દ્રવ્યમાન સંક્રમણ પ્રક્રમો (mass transfer processes) : રાસાયણિક ઇજનેરીમાં એકમાંથી બીજી પ્રાવસ્થા(phase)માં અથવા એક જ પ્રાવસ્થામાં એક ભાગમાંથી બીજા ભાગમાં પદાર્થના સંક્રમણ સાથે સંકળાયેલ પ્રક્રમો કે પ્રકિયાઓ. મોટાભાગના પ્રક્રમી-એકમો, દ્રાવણો કે મિશ્રણોના સંઘટનમાં થતા ફેરફારના પ્રશ્ન સાથે સંકળાયેલા હોય છે. દ્રવ્યમાન સંક્રમણ દ્રાવણોના સંઘટનના ફેરફાર સાથે છે. આવી ક્રિયાઓ રાસાયણિક પ્રકિયા શરૂ કરવા માટે, ઘટકોને છૂટા પાડવા માટે અથવા એક પ્રાવસ્થામાં પદાર્થના એકસરખા વિતરણ માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
રાસાયણિક પ્રક્રમો સામાન્ય રીતે કાચા માલના પ્રાથમિક શુદ્ધીકરણ માટે તેમજ નીપજોને ઉપપેદાશથી છેવટે અલગ કરવા માટે વપરાય છે. આવી ક્રિયાઓની ખાસ લાક્ષણિકતા એ છે કે તેમાં પદાર્થનું બીજામાં સંક્રમણ આણ્વીય સ્તરે થતું હોય છે; દા. ત., જલાશયના પાણીની સપાટી પરથી વહેતા હવાના પ્રવાહમાં પાણીના અણુઓનું બાષ્પ રૂપે ભળી જવું. અહીં પાણીના અણુઓ પ્રવાહી પ્રાવસ્થામાંથી પ્રસરીને હવાના પ્રવાહમાં (વાયુ-પ્રાવસ્થામાં) ભળી જાય છે.
પાણીના પરમાણુઓનું હવામાં પ્રસરણ
સંક્રમણની આ ક્રિયા પંપના દબાણને કારણે થતા પ્રવાહીના સ્થૂળ સ્થાનાંતર (bulk જેવી નથી હોતી. વાસ્તવમાં તે સંકેન્દ્રિતતાના તફાવત અથવા પ્રવણતા (gradient) ઉપર આધારિત હોય છે. અહીં પ્રસરિત થતો પદાર્થ ઊંચી સંકેન્દ્રિતતાવાળા ભાગમાંથી નીચી સંકેન્દ્રિતતાવાળા ભાગ તરફ પ્રસરે છે.
મોટાભાગના દ્રવ્યમાન સંક્રમણ પ્રક્રમો બે પદાર્થોનું તેમની અમિશ્રિત (immiscible) પ્રાવસ્થામાં તેમના સીધા સંપર્કનું પરિણામ હોય છે. કેટલાકમાં વરણાત્મક સૂક્ષ્મપટલ(selective membrane)ના ઉપયોગ દ્વારા અલગીકરણ થાય છે. બે અમિશ્રિત પ્રાવસ્થાના સીધા સંપર્ક ઉપર આધારિત પ્રક્રમોનું વર્ગીકરણ નીચે પ્રમાણે થઈ શકે :
(1) પ્રત્યક્ષ (સીધા) પ્રક્રમો : અહીં એક પ્રાવસ્થા ધરાવતા દ્રાવણને ઉષ્મા આપીને (દા. ત., નિસ્યંદન) અથવા તેનું તાપમાન ઘટાડીને (દ્રાવણને ઠારીને) પાસાદાર સ્ફટિક જેવા કણો મેળવી બીજી પ્રાવસ્થા ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે.
(2) પરોક્ષ (indirect) પ્રક્રમો : આમાં એક બાહ્ય પદાર્થ ઉમેરવામાં આવે છે. વાયુના અવશોષણ (absorption), અવલેપન (stripping), અને અધિશોષણ(adsorption)નો આ પ્રકારમાં સમાવેશ થાય છે.
દ્રવ્યમાન સંક્રમણની આવી ક્રિયાઓમાં કોઈ પણ પ્રાવસ્થા એક સંઘટક(component)ની બનેલી હોતી નથી. આથી જ્યારે બે જુદી જુદી પ્રાવસ્થાવાળા પદાર્થો શરૂઆતમાં એકબીજાના સંપર્કમાં આવે ત્યારે તેમની વચ્ચે ધીમું પ્રસરણીય ચલન (movement) શરૂ થાય છે. બે પ્રાવસ્થા વચ્ચેનું આ સંક્રમણ બંને પ્રાવસ્થા સરખી સંકેન્દ્રિતતા ધરાવતી ન થાય ત્યાં સુધી ચાલુ રહે છે. આવા પ્રક્રમમાં સંપૂર્ણ અલગીકરણ કદાપિ થતું નથી પણ તેની નજીકની કક્ષા સુધી પહોંચી શકાય છે.
દ્રવ્યમાન સંક્રમણ પ્રક્રમોમાં પ્રાવસ્થા-સંપર્કની છ શક્યતાઓ છે :
(1) વાયુ-વાયુ (gas-gas) : બધા વાયુઓ એકબીજામાં સંપૂર્ણ દ્રાવ્ય હોઈ આવી બે પ્રાવસ્થાઓ વ્યવહારમાં પ્રત્યક્ષ થતી નથી.
(2) વાયુ-પ્રવાહી : ઘટક/ઘટકોની વાયુમાંથી પ્રવાહી અથવા તેથી ઊલટી હેરફેર આ વર્ગમાં આવે. અહીં પ્રવાહીને ગરમી આપી વાયુ (બાષ્પ)-પ્રાવસ્થા અથવા વાયુને ઠંડો પાડી પ્રવાહી પ્રાવસ્થા ઉત્પન્ન કરાય છે. બંને પ્રાવસ્થા (વાયુ અને પ્રવાહી) એકબીજાના સંપર્કમાં રહે છે. સાંદ્રતા-પ્રવણતાને કારણે પ્રવાહીમાંથી વાયુમાં અથવા તેથી ઊલટું સંઘટકોનું સ્થાનાંતર થાય છે; દા. ત., નિસ્યંદન.
અન્ય કિસ્સામાં બંને પ્રાવસ્થા દ્રાવણો રૂપે હોય છે અને તેમાં સામાન્ય (common) ઘટક/ઘટકો બે પ્રાવસ્થા વચ્ચે વિતરિત થાય છે; દા. ત., અવશોષણમાં વાયુ પ્રાવસ્થા પ્રવાહી પ્રાવસ્થા સાથે સંપર્કમાં આવતાં વાયુ પ્રાવસ્થામાંથી ઘટક/ઘટકો પ્રાવસ્થામાં જાય છે. વિશોષણમાં આનાથી ઊલટું બને છે. આર્દ્રીકરણ (humidification) અને નિરાર્દ્રીકરણ (dehumidification) પણ આવી ક્રિયાઓ છે.
(3) વાયુ-ઘન : કેટલાંક ઘન દ્રાવણો(solid solutions)નું પ્રવાહી પ્રાવસ્થામાં આવ્યા સિવાય આંશિક બાષ્પીભવન થાય છે. નવી રચાયેલ બાષ્પ-પ્રાવસ્થા અને અવશેષી (residual) ઘન પદાર્થ પૂર્વાવસ્થાના બધા ઘટકો ધરાવે છે. પણ તેમનું પ્રમાણ જુદું જુદું હોય છે. પદાર્થનું ઊર્ધ્વીકરણ (sublimation) આવી ક્રિયા છે. બીજા પ્રકારમાં અધિશોષણ આવે છે જેમાં વાયુ અથવા બાષ્પમાંનો એક ઘટક ઘન સપાટી તરફ પ્રસરે છે અને ત્યાં વસી જાય છે; દા. ત., હવામાં ભેજ રૂપે રહેલા પાણીના અણુઓનું સિલિકા જેલ ઉપર અધિશોષણ. વિશોષણ(desorption)માં આનાથી ઊલટી ક્રિયા થાય છે. તેમાં પ્રવાહી ઘન સપાટી ઉપરથી નીકળીને વાયુ-પ્રાવસ્થામાં પ્રસરે છે; દા.ત., સુકવણી(drying)ની ક્રિયા.
(4) પ્રવાહી-પ્રવાહી : દ્રાવક નિષ્કર્ષણ (extraction) આ કોટિમાં આવે છે. બે અથવા વધુ ઘટકો ધરાવતા પ્રવાહી મિશ્રણને અન્ય અમિશ્રણીય પ્રવાહી સાથે સંપર્કમાં લાવવાથી મિશ્રણમાંનો એક ઘટક બીજા પ્રવાહીમાં પ્રસરે છે; દા. ત., ઍસિટોન-પાણી મિશ્રણ(L1)ને કાર્બન ટેટ્રાક્લોરાઇડ (L2) સાથે સંપર્કમાં L1 પ્રાવસ્થામાંથી ઍસિટોન L2 પ્રાવસ્થામાં સ્થાનાન્તરણ પામે છે. આવા પ્રક્રમો ત્રણ ઘટકો ધરાવે છે.
(5) પ્રવાહી-ઘન : સ્ફટિકીકરણ અને નિક્ષાલન (leaching) એ આ વર્ગમાં આવતી ક્રિયાઓ છે.
સ્ફટિકીકરણમાં ઊંચા તાપમાને રહેલા સંતૃપ્ત દ્રાવણને ઠંડું પાડી નીચા તાપમાને લાવવામાં આવે છે. આમ કરવાથી દ્રાવણમાંથી દ્રાવ્ય સ્ફટિક રૂપે બહાર આવે છે. નિક્ષાલન એ એક એવી ક્રિયા છે કે જેમાં ઘન મિશ્રણને દ્રાવકના સંપર્કમાં લાવવાથી મિશ્રણમાંનો એક ઘટક વરણાત્મક રીતે દ્રાવ્ય થાય છે; દા. ત., કપાસના બી(કપાસિયા)માંથી કપાસિયાનું તેલ છૂટું પાડવું. અહીં ઘન પ્રાવસ્થામાંથી પ્રવાહી તરફ તેલનું પ્રસરણ થાય છે.
પ્રવાહી મિશ્રણમાંનો એક ઘટક ઘનની બાહ્ય સપાટી ઉપર જાય તો તેને અધિશોષણ કહે છે. આ રીતે શેરડીના રસમાંના રંગીન ઘટકોને સક્રિયકૃત કાર્બનના સંપર્કમાં લાવીને દૂર કરવામાં આવે છે. આયનવિનિમય-ક્રિયા દ્વારા પાણીનું મૃદૂકરણ પણ આવી જ ક્રિયા છે.
(6) ઘન-ઘન : ઘણા ધીમા પ્રસરણ દરને કારણે ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે અલગન માટેના આવા કોઈ પ્રકારનો સમાવેશ થતો નથી.
કેટલીક વાર પ્રાવસ્થામાંથી ઘટકોને છૂટા પાડવા સૂક્ષ્મ-પટલો (membrane)નો ઉપયોગ થાય છે. આ રીતો હવે અગત્યની બનતી જાય છે; દા.ત., (1) ઉત્ક્રમી પરાસરણ (reverse osmosis) દ્વારા ક્ષારયુક્ત પાણીનું વિક્ષારીકરણ (desalination), (2) ફ્લોરોકાર્બન બહુલક(polymer)ના સૂક્ષ્મપટલ વડે વરણાત્મક પારગમન (permeation) દ્વારા કુદરતી વાયુમાંથી હિલિયમ વાયુનું અલગીકરણ, (3) અનિચ્છનીય કલીલો ધરાવતા બીટ-શર્કરાના જલીય દ્રાવણનું અર્ધપારગમ્ય (semipermeable) પડદા દ્વારા શુદ્ધીકરણ.
અલગન(separation)ની જરૂરિયાત પ્રમાણે દ્રવ્યમાન સંક્રમણ પ્રક્રમની પસંદગી કરવામાં આવે છે. જોકે જે તે પદાર્થની ભૌતિક ખાસિયતો પ્રમાણે અંતિમ પસંદગી તો અનુભવના આધારે જ નક્કી થાય છે. ઘણી વખત દ્રવ્યમાન સંક્રમણ પ્રક્રમો સાથે યાંત્રિક તથા રાસાયણિક પ્રક્રમો પણ જોડાયેલા હોય છે.
સામાન્ય રીતે આવા પ્રક્રમો સ્થાયી અવસ્થા (steady state), અસ્થાયી અવસ્થા, અનેક પદોવાળી (stagewise) ક્રિયા અથવા અવિરત સંપર્ક કે તૂટક સંપર્ક પ્રકારના હોય છે. તબક્કાવાર પ્રક્રમો તક્તીઓ (plates) કે તબક્કાઓના સમુચ્ચય દ્વારા કરવામાં આવે છે. આ માટે તક્તીઓ કે ટ્રે ધરાવતા વિવિધ પ્રકારના મિનારાઓનો ઉપયોગ થાય છે. અહીં અલગીકરણ વારંવાર થતા ભૌતિક સંપર્કને કારણે થાય છે.
સતત સંપર્ક પ્રક્રમોમાં જુદી જુદી પ્રાવસ્થાઓમાં એકબીજાના સતત સંપર્કમાં રહે છે અને અલગીકરણ સતત થતું જાય છે.
દ્રવ્યમાન સંક્રમણ પ્રક્રમો પ્રસરણ અંગેના ફિકના પહેલા નિયમને અનુસરે છે.
[ JA = અભિવાહ ( મોલ/ક્ષેત્રફળ x સમય); – DAB = B ની સાપેક્ષતામાં A ની પ્રસારિતતા (diffusivity), 
= Z દિશામાં A ની સાંદ્રતા-પ્રવણતા]. અભિવાહ નક્કી માટેનું સામાન્ય સમીકરણ નીચે પ્રમાણે છે : અભિવાહ = દ્રવ્યમાન સંક્રમણ ગુણાંક x સંકેન્દ્રિતતાનો તફાવત.
દ્રવ્યમાન સંક્રમણ ગુણાંક વિવિધ પ્રકારના સહસંબંધોના આધારે મેળવી શકાય. દ્રવ્યમાન સંક્રમણ પ્રક્રમો માટેનાં જરૂરી ઉપકરણોની ડિઝાઇન પ્રાપ્ય સમીકરણોની મદદથી કરવામાં આવે છે.
હર્ષદરાય રસિકલાલ શાહ