А. В. КРЮКОВ1,2, И. М. КУРЧАТОВ1,2,
Н. И. ЛАГУНЦОВ1, В. И. УВАРОВ2,3
1Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
2ОАО “Аквасервис”, Москва
3Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН,
Черноголовка, Московская область
К Вопросу определения параметров
пористой структуры мембран
методом распознАвания образов
Разработана методика определения характеристик пористых мембран по компьютерным изображениям срезов мембран. Определены пористость и распределение пор по размерам для ассиметрических керамических и полимерных мембран.
При изучении характеристик пористых мембран возникает проблема изучения пористой структуры. В настоящее время существует несколько классов методов определения параметров пористых тел (пористости, радиусов пор и др.) Обычно, различные методы дают схожие результаты, и радиусы пор определенные с их помощью, например, методом ртутной порометрии, совпадают с реальным геометрическим размером пор. Однако в некоторых случаях результаты исследования различными методами сильно различаются между собой и отличны от результатов полученных прямым методом. Такие условия могут возникать при стохастическом движении молекул газа в пористой среде, когда распределение молекул по направлениям движения неизотропно [1]. В этих условиях некоторые методы косвенного определения параметров пористой среды дают систематические ошибки. Например, адсорбционно-структурные и потоковые методы определения параметров невозможно применить из-за отсутствия устоявшихся моделей сорбции и проницаемости в слоях мембраны со стохастическим движением газа.
Для многослойных мембран, определение параметров каждого слоя косвенными методами является весьма сложной задачей. Например, для изотропной мембраны можно определить средний радиус пор, измерив зависимость проницаемости мембраны от давления. При этом для определения необходимо рассматривать пористую среду как набор капилляров одинакового радиуса. Для многослойной мембраны определение параметров мембраны по измерениям проницаемости (потоковый метод) затруднено, т. к. экспериментально можно измерить только проницаемость всех слоев мембраны в целом. В случае, когда реализуется эффект анизотропии проницаемости, определение размера пор в различных слоях многослойной мембраны косвенными методами еще более усложняется. Поэтому адекватные результаты можно получить прямым методом, например с помощью электронной микроскопии.
В данной работе была рассмотрены возможности определения параметров пористой среды по компьютерным изображениям срезов мембран, полученных на электронном микроскопе.
В качестве объектов исследования были выбраны асимметричная полимерная газоразделительная мембрана ПВТМС и пористая двухслойная керамическая мембрана, полученная методом СВС технологии.
Проводили фотографирование участков среза (скола) мембраны на электронном микроскопе. Затем изображения обрабатывались с помощью программы TopoMetrix SPMLab ver. 5.0. Эта программа позволяет определять площади пор и их периметр, что позволило определять гидравлический радиус как отношение удвоенной площади к периметру. Пористость предполагалась равной поверхностной, т. е. считалась однородной и была определена как отношение площади всех пор (поры предполагались открытыми) на выбранном участке изображения к площади этого участка. Изображения содержали большое количество артефактов, поэтому приходилось выбирать несколько участков одного изображения и обрабатывать их отдельно. Таким образом, для одного изображения получалось несколько распределений, которые впоследствии «сшивались» в одно распределение.
Полученное для ПВТМС мембраны распределение по размерам пор пористой подложки в области близкой к селективному слою имеет вид характерный для пористых мембран, причем вычисленное из него значение среднего радиуса близко со значением свойственным ассиметричной ПВТМС мембране. Для мембраны марки БУМ также определено распределение пор по размерам и пористость.
Авторы благодарят за помощь в освоении компьютерной программы и за предоставление снимков срезов мембран.
Список литературы
1. Kurchatov I.M., Laguntsov N.I. et al. Proceedings of the XXI International Symposium on Physico-Chemical Methods of Separation “Ars Separatoria 2006”. July 2Torun. Poland. Р.55-56.
