[特邀报告]孔隙反应流动结晶-沉淀过程机理研究

孔隙反应流动结晶-沉淀过程机理研究
编号：1624 稿件编号：2375 访问权限：私有 更新：2023-04-11 09:30:17 浏览：205次 特邀报告

报告开始：2023年05月06日 13:36 （Asia/Shanghai）

报告时间：12min

所在会议：[15A] 15A、水文地球科学 » [15A-1] 15A-1 水文地球科学

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摘要
多孔介质孔隙内反应流动中的结晶及固相沉积过程常见于矿物质沉积、生物矿化等自然现象中，且在医药、食品、精细化工品、新材料等领域有着广泛应用。在实际应用中，理解并控制结晶及晶体生长过程具有极其重要的意义，例如：油气生产中的孔隙结垢导致产量下降、稀土提取过程中的杂质浸出、医药产业中的提纯过程等。因此，研究多孔介质孔隙反应流动中的结晶/沉淀过程和其潜在机理就显得尤为重要。
当前，微观尺度结晶及固相沉积现象由于其复杂性导致固相形成机理尚不明确，过往研究试图通过分子动力学(Molecular dynamics)及密度泛函理论(Classical density function theory)对结晶过程进行研究。然而，受限于这些方法庞大的计算成本，较大尺度流动结晶及相变现象无法被有效模拟及分析，这就导致在连续介质尺度结晶现象往往被忽视，与实际不符。此外，微纳尺度下固相沉积现象对流动及传质过程的影响机理仍待进一步研究。针对这些问题，报告人将经典成核理论与流动、传质、相变反应耦合，开发了基于Darcy-Brinkman-Stokes (DBS)架构的多相多场数值求解器mdpFoam。该求解器通过与在布鲁克海文实验室NSLS2光源进行的fast X-ray nanotomography (XnT)流动结晶及沉积实验结果进行对比，验证了其准确性。利用该新型求解器，报告人针对不同无量纲数下孔隙流动内的表面结晶率进行了研究，结果发现有效表面结晶率和固相沉积率受Damkohler数、Peclet数及结晶参数影响。晶体表面的沉积反应会通过消耗溶液中的反应物浓度产生排空效应影响附近新晶体的形成，进而降低表面结晶率。为了有效控制结晶和固相沉积现象，申报人提出了一个新的无量纲数α来描述表面反应率与结晶率的比值。通过同时维持相同的Damkohler数、Peclet数和α，尽管反应率及结晶率改变，表面结晶现象却能够基本保持不变。此外，模拟结果还发现孔隙反应流动受到固相沉淀模式不同的影响，导致渗透率与孔隙拓扑结构变化相关联。该研究成果的普适性能够为理解多孔介质内流动结晶/沉淀机理提供理论基础，同时帮助指导未来类似实验设计，有效控制多孔介质孔隙流动过程中的结晶及固相沉积现象。
 
关键字
反应流动,裂隙渗流,结晶,沉淀
报告人
杨丰畅
副教授 中国科学院力学研究所

稿件作者
杨丰畅 中国科学院力学研究所
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