Руски научници су предложили математички модел који ће помоћи да се предвиди пропустљивост полимерних мембрана за мешавине различитих гасова. У таквом систему, селективност одвајања гаса може приметно да одступи од „идеалне“ вредности израчунате из експерименталних вредности пропустљивости појединачних гасова. Аутори су објаснили зашто се то дешава и у пракси доказали исправност прорачуна. Предложени модел ће омогућити да се, без сложених експеримената, утврде својства селективних материјала и могућност њихове употребе у производњи, индустрији и медицини. Студија је подржана грантом Руске научне фондације.
Полимерне мембране се користе за одвајање испарљивих компоненти у чишћењу нафтног гаса, откривању опасних или загађујућих једињења у ваздуху и у машинама за срце-плућа. Принцип њиховог рада је да материјал мембране претежно пропушта кроз себе молекуле који имају одређена хемијска и физичка својства, посебно величине упоредиве са његовим порама. У супротном, везе су споре или одложене због мембране.
Пропустљивост (способност материјала да пропушта молекуле гаса кроз себе) и селективност (селективни пренос једне од компоненти смеше) су главне карактеристике на које се обраћа пажња када се полимерне мембране користе у практичне сврхе. За већину материјала, ова својства се могу лако мерити пропуштањем чистих или појединачних гасова кроз њих. У овом случају, научници мере брзину којом једињење пролази кроз мембрану и из ње израчунавају такозвану идеалну селективност материјала. Међутим, ово може довести до погрешних закључака, пошто стварна селективност полимерне мембране у одвајању мешавине гасова може значајно (за ред величине) да одступи од идеалне вредности. Истраживачка група са Института за петрохемијску синтезу А. В. Топчијева Руске академије наука (Москва) развила је математички модел који омогућава предвиђање стварне селективности мембрана при проласку гасних смеша на основу експерименталних података о пермеабилности чистих компоненти. Новина предложеног приступа је била да се узме у обзир дифузиона интеракција, односно међусобно „трење” између компоненти гасне смеше.
Према моделу, ако је гас који је првенствено пропустљив за мембрану покретнији од партнера у смеши, онда ће се његова пермеабилност смањити у поређењу са пропусношћу појединачног гаса. Напротив, мање покретни („спори“) гас у смеши ће проћи кроз мембрану брже него у чистом стању. Прорачуни су показали да се стварна селективност може неколико пута разликовати од идеалне.
Добијени модел је експериментално тестиран. Да би се то урадило, мешавина метана и бутан угљоводоника је пропуштена кроз полимерну мембрану. Показало се да је способност савлађивања мембране код лакшег и бржег метана смањена за 84%, док је код тешког и спорог бутана повећана за 39%. Као резултат тога, стварна селективност бутан/метана повећана је девет пута у односу на идеалну. Такви експериментални резултати су у складу са предвиђањима модела.
„Модел који смо први пут предложили омогућио је да се процени стварна селективност полимерних мембрана у односу на мешавине гасова. Ово ће омогућити да се избегну необрачунати губици, на пример, у процесу пречишћавања водоника током производње горива. У будућности планирамо да детаљније проучимо одступање од идеалне селективности за различите врсте мембранских материјала“, каже Владимир Волков, руководилац пројекта у оквиру гранта Руске научне фондације, доктор хемије, главни истраживач Лабораторије за полимерне мембране. Институт за петрохемијску синтезу АВ Топчијев Руске академије наука.
„Селективност мешаних гасова заснована на мерењу пермеације чистог гаса: приближни модел“; Александар О. Малахов, Владимир В. Волков; Часопис Мембранес, октобар 2021
bbabo.Net