Científicos rusos han propuesto un modelo matemático que ayudará a predecir la permeabilidad de las membranas poliméricas para mezclas de varios gases. En tal sistema, la selectividad de la separación de gases puede desviarse notablemente del valor "ideal" calculado a partir de los valores experimentales de la permeabilidad de los gases individuales. Los autores explicaron por qué sucede esto y demostraron la exactitud de los cálculos en la práctica. El modelo propuesto permitirá, sin experimentos complejos, determinar las propiedades de los materiales selectivos y la posibilidad de su uso en la producción, la industria y la medicina. El estudio fue apoyado por una subvención de la Russian Science Foundation.
Las membranas de polímero se utilizan para separar componentes volátiles en la limpieza de gas de petróleo, la detección de compuestos peligrosos o contaminantes en el aire y en máquinas de circulación extracorpórea. El principio de su funcionamiento es que el material de la membrana pasa predominantemente a través de sí mismo moléculas que tienen ciertas propiedades químicas y físicas, en particular, tamaños comparables a sus poros. De lo contrario, las conexiones son lentas o retrasadas por la membrana.
La permeabilidad (la capacidad de un material para pasar moléculas de gas a través de sí mismo) y la selectividad (transferencia selectiva de uno de los componentes de la mezcla) son las principales características a las que se presta atención cuando se utilizan membranas de polímero con fines prácticos. Para la mayoría de los materiales, estas propiedades se pueden medir fácilmente pasando gases puros o individuales a través de ellos. En este caso, los científicos miden la velocidad a la que el compuesto atraviesa la membrana y, a partir de ella, calculan la llamada selectividad ideal del material. Sin embargo, esto puede conducir a conclusiones erróneas, ya que la selectividad real de una membrana de polímero para separar una mezcla de gases puede desviarse significativamente (en un orden de magnitud) del valor ideal. Un grupo de investigación del Instituto de Síntesis Petroquímica A. V. Topchiev de la Academia Rusa de Ciencias (Moscú) ha desarrollado un modelo matemático que permite predecir la selectividad real de las membranas al pasar mezclas de gases basándose en datos experimentales sobre la permeabilidad de los componentes puros. La novedad del enfoque propuesto fue tener en cuenta la interacción de difusión, es decir, la "fricción" mutua entre los componentes de la mezcla de gases.
De acuerdo con el modelo, si el gas que es preferentemente permeable por la membrana es más móvil que el compañero en la mezcla, entonces su permeabilidad disminuirá en comparación con la permeabilidad del gas individual. Por el contrario, un gas menos móvil (“lento”) en la mezcla atravesará la membrana más rápido que en estado puro. Los cálculos han demostrado que la selectividad real puede diferir varias veces de la ideal.
El modelo resultante fue probado experimentalmente. Para ello, se pasó a través de la membrana polimérica una mezcla de hidrocarburos de metano y butano. Resultó que la capacidad de superar la membrana en metano más liviano y rápido disminuyó en un 84 %, mientras que en butano pesado y lento aumentó en un 39 %. Como resultado, la selectividad real de butano/metano aumentó nueve veces con respecto a la ideal. Tales resultados experimentales son consistentes con las predicciones del modelo.
“El modelo que propusimos por primera vez permitió evaluar la selectividad real de las membranas poliméricas con respecto a las mezclas de gases. Esto permitirá evitar pérdidas no contabilizadas, por ejemplo, en el proceso de purificación de hidrógeno durante la producción de combustible. En el futuro, planeamos estudiar con más detalle la desviación de la selectividad ideal para varios tipos de materiales de membrana”, dice Vladimir Volkov, gerente de proyecto bajo la subvención de la Fundación de Ciencias Rusa, Doctor en Química, Investigador Jefe del Laboratorio de Membranas Poliméricas de el Instituto AV Topchiev de Síntesis Petroquímica de la Academia Rusa de Ciencias.
"Selectividad de mezcla de gases basada en mediciones de permeación de gas puro: un modelo aproximado"; Alexander O. Malakhov, Vladimir V. Volkov; Revista Membranas, Octubre 2021
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