Porézní médium - Porous medium - Wikipedia

Keramika s otevřenými buňkami

A porézní médium nebo a porézní materiál je materiál obsahující póry (prázdnoty).[1] Kosterní část materiálu se často nazývá „matice“ nebo „rám“. Póry jsou obvykle vyplněny a tekutina (tekutý nebo plyn ). Kosterní materiál je obvykle a pevný, ale struktury jako pěny jsou často také užitečně analyzovány pomocí konceptu porézních médií.

Porézní médium je nejčastěji charakterizováno svým pórovitost. Další vlastnosti média (např. propustnost, pevnost v tahu, elektrická vodivost, křehkost ) lze někdy odvodit z příslušných vlastností jeho složek (pevná matrice a tekutina) a pórovitosti média a struktury pórů, ale taková derivace je obvykle složitá. Dokonce i koncept poréznosti je pro poroelastické médium jen přímočarý.

Pevná matice i síť pórů (známé také jako prostor pórů) jsou často spojité, aby vytvořily dvě vzájemně se prostupující kontinua, například v mycí houba. Existuje však také koncept uzavřené pórovitosti a efektivní pórovitost, tj. prostor pórů přístupný toku.

Mnoho přírodních látek, jako je skály a půda (např. kolektory, ropné nádrže ), zeolity, biologické tkáně (např. kosti, dřevo, korek ) a člověkem vyrobené materiály, jako je cementy a keramika lze považovat za porézní média. Mnoho z jejich důležitých vlastností lze racionalizovat pouze tím, že je považujeme za porézní média.

Koncept porézních médií se používá v mnoha oblastech aplikované vědy a techniky: filtrace, mechanika (akustika, geomechanika, mechanika půdy, mechanika hornin ), inženýrství (ropné inženýrství, bioremediace, stavební inženýrství ), geovědy (hydrogeologie, ropná geologie, geofyzika ), biologie a biofyzika, věda o materiálech. Dvě důležitá aktuální pole použití pro porézní materiály jsou přeměna energie a úschovna energie, kde jsou porézní materiály nezbytné pro superpacitory, palivové články,[2] a baterie.

Průtok kapaliny porézním médiem

Hlavní článek: Průtok kapaliny porézním médiem

Tok tekutin porézním médiem je předmětem společného zájmu a vytvořil samostatný studijní obor. Studie obecnějšího chování porézních médií zahrnujících deformaci pevného rámu se nazývá poromechanika.

Teorie porézních toků má aplikace v inkoustovém tisku[3] a likvidace jaderného odpadu[4] technologie, mimo jiné.

Modely struktury pórů

Existuje mnoho idealizovaných modelů pórových struktur. Lze je obecně rozdělit do tří kategorií:

Porézní materiály mají často a fraktální -jako struktura, která má povrch pórů, který, jak se zdá, roste neurčitě při pohledu s postupně se zvyšujícím rozlišením.[5] Matematicky je to popsáno přiřazením povrchu pórů a Hausdorffova dimenze větší než 2.[6] Mezi experimentální metody zkoumání pórových struktur patří konfokální mikroskopie[7] a rentgenová tomografie.[8]

Zákony pro porézní materiály

Jedním ze zákonů pro porézní materiály je zobecněný Murrayův zákon. Zobecněný Murrayův zákon je založen na optimalizaci přenosu hmoty minimalizací transportního odporu v pórech s daným objemem a lze jej použít pro optimalizaci přenosu hmoty zahrnující variace hmoty a chemické reakce zahrnující procesy proudění, molekulární nebo iontovou difúzi.[9]

Pro připojení nadřazené trubky o poloměru r0 mnoha dětským trubkám o poloměru ri , vzorec zobecněného Murrayova zákona je: , Kde X je poměr variace hmoty během přenosu hmoty v mateřském póru, exponent α závisí na typu převodu. Pro laminární proudění α = 3; pro turbulentní proudění α = 7/3; pro molekulární nebo iontovou difúzi α = 2; atd.

Viz také

Reference

  1. ^ Hierarchicky strukturované porézní materiály: od nanovědy po katalýzu, separaci, optiku, energii a biologii - Wiley Online Library. 2011. doi:10.1002/9783527639588. ISBN  9783527639588.
  2. ^ Zhang, Tao; Asefa, Tewodros (2020). Gitis, Vitaly; Rothenberg, Gadi (eds.). Příručka porézních materiálů. Singapur: WORLD SCIENTIFIC. doi:10.1142/11909. ISBN  978-981-12-2322-8.
  3. ^ Stephen D. Hoath, „Základy inkoustového tisku - věda o inkoustových tiskárnách a kapičkách“, Wiley VCH 2016
  4. ^ Martinez M.J., McTigue D.F. (1996) Modeling in Nuclear Waste Isolation: přibližné řešení pro tok v nenasycených porézních médiích. In: Wheeler M.F. (eds) Environmentální studia. The IMA Volumes in Mathematics and its Applications, sv. 79. Springer, New York, NY
  5. ^ Dutta, Tapati (2003). "Fraktální struktura pórů sedimentárních hornin: Simulace balistickou depozicí". Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 108 (B2): 2062. Bibcode:2003JGRB..108.2062D. doi:10.1029 / 2001JB000523.
  6. ^ Crawford, J.W. (1994). "Vztah mezi strukturou a hydraulickou vodivostí půdy". European Journal of Soil Science. 45 (4): 493–502. doi:10.1111 / j.1365-2389.1994.tb00535.x.
  7. ^ Head, H. S. Wong, N. R. Buenfeld, "Characterization of 'Hadley' Grains by Confocal Microscopy", Cement & Concrete Research (2006), 36 (8) 1483-1489
  8. ^ Peng, Sheng; Hu, Qinhong; Dultz, Stefan; Zhang, Ming (2012). "Použití rentgenové počítačové tomografie v charakterizaci struktury pórů pro pískovec Berea: efekt rozlišení". Journal of Hydrology. 472-473: 254–261. Bibcode:2012JHyd..472..254P. doi:10.1016 / j.jhydrol.2012.09.034.
  9. ^ Zheng, Xianfeng; Shen, Guofang; Wang, Chao; Li, Yu; Dunphy, Darren; Hasan, Tawfique; Brinker, C. Jeffrey; Su, Bao-Lian (06.04.2017). „Bio-inspirované materiály Murray pro přenos hmoty a aktivitu“. Příroda komunikace. 8: 14921. Bibcode:2017NatCo ... 814921Z. doi:10.1038 / ncomms14921. ISSN  2041-1723. PMC  5384213. PMID  28382972.