Ruskí vedci navrhli matematický model, ktorý pomôže predpovedať priepustnosť polymérnych membrán pre zmesi rôznych plynov. V takomto systéme sa selektivita separácie plynov môže výrazne líšiť od „ideálnej“ hodnoty vypočítanej z experimentálnych hodnôt permeability jednotlivých plynov. Autori vysvetlili, prečo sa tak deje a v praxi dokázali správnosť výpočtov. Navrhnutý model umožní bez zložitých experimentov určiť vlastnosti selektívnych materiálov a možnosti ich využitia vo výrobe, priemysle a medicíne. Štúdia bola podporená grantom od Ruskej vedeckej nadácie.
Polymérové membrány sa používajú na oddeľovanie prchavých zložiek pri čistení ropných plynov, detekcii nebezpečných alebo znečisťujúcich zlúčenín vo vzduchu a v strojoch srdca a pľúc. Princíp ich fungovania spočíva v tom, že materiálom membrány prechádzajú prevažne molekuly, ktoré majú určité chemické a fyzikálne vlastnosti, najmä veľkosť porovnateľnú s jeho pórmi. V opačnom prípade sú spojenia pomalé alebo oneskorené membránou.
Priepustnosť (schopnosť materiálu prechádzať molekulami plynu cez seba) a selektivita (selektívny prenos jednej zo zložiek zmesi) sú hlavné charakteristiky, ktorým sa venuje pozornosť pri použití polymérnych membrán na praktické účely. U väčšiny materiálov sa tieto vlastnosti dajú ľahko merať tak, že cez ne prejdú čisté alebo jednotlivé plyny. V tomto prípade vedci merajú rýchlosť, akou zlúčenina prechádza membránou, a z nej vypočítajú takzvanú ideálnu selektivitu materiálu. To však môže viesť k chybným záverom, pretože skutočná selektivita polymérnej membrány pri separácii zmesi plynov sa môže výrazne (rádovo) odchyľovať od ideálnej hodnoty. Výskumná skupina z Ústavu petrochemickej syntézy A. V. Topchieva Ruskej akadémie vied (Moskva) vyvinula matematický model, ktorý umožňuje predpovedať skutočnú selektivitu membrán pri prechode zmesí plynov na základe experimentálnych údajov o priepustnosti čistých zložiek. Novinkou navrhovaného prístupu bolo zohľadnenie difúznej interakcie, teda vzájomného „trenia“ medzi zložkami plynnej zmesi.
Podľa modelu, ak je plyn, ktorý je prednostne priepustný membránou, mobilnejší ako partner v zmesi, potom sa jeho priepustnosť zníži v porovnaní s priepustnosťou jednotlivého plynu. Naopak, menej pohyblivý („pomalý“) plyn v zmesi prejde cez membránu rýchlejšie ako v čistom stave. Výpočty ukázali, že skutočná selektivita sa môže od ideálnej líšiť niekoľkonásobne.
Výsledný model bol testovaný experimentálne. Na tento účel sa cez polymérnu membránu nechala prejsť zmes metánu a butánových uhľovodíkov. Ukázalo sa, že schopnosť prekonať membránu v ľahšom a rýchlejšom metáne sa znížila o 84%, zatiaľ čo v ťažkom a pomalom butáne sa zvýšila o 39%. V dôsledku toho sa skutočná selektivita butánu / metánu zvýšila deväťkrát v porovnaní s ideálom. Takéto experimentálne výsledky sú v súlade s predpoveďami modelu.
„Model, ktorý sme prvýkrát navrhli, umožnil vyhodnotiť skutočnú selektivitu polymérnych membrán vzhľadom na zmesi plynov. To umožní vyhnúť sa nezapočítaným stratám, napríklad v procese čistenia vodíka pri výrobe paliva. V budúcnosti plánujeme podrobnejšie študovať odchýlku od ideálnej selektivity pre rôzne typy membránových materiálov,“ hovorí Vladimir Volkov, projektový manažér v rámci grantu Ruskej vedeckej nadácie, doktor chémie, hlavný výskumník Laboratória polymérnych membrán Ústav petrochemickej syntézy AV Topchieva Ruskej akadémie vied.
"Selektivita pre zmesový plyn založená na meraniach priepustnosti čistého plynu: Približný model"; Alexander O. Malakhov, Vladimir V. Volkov; Časopis Membranes, október 2021
bbabo.Net