Проникновение

Проникновение жидкости, газа или пара через твердое тело

В физике и инженерный, проницаемость (также называемая пропитка ) - проникновение проникающего вещества (например, жидкости, газа или пар ) через твердое тело. Это напрямую связано с градиентом концентрации пермеата, внутренней проницаемостью материала и коэффициентом диффузии материала. Проницаемость моделируется уравнениями, такими как законы диффузии Фика, и может быть измерена с помощью таких инструментов, как минипермеаметр.

• 1 Описание
• 2 Связанные термины
• 3 История
  • 3.1 Аббат Жан-Антуан Нолле (физик, 1700–1770)
  • 3.2 Томас Грэм (химик, 1805–1869)
  • 3.3 Ричард Баррер (1910–1996)
• 4 Проникновение в повседневной жизни
• 5 Измерение проницаемости
• 6 Приближение с использованием Первого закона Фика
• 7 Растворимость газа в металле
• 8 См. Также
• 9 Ссылки
• 10 Дополнительная литература

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 полупроницаемой мембраны. 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 кровеносного сосуда. 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 при применении многих полимеров из-за их высокой проницаемости. Проницаемость зависит от температуры взаимодействия, а также от характеристик как полимера, так и проницаемого компонента. В процессе сорбции 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 за счет диффузии измеряется в единицах СИ, моль / (м ･ с ･ Па), хотя также обычно используются баррезы. Проницаемость из-за диффузии не следует путать с проницаемостью (науки о Земле) из-за потока жидкости в пористых твердых телах, измеренной в Дарси.

• проницаемость: вещество или разновидности, иона, молекул, проникающих через твердое тело.
• Полупроницаемость: свойство материала быть проницаемым только для одних веществ, но не для других.
• Измерение проницаемости: метод количественной оценки проницаемости материал для определенного вещества.

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

Нолле пытался запечатать емкости с вином с помощью свиного пузыря 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 доказал зависимость газовой диффузии от молекулярной массы, которая теперь известна как Закон Грэма.

Ричард Баррер (1910–1996)

Баррер разработал современный метод измерения Баррера и впервые применил научные методы для измерения скорости проницаемости.

• Упаковка : проницаемость упаковки (материалов, уплотнений, затворов и т. Д.) Должна быть согласована с чувствительностью содержимого упаковки и указанным срок годности. Некоторые упаковки должны иметь почти герметичные уплотнения, в то время как другие могут (а иногда и должны) быть избирательно проницаемыми. Поэтому важно знать точную скорость проникновения.

Конфигурация топливного элемента

• Шины : Давление воздуха в шинах должно снижаться как можно медленнее. Хорошая шина - это та, которая пропускает наименьшее количество газа. Проницаемость шин будет происходить с течением времени, поэтому лучше всего знать проницаемость материала, из которого будет образована шина, с требуемым газом, чтобы сделать шины наиболее эффективными.
• Изоляционный материал: проницаемость водяного пара изоляционный материал важен, как и для подводных кабелей, для защиты проводника от коррозии.
• Топливные элементы : автомобили оснащены топливными элементами с полимерно-электролитной мембраной (PEM) для преобразования водородного топлива и кислорода в атмосфере. производить электричество. 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 термопласта и термореактивного материала: трубы, предназначенные для транспортировки воды под высоким давлением, могут рассматриваться как вышедшие из строя при обнаружении проницаемости воды через стенку трубы к внешней поверхности трубы.
• Применение в медицине: проницаемость также наблюдается в области медицины 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 лекарства высока, но с увеличением времени устанавливается градиент концентрации, что означает, что доставка лекарства 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 используемый материал не допускал попадания любых веществ в фармацевтический продукт или испарения из него. Для этого ампулы часто изготавливают из стекла и реже из синтетических материалов.
• Технические применения: при производстве галогенных ламп галогенные газы должны быть герметизированы. очень близко. Алюмосиликатное стекло может быть идеальным барьером для герметизации газов. Таким образом, переход к электроду имеет решающее значение. Но из-за соответствия теплового расширения стеклянного корпуса и металла, переход работает.

Измерение проницаемости с продувочным газом

Проникновение пленки и мембраны можно измерять с помощью любого газа или жидкости. 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 изготавливаемых из таких металлов, как нержавеющая сталь. На фото показана испытательная ячейка для труб из стекла, аналогичная конденсатору 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 с помощью 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 (Баррер ) *
Кислород	O2	600
Водород	H2	650
Двуокись углерода	CO2	3250
Метанол	CH3OH	13900
Вода	H2O	36000

*1 Баррер = 10 см (STP) · см / см · с · см-рт. Ст.

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

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

$J\; =\; -\; D\; \partial \; \varphi \; \partial \; x\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bigg.\}\; J\; =\; -D\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; \backslash \; phi\}\; \{\backslash \; partial\; x\}\}\; \{\backslash \; bigg.\}\}$

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

$J\; =\; -\; D\; (C\; 2\; -\; C\; 1)\; \delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bigg.\}\; J\; =\; -D\; \{\backslash \; frac\; \{(C\_\; \{2\}\; -C\_\; \{1\})\}\; \{\backslash \; delta\}\}\; \{\backslash \; bigg.\}\}$

где

• $J\; \{\backslash \; displaystyle\; J\}$- «диффузионный поток»
• $D\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash ,\; D\}$- коэффициент диффузии или коэффициент диффузии по массе
• $C\; \{\backslash \; displaystyle\; C\}$- концентрация пермеата;
• $\delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash ,\; \backslash \; delta\}$- толщина слоя мембрана

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

$J\; =\; -\; DS\; (p\; 2\; -\; p\; 1)\; \delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bigg.\}\; J\; =\; -D\; \{\backslash \; frac\; \{S\; (p\_\; \{2\}\; -p\_\; \{1\})\}\; \{\backslash \; delta\}\}\; \{\backslash \; bigg.\}\}$

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

$J\; =\; -\; P\; (p\; 2\; -\; p\; 1)\; \delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bigg.\}\; J\; =\; -\; \{\backslash \; frac\; \{P\; (p\_\; \{\; 2\}\; -p\_\; \{1\})\}\; \{\backslash \; delta\}\}\; \{\backslash \; bigg.\}\}$

В практических приложениях, глядя на газы, проникающие 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 гласит, что растворимость газа в форме двухатомной молекулы в металле пропорциональна квадратному корню из парциального давления газа.

В этом случае поток можно аппроксимировать уравнением

$J\; =\; -\; D\; (S\; 2\; 2\; -\; S\; 2)\; \delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bigg.\}\; J\; =\; -D\; \{\backslash \; frac\; \{(\; S\_\; \{2\}\; 2-S\_\; \{2\})\}\; \{\backslash \; delta\}\}\; \{\backslash \; bigg.\}\}$

Мы можем ввести $K\; \{\backslash \; displaystyle\; K\}$в это уравнение, которое представляет константа равновесия реакции. Из отношения $S\; =\; К\; п\; N\; \{\backslash \; displaystyle\; S\; =\; \{K\; \{\backslash \; sqrt\; \{p\_\; \{N\}\}\}\}\}$.

$J\; =\; -\; CK\; (p\; 1\; -\; p\; 2)\; \delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bigg.\}\; J\; =\; -C\; \{\backslash \; frac\; \{K\; (\{\backslash \; sqrt\; \{p\_\; \{1\}\}\}\; -\; \{\backslash \; sqrt\; \{p\_\; \{2\}\}\})\}\; \{\backslash \; delta\}\}\; \{\backslash \; bigg.\}\}$

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

$J\; =\; -\; BP\; (p\; 1\; -\; p\; 2)\; \delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bigg.\}\; J\; =\; -B\; \{\backslash \; frac\; \{P\; (\{\; \backslash \; sqrt\; \{p\_\; \{1\}\}\}\; -\; \{\backslash \; sqrt\; \{p\_\; \{2\}\}\})\}\; \{\backslash \; delta\}\}\; \{\backslash \; bigg.\}\}$

• Скорость передачи паров влаги
• Передача кислорода коэффициент
• Скорость проникновения углекислого газа
• Герметичное уплотнение - Герметичное уплотнение
• Сыворотка, также известная как Молочный пермеат - Жидкость, остающаяся после свертывания и процеживания молока
• Проницаемость (науки о Земле)

• Yam, KL, Encyclopedia of Packaging Technology, John Wiley Sons, 2009, ISBN 978-0-470- 08704-6
• Massey, LK, Свойства проницаемости пластмасс и эластомеров, 2003, Andrew Publishing, ISBN 978-1-884207-97-6
• Стандарт ASTM F1249 Метод испытания скорости прохождения водяного пара через пластиковую пленку и листовое покрытие с использованием модулированного инфракрасного датчика
• Стандартный метод испытаний ASTM E398 для скорости прохождения водяного пара листовых материалов с использованием g Измерение динамической относительной влажности
• Стандартные методы испытаний ASTM F2298 для определения сопротивления диффузии водяного пара и сопротивления воздушному потоку материалов одежды с использованием ячейки динамической проницаемости влаги
• F2622 Стандартный метод тестирования скорости прохождения газообразного кислорода Пластиковая пленка и защитное покрытие 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 приложения », Анналы Нью-Йоркской академии наук, т. 146, выпуск 1 Материалы в стр. 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 по отношению к постоянным газам, линейным низшим углеводородам и некоторым токсичным газам», Успехи в науке о коллоидах и границах раздела, Том 165, Выпуски 1-2, 11 мая 2011, страницы 89–99 doi : 10.1016 / j.cis.2010.10.004.
• Прогнозирование массовой проницаемости в полимерах (и их композитах) на основе теории свободного объема и уравнения Санчеса-Лакомба штата, программное обеспечение CheFEM.