對(duì)多孔介質(zhì)中流體的研究.pdf

1、多孔介質(zhì)擁有巨大的比表面積和微細(xì)的孔徑，這種性質(zhì)使得多孔介質(zhì)在涉及氣體儲(chǔ)存，分離，化學(xué)傳感器，分子篩，催化劑，凈化以及電容等科技領(lǐng)域都扮演著重要的角色。不同結(jié)構(gòu)性質(zhì)(指孔隙率和孔徑)的多孔介質(zhì)有著不同的應(yīng)用前景，因此，要制備具有各種性質(zhì)的多孔材料來(lái)滿足不同的應(yīng)用需求，就有必要對(duì)多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和吸附在里面的物質(zhì)的行為先進(jìn)行仔細(xì)的理論研究。 到目前為止，只有兩個(gè)基本的理論模型對(duì)多孔介質(zhì)中的流體進(jìn)行理論研究，一個(gè)是Madden-G

2、landt模型，另外一個(gè)是Van Tassel的模板劑模型。盡管Madden和Glandt提出的開(kāi)拓性的模型[W.G. Madden and E.D.Glandt，J.Stat. Phys.,51，537(1988)]成功的描述了多孔介質(zhì)的基本特征，即孔的連通性、孔徑大范圍分布和結(jié)構(gòu)無(wú)序。但是它所研究的多孔材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)并不適用于所有的多孔介質(zhì)。比如，大量的基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重構(gòu)圖像表明，許多多孔介質(zhì)是海綿狀的。雖然實(shí)驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用上有這樣一

3、大類海綿狀的多孔介質(zhì)存在，但是在理論上，能夠描述這類多種介質(zhì)的物理模型依然欠缺。文中，我們第一次提出了硬海綿模型。在該理論模型中，多孔介質(zhì)通過(guò)在連續(xù)固體介質(zhì)中挖取大量的球形空穴而獲得。我們用積分方程的方法研究了流體局限在硬海綿模型中的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。 借助于不同的模板劑，實(shí)驗(yàn)上能夠合成具有多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，即具有多級(jí)孔徑大小的多孔介質(zhì)。盡管具有這種結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)非常重要，實(shí)驗(yàn)上對(duì)此也有大量的研究，但是在理論上，目前還只有Van

4、Tassel的模板劑模型[P R.van Tassel，Phys. Rev.E，60，R25(1999)]研究這類多孔材料。因此，我們提出了一個(gè)新的模板劑模型。在這個(gè)模型中，多孔介質(zhì)分兩步制備。初始多孔介質(zhì)跟Madden-Glandt模型一樣是通過(guò)凍結(jié)一元流體系統(tǒng)而獲得，然后再在初始多孔介質(zhì)中隨機(jī)挖取大量球形空穴，這樣我們就得了具有多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)。我們給出了各種分布函數(shù)和自由能的集團(tuán)展開(kāi)，并建立了Ornstein-Zemike積

5、分方程。在我們的新模板劑模型中，多孔介質(zhì)最后的構(gòu)形與Van Tassel的模板劑模型非常類似，但是我們的新模板劑構(gòu)形有幾個(gè)更好的特點(diǎn)。首先，在一些特定的情況下，我們的多孔介質(zhì)模型能夠大量簡(jiǎn)化，所有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)都有準(zhǔn)確的解析解；其次，我們的模型在稍作簡(jiǎn)化的情況下，研究吸附在里面的理想氣體，很多解析結(jié)果能夠得到。但是在同樣的條件下，Van Tassel的模板劑模型無(wú)法給出任何解析結(jié)果。為了進(jìn)一步研究海綿狀多孔介質(zhì)，我們提出了一個(gè)更普遍的模型，

6、即軟海綿模型。在硬海綿模型中，多孔介質(zhì)是通過(guò)在連續(xù)剛性介質(zhì)中挖球形空穴得到，流體只能局域在空穴中。與此不同的是，在軟海綿模型中，流體還可以滲透到連續(xù)介質(zhì)中去。我們證明，硬海綿模型是軟海綿模型滲透率為0時(shí)的極限情況。同時(shí)我們指出，軟海綿模型也是新模板劑模型的一種簡(jiǎn)化形式。即在新模板劑模型中，當(dāng)介質(zhì)粒子尺寸趨向無(wú)窮小，同時(shí)密度趨向無(wú)限大，這樣離散的介質(zhì)粒子就變成了連續(xù)介質(zhì)。 我們研究了理想氣體吸附在這三種不同的多孔介質(zhì)模型中，并給出