Анодный оксид алюминия (АОА) синтезируют методом электрохимического окисления металла в кислой среде при pH < 5 (растворы H2SO4, H3PO4, H2C2O4) и напряжении от 5 до 250 В. В результате образуются пленки различной толщины и диаметром пор от 2 до 200 нм, обладающие упорядоченной пористой структурой. Благодаря своим уникальным свойствам, таким как узкое распределение пор по размерам, малой извилистости пор и возможности варьирования параметров пористой структуры в зависимости от условий анодирования, АОА применяется в качестве темплата для синтеза наноструктур с контролируемым размером и высокой степенью геометрической анизотропии.
Новым и весьма перспективным направлением исследований является применение анодного оксида алюминия в мембранной технологии. В таблице приведены экспериментальные значения проницаемости различных газов при температуре 25 °C (Табл. 1), и зависимости проницаемости для 4 газов: гелий, азот, аргон и углекислый газ от температуры (Табл. 2). Исходя из этих данных, укажите, какой механизм диффузии газа реализуется при проникновении газов через мембрану анодного оксида алюминия (3 балла) и объясните размерность величины проницаемости мембраны (1 балл).
Таблица 1. Проницаемость мембраны по различным газам
|
Газ |
Проницаемость мембраны, н.м3/(м2∙бар∙час) |
|
Водород |
138,1 |
|
Гелий |
99,1 |
|
Метан |
53,5 |
|
Азот |
36,8 |
|
Кислород |
33,2 |
|
Аргон |
31 |
|
Углекислый газ |
28,9 |
Таблица 2. Зависимость проницаемости мембраны по различным газам
|
Температура, К |
Проницаемость мембраны, н.м3/(м2∙бар∙час) |
|||
|
He |
N2 |
Ar |
CO2 |
|
|
298 |
99,1 |
36,8 |
31,0 |
28,9 |
|
353 |
84,6 |
32,7 |
27,9 |
24,9 |
|
393 |
79,9 |
30,7 |
25,7 |
23,4 |
|
436 |
72,4 |
28,1 |
23,2 |
21,4 |
|
464 |
68,7 |
27,2 |
23,1 |
20,3 |
|
516 |
64,8 |
25,3 |
21,2 |
19,6 |
С использованием закона диффузии Фика выведите соотношение, связывающее проницаемость мембраны с диаметром пор, толщиной, температурой и молекулярной массой газа (3 балла).
Предложите схему экспериментальной установки и способ измерения проницаемости мембраны (2 балла).
Укажите мембранные технологии, в которых могут применяться мембраны анодного оксида алюминия, приведите примеры (2 балла).
Условия задачи можно скачать в виде файла.
