Ryska forskare har föreslagit en matematisk modell som hjälper till att förutsäga polymermembranens permeabilitet för blandningar av olika gaser. I ett sådant system kan selektiviteten för gasseparation märkbart avvika från det "ideala" värdet beräknat från experimentvärdena för permeabiliteten för enskilda gaser. Författarna förklarade varför detta händer och bevisade riktigheten av beräkningarna i praktiken. Den föreslagna modellen kommer att tillåta, utan komplexa experiment, att bestämma egenskaperna hos selektiva material och möjligheten att använda dem i produktion, industri och medicin. Studien stöddes av ett anslag från Russian Science Foundation.
Polymermembran används för att separera flyktiga komponenter i petroleumgasrening, detektering av farliga eller förorenande föreningar i luften och i hjärt-lungmaskiner. Principen för deras funktion är att membranmaterialet till övervägande del passerar genom sig självt molekyler som har vissa kemiska och fysikaliska egenskaper, i synnerhet storlekar som är jämförbara med dess porer. Annars är anslutningarna långsamma eller försenade av membranet.
Permeabilitet (förmågan hos ett material att passera gasmolekyler genom sig själv) och selektivitet (selektiv överföring av en av blandningskomponenterna) är de viktigaste egenskaperna som uppmärksammas när man använder polymermembran för praktiska ändamål. För de flesta material kan dessa egenskaper enkelt mätas genom att rena eller individuella gaser passerar genom dem. I det här fallet mäter forskare hastigheten med vilken föreningen passerar genom membranet, och utifrån det beräknar de materialets så kallade ideala selektivitet. Detta kan dock leda till felaktiga slutsatser, eftersom den faktiska selektiviteten hos ett polymermembran för att separera en blandning av gaser kan avvika avsevärt (med en storleksordning) från det ideala värdet. En forskargrupp från A. V. Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis vid den ryska vetenskapsakademin (Moskva) har utvecklat en matematisk modell som gör att man kan förutsäga den faktiska selektiviteten hos membran när man passerar gasblandningar baserat på experimentella data om permeabiliteten av rena komponenter. Nyheten med det föreslagna tillvägagångssättet var att ta hänsyn till diffusionsinteraktionen, det vill säga den ömsesidiga "friktionen" mellan komponenterna i gasblandningen.
Enligt modellen, om gasen som företrädesvis är permeabel av membranet är mer rörlig än partnern i blandningen, kommer dess permeabilitet att minska jämfört med permeabiliteten för den enskilda gasen. Tvärtom kommer en mindre rörlig (”långsam”) gas i blandningen att passera genom membranet snabbare än i rent tillstånd. Beräkningar har visat att den verkliga selektiviteten kan skilja sig från idealet flera gånger.
Den resulterande modellen testades experimentellt. För att göra detta leddes en blandning av metan och butankolväten genom polymermembranet. Det visade sig att förmågan att övervinna membranet i lättare och snabbare metan minskade med 84 %, medan den i tung och långsam butan ökade med 39 %. Som ett resultat ökade den verkliga selektiviteten för butan/metan nio gånger jämfört med det ideala. Sådana experimentella resultat överensstämmer med modellens förutsägelser.
"Den modell vi föreslog för första gången gjorde det möjligt att utvärdera den verkliga selektiviteten hos polymermembran med avseende på gasblandningar. Detta kommer att göra det möjligt att undvika oförklarade förluster, till exempel i processen för vätgasrening under bränsleproduktion. I framtiden planerar vi att studera avvikelsen från ideal selektivitet för olika typer av membranmaterial mer i detalj”, säger Vladimir Volkov, projektledare under anslaget från Russian Science Foundation, doktor i kemi, chefsforskare vid Laboratory of Polymeric Membranes. AV Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis vid den ryska vetenskapsakademin.
"Selektivitet för blandad gas baserad på mätningar av ren gaspermeation: en ungefärlig modell"; Alexander O. Malakhov, Vladimir V. Volkov; Membranes magazine, oktober 2021
bbabo.Net