Проницаемость

В физике и технике проницаемость (также называемая проникновением ) — это проникновение пермеата (текучей среды, такой как жидкость , газ или пар ) через твердое тело. Она напрямую связана с градиентом концентрации пермеата, собственной проницаемостью материала и коэффициентом диффузии массы материала . ^[1]Проницаемость моделируется уравнениями, такими как законы диффузии Фика , и может быть измерена с помощью таких инструментов, как минипермеаметр .

Описание

Процесс проникновения включает диффузию молекул, называемых проникающим веществом, через мембрану или интерфейс. Проникновение происходит посредством диффузии; проникающее вещество будет перемещаться от высокой концентрации к низкой концентрации через интерфейс. 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 жидкости внутри кровеносного сосуда необходимо регулировать и контролировать. 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 компонента проницаемости. В процессе сорбции молекулы проницаемости могут либо абсорбироваться, либо десорбироваться на границе раздела. Проницаемость материала можно измерить с помощью многочисленных методов, которые количественно определяют проницаемость вещества через определенный материал.

Проницаемость вследствие диффузии измеряется в единицах СИ моль/(м･с･Па), хотя также обычно используются Барреры. Проницаемость вследствие диффузии не следует путать с Проницаемостью (земные науки) вследствие потока жидкости в пористых телах, измеряемой в Дарси. ^[2]^[3]

Связанные термины

Проникающее вещество: вещество или вид, ион, молекулы, проникающие через твердое тело.
Полупроницаемость: свойство материала быть проницаемым только для одних веществ и непроницаемым для других.
Измерение проницаемости: Метод количественной оценки проницаемости материала для определенного вещества.

История

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

Нолле попытался запечатать винные емкости свиным пузырем и поместил их под воду. Через некоторое время пузырь выпячивался наружу. Он заметил высокое давление, которое возникало после того, как он прокалывал пузырь. Из любопытства он провел эксперимент наоборот: наполнил емкость водой и поместил ее в вино. Результатом стало вздутие внутренней части пузыря. Его заметки об этом эксперименте являются первым научным упоминанием о проницаемости (позже ее назовут полупроницаемостью).

Томас Грэм (химик, 1805–1869)

Грэм экспериментально доказал зависимость диффузии газа от молекулярной массы , которая теперь известна как закон Грэма .

Ричард Баррер (1910–1996)

Баррер разработал современную методику измерения Баррера и впервые применил научные методы для измерения скорости проницаемости.

Приложения

Упаковка : Проницаемость упаковки (материалы, уплотнения, затворы и т. д.) должна соответствовать чувствительности содержимого упаковки и указанному сроку годности . Некоторые упаковки должны иметь почти герметичные уплотнения , в то время как другие могут (а иногда и должны) быть выборочно проницаемыми. Поэтому важно знать точные скорости проницаемости.

Шины : Давление воздуха в шинах должно снижаться как можно медленнее. Хорошая шина — та, которая позволяет выходить наименьшему количеству газа. Проницаемость будет происходить с течением времени с шинами, поэтому лучше знать проницаемость материала, из которого будет сделана шина, с желаемым газом, чтобы сделать шины наиболее эффективными.
Изоляционный материал: паропроницаемость изоляционного материала важна, а для подводных кабелей — для защиты проводника от коррозии .
Топливные элементы : Автомобили оснащены топливными элементами с полимерной электролитной мембраной (PEM) для преобразования водородного топлива и кислорода, содержащегося в атмосфере, в электричество. Однако эти элементы вырабатывают только около 1,16 вольт электричества. Для питания транспортного средства несколько элементов объединяются в стопку. Выходная мощность стопки зависит как от количества, так и от размера отдельных топливных элементов.
Трубопроводы из термопластика и термореактивных материалов: Трубы, предназначенные для транспортировки воды под высоким давлением, можно считать неисправными, если наблюдается заметное просачивание воды через стенку трубы на ее внешнюю поверхность.
Медицинское применение: Проницаемость также можно наблюдать в медицинской сфере при доставке лекарств. Лекарственные пластыри, изготовленные из полимерного материала, содержат химический резервуар, который загружен сверх его растворимости, а затем переносится в организм посредством контакта. Для того чтобы химическое вещество высвободилось в организм, оно должно проникнуть и диффундировать через полимерную мембрану в соответствии с градиентом концентрации. Из-за повышенной растворимости резервуара транспортировка препарата следует механизму всплеска и задержки. Существует высокая скорость переноса препарата, когда пластырь контактирует с кожей, но с течением времени устанавливается градиент концентрации, что означает, что доставка препарата устанавливается с постоянной скоростью. Это имеет решающее значение при доставке лекарств и используется в таких случаях, как система Ocusert. Но также можно найти и противоположный случай в медицинской сфере. Поскольку ампулы могут содержать высокочувствительные фармацевтические препараты для инъекций, крайне важно, чтобы используемый материал не допускал попадания любых видов 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 инкапсулированы очень плотно. Алюмосиликатное стекло может быть идеальным барьером для инкапсуляции газа. При этом переход к электроду имеет решающее значение. Но из-за согласования термических расширений стеклянного корпуса и металла переход работает.

Измерение проницаемости

Проницаемость пленок и мембран можно измерить с помощью любого газа или жидкости. Один из методов использует центральный модуль, который отделен тестовой пленкой: тестовый газ подается с одной стороны ячейки, а проникший газ переносится к детектору продувочным газом. На схеме справа показана тестовая ячейка для пленок, обычно изготавливаемая из металлов, таких как нержавеющая сталь . На фотографии показана тестовая ячейка для труб из стекла , похожая на конденсатор Либиха . Тестовая среда (жидкость или газ) находится во внутренней белой трубе, а пермеат собирается в пространстве между трубой и стеклянной стенкой. Он транспортируется продувочным газом (подключенным к верхнему и нижнему соединению) к анализирующему устройству.

Проницаемость также можно измерить с помощью прерывистого контакта. Этот метод включает взятие образца тестируемого химиката и размещение его на поверхности материала, проницаемость которого наблюдается при добавлении или удалении определенных количеств тестируемого химиката. По истечении известного времени материал анализируется для определения концентрации тестируемого химиката, присутствующего во всей его структуре. Наряду с количеством времени, в течение которого химикат находился на материале, и анализом тестируемого материала можно определить кумулятивную проницаемость тестируемого химиката.

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

* 1 Баррер = 10 ⁻¹⁰ см ³ (СТП) · см /см ² · с · см рт.ст.

Если не указано иное, проницаемости измеряются и сообщаются при 25 °C (RTP), а не (STP) Из WL Robb. Тонкие силиконовые мембраны – их свойства проницаемости и некоторые применения. Annals of the New York Academy of Sciences, т. 146, (январь 1968 г.) выпуск 1 Материалы, стр. 119–137 ^[4]

Аппроксимация с использованием первого закона Фика

Поток или течение массы пермеата через твердое тело можно смоделировать с помощью первого закона Фика .

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

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

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

где

$J$ это "диффузионный поток"
$\,D$ это коэффициент диффузии или массовая диффузия
$С$ это концентрация пермеата
$\,\дельта$ толщина мембраны

В это уравнение можно ввести параметр сорбционного равновесия, представляющий собой константу пропорциональности между давлением ( ) и . Эту зависимость можно представить как . $S$ $p$ $С$ $C=Sp$

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

Коэффициент диффузии можно объединить с параметром равновесия сорбции, чтобы получить окончательную форму уравнения, где — проницаемость мембраны. Соотношение $P$ $P=SD$

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

Растворимость газа в металле

В практических приложениях при рассмотрении газов, проникающих в металлы, есть способ связать давление газа с концентрацией. Многие газы существуют в виде двухатомных молекул в газообразной фазе, но при проникновении в металлы они существуют в своей единственной ионной форме. Закон Сивертса гласит, что растворимость газа в форме двухатомной молекулы в металле пропорциональна квадратному корню парциального давления газа.

В этом случае поток можно аппроксимировать уравнением

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

В это уравнение можно ввести , что представляет собой константу равновесия реакции . Из соотношения . $К$ $S={K{\sqrt {p_{N}}}}$

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

Коэффициент диффузии можно объединить с константой равновесия реакции, чтобы получить окончательную форму уравнения, где — проницаемость мембраны. Соотношение $P$ $P=КД$

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

Смотрите также

Скорость пропускания водяного пара – мера прохождения водяного пара через вещество.
Скорость пропускания кислорода – мера проницаемости упаковки
Скорость передачи углекислого газа
Герметичное уплотнение – Воздухонепроницаемое уплотнение
Проницаемость (науки о Земле) – мера способности пористого материала пропускать через себя жидкости.

Ссылки

^ Фу, Джинлонг; Томас, Хайвел Р.; Ли, Чэньфэн (январь 2021 г.). «Извилистость пористых сред: анализ изображений и физическое моделирование» (PDF) . Earth-Science Reviews . 212 : 103439. Bibcode :2021ESRv..21203439F. doi :10.1016/j.earscirev.2020.103439. S2CID 229386129.
^ Карли, Словарь пластмасс Джеймса Ф. Уиттингтона. CRC Press, 1993.
^ Карли, Джеймс Ф. (8 октября 1993 г.). Словарь пластмасс Уиттингтона, третье издание. CRC Press. ISBN 9781566760904. Получено 20 сентября 2017 г. – через Google Books.
^ Робб, В. Л. (1968). «Тонкие силиконовые мембраны — их проницаемость и некоторые применения». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 146 (1): 119–137. Bibcode : 1968NYASA.146..119R. doi : 10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x. PMID 5238627. S2CID 28605088.

Дальнейшее чтение

Ям, К. Л., Энциклопедия упаковочных технологий , John Wiley & Sons, 2009, ISBN 978-0-470-08704-6
Мэсси, Л.К., Свойства проницаемости пластмасс и эластомеров , 2003, Andrew Publishing, ISBN 978-1-884207-97-6
Стандартный метод испытаний ASTM F1249 для определения скорости пропускания водяного пара через пластиковую пленку и листы с использованием модулированного инфракрасного датчика
ASTM E398 Стандартный метод испытаний скорости пропускания водяного пара листовыми материалами с использованием динамического измерения относительной влажности
Стандартные методы испытаний ASTM F2298 на сопротивление диффузии водяного пара и сопротивление потоку воздуха материалов одежды с использованием ячейки динамического влагопроницания
F2622 Стандартный метод испытаний скорости пропускания газообразного кислорода через пластиковую пленку и листы 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 области применения», Анналы Нью-Йоркской академии наук, т. 146, выпуск 1 Материалы, стр. 119–137 WL Robb
Фармацевтические системы для доставки лекарств , Дэвид Джонс; Чиен YW. 2-е изд. Нью-Йорк: Marcel Dekker, Inc; 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», Advances in Colloid and Interface Science , том 165, выпуски 1–2, 11 мая 2011 г., страницы 89–99 doi :10.1016/j.cis.2010.10.004.
CheFEM 3 — это программное обеспечение FEM на основе уравнения состояния для прогнозирования проницаемости полимеров и их композитов, программное обеспечение CheFEM 3.