Permeation

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Unter Permeation (lateinisch permeare ‚durchdringen, durchlaufen, durchwandern‘) versteht man den Vorgang, bei dem ein Stoff (Permeat) einen Festkörper durchdringt oder durchwandert. Die Triebkraft ist ein Konzentrations- oder Druckgradient. Permeabilität wird durch Permeationsmessung geprüft.

Beschreibung des Vorgangs[Bearbeiten]

Ohne äußere Einflüsse bewegt sich das Permeat immer in die Richtung der geringeren Konzentration bzw. des niedrigeren Partialdrucks. Die 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 (diffundiert) das feste Material durch Poren bzw. molekulare Zwischenräume.
  3. Desorption: Das Adsorbat entweicht als Gas auf der anderen Seite des Feststoffes.

Verwandte Begriffe[Bearbeiten]

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

Historisches[Bearbeiten]

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

Jean-Antoine Nollet wollte Wein luftdicht abschließen, verschloss dazu den Behälter mit einer Schweinsblase und tauchte ihn zusätzlich in einem Wasserbad unter. 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, füllte in den Behälter Wasser und tauchte ihn in Wein. Wie zu erwarten, beobachtete er nun eine ähnliche Wölbung der Schweinsblase ins Innere des Behälters. Diese Versuchsergebnisse sind die ersten wissenschaftlichen Erwähnungen einer Art der Permeation (diese würde man später Semipermeabilität nennen).

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

Thomas Graham wies die Abhängigkeit der Gasdiffusion von der Molaren Masse experimental nach. Er ist der Begründer des Grahamschen Gesetzes, das damit in direktem Zusammenhang steht.

Richard Barrer (1910–1996)[Bearbeiten]

Richard Barrer legte die Grundlagen für die heutige Messtechnik. Er benutzte erstmals moderne wissenschaftliche Methoden, um die Permeation zu untersuchen. Damit legte er die Grundlage für die heute in der Prozesschemie essentiellen Permeationsmessungen. Nach ihm ist das Barrer benannt, eine Einheit für die Gas-Permeabilität dünner Materialien.

Permeation im Alltag[Bearbeiten]

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

Permeation in der Membrantechnik[Bearbeiten]

In der Membrantechnik ist Permeat ein zentraler Begriff. Es bezeichnet bei Flüssigfiltrationen das durch die Filtration von z. B. Bakterien, Härtebildnern oder Schwermetallen befreite Fluid bzw. bei Gasfiltrationen das gereinigte oder abgereicherte Gas. Die bei der Filtration von der Membran zurückgehaltenen Stoffe werden Retentat (von lateinisch retentare = zurückhalten, festhalten) oder Konzentrat genannt. Membranfiltrationsanlagen kommen zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie und der Abwasserbehandlung oder Gastrennung zum Einsatz.

Permeationsmessung[Bearbeiten]

Folien und Membranen können sowohl mit beliebigen Gasen als auch mit Flüssigkeiten aller Art auf ihre Durchlässigkeit überprüft werden.

mit Gasen[Bearbeiten]

Permeationsmessung mit Spülgasmethode

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.

Messzelle für Rohre

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. Die Gaspermeabilität wird in der Einheit Barrer ausgedrückt.

mit Flüssigkeiten[Bearbeiten]

Analog der Permeationsmessung bei Gasen wird in der Membrantechnik der so genannte Wasserwert ermittelt. Er dient zur Charakterisierung der Leistungsfähigkeit einer Flüssigfiltrationseinheit und wird angegeben in l/(m²·h·bar).

in der Hydrogeologie[Bearbeiten]

Bestimmung von Flüssigkeitspermeabilitäten

Dieser Laborversuch dient der Errechnung des Durchlässigkeitsbeiwertes und ist für die Einschätzung der Grundwasserneubildungsgeschwindigkeit und der Quellschüttung hilfreich. Er basiert auf Henry Darcy und folgt dem nach ihm benannten Gesetz:

Q = - k_\mathrm{f} \cdot i \cdot A

Mit:

Q – Wassermenge in m³/s;
A – durchströmte Fläche in m²
kf – Durchlässigkeitsbeiwert in m/s
i – hydraulischer Gradient (auch hydraulisches Gefälle oder Potenzialgefälle) in m/m