Распределение по размерам (пор, частиц). Распределение по размерам (пор, частиц) Методы определения пор различного размера

ОЦЕНКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ПОР

ПО РАЗМЕРАМ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Многие свойства полимерных композиционных материалов, в том числе наноразмерных, зависят не только, а в ряде случаев и не столько от химической природы, сколько от их физической структуры. К числу параметров структуры, определяющих целевые характеристики многих материалов, относится размер пустот или пор между элементами структуры твердого тел. При этом в одном и том же образце отдельные поры могут значительно различаться по размеру. Распределение пор по размерам является одним из главных показателей эксплуатационной пригодности полимерных материалов, используемых качестве сорбентов, волокон, пленок, мембран.Поэтому экспериментальные методы оценки распределения объема пор по размерам занимают центральное место при характеристике любого наноматериала как в исследовательской практике, так и в нанотехнологии.

Основным экспериментальным подходом к измерению распределения объема пор по размерам твердых дисперсных материалов является метод низкотемпературной сорбции паров азота на поверхности раздела твердое тело/газ. Его достоинствами являются: экспрессность, универсальный характер, простота подготовки образцов, точность и воспроизводимость. Теоретические представления, заложенные в основу этого метода, доказали свою высокую экспериментальную надежность. Поэтому сорбционный метод фактически стал стандартным методом характеристики любого наноматериала. Это способствовала разработка нового поколения приборов для сорбционных измерений К ним относится автоматический анализатор TriStar 3020 производства Micromeritics (США).

Настоящая лабораторная работа: «Измерение распределения объема пор по размерам наноматериалов сорбционным методом с помощью анализатора TriStar 3020» ставит своей целью обучение слушателей работе на данном современном оборудовании.

ЦЕЛЬ лабораторной работы «Измерение распределения объема пор по размерам наноразмерных материалов с помощью автоматического газо-адсорбционного анализатора поверхности и пористости TriStar 3020» - получение навыков экспериментального исследования адсорбционных процессов на современном оборудовании и получение кривой распределения объема пор по размерам для наноразмерных материалов.

.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

Адсорбция - обогащение (т. е. положительная адсорбция, или просто адсорбция) или обеднение (т. е. отрицательная адсорбция) одного или более компонентов в межфазном слое.

Сорбция - адсорбция на поверхности, абсорбция путем проникновения молекул в решетку твердого тела и капиллярная конденсация в порах.

Адсорбат (сорбат) – газообразное или жидкое вещество, которое сорбируется на границе адсорбента

Физическая адсорбция – адсорбция за счет короткодействующих неспецифических ван-дер-ваальсовых сил

Химическая адсорбция (хемосорбция) – сорбция за счет специфических химических взаимодействий с образованием устойчивых поверхностных соединений

Изотерма адсорбции (сорбции) – зависимость сорбированного количества от давления газа (пара) при постоянной температуре. Форма изотермы сорбции характеризует морфологию и физико-химические свойства поверхности сорбента и характер его взаимодействия с сорбатом

Единицы количества адсорбированного вещества – моль/г адсорбента. При сорбции газов часто количество адсорбированного вещества выражают в см3 газа при н. у. / 1 г адсорбента

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.

Существует много типов пористых систем. Как в различных образцах, так и в одном и том же образце отдельные поры могут значительно различаться как по форме, так и по размеру. Особый интерес во многих случаях может представлять поперечный размер пор, например диаметр цилиндрических пор или расстояние между стенками щелевидных пор.

Классификация пор по размерам, предложенная, официально принята Международным союзом по теоретической и прикладной химии (IUРАС) (Табл. 1). Эта классификация основана на следующем принципе: каждый интервал размеров пор соответствует характерным адсорбционным свойствам, находящим свое выражение в изотермах адсорбции.

Табл.1.. Классификация пор по размерам.

Название пор	Размеры пор, нм
Микропоры Мезопоры (переходные поры) Микропоры

В микропорах благодаря близости стенок пор потенциал взаимодействия с адсорбированными молекулами значительно больше, чем в более широких порах, и величина адсорбции при данном относительном давлении (особенно в области малых значений p / р0) соответственно также больше. В мезопорах происходит капиллярная конденсация; на изотермах наблюдается характерная петля гистерезиса. Макропоры настолько широки, что для них невозможно детально изучить изотерму адсорбции из-за ее близости к прямой p /р0 = 1 Для получения полной информации о характере пористой структуры сорбента необходимо получить дифференциальные кривые распределения объема пор по их радиусам ДКР.

Для расчета ДКР следует определить радиусы пор, находящихся в реальном сорбенте (r), и объемы, которые имеют поры данного радиуса (DV).

Для сорбентов со смешанным типом пор изотермы обычно имеют S-образный вид с сорбционным гистерезисом (Рис.1). Наличие последнего свидетельствует о протекании в порах процесса капиллярной конденсации.

Рис. 1 Изотерма сорбции на мезопористом сорбенте.

Как известно, в этом случае между адсорбционными слоями на стенках пор образуется вогнутый мениск сконденсированной жидкости (рис. 2) с радиусом кривизны rк, который может быть рассчитан по уравнению Томсона-Кельвина, модифицированному для адсорбционных данных

Рис..2. Сечение цилиндрической поры.

rк – радиус коры, rm – радиус мениска в уравнении Кельвина;

t – толщина адсорбционной пленки.

(1)

где р/р0 - относительное давление пара, находящегося в равновесии с мениском, имеющим радиус кривизны rm , s - поверхностное натяжение жидкости, Vмол – ее мольный объем, R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Необходимо иметь в виду, что при капиллярной конденсации стенки пор уже покрыты адсорбционной пленкой, толщина t которой определяется величиной относительного давления (рис.2). Таким образом, капиллярная конденсация происходит не собственно в поре, а в ее «сердцевине» - так называемой «коре». Это означает, что уравнение Кельвина позволяет определить не размер самой поры, а размер ее «коры».

Радиус пор будет равен:

где t – толщина адсорбционного слоя.

Как известно, в процессе сорбции при малых значениях p/ps происходит заполнение более тонких пор сорбента, по мере увеличения давления заполняются все более крупные поры. Наоборот, процесс десорбции начинается с более крупных пор, а с понижением давления происходит освобождение все более тонких пор. Такой поэтапный процесс заполнения или освобождения пор и может быть использован для расчета ДКР. Однако следует учитывать, что в прямом процессе – сорбции на стенках пор могут оставаться молекулы воздуха, затрудняющие смачивание стенок пор конденсированной жидкостью. Воздух постепенно вытесняется из пор сорбируемой жидкостью, и при p/ps = 1 он практически полностью вытеснен. Поэтому обратный процесс – десорбция – уже не осложнен присутствием воздуха. Это является одной из возможных причин сорбционного гистерезиса, т. е. отставания изотерм сорбции от изотерм десорбции и приводит к различному радиусу кривизны мениска сконденсированной жидкости в одних и тех же порах в процессе сорбции и десорбции. Поэтому более правильно вести расчет радиусов пор, используя изотеры десорбции.

Для расчета ДКР. изотерму десорбции в делят на ряд участков через определенные промежутки p / ps (»0.05). По ур. 1 рассчитывают нижнее r1 и верхнее r2 значения радиусов пор, освобождающихся на этом участке.

Средний радиус пор, освобожденных на каждом этапе, составляет

https://pandia.ru/text/80/219/images/image006_163.gif" width="112" height="25 src="> (4)

Такого рода расчеты производят для каждого этапа десорбции.

Для построения ДКР на каждом этапе десорбции рассчитывают также значения интервалов радиусов https://pandia.ru/text/80/219/images/image008_81.jpg" alt="IMG_2322" width="193" height="228">

Рис.3. Рис.4.

Общий вид анализатора Tristar 3020. Станция дегазации образцов

Станция позволяет подготовить одновременно до 6 образцов. Образцы могут быть выдержаны в вакууме или в инертном газе (гелии) при заданной температуре от комнатной до 4000С.

Анализатор Tristar 3020 работает под управлением специализированной компьютерной программы в среде Windows.

На основании полученных изотерм сорбции и десорбции автоматически рассчитываются заданные параметры пористой структуры образцов.

В качестве отчета по измерению ДКР прибор может выдать табличные данные по сорбции азота, графики изотермы сорбции, В качестве отчета по измерению суммарного объема пор прибор может выдать табличные данные по сорбции паров азота, графики изотермы сорбции, суммарный отчет, в котором представлены значения удельной поверхности, суммарного объема пор и средний радиус пор исследованного образца., и кривые распредления объема пор по радиусам.

ХОД РАБОТЫ .

Подготовка образца для исследования

1. В пробирке для анализа взять навеску образца наноматериала для определения удельной поверхности на аналитических весах с точностью 0,0001 г. Оптимальное количество составляет около 300 мг. Для образцов с небольшой удельной поверхностью (менее 1 м2/г) количество следует увеличить до 1 г.

2. Провести дегазацию образца с помощью станции дегазации, для чего:

взвешенную пробирку с образцом поместить в станцию дегазации и соединить с вакуумной магистралью. Задать температуру дегазации. Обратить внимание: температура дегазации должна быть ниже температуры стеклования материала не меньше, чем на 200.

Осуществить прогрев образца в течение заданного времени.

Взвесить пробирку по окончании дегазации и определить массу образца.

3. Пробирку с дегазированным образцом закрепить в одном из 3 портов анализатора вверху рабочей камеры.

Порготовка анализатора к работе .

1 .Залить жидкий азот в сосуд Дьюара, имеющийся в комплекте анализатора. Поставить заполненный сосуд Дьюара на подъемный столик прибора.

2. Закрыть пластиковые дверцы.

3. Подать газы гелий и азот в анализатор, для чего повернуть краны подсоединения газов, размещенные на манометрах газовых баллонов

4. Включить в сеть переменного тока форвакуумный насос, расположенный сзади анализатора и соединенный с ним вакуумным шлангом.

5. Включить тумблер сетевого питания, расположенный на задней панели анализатора.

Активация программы управления измерения

1. Включить компьютер, который входит в состав установки. Запустить программу TriStar. Программа проведет проверку соединения компьютера и анализатора. По окончании проверки появится рабочее окно программы

2. Создать файл информации об исследуемом образце, идя по пути:

File →Open→ Sample Information

3. Заполнить карточку образца: название образца, имя оператора, имя заказчика,

массу образца.

4. На вкладке Analysis Conditions (Условия анализа) выбрать условия анализа: ADSDES. OK.

4. На вкладке Report Options (Опции отчета) выбрать ту же программу вывода отчета: ADSDES. OK.

6. Указать, в каком порте находится пробирка с исследуемым образцом. Идем по пути Unit1 → Sample Analysis, появляется окно. В нем напротив порта, например, Port 1, нажать кнопку Browse. Из списка выбрать образец, который будет сниматься в данном порте.

7. Начать опыт – нажать Start.

Дальнейшая работа анализатора TriStar происходит автоматически

В процессе работы в рабочем окне программы находится схема установки, на которую

выводится текущее давление газа в коллекторе и пробирках, положение кранов.

В строке состояния указывается текущий процесс.

Переключившись на опцию Operation, можно увидеть текущие результаты

Рис. 6 Окно программы анализатора TRISTAR 3020 со схемой установки и указанием текущего процесса

ЗАДАНИЕ

После окончания опыта изучить и распечатать общий отчет, табличные данные, график изотермы адсорбции – десорбции, кривую распределения объема пор по радиусам.. Проанализировать полученные результаты. Сделать вывод о характере пористости изученного образца

Оригинальный документ ?

ЛЕКЦИЯ4

Распределение пор по размерам

Проницаемость пористой среды зависит преимущественно от размера каналов фильтрации. Поэтому изучению структуры порового пространства уделяется большое внимание.

Зависимость проницаемости от размера каналов фильтрации можно получить при совместном приложении законов Дарси и Пуазейля к пористой среде, представленной системой трубок, имеющих одинаковое сечение по всей длине. По закону Пуазейля расход жидкости (Q ) через такую пористую среду составит

(1)

где n - число пор, приходящихся на единицу площади фильтрации;

R - средний радиус каналов фильтрации;

F - площадь фильтрации;

D P - перепад давления;

m - динамическая вязкость жидкости;

L - длина пористой среды.

Коэффициент пористости модели пористой среды равен

(2)

Тогда, подставляя (2) в (1), получим

(3)

По закону Дарси расход жидкости через такую пористую среду составит

(4)

Здесь k - коэффициент проницаемости.

Решая (3) и (4) относительно k , получим:

Откуда

Если измерять проницаемость в mkm 2 , а радиус в mkm, тогда

(5)

Полученное выражение мало пригодно для расчета размеров каналов фильтрации в реальных пористых средах, но дает представление о параметрах этих сред, которые оказывают наиболее сильное влияние на проницаемость.

Исследования коллекторов месторождений Удмуртии и Пермской области позволили получить корреляционные зависимости между средним радиусом каналов фильтрации и фильтрационно-емкостными характеристиками пород. Для терригенных и карбонатных пород эта зависимость описывается соответственно уравнениями

Таким образом, во всем диапазоне изменения фильтрационно-емкостных характеристик пород средние размеры каналов фильтрации в карбонатах в 1,2-1,6 раза выше, чем в терригенных породах.

Распределение каналов фильтрации по размерам

Одним из основных методов изучения структуры каналов фильтрации в пористых средах является капиллярометрия - получение кривой капиллярного давления и обработка ее с целью получения интересующей информации о характере распределения каналов фильтрации по размерам, расчет среднего радиуса, характеристик неоднородности пористой среды. Кривые капиллярного давления характеризуют зависимость водонасыщенности породы от капиллярного давления. Их получают методом вдавливания ртути, полупроницаемой мембраны или центрифугирования. Первый сейчас практически не применяется из-за токсичности и невозможности повторно использовать изучавшиеся образцы в других исследованиях. Второй метод основан на оттеснении воды из образца, находящегося под давлением, через тонкопористую (полупроницаемую) мембрану, насыщенную водой. В этом случае давление в образце повышается ступенчато и после стабилизации веса образца или объема вытесненной жидкости рассчитывается водонасыщенность пористой среды при установленном давлении, которое при достигнутом равновесии считается равным капиллярному. Процесс повторяется до достижения остаточной (или неснижаемой) водонасыщенности, характерной для геологических условий изучаемого региона. Максимальное поровое давление устанавливается эмпирически для конкретного региона по результатам сопоставления прямых и косвенных определений остаточной водонасыщенности в изучаемых породах.

Третий метод основан на тех же принципах, но реализуется с помощью центрифугирования образцов, насыщенных водой, в несмачивающей жидкости, например, в керосине. Если в первых двух методах давление в образце измеряется, то при центрифугировании его приходится рассчитывать исходя из данных о скорости и радиусе вращения, длины образца и плотностей насыщающих жидкостей. Для расчета давления, создаваемого при вращении образца, используется формула, полученная при допущении, что пористая среда моделируется пучком каналов фильтрации переменного сечения.

,

где P i - среднее давление на участке канала фильтрации длиной l i , имеющего постоянное поперечное сечение.

и представляют в виде кривой распределения плотности вероятности каналов фильтрации по размерам. Средний эквивалентный радиус каналов фильтрации определяется как

R ср = S (R i ср * W i)/ S W i ,(9)

где R i ср =(R i + R i+1)/2- средний радиус в интервале изменения капиллярного давления от Р кi до Р кi+1 .

W i = (К i -K i+1)/(R i -R i+1) - плотность вероятности в этом интервале изменения радиусов.

Другая область применения кривых капиллярного давления связана с оценкой характера изменения водонасыщенности пород в переходной зоне пласта. Для этого результаты капиллярометрии представляют в виде функции Леверетта

В зависимости от водонасыщенности пористой среды в переходной зоне пласта определяются фазовые проницаемости и оцениваются гидродинамические параметры и возможность добывать нефть с тем или иным количеством попутной воды.

Смачиваемость поверхности

Поверхность пород в различной степени смачивается пластовыми жидкостями, что находит отражение в характере их фильтрации. Существует несколько методов измерения смачиваемости.

Во-первых, широко используется метод, в основе которого лежит измерение геометрических размеров капли нефти, размещенной на шлифе породы и погруженной в воду или раствор химического вещества. С помощью оптической скамьи можно измерить статические и кинетические углы смачивания. Статические углы смачивания характеризуют общие физико-химические характеристики нефтесодержащих пород и смачивающих свойств жидкостей. Кинетические углы важно знать при изучении избирательного смачивания пород в процессе вытеснения нефти водой из пористых сред и для оценки знака и величины капиллярного давления в каналах фильтрации.

где h – высота капли;

d – диаметр посадочной площадки.

Угол смачивания относится к более полярной жидкости (к воде), поэтому при вычислении угла смачивания капли нефти в воде, измеренный угол вычитается из 180 ° .

Все обычно используемые методы измерения углов натекания, оттекания на наклонных пластинках не дают возможности воспроизвести процессы, происходящие в реальных пористых средах.

Некоторое представление о смачивающих свойствах вод и природе поверхности каналов фильтрации можно получить, измеряя скорость пропитывания пористой среды жидкостью или капиллярного вытеснения этой жидкости другой.

Одним из наиболее простых и информативных сейчас является метод Амотта-Гервея оценки смачиваемости поверхности каналов фильтрации. Он основан на изучении кривых капиллярного давления, получаемых при впитывании и дренировании воды из образцов горных пород. Показатель смачивания при этом определяется как логарифм отношения площадей под кривыми капиллярного давления при дренировании и впитывании. Величина показателя смачиваемости изменяется от -1 для абсолютно гидрофобных поверхностей до +1 для абсолютно гидрофильных. Породы с показателем смачивания в пределах от -0,3 до +0,3 характеризуются как обладающие промежуточной смачиваемостью. Вероятно, что величина этого показателя смачиваемости эквивалентна Cos Q . По крайне мере она изменяется в том же диапазоне и с теми же знаками. В коллекторах месторождений Удмуртии показатели смачивания изменяются от -0,02 до +0,84. То есть, встречаются преимущественно гидрофильные породы и породы с промежуточной смачиваемостью. Причем последние преобладают.

Следует отметить, что при всем разнообразии свойств поверхности, показатели смачиваемости представляют собой некую интегральную характеристику, т.к. в реальных пористых средах всегда есть каналы, в которых никогда не было нефти и которые, поэтому, всегда оставались гидрофильными. Поэтому можно предположить, что основные крупные каналы фильтрации, в которых осуществляется перемещение углеводородов, гораздо более гидрофобны, чем мы можем это оценить с помощью интегральных характеристик.

Удельная поверхность

Удельная поверхность измеряется в м 2 /м 3 или в м 2 /г.Величина удельной поверхности зависит от минерального и гранулометрического состава, формы зерен, содержания и типа цемента.Наибольшую удельную поверхность имеют природные адсорбенты: глины, трепелы, отдельные разновидности бокситов, туфовые пеплы.

Для оценки удельной поверхности разработаны адсорбционные, фильтрационные, оптические, электронно-микроскопические, гранулометрические и другие способы лабораторных исследований.

Адсорбционные методы могут быть статическими и динамическими и основаны на: 1) адсорбции паровазота, аргона, криптона, воды, спиртов, углеводородов; 2) адсорбции веществ из растворов; 3) поверхностном обмене; 4) теплоте адсорбции паров и смачивания.

Фильтрационные способы основаны на фильтрации сжатых газов или жидкостей и разреженных газов в равновесном и неравновесном режимах.

На изучении капиллярных явлений основана ртутная порометрия и способ вытеснения смачивающей поровое пространство пород жидкости несмачивающей или наоборот.

Один из способов оценки удельной поверхности каналов фильтрации (Козени-Кармана) предполагает изучение пористости, проницаемости и электропроводности в образце породы. Тогда, зная эти параметры можно рассчитать величину удельной поверхности каналов фильтрации

здесьТ г - гидравлическая извилистость;

f - постоянная Козени;

К пр - проницаемость, м 2 ;

m п - пористость, д. ед.

Принято считать, что , где (здесь  впк и  в - удельное электрическое сопротивление водонасыщенной породы и воды). Недостатком метода является весьма условный расчет коэффициента извилистости и неизвестный коэффициент Козени.

Другой способ основан на фильтрации гелия и аргона через образец пористой среды.При этом величина удельной поверхности фильтрации рассчитывается по формуле

где S уд - удельная поверхность фильтрации, см -1 ;

P He , P Ar - давление в линии гелия и аргона, Па;

m – пористость;

D , L - диаметр и длина образца, см;

h эф - эффективная вязкость газовой смеси, Па × с;

R - газовая постоянная 8,31 × 10 7 ;

T -температура, о К;

J  , J Д - суммарный и диффузионный поток He через образец, моль × с -1 .

где W - объемная скорость газовой смеси, см 3 /с;

С - объемная концентрация He в газовой смеси,%.

Объемная концентрация He в суммарном потоке смеси газов определяется по калибровочному графику катарометра, построенному в координатах U (v )-C (%). Величина диффузионного потока He находится по зависимостиJ  = f (P He 2 -P Ar 2) как отрезок, отсекаемый на оси ординат, прямой, проходящей через ряд экспериментальных точек.

Для коллекторов месторождений Удмуртии получены зависимости удельной поверхности фильтрации от фильтрационно-емкостных характеристик пород. Для терригенных коллекторов такая зависимость описывается уравнением регрессии с коэффициентом корреляции -0,928

с коэффициентом корреляции -0,892.

Аналогичные уравнения получены для ряда конкретных объектов разработки.

Прямой зависимости проницаемости пород от их пористости не существует. Например, малопористые трещиноватые известняки имеют большую проницаемость, тогда как глины, иногда имеющие высокую пористость, практически непроницаемы для жидкостей и газов, т.к. глины содержат каналы субкапиллярного размера. В среднем же, конечно, более проницаемые породы являются более пористыми. Проницаемость пород зависит, в основном, от размеров поровых каналов. Установить вид этой зависимости можно на основании законов Дарси и Пуазейля (течение жидкостей в цилиндре).

Пористые породы представим в виде системы прямых трубок одинакового сечения длиной L (длина объема породы).

По закону Пуазейля расход жидкости Q через эту пористую среду составляет:

где n – число пор (трубок), приходящихся на единицу площади фильтрации, R – радиус поровых каналов (или средний радиус пор среды), F – площадь фильтрации, ΔР – перепад давления, μ – динамическая вязкость жидкости, L – длина пористой среды.

Так как коэффициент пористости (m) среды:

то подставляя в (1.15) вместо
значение пористостиm, получим:

(1.16)

С другой стороны, расход жидкости Q определяется законом Дарси:

(1.17)

Приравнивая правые части формул (1.16) и (1.17), найдем

(1.18)

(1.19)

(если [k]=мкм 2 , то [R]=мкм).

Величина R определяет радиус пор идеальной пористой среды с проницаемостью k и пористостью m (модели породы с прямыми трубками).

Для реальной пористой среды величина R имеет условный смысл, т.к. m учитывает слоистое строение и извилистость пор. Ф.И. Котяхов предложил формулу для определения среднего радиуса пор (R) реальных пористых сред:

(1.20)

где λ, φ – безразмерные параметры (φ – структурный коэффициент пор с пористостью m≈ 0,28÷0,39, φ≈ 1,7÷2,6), λ=
- постоянная величина.

Структурный коэффициент для зернистых пород можно приближенно определить по эмпирической формуле:

(1.21)

Распределение пор по размерам. Кривые. Капиллярное давление – насыщенность пор смачивающей фазой.

Основные методы определения содержания в пористой породе пор различного размера (радиуса R):

метод вдавливания ртути в образец;

метод полупроницаемых перегородок;

центробежный метод.

Метод вдавливания ртути .

Отмытый от нефти сухой образец породы помещают в камеру, заполненную ртутью (после вакуумирования). Ртуть вдавливается в поры образца специальным прессом при ступенчатом повышениидавления. Препятствует вдавливанию ртути ее капиллярное давление в порах, которое зависит от радиуса пор и смачивающих свойств ртути. "Радиус" пор, в которые вдавливается ртуть, определяется по формуле:

(1.22)

где Р К – капиллярное давление, δ – поверхностное натяжение (для ртути δ=430 мН/м), θ – угол смачивания (для ртути принимается θ=140 0), R – радиус пор.

При повышении давления от Р 1 до Р 2 в камере ртуть вдавливается только в те поры, в которых приложенное давление преодолело капиллярное давление менисков ртути, т.е. ртуть входит в поры, радиус которых изменяется от R 1 =
до
. Суммарный объем этих пор с радиусами (R 2 ≤R≤R 1) равен объему ртути, вдавленный в образец при повышении давления от Р 1 до Р 2 .

Давление последовательно повышают и регистрируют объем вдавливаемой при этом ртути до тех пор, пока образец не перестанет принимать ее. Таким образом определяют объем пор различного размера.

Метод полупроницаемых (малопроницаемых) перегородок .

Используют установку (рис.9):

1 – образец, насыщенный жидкостью (водой или керосином);

2– камера;

3 – полупроницаемая перегородка (мембрана);

4 – манометр;

5 – градуированная ловушка жидкости;

6 – подача газа (азота) под давлением.

Образец и мембрана насыщены жидкостью.

Поры мембраны (керамические, фарфоровые и др. плитки) должны быть значительно меньше средних пор образца.

:Жидкость из образца вытесняется азотом, давление которого создается внутри камеры 2, и измеряется манометром 4.

При повышении давления азот вначале в крупные поры образца и жидкость уходит из них через поры мембраны 3 в градуированную ловушку 5. Азот из камеры 2 через мембрану 3 может прорваться только тогда, когда давление в нем превышает капиллярное давление минисков в порах мембраны () - это давление велико из-за малых размеров пор в мембране и ограничивает верхний порог испытуемых давлений в камере.

Повышая ступенями давление в камере 2 и регистрируя соответствующие вытесненные из образца объемы жидкости по формуле (1.22) определяют объем пор в зависимости от интервалов их радиусов (размеров) (предварительно необходимо найти значения δ и θ жидкости).

Результаты анализа, как правило, изображают в виде дифференциальных кривых распределения пор по размерам (рис.10). По оси абсцисс при этом откладывают радиусы поровых каналов в микрометрах, а по оси ординат –
- относительное изменение объема пор приходящиеся на единицу изменения их радиусаR. Согласно данным экспериментальных исследований коллекторов, движение жидкости происходит по порам радиусом 5 – 30 мкм.

Центробежный метод .

Основан на вращении керна насыщенного жидкостью, в центрифуге. В результате развиваются центробежные силы, способствующие удалению жидкости из пор. При возрастании скорости вращения жидкость удаляется из пор меньшего радиуса.

В опыте регистрируется объем жидкости, вытекшей при данной скорости вращения. По скорости вращения рассчитывают центробежную силу и капиллярное давление, удерживающее жидкость в образце. По значению капиллярного давления определяют размер пор, из которых вытекла жидкость при данной скорости вращения, и строят дифференциальную кривую распределения пор по размерам.

Преимуществом центробежного метода является быстрота исследований.

По данным всех указанный методов измерений, кроме дифференциальной кривой распределения пор по размерам, можно построить другую кривую – зависимость капиллярного давления от водонасыщенности пор (рис.11).

Проницаемость пород:

K 3 >K 2 >K 1

Метод полупроницаемых перегородок позволяет получить зависимости Рк=f(S В) наиболее близкие к пластовым условиям, т.к. можно использовать воду и нефть в качестве насыщающей и вытесняющей среды.

Зависимость Рк=f(S В) широко используют при оценки остаточной водонасыщенности коллектора в переходных зонах нефть-вода, вода-газ.

Лабораторные методы определения проницаемости пород .

В связи с тем, что проницаемость горных пород зависит то многих факторов (горного давления, температуры, взаимодействие флюидов с твердой фазой и т.д.) необходимы методы экспериментального изучения этих зависимостей. Например, установлено:

проницаемость пород по газу всегда выше, чем для жидкости (из-за частичного проскальзывания газа вдоль поверхности каналов – эффект Клинкенберга и асорбции жидкости на стенках коллекторов, разбухании глин и т.д.);

при увеличении температуры и давления газопроницаемость пород уменьшается (уменьшение длины свободного пробега молекул и возрастания сил трения): при давлении 10 МПа у некоторых пород газопроницаемость уменьшается в 2 раза, по сравнению с таковой при атмосферном давлении (0.1 МПа); при увеличении температуры с 20 0 С до 90 0 С проницаемость пород может уменьшиться на 20 – 30%.

, микропоры , монодисперсный , морфология наноструктур , нанопорошок , нанопоры , наноструктура , наночастица Определение зависимость количества (объема, массы) частиц или пор от их размеров в исследуемом материале и кривая (гистограмма), описывающая эту зависимость. Описание

Кривая распределения по размерам отражает дисперсность системы. В случае, когда кривая имеет вид острого пика с узким основанием, т.е. частицы или поры имеют почти одинаковый размер, говорят о монодисперсной системе. Полидисперсные системы характеризуются кривыми распределения, имеющими широкие пики с отсутствием четко выраженных максимумов. При наличии двух и более отчетливо выраженных пиков распределение считается бимодальным и полимодальным, соответственно

.

Следует отметить , что рассчитанное распределение частиц (пор) по размерам зависит от модели, принятой для интерпретации результатов, и метода определения размера частиц (пор), поэтому кривые распределения, построенные по данным различных методов определения размера частиц (пор), их объема, удельной поверхности и т.п., могут различаться

.

Основными методами исследования распределения частиц по размерам являются статистическая обработка данных оптической, электронной и атомно-силовой микроскопии , седиментации . Исследование распределения пор по размерам проводится, как правило, при помощи анализа изотерм адсорбции с использованием модели BJH . Авторы

Ссылки

1. Manual of Symbols and Terminology// Pure Appl. Chem. - v.46, 1976 - p. 71
2. Сеттерфилд Ч. Практический курс гетерогенного катализа - М.: Мир, 1984 - 520 с.
3. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов - Новосибирск: Наука, 1999. - 470 с.

Иллюстрации Теги Разделы
Методы сертификации и контроля наноматериалов и диагностики их функциональных свойств
Пористые материалы, в том числе фильтры

См. также в других словарях:

мембрана, трековая - Термин мембрана, трековая Термин на английском track etched membrane Синонимы Аббревиатуры Связанные термины диализ, мембрана Определение Тонкие кристаллические слои, металлические фольги или пленки (обычно полимерные, толщиной 5?25 мкм), система …

нанопорошок - Термин нанопорошок Термин на английском nanopowder Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гидротермальный синтез, дисперсность, золь гель переход, золь гель процесс, компактирование нанопорошков, криопомол, кристаллит, БЭТ, метод, метод BJH,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

изотерма адсорбции - Термин изотерма адсорбции Термин на английском adsorption isotherm Синонимы Аббревиатуры Связанные термины адсорбция, БЭТ, метод, метод BJH, распределение по размерам (пор, частиц) Определение Зависимость количества адсорбированного вещества… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

монодисперсный - Термин монодисперсный Термин на английском monodisperse Синонимы Аббревиатуры Связанные термины нанопорошок, распределение по размерам (пор, частиц) Определение Система называется монодисперсной, если входящие в ее состав частицы (поры) имеют… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

микропоры - Термин микропоры Термин на английском micropores Синонимы Аббревиатуры Связанные термины макропоры, нанопоры, пористый материал, порометрия, сорбент, молекулярные сита, микроморфология, распределение по размерам (пор, частиц), пористость, поры… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

макропоры - Термин макропоры Термин на английском macropores Синонимы Аббревиатуры Связанные термины мезопоры, микропоры, нанопоры, пористый материал, порометрия, микроморфология, распределение по размерам (пор, частиц), пористость, поры Определение Поры… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

мезопоры - Термин мезопоры Термин на английском Синонимы Аббревиатуры Связанные термины макропоры, мезопористый материал, морфология наноструктур, нанопоры, пористый материал, порометрия, сорбент, микроморфология, распределение по размерам (пор, частиц),… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

нанопоры - Термин нанопоры Термин на английском nanopores Синонимы Аббревиатуры Связанные термины макропоры, мезопоры, микропоры, морфология наноструктур, нанообъект, нанопористый материал, пористый материал, порометрия, распределение по размерам (пор,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

критическая температура мицеллообразования - Термин критическая температура мицеллообразования Термин на английском Krafft temperature Синонимы Температура Крафта Аббревиатуры Связанные термины амфифильный, амфотерный сурфактант, гидрофобное взаимодействие, коллоидная химия, коллоидный… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

малоугловое нейтронное рассеяние - Термин малоугловое нейтронное рассеяние Термин на английском small angle neutron scattering Синонимы Аббревиатуры МНР, SANS Связанные термины распределение по размерам (пор, частиц) Определение упругое рассеяние пучка нейтронов на неоднородностях … Энциклопедический словарь нанотехнологий

морфология наноструктур - Термин морфология наноструктур Термин на английском morphology of nanostructures Синонимы Аббревиатуры Связанные термины агрегат, гидротермальный синтез, мезопоры, морфология, нановискер, нановолокно, нанокапсула, нанокапсулирование, луковичная… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

наноструктура - Термин наноструктура Термин на английском nanostructure Синонимы Аббревиатуры Связанные термины биомиметические наноматериалы, капсид, микрофазное разделение, многофункциональные наночастицы в медицине, наноионика, эксфолиация, распределение по… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

наночастица - Термин наночастица Термин на английском nanoparticle Синонимы Аббревиатуры Связанные термины "умные" материалы, биосовместимые покрытия, гидротермальный синтез, двойной электрический слой, дисперсионно твердеющие сплавы, капсид, кластер … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Высокодисперсные, высокопористые и другие традиционные материалы, включающие субмикронные фрагменты - ПодразделыСорбенты на основе коллоидных системУглеродные материалыНаноструктурированные полимеры, волокна и композиты на их основеПористые материалы, в том числе фильтрыСтатьи"умные" композитыволокна, углеродныедесорбциядиализколлоидная … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Методы диагностики и исследования наноструктур и наноматериалов - ПодразделыЗондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно силовая, сканирующая туннельная, магнитно силовая и др.Сканирующая электронная микроскопияПросвечивающая электронная микроскопия, в том числе высокого разрешенияЛюминесцентная… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Используемые адсорбтивы:

1) Азот (99,9999%) при температуре жидкого азота (77,4 К)

2) В случае предоставления заказчиком реактивов возможно проведение измерений с использованием различных в т.ч. жидких адсорбтивов: вода, бензол, гексан, SF 6 , метан, этан, этилен, пропан, пропилен, н-бутан, пентан, NH 3 , N 2 O, He, Ne, Ar, Xe, Kr, CO, CO 2 (после согласования со специалистами РЦ).

Рабочий диапазон абсолютных давлений - 3,8 10 -9 - 950 мм рт. ст.

Инструментальная погрешность измерений - 0,12-0,15%

Возможно измерение скорости адсорбции при заданных значениях относительного давления. Также возможно измерение изостерической теплоты адсорбции (в случае предоставления пользователем сжиженных газов отличных по температуре от жидкого азота для низкотемпературной бани).

Необходимые характеристики:

1) желательно иметь информацию об отсутствии/наличии в образце пористости, в случае наличия – характер пористости (микро- и мезо-), порядок величины удельной поверхности

2) цель исследования: поверхность по БЭТ, распределение пор по размерам и объём пор (петля гистерезиса изотермы и/или область низких давлений) или полная изотерма адсорбции

3) максимально допустимая температура дегазации образца в вакууме (50-450°С с дискретностью 1°С, рекомендуемая для оксидных материалов 150°С, для микропористых материалов и цеолитов 300°С).

Требования к образцу и замечания:

1) Измерения изотерм адсорбции проводятся только для дисперсных (порошкообразных) образцов.

2) Минимальное необходимое количество неизвестного образца 1 г (в случае если удельная поверхность образца более 150 м 2 /г, то минимальное количество 0,5 г, если удельная поверхность превышает 300 м 2 /г, то минимальное количество 0,1 г). Максимальное количество образца – 3-7 г (в зависимости от насыпной плотности материала).

3) Образцы перед измерением в обязательном порядке подвергаются дегазации в вакууме при нагреве. Предварительно образец должен быть высушен в сушильном шкафу, при дегазации не должно выделяться токсичных веществ, образец не должен реагировать со стеклянной измерительной пробиркой.

4) Минимальная удельная поверхность используемого для измерения материала - 15 м 2 /г (может варьироваться в зависимости от природы поверхности и состава образца).

5) Определение удельной поверхности по методу БЭТ в следствии теоретических ограничений невозможно для материалов обладающих микропористостью.

6) При измерении адсорбции азота из газовой фазы определение распределения пор по размерам возможно для пор шириной/диаметром 0,39 – 50 нм (при использовании метода БДХ до 300 нм, в зависимости от образца). Построение кривой распределения пор по размерам производится на основании различных моделей строения: щелевидных, цилиндрических или сферических пор; из изотермы адсорбции невозможно определить форму пор, данная информация предоставляется пользователем.

" onclick="window.open(this.href," win2 return false > Печать