Der Massenübertrag, auch Stoffübertragung oder Stoffaustausch genannt, ist ein grundlegendes Phänomen in vielen Naturwissenschaften und Ingenieurdisziplinen, insbesondere in der Verfahrenstechnik, Chemieingenieurwesen und Biologie. Er beschreibt den Transport von Materie aufgrund von Konzentrations- oder Potentialunterschieden von einem Bereich zu einem anderen. Ähnlich wie die Wärmeübertragung, die durch Temperaturdifferenzen angetrieben wird, ist der Massenübertrag ein irreversibler Prozess, der darauf abzielt, ein Gleichgewicht der Konzentrationen zu erreichen.

Die Hauptmechanismen des Massenübertrags sind die molekulare Diffusion und die Konvektion. Die Diffusion ist der Transport von Molekülen innerhalb einer Phase, der durch die zufällige Bewegung der Moleküle (Brownsche Bewegung) und einen Konzentrationsgradienten angetrieben wird. Sie wird durch die Fickschen Gesetze beschrieben, die den Diffusionsstrom proportional zum Konzentrationsgradienten setzen. Die Konvektion hingegen beschreibt den Massentransport, der durch die makroskopische Bewegung eines Fluids verursacht wird. Man unterscheidet hierbei zwischen freier Konvektion, die durch Dichteunterschiede infolge von Konzentrations- oder Temperaturgradienten entsteht, und erzwungener Konvektion, bei der das Fluid durch externe Mittel wie Pumpen oder Rührwerke bewegt wird.

Ein zentraler Aspekt des Massenübertrags ist der Transport über Phasengrenzen hinweg, beispielsweise zwischen einer Gasphase und einer Flüssigphase (wie bei der Absorption oder Destillation) oder zwischen einer Flüssigphase und einer festen Phase (wie bei der Adsorption oder Kristallisation). An diesen Phasengrenzen spielen Phasengleichgewichte eine entscheidende Rolle. Die treibende Kraft für den Massenübertrag über eine Grenzfläche ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Konzentration in einer Phase und der Gleichgewichtskonzentration, die sich einstellen würde, wenn kein Massenübertrag stattfände. Der Widerstand gegen den Massenübertrag kann in beiden Phasen sowie an der Grenzfläche selbst lokalisiert sein und wird oft durch Massenübergangskoeffizienten quantifiziert.

Die Anwendungen des Massenübertrags sind vielfältig und reichen von industriellen Prozessen bis hin zu biologischen Systemen. In der chemischen Verfahrenstechnik ist er fundamental für Trennoperationen wie Destillation, Absorption, Extraktion, Trocknung, Kristallisation und Membrantrennverfahren. Bei der Destillation wird beispielsweise die Trennung von Flüssigkeitsgemischen durch den Massenübertrag von Komponenten zwischen einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase erreicht. Bei der Absorption wird ein Gas in einer Flüssigkeit gelöst, während bei der Extraktion eine Komponente aus einer Phase in eine andere gelöst wird.

Darüber hinaus spielt der Massenübertrag eine entscheidende Rolle in der Umwelttechnik (z.B. Sauerstoffeintrag in Kläranlagen, Schadstoffausbreitung in Luft und Wasser), der Biotechnologie (z.B. Nährstoffaufnahme durch Mikroorganismen, Sauerstoffversorgung in Fermentern) und sogar im menschlichen Körper (z.B. Sauerstofftransport von der Lunge ins Blut und zu den Zellen, Nährstoffaufnahme im Darm). Ein tiefes Verständnis der Prinzipien des Massenübertrags ist unerlässlich für die Entwicklung, das Design und die Optimierung von Apparaten und Prozessen in all diesen Bereichen, um Effizienz zu maximieren und Energieverbrauch zu minimieren.