Permeation

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Unter Permeation (lateinisch permeare – durchdringen) versteht man den Vorgang, bei dem ein Stoff (Permeat) einen Festkörper durchdringt oder durchwandert. Die Triebkraft ist ein Konzentrationsgradient. Permeabilität wird durch Permeationsmessung geprüft.

Inhaltsverzeichnis 1 Beschreibung des Vorgangs 2 Verwandte Begriffe 3 Historisches 3.1 Abbé Jean-Antoine Nollet (Physiker, 1700 - 1770) 3.2 Thomas Graham (Chemiker, 1805-1869) 3.3 Richard Barrer (1910 - 1996) 4 Permeation im Alltag 5 Permeationsmessung 6 Links

[Bearbeiten] Beschreibung des Vorgangs

Ohne äußere Einflüsse bewegt sich das Permeat dabei immer in die Richtung der geringeren Konzentration bzw. des niedrigeren Partialdrucks. Der Vorgang der Permeation verläuft in drei Teilschritten:

1. Sorption (an der Grenzfläche): Gase, Dämpfe oder in Flüssigkeiten gelöste Chemikalien oder suspendierte Stoffe werden an der Oberfläche des Feststoffes aufgenommen.
2. Diffusion (durch den Festkörper): Das Permeat durchdringt das feste Material durch Poren bzw. molekulare Zwischenräume.
3. Desorption: Das Adsorbat entweicht als Gas auf der anderen Seite des Feststoffes.

[Bearbeiten] Verwandte Begriffe

• Permeat: Der Stoff, der durch den Festkörper dringt (permeiert).
• Permeabilität:Der Grad der Durchlässigkeit eines Feststoffes, also wieviel Permeation durch den betreffenden Stoff stattfindet. Beeinflusst wird diese Eigenschaft sowohl von der Art des Permeates als auch durch Druck, Temperatur, Dicke des Feststoffes und der Flächengröße.
• Semipermeabilität: Die Eigenschaft eines Stoffes, für manche Permeate durchlässig zu sein und andere nicht hindurch zu lassen.
• Permeationsmessung: Messmethode zur Quantifizierung der Permeabilität eines Stoffes (für ein bestimmtes Permeat)

[Bearbeiten] Historisches

[Bearbeiten] Abbé Jean-Antoine Nollet (Physiker, 1700 - 1770)

Nollet wollte Wein luftdicht abschließen, hat den Behälter mit einer Schweinsblase verschlossen und ihn zusätzlich in einem Wasserbad untergetaucht. Mit der Zeit stellte er fest, dass sich die Blase immer mehr nach außen wölbte. Als er sie schließlich aufstach, entlud sich ein enormer Druck. Aus Neugierde drehte er den Versuchsaufbau um und füllte in den Behälter Wasser, und tauchte ihn in Wein. Wie zu erwarten beobachtete er eine ähnliche Wölbung der Schweinsblase ins Innere des Behälters. Diese notierten Versuchsergebnisse sind die ersten wissenschaftlichen Erwähnungen einer Art der Permeation (diese würde man später Semipermeabilität nennen).

[Bearbeiten] Thomas Graham (Chemiker, 1805-1869)

Graham wies die Abhängigkeit der Gasdiffusion vom Molekulargewicht experimental nach. Er ist der Begründer des Grahamschen Gesetz, das damit in direktem Zusammenhang steht.

[Bearbeiten] Richard Barrer (1910 - 1996)

Barrer legte die Grundlagen zur heutigen Messtechnik. Er hat zum ersten Mal moderne wissenschaftliche Methoden benutzt, um Untersuchungen zur Permeation durchzuführen. Damit hat er die Grundlage für die heute essentiellen Permeationsmessungen in der Prozesschemie gelegt.

[Bearbeiten] Permeation im Alltag

Im täglichen Leben gibt es zahlreiche Situationen, in denen Permeation eine wesentliche Rolle spielt:

• Verpackungen: Verpackungen sollen entweder völlig dicht sein (z.B. für Schokolade oder Bier) oder selektiv durchlässig (z.B. für Sauerstoff bei Erdbeeren). Daher ist die Kenntnis über die Permeation oder sogar die genaue Permeationsrate essentiell.
• Autoreifen: Der Druck im Autoreifen soll möglichst langsam sinken. Daher ist es interessant zu wissen, welches Gas am langsamsten durch einen Reifen permeiert.
• Isoliermaterialien: Bei Materialien zur Wärmedämmung ist z.B. die Wasserdampfdurchlässigkeit von Bedeutung. Auch die Isolierung von Unterseekabeln muss den Leiter vor Korrosion schützen.
• Kraftstoffsystem: Die Erfüllung von gesetzlichen Auflagen im Automobilbereich, wie z.B. die Vorschriften von CARB (California Air Resource Board) zum Low Emission Vehicle LEV erfordert die Verwendung von undurchlässigen Barrierematerialien für Kraftstoffleitungen und Tanks.

[Bearbeiten] Permeationsmessung

Folien und Membranen können sowohl mit beliebigen Gasen als auch mit Flüssigkeiten aller Art auf ihre Durchlässigkeit hin überprüft werden. Die Messtechniken für Gase beinhalten alle ein zentrales Modul, das von der zu testenden Membran geteilt wird: Auf der „Feed-Seite“ wird die Messzelle mit dem Prüfgas überströmt, das übrige Retentat wird abgeleitet. Die auf der anderen Seite angekommene Menge des Gases (Permeat) wird vom Spülgas zu einem Detektor geführt, wo die Konzentration gemessen wird. Die Grafik rechts stellt dies schemenhaft am Beispiel einer Messzelle für Folien dar. Ober- und Unterteil der Zelle umschließen die zentrierte Membran. Ein O-Ring, der auf der Probe aufliegt, dichtet die Grenzfläche ab. Diese Art von Zellen ist meist aus Metall wie z.B. Edelstahl gefertigt. Soll die Permeation an Rohren gemessen werden, muss die Zelle eine andere Geometrie haben, wie z. B. im Foto rechts, ähnlich einem Liebigkühler. Hier ist das innere weiße Rohr mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt und das Permeat sammelt sich im Raum zwischen dem Prüfmuster und der Glaswand, wo es von einem Trägergas, das von unten nach oben durch diesen Zwischenraum strömt, einer Analyseeinheit zugeführt wird. Dort wird dann die Menge der permeierten Substanz bestimmt.

[Bearbeiten] Links

Kommerzieller Anbieter von Permeationsmessungen: http://www.mecadi.com/de-literatur.htm Die Seite enthält u.a. Beschreibungen weiterer Messmethoden.