Mostra totes les entrades de jorcarab

Difusió de Gasos

La difusió és un dels diversos fenòmens de transport que es troben a la natura. Una de les característiques distintives és que és el resultat de barrejar o transportar massa sense la necessitat d’un moviment macroscòpic del fluid. Per tant, la difusió no s’ha de confondre amb la convecció o advecció, que són altres mecanismes de transport que utilitzen el moviment per moure les partícules d’un lloc a un altre. En llatí “diffundere” significa cap a fora.

Hi ha dues maneres d’introduir el concepte difusió: Una aproximació a partir de les lleis de Fick i la seva conseqüència matemàtica o des del punt de vista Físic, considerant un camí a l’atzar de les partícules que es mouen[1]. Un exemple gràfic seria el que apareix a la figura següent

D’acord amb la llei de Fick el flux de difusió és proporcional al gradient de concentracions. El moviment és des de regions de major concentració a menys concentració.[2] Des del punt de vista atomista, la difusió es considera com el moviment aleatori de les partícules difusores. En la difusió molecular, les molècules que es mouen són autopropulsades per energia tèrmica. Aquest passeig aleatori va ser descobert el 1827 per Robert Brown.[3] Ara bé, el concepte de difusió és àmpliament utilitzat en altres branques de la ciència on el concepte del moviment a l’atzar en els conjunts d’individus és aplicable: la física (difusió de partícules), la química i la biologia, i fins i tot en ciències socials com la sociologia, l’economia i les finances (difusió de la gent, les idees i dels valors de preus).

Aplicació Pràctica: Ús del fenomen de difusió per a l’enriquiment de l’urani

La difusió gasosa s’empra habitualment per a la producció de l’urani enriquit ja siga tant per a plantes d’energia nuclear com per a la seua aplicació armamentística. L’urani natural conté únicament un 0.72% de l’isòtop radioactiu 235U, que és capaç de mantindre una reacció en cadena de fisió nuclear. Per contra els reactors nuclears requereixen un combustible amb una concentració entre el 2 i el 5% d’aquest isòtop, per a les bombes nuclears aquesta concentració és encara major. Una forma de concentrar l’urani als nivells desitjats és aprofitar la Llei de Graham.

La figura següent mostra una planta d’enriquiment per difusió gasosa on s’introdueix hexaflorur d’urani (UF6, únic compost d’urani suficientment volàtil) en un tanc cil·líndric, conegut com difusor, el qual està dividit mitjançant barreres poroses. És un procés difusiu doncs s’aprofita el gradient de concentració que existeix entre els compartiments del tanc. Com que la diferència entre els pesos moleculars del 235UF6 i 238UF6 és reduida, s’aconsegueix només un 0.4% de concentració. No obstant això, mitjançant l’addició de més compartiments de difusió es crea una seqüència en etapes, coneguda com cascada, on es pot aplegar a la concentració d’urani radioactiu desitjada.

This figure shows a large cylindrical container oriented horizontally. A narrow tube or pipe which is labeled “porous barrier” runs horizontally through the center of the tube and extends a short distance out from the left and right ends of the cylinder. At the far left, an arrow points right into the tube. This arrow is labele, “Uranium hexafluoride ( U F subscript 6 ).” A line segment connects the label, “High pressure feed tube,” to the tube where it enters the cylinder. In the short region of tube outside the cylinder, 5 small, purple circles and 4 small, green circles are present. Inside the cylinder, an arrow points right through the tube which contains many evenly distributed, purple circles and a handful of green circles which decrease in quantity moving left to right through the cylinder. Curved arrows extend from the inner area of the tube into the outer region of the cylinder. Three of these arrows point into the area above the tube and three point into the area below. Two line segments extend from the label, “Higher speed superscript 235 U F subscript 6 diffuses through barrier faster than superscript 238 U F subscript 6,” to two green circles in the space above the tube. In the short section of tubing just outside the cylinder, 8 small, purple circles are present. An arrow labeled, “Depleted superscript 238 U F subscript 6,” points right extending from the end of this tube. The larger space outside the tube contains approximately 100 evenly distributed small green circles and only 5 purple circles. Eight of the purple circles appear at the left end of the cylinder. A tube exits the lower right end of the cylinder. It has 5 green circles followed by a right pointing arrow and the label, “Enriched superscript 235 U F subscript 6.”
En un difusor, el UF6 gasós es bombeja a través d’una barrera porosa, que separa parcialment el 235UF6 del 238UF6. El UFha de passar a través de moltes unitats de difusió grans per aconseguir un enriquiment suficient en 235U.

Què és la transferència de matèria?

Transferència de matèria forma part d’una mena de triada on també apareixen la mecànica de fluids i la transferència de calor. Aquests tres eixos formen els fenòmens de transport que suposen un dels pilars en el currículum de l’enginyer químic (Augusto et al., 2019; Valero et al., 2019). De fet, és definit per Woinaroschy com el segon paradigma en l’evolució de l’enginyeria química (Woinaroschy, 2016). Segons aquest autor, durant el final de la dècada dels 50 apareix la necessitat d’aprofundir en els principis físics de les unitats d’operació més que basar-se en l’empirisme. Aquest paradigma estudia, per tant, els tres processos físics que es donen en qualsevol unitat d’operació: transport de moment, energia i matèria (Woinaroschy, 2016). En particular la transferència de matèria consisteix en el pas d’una o més substàncies d’una corrent més concentrada a una més diluïda. En molts casos podrà haver, a més, a més, un canvi de fase associat a aquest intercanvi.

La transferència de matèria és un fenomen físic de suma importància a la indústria doncs els processos de separació, que divideixen substàncies en productes separats amb característiques diferents, es basen en aquesta matèria. Clars exemples industrials són la destil·lació i la cristal·lització, en el cas de la separació per fraccions del petroli a la transferència de matèria se li ha d’afegir reaccions químiques. No obstant això, la transferència de matèria també es troba en assumptes més quotidians com en la dissolució de sucre en el nostre café de cada dia o l’evaporació de la colònia que emprem. Finalment, és un procés que forma part del motor de vida de la natura doncs la pressió osmòtica, motor d’intercanvi de les cèl·lules, és un procés governat per la transferència de matèria.

Queda patent que és, per tant, una assignatura clau per al currículum de qualsevol enginyer químic, doncs un perfil més industrial o un de més científic requeriran de coneixements en la matèria per a entendre i poder solucionar problemes que es troben durant el desenvolupament de la seua carrera professional.

Tinta blava difonent-se en aigua

Referències

Augusto, P.A., Castelo-grande, T., Estevez, A.M., 2019. Education for Chemical Engineers Practical demonstrations designed and developed by the students for pedagogical learning in transport phenomena. Educ. Chem. Eng. 26, 48–57. https://doi.org/10.1016/j.ece.2018.10.002

Valero, M.M., Martinez, M., Pozo, F., Planas, E., 2019. Education for Chemical Engineers A successful experience with the flipped classroom in the Transport Phenomena course. Educ. Chem. Eng. 26, 67–79. https://doi.org/10.1016/j.ece.2018.08.003

Woinaroschy, A., 2016. Chinese Journal of Chemical Engineering A paradigm-based evolution of chemical engineering. CJCHE 24, 553–557. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2016.01.019