Permeation

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

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

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

Historisches

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

Jean-Antoine Nollet wollte Wein luftdicht abschließen und 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 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 Versuchsergebnisse sind die ersten wissenschaftlichen Erwähnungen einer Art der Permeation (diese würde man später Semipermeabilität nennen).

Thomas Graham (Chemiker, 1805–1869)

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)

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 – eine Einheit für die Gas-Permeabilität dünner Materialien – benannt.

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: Zur Wärmedämmung ist z. B. die Wasserdampfdurchlässigkeit der verwendeten Materialien von Bedeutung. Auch die Isolierung von Unterseekabeln muss den Leiter vor Korrosion schützen.
Kraftstoffsystem: Die Erfüllung gesetzlicher Auflagen im Automobilbereich, wie z. B. die Vorschriften von CARB (California Air Resource Board) zum Low Emission Vehicle LEV erfordert undurchlässige Barrierematerialien für Kraftstoffleitungen und Tanks.
Versickern von Wasser

Permeation in der Membrantechnik

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

Permeationsmessung

Permeationsmessung mit Spülgasmethode

Messzelle für Rohre

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

Bei Gasen

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. Die Gaspermeabilität wird in der Einheit Barrer ausgedrückt.

Bei Flüssigkeiten

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

Permeationsmessung für die Hydrogeologie

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; [Q] = m³/s;

A – durchströmte Fläche; [A] = m²

k_f – Durchlässigkeitsbeiwert; [k_f] = m/s

i – hydraulischer Gradient (auch hydraulisches Gefälle oder Potenzialgefälle); [i] = m/m

Siehe auch

Permeabilität (Geowissenschaften)