چگونه پودر فلز متخلخل اندازه منافذ و نفوذپذیری را کنترل می کند

هنگامی که مهندسان سیستم های فیلتراسیون را برای کاربردهای سخت مانند الکترولیز آب PEM طراحی می کنند، یک ماده در مرکز هر تصمیم قرار می گیرد:پودر فلز متخلخل. نحوه انتخاب، اندازه و پردازش این پودر مستقیماً ساختار منافذ عنصر فیلتر نهایی - را شکل می‌دهد و این ساختار منفذی تعیین می‌کند که آیا سیستم به طور قابل اعتماد عمل می‌کند یا در زیر فشار از کار می‌افتد.

این مقاله علم مربوط به کنترل اندازه منافذ و مدیریت نفوذپذیری در فیلترهای فلزی متخلخل متخلخل را که برای مهندسان، متخصصان تدارکات و مدیران پروژه‌ای نوشته شده است که به جای زبان فنی متراکم به پاسخ‌های واضح نیاز دارند، توضیح می‌دهد.

چگونه پودر فلز پخته شده اندازه منافذ فیلتر را تعیین می کند؟

رابطه بین هندسه ذرات و تشکیل منافذ

هنگامی که ذرات پودر فلز به هم فشرده شده و حرارت داده می شود تا ذوب شوند، فضاهایی که بین ذرات پیوندی ایجاد می شود به منافذ فیلتر تبدیل می شود. شکل و اندازه ذرات پودر تاثیر زیادی بر میانگین عرض منافذ، محل قرارگیری آنها و نحوه اتصال آنها به یکدیگر دارد.

به عنوان مثال، ذرات پودر تیتانیوم کروی-به‌گونه‌ای بسته می‌شوند که بتوان روی آن حساب کرد. به دلیل این نظم، قطر منافذ ثابت می ماند، که به طور مستقیم منجر به فیلتراسیون دقیقی می شود که قابل پیش بینی است.

ذرات پودری که مستقیم یا مستقیم- زاویه دار نیستند، مسیرهای منفذی پیچیده تر را ایجاد می کنند، که هم میزان توقف جریان و هم مقاومت آنها را تغییر می دهد.

انتخاب مورفولوژی پودر مناسب اشتباه نیست. یکی از مهمترین تصمیمات در فرآیند برنامه ریزی است.

چرا خلوص پودر به اندازه شکل ذرات اهمیت دارد؟

 

مقدار اکسیژن در پودر تیتانیوم یک عامل مهم اما اغلب نادیده گرفته می شود. سطوح بالای اکسیژن به تشکیل اکسیدهای سطحی در طول پخت کمک می کند، که می تواند تا حدی اتصالات بین ذرات در گردن را مسدود کند. این امر باعث کوچکتر شدن منافذ و رسانایی اسکلت متخلخل می شود که در کاربردهای الکترولیتی PEM که حرکت الکترون ها از طریق ساختار فیلتر مهم است، مشکل بزرگی است.

پودر تیتانیوم که بسیار خالص و کم هوا است، فلز تمیز را در تماس‌های تف جوشی به هم متصل می‌کند. این یک چارچوب متخلخل با کانال‌هایی می‌سازد که باز و مسدود نیستند و رسانایی الکتریکی ثابت می‌ماند.

تحقیقات مهندسی مواد به طور مداوم نشان می دهد که پودر تیتانیوم با بیش از 0.3 درصد وزنی اکسیژن، هم کیفیت پخت و هم عملکرد الکتروشیمیایی را در الکترودهای متخلخل و بسترهای فیلتر کاهش می دهد.

اندازه ذرات پودر فلز متخلخل و ساختارهای فیلتر متخلخل

چگونه توزیع اندازه ذرات به معماری حفره نهایی شکل می دهد

احتمالاً مهمترین چیزی که می توانید برای تغییر اندازه منافذ یک فیلتر فلزی متخلخل تغییر دهید، توزیع اندازه ذرات (PSD) است. هنگامی که PSD باریک است، منافذ در بدن متخلخل به روشی نسبتاً یکنواخت پخش می شوند. این باعث می‌شود که بدنه قابل پیش‌بینی، سفت و مناسب برای فیلتر-با دقت بالا باشد. اگر یک PSD گسترده دارید، که در آن ذرات کوچک فضاهای بین ذرات بزرگ‌تر را پر می‌کنند، ساختار متراکم‌تر است، دهانه‌های عملکردی کمتری دارد و قوی‌تر است.

بسته به اندازه منافذ هدف، کارشناسان NAVI Titanium با درجه بندی پودری کار می کنند که از کمتر از 10 میکرومتر برای کسرهای ریز تا 150 میکرومتر برای کسرهای درشت متغیر است. با کنترل دقیق مخلوط اندازه ذرات، منافذ تکمیل شده می توانند از 5 میکرومتر تا 80 میکرومتر باشند. به همین دلیل،پودر فلز متخلخلیک پایه بسیار انعطاف پذیر برای راه حل های فیلتراسیون سفارشی است.

ساختارهای گرادیان: ترکیب پودری درشت و ریز

یکی از روش‌های پیشرفته شامل چیدن پودرها با اندازه‌های مختلف ذرات برای ساخت عناصر فیلتر گرادیان است. اینها ساختارهایی هستند که منافذ آنها از یک طرف کوچکتر و از طرف دیگر بزرگتر می شود.

این طراحی افت فشار را تا حد زیادی کاهش می دهد و در عین حال دقت گیره را در ناحیه کار بالا نگه می دارد.

برای استفاده از اصل گرادیان، باید بدانید که چگونه پودرهای درشت و ریز وقتی با هم فشرده می شوند و سپس گرم می شوند، ترکیب می شوند. هنگامی که مقدار مناسبی از ذرات درشت و ریز استفاده می شود، کسر ریز برخی از شکاف های بین ذرات درشت را پر می کند اما آنها را به طور کامل پر نمی کند.

این یک شبکه حفره‌ای درجه‌بندی‌شده و به هم پیوسته ایجاد می‌کند که هم جریان و هم دقت فیلتر را به طور همزمان کنترل می‌کند، که برای ساختارهای پودری یک- مسطح سخت است.

چگونه پودر فلز متخلخل تخلخل و نفوذپذیری را کنترل می کند

کارایی یک فیلتر متخلخل نه تنها به اندازه منافذ، بلکه به سهولت جریان سیال در سراسر شبکه منافذ متصل بستگی دارد. مهندسان ممکن است مستقیماً این تعادل را با استفاده از پودر فلز پخته شده با تغییر خواص پودر و شرایط پخت مدیریت کنند.

کنترل تخلخل از طریق شرایط پخت

تف جوشی فرآیندی است که در آن گرما با ایجاد گردنه های جامد در محل تماس ذرات، پیوندهای قوی تری بین ذرات ایجاد می کند. یک ساختار متخلخل پایدار ممکن است با دمای پخت مناسب و زمان نگهداری بدون بسته شدن تعداد زیادی کانال جریان به دست آید. به این ترتیب آخرین فیلتر ممکن است استحکام مکانیکی و تخلخل باز مفید را حفظ کند.

تعادل نفوذپذیری و مقاومت جریان

نفوذپذیری به شدت با تعداد، اندازه و اتصال منافذ مرتبط است. یک شبکه منافذ به خوبی متصل به آب یا گاز اجازه می دهد تا با مقاومت کمتر از فیلتر عبور کند، اما تراکم بسیار زیاد ممکن است جریان را محدود کند. با تنظیم انتخاب پودر و فعالیت تف جوشی، تولیدکنندگان ممکن است ساختار را بهینه کنند تا تعادل لازم بین دقت فیلتر و انتقال سیال برآورده شود.

حفظ یک شبکه منافذ ثابت

همچنین برای سیستم های فیلتر دشوار، نفوذپذیری یکنواخت از عنصر فیلتر به عنصر فیلتر حیاتی است. خواص پودر ثابت و پردازش تنظیم شده برای کاهش تغییرات در ساختار منافذ مفید است، که به نوبه خود به عملکرد جریان قابل پیش بینی و عملکرد قابل اعتماد در کاربردهایی مانند الکترولیز آب PEM کمک می کند.

پارامترهای پودر فلز متخلخل برای حمل و نقل آب و گاز

تطبیق انتخاب پودر با الزامات جریان دو فازی{{0}

لایه انتقال متخلخل تیتانیوم (PTL) اغلب در الکترولیز آب PEM استفاده می شود. وظیفه آن کنترل همزمان آب مایع به سمت غشا و گاز اکسیژن است که از آن دور می شود. این محیط جریان دو فازی به منافذی نیاز دارد که فقط اندازه مناسبی داشته باشند تا حباب‌های گاز گیر نکنند و اندازه مناسبی برای حفظ فشار مویرگی برای تامین آب داشته باشند.

هنگامی که پودر فلزی را که دارای یک PSD خوب-کنترل شده و کروییت بالا بود، تف جوشی کردید، ساختارهای منفذی را دریافت کردید که فشار مویرگی مناسبی برای این تعادل دارند.

مطالعات انجام شده از دانشکده‌های مهندسی الکتروشیمیایی برتر نشان داده‌اند که منافذ با اندازه‌های بین 10 تا 30 میکرومتر بهترین انتخاب برای محیط‌های تکامل اکسیژن PEM هستند زیرا بهترین تعادل را بین عملکرد مویرگی و خروج گاز فراهم می‌کنند. ساختارهای منافذ سفارشی (5 تا 80 میکرومتر) در NAVI Titanium طوری ساخته شده اند که با این پنجره عملیاتی کاملاً کار کنند.

سازگاری دسته ای و تأثیر آن بر قابلیت اطمینان سیستم

برای پروژه های بزرگ هیدروژن سبز، به همان اندازه مهم است کهپودر فلز متخلخلاز دسته ای به دسته دیگر مانند یک دسته است. اندازه منافذ و نفوذپذیری یک عنصر فیلتر می‌تواند با عنصر بعدی متفاوت باشد اگر توزیع اندازه ذرات، محتوای اکسیژن یا شکل پودر بین اجراها تغییر کند.

NAVI Titanium مواد خام پودری را که به صورت دسته‌ای وارد می‌شوند زیر نظر دارد تا مطمئن شود که هر عنصر فیلتری که تولید می‌کند استانداردهای یکسانی را برای اندازه و عملکرد دارد. به دلیل این-برای-پایداری دسته ای، شرکت های بزرگ تولید کننده الکترولیز می توانند از فیلترهای فلزی متخلخل متخلخل به عنوان قطعات قابل تعویض به جای قطعاتی که نیاز به توضیح جداگانه دارند استفاده کنند.

بهینه سازی عملکرد فیلتر از طریق انتخاب پودر فلز متخلخل

تطبیق مشخصات پودر با شرایط عملیاتی

تیتانیوم بسیار خالص همیشه در محیط های فیلتراسیون مورد نیاز نیست. پودر مبتنی بر نیکل یا فولاد ضد زنگ ممکن است تعادل بهتری بین استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و هزینه برای کاربردهایی باشد که در معرض دما و فشار بالا هستند، مانند پردازش گاز صنعتی. محیط کار، محدوده دما، سرعت جریان مورد نیاز و دقت فیلتراسیون هدف اولین چیزهایی هستند که منطق انتخاب به آنها توجه می کند.

در طول مرحله پرس و جو، تیم مهندسی NAVI Titanium خریداران را از طریق این ماتریس تصمیم گیری راهنمایی می کند تا مطمئن شود که نوع پودر، ترکیب اندازه ذرات و فاکتورهای تف جوشی برای هر کاربرد مناسب هستند. این برنامه{1}}روش اول شما را از این اشتباه جلوگیری می‌کند که مواد زیادی را مشخص کنید زمانی که پودر معمولی کار می‌کند یا به اندازه کافی مشخص نمی‌کند که یک تنظیم سخت عمر فیلتر را کوتاه می‌کند.

عملکرد بلندمدت- و کاهش هزینه از طریق تطبیق دقیق پودر

 

انتخاب پودر مناسب هزینه کل داشتن فیلتر را به گونه‌ای کاهش می‌دهد که قیمت مواد اولیه نشان داده نمی‌شود. در طول عمر مفید، یک عنصر فیلتر ساخته شده از پودر فلز متخلخل مناسب تمیز می ماند، اغلب مسدود نمی شود و سرعت جریان را ثابت نگه می دارد. هنگامی که در الکترولایزرها استفاده می شود، تعویض فیلترها کمتر به معنی خرابی کمتر و کار کمتر برای کارکنان تعمیر است.

بسترهای پودری با خلوص{0} بالا از ورود آلاینده ها به سیستم الکترولیتی جلوگیری می کنند. این غشاها را دست نخورده نگه می دارد و سایش تجهیزات را کاهش می دهد. در طول عمر نصب PEM بزرگ، این بدان معناست که هزینه های عملیاتی به گونه ای کاهش می یابد که قابل اندازه گیری باشد. به همین دلیل، سیستم های پودر سفارشی یک سرمایه گذاری در دراز مدت است، نه فقط هزینه مواد.

نتیجه گیری

اندازه منافذ و نفوذپذیری درپودر فلز متخلخلفیلترها تصادف نیستند. آنها نتایج مهندسی شده انتخاب پودر مناسب، کنترل توزیع اندازه و مدیریت فرآیند پخت هستند. عملکرد عنصر فیلتر نهایی تحت تأثیر بسیاری از عوامل زیرلایه پودر فلز مانند شکل ذرات، مقدار اکسیژن در پودر و یکنواختی دسته ها قرار دارد. پی بردن به این زنجیره از رویدادها چیزی است که سیستم‌های فیلتری را که به طور قابل اعتماد کار می‌کنند از آن‌هایی که زودتر خراب می‌شوند یا در موقعیت‌های واقعی{2}}کار خود را به خوبی انجام نمی‌دهند، جدا می‌کند.

شراکت با NAVI Titanium - تامین کننده پودر فلز متخلخل مورد اعتماد شما برای PEM و فیلتراسیون صنعتی

NAVI Titanium Metal Technology Co., Ltd. متخصص در مهندسی استپودر فلز متخلخلبسترها و عناصر فیلتر متخلخل دقیق برای انرژی هیدروژن، گاز صنعتی، و{0}}فیلتراسیون فرآیند با خلوص بالا. NAVI Titanium به‌عنوان یک تامین‌کننده با تجربه پودر فلز متخلخل، کنترل دقیق مواد خام، فرمولاسیون پودر سفارشی و ظرفیت تولید مقیاس‌پذیر را برای ارائه عناصر فیلتری که در محیط‌های عملیاتی سخت کار می‌کنند، ترکیب می‌کند. فرقی نمی‌کند که یک پروژه هیدروژن سبز را مقیاس‌بندی می‌کنید، یا طراحی جدید الکترولایزر را واجد شرایط می‌کنید، یا از فیلترهای فلزی متخلخل قابل اعتماد برای سیستم‌های{3}فشار بالا استفاده می‌کنید، تیم مهندسی NAVI Titanium آماده پشتیبانی از برنامه شما از مشخصات تا تحویل است. همین امروز تماس بگیرید و بیایید با هم راه حل مناسب فیلتراسیون بسازیم.

تماس با ما:sales@navititanium.com.

مراجع

1. Carmo, M., Fritz, DL, Mergel, J., & Stolten, D. (2013). بررسی جامع الکترولیز آب PEM مجله بین المللی انرژی هیدروژن، 38 (12)، 4901-4934.

2. آلمانی، RM (2014). تف جوشی: از مشاهدات تجربی تا اصول علمی. باترورث{6}هاینمان، آکسفورد.

3. اسمولدرز، کالیفرنیا و رویورز، ای جی (1992). خصوصیات غشاهای تهیه شده توسط فرآیندهای وارونگی فاز: مورفولوژی و خواص انتقال مجله علم غشاء، 73 (2-3)، 259-275.

4. Lefebvre, LP, Banhart, J., & Dunand, DC (2008). فلزات متخلخل و فوم های فلزی: وضعیت فعلی و پیشرفت های اخیر مواد مهندسی پیشرفته، 10 (9)، 775-787.

5. Majsztrik, P., Bocarsly, A., & Benziger, J. (2008). نفوذ آب از طریق غشاهای Nafion: نقش فعالیت آب مجله شیمی فیزیک B، 112 (51)، 16280-16289.

6. Suermann, M., Schmidt, TJ, & Büchi, FN (2015). بررسی تلفات انتقال جرم در سلول های الکترولیز الکترولیت پلیمری. معاملات ECS، 69 (17)، 1141-1148.