7、多孔介质中扩散与吸附的基础原理

多孔介质中扩散与吸附的基础原理

在化学工程领域，多孔介质中的扩散和吸附现象至关重要，广泛应用于众多实际场景，如气体在吸附剂中的流动、多孔催化剂中的气体扩散以及地下水的流动等。了解这些现象的基本原理，对于设计高效的吸附系统和理解物质传输过程具有关键意义。

1. 多孔介质扩散与吸附概述

在深入探讨多孔介质中的扩散和吸附之前，我们首先需要了解一些基本概念。吸附平衡是理解吸附系统的首要信息，但要合理设计吸附器，还需要掌握吸附动力学。这是因为工业中常用的固体大多是多孔的，吸附质分子向颗粒内部扩散的能力限制了整体吸附速率。

在研究多孔介质之前，我们先考虑一个更简单的模型——直圆柱形毛细管。在毛细管中，存在四种主要的分子传输模式：
- 自由分子扩散（Knudsen扩散） ：当平均自由程大于毛细管直径时，气体分子与毛细管壁的碰撞会引发这种扩散。不同类型分子的传输相互独立，较小分子量的分子在相同浓度梯度下扩散速度更快，因此可以利用这种机制实现混合物的分离。
- 粘性流动（Poiseuille流动） ：由连续流体混合物的总压力梯度驱动，流体混合物在毛细管中整体移动，各物种以相同速度流动，不会发生分离。
- 连续扩散 ：当平均自由程远小于毛细管直径时，不同类型分子之间的碰撞导致这种扩散。不同物种相对移动，其特征参数是二元扩散系数，该系数与总压力和温度有关。
- 表面扩散 ：由于分子与毛细管壁表面的相互作用程度不同，不同分子在表面的迁移率也不同。类似于Knudsen扩散，这种流动也可用于分离二元混合物。