Russische wetenschappers hebben een wiskundig model voorgesteld dat de permeabiliteit van polymeermembranen voor mengsels van verschillende gassen zal helpen voorspellen. In een dergelijk systeem kan de selectiviteit van gasscheiding merkbaar afwijken van de "ideale" waarde berekend op basis van de experimentele waarden van de permeabiliteit van individuele gassen. De auteurs legden uit waarom dit gebeurt en bewezen de juistheid van de berekeningen in de praktijk. Het voorgestelde model zal het mogelijk maken om, zonder complexe experimenten, de eigenschappen van selectieve materialen te bepalen en de mogelijkheid van hun gebruik in productie, industrie en geneeskunde. De studie werd ondersteund door een subsidie van de Russian Science Foundation.
Polymeermembranen worden gebruikt om vluchtige componenten te scheiden bij het reinigen van petroleumgas, de detectie van gevaarlijke of vervuilende stoffen in de lucht en in hart-longmachines. Het principe van hun werking is dat het membraanmateriaal voornamelijk door zichzelf moleculen passeert die bepaalde chemische en fysische eigenschappen hebben, in het bijzonder afmetingen die vergelijkbaar zijn met de poriën ervan. Anders zijn de verbindingen traag of vertraagd door het membraan.
Permeabiliteit (het vermogen van een materiaal om gasmoleculen door zichzelf te laten gaan) en selectiviteit (selectieve overdracht van de mengselcomponenten) zijn de belangrijkste kenmerken waar op gelet wordt bij het gebruik van polymeermembranen voor praktische doeleinden. Voor de meeste materialen kunnen deze eigenschappen eenvoudig worden gemeten door er zuivere of individuele gassen doorheen te leiden. In dit geval meten wetenschappers de snelheid waarmee de verbinding door het membraan gaat, en daaruit berekenen ze de zogenaamde ideale selectiviteit van het materiaal. Dit kan echter tot verkeerde conclusies leiden, aangezien de werkelijke selectiviteit van een polymeermembraan bij het scheiden van een mengsel van gassen aanzienlijk (in een orde van grootte) kan afwijken van de ideale waarde. Een onderzoeksgroep van het A.V. Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis van de Russische Academie van Wetenschappen (Moskou) heeft een wiskundig model ontwikkeld waarmee men de werkelijke selectiviteit van membranen bij het passeren van gasmengsels kan voorspellen op basis van experimentele gegevens over de permeabiliteit van zuivere componenten. De nieuwigheid van de voorgestelde aanpak was om rekening te houden met de diffusie-interactie, dat wil zeggen de onderlinge "wrijving" tussen de componenten van het gasmengsel.
Volgens het model, als het gas dat bij voorkeur door het membraan permeabel is, mobieler is dan de partner in het mengsel, dan zal zijn permeabiliteit afnemen in vergelijking met de permeabiliteit van het individuele gas. Integendeel, een minder mobiel (“traag”) gas in het mengsel zal sneller door het membraan gaan dan in zuivere toestand. Uit berekeningen blijkt dat de werkelijke selectiviteit meerdere malen kan afwijken van het ideaal.
Het resulterende model werd experimenteel getest. Hiervoor werd een mengsel van methaan en butaankoolwaterstoffen door het polymeermembraan geleid. Het bleek dat het vermogen om het membraan te overwinnen in lichter en sneller methaan met 84% afnam, terwijl het in zwaar en langzaam butaan met 39% toenam. Hierdoor nam de reële selectiviteit van butaan/methaan negen keer toe ten opzichte van het ideaal. Dergelijke experimentele resultaten zijn consistent met de voorspellingen van het model.
“Het model dat we voor het eerst hebben voorgesteld, maakte het mogelijk om de werkelijke selectiviteit van polymeermembranen met betrekking tot gasmengsels te evalueren. Hiermee kunnen niet-verantwoorde verliezen worden voorkomen, bijvoorbeeld bij het proces van waterstofzuivering tijdens de brandstofproductie. In de toekomst zijn we van plan om de afwijking van de ideale selectiviteit voor verschillende soorten membraanmaterialen in meer detail te bestuderen”, zegt Vladimir Volkov, projectmanager in het kader van de Russian Science Foundation-beurs, doctor in de chemie, hoofdonderzoeker van het laboratorium voor polymere membranen van het AV Topchiev Instituut voor Petrochemische Synthese van de Russische Academie van Wetenschappen.
"Selectiviteit van gemengd gas op basis van metingen van zuivere gaspermeatie: een benaderingsmodel"; Alexander O. Malakhov, Vladimir V. Volkov; Membranen magazine, oktober 2021
bbabo.Net