海藻酸鹽凝膠干燥機理及數(shù)值模擬.pdf

1、海藻酸是一類天然鏈式高分子多糖，其結(jié)構(gòu)單元包括古羅蘭糖醛酸(G)和甘露糖醛酸(M)。G、M單元互為同分異構(gòu)體，單元之間糖苷鍵上的兩個二面角(φ,ψ)是決定分子構(gòu)象的主要因素。GG段組成的高分子鏈剛性高，宏觀上表現(xiàn)為G單元豐富的海藻酸鹽脆性、硬度等指標更高。GG段之間形成的負電荷“空穴”適宜與Ca2+形成著名的“蛋盒結(jié)構(gòu)”。二價(除Mg2+)或二價以上陽離子與海藻酸形成的鹽難溶于水，不同陽離子和海藻酸鹽結(jié)合能力不同，引起高分子鏈不同程度的

2、卷曲和交聯(lián)，導致海藻酸鹽凝膠具有不同化學性質(zhì)和材料特性。
　　為了研究不同種類、濃度陽離子和G、M單元配位時能量和構(gòu)象的變化，本文利用Gaussian09forLinux通過密度泛函(DFT)方法對海藻酸鹽中G、M單元及其不同排列方式的分子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，獲得了不同組成和排列方式的海藻酸鈉分子能量最低狀態(tài)。通過G、M單元與陽離子配位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，總結(jié)出發(fā)生配位時的反應能與陽離子有效半徑呈負相關(guān)。對不同濃度Ca2+海藻酸鹽體系的粘度和離

3、子利用效率對比發(fā)現(xiàn)具有四個明顯特征的階段，分別為：粘度下降、粘度上升、鈣離子利用效率下降、不溶于水的凝膠出現(xiàn)。分子模擬實驗證實了海藻酸鈉分子鏈上的羧基、六元環(huán)的 O、糖苷鍵的 O和羥基與鈣離子配位時對應平均鍵長分別為2.29A、2.39A、2.42A、2.42A(1A=10–10m)；海藻酸鈣凝膠水洗處理后引起的干燥特性和材料性質(zhì)改變是由于水分子攻擊六元環(huán)的O、糖苷鍵的O和羧基與Ca2+形成的弱配位鍵，從而引起分子鏈構(gòu)象發(fā)生變化造成的。

4、
　　針對海藻酸鹽凝膠制品初始含水率高、孔隙率高、易變性，干燥過程中體積收縮明顯的特點，以有限元方法為基礎(chǔ)，以Fick第二定律、Fourier傳熱定律和推導的收縮特性作為傳質(zhì)、傳熱和干燥收縮的理論基礎(chǔ)，建立一種針對性強、預測準確、計算消耗小的理論數(shù)值模型，開展了以下研究工作：
　　1.通過凝膠顆粒薄層干燥實驗，擬合出干基濕含量(XDry/(Kg/Kg))與時間(t/s)呈指數(shù)關(guān)系：XDry=e((a+bt+ct^2))；推導

5、出凝膠顆粒粒徑(Daverage/m)與干基濕含量成正比：Daverage=13.84*10-4+1.72*10-4*XDyr；有效擴散系數(shù)(Deff/(m2/s))與溫度(T/℃)的關(guān)系服從阿倫尼烏斯公式：Deff=4.001*10-9*e(-11447.062/RT)；通過壓汞法檢測出絕干凝膠的孔隙率(10.84％)；骨架密度(1.30 g/mL)；最大、最小、平均孔隙尺寸(39.9nm、21.7nm、27.0 nm)等參數(shù)；

6、>　　2.薄層干燥實驗得到的有效擴散系數(shù)帶入菲克第二定律描述水分在凝膠內(nèi)部的擴散傳遞，根據(jù)凝膠干基濕含量推算凝膠粒徑作為傳質(zhì)距離，實現(xiàn)了連續(xù)液態(tài)傳質(zhì)理論和干燥收縮的耦合；根據(jù)傅里葉傳熱定律描述熱量在物料內(nèi)部傳遞、通過蒸發(fā)潛熱估算表面的蒸發(fā)吸熱，由擴散系數(shù)與溫度的關(guān)系實現(xiàn)了傳熱和傳質(zhì)耦合；由于傳質(zhì)和傳熱是同時進行，用傳質(zhì)距離代替?zhèn)鳠峋嚯x，實現(xiàn)了干燥收縮和傳熱的耦合；建立了“傳質(zhì)-傳熱-收縮”互相耦合的針對干燥易收縮物料的連續(xù)狀態(tài)方程。