Scienziati russi hanno proposto un modello matematico che aiuterà a prevedere la permeabilità delle membrane polimeriche per miscele di vari gas. In un tale sistema, la selettività della separazione dei gas può discostarsi notevolmente dal valore "ideale" calcolato dai valori sperimentali della permeabilità dei singoli gas. Gli autori hanno spiegato perché ciò accade e hanno dimostrato in pratica la correttezza dei calcoli. Il modello proposto consentirà, senza esperimenti complessi, di determinare le proprietà dei materiali selettivi e la possibilità del loro utilizzo nella produzione, nell'industria e nella medicina. Lo studio è stato sostenuto da una sovvenzione della Russian Science Foundation.
Le membrane polimeriche vengono utilizzate per separare i componenti volatili nella pulizia dei gas di petrolio, nel rilevamento di composti pericolosi o inquinanti nell'aria e nelle macchine cuore-polmone. Il principio del loro funzionamento è che il materiale della membrana passa prevalentemente attraverso se stesso molecole che hanno determinate proprietà chimiche e fisiche, in particolare dimensioni paragonabili ai suoi pori. In caso contrario, le connessioni sono lente o ritardate dalla membrana.
La permeabilità (la capacità di un materiale di far passare le molecole di gas attraverso se stesso) e la selettività (trasferimento selettivo di uno dei componenti della miscela) sono le caratteristiche principali a cui si presta attenzione quando si utilizzano membrane polimeriche per scopi pratici. Per la maggior parte dei materiali, queste proprietà possono essere facilmente misurate facendo passare attraverso di essi gas puri o singoli. In questo caso, gli scienziati misurano la velocità con cui il composto passa attraverso la membrana e da essa calcolano la cosiddetta selettività ideale del materiale. Tuttavia, ciò può portare a conclusioni errate, poiché l'effettiva selettività di una membrana polimerica nella separazione di una miscela di gas può deviare in modo significativo (di un ordine di grandezza) dal valore ideale. Un gruppo di ricerca dell'Istituto AV Topchiev di sintesi petrolchimica dell'Accademia delle scienze russa (Mosca) ha sviluppato un modello matematico che consente di prevedere l'effettiva selettività delle membrane durante il passaggio di miscele di gas sulla base di dati sperimentali sulla permeabilità dei componenti puri. La novità dell'approccio proposto è stata quella di tenere conto dell'interazione di diffusione, cioè del reciproco "attrito" tra i componenti della miscela di gas.
Secondo il modello, se il gas preferibilmente permeabile dalla membrana è più mobile del partner nella miscela, la sua permeabilità diminuirà rispetto alla permeabilità del singolo gas. Al contrario, un gas meno mobile ("lento") nella miscela passerà attraverso la membrana più velocemente che allo stato puro. I calcoli hanno dimostrato che la selettività reale può differire dall'ideale diverse volte.
Il modello risultante è stato testato sperimentalmente. Per fare ciò, una miscela di idrocarburi metano e butano è stata fatta passare attraverso la membrana polimerica. Si è scoperto che la capacità di superare la membrana nel metano più leggero e veloce è diminuita dell'84%, mentre nel butano pesante e lento è aumentata del 39%. Di conseguenza, la selettività reale del butano/metano è aumentata di nove volte rispetto all'ideale. Tali risultati sperimentali sono coerenti con le previsioni del modello.
“Il modello che abbiamo proposto per la prima volta ha permesso di valutare la reale selettività delle membrane polimeriche rispetto alle miscele di gas. Ciò consentirà di evitare perdite non contabilizzate, ad esempio, nel processo di purificazione dell'idrogeno durante la produzione di carburante. In futuro, prevediamo di studiare più in dettaglio la deviazione dalla selettività ideale per vari tipi di materiali a membrana", afferma Vladimir Volkov, project manager nell'ambito della sovvenzione della Russian Science Foundation, dottore in chimica, ricercatore capo del Laboratorio di membrane polimeriche di l'Istituto AV Topchiev di sintesi petrolchimica dell'Accademia delle scienze russa.
"Selettività per gas misti basata su misurazioni della permeazione del gas puro: un modello approssimativo"; Alexander O. Malakhov, Vladimir V. Volkov; Rivista Membrane, ottobre 2021
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