Російські вчені запропонували математичну модель, яка допоможе пророкувати проникність полімерних мембран для сумішей різних газів. У такій системі селективність газорозділу може помітно відхилятися від «ідеальної», розрахованої за експериментальними значеннями проникності індивідуальних газів. Автори пояснили, чому це відбувається, та довели правильність розрахунків на практиці. Запропонована модель дозволить без проведення складних експериментів визначати властивості селективних матеріалів та можливість їх використання у виробництві, промисловості та медицині. Дослідження підтримали грантом Російського наукового фонду.

Полімерні мембрани використовуються для поділу летючих компонентів при очищенні нафтових газів, детектуванні небезпечних або забруднюючих сполук у повітрі, а також в апаратах штучного кровообігу. Принцип їх роботи полягає в тому, що матеріал мембрани переважно пропускає через себе молекули, що володіють певними хімічними та фізичними властивостями, зокрема розмірами, які можна порівняти з його порами. В іншому випадку з'єднання проходять повільно або затримуються мембраною.

Проникність (здатність матеріалу пропускати крізь себе молекули газу) та селективність (виборче перенесення одного з компонентів суміші) — основні характеристики, на які звертають увагу при використанні полімерних мембран у практичних цілях. Для більшості матеріалів ці властивості легко можна виміряти при пропущенні через них чистих або індивідуальних газів. В цьому випадку вчені вимірюють швидкість, з якою з'єднання проходить через мембрану, і по ній розраховують так звану ідеальну селективність матеріалу. Однак це може призвести до помилкових висновків, оскільки реальна селективність полімерної мембрани при розділенні суміші газів може суттєво відхилятися від ідеального значення. Дослідницька група з Інституту нафтохімічного синтезу імені А. В. Топчієва РАН (Москва) розробила математичну модель, яка дозволяє передбачити реальну селективність мембран при пропущенні газових сумішей на основі експериментальних даних щодо проникності чистих компонентів. Новизна запропонованого підходу полягала в обліку дифузної взаємодії, тобто взаємного «тертя» між компонентами газової суміші.

Відповідно до моделі, якщо газ, який переважно пропускається мембраною, більш рухливий, ніж партнер у суміші, його проникність знизиться в порівнянні з проникністю індивідуального газу. Навпаки, менш рухливий («повільний») газ у складі суміші проходитиме через мембрану швидше, ніж у чистому стані. Розрахунки показали, що реальна селективність може відрізнятись від ідеальної у кілька разів.

Отриману модель вчені перевірили експериментально. Для цього через полімерну мембрану пропускали суміш вуглеводнів метану та бутану. Виявилося, що здатність долати мембрану у легшого та швидкого метану знизилася на 84%, а у важкого та повільного бутану збільшилася на 39%. У результаті реальна селективність бутан/метан виросла у дев'ять разів у порівнянні з ідеальною. Такі експериментальні результати узгоджуються з прогнозами моделі.

«Запропонована нами модель вперше дозволила оцінити реальну селективність полімерних мембран щодо газових сумішей. Це дозволить уникнути неврахованих втрат, наприклад, у процесі очищення водню під час отримання палива. У майбутньому ми плануємо докладніше досліджувати відхилення від ідеальної селективності для різних типів мембранних матеріалів», - розповідає Володимир Волков, керівник проекту з гранту РНФ, доктор хімічних наук, головний науковий співробітник лабораторії полімерних мембран Інституту нафтохімічного синтезу імені О. В. Топчієва РАН.

"Mixed-Gas Selectivity Based on Pure Gas Permeation Measurements: An Approximate Model"; Alexander O. Malakhov, Vladimir V. Volkov; журнал Membranes, жовтень 2021 р

bbabo.Net