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2025-07-01T10:01:03Z

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Unter '''Permeation''' ([[Latein|lateinisch]] ''permeare'' ‚durchdringen, durchlaufen, durchwandern‘) versteht man den Vorgang, bei dem ein Stoff (Permeat) einen [[Festkörper]] durchdringt oder durchwandert. Die Triebkraft ist ein Gradient des [[Chemisches Potential|chemischen Potentiales]] des Permeates und wird regelmäßig in vereinfachten Modellen durch messbaren [[Konzentrationsgradient|Konzentrations-]] oder [[Druck (Physik)|Druck]][[Gradient (Mathematik)|gradient]] ersetzt. Die Permeabilität wird als Maß der Permeation üblicherweise in der Einheit μg cm−2 min−1 angegeben.

== Beschreibung des Vorgangs ==
Ohne äußere Einflüsse bewegt sich das Permeat immer in die Richtung der geringeren Konzentration bzw. des niedrigeren [[Partialdruck]]s. Die Permeation verläuft in drei Teilschritten:<ref name="Röthemeyer">Fritz Röthemeyer, Franz Sommer: ''Kautschuktechnologie'', Carl Hanser Verlag München Wien, 2. Auflage, 2006, S. 525–526, ISBN 978-3-446-40480-9.</ref>

#''[[Sorption]]'' an der [[Grenzfläche]]: [[Gas]]e, [[Dampf|Dämpfe]] oder in Flüssigkeiten [[Lösung (Chemie)|gelöste]] [[Chemikalie]]n oder [[Suspension (Chemie)|suspendierte]] Stoffe werden an der Oberfläche des Feststoffes aufgenommen.
#''[[Diffusion]]'' (durch den Festkörper): Das Permeat durchdringt (diffundiert) das feste Material durch [[Pore]]n bzw. molekulare Zwischenräume.
#''[[Desorption]]'': Das Adsorbat entweicht als Gas auf der anderen Seite des Feststoffes.

== Minderung der Permeation ==
Um das Eindringen und [[Diffusion|Diffundieren]] zu reduzieren, sollte der gewählte Stoff ein möglichst geringes [[freies Volumen]] (freien Platz zwischen den Molekülketten) besitzen. Dieses kann auch durch Zusatzstoffe oder eine gezielte Verarbeitung beeinflusst werden. Es ist zum Beispiel umso geringer, je höher die [[Kristallinität]] oder der [[Füllstoff]]gehalt eines [[Thermoplast]]en ist oder je höher der Vernetzungsgrad eines [[Duroplast]]en oder [[Elastomer]]s ist. Eine weitere Maßnahme ist das Beschichten des Werkstoffs mit Materialien, die eine geringere Permeabilität aufweisen.

== Begriffe ==
* ''Permeat'': Stoff, der durch einen Festkörper dringt (permeiert)
* ''[[Permeabilität (Materie)|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|Permeationsmessung]]: Messmethode zur Quantifizierung der Permeabilität eines Stoffes (für ein bestimmtes [[Permeat]])
* Der ''[[Permeationskoeffizient]]''  [[Volumenstrom|Q]] in m²/(s · Pa) ist eine [[Stoffkonstante]], die angibt, welches Gasvolumen abhängig von [[Partialdruck]]differenz, Größe und Dicke des Probekörpers pro Sekunde durch diesen hindurchtritt. Der Permeationskoeffizient ist temperaturabhängig und wird nach DIN 53536 ermittelt.<ref>Reiff Gesamtkatalog, Abschnitt [https://www.reiff-tp.de/fileadmin/Resources/Public/Images/Gesamtkatalog_Kapitel/REIFF-Gesamtkatalog_TechnischesWissen.pdf Technisches Wissen], Seite 13/161. Reiff Technische Produkte GmbH, Reutlingen. In: reiff-tp.de Abgerufen im August 2021</ref>

== Historisches ==
=== Abbé Jean-Antoine Nollet (Physiker, 1700–1770) ===
[[Jean-Antoine Nollet]] wollte Wein luftdicht abschließen, verschloss dazu einen 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) ===
[[Thomas Graham (Chemiker)|Thomas Graham]] wies die Abhängigkeit der [[Gasdiffusion]] von der [[Molare Masse|Molaren Masse]] experimental nach. Er ist der Begründer des [[Grahamsches Gesetz|Grahamschen Gesetzes]], das damit in direktem Zusammenhang steht.

=== Richard Barrer (1910–1996) ===
[[Richard Barrer]] legte die Grundlagen für die heutige Permeations-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 ==
Im täglichen Leben gibt es zahlreiche Situationen, in denen Permeation eine wesentliche Rolle spielt:

* ''[[Verpackung]]en'': 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 wichtig.
* ''[[Autoreifen]]'': Der Druck im Autoreifen soll möglichst langsam sinken. Daher ist es interessant zu wissen, welches Gas am langsamsten durch welche [[Butylkautschuk|Gummisorte]] permeiert.
* ''[[Wärmedämmung|Isoliermaterialien]]'': Zur Wärmedämmung ist z. B. die [[Wasserdampfdurchlässigkeit]] der verwendeten Materialien von Bedeutung. Auch die Isolierung von [[Unterseekabel]]n muss den [[Leiter (Physik)|Leiter]] vor [[Korrosion]] schützen.
* ''[[Kraftstoffsystem]]'': Die Erfüllung gesetzlicher Auflagen im Automobilbereich, wie z. B. die Vorschriften von [[CARB]] (California Air Resource Board) zum [[Zero Emission Vehicle|Low Emission Vehicle]] LEV erfordert undurchlässige Barrierematerialien für [[Kraftstoff]]leitungen und [[Kraftstofftank|Tanks]].
* Versickern von Wasser auf landwirtschaftlichen Flächen, [[Makadam]]-Wegen, [[Gussasphalt]]-Gehsteigen
* Flüssiges Wasser und Wasserdampf von Regen und Körperschweiß durch Kleidung für Regen, Sport und gegen Kälte
* [[Luftballon]]s aus Latex können dickwandiger hergestellt und mit Dichtmittel ausgestattet werden, solche aus Polyesterfolie sind in der Regel metallisiert, um insbesondere das leicht entweichende [[Helium]] nur langsamer entweichen zu lassen.

== Permeation in der Membrantechnik ==
In der [[Membrantechnik]] ist ''Permeat'' ein zentraler Begriff. Es bezeichnet bei Flüssigfiltrationen das durch die [[Filtration (Trennverfahren)|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#Membranverfahren|Gastrennung]] zum Einsatz.

== Permeationsmessung ==
[[Folie]]n und [[Membran (Trennschicht)|Membranen]] können sowohl mit beliebigen Gasen als auch mit Flüssigkeiten aller Art auf ihre Durchlässigkeit überprüft werden.

=== Mit Gasen ===
[[Datei:Permeabilitätsmesszelle.svg|miniatur|links|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 [[Sensor|Detektor]] geführt, wo die Konzentration gemessen wird. Die Grafik links 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.
[[Datei:Permeationsmessung Rohre.jpg|miniatur|Messzelle für Rohre]]
Soll die Permeation an [[Rohr (Technik)|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 ===
Analog der Permeationsmessung bei Gasen wird in der Membrantechnik der sogenannte [[Wasserwert #Membrantechnik|Wasserwert]] ermittelt. Er dient zur Charakterisierung der Leistungsfähigkeit einer Flüssigfiltrationseinheit und wird angegeben in l/(m²·h·bar).

=== In der Hydrogeologie ===
[[Datei:Wasserperm.png|miniatur|Bestimmung von Flüssigkeitspermeabilitäten]]
Dieser Laborversuch dient der Errechnung des [[Durchlässigkeitsbeiwert]]es und ist für die Einschätzung der Grundwasserneubildungsgeschwindigkeit und der [[Quellschüttung]] hilfreich. Er basiert auf [[Henry Darcy]] und folgt dem nach ihm benannten [[Darcy-Gesetz|Gesetz]]:

: <math>Q = - k_\mathrm{f} \cdot i \cdot A</math>

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

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4121460-2}}

[[Kategorie:Dichtemessgerät]]
[[Kategorie:Thermodynamik]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Membrantechnik]]
[[Kategorie:Messgröße der Verfahrenstechnik]]

Permeation - Versionsgeschichte

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