微孔过滤介质孔径及孔径分布测定方法的评定与讨论.doc

微孔过滤介质孔径及孔径分布测定方法的评定与讨论 鲁淑群许莉谭蔚朱企新 (天津大学化工学院天津300072)摘要： 本文对微孔陶瓷膜、金属纤维烧结毡等徽孔过滤介质孔径及孔径分布测定中的一些问题加以研究讨论 关键词：陶瓷膜、金属纤维烧结毡、孔径分布中田分类号：TQ028 5 文献标识码：AAssessmentsand Discussions on Methods for Measuring theDiameters and Its Distribution of the Fine Hole Filter MediasLU Shu-quaXU LiTAN We|ZHU Qlxin(School ofChemical Engineering and Technology Tianjin University,Tianjin 300072)Abstract：Problems in measuring diameter and its distribution in the fine hole filter mediassuchfine hole ceramic。metalfiber Sinteredare discussed in this paperKeywords：Ceramic membranesMetal fiber siatered Diameter distribution近年来，用于对细小颗粒进行精密过滤的微孔过滤介质有了突破性进展，相继出现了亲水性微孔 陶瓷膜、金属纤维烧结毡等多孔过滤介质这一类过滤介质孔道结构复杂、截留糟度高，属于深层过 滤，因此对其孔径的测定不宣只用最大孔径、沸腾孔径来评判，而是应该用平均孔径(dso)和不同孔 径的分布来评价和选用对于徽孔过滤介质测定孔径分布最为重要，它反映了开孔大小的均匀程度。1微孔过滤介质平均孔径、孔径分布的测试原理 当前国内外测试微孔过滤介质孔径及孔径分布的测试依据与方法主要有：11国家标准GBl967-80多孔陶瓷孔道直径测试方法) 该标准可用于测定多孔陶瓷毛细孔道当量直径的最大值和平均值测试方法为气泡法测试用样品夹具(见图1)测试时，将样品放入样品室，在试样面上加入5 mm左右 高的水由下面进行送气，升压速度为5mmHg柱nfin或60mmHg 柱min左右，直到试样面上出现第个(或同时出现几个)成串 气泡时为止，所对应的压力Po即可计算最大孔道直径。dd一。而埘：堡104 (1)式中d试样最大孔道直径(u m)：P。气泡出现时压力(mml-hO)：h试样上水面的高度(m) 一四孔压紧璜盖：2、5、6腔圈将试验所测得的气泡流量Q和气体压力P关系曲线的直线部分 2一多孔陶瓷试样；4一样品室：与其横轴相交，求得交点的压力值Pa(见图2)， 7一进气嚏：8一夹具外壳图1样品夹兵示童围用Pa代入下式即可计算试样平均孔径150 2002 第胆届中日合作过滤与分离国际学术讨论会中国杭卅j：三堕。10一(2) 尸口一=式中：孑试样的平均孔径(“m)：器 Pa求得的压力值(mmH：O)： h试样表面水高度(mm)。12国家标准GB5249-85可渗透性烧结金属材料气泡试验L径的测定 图2气体流量O与气体压力P的关系曲线图该标准适用于以“气泡试验”方法测定可渗透烧结金属材料的孔径。该标准等效采用于IS04003-1977用气泡法测定烧结金属孔径(本文不作详细介绍)。13美国材料协会ASTM F31 6-86该标准用于测定膜器的孔径，膜孔径的测定方法为气泡法和平均流量法该标准规定以第1个气 泡出现的压力值代入公式计算最大孔径关于平均孔径的计算，首先做出未被浸泡的干的过滤介质的 “干式曲线”，再做出经液体浸润过的过滤介质的“湿式曲线”。标准中规定在放置膜的上面有一定高 度的测试液体，标准对所采用的液体也作了相应的规定测试原理为：将过滤介质浸入可使其浸润的液体中，当毛细 孔漫在某种液体中时，在表面张力的作用下，毛细孔中液体将会 上升到一定高度，直到毛细孔中的表面张力与液柱的重力达到平 衡，记录从过滤介质的毛细孔中排出浸润液所需要的气体压力即 鼓泡压力(迫使气体通过过滤介质产生连续、稳定气泡时的压力) 由鼓泡压力与液体表面张力可按下式计算出膜孔的半径：D2，CosO(3)P劬(P)式中：y浸润液的表面张力(Nm) 圉3过滤介质“干式曲线 湿式曲线”的测定P鼓泡压力(Pa)；、jQ浸润液与孔壁的接触角(tad)或()。、 。“131“千式曲线。“湿式越线”的测定曩 如果经液体漫润的过滤介质受到持续增大的压力的作用，记录并换算出试样两侧的压羞值。由记录的压差和气体流量得到 的关系曲线2，即为“湿式曲线”(见图3)；未经液体浸润 的过滤介质可由最大压力逐渐减小，测得不同压力差下气体流 量和压力差的关系曲线1，即为“千式曲线”132平均孔径d*的计算 在绘制好“湿式曲线”2和“干式曲线”l后，根据ASTM图4平均孔径测定图 lF31686标准规定，过滤介质表面出现第一个气泡上(“湿式曲线”2)对应的压差为最大鼓泡压差，有1THCMESSCEJ2002 THE 4 CHINAJAPAN INTERNATIONAL CONFERENCE ON FS1 512的孔打开时对应的压差为平均孔径对应的鼓泡压差(见图4)。 图4中直线3、直线l与水平轴夹角的角平分线，此线与曲线2的相交点可由公式(3)计算出平均孔径d50。2 fL径分布计算方法的讨论2 1将“湿式曲线”b和“千式曲线”a在测试压差范围内，划分若干等份，可以求得在定压差下曲线1与曲线2上对应的流量比值，它表 示大于用此压差计算的孔径所占的百分数。若将划分两个相邻压差下求得的比值相减，即可求得这两个相邻压差下所求得的孔径之间的孔所 占的百分数。若划分的等份无限多，所求得的两个孔径值非常接近，则可近似看作两个孔径的平均孔径所占的酉分数。例如可由公式(3)计算出图5中的压差点“3”、“6”所对应的孔径ddt，那么线段2 3l 3表示点“3”所代表的压差下孔径d的孔已被打开，它占整个孔面积的百分数为al，线段5 6，4 6表示点 6 所代表的压差下孔径d：的孔 制艚已被打开，它占整个孔面积的百分数为a2a2一a，则表示在孔径 蛙旷drdz之间的孔所占的百分数，如果d，、d z之间范围很小，则可近似认为其平均孔径(dl+d2)2占整个孔面积的百分数为a2一al，以此可求出连续一系列孔径分布情况。 气体压差(Pl2 2测试结果分析 凰s过滤介质鼓泡直径示意图对陶瓷膜，金属纤维烧结毡这一类过滤介质来讲，开孔率大，孔径分布较均匀，可用正态分布曲线来表征有效的孔径分布。孔径分布越均匀正态分布图越好，其 分布范围越窄，孔径分布一般是单峰分布，当然也可以直接用最大孔径与平均孔径的比值来判断孔径 分布的优劣，即最大孔径平均孔径之值可以反映出孔径分布的均匀程度，其值越接近1，孔径分布 越均匀(见表1)。表1是作者对陶瓷膜与金属纤维烧结毡孔径分布测定的结果图6、7是2 m陶 瓷膜的PQ曲线图及孔径分布图；图8、9是金属纤维烧结毡的PQ曲线圈及孔径分布图。表1孔径分布测定结果试样名称 平均孔径 最大孔径 最小孔径 最大孔径最小孔径 孔径分布m U m U m Y 曲线形态陶瓷膜4113238283差金属纤维烧结毡31 42456l26145好从表1中可看出金属纤维烧结毡孔径分布范围较窄，孔径主要集中分布在3 o m3 3 m之间，说 明该介质的制造质量较高。陶瓷膜孔径分布范围比金属纤维烧结毡要宽一些，从孔径的比值上看几乎接近 i倍，也说明了该膜的制造质量不高。3过滤介质fL径分布测定中的几个问题3 l孔径分布测定方法只能测定不同孔径范围所占的百分比。如果孔径范围划分的越细，不同孔径开 孔所占的百分数精度越高，但这个方法本身并不能测出整个过滤介质的开孔率。152 2002 第四届中日合作过滤与分离国际学术讨论会中国。杭州匕Ll枷t封“；15。pO建三一10050孔径p,mPIU图62 u m陶瓷膜卜D曲线图图72 u m陶瓷膜子L径分布术3450i2l 垂萋jS睾u3JiJPFa 孔径M1图8金属纤维烧结毡的p-Q曲线 图9金属纤维烧结毡孔径分布3，2现有的测试方法由测定的压力差计算出的是当量孔径如果都是同样大小的孔径，一个是直通孔， 另一个是孔道结构曲折的孔，气体通过时的流体阻力肯定不可能一样大。阻力大算出的当量孔径小，这样 算出的当量孔径其“当量”的概念不仅包括转换成“当量”圆孔的概念，同时也包括了流体孔道(特别是 毛细管)阻力大小，而导致压差P的上升，因此简单的用“当量”或“等效”直径表示，难以按此“当 量直径”来判断不能截留粒径的大小，恐怕是不一定合适的133由于气泡法测定过滤介质原理简单，但除了装置测试的系统误差外，还不可避免地存在人为误差。 对于开孔率很大的过滤介质(如金属纤维烧结毡)，收集的气体量由小到大变化范围极大，因此流量显示 的误差及操作误差相对的也就大。参考文献1郭仁慧张建设主编滤布性能测定及选用M北京机械工业出版杜1997 32BS332186S】British StandardMethodsforMcasurement ofthe EquivalmtPore SizeofFibtics CoubblepTessuretest)【3ASTMF316-86fS】S SmndaMTestMethods妇poreSizeOatuae撇sofMembraneFiltersbyBubblePoint andMeanPoreTest41SO 4003-77【S】Permeable Stintarcd Metal Matcaial-Determanation ofbubble test pore sIzc5李文革朱企新许莉国内外过滤介质性能测定方法比较 第五届全国非均相会议论文集c上海 1999 9。6中华人民共和田国家标准GBl967-80多孔陶瓷孔道直径测试方法)国塞建材部1980年发布 71郑翠萍 肖四漓用库尔特仪测试徽孔膜的性能lJ 3膜科学与技术1999 2 V0119，No1【8A RushtonAS Ward，R GHoldich：“Sol