Penetración

Penetración de un líquido, gas o vapor a través de un sólido.

En física e ingeniería , la permeación (también llamada imbución ) es la penetración de un permeado (un fluido como un líquido , gas o vapor ) a través de un sólido. Está directamente relacionado con el gradiente de concentración del permeado, la permeabilidad intrínseca de un material y la difusividad de masa de los materiales . ^[1] La permeación se modela mediante ecuaciones como las leyes de difusión de Fick y se puede medir utilizando herramientas como un minipermeámetro .

Descripción

El proceso de permeación implica la difusión de moléculas, llamadas permeantes, a través de una membrana o interfaz. La permeación funciona mediante difusión; el permeante pasará de una concentración alta a una concentración baja a través de la interfaz. Un material puede ser semipermeable, con presencia de una membrana semipermeable . Sólo las moléculas o iones con determinadas propiedades podrán difundir a través de dicha membrana. Este es un mecanismo muy importante en biología en el que los fluidos dentro de un vaso sanguíneo deben regularse y controlarse. La permeación puede ocurrir a través de la mayoría de los materiales, incluidos metales, cerámicas y polímeros. Sin embargo, la permeabilidad de los metales es mucho menor que la de las cerámicas y los polímeros debido a su estructura cristalina y porosidad.

La permeabilidad es algo que debe considerarse cuidadosamente en muchas aplicaciones de polímeros, debido a su alta permeabilidad. La permeabilidad depende de la temperatura de la interacción así como de las características tanto del polímero como del componente permeante. Mediante el proceso de sorción , las moléculas del permeante pueden absorberse o desorberse en la interfaz. La permeabilidad de un material se puede medir mediante numerosos métodos que cuantifican la permeabilidad de una sustancia a través de un material específico.

La permeabilidad debida a la difusión se mide en unidades SI de mol/(m･s･Pa), aunque también se utilizan comúnmente barreras. La permeabilidad por difusión no debe confundirse con la permeabilidad (ciencias de la tierra) debida al flujo de fluidos en sólidos porosos medida en Darcy. ^{[2] [3]}

Términos relacionados

• Permeante: La sustancia o especie, ion, moléculas que permean el sólido.
• Semipermeabilidad: Propiedad de un material de ser permeable sólo para unas sustancias y no para otras.
• Medición de permeabilidad: Método para la cuantificación de la permeabilidad de un material para una sustancia específica.

Historia

Abbé Jean-Antoine Nollet (físico, 1700-1770)

Nollet intentó sellar recipientes de vino con vejiga de cerdo y los guardó bajo agua. Después de un tiempo, la vejiga se hinchó hacia afuera. Notó la alta presión que se descargó después de perforar la vejiga. Curioso, hizo el experimento al revés: llenó el recipiente con agua y lo guardó en vino. El resultado fue un abultamiento de la vejiga hacia el interior. Sus notas sobre este experimento son la primera mención científica a la permeación (más tarde se llamaría semipermeabilidad).

Thomas Graham (químico, 1805–1869)

Graham demostró experimentalmente la dependencia de la difusión de gases del peso molecular , lo que ahora se conoce como ley de Graham .

Richard Barrer (1910-1996)

Barrer desarrolló la moderna técnica de medición de Barrer y utilizó por primera vez métodos científicos para medir las tasas de permeación.

Aplicaciones

• Embalaje : La permeabilidad del paquete (materiales, sellos, cierres, etc.) debe coincidir con la sensibilidad del contenido del paquete y la vida útil especificada . Algunos paquetes deben tener sellos casi herméticos , mientras que otros pueden (y en ocasiones deben) ser selectivamente permeables. Por lo tanto, es esencial conocer las tasas de permeación exactas.

Configuración de la pila de combustible

• Neumáticos : La presión del aire en los neumáticos debe disminuir lo más lentamente posible. Un buen neumático es aquel que deja escapar la menor cantidad de gasolina. La permeabilidad se producirá con el tiempo en los neumáticos, por lo que es mejor conocer la permeabilidad del material que compondrá el neumático con el gas deseado para fabricar los neumáticos más eficientes.
• Material aislante: La permeabilidad del vapor de agua en el material aislante es importante, así como en los cables submarinos, para proteger el conductor de la corrosión .
• Pilas de combustible : los automóviles están equipados con pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) para convertir el combustible de hidrógeno y el oxígeno que se encuentran en la atmósfera para producir electricidad. Sin embargo, estas células sólo producen alrededor de 1,16 voltios de electricidad. Para alimentar un vehículo, se organizan varias celdas en una pila. La potencia de salida de una pila depende tanto del número como del tamaño de las pilas de combustible individuales.
• Tuberías termoplásticas y termoestables: Las tuberías destinadas a transportar agua a alta presión se pueden considerar fallidas cuando hay una permeación detectable de agua a través de la pared de la tubería hasta la superficie exterior de la tubería.
• Usos médicos: la permeación también se puede observar en el campo médico en la administración de medicamentos. Los parches de fármacos hechos de material polimérico contienen un depósito químico que se carga más allá de su solubilidad y luego se transfiere al cuerpo mediante contacto. Para que la sustancia química se libere en el cuerpo, debe permear y difundirse a través de la membrana polimérica, según el gradiente de concentración. Debido a la sobresolubilidad del reservorio, el transporte del fármaco sigue el mecanismo de explosión y retraso. Hay una alta tasa de transferencia del fármaco cuando el parche hace contacto con la piel, pero a medida que aumenta el tiempo se establece un gradiente de concentración, lo que significa que la administración del fármaco se estabiliza a una velocidad constante. Esto es crucial en la administración de medicamentos y se utiliza en casos como el sistema Ocusert. Pero en el ámbito médico también se puede encontrar el caso contrario. Como las ampollas pueden contener productos farmacéuticos inyectables altamente sensibles, es fundamental que el material utilizado impida que cualquier tipo de sustancia entre en el producto farmacéutico o se evapore del mismo. Para ello, las ampollas suelen estar hechas de vidrio y, menos frecuentemente, de materiales sintéticos.
• Usos técnicos: En la producción de lámparas halógenas , los gases halógenos deben encapsularse muy estrechamente. El vidrio de aluminosilicato puede ser la barrera perfecta para la encapsulación de gases. Por este motivo, la transición al electrodo es crítica. Pero gracias a las dilataciones térmicas coincidentes del cuerpo de vidrio y del metal, la transición funciona.

Medición de permeación

Medición de permeación con gas de barrido

La permeabilidad de películas y membranas se puede medir con cualquier gas o líquido. Un método utiliza un módulo central que está separado por la película de prueba: el gas de prueba se alimenta por un lado de la celda y el gas permeado se transporta al detector mediante un gas de barrido. El diagrama de la derecha muestra una celda de prueba para películas, normalmente hechas de metales como el acero inoxidable . La foto muestra una celda de prueba para tubos de vidrio , similar a un condensador Liebig . El medio de prueba (líquido o gas) se sitúa en el tubo blanco interior y el permeado se recoge en el espacio entre el tubo y la pared de vidrio. Es transportado por un gas de barrido (conectado a la junta superior e inferior) a un dispositivo de análisis.

La permeación también se puede medir mediante contacto intermitente. Este método implica tomar una muestra de la sustancia problema y colocarla sobre la superficie del material cuya permeabilidad se observa mientras se añaden o eliminan cantidades específicas de la sustancia problema. Después de un período de tiempo conocido, se analiza el material para encontrar la concentración de la sustancia problema presente en toda su estructura. Junto con la cantidad de tiempo que la sustancia química estuvo en el material y el análisis del material de prueba, se puede determinar la permeación acumulada de la sustancia química de prueba.

La siguiente tabla ofrece ejemplos del coeficiente de permeabilidad calculado de ciertos gases a través de una membrana de silicona.

* 1 Barrera = 10 ⁻¹⁰ cm ³ (STP) · cm /cm ² · s · cm-Hg

A menos que se indique lo contrario, las permeabilidades se miden y reportan a 25 °C (RTP) y no (STP) de WL Robb. Membranas finas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones. Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York, vol. 146, (enero de 1968), número 1, Materiales en, págs. 119-137 ^[4]

Aproximación utilizando la Primera ley de Fick

El flujo o flujo de masa del permeado a través del sólido puede modelarse mediante la primera ley de Fick .

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

Esta ecuación se puede modificar a una fórmula muy simple que se puede utilizar en problemas básicos para aproximar la permeación a través de una membrana.

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

dónde

• ${\displaystyle J}$es el "flujo de difusión"
• ${\displaystyle \,D}$es el coeficiente de difusión o difusividad de masa
• ${\displaystyle C}$es la concentración del permeado
• ${\displaystyle \,\delta }$es el espesor de la membrana

Podemos introducir en esta ecuación, que representa el parámetro de equilibrio de sorción, que es la constante de proporcionalidad entre la presión ( ) y . Esta relación se puede representar como . ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle C=Sp}$

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

El coeficiente de difusión se puede combinar con el parámetro de equilibrio de sorción para obtener la forma final de la ecuación, donde es la permeabilidad de la membrana. La relación es ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle P=SD}$

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

Solubilidad de un gas en un metal.

En aplicaciones prácticas cuando se observan gases que permean metales, existe una manera de relacionar la presión del gas con la concentración. Muchos gases existen como moléculas diatómicas cuando están en fase gaseosa, pero cuando permean los metales existen en su forma iónica singular. La ley de Sieverts establece que la solubilidad de un gas, en forma de molécula diatómica, en un metal es proporcional a la raíz cuadrada de la presión parcial del gas.

El flujo se puede aproximar en este caso mediante la ecuación

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

Podemos introducir en esta ecuación, que representa la constante de equilibrio de la reacción . De la relación . ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle S={K{\sqrt {p_{N}}}}}$

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

El coeficiente de difusión se puede combinar con la constante de equilibrio de la reacción para obtener la forma final de la ecuación, donde es la permeabilidad de la membrana. La relación es ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle P=KD}$

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

Ver también

• Tasa de transmisión de vapor de humedad  : medida del paso del vapor de agua a través de una sustancia.
• Tasa de transmisión de oxígeno  : medida de la permeabilidad del embalaje.Páginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
• Tasa de transmisión de dióxido de carbono
• Sello hermético  – Sello hermético
• Permeabilidad (ciencias de la tierra)  : medida de la capacidad de un material poroso para permitir que los fluidos lo atraviesen.Pages displaying short descriptions of redirect targets

Referencias

1. Fu, Jinlong; Thomas, Hywel R.; Li, Chenfeng (enero de 2021). "Tortuosidad de medios porosos: análisis de imágenes y simulación física" (PDF) . Reseñas de ciencias de la tierra . 212 : 103439. Código bibliográfico : 2021ESRv..21203439F. doi : 10.1016/j.earscirev.2020.103439. S2CID  229386129.
2. Carley, Diccionario de plásticos de James F. Whittington. Prensa CRC, 1993.
3. Carley, James F. (8 de octubre de 1993). Diccionario de plásticos de Whittington, tercera edición. Prensa CRC. ISBN 9781566760904. Consultado el 20 de septiembre de 2017 a través de Google Books.
4. Robb, WL (1968). "Membranas finas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 146 (1): 119-137. Código bibliográfico : 1968NYASA.146..119R. doi :10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x. PMID  5238627. S2CID  28605088.

Otras lecturas

• Yam, KL, Enciclopedia de tecnología de embalaje , John Wiley & Sons, 2009, ISBN 978-0-470-08704-6 
• Massey, LK, Propiedades de permeabilidad de plásticos y elastómeros , 2003, Andrew Publishing, ISBN 978-1-884207-97-6 
• Método de prueba estándar ASTM F1249 para la tasa de transmisión de vapor de agua a través de películas y láminas de plástico utilizando un sensor infrarrojo modulado
• Método de prueba estándar ASTM E398 para la tasa de transmisión de vapor de agua de materiales laminados mediante medición dinámica de humedad relativa
• Métodos de prueba estándar ASTM F2298 para la resistencia a la difusión de vapor de agua y la resistencia al flujo de aire de materiales de ropa utilizando la celda dinámica de permeación de humedad
• Método de prueba estándar F2622 para la tasa de transmisión de gas oxígeno a través de películas y láminas de plástico utilizando varios sensores
• G1383: Método de prueba estándar para la permeación de líquidos y gases a través de materiales de ropa protectora en condiciones de contacto intermitente.
• "Membranas finas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones", Annals of the New York Academy of Sciences, vol. 146, número 1 Materiales en, págs. 119-137 WL Robb
• Sistemas farmacéuticos para la administración de fármacos , David Jones; Chien YW. 2da ed. Nueva York: Marcel Dekker, Inc; 1993. Nuevos sistemas de administración de fármacos.
• OV Malykh, A.Yu. Golub, VV Teplyakov, "Materiales de membrana polimérica: nuevos aspectos de los enfoques empíricos para la predicción de parámetros de permeabilidad de gases en relación con gases permanentes, hidrocarburos lineales inferiores y algunos gases tóxicos", Avances en ciencia de interfases y coloides , volumen 165, números 1-2 , 11 de mayo de 2011, páginas 89–99 doi :10.1016/j.cis.2010.10.004.
• Predicción de la permeación de masa en polímeros (y sus compuestos) basada en la teoría del volumen libre y la ecuación de estado de Sánchez-Lacombe, software CheFEM.