ساختار منافذ

افزودن پیوند
از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

ساختار منافذ اصطلاح رایجی است که برای توصیف تخلخل ، اندازه منافذ، توزیع اندازه منافذ و مورفولوژی منافذ

میکرو سی تی محیط متخلخل: منافذ محیط متخلخل به رنگ بنفش و ماتریکس متخلخل نفوذناپذیر به رنگ سبز-زرد نشان داده شده است.

(مانند شکل منافذ، زبری سطح و پیچ خوردگی کانال‌های منفذی) یک محیط متخلخل به کار می‌رود. [۱] [۲] اینها ، منافذی هستند که در ماتریس متخلخل غیرقابل نفوذ سطوح قرار دارند که گازها، مایعات یا حتی ذرات میکروسکوپی خارجی می توانند در آنها ساکن شوند. [۳] ساختار منافذ و جریان سیال در محیط متخلخل ارتباط نزدیکی با هم دارند.

شعاع منافذ در مقیاس میکرونانو،بر اتصال پیچیده و ناهمگنی قابل توجه، [۴] پیچیدگی ساختار منافذ بر هدایت هیدرولیکی و ظرفیت نگهداری این سیالات تأثیر می گذارد. [۵] نفوذپذیری ذاتی مشخصه ای است که عمدتاً تحت تأثیر ساختار منافذ است و عوامل فیزیکی اساسی حاکم بر جریان و توزیع سیال عبارتند از نسبت سطح دانه به حجم و شکل دانه. [۶]

این ایده که فضای منافذ از شبکه‌ای از کانال‌ها تشکیل شده است که سیال می‌تواند از طریق آن جریان یابد، بسیار مفید است. منافذ بخش‌های نسبتاً نازکی هستند که بخش‌های نسبتاً بزرگی را که به عنوان بدنه‌های منفذی شناخته می‌شوند، تقسیم می‌کنند. سایر تشابهات تشریحی عبارتند از "شکم" یا "کمر" برای ناحیه وسیع منافذ و "گردن" یا "گلو" برای قسمت منقبض. بدنه های منفذی، شکاف های بین دانه ای با ابعادی هستند که عموماً به طور قابل توجهی کوچکتر از ذرات اطراف در محیطی هستند که فضای منافذ بافتی غالب است، مانند ماسه. از طرف دیگر، کرمچاله [۷] را می توان به عنوان یک منفذ منفرد در نظر گرفت اگر قطر آن عملاً در طول آن ثابت باشد.

چنین منافذی می توانند یکی از سه نوع مرز را داشته باشند: (1) انقباض، که صفحه ای در سراسر باریک ترین قسمت محلی از فضای منافذ است. (2) رابط با منافذ دیگر (مانند کرمچاله یا ترک). یا (3) رابط با جامد. [۸]

تخلخل[ویرایش]

تخلخل به صورت رنگ بنفش نشان داده شده است (بخش نازک زیر صفحه گچی از دانه های کربنات میکروسکوپی). میله ترازو 500 میکرومتر.

نسبت فضای خالی در یک محیط متخلخل را تخلخل می گویند. [۹] با تقسیم حجم منافذ یا فضای خالی بر حجم کلی تعیین می شود. به صورت درصد یا کسری اعشاری بین 0 و 1 بیان می شود. تخلخل برای اکثر سنگ ها از کمتر از 1٪ تا 40٪ متغیر است.

تخلخل بر ذخیره سیال در سیستم‌های زمین گرمایی، میادین نفت و گاز و سفره‌های زیرزمینی تأثیر می‌گذارد و این امر نشان می‌دهد که نقش مهمی در زمین‌شناسی دارد. حرکت و انتقال سیال در میان سازنده های زمین شناسی، و همچنین ارتباط بین خواص توده ای سنگ و ویژگی های کانی های خاص، توسط اندازه و اتصال ساختار متخلخل کنترل می شود. [۱۰]


اندازه گیری تخلخل[ویرایش]

حجم کل نمونه ها و حجم فضای منافذ به منظور محاسبه تخلخل اندازه گیری شد.

اندازه گیری حجم فضای منافذ

برای محاسبه حجم منافذ از یک پیرومتر هلیوم استفاده شد و بر قانون بویل تکیه کرد. (P 1 V 1 = P 2 V 2 ) و گاز هلیوم که به راحتی از سوراخ های ریز عبور می کند و بی اثر است تا کسر جامد نمونه را شناسایی کند. یک محفظه نمونه با حجم مشخص جایی است که هسته در آن قرار می گیرد. فشار به یک محفظه مرجع با حجم مشخص اعمال می شود. گاز هلیوم اکنون ممکن است به لطف اتصال بین دو اتاق از محفظه مرجع به محفظه نمونه برود. حجم نمونه جامد با استفاده از نسبت بین فشار شروع و فشار نهایی محاسبه می شود. حجم منافذ، همانطور که توسط پیکنومتر هلیوم محاسبه می شود، تفاوت بین حجم کل و حجم جامد است. [۱۱]

اندازه منافذ و توزیع اندازه منافذ[ویرایش]

اندازه منفذ[ویرایش]

به طور معمول، شعاع موثر بدنه منافذ یا گردن برای تعیین اندازه منافذ استفاده می شود. [۸] موقعیت، شکل و اتصال منافذ در جامدات تنها تعدادی از ویژگی‌های متعدد آنهاست و ساده‌ترین جنبه منافذ برای تجسم احتمالاً اندازه آن یا وسعت آن در یک بعد فضایی واحد است.

در مقایسه با سایر عوامل مانند شکل منافذ، می توان بحث کرد که اندازه منافذ بیشترین یا گسترده ترین تأثیر را بر ویژگی های جامدات دارد. بنابراین، استفاده از اندازه منافذ یا توزیع اندازه منافذ برای توصیف تضاد مواد متخلخل مختلف قطعاً راحت و ارزشمند است. [۱۲]

سه محدوده اندازه منافذ اصلی (طبقه بندی فعلی اندازه منافذ توصیه شده توسط اتحادیه بین المللی شیمی خالص و کاربردی) به شرح زیر است: [۱۲]

محدوده اندازه منافذ اصلی[۱۲]
میکرومنافذ عرض منافذ کوچکتر از 2 نانومتر
مزوپورها عرض منافذ بین 2 تا 50 نانومتر
Macropore عرض منافذ بیشتر از 50 نانومتر

توزیع اندازه منافذ[ویرایش]

فراوانی نسبی اندازه منافذ در حجم معمولی خاک با توزیع اندازه منافذ نشان داده می شود. این تابع با تابع f(r) نشان داده می شود که مقدار آن متناسب با حجم کل همه منافذی است که شعاع موثر آنها در محدوده بینهایت کوچک متمرکز بر r است. و f(r) را می توان دارای اجزای بافتی و ساختاری دانست. [۸]

اندازه گیری توزیع اندازه منافذ[ویرایش]

تخلخل سنجی نفوذ جیوه [۱۳] و جذب گاز ، تکنیک های رایج برای تعیین توزیع اندازه منافذ مواد و منابع قدرت هستند.

هنگام مطالعه توزیع اندازه منافذ با استفاده از تکنیک جذب گاز با استفاده از ایزوترم جذب نیتروژن یا آرگون در دمای جوش آنها، می توان اندازه منافذ را از سطح مولکولی تا چند صد نانومتر تعیین کرد. محدودیت های دقیق سنسور فشار و پایداری دمای مایع خنک کننده منجر به حداکثری شدن اندازه منافذ مشاهده شده کمی بیشتر از 100 nm در یک محیط واقعی می شود.  [۱۴]

تخلخل سنجی جیوه توزیع اندازه منافذ را تعیین می کند و با اعمال فشار به جیوه غیر مرطوب، مقدار نفوذ مرتبط را کم می کند. اندازه منافذ را می توان به راحتی با استفاده از این روش تخمین زد و از چند نانومتر تا 1000 متر متغیر است. این ماده باید به اندازه کافی محکم باشد تا فشار را تحمل کند زیرا نفوذ جیوه به فشار 140 مگاپاسکال برای منافذ کوچکتر از 10نانومتر نیاز دارد. علاوه بر این، از این ایده برای تعیین اندازه منافذ گردن بطری جوهر استفاده می کند. [۱۵]

رابطه اندازه منافذ با توزیع اندازه منافذ[ویرایش]

انتظار می رود که رابطه بین اندازه منافذ و توزیع اندازه منافذ در یک سیستم متخلخل که به طور تصادفی ساخته شده است یکنواخت باشد: منافذ بزرگتر به ذرات بزرگتر متصل می شوند. رابطه بین اندازه منافذ و اندازه ذرات به دلیل ماهیت غیر تصادفی بیشتر خاک ها پیچیده است. منافذ بزرگ ممکن است در ذرات بزرگ و ریز، از جمله خاک رس، یافت شود، که باعث تجمع و در نتیجه ایجاد منافذ بزرگ بین دانه‌ها می‌شود. تقسیم‌بندی‌های توزیع اندازه منافذ در محیط‌هایی با ساختار تصادفی می‌توانند ویژگی‌های خاص‌تری از خاک‌ها را با مفهوم‌سازی‌های پیچیده‌تر، مانند پسماند احتباس آب خاک بیان کنند. [۸]

مورفولوژی منافذ[ویرایش]

مورفولوژی منافذ شکل، زبری سطح و پیچ خوردگی کانال های منفذی است که فازهای مایع و گازی را نشان می دهد. [۱۶]

نسبت طول کوتاه‌ترین مسیرها بین دو نقطه با فضای منافذ به فاصله خط مستقیم، پیچ‌خوردگی است که توسط میکروتوموگرافی اشعه ایکس تصویربرداری شده است.

پیچ خوردگی کانال های منافذ[ویرایش]

پیچ خوردگی کانال های منفذی یک کمیت هندسی منحصر به فرد است که نه تنها برای اندازه گیری ویژگی های حمل و نقل سیستم متخلخل، بلکه برای بیان سینوسیته و پیچیدگی مسیرهای نفوذ داخلی استفاده می شود. [۱۷] [۱۸] [۱۹]

Toruosity ارتباط نزدیکی با رفتار انتقال رسانایی الکتریکی ، نفوذ سیال، [۲۰] انتشار مولکولی و انتقال حرارت در علم زمین دارد که بر پارامترهای پتروفیزیکی مانند نفوذپذیری، نفوذ موثر، هدایت حرارتی و ضریب مقاومت تشکیل تاثیر می گذارد. [۱۸] [۲۱]



زبری سطح[ویرایش]

تعریف استاندارد زبری سطح برای محیط متخلخل بر اساس میانگین مقدار مختصات عمودی اندازه گیری شده در مقایسه با ارتفاع نسبی سطح، مانند زبری ریشه-متوسط مربع یا زبری محاسباتی است. با این حال ، فقدان در نظر گرفتن توپولوژی فراکتال منجر به این شد که تعریف ارتفاع سطح نسبی در واقعیت ناکافی تلقی شود. [۲۱] [۲۲]

نسبت "مساحت سطح واقعی" به "مساحت سطح صاف هندسی" به عنوان دومین تعریف از زبری سطح استفاده شد. این تعریف در چندین تحقیق برای تغییر معادلات جریان یا اندازه‌گیری سطح سطحی سیال-سیال اعمال شده است. [۲۳] [۲۴]

ایده اساسی هندسه فراکتال جایی است که سومین تعریف زبری سطح از آنجا می آید، که در آن سطوح منفذی (دو بعدی) یا کل محیط متخلخل (سه بعدی) را با استفاده از تنظیمات ابعاد فراکتال اصلاح می کند و در نتیجه بزرگتر می شود. گاهی اوقات ابعاد سطح یا کاهش ابعاد رسانه در یک تعریف مشابه، استفاده می شود. این کمیت که از 0 تا 1 را در بر می گیرد، به بعد فراکتال متصل است. [۲۵]

همچنین ببینید[ویرایش]

Reactive transport

Permeability

Porous medium

Filtration

Poro mechanics

Bulk density

منابع[ویرایش]

  1. ↑ Tang, H. P.; Wang, J.; Qian, Ma (1 January 2015). "28 - Porous titanium structures and applications". Titanium Powder Metallurgy (به انگلیسی). Butterworth-Heinemann: 533–554. doi:10.1016/b978-0-12-800054-0.00028-9. ISBN 9780128000540.
  2. ↑ Gao, Qian-Feng; Jrad, Mohamad; Hattab, Mahdia; Fleureau, Jean-Marie; Ameur, Lamine Ighil (1 June 2020). "Pore Morphology, Porosity, and Pore Size Distribution in Kaolinitic Remolded Clays under Triaxial Loading". International Journal of Geomechanics. 20 (6): 04020057. doi:10.1061/(asce)gm.1943-5622.0001682.
  3. ↑ "Pore size measurement :: Anton Paar Wiki". Anton Paar (به فرانسوی).
  4. ↑ Dai, Quanqi; Wang, Guiwen; Zhao, Xing; Han, Zongyan; Lu, Kai; Lai, Jin; Wang, Song; Li, Dong; Li, Yafeng (1 August 2021). "Fractal model for permeability estimation in low-permeable porous media with variable pore sizes and unevenly adsorbed water lay". Marine and Petroleum Geology (به انگلیسی). 130: 105135. doi:10.1016/j.marpetgeo.2021.105135. ISSN 0264-8172.
  5. ↑ Scholz, Christian; Wirner, Frank; Klatt, Michael A.; Hirneise, Daniel; Schröder-Turk, Gerd E.; Mecke, Klaus; Bechinger, Clemens (30 October 2015). "Direct relations between morphology and transport in Boolean models". Physical Review E. 92 (4): 043023. Bibcode:2015PhRvE..92d3023S. doi:10.1103/PhysRevE.92.043023. PMID 26565348.
  6. ↑ Torskaya, T.; Shabro, V.; Torres-Verdín, C.; Salazar-Tio, R.; Revil, A. (March 2014). "Grain Shape Effects on Permeability, Formation Factor, and Capillary Pressure from Pore-Scale Modeling". Transport in Porous Media. 102 (1): 71–90. doi:10.1007/s11242-013-0262-7.
  7. ↑ Tillman, Nola Taylor; published, Ailsa Harvey (13 January 2022). "What is a Wormhole?". Space.com (به انگلیسی).
  8. ↑ ۸٫۰ ۸٫۱ ۸٫۲ ۸٫۳ Nimmo, J.R. (2013). "Porosity and Pore Size Distribution". Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences: B9780124095489052659. doi:10.1016/B978-0-12-409548-9.05265-9. ISBN 9780124095489.
  9. ↑ Xiong, Yunwu; Long, Xiaoxu; Huang, Guanhua; Furman, Alex (1 December 2019). "Impact of pore structure and morphology on flow and transport characteristics in randomly repacked grains with different angularities". Soils and Foundations. 59 (6): 1992–2006. doi:10.1016/j.sandf.2019.10.002.
  10. ↑ Anovitz, Lawrence M.; Cole, David R. (1 January 2015). "Characterization and Analysis of Porosity and Pore Structures". Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 80 (1): 61–164. Bibcode:2015RvMG...80...61A. doi:10.2138/rmg.2015.80.04. ISSN 1529-6466.
  11. ↑ "Wisconsin Geological & Natural History Survey » Understanding porosity and density". wgnhs.wisc.edu.
  12. ↑ ۱۲٫۰ ۱۲٫۱ ۱۲٫۲ Mays, T.J. (2007). "A new classification of pore sizes". Studies in Surface Science and Catalysis. 160: 57–62. doi:10.1016/s0167-2991(07)80009-7. ISBN 9780444520227.
  13. ↑ Pawelec, Kendell M.; White, Ashley A.; Best, Serena M. (1 January 2019). "4 - Properties and characterization of bone repair materials". Bone Repair Biomaterials (Second Edition) (به انگلیسی). Woodhead Publishing: 65–102. doi:10.1016/b978-0-08-102451-5.00004-4. ISBN 9780081024515.
  14. ↑ Pagliai, Marcello (2011). "Pore Morphology and Soil Functions". Encyclopedia of Agrophysics. Encyclopedia of Earth Sciences Series (به انگلیسی). Springer Netherlands: 640–645. doi:10.1007/978-90-481-3585-1_123. ISBN 978-90-481-3584-4.
  15. ↑ "Methods for Pore Size Distribution measurement :: Microtrac". www.microtrac.com.
  16. ↑ Clennell, M. Ben (1997). "Tortuosity: a guide through the maze". Geological Society, London, Special Publications. 122 (1): 299–344. Bibcode:1997GSLSP.122..299C. doi:10.1144/gsl.sp.1997.122.01.18. ISSN 0305-8719.
  17. ↑ Fu, Jinlong; Cui, Shaoqing; Cen, Song; Li, Chenfeng (1 January 2021). "Statistical characterization and reconstruction of heterogeneous microstructures using deep neural network". Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 373: 113516. doi:10.1016/j.cma.2020.113516.
  18. ↑ ۱۸٫۰ ۱۸٫۱ Fu, Jinlong; Thomas, Hywel R.; Li, Chenfeng (1 January 2021). "Tortuosity of porous media: Image analysis and physical simulation". Earth-Science Reviews (به انگلیسی). 212: 103439. Bibcode:2021ESRv..21203439F. doi:10.1016/j.earscirev.2020.103439. ISSN 0012-8252.
  19. ↑ Ghanbarian, Behzad; Hunt, Allen G.; Ewing, Robert P.; Sahimi, Muhammad (September 2013). "Tortuosity in Porous Media: A Critical Review". Soil Science Society of America Journal (به انگلیسی). 77 (5): 1461–1477. Bibcode:2013SSASJ..77.1461G. doi:10.2136/sssaj2012.0435.
  20. ↑ Backeberg, Nils R.; Iacoviello, Francesco; Rittner, Martin; Mitchell, Thomas M.; Jones, Adrian P.; Day, Richard; Wheeler, John; Shearing, Paul R.; Vermeesch, Pieter (December 2017). "Quantifying the anisotropy and tortuosity of permeable pathways in clay-rich mudstones using models based on X-ray tomography". Scientific Reports. 7 (1): 14838. Bibcode:2017NatSR...714838B. doi:10.1038/s41598-017-14810-1. PMC 5665904. PMID 29093572.
  21. ↑ ۲۱٫۰ ۲۱٫۱ Ghanbarian, Behzad; Hunt, Allen G.; Daigle, Hugh (March 2016). "Fluid flow in porous media with rough pore-solid interface: FLOW IN ROUGH-WALLED POROUS MEDIA". Water Resources Research. 52 (3): 2045–2058. doi:10.1002/2015WR017857.
  22. ↑ Jiang, Hao; Guo, Bo; Brusseau, Mark L. (1 December 2020). "Characterization of the micro-scale surface roughness effect on immiscible fluids and interfacial areas in porous media using the measurements of interfacial partitioning tracer tests". Advances in Water Resources (به انگلیسی). 146: 103789. Bibcode:2020AdWR..14603789J. doi:10.1016/j.advwatres.2020.103789. ISSN 0309-1708. PMC 7727783. PMID 33311835.
  23. ↑ Toledo, Pedro G.; Novy, Robert A.; Davis, H. Ted; Scriven, L. E. (May 1990). "Hydraulic Conductivity of Porous Media at Low Water Content". Soil Science Society of America Journal (به انگلیسی). 54 (3): 673–679. Bibcode:1990SSASJ..54..673T. doi:10.2136/sssaj1990.03615995005400030007x.
  24. ↑ Jiang, Hao; Guo, Bo; Brusseau, Mark L. (January 2020). "Pore‐Scale Modeling of Fluid‐Fluid Interfacial Area in Variably Saturated Porous Media Containing Microscale Surface Roughness". Water Resources Research (به انگلیسی). 56 (1). Bibcode:2020WRR....5625876J. doi:10.1029/2019WR025876. ISSN 0043-1397. PMC 7785087. PMID 33408424.
  25. ↑ Toledo, Pedro G.; Novy, Robert A.; Davis, H. Ted; Scriven, L. E. (May 1990). "Hydraulic Conductivity of Porous Media at Low Water Content". Soil Science Society of America Journal (به انگلیسی). 54 (3): 673–679. Bibcode:1990SSASJ..54..673T. doi:10.2136/sssaj1990.03615995005400030007x.
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=ساختار_منافذ&oldid=36624924»