Pemindahan Jisim II: Peresapan dan Teori Peresapan molekular

Definisi Peresapan Molekular:

"PERGERAKAN komponen molekul di dalam larutan campuran yang dipengaruhi oleh PERBEZAAN KEPEKATAN di dalam sesuatu sistem."

Peresapan berlaku adalah sebagai gerak kerja yang diperlukan untuk melawan/ memusnahkan kecerunan kepekatan. Peresapan akan menjadi berterusan sekiranya kecerunan kepekatan dikekalkan; menambahkan pembekalan terhadap kawasan yang berkepekatan tinggi dan menyingkirkan kawasan yang berkepekatan rendah. Situasi ini akan dimanupulasi dalam operasi melibatkan pemindahan jisim sistem tindak balas.

Teori peresapan untuk larutan binary^

Anggapan 1

Berdasarkan rajah di atas, anggapkan sesuatu sistem mempunyai komponen molekular A dan B. Pada mulanya, kepekatan A dalam sistem adalah tidak seragam (rujuk gambarajah), kepekatan C_A berubah-ubah dari C_A1 hingga C_A2; dalam fungsi jarak, y. Sebagai gerak balas terhadap kecerunan kepekatan, molekul A akan meresap keluar dari kawasan berkepekatan tinggi sehinggalah keseluruhan sistem mencapai komposisi yang seragam. Sekiranya tiada pergerakan bendalir dalam jumlah yang besar, (pengadukan/kacau) pencampuran bendalir tersebut hanya ditindakkan oleh pergerakan molekular.

Anggapan 2

Pemindahan jisim A berlaku merentasi luas, a bersudut tegak dengan arah peresapan. Di dalam sistem fasa tunggal, kadar pemindahan jisim disebabkan peresapan molekular digambarkan oleh Hukum Peresapan Fick; yang menyatakan flux (arus) jisim adalah berkadar terus dengan kecerunan kepekatan. 

J_A = flux jisim bagi komponen A;

N_A = Kadar pemindahan jisim bagi komponen A

a = luas yang direntasi pemindahan jisim

-D_AB = koeffisien peresapan binary/ Keresapan bagi komponen A di dalam campuran A dan B^

dC_A/dy = kecerunan kepekatan

^larutan binary merujuk kepada konsep yang dirangkum di dalam pembahasan teori peresapan; iaitu larutan campuran yang terdiri daripada hanya dua komponen.
^Ralat:Persamaan di atas kehilangan (-) pada  D_AB

Seperti yang ditunjukkan dalam persamaan tersebut, beberapa takrifan dan unit dapat disenaraikan:

Komponen	Takrif	unit
JA : Flux jisim*	Kadar pemindahan jisim per unit luas bersudut tegak dengan arah pergerakan	gmol s-1 m-2
NA *	kadar pemindahan jisim	gmol s-1
CA*	Kepekatan A	gmol m-3
DAB: keresapan	‘binary diffusion coefficient /diffusivty’	m2 s-1
^unit jisim digunakan selain unit mol diguna untuk*

1.     Tanda (-) merujuk kepada arah pemindahan jisim selalunya dari berkepekatan tinggi ke kepekatan rendah, iaitu menentang kecerunan kepekatan. Dengan kata lain, sekiranya kecerunan bagi graf CA melawan y adalah positif,  arah pemindahan jisim adalah (-) pada arah-y.

2.     D_AB  menunjukkan tahap kemudahan sesuatu penyerapan berlaku. Nilai ini bergantung kepada dua komponen larutan campuran dan juga dipengaruhi oleh suhu.

3.     Penyerapan gas bergantung kepada tekanan.

4.     Bagi cecair, terdapat suatu kehampiran linear yang bergantung kepada kepekatan. Keresapan bagi cecair dalam beberapa magnitude adalah lebih kecil berbanding gas.

	DAB
Oksigen (dalam udara)	1.78 x 10-5  m-2 s-1
Oksigen (dalam air)	2.5 x 10-9 m-2 s-1
Glukosa	6.9 x 10-10 m-2 s-1

5.     Apabila nilai keresapan tidak dapat ditentukan pada suhu atau tekanan yang diinginkan; ia dapat dikira menggunakan persamaan.

Analogi Antara Jisim, Haba dan Pemindahan Momentum

1. Terdapat ciri persamaan yang sangat hampir di antara proses jisim, haba dan pemindahan momentum diakibatkan oleh pergerakan molekular.

2. Ketiga-tiga proses di atas adalah agak berbeza di peringkat molekular, tetapi pada asasnya, persamaan-persamaan tersebut memiliki bentuk yang sama. Pada tiap-tap kes, fluks pada arah-y adalah berkadar terus dengan daya penggerak (sama ada dC_A/dy, dT/dy, atau dv/dy) dengan pemalar kadar terus (D_AB, k atau μ); sifat-sifat fizikal bahan tersebut.

3. Ketiga-tiga persamaan ini juga mempunyai tanda (-) yang menunjukkan sama ada pemindahan jisim, haba atau momentum senantiasa melawan kecerunan bagi tiap-tiap elemen tersebut (kepekatan, suhu, halaju). Persamaan-persamaan ini dapat dibanding-tarakan dalam keadaan tertentu dalam analisis yang melibatkan dua daripada proses-proses tersebut.

Peranan Penyerapan dalam Bio-pemprosesan

Pengadunan bendalir banyak dijalankan di dalam kebanyakan proses industri di mana pemindahan jisim berlaku. Pergerakan bendalir secara pukal menyebabkan pengadunan berskala besar yang pantas; lebih cepat berbanding penyerapan molekular…akan tetapi, mengapa masih lagi pengangkutan secara penyerapan masih dianggap penting?

(i) Skala pengadunan

Di dalam banyak proses pengadunan, corak aliran terbaik adalah corak turbulen (iaitu corak pergerakan yang tidak seragam/berserakan). Pengadunan pukal hanya bersamaan dengan pusaran air yang terkecil. Di dalam pusaran kecil yang terbentuk itu, aliran akan mengalir dalam keadaan alir-sekata supaya proses pengadunan seterusnya dapat berlaku dalam skala penyerapan di antara komponen-komponen bendalir. Ternyata, pengadunan pada skala molekular sangat bergantung kepada penyerapan sebagai langkah akhir dalam proses pengadunan.

(ii) Tindakbalas fasa-pepejal

Di dalam sistem biologi, tindakbalas kadang kala dibantu oleh kehadiran mangkin yang berbentuk pepejal. Apabila molekul sel atau enzim di gumpalkan atau –diimobilasi, substrat mestilah diangkut kedalam gumpalan (sistem pepejal) tersebut supaya membolehkan tindak balas berlaku. Pemindahan jisim diantara partikel pepejal biasanya tidak dibantu oleh perolakan pukal bendalir; mekanisme yang hanya mengambil bahagian adalah pemindahan jisim intrapartikel. Sepanjang proses berlaku, penyerapan turut memainkan peranan penting terutamanya di dalam penyingkiran molekul-molekul keluar daripada tapak proses.

(iii) Pemindahan jisim merentasi sempadan fasa

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, pemindahan jisim banyak terlibat dalam proses bioproses. Apabila dua fasa yang berlainan bersentuhan, halaju bendalir pada pengantara fasa tersebut berkurangan dan di sini, penyerapan menjadi peranan penting untuk memindahkan jisim merentasi pengantara fasa.

Teori Filem (lapisan)

1. Teori dwi-filem merupakan model yang sangat berguna untuk pemindahan jisim di antara fasa-fasa.

2. Pemindahan jisim sesuatu bahan larut dari suatu fasa kepada fasa lain melibatkan pengangkutan dari jumlah pukal satu fasa ke sempadan-antara-fasa atau pengantara fasa dan daripada situ pengantara berpindah pula kepada fasa pukal kedua.

3. Idea utama teori ini adalah filem bendalir atau pemindahan jisim lapisan-sempadan terbentuk apabila dua fasa bersentuhan.

Contoh

Anggapkan kita mempunyai dua cecair yang dapat sebati seperti air dan kloroform.

-A pada asalnya mempunyai kepekatan yang lebih tinggi dalam fasa aqueous dari dalam fasa organik.

-Setiap fasa diadun sempurna dalam aliran turbulen

-Kepekatan A dalam fasa aqueous pukal adalah C_A1; manakala fasa organic pukal adalah C_A2.

Berdasarkan teori filem, turbulen pada setiap bendalir terhenti pada sempadan fasa. Suatu lapisan filem yang boleh dikatakan pegun terhasil pada kedua-dua belah fasa; pemindahan jisim merentasi filem ini –hanya diakibatkan oleh penyerapan molekular.

-Kepekatan A berubah kepada

C_A1i: kepekatan A pengantara fasa dalam fasa aqueous

C_A2i: kepekatan A pengantara fasa dalam fasa organik.

Kebanyakan kerintangan terhadap pemindahan jisim terletak di dalam filem cecair ini bukannya pada bendalir pukal. Untuk tujuan praktikal, secara umum kerintangan ini diabaikan.

Pemindahan Jisim Perolakan

Penggunaan terma ‘pemindahan jisim perolakan’ merujuk kepada pemindahan jisim yang hadir di dalam pergerakan bendalir pukal. Penyerapan molekular hanya berlaku apabila terdapatnya kecerunan kepekatan; akan tetapi sekiranya bendalir pukal turut bergerak, kadar pemindahan jisim secara keseluruhan akan meningkat disebabkan arus perolakan.

Analisis pemindahan jisim adalah tersangat penting di dalam sistem multi-fasa di mana sempadan pengantara fasa membekalkan kerintangan yang signifikan terhadap pemindahan jisim.

___________________