Permeazione

In fisica e ingegneria , la permeazione è la penetrazione di un permeato ( liquido , gas o vapore ) attraverso un solido. È direttamente collegato al gradiente di concentrazione del permeato, alla permeabilità intrinseca del materiale e alla sua diffusività di massa . La permeazione è modellata da equazioni come le leggi di diffusione di Fick e può essere misurata utilizzando strumenti come un permeametro.

Descrizione

Il processo di permeazione prevede la diffusione di molecole che formano il permeato, il più delle volte attraverso una membrana o un'interfaccia. La permeazione è dovuta alla diffusione; il permeato si sposterà dal mezzo ad alta concentrazione a quello a bassa concentrazione attraverso l'interfaccia. Un materiale può essere semipermeabile, con la presenza di una membrana semipermeabile . Solo molecole o ioni con determinate proprietà saranno in grado di diffondersi attraverso questa membrana. È un meccanismo molto importante in biologia, dove i fluidi all'interno di un vaso sanguigno devono essere regolati e controllati. La permeazione può avvenire attraverso la maggior parte dei materiali, inclusi metalli, ceramiche e polimeri. Tuttavia, la permeabilità dei metalli è molto inferiore a quella di ceramiche e polimeri a causa della loro struttura cristallina e porosità.

La permeazione è un fenomeno da tenere in considerazione nelle applicazioni di vari polimeri a causa della loro elevata permeabilità. La permeabilità dipende dalla temperatura alla quale avviene l'interazione nonché dalle caratteristiche del polimero e del permeato. Attraverso il processo di assorbimento , le molecole di permeato possono essere assorbite o adsorbite all'interfaccia. La penetrazione di un materiale può essere misurata attraverso molti metodi che consentono di quantificare la permeabilità di una sostanza attraverso un materiale specifico.

La permeabilità dovuta alla diffusione viene misurata nel sistema SI in mol / * s * Pa. La permeabilità per diffusione non è da confondere con la permeabilità dovuta al flusso di un fluido in solidi porosi, misurata a Darcy.

Termini correlati

Permeato: la sostanza o specie, ioni, molecole che passano attraverso il solido.
Semipermeabilità: proprietà di un materiale permeabile solo per determinate sostanze e non per altre.
Misura della permeazione: metodo per quantificare la permeabilità di un materiale per una sostanza specifica.

Storia

Abate Jean-Antoine Nollet (fisico, 1700-1770)

Nollet ha cercato di sigillare i contenitori pieni di vino con la vescica di maiale, poi li ha conservati sotto l'acqua. Dopo un po ', la vescica si gonfiò verso l'esterno. Ha notato la forte pressione del liquido fuoriuscito quando ha perforato la vescica. Curioso, fa l'esperimento nella direzione opposta: ha riempito d'acqua i contenitori prima di riporli nel vino. Il risultato è stato una vescica sporgente verso l'interno. I suoi appunti su questo esperimento sono la prima menzione scientifica della permeazione (qui più precisamente della semipermeabilità).

Thomas Graham (chimico, 1805-1869)

Graham ha dimostrato sperimentalmente che la diffusione del gas dipendeva dal peso molecolare , che ora è noto come legge di Graham .

Richard Barrer (1910-1996)

Barrer ha sviluppato la prima tecnica di misurazione moderna, utilizzando metodi scientifici per misurare il tasso di permeazione.

Permeazione nella vita di tutti i giorni

Imballaggio : La permeabilità dell'imballo (materiali, sigilli, tappi, ecc.) Deve andare di pari passo con la sensibilità del contenuto dell'imballo e il periodo di conservazione ottimale . Alcuni pacchetti devono avere sigilli quasi ermetici, mentre altri possono (e talvolta dovrebbero) essere selettivamente permeabili. Conoscere i tassi di permeazione esatti è quindi essenziale.

Pneumatici : la pressione dell'aria nei pneumatici dovrebbe diminuire il più lentamente possibile. Un buon pneumatico è quello che lascia fuoriuscire meno gas. La permeazione avverrà nel tempo, quindi è meglio conoscere la permeabilità del materiale utilizzato per realizzare il pneumatico con i gas utilizzati per riempirlo (qui aria).
Isolamento: Anche la permeabilità dei materiali isolanti al vapore acqueo è importante, soprattutto per l'isolamento dei cavi sottomarini, per proteggere i conduttori dalla corrosione .
Celle a combustibile : alcuni prototipi di auto elettriche sono dotate di una cella a combustibile, dotata di una membrana a scambio protonico (PEM) per convertire l'idrogeno (carburante) e l'ossigeno nell'atmosfera in acqua per produrre elettricità. Tuttavia, queste batterie producono solo circa 1,16 V di elettricità: sono combinate in serie per alimentare un veicolo.
Tubi realizzati in polimeri termoplastici e termoindurenti: i tubi destinati al trasporto di acqua ad alta pressione devono essere realizzati con materiali sufficientemente a tenuta per garantire che l'acqua non permea attraverso la parete del tubo.
Usi medici: la permeazione può essere utilizzata anche in campo medico, soprattutto nella realizzazione di cerotti utilizzati per erogare una sostanza farmacologica attraverso una parete semipermeabile, quindi attraverso la pelle.

Approssimazione usando la prima legge di Fick

Il flusso della massa del permeato attraverso il solido può essere modellato dalla prima legge di Fick .

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

Questa equazione può essere ridotta a una semplice formula che può essere utilizzata in problemi di base per approssimare la permeazione attraverso una membrana.

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

${\ displaystyle J}$ è il flusso di trasmissione
${\ displaystyle \, D}$ è il coefficiente di diffusione, o diffusività di massa
$VS$ è la concentrazione del permeato
${\ displaystyle \, \ delta}$ è lo spessore della membrana

Possiamo introdurre in questa equazione, che rappresenta il parametro di equilibrio di assorbimento, che è la costante di proporzionalità tra la pressione ( ) e . Questa relazione può essere rappresentata da . $S$ $p$ $VS$ ${\ displaystyle C = Sp}$

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

Il coefficiente di diffusione può essere combinato con il parametro di equilibrio di assorbimento per ottenere la forma finale dell'equazione, dove è la permeabilità della membrana. La relazione si traduce in: $P$ ${\ displaystyle P = SD}$

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

Solubilità di un gas in un metallo

Nelle applicazioni pratiche, quando si osservano i gas che entrano nei metalli, esiste una relazione tra la pressione del gas e la concentrazione. Molti gas esistono come molecole biatomiche quando sono nella loro fase gassosa, ma come ioni monoatomici quando si trovano nei metalli. La legge di Sieverts afferma che la solubilità di un gas sotto forma di una molecola biatomica, il metallo è proporzionale alla radice quadrata della pressione parziale del gas.

Il flusso può essere approssimato in questo caso dall'equazione:

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

Possiamo quindi introdurre in questa equazione, che rappresenta la costante di equilibrio della reazione. Dalla relazione : $K$ ${\ displaystyle S = {K {\ sqrt {p_ {N}}}}}$

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

Il coefficiente di diffusione può essere combinato con la costante di equilibrio della reazione per ottenere la forma finale dell'equazione, dove è la permeabilità della membrana. La relazione si traduce in: $P$ ${\ displaystyle P = KD}$

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

Vedi anche

Riferimenti

Ulteriore lettura

Yam, KL, Encyclopedia of Packaging Technology , John Wiley & Sons, 2009, ( ISBN 978-0-470-08704-6 )
Massey, LK, Proprietà di permeabilità di materie plastiche ed elastomeri , 2003, Andrew Publishing, ( ISBN 978-1-884207-97-6 )
Metodo di prova standard ASTM F1249 per la trasmissione del vapore acqueo attraverso film e fogli di plastica utilizzando un sensore a infrarossi modulato
Metodo di prova standard ASTM E398 per la velocità di trasmissione del vapore acqueo del materiale in fogli utilizzando la misurazione dinamica dell'umidità relativa
Metodi di prova standard ASTM F2298 per la resistenza al flusso d'aria di diffusione del vapore acqueo e la resistenza dei materiali di abbigliamento utilizzando la cella di permeazione della dinamica dell'umidità
Metodo di prova standard F2622 per la velocità di trasmissione del gas di ossigeno attraverso pellicole e fogli di plastica utilizzando sensori diversi
F1383: Metodo di prova standard per la permeazione di liquidi e gas attraverso i materiali degli indumenti protettivi in condizioni di discontinuità da contatto.
DI MEMBRANE DI SILICONE SOTTILI - PROPRIETÀ DI PERMEAZIONE E ALCUNE APPLICAZIONI Annals of the New York Academy of Sciences, vol. 146, numero 1 di Materiali da pp. 119-137 WL Robb
Sistemi farmaceutici per la somministrazione di farmaci , David Jones; Cane YW. 2a ed. New York: Marcel Dekker, Inc., 1992. New Drug Delivery Systems.
OV Malykh, A. Yu. Golub, VV Teplyakov, "Polymeric membrane materials: New Aspects of Empirical Approaches to Predicting Gas Permeability Parameters in Permanent Gas, Lower Linear Hydrocarbons and Certain Toxic Gases," Advances in Colloids and of the Science Interface , Volume 164, numeri 1-2,11 maggio 2011, Pagine 89-99 DOI : 10.1016 / j.cis.2010.10.004 .