Rosyjscy naukowcy zaproponowali model matematyczny, który pomoże przewidzieć przepuszczalność membran polimerowych dla mieszanin różnych gazów. W takim układzie selektywność separacji gazów może wyraźnie odbiegać od „idealnej” wartości obliczonej z eksperymentalnych wartości przepuszczalności poszczególnych gazów. Autorzy wyjaśnili, dlaczego tak się dzieje i udowodnili poprawność obliczeń w praktyce. Zaproponowany model pozwoli bez skomplikowanych eksperymentów określić właściwości materiałów selektywnych oraz możliwości ich wykorzystania w produkcji, przemyśle i medycynie. Badanie zostało wsparte grantem Rosyjskiej Fundacji Nauki.
Membrany polimerowe są używane do oddzielania lotnych składników w oczyszczaniu gazu naftowego, wykrywaniu niebezpiecznych lub zanieczyszczających związków w powietrzu oraz w aparatach płuco-serce. Zasada ich działania polega na tym, że materiał membrany w przeważającej części przechodzi przez siebie cząsteczki, które mają określone właściwości chemiczne i fizyczne, w szczególności rozmiary porównywalne z jego porami. W przeciwnym razie połączenia są powolne lub opóźnione przez membranę.
Przepuszczalność (zdolność materiału do przepuszczania przez siebie cząsteczek gazu) i selektywność (selektywne przenoszenie jednego ze składników mieszaniny) to główne cechy, na które zwraca się uwagę przy stosowaniu membran polimerowych do celów praktycznych. W przypadku większości materiałów właściwości te można łatwo zmierzyć, przepuszczając przez nie czyste lub pojedyncze gazy. W tym przypadku naukowcy mierzą szybkość, z jaką związek przechodzi przez membranę, i na tej podstawie obliczają tzw. idealną selektywność materiału. Może to jednak prowadzić do błędnych wniosków, ponieważ faktyczna selektywność membrany polimerowej w oddzielaniu mieszaniny gazów może znacznie odbiegać (o rząd wielkości) od wartości idealnej. Grupa badawcza z Instytutu Syntezy Petrochemicznej im. A. V. Topchieva Rosyjskiej Akademii Nauk (Moskwa) opracowała model matematyczny, który na podstawie danych doświadczalnych dotyczących przepuszczalności czystych składników pozwala przewidzieć rzeczywistą selektywność membran podczas przepuszczania mieszanin gazowych. Nowością zaproponowanego podejścia było uwzględnienie oddziaływania dyfuzyjnego, czyli wzajemnego „tarcia” między składnikami mieszaniny gazowej.
Zgodnie z modelem, jeśli gaz, który jest preferencyjnie przepuszczalny przez membranę, jest bardziej mobilny niż partner w mieszaninie, wówczas jego przepuszczalność zmniejszy się w porównaniu z przepuszczalnością pojedynczego gazu. Wręcz przeciwnie, mniej ruchliwy („wolny”) gaz w mieszaninie przejdzie przez membranę szybciej niż w stanie czystym. Obliczenia wykazały, że rzeczywista selektywność może kilkakrotnie różnić się od ideału.
Powstały model został przetestowany eksperymentalnie. W tym celu przez membranę polimerową przepuszczono mieszaninę węglowodorów metanu i butanu. Okazało się, że zdolność pokonywania membrany w lżejszym i szybszym metanie zmniejszyła się o 84%, natomiast w ciężkim i wolnym butanie wzrosła o 39%. W rezultacie rzeczywista selektywność butan/metan wzrosła dziewięciokrotnie w porównaniu do ideału. Takie wyniki eksperymentalne są zgodne z przewidywaniami modelu.
„Zaproponowany przez nas po raz pierwszy model umożliwił ocenę rzeczywistej selektywności membran polimerowych w odniesieniu do mieszanin gazowych. Pozwoli to uniknąć nierozliczonych strat np. w procesie oczyszczania wodoru podczas produkcji paliwa. W przyszłości planujemy bardziej szczegółowo zbadać odchylenie od idealnej selektywności dla różnych rodzajów materiałów membranowych” – mówi Vladimir Volkov, kierownik projektu w ramach grantu Russian Science Foundation, doktor chemii, główny badacz Laboratorium Błon Polimerowych im. Instytut Syntezy Petrochemicznej im. AV Topchieva Rosyjskiej Akademii Nauk.
„Selektywność gazów mieszanych w oparciu o pomiary przenikania czystego gazu: model przybliżony”; Aleksander O. Małachow, Władimir Wołkow; Magazyn Membrany, październik 2021
bbabo.Net