行,PTFE薄膜表面能低,可以忽略气体与PTFE膜的吸附作用,气体分子不与PTFE表面发生相互作用,因此气体基本不以表面扩散的形式通过膜孔;薄膜孔径远远大于气体分子的直径,且实验温度下,所有气体均不发生凝聚现象,可以排除毛细管凝聚和分子筛分的可能。因此,可以推断气体分子将以努森扩散和粘性流动中的一种或两种机理共存下透过膜孔。根据式(2-1)和式(2-3)可以看出,无论气体分子是以努森扩散还是以粘性流动的形式透过膜孔,气体透过速率均与孔隙率成正比关系。如果气体分子受努森扩散和粘性流动共同控制,则气体透过系数与孔半径的关系应在3-4次方之间。