Permeation

I fysik og teknik er permeation gennemtrængning af en permeat ( væske , gas eller damp ) gennem et fast stof. Det er direkte knyttet til permeatkoncentrationsgradienten, til materialets iboende permeabilitet og dets massediffusivitet . Permeation er modelleret af ligninger som Ficks diffusionslove og kan måles ved hjælp af værktøjer såsom et permeameter.

Beskrivelse

Permeationsprocessen involverer diffusion af molekyler, der danner permeatet, ofte gennem en membran eller en grænseflade. Permeation skyldes diffusion; permeatet vil bevæge sig fra mediet med høj koncentration til det med lav koncentration gennem grænsefladen. Et materiale kan være semipermeabelt med nærvær af en semipermeabel membran . Kun molekyler eller ioner med bestemte egenskaber er i stand til at diffundere gennem denne membran. Det er en meget vigtig mekanisme i biologien, hvor væsker inde i et blodkar skal reguleres og kontrolleres. Permeation kan forekomme gennem de fleste materialer, herunder metaller, keramik og polymerer. Imidlertid er permeabiliteten af metaller meget lavere end for keramik og polymerer på grund af deres krystalstruktur og porøsitet.

Permeation er et fænomen, der skal tages i betragtning ved anvendelser af forskellige polymerer på grund af deres høje permeabilitet. Permeabiliteten afhænger af den temperatur, ved hvilken interaktionen finder sted, såvel som polymerens og permeatets egenskaber. Gennem sorptionsprocessen kan permeatmolekylerne absorberes eller adsorberes ved grænsefladen. Gennemtrængningen af et materiale kan måles ved hjælp af mange metoder, der gør det muligt at kvantificere permeabiliteten af et stof gennem et specifikt materiale.

Permeabiliteten på grund af diffusion måles i SI-systemet i mol / * s * Pa. Permeabiliteten på grund af diffusion må ikke forveksles med permeabiliteten på grund af strømmen af en væske i porøse faste stoffer målt i Darcy.

Relaterede udtryk

Permeat: Stoffet eller arten, ioner, molekyler, der passerer gennem det faste stof.
Semipermeabilitet: Ejendom af et permeabelt materiale kun for visse stoffer og ikke for andre.
Permeationsmåling: Metode til at kvantificere permeabiliteten af et materiale for et specifikt stof.

Historie

Abbed Jean-Antoine Nollet (fysiker, 1700-1770)

Nollet forsøgte at forsegle beholdere fyldt med vin med griseblæren og opbevarede dem derefter under vand. Efter et stykke tid bulede blæren udad. Han bemærkede det stærke tryk af væsken, der slap ud, da han punkterede blæren. Nysgerrig gjorde han eksperimentet i den anden retning: han fyldte beholderne med vand, inden han lagrede dem i vinen. Resultatet var en indad svulmende blære. Hans noter om dette eksperiment er den første videnskabelige omtale af permeation (her mere præcist af semi-permeabilitet).

Thomas Graham (kemiker, 1805-1869)

Graham beviste eksperimentelt, at gasdiffusion var afhængig af molekylvægt , som nu er kendt som Grahams lov .

Richard Barrer (1910-1996)

Barrer udviklede den første moderne måleteknik ved hjælp af videnskabelige metoder til at måle gennemtrængningshastigheden.

Permeation i hverdagen

Emballage : Emballagens permeabilitet (materialer, tætninger, propper osv.) Skal gå hånd i hånd med følsomheden af indholdet af emballagen og den optimale opbevaringstid . Nogle pakker skal have næsten hermetiske segl, mens andre kan (og nogle gange bør) være selektivt permeable. Det er derfor vigtigt at kende de nøjagtige gennemtrængningshastigheder.

Dæk : Lufttrykket i dækkene skal falde så langsomt som muligt. Et godt dæk er det, der lader mindst mulig gas slippe ud. Permeation vil forekomme over tid, så det er bedst at kende permeabiliteten af det materiale, der bruges til at fremstille dækket med de gasser, der bruges til at fylde det (her luft).
Isolering: Isoleringsmaterialers permeabilitet over for vanddamp er også vigtig, især for isolering af undersøiske kabler, for at beskytte lederne mod korrosion .
Brændselsceller : nogle prototyper af elbiler er udstyret med en brændselscelle udstyret med en protonudvekslingsmembran (PEM) for at omdanne brint (brændstof) og ilt i atmosfæren til vand for at producere elektricitet. Imidlertid producerer disse batterier kun ca. 1,16 V elektricitet: de kombineres i serie for at drive et køretøj.
Rør fremstillet af termoplastiske og termohærdende polymerer: rør beregnet til transport af vand under højt tryk skal være lavet af materialer, der er tilstrækkeligt tætte til at sikre, at vand ikke trænger igennem rørvæggen.
Medicinske anvendelser: Permeation kan også bruges inden for det medicinske område, især til fremstilling af plastre, der bruges til at levere et lægemiddelstof gennem en semi-permeabel væg og derefter gennem huden.

Tilnærmelse ved hjælp af Ficks første lov

Strømningen af permeatets masse gennem det faste stof kan modelleres af Ficks første lov .

{\ displaystyle {\ bigg.} J = -D {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial x}} {\ bigg.}}

Denne ligning kan reduceres til en simpel formel, som kan bruges i grundlæggende problemer til at tilnærme permeation gennem en membran.

{\ displaystyle {\ bigg.} J = -D {\ frac {(C_ {2} -C_ {1})} {\ delta}} {\ bigg.}}

eller

${\ displaystyle J}$ er udsendelsesstrømmen
${\ displaystyle \, D}$ er diffusionskoefficienten eller massediffusiviteten
$VS$ er permeatkoncentrationen
${\ displaystyle \, \ delta}$ er membranens tykkelse

Vi kan introducere i denne ligning, som repræsenterer sorptionsligevægtsparameteren, som er proportionalitetskonstanten mellem trykket ( ) og . Dette forhold kan repræsenteres af . $S$ $s$ $VS$ ${\ displaystyle C = Sp}$

{\ displaystyle {\ bigg.} J = -D {\ frac {S (p_ {2} -p_ {1})} {\ delta}} {\ bigg.}}

Diffusionskoefficienten kan kombineres med sorptionsligevægtsparameteren for at opnå den endelige form af ligningen, hvor er membranens permeabilitet. Forholdet resulterer i: $P$ ${\ displaystyle P = SD}$

{\ displaystyle {\ bigg.} J = - {\ frac {P (p_ {2} -p_ {1})} {\ delta}} {\ bigg.}}

Opløselighed af en gas i et metal

I praktiske anvendelser er der et forhold mellem gastryk og koncentration, når man ser på gasser, der kommer ind i metaller. Mange gasser findes som diatomiske molekyler i deres gasfase, men som monoatomiske ioner, når de findes i metaller. Den lov Sieverts fastslår, at opløseligheden af en gas i form af en toatomigt molekyle, metallet er proportional med kvadratroden af partialtrykket af gas.

I dette tilfælde kan strømmen tilnærmes ved hjælp af ligningen:

{\ displaystyle {\ bigg.} J = -D {\ frac {(S_ {1} -S_ {2})} {\ delta}} {\ bigg.}}

Vi kan derefter introducere i denne ligning, som repræsenterer reaktionens ligevægtskonstant. Fra forholdet : $K$ ${\ displaystyle S = {K {\ sqrt {p_ {N}}}}}$

{\ displaystyle {\ bigg.} J = -D {\ frac {K ({\ sqrt {p_ {1}}} - {\ sqrt {p_ {2}}})} {\ delta}} {\ bigg. }}

Diffusionskoefficienten kan kombineres med reaktionens ligevægtskonstant for at opnå den endelige form af ligningen, hvor membranens permeabilitet er. Forholdet resulterer i: $P$ ${\ displaystyle P = KD}$

{\ displaystyle {\ bigg.} J = - {\ frac {P ({\ sqrt {p_ {1}}} - {\ sqrt {p_ {2}}})} {\ delta}} {\ bigg.} }

Se også

Referencer

Yderligere læsning

Yam, KL, Encyclopedia of Packaging Technology , John Wiley & Sons, 2009, ( ISBN 978-0-470-08704-6 )
Massey, LK, permeabilitetsegenskaber for plast og elastomerer , 2003, Andrew Publishing, ( ISBN 978-1-884207-97-6 )
ASTM F1249 Standard testmetode til transmission af vanddamp gennem plastfolie og plader ved hjælp af moduleret infrarød sensor
ASTM E398 Standard testmetode for vanddamptransmissionshastighed for arkmateriale ved anvendelse af dynamisk relativ luftfugtighedsmåling
ASTM F2298 Standard testmetoder for vanddampdiffusion Luftstrømningsmodstand og modstandsdygtighed over for beklædningsgenstande ved hjælp af fugtdynamik Permeation Cell
F2622 Standard testmetode for iltgasoverførselshastighed gennem plastfolie og plader ved hjælp af forskellige sensorer
F1383: Standard testmetode til permeation af væsker og gasser gennem beskyttelsesbeklædningsmaterialer under kontaktdiskontinuitetsbetingelser.
AF TINNE SILIKONMEMBRANER - DERES TILLADELSESEGENSKABER OG VISSE ANVENDELSER Annaler fra New York Academy of Sciences, vol. 146, nummer 1 i Materialer fra s. 119-137 WL Robb
Farmaceutiske systemer til levering af lægemidler , David Jones; Hund YW. 2. udgave New York: Marcel Dekker, Inc., 1992. Nye lægemiddelafgivelsessystemer.
OV Malykh, A. Yu. Golub, VV Teplyakov, "Polymermembranmaterialer: Nye aspekter af empiriske tilgange til forudsigelse af gaspermeabilitetsparametre i permanent gas, lavere lineære kulbrinter og visse giftige gasser," Fremskridt i kolloider og videnskabsgrænsefladen , volumen 164, udgave 1-2,11. maj 2011, Sider 89-99 DOI : 10.1016 / j.cis.2010.10.004 .