ИСТИНА

Процессы переноса пара и фазового перехода жидкость-пар в нанопористых средах играют важную роль в различных областях применения, например, при дистилляции воды с воздушным зазором, охлаждении мощной электроники, разделении смесей технологического и природного газов, катализе и функционировании топливных элементов. При этом, эффекты капиллярной конденсации могут играть как положительную роль – одновременное увеличение селективности и проницаемости мембраны по конденсирующемуся компоненту, так и отрицательную – конденсация воды в газодиффузионных слоях топливных элементов, приводящая к резкому падению их мощности. Изучение эффекта капиллярной конденсации было начато несколькими авторами новаторских работ – Раймом, Хвангом и Ли, использовавших уравнение Кельвина для оценки давления капиллярной конденсации и уравнение Юнга–Лапласа для расчета разности давлений в конденсированной фазе. Позже их подход к описанию течения газа в режиме капиллярной конденсации был назван «классической капиллярной теорией». Однако, увеличение интереса к изучению и применению эффектов капиллярной конденсации и испарения в каналах нанометрового размера для реализации различных задач мембранного разделения веществ требует более детального и точного описания протекающих процессов. В настоящей работе мы раскрываем реальные граничные условия, основанные на результатах прямых измерений температуры со стороны испаряющегося мениска мембраны. Таким образом, в настоящей работе мы предлагаем модель, учитывающую теплопередачу от конденсирующегося к испаряющемуся мениску, различные граничные условия для теплопередачи от окружающей среды к мембране и различную смачиваемость стенки поры конденсатом. Экспериментальное исследование проницаемости анодного оксида алюминия в режиме капиллярной конденсации проведено с использованием двух конденсирующихся газов с совершенно разными свойствами: изобутана и 1-хлор-1,1-дифторэтана (фреон 142b). Граничные условия для теплопередачи были определены на основе измерений температуры мембраны на стороне испаряющегося мениска. Определенные граничные условия позволяют обеспечить превосходную подгонку полученных экспериментальных данных. Экспериментально и теоретически исследован поток изобутана и фреона 142b (1-хлор-1,1-дифторэтана) через анодные мембраны из оксида алюминия с диаметром пор от 25 до 80 нм в режиме капиллярной конденсации. Эффект капиллярной конденсации увеличивает проницаемость мембраны для конденсируемых газов с 25 до 150 м3/(м2 бар ч) при определенных условиях. Для описания экспериментальных результатов предложена модель, учитывающая теплопередачу от конденсирующегося мениска к испаряющемуся, различные граничные условия для теплопередачи между окружающей средой и мембраной и смачиваемость стенки поры. Предложенная модель указывает на большое влияние подвода тепла из окружающей среды к мембране на проницаемость в режиме капиллярной конденсации и умеренное влияние угла контакта конденсата в диапазоне 0-60. Измерение температуры проницаемой стороны мембраны позволяет найти подходящее граничное условие для описания теплопередачи. Полученное граничное условие обеспечивает превосходное соответствие экспериментальным результатам прохождения конденсата через мембраны с различными диаметрами пор для двух используемых конденсирующихся газов. Кроме того, конфокальная рамановская спектроскопия показала долю пор, заполненных конденсатом. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ No 20-58-14003.