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OldBo
16.09.2017
Die Diffusion ist der dritte Teilschritt eines Permeationsvorgangs. Dabei durchdringt ein Stoff (Permeat) z. B. die Kunststoffwand eines Rohres. Das Permeat (Gase [Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid]) geht immer in die Richtung der geringeren Konzentration (z. B. Heizungswasser) bzw. des niedrigeren Partialdrucks.
Permeationsvorgang
 Permeationsvorgang
Quelle: Bosy
Die Diffusion ist der dritte Teilschritt eines Permeationsvorgangs.  Dabei durchdringt ein Stoff (Permeat) z. B. die Kunststoffwand eines Rohres. Das Permeat (Gase [Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid]) geht immer in die Richtung der geringeren Konzentration (z. B. Heizungswasser, Kühlwasser, Solarflüssigkeit) bzw. des niedrigeren Partialdrucks (Bei dem Kontakt einer Flüssigkeit [z.B. Heizungswasser] mit einem Gas werden die Moleküle so lange von der Flüssigkeit aufgenommen [gelöst], bis sich die Partialdrücke angeglichen haben). Man spricht auch von einem Gleichgewichtsausgleich, bei dem die Triebkraft der Konzentrationsunterschied ist.

Der Permeationsvorgang verläuft in vier Teilschritten:

1. Adsorption an der Grenzfläche: Das Permeat wird an der Oberfläche der Rohrwandung aufgenommen
2. Absorption in das Material; Das Permeat dringt in das Material der Rohrwandung ein
3. Diffusion durch das Material: Das Permeat durchdringt (diffundiert) die Rohrwandung durch Poren bzw. molekulare Zwischenräume
4. Desorption: Das Permeat entweicht als Gas auf der anderen Seite der Rohrwandung und wird von der Flüssigkeit oder dem Gas aufgenommen (gelöst)

Dieser Vorgang ist eine langsame Durchdringung und Mischung von Gasen oder Flüssigkeiten bis zur gleichmäßigen Durchmischung (Konzentrationsausgleich), bei der keine äußeren Kräfte einwirken. Höhere Temperaturen bewirken eine höhere Molekularwegung und eine größere Diffusionsgeschwindigkeit. Durch Diffusion geht ein geordneter Zustand in einen ungeordneten Zustand über.

Die Diffusion ist ein Teil des Permeationsvorgangs

Der Diffusionskoeffizient (molekularer Diffusionskoeffizient) ist die Kenngrösse (Einheit - Fläche pro Zeit) für den Materialstrom durch molekulare Diffusion in flüssigen, gasförmigen und festen Phasen, die auf  Konzentrationsunterschiede basieren.  Der Teilchenstrom ist proportional dem Konzentrationsgradienten (ersten Fickschen Gesetz).

Der lokale Konzentrationsunterschied der diffundierenden Teilchen ist die treibende Kraft der Diffusion. Die Diffusion führt ohne Einwirkung von äußeren Kräften zum Abbau des Konzentrationsgradienten und findet in allen Aggregatzuständen statt.

Der Diffusionskoeffizient hängt von den Eigenschaften des Stoffes und des Transportmediums ab. Außerdem hat die Temperatur, der Druck und die Wechselwirkungen mit anderen Stoffen einen Einfluss. Die Proportionalitätskonstante ist der Diffusionskoeffizient. Die Diffusionskoeffizienten sind bei Gasen 5·10-6 bis 10-5 m2/s, bei Flüssigkeiten 10-10 bis 10-9 m2/s und bei Festkörpern 10-14 bis 10-10 m2/s.

Durch die Diffusion wird ein Konzentrationsgefälle innerhalb eines bestimmten Zeitraums ausgeglichen. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist dabei um so größer, je größer der Unterschied der beiden Konzentrationen ist.

Diffusionskoeffizienten DABvon binären Flüssigkeitsgemischen
bei 101.325 kPa und 25 °C
Gemisch A-B

DAB 10-9m2s-1

Stickstoff - Wasser > Stickstoffdiffusion
2,34
Sauerstoff - Wasser > Sauerstoffdiffusion
2,51
Kohlenstoffdioxid - Wasser > CO2-Diffusion
1,95
Permeationen bzw. Diffusionen gibt es in vielen Bereichen der Haustechnik und im täglichen Leben.
  • Gasleitungen können ausgasen und müssen deshalb in Schächten immer belüftet werden.
  • Wasserleitungen aus Kunststoff in Heizungs-, Solar- und Kühlanlagen können je nach Rohrart mehr oder weniger Luftsauerstoff aufnehmen, wodurch das Korrosionsrisiko steigt.
  • PE-Rohre in Erdsonden können Kohlendioxid aufnehmen, da die Permeation bei diesem Gas etwa doppelt so hoch wie die von Sauerstoff. So kann sich in der Wärmeträgerflüssigkeit bei hohen Drücken eine große Menge Gas in der Sonde ansammeln.
  • O-Ringe an Armaturen und Kunststoffdichtungen können Luftsauerstoff und andere Gase in Flüssigkeitssysteme durchlassen. Deswegen gibt es keine luftdichte (gasdichte) Anlagen, auch wenn sie aus Metallleitungen bestehen.
  • Kunststoffleitungen in Biogasanlagen können Gase aufnehmen und sich dichtsetzen.
  • Kunststofffolienverpackungen können Luftsauerstoff durchlassen, was zum schnellen Verderben von Lebensmitel führen kann.
  • Autoreifen verlieren Druck durch die Permeation.
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