Руски учени предложиха математически модел, който ще помогне да се предвиди пропускливостта на полимерните мембрани за смеси от различни газове. В такава система селективността на отделяне на газ може забележимо да се отклони от "идеалната" стойност, изчислена от експерименталните стойности на пропускливостта на отделните газове. Авторите обясниха защо това се случва и на практика доказаха правилността на изчисленията. Предложеният модел ще позволи без сложни експерименти да се определят свойствата на селективните материали и възможността за тяхното използване в производството, индустрията и медицината. Изследването е подкрепено от грант от Руската научна фондация.
Полимерните мембрани се използват за отделяне на летливи компоненти при почистване на нефтен газ, откриване на опасни или замърсяващи съединения във въздуха и в сърдечно-белите машини. Принципът на тяхното действие е, че мембранният материал пропуска предимно през себе си молекули, които имат определени химични и физични свойства, по-специално размери, сравними с порите му. В противен случай връзките са бавни или забавени от мембраната.
Пропускливостта (способността на материала да пропуска газови молекули през себе си) и селективността (селективно прехвърляне на един от компонентите на сместа) са основните характеристики, на които се обръща внимание при използване на полимерни мембрани за практически цели. За повечето материали тези свойства могат лесно да бъдат измерени чрез преминаване на чисти или отделни газове през тях. В този случай учените измерват скоростта, с която съединението преминава през мембраната, и от нея изчисляват така наречената идеална селективност на материала. Това обаче може да доведе до погрешни заключения, тъй като действителната селективност на полимерната мембрана при разделяне на смес от газове може да се отклони значително (с порядък) от идеалната стойност. Изследователска група от Института за нефтохимичен синтез им. А. В. Топчиев на Руската академия на науките (Москва) разработи математически модел, който позволява да се предвиди действителната селективност на мембраните при преминаване на газови смеси въз основа на експериментални данни за пропускливостта на чистите компоненти. Новостта на предложения подход е да се вземе предвид дифузионното взаимодействие, тоест взаимното "триене" между компонентите на газовата смес.
Според модела, ако газът, който е предимно пропусклив от мембраната, е по-мобилен от партньора в сместа, тогава неговата пропускливост ще намалее в сравнение с пропускливостта на отделния газ. Напротив, по-малко подвижният („бавен“) газ в сместа ще премине през мембраната по-бързо, отколкото в чисто състояние. Изчисленията показват, че реалната селективност може да се различава от идеалната няколко пъти.
Полученият модел е тестван експериментално. За да направите това, смес от метан и бутан въглеводороди се пропуска през полимерната мембрана. Оказа се, че способността за преодоляване на мембраната при по-лек и бърз метан намалява с 84%, докато при тежък и бавен бутан се увеличава с 39%. В резултат на това реалната селективност на бутан/метан се е увеличила девет пъти в сравнение с идеалната. Такива експериментални резултати са в съответствие с прогнозите на модела.
„Моделът, който предложихме за първи път, направи възможно да се оцени реалната селективност на полимерните мембрани по отношение на газовите смеси. Това ще позволи да се избегнат неотчетени загуби, например в процеса на пречистване на водород по време на производството на гориво. В бъдеще планираме да проучим по-подробно отклонението от идеалната селективност за различни видове мембранни материали“, казва Владимир Волков, ръководител на проекта от гранта на Руската научна фондация, доктор по химия, главен научен сътрудник на Лабораторията по полимерни мембрани на в Института по нефтохимичен синтез им. А. В. Топчиев на Руската академия на науките.
„Селективност на смесени газове, базирани на измервания на пропускливост на чист газ: приблизителен модел“; Александър О. Малахов, Владимир В. Волков; Списание Мембрани, октомври 2021 г
bbabo.Net