Механизм переноса вещества и законы диффузии

МЕХАНИЗМ ПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВА И ЗАКОНЫ ДИФФУЗИИ [c.192]

Перспективы развития мембранной технологии в большой мере связаны с надеждалП на воспромзведеннс и практическое использование свойств биологических мембран, важнейшим из которых является способность осуществлять селективный обмен молекулами различных веществ. Уже сейчас промышленность располагает значительным набором мембран с селективными свойствами. Однако разработка и использование селективных мембранных материалов сталкивается до сих пор со значительными трудностями. Это связано главным образом с тем, что механизмы проницаемости как биологических, так и многих искусственных мембран окончательно не выяснены и не существует общего подхода к их описанию. Создание универсальной математической модели, адекватно описывающей мембранный транспорт, осложняется разнообразием процессов переноса через мембраны. В биологических мембранах выделяется пассивный транспорт (обычная диффузия), активный транспорт (перенос вещества против градиента концентрации) и облегченная диффузия (перенос вещества по градиенту концентрации с аномально высокой скоростью). В формировании реального процесса переноса могут принимать участие все механизмы в различных соотношениях. Одной из характерных особенностей многих селективных мембран является аномальная зависимость потока переноса от градиента концентрации [30—32]. В силу специфических свойств мембран, больших трансмембранных градиентов и активного взаимодействия потока переноса со структурой мембраны наблюдаются значительные отклонения от закона Фика. При этом линейная зависимость потока переноса от градиента концентрации оказывается справедливой только для малых трансмембранных градиентов. Наблюдается замедление роста потока переноса или даже насыщение при больших значениях трансмембранного градиента. [c.123]

Диффузия в пористых катализаторах. Перепое компонентов реакционной смеси внутри гранулы катализатора осуществляется главным образом посредством диффузии. Интенсивность диффузии внутри гранулы зависит от фазового состояния и состава реакционной смеси, физических свойств компонентов, составляющих реакционную смесь, строения пористой структуры катализатора, температуры и давления каталитического процесса. При изучении диффузии внутри пористого катализатора прежде всего необ.хо-димо учитывать влияние строения пористой структуры на интенсивность диффузии. Пористость катализатора, размер пор, их извилистость, форма и взаимное расположение — основные свойства пористой структуры, оказывающие влияние на интенсивность диффузии компонентов реакционной смеси внутри гранулы катализатора. Пористость катализатора, равная объему свободного пространства в единице объема пористой массы, определяет долю сечения гранулы катализатора, доступную для диффузии. Извилистость пор характеризует увеличение среднего пути диффузии, относительно длины в направлении, перпендикулярном внешней поверхности гранулы. Размер пор определяет механизм диффузии реагентов внутри пористой массы катализатора, если реакционная смесь является газофазной. При диффузии газов в порах молекулы каждого компонента реакционной смеси испытывают сопротивление своему движению в результате столкновения с молекулами других компонентов и с поверхностью пор. Если размер поры значительно превосходит длину среднего свободного пробега молекул газа, то число взаимных столкновений между молекулами будет значительно больше числа столкновений молекул с поверхностью поры. Перенос вещества будет протекать по закону молекулярной диффузии в свободном пространстве. Если размер пор значительно меньше длины среднего свободного пробега молекул газа, то молекулы сталкиваются преимущественно со стенками пор и каждая молекула двигается независимо от остальных. Такая диффузия называется кнудсеновской. В случае, когда длина среднего свободного пробега молекул газа соизмерима с размером пор, имеет место переходный режим диффузии. На режим диффузии жидкостей размер пор не оказывает влияния пока не становится соизмеримым с размером молекул жидкости. [c.60]

Простая диффузия происходит без участия мембранного белка. Скорость простой диффузии хорошо описывается обычными законами диффузии для веществ, растворимых в липидном бислое она прямо пропорциональна степени гидрофобности молекулы, т. е. ее жирорастворимости, а также градиенту концентрации. Механизм диффузии водорастворимых веществ менее изучен. Перенос вещества через липидный бислой, например таких соединений, как этанол, возможен через временные поры в мембране, образованные разрывами в липидном слое при движении мембранных липидов. По механизму простой диффузии осуществляется трансмембранный перенос газов (например, [c.308]

Успех в разработке модели загрязнения воздушного бассейна зависит от понимания законов распространения загрязняюших веществ. Основными факторами, определяющими распространение загрязняющего вещества, являются адвекция (горизонтальный перенос) и вертикальная диффузия. Скорость ветра отражает не только механизм переноса примесей, но и атмосферную турбулентность. [c.56]

Закономерности массопередачи внутри пористого твердого-зерна значительно сложнее, чем при простой молекулярной диффузии. Внутренняя поверхность катализатора, образуемая стенками пор и капилляров, определяется их размерами и зависит от способа приготовления катализатора. В крупнопористых катализаторах с 1000 А возможна лишь молекулярная диффузия, описываемая законами Фика. В узких порах с 1000 А, т. е. сравнимых с длиной свободного пробега молекул, механизм переноса вещества существенно изменяется — возникает так называемое кнудсеновское течение, при котором скорость переноса вещества снижается из-за столкновений молекул со стенками пор. В этом случае коэффициент диффузии прямо пропорционален радиусу пор [c.185]

Часто полагают, что движущей силой диффузии является градиент концентрации. Однако перемещение, вызванное градиентом концентрации и приводящее к постепенной гомогенизации системы, не исчерпывает все возможные проявления этого сложного процесса. Весьма часто при диффузии происходит не выравнивание концентраций, а, наоборот, дальнейшее разделение компонентов системы. Поэтому более правильно считать, что движущей силой диффузии является разность термодинамических потенциалов, и перенос вещества путем диффузии сопровождается понижением свободной энергии системы. Выравнивание термодинамических потенциалов и приближение к термодинамическому равновесию достигается за счет теплового движения атомов (молекул). Термодинамический потенциал можно разложить на энергетическую и энтропийную составляющие. Механизм диффузии зависит от соотношения этих составляющих. В некоторых случаях внутренняя энергия системы при диффузии не изменяется, и энергетической составляющей можно пренебречь. Тогда движение молекул подчиняется вероятностным законам. Этот вид диффузии носит название неспецифической [26 149 150 151, с. 353 152]. [c.126]

Наконец, в явлениях массопереноса необходимо учитывать конвекцию, т. е. перенос вещества вместе с потоком движущейся жидкости. Этот механизм переноса можно создать искусственно, применяя размешивание, но он может возникнуть и в естественных условиях, так как изменение концентрации приводит к изменению плотности раствора и возникновению потоков жидкости. Изменение плотности происходит также тогда, когда протекание реакции сопровождается выделением тепла и разогреванием приэлектродного слоя. При образовании газообразных продуктов размешивание раствора вызывают пузырьки газа, отрывающиеся от поверхности электрода. Конвекция не может устранить диффузию, так как, согласно законам гидродинамики, при приближении к поверхности электрода скорость движения жидкости падает и, с другой стороны, одновременно возрастает градиент концентрации. Поэтому всевозрастающую роль начинает играть перенос вещества диффузией. [c.148]

Перенос жидкости. Поскольку капиллярные силы возникают лишь при наличии поверхности раздела жидкой и газовой фаз, условия переноса вещества в капиллярно-пористых телах, полностью и частично заполненных жидкостью, различны. При полном заполнении капилляров жидкостью перенос вещества осуществляется за счет массового движения, обусловленного разностью давлений на концах капилляра [уравнение (V. 64)], и молекулярной диффузии, происходящей за счет различия концентрации по длине капилляра. Относительный вклад переноса, обусловленного массовым движением, уменьшается с уменьшением радиуса капилляров, как это следует из уравнения (V. 64) При отсутствии массового движения жидкости перенос вещества в капиллярно-пористом теле происходит только по диффузионному механизму и скорость процесса определяется законами диффузии. В связи с тормозящим действием твердого скелета капиллярно-пористого тела коэффициенты диффузии оказываются значительно меньше значений для неограниченного объема жидкости. Вследствие кинетической неоднородности пор различного размера коэффициенты диффузии для тел, имеющих капилляры различных размеров, оказываются зависящими от содержания переносимого вещества в твердом теле. Поэтому для количественной оценки кинетики диффузионного переноса используются значения эффективных коэфс )ициентов диффузии, определяемые экспериментально. При этом необходимо, чтобы условия определения соответствовали условиям осуществления рассматриваемого процесса. В капиллярах, частично заполненных жидкостью, ее перемещение обусловливается действием капиллярных сил. [c.436]

Влияние коэффициента диффузии. Исследованию влияния этого фактора посвящено большое число работ, так как оно представляет интерес с точки зрения механизма переноса вещества. В связи с этим отметим, что, как следует из уравнения (П,35), модель обновления дает значение показателя п для критериев Рг в уравнении (11,49) га = 0,5, а модель пограничного диффузионного слоя в зависимости от показателя закона затухания турбулентных пульсаций п в уравнении (И,29) дает п = 0,33 — 0,5 (при п = 3 — 2). [c.91]

Основные количественные закономерности вязкого трения аналогичны закономерностям молекулярного механизма переноса тепла— теплопроводности и молекулярного механизма переноса вещества — диффузии. Все три процесса описываются аналогичными законами (2.15) — (2.17). [c.179]

Механизм переноса вещества и законы диффузии [c.166]

Промежуточные вещества здесь являются частицами газовой фазы, связывающимися с компонентами катализатора в результате переноса веществ последний подчиняется законам диффузии в газовой фазе в соответствии с принципами и характеристиками, рассмотренными в предыдущих разделах. Эксперименты с физически различными каталитически активными веществами или компонентами являются наиболее прямым путем проверки и изучения истинных механизмов многостадийных реакций. [c.32]

Перенос вещества в движущейся среде обусловлен двумя различными элементарными механизмами. Во-первых, наличие разности концентраций вызывает направленный поток целевого компонента (примеси) за счет молекулярной диффузии. Процесс молекулярной диффузии описывается известным градиентным законом Фика [c.15]

Рассмотренные выше материалы по проблеме проницаемости позволяют прийти к выводу, что поглощение и выделение веществ в клетке может осуществляться различными путями, регулируемыми специфическими механизмами. Наряду с пассивным поступлением, подчиняющимся законам диффузии и осмоса, существуют системы активного переноса, обеспечивающие возможность поглощения веществ против градиента. Соотношение между различными путями у разных представителей растительного мира неодинаково. Оно не остается постоянным у одного и того же организма и изменяется в зависимости от хода его развития, возраста и т. д. Это соотношение отражает исторически сложившуюся адаптацию вида к определенному сочетанию условий внешней среды, обеспечивает возможность активного избирательного отношения организма к условиям существования. [c.84]

В условиях статических опытов перенос вещества осуществляется механизмом молекулярной диффузии, а диффузионный поток определяется первым законом Фика [c.168]

Несколько сложнее дело обстоит с расходами энергии на функционирование биосистемы. В предыдущих разделах мы рассмотрели некоторые процессы переноса и превращения компонент в биосистемах. Часть этих процессов происходит пассивно , т. е. механизмы, ответственные за их осуществление, не расходуют метаболической энергии (см. разд. 1.6). Таковы процессы диффузии (6.10) или (6.14), а также излучение тепловой энергии (6.23). Если процессы переноса веществ (6.15) осуществляются пассивно (например, в экосистемах — перенос семян и биомассы потоками воздуха или воды), то такие процессы также не связаны с активной затратой энергии в биосистеме. Часто процессы преобразования компонент на основе закона действующих масс (6.34) или в ходе некоторых ферментативных реакций (6.40) также представляют собой пассивные процессы, не приводящие к расходу метаболической энергии биосистемы. [c.181]

Перенос вещества в полимерных непористых материалах происходит по механизму молекулярной диффузии. Особенностью пе реноса вещества в непористом полимере является то, что в нем имеется свободный объем — межмолекулярные области различных форм и размеров. Перенос вещества в таких материалах происходит не по строго фиксированным каналам, образуемых порами, а через так называемые дырки, которые появляются и исчезают в соответствии с законами ве роятности в результате теплового движения сегментов макромолекул. [c.110]

Помимо массопередачи от ядра потока к внешней поверхности частицы, большую роль в процессах гетерогенного катализа играет перенос вещества в порах катализатора. Диффузия в широких порах описывается законом Фика (III. 1) с обычным коэффициентом молекулярной диффузии. Однако у большинства катализаторов поры преимущественно малого диаметра, внутри которых молекулярная диффузия перестает подчиняться закону Фика. Если диаметр поры меньше средней длины свободного пробега, молекулы чаще сталкиваются с ее стенками, чем между собой. В таком капилляре перенос вещества идет по механизму Кнудсена и коэффициент диффузии равен [c.116]

В настоящее время в связи с внедрением в лабораторную и промышленную практику твердых высокопористых катализаторов особое значение приобретает изучение транспорта реагирующего вещества внутри каталитической гранулы. Известно, что определяющим механизмом транспорта вещества к внутренней поверхности катализатора является диффузия, причем диффузионный перенос может осуществляться по различным законам. [c.3]

Рассмотрим механизм переноса газов через непористые мембраны. Единственным механизмом переноса через непористую мембрану является диффузия растворенного вещества в мембране. Молекулы газа, попадая на поверхность мембраны, сорбируются этой поверхностью и растворяются. Растворимость газов в эластомерах очень низка. Обычно для описания растворимости в аморфных высокоэластичньтх материалах может быть использован закон Г енри [c.419]

Для выяснения механизма явлений переноса весьма существенно изучение процессов миграции в тепловом поле, т. е. в кристалле, на концах которого поддерживается разность температур. Поэтому в этой главе мы познакомимся со сравнительно мало изученным вопросом о механизме термической диффузии (эффект (Соре [1, 2]) в ионных кристаллах. Хорощо известно, что градиент температуры вызывает поток растворенного вещества, и первый закон Фика следует в этом случае писать в обобщенной форме [c.179]

Известно, что качество материала будет хорошим, если усадка произошла равномерно по его толщине. При значительных перепадах влагосодержания и температуры материал будет находиться в объемно-напряженном состоянии, превышающем предельно допустимое, что и приводит к появлению трещин, пор и короблению. При сушке одни материалы коробятся, внутри других образуются поры. Материал коробится в сторону поверхности с меньшп.м влагосодержанием. Следовательно, характер усадки материала, сохранение его формы и порообразование зависят от перераспределения влаги внутри материала при сушке. Поэтому вопросу управления механизмом переноса влаги должно быть уделено основное внимание при выборе метода и режима сушки. Ркпользуя законы диффузии и термодпффузии, можно управлять механизмом переноса влаги и вещества, растворенного в ней. [c.190]

Единственным механизмом переноса газа через непористую мембрану является диффузия растворенного вещества в мембране. Проникновение газа через мембрану в этом случае состоит из нескольких стадий сорбция вещества на одной стороне мембраны, перенос растворенного вещества за счет диффузии через мембрану и его десорбция на противоположной стороне мембраны. Закономерности переноса газа через полимерную мембрану зависят от того, в каком состоянии — стеклообразном или высокоэластическом — находится полимер. Если температура гюлимерной мембраны выше температуры стеклования полимера, то полимер находится в высокоэластическом состоянии. Если при этом температура мембраны выше, чем критическая температура для данного газа, то растворимость газа описывается при помощи закона Генри, а коэффициент диффузии практически не зависит от концентрации диффундирующего газа в мембране. Согласно закону Генри, растворимость газа в полимере описывается при помощи соотношения [c.44]

В этих работах исследовались химическая природа и механизм действия биологических факторов, обеспечивающих так называемый активный транспорт веществ. Дело тут вот в чем. Согласно закону диффузии вещества обычно передвигаются от мест с более высокой их концентрацией к местам, где их содержание в данный момент ниже. Однако в живой материи множество важнейших функций — например, проведение нервного импульса — основано на переносе ионов в обратном направлении туда, где их концентрация становится все больше. Это явление и называется активным транспортом. Он обеспечивается действием специальной группы веществ — ионофоров своего рода переносчиков , чья роль в жизни клегкн, как легко понять, исключительно велика. [c.156]

В общем случае перенос вещества может осуществляться как за счет взаимного перемещения макрочастей системы, например вследствие перемешивания среды (конвективный перенос), так и за счет молекулярных механизмов, имеющих место благодаря неоднородности распределения вещества в отдельных частях системы (диффузия). Таким образом, уравнение, описывающее временное течение процесса, должно учитывать оба упомянутые механизма. Если речь идет о фазе, в которой возможна химическая реакция, то должна учитываться также и скорость этой реакции. Вывод уравнения основывается на законе сохранения вещества. [c.220]

Свое теоретическое описание такой режим потока находит, в частности, в рамках двумерной модели трещины со случайным законом распределения ее раскрытия [37] и в более общих моделях параллельных каналов различного (взаимно-коррелированного) раскрытия. Ясно, что каналовый механизм фильтрации снижает демпфирующее действие пористой матрицы и роль сорбции на поверхностях трещин, сокращает время продвижения загрязнений (трассеров) и увеличивает их пиковые значения, в первую очередь, в относительно мелкомаспггаб-ных процессах. В частности, диффузия в матрицу (а вследствие этого, и внутрипоровая сорбция) сокращается на 1 -2 порядка, хотя интенсивность диффузии и не падает во времени подобно обычной трещиновато-блочной среде с ограниченной приемной способностью блоков. Впрочем, в реальности, именно диффузия в матрицу (наряду с конвективно-дисперсионньпл рассеянием вещества в пересекающие каналы трещины) приводит к подавлению этого механизма миграции с ростом масштаба переноса. Однако происходит это, при прочих равных условиях, существенно позднее и на больших удалениях от источника загрязнения, чем это следует из традиционных моделей трещиноватых сред. Важнейшую роль здесь играет частота пересечения каналов между [c.39]