Transferencia de materia

A transferencia de materia ou transferencia de masa é un fenómeno físico que se caracteriza polo movemento neto de materia no espazo. Agrúpase decote xunto co transporte de cantidade de movemento e de enerxía nos chamados fenómenos de transporte xa que o seu tratamento matemático é semellante e, ademais, aparecen a miúdo combinados en distintos procesos físicos.

Os mecanismos responsables da transferencia de materia son a difusión e a convección. Na meirande parte dos procesos de transferencia os dous mecanismos teñen lugar simultaneamente, aínda que con diferente importancia.

Algúns exemplos de transferencia de materia son a evaporación da auga dunha poza cara a atmosfera; a difusión do azucre dun terrón nunha cunca de café; a perda de auga dun alimento durante o seu secado; ou a nivel industrial a separación de compostos químicos nunha columna de destilación.

Aspectos termodinámicos

Aínda que adoita a considerarse que a forza impulsora da transferencia de materia é a diferenza de concentración, isto so é certo para sistemas dunha soa fase en equilibrio termodinámico. No resto de casos (non isotermos, sometidos a unha forza mecánica, un campo eléctrico etc.) o criterio que permite prever se a transferencia de materia terá lugar ou non é a igualdade de potencial químico, tanto para unha ou varias fases. Así, un sistema evolúe ata que o seu potencial químico é homoxéneo en todo punto.

Para varias fases, e en termos máis sinxelos, pódese dicir que os compostos químicos van estar atraídos pola fase coa que teñan máis afinidade. Como exemplo, a extracción dunha molécula aromática (apolar) dunha solución acuosa (polar) levarase a cabo cun disolvente apolar, de acordo co famoso principio de que “semellante disolve semellante”. Se un litro de disolución acuosa de acetato de butilo (un dos aromas da piña) de concentración 50 mg/l é posto en contacto con 50 ml de n-octanol. No equilibrio, a concentración de acetato de butilo na fase acuosa será soamente de 10,3 mg/l mentres que na fase apolar (n-octanol) a concentración será de 820 mg/l, é dicir, 79 veces superior. Malia diferenza de concentración de acetato de butilo, a transferencia de materia non terá lugar xa que o potencial químico do acetato de butilo nas dúas fases será idéntico.

Aspectos cinéticos

A transferencia de materia ten lugar por difusión e convección. A difusión está caracterizada pola lei de Fick, que nunha dimensión e para unha solución ideal binaria toma a forma:

${\bigg .}J_{A}=-D_{AB}{\frac {\partial c_{A}}{\partial x}}{\bigg .}$

onde

• $\ J_{A}$ é o fluxo difusivo molar $({\tfrac {\mathrm {mol} }{\mathrm {m} ^{2}\cdot \mathrm {s} }})$ ou másico $({\tfrac {\mathrm {kg} }{\mathrm {m} ^{2}\cdot \mathrm {s} }})$ do compoñente A. Representa a cantidade de materia que se transfire por unidade de superficie e tempo.
• $\,D_{AB}$ é o coeficiente de difusión ou difusividade do compoñente A no compoñente B, en $({\tfrac {\mathrm {m} ^{2}}{\mathrm {s} }})$
• $\,c$ é a concentración molar $({\tfrac {\mathrm {mol} }{\mathrm {m} ^{3}}})$ ou másica $({\tfrac {\mathrm {kg} }{\mathrm {m} ^{3}}})$ do compoñente A.
• $\,x$ é a coordenada espacial en $\,\mathrm {m}$

Pola súa banda, o transporte convectivo representa a transferencia de materia debida ao movemento da mesma materia. En consecuencia, agás casos concretos a difusión en calquera medio orixina un transporte convectivo de maior ou menor importancia. O fluxo de materia por convección vén dado pola seguinte expresión:

${\bigg .}N_{A}=uc_{A}{\bigg .}$

onde

• $\ u$ é a velocidade do fluído $({\tfrac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }})$.
• $\,c$ é a concentración molar $({\tfrac {\mathrm {mol} }{\mathrm {m} ^{3}}})$ ou másica $({\tfrac {\mathrm {kg} }{\mathrm {m} ^{3}}})$ do compoñente A.

Enxeñaría química

A transferencia de materia presenta unha chea de aplicacións en enxeñería química sendo a base da meirande parte das operacións de separación. Operacións de importancia industrial coma a destilación, a absorción, a adsorción, a extracción líquido-líquido, as separacións por membranas, a lixiviación ou a cristalización están controladas pola transferencia de materia. Outras operacións, coma o secado, están controladas pola transferencia de materia e enerxía ao mesmo tempo. Finalmente, o estudo da transferencia de materia é de grande importancia no deseño de reactores químicos heteroxéneos, é dicir, aqueles nos que o catalizador (case sempre un sólido) está nunha fase diferente do medio de reacción. A velocidade de conversión neste tipo de reactores pode estar controlada pola reacción no catalizador ou polo tempo que precisan os reactivos para transferirse ata a superficie deste. No primeiro caso a conversión estaría controlada pola velocidade de reacción e no segundo pola transferencia de materia.