谈到表面能，无疑是相对比较陌生的概念，很多做固体相关研究的老师经常对一个问题深感疑惑，那就是如何量化固体表面能量高低？相对低的表面能和相对高的表面能又能代表什么？表面能应该如何测得？
1、IGC表面能分析介绍
下面我来介绍一种测表面能的特殊方法：IGC-反气相色谱法。它不同于接触角法，接触角法对样品外形和分散要求较高，下面我来介绍下IGC-反气相色谱法。
反气相色谱法对比接触角法
反气相色谱法（后简述IGC）与气相色谱法原理相反，方法相同。IGC的已知相为气相（探针分子），未知相（待测相）为固相。
IGC原理图
通过某特定装置检测不同探针分子在待测相停留时间以及吸附量最终得到表面能。
表面能分为：1、色散分量–长距离物理作用力，通过测量一系列的烷烃得到；2、路易斯酸碱分量（俗称极性分量，并不完全正确）–短距离化学作用力，通过测量至少两个单一官能团的极性溶剂得到。
表面能=色散分量+极性分量
对比液体表面张力：
液体的表面张力
表面能高低能说明材料的什么性质呢？
表面能与固体表面性质的关系
说完了概念，直接上测试结果图：
蓝色：甘露醇；红色：硅烷化处理后甘露醇
另外附色散分量能量分布图及路易斯酸碱能量分布图（后续）。
2、意义
iGC-SEA利用蒸汽探针分子可以准确测试粉体颗粒的表面物理化学特性，可以测量膜、纤维、颗粒、粉末、复合材料、纳米材料、高分子复合材料的性能。测试表面能的均匀程度，表面能均匀的材料稳定性更高；在材料进行混合时，看是否混合均匀。其中包括标准性能和拓展性能。
标准性能：表面能（色散分量和极性分量）、比表面积、非均匀性表面能、酸碱分量、测定等温吸附线/亨利常数
拓展性能：粘附功与内聚功、吸附热、玻璃态化转变温度、溶解度参数、交联度
3、应用
IGC被确定为是一项简单的、灵敏的测试物理化学性质的技术，不久后一系列的材料通过 IGC测试。最吸引人的方面是这项技术可以有效测试一系列的材料，如不同挥发性的材料，不同晶型的材料等。IGC可以测试材料的表面以及内部特性，包括色散分量以及极性分量，扩散系数，相转变和结晶度。材料表面的活性依赖于表面的特性，比如表面积，表面自由能，多孔性和酸碱性。IGC是一个精确地表面表征技术，它可以被用来测试这些性能。不管是测试影响表面特性的方法还是预测样品与其他材料的表面行为都是很好的方法。例如，它被用来成功的预测搅拌对药物混合物内部和表面性能的影响。这在医药工业的发展中是很重要的因素。在一次 IGC实验中，因为探针分子进入固定相内部，导致内部相互作用变强。在聚合过程中，可混合性是一个重要的说明。溶解参数和 F-H相互作用参数也可以通过 IGC测得。Voelkel等人发现 IGC在不同材料中来测试物理化学特性的文章。IGC通常谈及是表征物理化学特性的技术是因为它能同时测试物理性质和化学性质。然而，IGC一个新的应用被发现，那就是通过使用两种不同基团的探针分子可以分别测试碳纳米管的结构和化学特征。从药物到矿物质表明，IGC都有很好的应用。
3.1高分子聚合物
聚合物是可以用 IGC进行测试的最通用的材料。接触角测试是最常规的表征聚合物表面性质的方法。然而，因为接触角在测试表面异质性，粗糙度和对液体的吸附方面是无效的，所以就出现了一个可选择的 IGC测试技术。IGC在聚合物工业中流行起来原因是它可以作为一种表征聚合物键之间的热动态特性，尤其是粘性的材料。Flory-Huggins(聚合物之间、聚合物与溶剂之间)相互作用参数，可混合性，Hansen溶解度参数（色散、极性、氢键和总的）。Hildebrand溶解度参数可以被 IGC准确快速地测试出来。Guillet和 Al-Saigh讨论这项技术在在表征物质的和合成聚合物中的应用。他们描述的应用有玻璃化转变温度，结晶度和结晶率，结晶速率，扩散性，活化系数，溶解度参数，氢键，表面积。表面能以及吸附等温线。聚合物基质和颜料的相互作用也可以通过这个方法进行预测。
多伦多大学在 1969年首次利用 IGC来研究聚合物的热动态性能。Smidsrød and Guillet探究 N-异丙基丙烯酰胺的玻璃化转变温度，发现IGC是一种在确定聚合物物理化学特性的快速并有价值的技术。Ansari andPrice用 IGC技术研究煅烧高岭土填充的聚合物的表面性能。他们用 XPS不能区分两种煅烧高岭土与高岭土填充的聚合物表面能的不同。虽然结晶性与 XPS的结果相似，但是通过 IGC可以得到不同的表面能、路易斯酸碱行为。另外，高岭土的表面能是如何影响尼龙 6复合材料机械性能的也是可以表现出来的。通过 IGC，尼龙 6、煅烧高岭土、氨基硅烷包覆的高岭土的表面能色散分量被测定出来。虽然有相似的吸附焓，未包覆的高岭土的色散分量高于聚酰亚胺，同时硅烷化处理的样品有更低的表面能，接近聚酰亚胺。另外，使用包覆的高岭土使得尼龙有更好的机械强度。在研究极性分量时发现，尼龙 6显示碱性表面，且有比较高的氢键作用。煅烧高岭土显示酸性表面，氨基甲烷处理后显示碱性表面。Voelkel等人使用 IGC来研究很多聚合物的表面能色散分量。不同的化学结构、官能团、热处理对色散分量的影响被研究。通过 IGC确定的色散分量被发现是一种有效的用于相同化学结构表面性质的不同。溶剂在聚合物相中的扩散性也可以通过 IGC确定。水、甲醇、乙酸乙酯在聚醋酸乙烯和聚乙烯醇中的扩散也可以通过 IGC测得。在大部分的实验中，溶剂在聚合物中的扩散依赖于温度和溶剂的浓度。对于一些实验，在接近玻璃化转变温度，扩散性显著降低。这个结果与重量法测试吸附性的结果是一致的。IGC已经成为评估不同聚合物表面性能以及它们的混合物的重要技术。如 PE，聚酰亚胺，聚醚，聚酯，PC,PS,PVC,PEO,PVC-PEO混合物，聚丙烯酸甲酯,聚甲基丙烯酸乙酯，PMMA，PVC-PMMA混合物，α-n-甲基丙烯酸甲酯，聚醋酸乙烯酯，聚丙烯腈，生物聚合物，聚酰亚胺前体和热重排，纤维素酯，生物降解高分子都可以通过IGC进行表征。还有一些研究 IGC系统参数对聚合物的影响。比如，Mayer-Helm and Rauter通过IGC评估柱体的效率以及聚硅氧烷、聚乙烯混合物处理的柱体的最低操作温度。在另一项研究中，研究了载气流速对保留体积的影响。它主要研究的是载气流速对聚甲基丙烯酸正丁酯保留体积灵敏度。Tyagi等人的结论显示，保留时间对载气流速作图的形状有线性的，非线性的或者不变的，主要依赖于柱体的温度和载气流速。不同条件聚合物基质微粒的内聚功通过IGC进行测试，主要是评估在生产过程中微粒的流动性。实验结果表明，粒子间内聚功降低，流动性有所改善。
3.2制药
除了聚合物之外，药物也是经常用 IGC技术进行研究的材料之一。当表征小剂量不同状态（无定型、多晶型、水合物、共晶、溶剂化物）的物质时，就需要更高的精度。药物通常不止含有一种活性原料，因此理解在生产中的相互作用是非常重要的。另外，因为药物粉末基本都是表面能量异质的，它们的表面能分布在产品质量上起到很重要的作用。传统的方法，如接触角的测试表面自由能的结果会随着测试条件的不同而不同。因此，API、辅料以及药物传输系统 IGC的表面表征在近些年吸引了很多人的关注。IGC被发现可以通过测试药物的结晶率，在指导储存条件以及保质期方面也起到很大的作用。还有一些研究是研究的不同材料的物理化学特性，不同操作方法的影响，比如搅拌，脱水，试验条件的不同，压力，水含量，环境湿度对产品的影响表征。Planinšek and Buckton测试了各种各样不同种类的辅料，包括不同形状，不定型粉末，结晶质，亲水或者疏水的多孔性粒子。他们不仅详细阐述了有益的方面，还阐述了用 IGC来分析不定型药物的潜在困难。例如，将探针（尤其是极性探针）扩散到无定型粉末尤其是纤维素中。另外，像硬脂酸镁这种精细材料被发现很难通过IGC进行测试，因为在柱体中的压力差以及它本身在柱体里倾向于聚集。Buckton和 Gill讨论粉末表面能理论在药物传输中的重要性。IGC是一种在研究无定型粉末上重要的技术，而用接触角测试可能引起结晶或者潮解。另外，结论显示 IGC也可以通过它们的相互作用测试粉末行为的复杂度。Grimsey等人也讨论过 IGC技术在药物研究中的应用。他们研究了湿度，样品形态和粒子的制备方法（研磨和干燥）对结果的影响。评估粗糙度对药物表面性质的影响以及粗糙的、无定型的混合物的物理化学稳定性。IGC在药物工业的大量研究中，Ho和 Heng最近的一篇综述文章中讨论了药物的各向异性表面特征。
IGC技术作为一项有用的、精确的技术，用来表征不同工业过程中药物粉末的变化。例如，用 IGC测试表面能来确定热动态过程对粒子尺寸、研磨以及微粉化的影响。最近，Gamble等人评估了用 IGC技术评估一个二进制系统的异质性的效率。他们用 IGC研究表面相互作用以及用两种不同浓度二氧化硅包覆的混合物的异质性分布。结果显示，二元样品的色散表面能由于涂层与床层材料的倾向性不同而变得复杂。色散分量是由于两个成分表面的相互作用。然而，值的大小依赖于表面能的异质性。粗糙的、微粉化的乳糖的内聚功和表面异质性也可以用 IGC分析。结果显示 IGC技术可以区分不同的乳糖粉末，测试凝聚性来确定不同的湿度储存环境。不定型乳糖的玻璃化转变温度也可以通过 IGC分析，结果显示，IGC结合气体吸附系统提供了不定型材料重要的参数，也就是：分子流动性，玻璃化转变温度，分解，结晶。而且，根据 Buckton等人的文章，IGC也可以探测到表面处理后微小的变化。把 IGC和等温线微热量法一起来研究通过不同的技术干燥沙奎那韦甲磺酸表面性质的微小变化。结果表明，与真空干燥和热处理样品相比，托盘干燥样品更加稳定、有更低的能量表面。
IGC可以测试硫酸沙丁胺醇、纤维素、吲哚美辛、乳糖、布洛芬、对乙酰氨基酚晶体、伊必那班、甘露醇、盐酸普萘洛尔。另外，它已经被使用来研究纤维素醚基片剂的释放机理。通过测定纤维素醚粉末的表面能参数，研究了戊氧西林和万古霉素。结果表明，IGC（结合其他的技术）研究了聚合物和他们的代替品之间微小的变化以及在水中行为的预测。
IGC在无限稀释下可以用来预测不同方法对于粉末表征的影响。琥珀酸和蔗糖为模型化合物，研究两种研磨方法（高剪切湿研磨和干研磨）对它们表面性质影响的研究。结论是：研磨对表面能大小的影响依不同的实验混合物的不同而不同。如果研磨阶段对表面能影响小，就会使材料有更小的粒径，但是材料表面有相同的原子排布。换句话说，IGC分析确定了研磨过程对蔗糖表面自由能重要的影响。混合润滑油和辅料对片剂性质的影响由 Otsuka等人研究。他们测试了混合器种类以及混合时间对三种辅料的影响，硬脂酸镁润滑油对粒子尺寸，比表面积以及对混合粉末表面形态学的影响，用 IGC技术分析片剂压缩过程的影响。结果显示表面在双壳混合器中混合的颗粒的能量具有较小的依赖性，混合时间比高速混合器的时间要长，尽管两者都有它随着混合时间的增加而减少。实验表明，在添加润滑剂之前，片剂的机械强度可以通过 IGC对药物成分的分析来预测。使用 IGC的表面能测量也用于研究微粉化对布洛芬表面的影响，以减少其凝聚力。布洛芬粉末与无定形亲水纳米二氧化硅预混合；微粉化干涂层和未涂布的粉末通过相同的程序进行，产生具有不同表面能和流动性的粉末。该结果显示出异质的表面和更细的颗粒未涂布的布洛芬的表面能更高；同时干涂层纳米二氧化硅导致表面能的分散成分减少，产生均匀的表面能分布这些位点和纳米级表面粗糙度的产生反过来导致较低的内聚力和改善的流动性。IGC也被用于计算粘附功（Wadh）和制药材料的内聚功（Wco），这影响药物配方中的润滑剂与它们直接相关减少颗粒或粘合剂之间的内聚力的作用颗粒和容器壁之间的力。该技术解释了沙丁胺醇硫酸盐的分散性如何得到改善硬脂酸镁（MgSt）。确定之间的相互作用使用原子力显微镜（AFM）的非对称粒子，由于其可变的接触面而被发现是困难的;因此，IGC用于计算凝聚力的热力学工作/样品颗粒之间的粘附力。附着力（Wadh），沙丁胺醇硫酸盐和 MgSt之间的差异小于沙丁胺醇硫酸盐颗粒之间的凝聚力（Wco）。在附聚物中，证实硬脂酸镁起到了作用通过增加颗粒分离来凝聚改性剂（和/或包装分数）。乳糖的色散分量、极性分量以及总的表面能通过 Das和Stewart测定，目的是研究两种硬脂酸镁的不同添加方法对表面能的影响；由于微粉化引起吲哚美辛表面能的改变，高的相对湿度环境储存对微粉化乳糖表面能的影响。结果表明，确定表面能异质性比仅获得确定的表面覆盖率下的表面能值更有用。与直接将乳糖加入混合机相比，用硬脂酸镁进行混合熔融使得材料表面能降低的更多。这个结论表明可以通过混合熔融的方法改善材料的流动性以及分散性。微粉化过程导致分散表面能量的增加和特定分量和吲哚美辛的总表面能的降低。此外，微粉化乳糖的分散，特性和总表面能在 75％RH下储存三个月后降低。
3.3矿物质和无机混合物
矿物表面特性研究，特别是高表面能量化合物通常很难吸附水。但是，IGC技术已成功应用表征这些材料。无限稀释 IGC测试，碳酸钙（CaCO3）特征：是一种高能表面填料。发现 CaCO3的表面显示强碱性，涂层使其碱性大大降低。酸度高涂覆填料的原因在于涂层的不均匀分布并且超过单层表面活性剂覆盖在表面上。凯勒和 Luner表征并比较了合成碳酸钙，大理石和白垩的表面化学，研究孔隙率，BET表面积和化学成分。结果表明物理和化学吸附水在表面和内部毛孔，对碳酸钙的表面能量起着重要作用。通过加热使化合物脱水导致表面能增加。 IGC表现出高度的敏感性跟踪亚单层浓度下的水解吸。
在石油运输中，水湿（亲水）表面比油湿（疏水）表面释放更多油；这种现象会影响石油从水库回收。为了增强/改善回收难以得到的油，油相、水相之间的化学相互作用使用 IGC研究了不同来源的岩石。表征了来自水区和气区的两种天然白垩表面（油饱和白垩的类似物）。
结论是来自气体区域的样品更疏水且分散表面自由能和特定表面自由能成分低于那些水域物质。此外，有人建议白垩表面的疏水性是由表面纳米有机粘土（碳氢化合物吸附粘土）决定的而不是白垩本身。
通过 IGC对板岩表面性质的研究由 Rodriguez等人进行。石英，白云母和白云母等介孔结构板岩的特定和非极性表面能在零表面覆盖（无限稀释）下通过 IGC技术测定。因此，据报道 IGC是用于确定板岩表面性质的有价值的方法，其已经通过化学分析，BET N2吸附，XRD和 FTIR表征。
IGCArsalan等人通过 IGC技术报道了岩石的表面能量特征。碳酸盐（方解石和白云石）和砂岩岩石的 Lifshitz-van der Waals（色散）和酸碱分量（方解石和白云石）表面能被测定。对于所有这些矿物质，Lifshitz-van der Waals分量随温度升高而降低，这与随温度升高而增加的酸碱性质相反。另外，通过确定和比较原油与石油之间表面相互作用的大小，他们能够预测储层岩石是否会与水湿或油湿的岩石反应。大理石（和粘土）上的聚合物（丙烯酸）涂层能够抵抗二氧化碳（SO2）的腐蚀作用的影响可以通过 IGC技术（RFGC）进行评估。在 RFGC系统中，方向载气流量在短时间内反复反转，允许测量 SO2的沉积速度和涂层对样品的保护效率。 RFGC成功应用于确认检查涂层（丙烯酸共聚物Paraloid B-72）有效地保护大理石（和粘土）的表面免受二氧化硫的影响。
研磨材料的质量很大程度上取决于研磨性，润湿剂覆盖率和硬化过程质量。硫铁矿（FeS2），calfix（MgCO3+ CaCO3），冰晶石（Na3AlF6），氟硼酸钾（KBF4），立德（ZnS+BaSO 4），和 PAF（K3AlF6）都可以作为原材料填充混合物，他们的中间产物可以用 IGC测定。Voelkel和 Strzemiecka利用 IGC来评估研磨工具制造中的交联程度。 Jurga等人应用 IGC检测树脂在中间产物的交联度，这决定了研磨材料的稳定性。 Strzemiecka等人使用 IGC比较两种磨料填料：珍珠岩和沸石。他们使用了表面自由能的色散和特定分量用于确定其表面活性的填料以及用于检查填料和填料之间的相互作用现象的Flory-Huggins参数。
IGC分析主要测试吸附能。通过略微不同的方法，它表明即使是局部吸附自由能也可通过该技术测量。可以测定气态的烃类在固体表面（包括 ZnO，PbO和 CaCO3）的局部吸附等温线和局部比表面积。术语“局部”是指在特定时间活性的能量点。
3.3.1二氧化硅
二氧化硅是最具特征的无机化合物之一，不管是在自然界中还是合成的二氧化硅，都有不同形式，包括晶体，胶体，热解和多孔材料，例如硅胶和气凝胶。许多研究人员已经研究了多孔二氧化硅的表面化学和由于各种改变引起的变化。结果已经表明材料的色散表面能量独立于其比表面积起作用。二氧化硅表面通过与醇的酯化（气相二氧化硅）反应改性被测定来证明接枝反应的覆盖度。在类似的研究中，初始和表面的性质和 C8烷基链、甲醇和十六烷醇接枝二氧化硅的表面性质通过 IGC在有限浓度下评估。此外，研究有限浓度和无限稀释的 IGC来确定甲硅烷基化二氧化硅的覆盖度的影响。Sidqi等人测量了来自不同来源的纯净和不纯的二氧化硅样品表面的热力学参数。此外，改性二氧化硅的特点是着重于接枝碳数对其表面性质上的影响。在另一个研究，Pyda和 Guiochon由 IGC表征了二氧化硅基吸附剂。他们相信他们的数据更加准确，因为它们已经应用了固定相作为覆盖层，而不是将其包装成柱，所以比其他工作更精确。
Brendlé和 Papirer提出了在 IGC中的探针的拓扑指数（XT），以评估固体的表面纳米粗糙度各种形态。热解和层状结晶二氧化硅，以及氧化锆（ZrO2），针铁矿和石墨作为直链，支链和环状烷烃探针被表征。该研究是基于固体表面之间相互作用的强弱不仅受地表能量站点的控制，而且还受各个吸附物的分子结构和形态的影响。参数 XT成功用于确定γD和使用计算的探针拓扑指数的样品的表面粗糙度（纳米形态）。
可控孔玻璃是多孔玻璃，具有广泛的质地和孔隙特性。因为它可调节孔隙率（因此吸附强度可调）及其优异的机械和化学稳定性，它是一种适用于各种应用的有吸引力的材料。 Rueckriem等人应用IGC来描述纹理特性如何影响色散表面能量和特定表面能。热处理的受控孔隙率玻璃和硼包覆的硅胶也通过 IGC表征。结果表明，色散表面能（γD）由于表面改性，样品略微增加。在相比之下，表面自由能的极性分量（γSP）变化很大;这种现象主要归因于表面存在羟基。
使用 IGC研究了由硅烷和钛酸盐处理引起的玻璃纤维表面能的变化。结果表明，在未处理样品的情况下，固体表面是电子给体和吸附的探针是电子受体。然而，处理过的纤维表现出相反的电子给体/受体行为，并且电子从吸附的分子转移到电子坚硬的表面。样品建议的电子转移能力的顺序是：硅烷化处理＜未处理＜钛酸盐处理。
此外，观察到含有硅烷处理的短玻璃的纤维-酚醛树脂复合材料纤维机械性能有所改善。这种改进归因于组分的表面能值的改善的匹配，这导致复合物内更强的结合。
用十二烷基胺改性前后的石英用 IGC测定表面能，粘附功和亲水性（γSP/γT）。还进行了微量浮选实验研究表面特征与浮选响应之间的相关性。结果证实亲水性石英具有相对高的表面能和阳离子表面活性剂的吸附降低了疏水化石英的表面能。此外，表面异质性评价表明表面与未处理的样品相比，改性石英在能量上活性更低且更均匀。石英的浮选行为匹配表面能和粘附功的变化。
3.3.2粘土矿物质
以 IGC为特征粘土矿物是许多工业应用的有吸引力的化合物。层状硅酸盐矿物（蒙脱石）是从钻井泥浆和乳胶漆到动物垃圾盘和指甲油28 S. Mohammadi-Jam, K.E. Waters/ Advances in Colloid and Interface Science 212(2014) 21–44Fig. 10. Work of adhesion between water and galena(filled in triangles) and quartz(filled in squares); plus the hydrophilicity of galena(empty triangles) and quartz(empty squares); both as a function of surface coverage [233]. Reproduced with permission.的一类重要的矿物质。蒙脱石粘土具有高比表面积和化学活性;它们的结构层次允许它们吸引大量极性分子（如水）的数量进入它们的层间结构。蒙脱石，膨润土，贝得石，皂石，绿脱石，和锂蒙脱石是这组矿物中最重要的粘土。蒙脱石的表面性质由 Bandosz等人在无限稀释下通过 IGC测定。他们从 IGC获得的参数和化学特性发现了表面积和孔隙率。该技术被证实是一种研究层状矿物的表面有用的方法，因为它补充了传统的表征分析。高岭石是另一种重要的工业粘土，广泛用作聚合物工业中的填料。商业煅烧高岭土表面，在改性之前和用氨基硅烷偶联剂改性之后进行了 IGC分析。在这些研究中，由于煅烧和用偶联剂（氨基丙基）涂覆研究了三乙氧基硅烷高岭石表面自由能的变化。作者相信他们的结果“进一步验证了 IGC在细碎的固体的表面特性研究中的应用”。另外，使用无限稀释 IGC在不同温度下研究来自不同来源的伊利石和高岭土的表面自由能色散分量。在这项工作中，比较了来自不同地层条件的伊利石和高岭土的表面性质。 IGC不仅可以区分伊利石和高岭土，还能根据量的大小区分样本的类型。海泡石是另一种粘土矿物，在两种不同条件下使用IGC进行了表征。不同温度下的表面自由能的色散分量，以及焓。在无限稀释条件下测定玄武岩和改性海泡石的酸碱性质。此外，比表面积，孔体积和孔径以及吸附能分布是在有限浓度下实现的。它被发现是一个确定铁-海泡石表面性质的有用技术，虽然 IGC计算的比表面积没有显示出来与 N2吸附等温线得到的结果很好地吻合，BET方法低温空气等离子体处理的影响通过测量表面来评价高岭石的性质使用 Schultz和 Dorris-Gray方法通过 IGC获得能量。未处理的色散表面能异质性分布测定不同时间段的等离子体处理样品。空气等离子体处理后计算的γ D增加。来自γ D分布，得出的结论是样品的表面能处理 10分钟后激活;然而，将处理时间增加到 30分钟显示出相反的效果。此外，色散表面能量分布证实了空气等离子体处理在更广泛的表面覆盖范围内，导致更高的平均表面能用于高岭石粉末。氯化烃吸附在埃洛石上的等温线表面由两种IGC方法确定，峰值最大值（PM）和峰值划分（PD），并对结果进行了比较。在 PM法中，将几种单一溶剂注入 IGC色谱柱，而 PD计算基于单个色谱峰。快速获得吸附等温线，结果差异不大。而且，埃洛石表面氯化烃（二氯乙烯，三氯乙烯，四氯乙烯）吸附的焓含量为负值且随着吸附物的氯原子数增加而下降。该研究利用了 IGC在稀释（IGC-ID）和有限浓度（IGC-FC）条件不同研磨工艺对斜纹沥青（palygorskite）表面性质的影响，以评估表面能和特定表面的色散分量。三种不同的干磨工艺（批次应用球磨，空气喷射微粉化器和振动球磨机），用 IGC表征了地面产品表面性质的变化。结论是干磨样品的表面能的色散分量没有显着变化，除了振动球磨机的产品。
后续应用还在整理中，活性炭、碳纤维、木质纤维素纤维、金属氧化物、食品、燃料电池……
（欢迎各行业大咖评论，一起学习一起探讨。）
编辑于 2022-05-10著作权归作者所有
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气体吸收
8.1概述
(1)吸收的目的:在化学工业种,将气体混合物种的各组分加以分离,
其目的是:
①回收或捕获气体混合物中的有用物质,以制取产品;
②除去工艺气体中的有害成分,使气体净化,以便进一步加工处理,如有害气体会使催化剂中毒,必须除去;或除去工业放空尾气中的有害物,以免污染大气.
(2)吸收的依据
为达到吸收分离气体混合物的目的,要用什么物质(溶剂,吸收剂),其分离的依据使什么(气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同,若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大,吸收
的选择性越好)例如欲分离氨气+空气的混合物,可选择水做溶剂,因为氨水在水中的溶解度最大,而空气几乎不溶于水.
(3)工业吸收设备及气,液两相接触方式
我们已经了解了吸收的依据,下面再思考一个问题,上述密闭容器能否用作工业吸收设备(可以,但吸收效果不好,原因在于气,液两相接触情况不好)对工业吸收设备有什么要求(尽可能提供气,液两相有足够大的接触面积,尽可能使气,液两相接触充分,尽可能使气,液两相的传质推动力大(逆流))为达到上述要求,目前工业上常用的吸收设备使塔设备,按气,液两相在塔中的接触方式不同分为级式接触和微分接触两大类.
在工业上,上述两种不同接触方式的传质设备不仅用于气体吸收,同样也可用于液体精馏,萃取等其他传质单元操作.两类设备可采用完全不同的计算方法,本章吸收主要讨论填料塔的计算方法,下章精馏主要讨论板式塔的计算方法,而两种方法之间的关系及具体的塔结构及其设计计算在塔设备一章中介绍.
在工业上,两种形式的塔设备大多情况均为连续操作,即设备内的参数都不随时间变化,称为定态连续过程.当然也可以式间歇操作的非定态过程,很少见,故后面除特殊说明外,均指连续定态操作.
(4)工业吸收流程
由流程图可见,采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题:
①选择合适的溶剂,使能选择性比溶解某个(或某些)被分离组风;
②提供适当的传质设备(多位填料塔,也有板式塔)以实现气液两相的接触,使被分离组分得以从气相转移到液相(吸收)或相反(解吸);
③溶剂的再生,即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用.除了制取溶液产品只需单独吸收外,一般都要进行解吸操作,使溶剂再生循环使用.
总之,一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组成部分.
(5)溶剂的选择
吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质,特别是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系.根据物理化学中有关相平衡的知识可知,评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点:
①溶剂应对被分离组分(溶质)有较大的溶解度,或者说在一定的温度与浓度下,溶质的平衡分压要低.这样,从平衡角度来说,处理一定量混合气体所需溶剂量较少,气体中溶质的极限残余浓度亦可降低;就过程数率而言,溶质平衡分压↓,过程推动力大,传质数率快,所需设备尺寸小.
②溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小,即溶剂应具备较高的选择性.若溶剂的选择性不高,将同时吸收混合物中的其他组分,只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离.
③溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感,即不仅在低温下溶解度要大,平衡分压要小,而且随着温度升高,溶解度应迅速下降,平衡分压应迅速上升.这样,被吸收的气体容易解吸,溶剂再生方便.
④溶剂的蒸汽压要低,不易挥发.一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失,另一方面也是避免在气体中引入新的杂质.
⑤溶剂应有较好的化学稳定性,以免使用过程中发生变质;
⑥溶剂应有较低的粘度,不易产生泡沫,以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离.
⑦溶剂应尽可能满足价廉,易得,无毒,不易燃烧等经济和安全条件.
实际上很难找到一个理想得溶剂能够满足上述所有要求,应对可供选择得溶剂做全面得评价,以便作出经济,合理得选择.
(6)吸收操作得经济性
吸收总费用=设备(塔,换热器等)折旧费+操作费(占比重大)
操作费用主要包括:
①气,液两相流经吸收设备得能量消耗;
②溶剂得挥发度损失和变质损失;
③溶剂得再生费用,即解吸操作费用.(在三者中占比例最大)
常用得解吸方法有升温,吹气,减压,其中升温与吹气特别是升温与吹气同时使用最为常见.减压有利解吸,加压有利吸收,溶剂在吸收与解吸设备之间循环,其间得加热和冷却,泄压与加压必消耗较多得能量,故采用减压解吸不常见.若溶剂得溶解能力差,离开吸收塔得吸收液中溶质浓度低,则所需得溶剂循环量大,再生能耗也大.若溶剂得溶解能力对温度变化不敏感,所需解吸温度较高,溶剂再生得能耗也将增大.
若吸收了溶质以后得溶液是产品,此时不再需要溶剂的再生,这种吸收过程自然是最经济的.
提高吸收操作经济性的一种措施是对吸收系统进行优化设计(使系统的总费用最低),单塔吸收优化设计较容易,解题指南中有介绍(课程优化设计要做),吸收—解吸系统优化设计较难,许多问题有待研究解决(感兴趣的同学可去解决)
(7)物理吸收和化学吸收
①物理吸收:吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应,如上述洗油吸收苯,水吸收CO2,SO2等.
②化学吸收:吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应.如CO2在水中的溶解度甚低,但若用K2CO3水溶液吸收CO2,则在液相中发生下列反应:
K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3
从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力,作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件:
可逆性.若该反应不可逆,溶剂将难以再生和循环使用
较高的反应数率.若反应速率较慢,应研究加入适当的催化剂以加快反应速率.
(8)本章所作的基本假定
①单组分吸收.其余组分可视为一个惰性组分
②溶剂的蒸汽压很低,因此气相中不含溶剂蒸汽
8.2气液相平衡
吸收(传质)与传热两个过程的相似处:
传热与吸收过程均由三步构成(解释三步相似),但两个过程也有不同处:传热的推动力是两流体的温度差,过程的极限是两流体的温度相等;吸收的推动力不是两相的浓度差,过程的极限也不是两相的浓度相等.这是由于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡,气液相平衡关系是吸收过程的重要基础,我们将详细讨论它.
8.2.1平衡溶解度
在一定的温度与总压下,使一定量的溶剂与溶质接触,溶质便由气相向液相转移,随着溶液浓度的逐渐增高,传质速率将逐渐减慢,最后降为零,此时液相中溶质达到饱和,浓度达到一最大限度(为液相中溶质A的摩尔分数,下标e代表平衡),这时称气液两相达到相平衡,称为平衡溶解度,简称为溶解度(溶解度可以用不同的方式表示,相平衡关系亦可用不同的方式表示,如～,～,～,～等).
注意:此时并非没有溶质分子继续进入液相,只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等,在宏观上过程就象是停止了.这种状态称为相际动平衡,简称相平衡.
(1)溶解度曲线
对单组分物理吸收的物系,根据相律,自由度数F为F=C-Φ+2=3-2+2=3(C=3,溶质A,惰性组分B,溶剂S,Φ=2,气,液两相),即在温度,总压,气,液相组成共4个变量中,由3个自变量(独立变量),另1个是它们的函数,故可将平衡时溶质在气相中的分压表达为温度,总压和溶解度的函数:
有关气液相平衡关系的理论还不够完善,故上述平衡关系的具体函数形式还不能从理论上推出,一般时针对具体物系进行实验测定.实验表明,当总压不太高(一般<0.5Mpa)时,对平衡的影响可以忽略,而温度对平衡的影响颇大.图8-3为不同温度下氨在水中的溶解度曲线.从此图可以看出,↑同一下↓或同一下↑.～图直接反映了相平衡的本质(气相组成用分压表示直观),可直截了当地用以思考与分析.后面在讨论吸收塔的计算问题时所涉及到的许多关系式如物料衡算关系式,填料层高度计算式等其中的气液组成均用摩尔分数(气相),(液相)表示,故以摩尔分数,表示的相平衡关系可以方便地与吸收的上述关系一起对整个吸收过程进行数学描述.图8-4为SO2在101.3Kpa下在水中的溶解度曲线,图中气,液组成用摩尔分数,表示.图8-3～关系曲线为何不指定总压(或吸收)
②解吸(<解吸)
(2)指明过程的极限
(3)计算过程的推动力
8.3扩散和单相传质
在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题:过程的极限和过程的数率.吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数,在8.2节中作了讨论.本节将讨论吸收的速率问题.吸收过程涉及两相间的物质传递,它包括三个步骤:
溶质由气相主体传递到两相界面,即气相内的物质传递;
溶质在相界面上的溶解,由气相转入液相,即界面上发生的溶解过程
溶质自界面被传递至液相主体,即液相内的物质传递.
通常,第②步即界面上发生的溶解过程很容易进行,其阻力很小()故认为相界面上的溶解推动力亦很小,小至可认为其推动力为零,则相界面上气,液组成满足相平衡关系,这样总过程的速率将由两个单相即①步气相和③步液相内的传质速率所决定.无论是气相还是液相,物质传递的机理包括以下两种.
(1)分子扩散.类似于传热中的热传导,是分子微观运动的宏观统计结果.混合物中存在温度梯度,压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散,本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率.发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散.
(2)对流传质.是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质.发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质.
将一勺砂糖投于杯水中,片刻后整杯的水都会变甜,这就是分子扩散的结果.若用勺搅动杯中水,则将甜得更快更均匀,那便是对流传质的结果.
以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质.
8.3.1双组分混合物中的分子扩散
(1)费克定律
只要流体内部有浓度梯度,就会产生分子扩散,在恒温恒压下,一维分子扩散速率可用费克定律表达如下:
浓度梯度指向浓度增加的方向,而扩散向浓度降低的方向进行,故式中加-负号.为组分A在双组分混合物A,B中的扩散系数.
对双组分混合物,在总浓度(对气相也可说总压)各处相等及=常数的前提下,也有
(前提为常数,对气压为总压不变)
也就是说费克定律中的""为"分子对称面",A,B两组分的分子扩散速率大小相等,方向相反,否则就不能保证总浓度(或总压)不变.
(2)分子扩散与主体流动
气液相界面只允许溶质A溶解穿过,惰性气体B不能溶解穿过,也不允许溶剂S逆向汽化通过.由于界面处A组分不断被溶解吸收,,A组分存在浓度梯度,其方向指向A组分浓度高的方向为正,而A组分的分子扩散方向与其相反,朝界面扩散惰性气体B组分由于不能被液体吸收,故B组分在相界处的浓度高于气相主体,B组分存在浓度梯度,其方向指向B组分浓度高的方向为正,而B组分的分子扩散方向与其相反,朝气相主体扩散.
当液相能以同一速率向界面供应B组分时,界面处保持恒定,则,这种情况属于等分子反向扩散(下一章精馏属于这种情况).吸收过程液相不存在B组分,不可能向截面提供B组分,故吸收过程所发生的是组分A的单向扩散,而不是等分子反向扩散.
由于界面处组分A被液体吸收及组分B反向扩散离开界面,都将导致截面处气体总压降低,使气相主体与界面之间产生微小压差,这一压差必然促使混合气体向界面流动,此流动称为主体流动.
主体流动不同于扩散流(或),扩散流是分子微观运动的宏观结果,它所传递的是纯组分A或纯组分B.主体流动系宏观运动,它同时携带组分A与B流向界面.在定态条件下,主体流动所带组分B的量必恰好等于组分B反向扩散的量,以使保持恒定.
因气相主体与界面间的微小压差便足以造成必要的主体流动,因此气相各处的总压(或)仍可认为基本上是相等的,即的前提依然成立.
(3)分子扩散的速率方程
通过静止或层流气膜中与界面平行的任一静止平面PQ的物流由三个:两个扩散流和,及一个主体流动.设通过静止考擦平面PQ的净物流为N,对平面PQ作总物料衡算可得
式中:N——
——
——
——
上式说明,尽管主体流动与净物流的含义不同,但主体流动的速率与净物流速率N必相等.
为了求出组分A因分子扩散和主体流动而造成的传质速率,可在平面PQ处组分A作物料衡算得:
式中:——因组分A存在浓度梯度引起的分子扩散速率;
——主体流动中A所占的传递速率.
一般情况下,对双组分物系,净物流速率N即包括组分A也包括组分B,即
故:(8-16)
与有关
(4)分子扩散速率的积分式
上式分子扩散速率微分式中包含和两个未知数,只有已知和之间的关系时,才能积分求解,下面讨论两种常见的情况.
等分子反向扩散(精馏)
等分子反向扩散时没有净物流(因而也无主体流动=0),则,故
令,为扩散距离,积分上式得
此式表明等分子反向扩散时组分A的浓度分布为一直线.如图8-11所示.
对气相
单向扩散(吸收)
前已述及,吸收过程主体流动所带组分B的量必等于组分B反向分子扩散的量,故惰性组分B的净传递速率,可改写为:
令
则
故
此式表面单向扩散时组分A的浓度分布为一对数函数,如图8-12所示.
对气相
与等分子反向扩散速率方程相比,单向扩散时多了一个因子或,,我们称之为漂流因子(数),它反映了主体流动对传质速率的影响,,主体流动作用,对吸收愈好,这就如顺水推舟,水流使船速加大,故称之为漂流因子.若,,主体流动的影响可略去.
8.3.2扩散系数
扩散系数是物质的一种传递性质.它在传质中的作用与导热系数在传热中的作用相类似,但比导热系数更为复杂:一种物质的扩散总是相对于其他物质而言的,所以它至少要涉及两种物质,同一组分在不同混合物中的扩散系数是不一样的;扩散系数还与体系体系的温度,总压(气相)或浓度(液相有关).目前,扩散系数可由以下3种途径获得:
试验测得.试验测定是求物质扩散系数的根本途径,后面通过例8-2说明试验测定扩散系数的方法,当然还有其他的试验测定法.
有的手册中查得.
借助某些经验的或半经验的公式进行估算(查不到D又缺乏进行试验测定的条件时).
组分在气体中的扩散系数
表8-1列出总压在101.3kpa下某些气体在空气中的扩散系数数值,由表可见气体扩散系数的值约为.
经分子运动论的理论推导与试验修正,可以得到估算气体扩散系数的半经验式,如式(8-23)所示.该式形式复杂不须记住,只要能正确使用即可.由该式可知气体扩散系数D与A,B两组分的性质,体系和温度,压强有关.对一定物系气体D与绝对温度T的1.81次方成正比,与压强p成反比,式(8-24)须记住.
例8-2,解:
通过静止气体层的扩散为单向扩散,且为一非定态过程,但因扩散距离z的变化缓慢,故可作为拟定态处理.扩散速率可用式(8-22)表示
为求D必须知道,设汽化时间为,则的汽化速率也可用液面高度变化的速率表示,即
所以
=
=9.12×10-6m2/s
注意:①本题的难点在何处()②本解法与书本解法的区别在何处
组分在液体中的扩散系数
表8-3列出了某些物质在液体中的扩散系数,由于液体中的分子要比气体中的分子密集的多,可以预计其扩散系数要比气体中的扩散系数小的多,由表8-3知,液体中的扩散系数的数量级约为10-5cm2/s,为气相中的万分之一(气相约10-1～1cm2/s).
由于液体中的扩散在理论上还不成熟,用半经验式估算流体扩散系数不如气体可靠.此外,液体中组分的浓度对扩散系数由很大的影响.对很稀的非电解溶液可按(8-25)估算.此式亦不须记住,但须记住式(8-26),D与T成正比,与成反比.
8.3.3对流传质
(1)对流传质的贡献
通常传质设备中的流体都是流动的,流动流体与相界面之间的物质传递称为对流传质(如前述溶质由气相主体传到相界面及由相界面传到液相主体).流体的流动加快了相内的物质传递,层流及湍流两种流动加快传质的原因如下:
层流流动
此时溶质A组分再垂直于流动方向上的传质机理仍为分子扩散,但流动改变了横截面MN上的浓度分布,以气相于相界面的传质为例,组分A的浓度分布由静止气体的直线1变为曲线2,根据分子扩散速率方程式
由于相界面出浓度梯度变大,强化了传质.
湍流流动
大多数传质设备中流体的流动都属于湍流.湍流主体中流体产生大量的漩涡,引起流体质点间的剧烈混合,促进了横向(传质方向)的物质传递,流体主体的浓度分布被均化,浓度分布如曲线3所示.界面处的浓度梯度进一步变大,在主体浓度与界面浓度差相等的情况下,传质速率得到进一步的提高.
(2)对流传质速率
对流传质现象极为复杂,以湍流流动为例:在湍流主体中存在大量漩涡,传质只要靠涡流扩散;靠近界面附近有一层很薄的层流底层,传质主要靠分子扩散;在湍流主体和层流底层之间的过渡区漩涡扩散和分子扩散都存在.对流扩散速率可仿照分子扩散的速率写成:
不像D那样是物性参数,它与流体的湍动程度有关,也与流体质点的位置有关,难于用试验的方法测定,故的表达式形式好看但不好用,因而不能将代入的表达式中积分求出对流传质速率,怎么办目前一般是仿照对流给热,将对流传质速率方程写成类似于牛顿冷却定律或的形式,即认为正比于流体主体浓度与界面浓度之差,但与对流传热不同的是气液两相的浓度都可用不同的单位表示,所以可写成多种形式:
气相与界面间的
式中:以分压差表示推动力的气相传质系数或
式中:以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数
界面与液相间的
式中:以浓度差表示推动力的液相传质系数
或
式中:以摩尔分数差表示推动力的液相传质系数
注意:各有与相应的推动力一一对应,他们的单位是什么
比较以上各式可得出:
上述处理方法实际上是将一组流体主体浓度和界面浓度之差作为对流传质的推动力,而将影响对流传质的众多因素包括到气相(或液相)传质系数中.现在问题归结到如何得到各种具体条件下的传质系数(用试验测定的方法),对这么复杂的问题,具体用何种试验研究方法比较适宜(因次分析法)
(3)传质系数的无因次关联式
找出影响传质系数的因素,式中d为定性尺寸,D为扩散系数
对各变量的因次进行分析,得出无因次数群的函数表达式:
式中:准数定义见p19
由试验测定函数的定量关系
对降膜式吸收器,
然而,实际使用的传质设备形式各样(各种填料塔和板式塔),塔内流动情况十分复杂,两相的接触面液往往难以确定,这使对流传质分系数(气相或液相)的一般准数关联式远不及传热那样完善和可靠.同学们以后设计塔设备时要查阅有关的文献资料找出自己的设计条件相近的传质系数关联式,有条件应通过试验测定.
8.3.4三传(质量,动量,热量传递)类比
三传之间彼此有些类似的规律可进行类比研究(自学).
8.3.5对流传质理论
上述关于对流传质问题的处理方法时基于因次分析的试验法,并未对对流传质过程做理论上的探讨.为了揭示对流传质系数的物理本质,从理论上说明各因素对它的影响,不少研究者采用数学模型法加以研究,提出了多种传质模型.我们先简要回顾上学期学过的数学模型法的主要研究步骤:
将复杂的真实过程本省简化成易于用数学方程式描述的物理模型;
对所得到的物理模型进行数学描述即建立数学模型;
通过试验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数.
不同的研究者对过程的理解不同从而导出不同的模型,下面简要介绍三个重要的产值模型.
有效膜理论(惠特曼 Whitman,1923年)
物理模型惠特曼对复杂的对流传质过程作如下简述:a,气液相界面两侧各存在一层静止的或作层流流动的气膜和液膜,其厚度分别为和,气相或液相主体内由于流体高度团动混合均匀故不存在浓度差,所有浓度差集中于有效气膜和液膜内,故气相和液相的传质阻力也全部集中于该两层有效膜内;b,静止或层流有效膜中的传质是定态的分子扩散.
数学模型.
根据上述有效膜物理模型,通过膜的扩散为分子扩散,且吸收为单向扩散,故分别可用式(8-22)和式(8-20)描述气膜和液膜的传质情况:
气膜
式中:
液膜
式中
③试验测定模型参数
中分别包含了待定的参数与,既有效膜的厚度,称之为数学模型参数,需由试验测定.如果该模型能有效地反映过程的实质,那么,应主要取决于流体的流动状况(流体湍动越剧烈,膜厚度越薄,反之亦然)而与溶质组分A的扩散系数D无关,然而以上两式预示均正比于D,而试验结果表面,两者不符合.若为了与试验结果相吻合,有效膜厚度不仅与流动状况有关,而且与扩散系数D有关.这样,,不是实际存在的有效膜厚度,而是一种虚拟的或当量的膜厚,从而失去了该膜型应具有的理论含义.
由于有效膜理论与实际情况有些不符,促使许多研究者对对流传质理论进行了更深入的研究,从不同的角度研究提出的理论,下面介绍两种)
溶质渗透理论(希格比 Higbie,1935年)
希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合,使液体的浓度均匀化,在时间内,液相中发生的不再是定态的扩散过程,而是非定态的扩散过程.根据上述假设经数学描述得到:
与试验结果较吻合,但难以测定.
表面更新理论(丹克沃茨 Danckwerts,1951年)
丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新,即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中,这种界面不断更新使传质过程大大强化,其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处,现通过表面更新,深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质.定义S为表面更新频率,经过数学描述并求解得到:
与试验结果较吻合,但S难求.
综上所述,溶质渗透理论和表面更新理论比有效膜理论更接近实际情况,但或S难以测定,将它们用于传质过程的设计仍有一段距离,故目前用于传质设备设计主要还是有效膜理论.
8.4相际传质
溶质从一个相转移到另一个相称为相际传质或两相间的传质.吸收过程的相际传质是由气相与界面间的对流传质,界面上溶质组分的溶解,液相与界面间的对流传质三个过程串联而成.解决吸收过程相际传质速率问题目前是用双膜模型.
双膜模型
双膜模型的要点如下:
在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面,界面两侧分别存在着一个很薄的有效层流气膜和液膜,被吸收的溶质组分只能分子扩散的方式通过这两层膜,气相和液相的浓度变化(即推动力)及阻力均分别几种在这两层膜中,故
气相与界相=气相传质推动力/气相传质阻力
界面与液相=液相传质推动力/液相传质阻力
在相界面上不存在传质阻力,所需传质推动力等零,即在界面上气,液两相浓度成平衡,.
对稀溶液:(通过原点的直线)
或在计算范围内平衡线近似为直线:(图8-19)
相际传质速率方程
以上求的两个式子中可通过试验测定求得,但两式中的界面组成难求,实际使用时须设法从式中消去.如何消去呢既然我们讨论的是定态传质问题,气相与界面间的传质速率应等于界面与液相的传质速率,即
为消去界面浓度,上式最右端分子分母均乘以m,并将串联过程的推动力加和以及阻力加即得:
对稀溶液,则,故上式成为:
吸收总推动力/吸收总阻力
令(总阻力=气膜阻力+液膜阻力,符合双膜模型)
以气相摩尔分数差为总推动力的总传质系数,.
思考题:①若平衡关系为,上式成立否为什么:
②为得到以为总推动力的总传质(相对传质)速率方程,该如何处理
=吸收总推动力/吸收总阻力
比较的表达式可知
③你能导出解吸时的总传质(相际传质)速率方程吗若能请导出其表达式,并与吸收的方程比较.
解吸时总推动力与吸收相反,但总传质系数与吸收相同.
(3)传质速率方程的各种表达形式
由于传质速率方程中的传质系数可用总传质系数或某一相的分传质系数两种方法表示,相应的推动力也有总推动力或某一相的推动力两种,而气液相的浓度又可以用不同的方法表示,相平衡方程亦有不同的表达形式,故传质速率方程也有多种形式.表8-4列出了几种常用的速率方程,使用时应特别注意不同的推动力应对应于不同的传质系数.在解题指南p267表15-2中列出了相平衡方程为所对应的传质速率方程.上标*代表平衡相当于教材下标e,Y,X为摩尔比,它们于y,x的关系为,,今后若题目给定的时该形式的相平衡方程,就要使用与之相应的传质速率方程.另外表15-2中的H与本教材表8-4中的H为倒数关系.
8.4.2传质阻力的控制步骤
从前面根据双膜模型导出的结果可知总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和,即
,
(1)气膜阻力控制
当时,,即,此时的传质阻力主要集中于气膜,称这种情况为"气膜阻力控制".显然,对于气膜阻力控制的吸收过程,欲提高传质速率,在选择设备形式及确定操作条件时需设法提高以减小气膜阻力,如气体流率,.这与对流传热时为提高传热传热速率需设法提高小的以减小传热阻力类似.易溶气体溶解度大,平衡线斜率m小,其吸收过程往往是气膜阻力控制,如用水吸收,用弄硫酸吸收水蒸汽等均为气膜控制.
(2)液膜阻力控制
当时,,即,此时的传质阻力只要集中于液膜,称这种情况为"液膜阻力控制".显然,对于液膜阻力控制的吸收过程,欲提高传质速率,在选择设备形式及确定操作条件时需设法提高以减小气膜阻力,如液体流率,.难溶气体溶解度小,平衡线斜率m大,其吸收过程多为液膜控制,如用水吸收等均为液膜控制.
用水吸收及丙酮蒸汽,气膜阻力和液膜阻力各占一定比例,此时应同时设法减小气膜阻力和液膜阻力,传质速率才会有明显提高,我们称这种情况为"双膜控制".
例8-4
8.5低含量气体吸收
8.5.1吸收过程的数学描述
以逆流填料吸收塔为例,如右图所示
(1)底含量气体吸收底特点
① G,L可视为常量
②吸收过程时等温底(不必进行热衡)
③传质系数为常量
底含量气体吸收底上述特点将使计算过程大为简化.
(2)全塔物料衡算
(3)料衡算和传递速率的微分表达式
沿塔高(的正方向)气液浓度是连续变化的,传质推动力和传质速率也是沿塔高变化的,必须先列出无聊衡算和传质速率的微分表达式,然后沿塔高积分得到积分式才能用于吸收过程计算.取微元塔段作物料衡算得
对气相()
式中:G——,为塔截面积;
——,为传质面积;
——,为传质面积,为填料体积;
——,高度.
对液相
(4)传质速率积分式
(5)传质单元数欲传质单元高度
令
银镜反应必须在碱性条件下进行，酸性条件下银氨溶液就变质。
2 Ag(NH3)2OH+ 3 H2SO4= Ag2SO4+ 2(NH4)2SO4+ 2 H2O
没有Ag(NH3)2OH了，就不会产生银镜。
以水溶性合成树脂为原料合成高吸水树脂是目前的主导，其优点是克服了天然高分子接枝后改性的不足，并且原料丰富，缺点是成本偏高。具体合成方法为：聚丙烯酰胺的交联改性：与聚丙烯酰胺交联，如采用丙烯酸钠与丙烯酰胺共聚交联，可得吸水量可达2000g/g的高吸水性树脂。
扩展资料：
氢氧化钠具有强碱性和有很强的吸湿性。易溶于水，溶解时放热，水溶液呈碱性，有滑腻感；腐蚀性极强，对纤维、皮肤、玻璃、陶瓷等有腐蚀作用。与金属铝和锌、非金属硼和硅等反应放出氢；与氯、溴、碘等卤素发生歧化反应；与酸类起中和作用而生成盐和水。
氢氧化钠含有的杂质通常有铁、氯化钠、硅酸盐、碳酸盐等。取100g工业氢氧化钠溶于1L无水乙醇（不含乙醛）中，在不含二氧化碳、湿气的干燥空气中过滤，去除氯化物、碳酸盐、硅酸盐等杂质，浓缩滤液去除乙醇，随着浓缩分离掉生成的固体乙醇钠。用纯无水乙醇洗涤数次，长时间减压加热去除残留的乙醇，则得到纯度为99.8%左右的氢氧化钠。
参考资料来源：百度百科-氢氧化钠
仿生学是一门既古老又年轻的学科，是人们研究生物体的结构与功能工作的原理，并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技，创造出适用于生产，学习和生活的先进技术。
仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nlc（‘具有……的性质’的意思）”构成的。这个词语大约从1961年才开始使用。
仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。
扩展资料
仿生学的产生背景：
随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。
此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。
生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。
仿生设计学
仿生设计学,亦可称之为设计仿生学（Design Bionics）,它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，主要涉及到数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科。
仿生设计学与旧有的仿生学成果应用不同，它是以自然界万事万物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“结构”等为研究对象，有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行的设计，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。在某种意义上，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，是仿生学研究成果在人类生存方式中的反映。
仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界的锲合点，使人类社会与自然达到了高度的统一，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。
自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在，它们在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然界变化的本领。人类生活在自然界中，与周围的生物作“邻居”，这些生物各种各样的奇异本领，吸引着人们去想象和模仿。人类运用其观察、思维和设计能力，开始了对生物的模仿，并通过创造性的劳动，制造出简单的工具，增强了自己与自然界斗争的本领和能力。
人类最初使用的工具——木棒和石斧，无疑是使用的天然木棒和天然石块；骨针的使用，无疑是鱼刺的模仿……所有这些工具的创造、生活方式的选择都不能说是人类凭空想象出来的，只能说是对自然中存在的物质及某种构成方式的直接模拟，是人类初级创造阶段，也可以说是仿生设计的起源和雏形，它们虽然是比较粗糙的、表面的，但却是我们今天得以发展的基础。
在我国，早就有着模仿生物的事例。相传在公元前三千多年，我们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害；四千多年前，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车。古代庙宇中大殿之前的山门的建造，就其建筑结构来看，颇有点像大象的架势，柱子又圆又粗，仿佛像大象的腿。
我国古代勤劳勇敢的劳动人民对于绚丽的天空、翱翔的苍鹰早就有着各种美妙的幻想。根据秦汉时期史书记载，两千多年前，我国人民就发明了风筝，并且应用于军事联络。春秋战国时代，鲁国匠人鲁班，本名公输般，首先开始研制能飞的木鸟；并且他从一种能划破皮肤的带齿的草叶得到启示而发明了锯子。据《杜阳杂编》记载，唐朝有个韩志和，“善雕木作鸾、鹤、鸦、鹊之状，饮啄动静与真无异，以关戾置于腹内，发之则凌云奋飞，可高达三丈至一二百步外，始却下。”西汉时期，有人用鸟的羽毛做成翅膀，从高台上飞下来，企图模仿鸟的飞行。以上几例，足以说明我国古代劳动人民对鸟类的扑翼和飞行，进行了细致的观察和研究，这也是最早的仿生设计活动之一。明代发明的一种火箭武器“神火飞鸦”，也反映了人们向鸟类借鉴的愿望。
我国古代劳动人民对水生动物——鱼类的模仿也卓有成效。通过对水中生活的鱼类的模仿，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体，仿照鱼的胸鳍和尾鳍制成双桨和单橹，由此取得水上运输的自由。后来随制作水平提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。古代水战中使用的火箭武器“火龙出水”，多少有点模仿动物的意思。以上事例说明，我国古代劳动人民早期的仿生设计活动，为开发我国光辉灿烂的古代文明，创造了非凡的业绩。
外国的文明史上，大致也经历了相似的过程。在包含了丰富生产知识的古希腊神话中，有人用羽毛和蜡做成翅膀，逃出迷宫；还有泰尔发明了锯子，传说这是从鱼背骨和蛇的腭骨的形状受到启示而创造出来的。十五世纪时，德国的天文学家米勒制造了一只铁苍蝇和一只机械鹰，并进行了飞行表演。
一八ОΟ年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一—凯利，模仿鳟鱼和山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线，对航空技术的诞生起了很大的促进作用。同一时期，法国生理学家马雷，对鸟的飞行进行了仔细的研究，在他的著作《动物的机器》一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中，发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿，根据鸟类飞行机构的原理，终于制造了能够载人飞行的滑翔机。
后来，设计师又根据鹤的体态设计出了掘土机的悬臂，在一战期间，人们从毒气战幸存的野猪身上中获得启示，模仿野猪的鼻子设计出了防毒面具。在海洋中浮沉灵活的潜水艇又是运用了哪些原理？虽然我们无据考察潜艇设计师在设计潜艇时是否请教了生物界，但是不难设想，设计师一定懂得鱼鳔是鱼类用来改变身体同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陆两栖动物，体育工作者就是认真研究了青蛙在水中的运动姿势，总结出一套既省力、又快速的游泳动作——蛙泳。另外，为潜水员制作的蹼，几乎完全按照青蛙的后肢形状做成，这就大大提高了潜水员在水中的活动能力。
二、仿生设计的历史
自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在，它们在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然界变化的本领。人类生活在自然界中，与周围的生物作“邻居”，这些生物各种各样的奇异本领，吸引着人们去想象和模仿。人类运用其观察、思维和设计能力，开始了对生物的模仿，并通过创造性的劳动，制造出简单的工具，增强了自己与自然界斗争的本领和能力。
人类最初使用的工具——木棒和石斧，无疑是使用的天然木棒和天然石块；骨针的使用，无疑是鱼刺的模仿……所有这些工具的创造、生活方式的选择都不能说是人类凭空想象出来的，只能说是对自然中存在的物质及某种构成方式的直接模拟，是人类初级创造阶段，也可以说是仿生设计的起源和雏形，它们虽然是比较粗糙的、表面的，但却是我们今天得以发展的基础。
在我国，早就有着模仿生物的事例。相传在公元前三千多年，我们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害；四千多年前，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车。古代庙宇中大殿之前的山门的建造，就其建筑结构来看，颇有点像大象的架势，柱子又圆又粗，仿佛像大象的腿。
我国古代勤劳勇敢的劳动人民对于绚丽的天空、翱翔的苍鹰早就有着各种美妙的幻想。根据秦汉时期史书记载，两千多年前，我国人民就发明了风筝，并且应用于军事联络。春秋战国时代，鲁国匠人鲁班，本名公输般，首先开始研制能飞的木鸟；并且他从一种能划破皮肤的带齿的草叶得到启示而发明了锯子。据《杜阳杂编》记载，唐朝有个韩志和，“善雕木作鸾、鹤、鸦、鹊之状，饮啄动静与真无异，以关戾置于腹内，发之则凌云奋飞，可高达三丈至一二百步外，始却下。”西汉时期，有人用鸟的羽毛做成翅膀，从高台上飞下来，企图模仿鸟的飞行。以上几例，足以说明我国古代劳动人民对鸟类的扑翼和飞行，进行了细致的观察和研究，这也是最早的仿生设计活动之一。明代发明的一种火箭武器“神火飞鸦”，也反映了人们向鸟类借鉴的愿望。
我国古代劳动人民对水生动物——鱼类的模仿也卓有成效。通过对水中生活的鱼类的模仿，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体，仿照鱼的胸鳍和尾鳍制成双桨和单橹，由此取得水上运输的自由。后来随制作水平提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。古代水战中使用的火箭武器“火龙出水”，多少有点模仿动物的意思。以上事例说明，我国古代劳动人民早期的仿生设计活动，为开发我国光辉灿烂的古代文明，创造了非凡的业绩。
外国的文明史上，大致也经历了相似的过程。在包含了丰富生产知识的古希腊神话中，有人用羽毛和蜡做成翅膀，逃出迷宫；还有泰尔发明了锯子，传说这是从鱼背骨和蛇的腭骨的形状受到启示而创造出来的。十五世纪时，德国的天文学家米勒制造了一只铁苍蝇和一只机械鹰，并进行了飞行表演。
一八ОΟ年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一—凯利，模仿鳟鱼和山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线，对航空技术的诞生起了很大的促进作用。同一时期，法国生理学家马雷，对鸟的飞行进行了仔细的研究，在他的著作《动物的机器》一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中，发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿，根据鸟类飞行机构的原理，终于制造了能够载人飞行的滑翔机。
后来，设计师又根据鹤的体态设计出了掘土机的悬臂，在一战期间，人们从毒气战幸存的野猪身上中获得启示，模仿野猪的鼻子设计出了防毒面具。在海洋中浮沉灵活的潜水艇又是运用了哪些原理？虽然我们无据考察潜艇设计师在设计潜艇时是否请教了生物界，但是不难设想，设计师一定懂得鱼鳔是鱼类用来改变身体同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陆两栖动物，体育工作者就是认真研究了青蛙在水中的运动姿势，总结出一套既省力、又快速的游泳动作——蛙泳。另外，为潜水员制作的蹼，几乎完全按照青蛙的后肢形状做成，这就大大提高了潜水员在水中的活动能力。
三、仿生设计的发展
到了近代，生物学、电子学、动力学等学科的发展亦促进了仿生设计学的发展。以飞机的产生为例：
在经过无数次模仿鸟类的飞行失败后，人们通过不泄的努力，终于找到了鸟类能够飞行的原因：鸟的翅膀上弯下平，飞行时，上面的气流比下面的快，由此形成下面的压力比上面的大，于是翅膀就产生了垂直向上的升力，飞的越快，升力越大。
1852年，法国人季法儿发明了气球飞船；1870年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。利连塔尔是十九世纪末的一位具有大无畏冒险精神的人，他望着家乡波美拉尼亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过，他坚信人能飞行。1891年，他开始研制一种弧形肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机，自己还进行试飞；此后五年，他进行了2000多次滑翔飞行，并同鸟类进行了对比研究，提供了很有价值的资料。资料证明：气流流经机翼上部曲面所走路程，比气流流经机翼下平直表面距离较长，因而也较快，这样才能保证气流在机翼的后缘点汇合；上部气流由于走的较快，它就较为稀薄，从而产生强大吸力，约占机翼升力的三分之二大小；其余的升力来自翼下气流对机翼的压力。
19世纪末，内燃机的出现，给了人类有史以来一直梦寐以求的东西：翅膀。不用说这种翅膀是笨拙的、原始的和不可靠的，然而这却是使人类能随风伴鸟一起飞翔的翅膀。
莱特兄弟发明了真正意义上的飞机。在飞机的设计制作过程中，怎样使飞机拐弯和怎样使它稳定一直困绕着他们。为此，莱特兄弟又研究了鸟的飞行。例如，他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落，靠转动这只下落的翅膀保持平衡；这只翅膀上增大的压力怎样使鶙鵳保持稳定和平衡。这两个人给他们的滑翔机装上翼梢副翼进行这些实验，由地面上的人用绳控制，使之能转动或弯翘。他们的第二个成功的实验是用操纵飞机后部一个可转动的方向舵来控制飞机的方向，通过方向舵使飞机向左或向右转弯。
后来，随着飞机的不断发展，它们逐渐失去了原来那些笨重而难看的体形，它们变的更简单，更加实用。机身和单曲面机翼都呈现出象海贝、鱼和受波浪冲洗的石头所具有的自然线条。飞机的效率增加了，比以前飞的更快，飞的更高。到了现代，科学高度发展但环境破*、生态失衡、能源枯竭，人类意识到了重新认识自然，探讨与自然更加和谐的生存方式的高度紧迫感，亦认识到仿生设计学对人类未来发展的重要性。特别是一九六Ο年秋，在美国俄亥俄州召开了第一次仿生学讨论会，成为仿生学的正式诞生之日。
此后，仿生技术取得了飞跃的发展，并获得了广泛的应用。仿生设计亦随之获得突飞猛进的发展，一大批仿生设计作品如智能机器人、雷达、声纳、人工脏器、自动控制器、自动导航器等等应运而生。
近代，科学家根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼，用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星；根据空气动力学原理仿照鸭子头形状而设计的高速列车；模仿某些鱼类所喜欢的声音来诱捕鱼的电子诱鱼器；通过对萤火虫和海蝇地发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯等等。
目前，仿生设计学在对生物体几何尺寸及其外形的模仿同时，还通过研究生物系统的结构、功能、能量转换、信息传递等各种优异特征，并把它运用到技术系统中，改善已有的工程设备，并创造出新的工艺、自动化装置、特种技术元件等技术系统；同时仿生设计学为创造新的科学技术装备、建筑结构和新工艺提供原理、设计思想或规划蓝图，亦为现代设计的发展提供了新的方向，并充当了人类社会与自然界沟通信息的“纽带”。
对人脑的探索，可以展望未来的电子计算机有可能具有生物原理的功能。同它相比，现在的电子计算机只能作为算盘。
对植物光合作用的研究，将为延长人类的寿命、治疗疾病提供一个崭新的医学发展途径。
对生物体结构和形态的研究，有可能使未来的建筑、产品改变模样。使人们从“城市”这个人造物理环境中重新回归“自然”。
信天翁是一种海鸟，它具有淡化海水的器官——“去盐器”。对其“去盐器”的结构及其工作原理的研究，可以启发人们去改善旧的或创造出新的海水淡化装置。
白蚁能把吃下去的木质转化为脂肪和蛋白质，对其机理的研究，将会对人工合成这些物质有所启发。
同时仿生设计亦可对人类的生命和健康造成巨大的影响。例如人们可以通过仿生技术，设计制造制造出人造器官，如血管、肾、骨膜、关节、食道、气管、尿道、心脏、肝脏、血液、子宫、肺、胰、眼、耳以及人工细胞。专家预测，在本世纪中后期，除脑以外人的所有器官都可以用人工器官代替。例如，模拟血液的功能，可以制造、传递养料及废物，并能与氧气及二氧化碳自动结合并分离的液态碳氢化合物人工血；模拟肾功能，用多孔纤维增透膜制成血液过滤器，也就是人工肾；模拟肝脏，根据活性碳或离子交换树脂吸附过滤有毒物质，制成人工肝解毒器；模拟心脏功能，用血液和单向导通驱动装置，组成人工心脏自动循环器。
随着对宇宙的开发、认识，又将使人类不但认识宇宙中新形式的生命，而且将为人类提供崭新的设计，创造出地球上前所未有的新的装置……
仿生设计学的特点与研究内容
仿生设计学是仿生学与设计学互相交叉渗透而结合成的一门的边缘学科，其研究范围非常广泛，研究内容丰富多彩，特别是由于仿生学和设计学涉及到自然科学和社会科学的许多学科，因此也就很难对仿生设计学的研究内容进行划分。这里，我们是基于对所模拟生物系统在设计中的不同应用而分门别类的。归纳起来，仿生设计学的研究内容主要有：
1、形态仿生设计学研究的是生物体（包括动物、植物、微生物、人类）和自然界物质存在（如日、月、风、云、山、川、雷、电等）的外部形态及其象征寓意，以及如何通过相应的艺术处理手法将之应用与设计之中。
2、功能仿生设计学主要研究生物体和自然界物质存在的功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，以促进产品的更新换代或新产品的开发。
3、视觉仿生设计学研究生物体的视觉器官对图象的识别、对视觉信号的分析与处理，以及相应的视觉流程；他广泛应用与产品设计、视觉传达设计和环境设计之中。
4、结构仿生设计学主要研究生物体和自然界物质存在的内部结构原理在设计中的应用问题，适用与产品设计和建筑设计。研究最多的是植物的茎、叶以及动物形体、肌肉、骨骼的结构。
从国内外仿生设计学的发展情况来看，形态仿生设计学和功能仿生设计学是目前研究的重点。在本文中，还将着重介绍形态仿生学和功能仿生设计学的一些情况。6686体育app浏览器
作为一门新兴的边缘交叉学科，仿生设计学具有某些设计学和仿生学的特点，但他又有别与这两门学科。具体说来，仿生设计学具有如下特点：
1、艺术科学性
仿生设计学是现代设计学的一个分支、一个补充。同其它设计学科一样，仿生设计学亦具有它们的共同特性——艺术性。鉴于仿生设计学是以一定的设计原理为基础、以一定的仿生学理论和研究成果为依据，因此具有很严谨的科学性。
2、商业性
仿生设计学为设计服务，为消费者服务，同时优秀的仿生设计作品亦可刺激消费、引导消费、创造消费。
3、无限可逆性
以仿生设计学为理论依据的仿生设计作品都可以在自然界中找到设计的原型，该作品在设计、投产、销售过程中所遇到的各种问题又可以促进仿生设计学的研究与发展。仿生学的研究对象是无限的，仿生设计学的研究对象亦是无限的；同理，仿生设计的原型也是无限的，只要潜心研究大自然，我们永远不会有江郎才尽的一天。
4、学科知识的综合性
要熟悉和运用仿生设计学，必须具备一定的数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科的基本知识。
5、学科的交叉性
要深入研究和了解仿生设计学，必须在设计学的基础上，既要了解生物学、社会科学的基础知识，又要对当前仿生学的研究成果有清晰的认识。它是产生于几个学科交叉点上的一种新型交叉学科。
五、仿生设计学的研究方法
仿生设计学的研究方法主要为“模型分析法”：
1、创造生物模型和技术模型
首先从自然中选取研究对象，然后依此对象建立各种实体模型或虚拟模型，用各种技术手段（包括材料、工艺、计算机等）对它们进行研究，做出定量的数学依据；通过对生物体和模型定性的、定量的分析，把生物体的形态、结构转化为可以利用在技术领域的抽象功能，并考虑用不同的物质材料和工艺手段创造新的形态和结构。
①从功能出发、研究生物体结构形态——制造生物模型。
找到研究对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性认识。从功能出发，研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素，并加以简化，提出一个生物模型。对照生物原型进行定性的分析，用模型模拟生物结构原理。目的是研究生物体本身的结构原理。
②从结构形态出发，达到抽象功能——制造技术模型
根据对生物体的分析，做出定量的数学依据，用各种技术手段（包括材料、工艺等）制造出可以在产品上进行实验的技术模型。牢牢掌握量的尺度，从具象的形态和结构中，抽象出功能原理。目的是研究和发展技术模型本身。
2、可行性分析与研究
建立好模型后，开始对它们进行各种可行性的分析与研究：
①功能性分析
找到研究对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性认识。从功能出发，对照生物原型进行定性的分析。
②外部形态分析
对生物体的外部形态分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此过程中重点考虑的是人机工学、寓意、材料与加工工艺等方面的问题。
③色彩分析
进行色彩的分析同时，亦要对生物的生活环境进行分析，要研究为什么是这种色彩？在这一环境下这种色彩有什么功能？
④内部结构分析
研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素，并加以简化，通过分析，找出其在设计中值得借鉴合利用的地方。
⑤运动规律分析
利用现有的高科技手段，对生物体的运动规律进行研究，找出其运动的原理，针对性的解决设计工程中的问题。
当然，我们还可以就生物体的其它方面进行各种可行性分析。
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--作者：文丐
--发布时间：2004-9-15 7:41:15
--仿生搓洗引爆洗衣机新革命
仿生是高科技的代名词，它是指运用尖端的科学技术，来模仿生物的各种官能感觉和思维判功能，更加有效地为人数服务。各国都在不遗余力地加大在仿生学方面的研究。可以说，仿生学研究程度的高低，是国家综合国力的重要标志之一。荣事达集团研制开发的“仿生搓洗”全自动洗衣机最近推向市场，将仿生技术运用于洗衣机领域，产生了革命性的影响。
据了解，这种洗衣机首先具有神经智能网络功能，可以模仿人的恩维判断能力，根据衣物的重量、质地、脏污程度来自行决定洗涤程序、洗涤时间和水位的高低，从而达到最佳的洗涤状态。其次，具有搓衣板的功能。洗衣机内的搓洗棒能够像手一样随心所欲地来回搓动，这种搓动被控制在300度以内，能够保证把衣服洗干净又防止衣服缠绕。三是它去除了传统洗衣机因机械传动装置所包含的机械连杆、曲柄、齿轮等部件转动所带来的噪音，采用直流永磁无刷电机直接驱动，有效地防止噪音的产生。
直流永磁无刷电机可节电50％
采用直流永磁无刷电机，在电子驱动器的控制下可实现无级调速，并可精确地控制搓洗棒每次转动的次数和角度。因此，不同的衣物质地、脏污程度可以设定不同的洗涤程序，有效地模仿了人工搓洗的快慢节奏和力度，实现“仿生”搓洗。另外，采用直流永磁电机比采用交流电机节电50％。
电子刹车技术把噪音降到最低
有洗衣机的消费者会有因噪音大而烦恼的体会，他们在换购洗衣机时总希望拥有一台没有噪音的洗衣机。“仿生搓洗”洗衣机则恰好能满足这一点。
这主要是因为“仿生搓洗”洗衣机采用电子擎实现电子刹车，刹车时由电机本身迅速降速，从而避免了像其他洗衣机采用机械摩擦刹车时产生的噪音和振动，实现了静音运转。
搓洗棒确保洗涤过程中不产生碎屑
有洗衣机使用经验的消费者知道，洗衣机的洗涤桶上部都有一个过滤网，用来过滤衣物在洗涤时产生的碎屑。但是“仿生搓洗”洗衣机却没有这种过滤网，为什么呢？业内专家解释，这是因为“仿生搓洗”洗衣机的内部构造根本有别于波轮式和滚筒式洗衣机。“仿生搓洗”洗衣机采用的驱动擎是竖立的搓洗棒，能够使动能从中央向四周传递。当洗衣机启动时，搓洗棒带动衣物沿着桶壁运动的角度不超过300度，有效避免了衣物因连续旋转而形成的缠绕，以及与桶壁摩擦产生的碎屑，洗得干净、不缠绕、无摩擦，当然不需要过滤网。衣物沿桶壁来回运动与衣物在搓衣板上的来回运动极其相似，并能达到手洗效果，“仿生搓洗”洗衣机也由此得名。
（选自《精品购物指南》）
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--作者：枯藤老树
--发布时间：2004-9-20 17:56:29
--论仿生制造
师汉民
摘要阐明制造过程与生命现象之间的相似之处：基于自组织机制的有序化、基于信息模型的个体复制，以及通过进化过程形成的高度适应性。论述仿生制造的基本内涵，指出现代制造科学应该从生命现象及生命科学中学习与借鉴的主要内容，它们包括完善的信息技术、由基因控制的生长型的加工成形方法、性能超群的有机材料、奇妙的生物智能、高效的寻优与趋优方法，以及先进的组织结构和运行模式。提出关于加强学科间的联合，促进仿生制造技术研究的建议。
--结构构件
对于构件，在截面面积相同的情况下，把材料尽可能放到远离中和轴的位置上，是有效的截面形状。有趣的是，在自然界许多动植物的组织中也体现了这个结论。例如：“疾风知劲草”，许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构，其截面是空心的。支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钣梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的。
--斑马
斑马生活在非洲大陆，外形与一般的马没有什么两样，它们身上的条纹是为适应生存环境而衍化出来的保护色。在所有斑马中，细斑马长得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圆又大，条纹细密且多。斑马常与草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鸵鸟等共外，以抵御天敌。人类将斑马条纹应用到到军事上是一个是很成功仿生学例子。
一、蝙蝠与雷达
蝙蝠会释放出一种超声波，这种声波遇见物体时就会反弹回来，而人类听不见。雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。在各种地方都会用到雷达，例如：飞机、航空等。
二、振动陀螺仪
根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。
就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。
三、蝴蝶与仿生
科学家通过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的裨益。在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。
苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况，提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。
因此，尽管德军费尽心机，但列宁格勒的军事基地仍安然无恙，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。
四、伏特电池
电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究，终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器官是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。
由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中。
电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体，位于皮肤与肌肉之间，约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电压就很大了。
电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏特电池。
因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。
五、蜂类与仿生
蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109。28’，锐角70。32’完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。
人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。
蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太阳准确定位。科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪，早已广泛用于航海事业中。
参考资料来源：百度百科-仿生学
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