Ruski znanstveniki so predlagali matematični model, ki bo pomagal napovedati prepustnost polimernih membran za mešanice različnih plinov. V takem sistemu lahko selektivnost ločevanja plinov opazno odstopa od "idealne" vrednosti, izračunane iz eksperimentalnih vrednosti prepustnosti posameznih plinov. Avtorji so pojasnili, zakaj se to zgodi, in v praksi dokazali pravilnost izračunov. Predlagani model bo omogočil brez kompleksnih eksperimentov določiti lastnosti selektivnih materialov in možnosti njihove uporabe v proizvodnji, industriji in medicini. Študija je bila podprta z donacijo Ruske znanstvene fundacije.
Polimerne membrane se uporabljajo za ločevanje hlapnih komponent pri čiščenju naftnih plinov, odkrivanju nevarnih ali onesnaževalnih spojin v zraku in v napravah za srce in pljuča. Načelo njihovega delovanja je, da membranski material prehaja skozi sebe pretežno molekule, ki imajo določene kemične in fizikalne lastnosti, zlasti velikosti, primerljive z njegovimi porami. V nasprotnem primeru so povezave zaradi membrane počasne ali zakasnjene.
Prepustnost (sposobnost materiala, da prehaja molekule plina skozi sebe) in selektivnost (selektivni prenos ene od komponent mešanice) sta glavni značilnosti, na katere smo pozorni pri uporabi polimernih membran v praktične namene. Pri večini materialov je te lastnosti mogoče enostavno izmeriti s prehajanjem čistih ali posameznih plinov skozi njih. V tem primeru znanstveniki merijo hitrost, s katero spojina prehaja skozi membrano, in iz nje izračunajo tako imenovano idealno selektivnost materiala. Vendar pa to lahko vodi do napačnih zaključkov, saj lahko dejanska selektivnost polimerne membrane pri ločevanju zmesi plinov bistveno odstopa (za red velikosti) od idealne vrednosti. Raziskovalna skupina z Inštituta za petrokemično sintezo A. V. Topchieva Ruske akademije znanosti (Moskva) je razvila matematični model, ki omogoča napovedovanje dejanske selektivnosti membran pri prehodu plinskih mešanic na podlagi eksperimentalnih podatkov o prepustnosti čistih komponent. Novost predlaganega pristopa je bila upoštevanje difuzijske interakcije, to je medsebojnega »trenja« med komponentami plinske mešanice.
Po modelu, če je plin, ki je prednostno prepusten za membrano, bolj gibljiv od partnerja v zmesi, se bo njegova prepustnost zmanjšala v primerjavi s prepustnostjo posameznega plina. Nasprotno, manj mobilni ("počasen") plin v mešanici bo hitreje prešel skozi membrano kot v čistem stanju. Izračuni so pokazali, da se realna selektivnost lahko večkrat razlikuje od idealne.
Nastali model je bil eksperimentalno testiran. Da bi to naredili, smo skozi polimerno membrano spustili mešanico metana in butanovih ogljikovodikov. Izkazalo se je, da se je sposobnost premagovanja membrane pri lažjem in hitrejšem metanu zmanjšala za 84 %, pri težkem in počasnem butanu pa se je povečala za 39 %. Posledično se je realna selektivnost butana/metana v primerjavi z idealno povečala devetkrat. Takšni eksperimentalni rezultati so skladni z napovedmi modela.
"Model, ki smo ga predlagali prvič, je omogočil oceno resnične selektivnosti polimernih membran glede na mešanice plinov. Tako se bo mogoče izogniti neupoštevanim izgubam, na primer v procesu čiščenja vodika med proizvodnjo goriva. V prihodnosti nameravamo podrobneje preučiti odstopanje od idealne selektivnosti za različne vrste membranskih materialov,« pravi Vladimir Volkov, vodja projekta v okviru štipendije Ruske znanstvene fundacije, doktor kemije, glavni raziskovalec Laboratorija za polimerne membrane. Inštitut za petrokemično sintezo AV Topchiev Ruske akademije znanosti.
"Selektivnost mešanih plinov na podlagi meritev prepustnosti čistega plina: približen model"; Aleksander O. Malahov, Vladimir V. Volkov; Revija Membranes, oktober 2021
bbabo.Net