Проницаемость - Permeation

В физика и инженерное дело, проникновение (также называемый наполняющий) - проникновение пермеата (например, жидкость, газ, или же пар ) через твердое тело. Это напрямую связано с градиентом концентрации пермеата, материала внутренняя проницаемость, и материалы ' массовая диффузия. Проницаемость моделируется такими уравнениями, как Законы диффузии Фика, и его можно измерить с помощью таких инструментов, как минипериметр.

Описание

Процесс проникновения включает диффузию молекул, называемых проникающим веществом, через мембрану или поверхность раздела. Проникновение работает через диффузию; проникающий агент будет перемещаться от высокой концентрации к низкой через поверхность раздела. Материал может быть полупроницаемым, при наличии полупроницаемая мембрана. Только молекулы или ионы с определенными свойствами смогут диффундировать через такую мембрану. Это очень важный механизм в биологии, где необходимо регулировать и контролировать жидкости внутри кровеносных сосудов. Проникновение может происходить через большинство материалов, включая металлы, керамику и полимеры. Однако проницаемость металлов намного ниже, чем у керамики и полимеров из-за их кристаллической структуры и пористости.

Проницаемость - это то, что необходимо тщательно учитывать во многих применениях полимеров из-за их высокой проницаемости. Проницаемость зависит от температуры взаимодействия, а также от характеристик как полимера, так и проницаемого компонента. В процессе сорбция, молекулы проникающего вещества могут либо абсорбироваться, либо десорбироваться на границе раздела. Проницаемость материала можно измерить с помощью множества методов, которые количественно определяют проницаемость вещества через конкретный материал.

Проницаемость из-за диффузии измеряется в единицах СИ моль / (м ･ с ･ Па), хотя также широко используются барреры. Проницаемость за счет диффузии не следует путать с Проницаемость (науки о Земле) из-за потока жидкости в пористых твердых телах, измеренного в Дарси.^[1]^[2]

Связанные термины

Проникновение: вещество или разновидности, ион, молекулы, проникающие через твердое вещество.
Полупроницаемость: свойство материала быть проницаемым только для одних веществ, но не для других.
Измерение проницаемости: метод количественной оценки проницаемости материала для конкретного вещества.

История

Аббат Жан-Антуан Нолле (физик, 1700–1770)

Нолле пытался запечатать винные емкости с помощью свиной пузырь и хранил их под водой. Через некоторое время мочевой пузырь выпятился наружу. Он заметил высокое давление, которое снизилось после прокола мочевого пузыря. Любопытно, что он проделал эксперимент наоборот: он наполнил емкость водой и поместил ее в вино. Результатом было вздутие мочевого пузыря внутрь. Его заметки об этом эксперименте - первое научное упоминание о проницаемости (позже она будет называться полупроницаемой).

Томас Грэм (химик, 1805–1869)

Грэм экспериментально доказана зависимость газовой распространение на молекулярный вес, который теперь известен как Закон Грэма.

Ричард Баррер (1910–1996)

Barrer разработал современный Barrer метод измерения, и впервые использовал научные методы для измерения скорости проникновения.

Проникновение в повседневную жизнь

Упаковка: Проницаемость упаковки (материалы, уплотнения, крышки и т. Д.) Должна соответствовать чувствительности содержимого упаковки и указанной срок годности. Некоторые пакеты должны иметь почти герметичные уплотнения в то время как другие могут (а иногда и должны) быть избирательно проницаемыми. Поэтому важно знать точные скорости проникновения.

Конфигурация топливного элемента

Шины: Давление воздуха в шинах должно снижаться как можно медленнее. Хорошая шина - это та, которая пропускает наименьшее количество газа. Проникновение в шинах будет происходить со временем, поэтому лучше всего знать проницаемость материала, из которого будет образована шина, с требуемым газом, чтобы сделать шины наиболее эффективными.
Изоляционный материал: проницаемость для водяного пара изолирующего материала важна, а также для подводных кабелей важно защитить проводник от коррозия.
Топливные элементы: Автомобили оснащены топливными элементами с полимерно-электролитной мембраной (PEM) для преобразования водородного топлива и кислорода в атмосфере для производства электроэнергии. Однако эти элементы вырабатывают только около 1,16 вольт электричества. Чтобы привести автомобиль в действие, несколько ячеек объединены в стек. Выходная мощность батареи зависит как от количества, так и от размера отдельных топливных элементов.
Трубопроводы из термопластов и термореактивных материалов: трубы, предназначенные для транспортировки воды под высоким давлением, можно рассматривать как вышедшие из строя, если имеется заметное проникновение воды через стенку трубы к внешней поверхности трубы.
Применение в медицине. Проникновение можно также увидеть в медицине при доставке лекарств. Пластыри с лекарствами, изготовленные из полимерного материала, содержат химический резервуар, который загружается сверх его растворимости, а затем переносится в организм через контакт. Чтобы химическое вещество попало в организм, оно должно проникнуть и диффундировать через полимерную мембрану в соответствии с градиентом концентрации. Из-за чрезмерной растворимости резервуара транспортировка лекарственного средства происходит по механизму взрыва и задержки. Когда пластырь контактирует с кожей, скорость переноса лекарственного средства высока, но со временем устанавливается градиент концентрации, что означает, что доставка лекарственного средства устанавливается с постоянной скоростью. Это крайне важно для доставки лекарств и используется в таких случаях, как система Ocusert. Но и в медицине встречается и обратный случай. Поскольку ампулы могут содержать высокочувствительные фармацевтические препараты для инъекций, крайне важно, чтобы использованный материал не допускал попадания любых веществ в фармацевтический продукт или испарения из него. Для этого часто делают ампулы из стекло реже из синтетических материалов.
Техническое использование: при производстве Галогенные лампы, галогенные газы должны быть очень плотно герметизированы. Стекло алюмосиликатное может быть идеальным барьером для герметизации газа. Таким образом, переход к электроду имеет решающее значение. Но из-за соответствия тепловые расширения из стекло корпус и металл, переход рабочий.

Измерение проницаемости

Измерение проницаемости продувочным газом

Проникновение фильмы и мембраны можно измерять с любым газом или жидкостью. В одном методе используется центральный модуль, который разделен тестовой пленкой: тестовый газ подается с одной стороны ячейки, а проникающий газ переносится к детектору с помощью продувочного газа. На схеме справа показана ячейка для испытаний пленок, обычно сделанных из таких металлов, как нержавеющая сталь. На фото показана испытательная ячейка для труб из стекло, аналогично Конденсатор Либиха. Испытательная среда (жидкость или газ) находится во внутренней белой трубе, а пермеат собирается в пространстве между трубой и стеклянной стенкой. Он транспортируется продувочным газом (соединенным с верхним и нижним шарнирами) к анализирующему устройству.

Проницаемость также можно измерить посредством прерывистого контакта. Этот метод включает взятие образца исследуемого химического вещества и его размещение на поверхности материала, проницаемость которого наблюдается при добавлении или удалении определенных количеств испытуемого химического вещества. По прошествии известного времени материал анализируется, чтобы определить концентрацию тестируемого химического вещества, присутствующего во всей его структуре. Наряду с количеством времени, в течение которого химическое вещество находилось на материале, и анализом исследуемого материала, можно определить совокупную проницаемость исследуемого химического вещества.

В следующей таблице приведены примеры рассчитанного коэффициента проницаемости некоторых газов через силиконовую мембрану.

Название газа	Химическая формула	Коэффициент проницаемости силикона (Barrer )*
Кислород	О₂	600
Водород	ЧАС₂	650
Углекислый газ	CO₂	3250
Метанол	CH₃ОЙ	13900
Вода	ЧАС₂О	36000

*1 Баррер = 10⁻¹⁰ см³ (STP) · см / см² · С · см-рт. Ст.

Если не указано иное, проницаемость измеряется и сообщается при 25 ° C (RTP), а не (STP) от W. L. Robb. Тонкие силиконовые мембраны - их проницаемость и некоторые применения. Анналы Нью-Йоркской академии наук, т. 146, (январь 1968) выпуск 1 Материалы в, стр. 119–137^[3]

Аппроксимация с использованием первого закона Фика

Поток или поток массы пермеата через твердое тело можно смоделировать с помощью Первый закон Фика.

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

Это уравнение можно преобразовать в очень простую формулу, которую можно использовать в основных задачах для приблизительного определения проницаемости через мембрану.

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

куда

${displaystyle J}$ "диффузионный поток"
${displaystyle, D}$ - коэффициент диффузии или массовая диффузия
${displaystyle C}$ это концентрация пермеата
${displaystyle, delta}$ толщина мембраны

Мы можем представить ${displaystyle S}$ в это уравнение, которое представляет параметр равновесия сорбции, который является константой пропорциональности между давлением ( ${displaystyle p}$ ) и ${displaystyle C}$ . Это отношение можно представить как ${displaystyle C = Sp}$ .

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

Коэффициент диффузии можно объединить с параметром сорбционного равновесия, чтобы получить окончательную форму уравнения, где ${displaystyle P}$ проницаемость мембраны. Отношения ${displaystyle P = SD}$

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

Растворимость газа в металле

В практических приложениях, когда речь идет о газах, проникающих в металлы, есть способ связать давление газа с концентрацией. Многие газы существуют в виде двухатомных молекул в газовой фазе, но, проникая в металлы, они существуют в своей единственной ионной форме. Закон Сивертса утверждает, что растворимость газа в форме двухатомной молекулы в металле пропорциональна корню квадратному из парциального давления газа.

В этом случае поток можно аппроксимировать уравнением

{displaystyle {igg.} J = -D {frac {(S_ {2} 2-S_ {2})} {delta}} {igg.}}

Мы можем представить ${displaystyle K}$ в это уравнение, которое представляет константа равновесия реакции. От отношений ${displaystyle S = {K {sqrt {p_ {N}}}}}$ .

{displaystyle {igg.} J = -C {frac {K ({sqrt {p_ {1}}} - {sqrt {p_ {2}}})} {delta}} {igg.}}

Коэффициент диффузии можно объединить с константой равновесия реакции, чтобы получить окончательную форму уравнения, где ${displaystyle P}$ проницаемость мембраны. Отношения ${displaystyle P = KD}$

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

Смотрите также

Скорость пропускания паров влаги
Скорость передачи кислорода
Скорость передачи углекислого газа
Герметичная печать - Герметичное уплотнение
Сыворотка, также известный как пермеат молока - жидкость, остающаяся после того, как молоко свернулось и процежено.
Проницаемость (науки о Земле)

дальнейшее чтение

Ям, К. Л., Энциклопедия упаковочных технологий, Джон Уайли и сыновья, 2009 г., ISBN 978-0-470-08704-6
Мэсси, Л. К., Проницаемость пластмасс и эластомеров, 2003, издательство Andrew Publishing, ISBN 978-1-884207-97-6
ASTM F1249 Стандартный метод испытаний скорости прохождения водяного пара через пластиковую пленку и листовое покрытие с использованием модулированного инфракрасного датчика
ASTM E398 Стандартный метод испытаний скорости пропускания водяного пара листовых материалов с использованием динамического измерения относительной влажности
Стандартные методы испытаний ASTM F2298 на сопротивление диффузии водяного пара и сопротивление воздушному потоку материалов одежды с использованием ячейки с динамической проницаемостью влаги
F2622 Стандартный метод определения скорости прохождения газообразного кислорода через пластиковую пленку и пленку с использованием различных датчиков
G1383: Стандартный метод испытаний на проникновение жидкостей и газов через материалы защитной одежды в условиях прерывистого контакта.
«Тонкие силиконовые мембраны - их проницаемость и некоторые применения», Annals of the New York Academy of Sciences, vol. 146, вып. 1 Материалы в, с. 119–137 W. L. Robb
Фармацевтические системы для доставки лекарств, Дэвид Джонс; Чиен Ю.В. 2-е изд. Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк; 1993. Новые системы доставки лекарств.
О.В. Малых, А.Ю. Голуб, В.В. Тепляков, «Полимерные мембранные материалы: новые аспекты эмпирических подходов к прогнозированию параметров газопроницаемости в отношении постоянных газов, линейных низших углеводородов и некоторых токсичных газов», Достижения в области коллоидов и интерфейсной науки, Том 165, выпуски 1–2, 11 мая 2011 г., страницы 89–99 Дои:10.1016 / j.cis.2010.10.004.
Прогнозирование массовой проницаемости в полимерах (и их композитах) на основе теории свободного объема и уравнения состояния Санчеса-Лакомба, Программное обеспечение CheFEM.

[1] Карли, словарь пластмасс Джеймса Ф. Уиттингтона. CRC Press, 1993.

[2] Карли, Джеймс Ф. (8 октября 1993 г.). Словарь пластмасс Уиттингтона, третье издание. CRC Press. ISBN 9781566760904. Получено 20 сентября 2017 - через Google Книги.

[3] Робб, У. Л. (1968). «Тонкие силиконовые мембраны - их проницаемость и некоторые применения». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 146 (1): 119–137. Bibcode:1968НЯСА.146..119Р. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1968.tb20277.x. PMID 5238627. S2CID 28605088.

[1]

[2]

[3]