Oamenii de știință ruși au propus un model matematic care va ajuta la prezicerea permeabilității membranelor polimerice pentru amestecuri de diferite gaze. Într-un astfel de sistem, selectivitatea separării gazelor se poate abate în mod semnificativ de la valoarea „ideală” calculată din valorile experimentale ale permeabilității gazelor individuale. Autorii au explicat de ce se întâmplă acest lucru și au dovedit corectitudinea calculelor în practică. Modelul propus va permite, fără experimente complexe, să se determine proprietățile materialelor selective și posibilitatea utilizării lor în producție, industrie și medicină. Studiul a fost susținut de un grant de la Fundația Rusă pentru Știință.
Membranele polimerice sunt folosite pentru a separa componentele volatile în curățarea gazelor petroliere, detectarea compușilor periculoși sau poluanți în aer și în mașinile inimă-plămân. Principiul funcționării lor este că materialul membranei trece predominant prin el însuși molecule care au anumite proprietăți chimice și fizice, în special, dimensiuni comparabile cu porii săi. În caz contrar, conexiunile sunt lente sau întârziate de membrană.
Permeabilitatea (capacitatea unui material de a trece molecule de gaz prin el însuși) și selectivitatea (transferul selectiv al unuia dintre componentele amestecului) sunt principalele caracteristici cărora li se acordă atenție atunci când se utilizează membrane polimerice în scopuri practice. Pentru majoritatea materialelor, aceste proprietăți pot fi măsurate cu ușurință prin trecerea gazelor pure sau individuale prin ele. În acest caz, oamenii de știință măsoară viteza cu care compusul trece prin membrană și, din aceasta, calculează așa-numita selectivitate ideală a materialului. Cu toate acestea, acest lucru poate duce la concluzii eronate, deoarece selectivitatea reală a unei membrane polimerice în separarea unui amestec de gaze poate să devieze semnificativ (cu un ordin de mărime) de la valoarea ideală. Un grup de cercetare de la Institutul de Sinteză Petrochimică A. V. Topchiev al Academiei Ruse de Științe (Moscova) a dezvoltat un model matematic care permite să prezică selectivitatea reală a membranelor la trecerea amestecurilor de gaze pe baza datelor experimentale privind permeabilitatea componentelor pure. Noutatea abordării propuse a fost să țină cont de interacțiunea de difuzie, adică de „frecarea” reciprocă între componentele amestecului de gaze.
Conform modelului, dacă gazul care este preferabil permeabil de membrană este mai mobil decât partenerul din amestec, atunci permeabilitatea acestuia va scădea în comparație cu permeabilitatea gazului individual. Dimpotrivă, un gaz mai puțin mobil („lent”) din amestec va trece prin membrană mai repede decât în stare pură. Calculele au arătat că selectivitatea reală poate diferi de cea ideală de câteva ori.
Modelul rezultat a fost testat experimental. Pentru a face acest lucru, un amestec de metan și hidrocarburi butan a fost trecut prin membrana polimerică. S-a dovedit că capacitatea de a depăși membrana în metanul mai ușor și mai rapid a scăzut cu 84%, în timp ce în butanul greu și lent a crescut cu 39%. Ca urmare, selectivitatea reală a butanului/metanului a crescut de nouă ori față de ideal. Astfel de rezultate experimentale sunt în concordanță cu predicțiile modelului.
„Modelul pe care l-am propus pentru prima dată a făcut posibilă evaluarea selectivității reale a membranelor polimerice în raport cu amestecurile de gaze. Acest lucru va face posibilă evitarea pierderilor nesocotite, de exemplu, în procesul de purificare a hidrogenului în timpul producției de combustibil. În viitor, intenționăm să studiem mai detaliat abaterea de la selectivitatea ideală pentru diferite tipuri de materiale membranare”, spune Vladimir Volkov, manager de proiect sub grantul Fundației Ruse pentru Știință, doctor în chimie, cercetător șef al Laboratorului de membrane polimerice din Institutul de Sinteză Petrochimică AV Topchiev al Academiei Ruse de Științe.
„Selectivitatea în amestecuri de gaze pe baza măsurătorilor de permeație a gazului pur: un model aproximativ”; Alexander O. Malahov, Vladimir V. Volkov; Revista Membranes, octombrie 2021
bbabo.Net