Диффузионные процессы и использование их в технологиях

При больших скоростях перемещения экстрагента толщина диффузионного слоя может стать равной нулю. Перенос вещества молекулярной диффузией происходит в этом случае только в частицах растительного сырья. За пределами частиц, т. е. в экстрагенте, перенос вещества осуществляется конвективной диффузией, которая при больших скоростях перемещения экстрагента возрастает до бесконечности: перенос и распределение вещества по всему объему вытяжки происходят практически мгновенно.

Таким образом, процесс экстракции растительного сырья состоит  из трех стадий.

Стадия 1. «Внутренняя» диффузия, охватывающая все явления переноса вещества  внутри частиц сырья; количественно  оценивается  величиной коэффициента  DBa.

Стадия 2. Перенос вещества в пределах непосредственного диффузионного  пограничного слоя; количественно оценивается величиной коэффициента D.

Стадия 3. Перенос вещества движущимся экстрагентом (конвективная диффузия); количественно оценивается величиной  коэффициента β.

 

2.1 Массопередача

Для количественной оценки общего переноса вещества, каким бы способом  он  ни осуществлялся, существует понятие  «массопередача».

Массопередача, естественно, так же как молекулярная и конвективная диффузии, означает перенос вещества при отклонении системы от равновесия из фазы с большей концентрацией  в фазу с меньшей концентрацией. Эта разность концентрации является движущей силой процесса массопередачи. Кроме того, скорость перехода вещества пропорциональна поверхности соприкосновения фаз. Математически эта зависимость выражается формулой:

S = KF(C~ c)x,

где К - коэффициент массопередачи, означающий количество вещества, переносимое за 1 с через поверхность в 1 м при разности концентраций, равной 1 кг/ м ; S - количество вещества, переходящего из одной фазы в другую в кг; F - поверхность соприкосновения фаз в м ; τ - время в с; С-с - движущая сила процесса массообмена - разность концентраций вещества, переходящего из одной фазы в другую в кг/ м .

Из этого уравнения  следует, что количество вещества, переходящее в единицу времени из одной фазы в другую, пропорционально коэффициенту массопередачи, поверхности контакта фаз, продолжительности процесса и разности концентраций. Коэффициент массопередачи суммирует все величины, являющиеся количественными характеристиками трех перечисленных выше этапов диффузионного пути в процессе экстракции.

Связь коэффициента    массопередачи и коэффициентов  всех    видов диффузии определяется следующим уравнением:

,

где 2r - толщина частицы  растительного сырья; п - коэффициент; D

-коэффициент внутренней  диффузии; D - коэффициент молекулярной  диффузии; δ - толщина диффузионного  пограничного слоя; β- коэффициент  конвективной диффузии.

Анализ уравнения показывает, что при отсутствии конвекции коэффициент конвективной диффузии равен нулю, а толщина диффузионного слоя становится равной толщине всего экстрагента. Значит, третий этап диффузии отпадает, а коэффициент массопередачи определяется только внутренней диффузией и свободной молекулярной диффузией в неподвижной жидкости. Такое явление наблюдается при мацерации без перемешивания. Указанный способ экстракции самый длительный.

В том случае, когда  экстрагент перемещается хотя бы с  незначительной скоростью, коэффициент  массопередачи определяется количественными характеристиками всех трех этапов диффузионного пути. Скорость этого способа экстракции выше, так как уменьшается слой неподвижной жидкости и появляются конвекционные токи, способствующие переносу вещества. Такой способ экстракции характерен для мацерации с перемешиванием, перколяции, быстротекущей перколяции, непрерывной противоточной экстракции и др. И, наконец, в некоторых случаях могут отсутствовать второй и третий этапы диффузионного пути. Это явление возможно при больших скоростях перемещения жидкости. В этом случае коэффициент конвективной диффузии возрастает до бесконечности, т. е. конвективный массоперенос осуществляется мгновенно и, следовательно, третий член уравнения отпадает. Вместе с тем становится равной нулю и толщина диффузионного слоя, поэтому второй член уравнения также отпадает. Коэффициент массопередачи в таких случаях определяется только коэффициентом диффузии в порах растительного сырья. Типичным примером этого способа экстракции является вихревая экстракция.

Второй и третий этапы  диффузионного пути, как было показано выше, могут отсутствовать, но наличие  первого этапа неотделимо от самого существа процесса экстракции из растительного  сырья. Следует отметить, что вещества, находящиеся в клетке с разорванными стенками, значительно легче вовлекаются экстрагентом. Здесь происходит простое вымывание.

Знание теоретических  основ экстракции дает возможность  технологу разумно вести этот производственный процесс и тем  самым обеспечить наиболее полное и  в самый короткий срок извлечение действующих веществ.

 

2.2 Процесс диффузионной или холодной сварки

 

Для того, чтобы произошла сварка, необходимо сблизить атомы металлов на расстояние, соизмеримое с размерами самих атомов. Это одно из условий и, пожалуй, самое важное. На сегодняшнее время для этого существует немало способов. Можно расплавить кромки соединяемых металлов и реализовать один из способов сварки плавлением. Можно очень сильно прижать детали друг к другу и реализовать способ сварки давлением. Причём это можно сделать даже взрывом. Сварка давлением – условное название. При её использовании в классическом варианте почти всегда зона контакта всё равно разогревается за счёт прохождения сварочного тока до температуры плавления соединяемых металлов. Но есть несколько способов соединения, которые условно можно назвать сваркой в твёрдой фазе. Одно из условий проведения подобной сварки мы и вынесли в название этой статьи. Действительно, соединяемые материалы нагреваются до температуры порядка 0,7 и ниже от температуры плавления. Естественно, что для получения соединения требуется сдавить материалы. Именно тогда мы и сможем обеспечить процесс диффузионной или холодной сварки.

Классическая сварка давлением не может считаться  сваркой в твёрдой фазе – за счёт переходного сопротивления и неравномерности прохождения сварочного тока в процессе её осуществления может возникать жидкая фаза.

Холодная сварка –  единственный процесс соединения металлов, который может быть выполнен при  комнатной (и более низкой) температуре, поэтому он особенно пригоден для заделки в герметические оболочки таких чувствительных деталей, как взрыватели, транзисторы, микросхемы.

Существенным недостатком  этого процесса является то, что  для получения надежного соединения на воздухе требуются большие  пластические деформации для разрушения в зоне сварки оксидных пленок. В условиях глубокого вакуума, как мы уже отметили в начале, например, в условиях космического пространства, наблюдается совершенно противоположная картина: чистые, свободные от окислов (так называемые «ювенильные») металлические поверхности обладают чрезвычайной активностью. Для создания устойчивых атомарных связей достаточно просто соединить подобные поверхности, и, пожалуйста, – сварка проведена. Известны официально зарегистрированные происшествия, когда при стыковке космических аппаратов возникала проблема самопроизвольного «схватывания» металлов, которую приходилось решать посредством взрыва, что, в ряде случаев, приводило к разгерметизации. Ещё раз отметим, в земных, реальных промышленных условиях холодная сварка используется в основном для соединения пластичных и востребованных металлов – алюминия и меди.

В отличие от холодной диффузионная сварка, осуществляемая в вакууме (или среде инертных газов), не требует существенных деформаций. Этот метод сварки позволяет соединять более 600 различных комбинаций не только металлов, но и керамики.

Диффузионная сварка как способ соединения материалов в  твёрдой фазе, в последнее время  находит всё большее применение.

Отличительными особенностями  диффузионной сварки являются: безотходность получения соединений разнородных материалов (в том числе металлов с диэлектриками), а также образование принципиально новых композиционных материалов. Всё это позволяет с помощью диффузионной сварки решать задачи, которые для других способов сварки являются либо экономически невыгодными, либо принципиально невозможными. В настоящее время диффузионная сварка с успехом используется в электротехнической, электронной, нефтяной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности. С разработкой новых материалов со специфическими свойствами значение этого способа сварки будет возрастать. Таким образом, круг задач, которые могут быть решены при помощи диффузионной сварки, на данный момент ещё далеко не определён. Можно с уверенностью сказать только одно – этот способ, помимо выигрыша в экономике, способен обеспечить и новые технологические решения.

 

2.3 Применение диффузии в медицине

 

Более 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек.

Применение аппарата «искусственная почка» становится в  большей мере терапевтической процедурой, аппарат применяется как в  клинике, так и в домашних условиях. С помощью аппарата проводилась  подготовка реципиента к первой в  мире успешной трансплантации почки, проведенной в 1965 г. академиком Б.В. Петровским. Аппарат представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. Вследствие разности осмотических давлений из крови в солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма. Аппарат представляет собой систему из плоских каналов, разделенных тонкими целлофановыми мембранами, по которым встречными потоками медленно движутся кровь и диализат – солевой раствор, обогащенный газовой смесью CO + O

Аппарат подключается к  кровеносной системе больного с  помощью катетеров, введенных в  полую (вход крови в диализат) и локтевую (выход) вены. Диализ продолжается 4-6 ч. Этим достигается очистка крови от азотистых шлаков при недостаточной функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава крови.

 

2.4 Диффузия при обработке металлов

 

Процесс диффузионной металлизации основан на диффузионном насыщении поверхностных слоев изделий из металлов и сплавов различными металлами. Ее проводят в целях придания поверхности металлических деталей специальных свойства. В зависимости от диффундирующего элемента различают: алитирование, диффузионное хромирование, молибденирование; марганценирование, хромоалитирование, хромотитанирование и другие виды. Диффузионное насыщение возможно из различных фаз: твердой, газовой и жидкой.

Насыщение из твердой  фазы применяют для железа, никеля, кобальта, титана и других металлов. В этом случае металлизацию осуществляют различными тугоплавкими металлами (Мо, W, Nb, U и др.), упругость паров которых меньше упругости паров основного металла. Процесс протекает в герметизированном контейнере, в котором обрабатываемые детали засыпаются порошкообразным металлом, в вакууме или в нейтральной среде при 1000 - 1500 °С. Насыщение из газовой фазы применяют для сплавов на основе железа, никеля, молибдена, титана и прочих металлов такими элементами, которые имеют более высокую упругость паров, чем насыщаемый металл, например Zn, А1, Сг, Тi. Процесс происходит в герметичных контейнерах при разрежении ~10¹-10^-2 Н/м², или 10^-1-10^-4 мм рт. ст., 850 - 1600 °С контактным или неконтактным способом. В первом случае газовая фаза возникает при сублимации металла и генерируется вблизи мест контактирования порошкообразного или кускообразного металла с обрабатываемой поверхностыо; во втором - генерация газовой фазы происходит на некотором расстоянии от поверхности. Насыщение из газовой фазы производят для различных металлов элементами: А1, Сг, Мn, Мо, W, Nb, Тi и др. Диффузии металла предшествуют реакции взаимодействия газообразных химических соединений диффундирующего элемента с основным металлом. Газовой фазой служат галогениды диффундирующих металлов. Газовое насыщение осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700 - 1000 °С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от насыщаемой поверхности (неконтактный способ) и в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ). Насыщение из жидкой фазы применяют при алитировании, хромировании, цинковании, меднении. Процесс протекает в печах-ваннах, в которых расплав диффундирующего металла или его соли взаимодействуют с поверхностью обрабатываемых изделий при 800-1300 °С. Этим методом осуществляют также комплексную металлизацию, например хромоалитирование, хромотитанирование, хромоникелирование и т. д.

Диффузионная металлизация позволяет получать диффузионный слой толщиной от 10 мкм до 3 мм. Описанные процессы обеспечивают повышение жаростойкости сплавов (например, алитированная сталь имеет жаростойкость до 900 °С), абразивной износостойкости (например, хромирование стали У12 увеличивает ее износостойкость в 6 раз), сопротивления термоудару, коррозионной стойкости и кислотоупорности и улучшение других свойств металлов и сплавов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Мы видим, как велико значение диффузии в техники, производстве, медицине, при обработке материалов и т.д., а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе и технологиях. Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови.

 Диффузия оказывает влияние на протекание или определяет механизм и кинетику химических реакций, а также на многие физико-химические процессы и явления: мембранные, испарение, конденсация, кристаллизация, растворение, набухание, горение, каталитические, хроматографические, люминесцентные, электрические и оптические в полупроводниках, замедление нейтронов в ядерных реакторах и т. д.

Диффузия служит основой многих распространенных технологических операций: спекания порошков, химико-термической обработки металлов, гомогенизации сплавов, металлизации и сварки материалов, дубления кожи и меха, крашения волокон; перемещения газов .

Роль диффузии существенно  возросла в связи с необходимостью создания материалов с заранее заданными свойствами для развивающихся областей техники (ядерной энергетики, космонавтики, радиационных и плазмохимических процессов и т. п.).

Таки образом, диффузия является важнейшим явлением в нашей  жизни.

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. Материаловедение: Учебник для вузов. 5-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.И. Баумана, 2003.- 214с.
2. Дальский А.М., Гаврилюк В.С., Бухаркин Л.Н. Технология конструкционных материалов: Учебн. пособие для вузов. - 2-е изд. Перераб. и доп. М.: Машиностроение 2000.
3. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов. М.: Машиностроение, 1964 -147с.
4. Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л. Основы физики: Учеб. Пособие для студентов вузов. 2-е изд. М.: Высшая школа, 2001
5. Казаков Н.Ф. Дифузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1979
6. Мельников П.И. Диффузионное насыщение железа и твердофазные превращения в сплавах. М.: Металлургия, 1993
7. Селиванов В.Ф. Теоретические основы прогрессивных технологий: технология, научное знание. Химические основы: учеб. пособие / В.Ф. Селиванов, Л.В.Усачева. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. 188 с
8. В.Ф. Селиванов, В.С. Железный, Н.И. Жалдак, Л.В. Усачёва. Материаловедение: Учеб. пособие. Изд. 2-е, перераб. и доп./ Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т., 2005. 161 с.