Stoffübertragung

Stoffübertragung, auch Massentransport genannt, beschreibt die Bewegung von Teilchen oder Molekülen innerhalb von Stoffsystemen oder zwischen ihnen, die durch Unterschiede in Konzentration, Temperatur oder Druck angetrieben wird. Sie ist ein zentrales Konzept in der chemischen Verfahrenstechnik, Biologie, Umwelt- und Materialwissenschaft. Typische Situationen sind Gas- oder Flüssigkeitsströme, Grenzflächen zwischen Phasen sowie Transportprozesse in biologischen Zellen und Geweben.

Die wichtigsten Mechanismen sind Diffusion, Konvektion und Membrangang. Diffusion ist der freiwillige Fluss von Teilchen von Bereichen höherer zu Bereiche niedrigerer Konzentration, beschrieben durch Ficksche Gesetze; der Massentransfer hängt von der Diffusionskoeffizienten, dem Konzentrationsgradienten und der verfügbaren Fläche ab. Konvektion oder Advektion bezeichnet den Transport durch eine bewegte Flüssigkeit, wobei Strömungsgeschwindigkeit und Grenzschicht den Rate bestimmen. Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran; aktiver Transport in biologischen Systemen nutzt Energie, um Stoffe gegen das Konzentrationsgefälle zu bewegen, während erleichterte Diffusion durch Transportproteine passiv erfolgt.

In der Technik werden Massentransferprozesse oft durch Massentransferkoeffizienten, Grenzschichtdicken und dimensionale Größen wie die Sherwood-Zahl charakterisiert. Anwendungen reichen von Absorption und Desorption über Destillation und Trocknung bis zur Membrantrennung und Umweltprozessen (Gas- und Wassertransport an Grenzflächen). Modelle wie die zwei-Film-Theorie oder Penetrationstheorie helfen bei der Vorhersage von Raten, Grenzflächenkonzentrationen und Effizienz von Trennprozessen.