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 relacionada 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 a través de la difusión; el permeante se moverá de una concentración alta a una concentración baja a través de la interfaz. Un material puede ser semipermeable, con la presencia de una membrana semipermeable . Solo las moléculas o iones con ciertas propiedades podrán difundirse a través de dicha membrana. Este es un mecanismo muy importante en biología donde los fluidos dentro de un vaso sanguíneo necesitan ser regulados y controlados. 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 un aspecto que debe tenerse muy en cuenta en muchas aplicaciones de polímeros, debido a su alta permeabilidad. La permeabilidad depende de la temperatura de interacción, así como de las características tanto del polímero como del componente permeable. A través del proceso de sorción , las moléculas del permeable pueden ser absorbidas o desorbidas en la interfaz. La permeabilidad de un material puede medirse a través de 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 del SI de mol/(m･s･Pa), aunque también se utilizan comúnmente las unidades de Barrer. La permeabilidad debida a la difusión no debe confundirse con la permeabilidad (en 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, molécula que permea a través del sólido.
• Semipermeabilidad: Propiedad de un material de ser permeable sólo para algunas sustancias y no para otras.
• Medición de la 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 unos recipientes de vino con una vejiga de cerdo y los almacenó bajo el agua. Al cabo de un tiempo, la vejiga se abultó hacia fuera. Notó la alta presión que se liberaba después de perforarla. Curioso, hizo el experimento al revés: llenó el recipiente con agua y lo almacenó en vino. El resultado fue un abultamiento hacia dentro de la vejiga. Sus notas sobre este experimento son la primera mención científica de la permeabilidad (más tarde se llamaría semipermeabilidad).

Thomas Graham (químico, 1805-1869)

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

Richard Barrer (1910-1996)

Barrer desarrolló la moderna técnica de medición Barrer y fue el primero en utilizar métodos científicos para medir las tasas de permeación.

Aplicaciones

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

Configuración de la pila de combustible

• Neumáticos : La presión de aire en los neumáticos debe disminuir lo más lentamente posible. Un buen neumático es aquel que permite que escape la menor cantidad de gas. La permeabilidad se producirá con el tiempo en los neumáticos, por lo que es mejor conocer la permeabilidad del material que compone el neumático con el gas deseado para fabricar los neumáticos más eficientes.
• Material aislante: La permeabilidad al vapor de agua del material aislante es importante, así como también para los cables submarinos, para proteger al conductor de la corrosión .
• Pilas de combustible : los automóviles están equipados con pilas de combustible de membrana electrolítica polimérica (PEM) para convertir el hidrógeno y el oxígeno presentes en la atmósfera en electricidad. Sin embargo, estas pilas solo producen alrededor de 1,16 voltios de electricidad. Para alimentar un vehículo, se disponen varias pilas 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 Termoendurecibles: Las tuberías destinadas a transportar agua a alta presión pueden considerarse defectuosas cuando existe 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 medicamentos hechos de material polimérico contienen un reservorio químico que se carga más allá de su solubilidad y luego se transfiere al cuerpo a través del contacto. Para que el químico se libere en el cuerpo, debe permear y difundirse a través de la membrana de polímero, de acuerdo con el gradiente de concentración. Debido a la sobresolubilidad del reservorio, el transporte del medicamento sigue el mecanismo de ráfaga y retraso. Existe una alta tasa de transferencia del medicamento cuando el parche entra en contacto con la piel, pero a medida que aumenta el tiempo se establece un gradiente de concentración, lo que significa que la administración del medicamento se establece a una tasa constante. Esto es crucial en la administración de medicamentos y se utiliza en casos como el sistema Ocusert. Pero también se puede encontrar el caso opuesto en el campo médico. Como las ampollas pueden contener productos farmacéuticos altamente sensibles para inyección, es crucial que el material utilizado evite que cualquier tipo de sustancia ingrese al producto farmacéutico o se evapore de él. Para esto, las ampollas a menudo están hechas de vidrio y, con menos frecuencia, 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. En este sentido, la transición hacia el electrodo es crítica. Sin embargo, debido a las expansiones térmicas coincidentes del cuerpo de vidrio y el 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 es transportado al detector por un gas de barrido. El diagrama de la derecha muestra una celda de prueba para películas, normalmente hechas de metales como acero inoxidable . La foto muestra una celda de prueba para tuberías hechas de vidrio , similar a un condensador Liebig . El medio de prueba (líquido o gas) está situado 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 química de prueba y colocarla sobre la superficie del material cuya permeabilidad se está observando mientras se agregan o eliminan cantidades específicas de la sustancia química de prueba. Después de un tiempo conocido, se analiza el material para determinar la concentración de la sustancia química de prueba 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 da ejemplos del coeficiente de permeabilidad calculado de ciertos gases a través de una membrana de silicona.

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

A menos que se indique lo contrario, las permeabilidades se miden y se informan a 25 °C (RTP) y no (STP). De WL Robb. Membranas delgadas 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 Materials in, págs. 119-137 ^[4]

Aproximación mediante la primera ley de Fick

El flujo o caudal de masa del permeado a través del sólido se puede modelar 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 puede usarse 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 analizan los gases que permean los metales, existe una forma 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 Sievert establece que la solubilidad de un gas, en forma de molécula diatómica, en el 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 . A partir 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 reacción para obtener la forma final de la ecuación, donde es la permeabilidad de la membrana. La relación es ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle P=KD}$

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

Véase también

• Tasa de transmisión de vapor de humedad  : medida del paso de vapor de agua a través de una sustancia.
• Tasa de transmisión de oxígeno  : medida de la permeabilidad del embalajePáginas 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 pasen a través de él.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) . Earth-Science Reviews . 212 : 103439. Bibcode :2021ESRv..21203439F. doi :10.1016/j.earscirev.2020.103439. S2CID  229386129.
2. Carley, Diccionario de plásticos de James F. Whittington. CRC Press, 1993.
3. Carley, James F. (8 de octubre de 1993). Diccionario de plásticos de Whittington, tercera edición. CRC Press. ISBN 9781566760904. Recuperado el 20 de septiembre de 2017 – vía Google Books.
4. Robb, WL (1968). "Membranas delgadas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 146 (1): 119–137. Bibcode :1968NYASA.146..119R. doi :10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x. PMID  5238627. S2CID  28605088.

Lectura adicional

• 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 de permeación de humedad dinámica
• 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 delgadas de silicona: sus propiedades de permeación y algunas aplicaciones", Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York, vol. 146, número 1 Materiales en, págs. 119-137 WL Robb
• Sistemas farmacéuticos para la administración de fármacos , David Jones; Chien YW. 2.ª 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 a los gases en relación con gases permanentes, hidrocarburos inferiores lineales y algunos gases tóxicos", Advances in Colloid and Interface Science , Volumen 165, Ediciones 1 y 2, 11 de mayo de 2011, Páginas 89 a 99 doi :10.1016/j.cis.2010.10.004.
• CheFEM 3 es un software FEM basado en ecuaciones de estado para la predicción de la permeación de polímeros y sus compuestos, software CheFEM 3.