4 февраля 2022, 2:00

Новая математическая модель объяснила причину неидеальной селективности полимерных мембран

Математическое моделирование
Новые методики
Вычислительная химия

Российские ученые предложили математическую модель, которая поможет предсказывать проницаемость полимерных мембран для смесей различных газов. В такой системе селективность газоразделения может заметно отклоняться от «идеальной», рассчитанной по экспериментальным значениям проницаемости индивидуальных газов. Авторы объяснили, почему это происходит и доказали правильность своих расчетов на практике. Предложенная модель позволит без проведения сложных экспериментов определять свойства селективных материалов и возможность их использования в производстве, промышленности и медицине. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Membranes.

Новая математическая модель объяснила причину неидеальной селективности полимерных мембран
Экспериментальная установка для измерения селективности полимерных мембран
Источник: Владимир Волков

Полимерные мембраны используются для разделения летучих компонентов при очистке нефтяных газов, детектировании опасных или загрязняющих соединений в воздухе, а также в аппаратах искусственного кровообращения. Принцип их работы заключается в том, что материал мембраны преимущественно пропускает через себя молекулы, обладающие определенными химическими и физическими свойствами, в частности, размерами, сопоставимыми с его порами. В противном случае соединения проходят медленно или задерживаются мембраной.

Проницаемость — способность материала пропускать через себя молекулы газа — и селективность — избирательный перенос одного из компонентов смеси — основные характеристики, на которые обращают внимание при использовании полимерных мембран в практических целях. Для большинства материалов эти свойства легко можно измерить при пропускании через них чистых, или индивидуальных, газов. В этом случае ученые измеряют скорость, с которой соединение проходит через мембрану, и по ней рассчитывают так называемую идеальную селективность материала. Однако это может привести к ошибочным заключениям, поскольку реальная селективность полимерной мембраны при разделении смеси газов может существенно (на порядок) отклоняться от идеального значения. 

Исследовательская группа из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва) разработала математическую модель, которая позволяет предсказать реальную селективность мембран при пропускании газовых смесей на основе экспериментальных данных по проницаемости чистых компонентов. Новизна предложенного подхода заключалась в учете диффузионного взаимодействия, то есть взаимного «трения» между компонентами газовой смеси. 

Согласно модели, если газ, который предпочтительно пропускается мембраной, более подвижен, чем партнер в смеси, то его проницаемость снизится по сравнению с проницаемостью индивидуального газа. Напротив, менее подвижный («медленный») газ в составе смеси станет проходить через мембрану быстрее, чем в чистом состоянии. Расчеты показали, что реальная селективность может отличаться от идеальной в несколько раз. 

Полученную модель ученые проверили экспериментально. Для этого через полимерную мембрану пропускали смесь углеводородов метана и бутана. Оказалось, что способность преодолевать мембрану у более легкого и быстрого метана снизилась на 84%, а у тяжелого и медленного бутана увеличилась на 39%. В итоге реальная селективность бутан/метан выросла в девять раз по сравнению с идеальной. Такие экспериментальные результаты согласуются с предсказаниями модели. 

«Предложенная нами модель впервые позволила оценить реальную селективность полимерных мембран по отношению к газовым смесям. Это позволит избежать неучтенных потерь, например, в процессе очистки водорода при получении топлива. В будущем мы планируем более подробно исследовать отклонение от идеальной селективности для различных типов мембранных материалов», — рассказывает Владимир Волков, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории полимерных мембран Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН. 

 

Источник:  Пресс-служба РНФ

Публикации из новости

Читайте также

Ученые предложили способ расчета нанотвердости
Не нужны тщательная подготовка и калибровка оборудования - все делается на компьютере
Математическое моделирование
Материаловедение
Нанотехнологии
Новые методики
4 февраля 2022
Травление веселящим газом упростило получение полупроводниковых нанотрубок
Такие структуры представляют интерес для электроники, но получить их достаточно трудно. Новый подход позволил сделать это всего в одну стадию с эффективностью в 97%
Материаловедение
Наноэлектроника
Новые методики
Углеродные материалы
1 июня 2023
Новая эмульсия поможет уничтожать опухоли кислородом даже там, где его нет
Предложенный подход позволит не только сделать фотодинамическую терапию рака эффективнее, но и использовать ее в случае особо агрессивных новообразований, не поддающихся лечению иными способами
Новые методики
Онкология
Органическая химия
Фармакология
Фотофизика
25 мая 2023
Медики предложили эффективную схему лечения лимфолейкоза с осложнениями
Сочетание двух препаратов — ибрутиниба и ритуксимаба — позволило улучшить состояние онкопациентов с аутоиммунными осложнениями хронического лимфолейкоза
Медицина
Новые методики
Онкология
Фармакология
22 мая 2023
Вакцинацию от гриппа можно будет проводить без шприцев
Исследователи предложили доставлять вакцину от гриппа по волосяным фолликулам под действием ультразвука. Такой подход не только безопаснее традиционных инъекций, но и эффективнее
Иммунология
Медицина
Новые методики
17 мая 2023
Физики предложили получать «фотонные крючки» на замерзающих каплях воды
«Фотонными крючками» называют искривленные пучки света высокой интенсивности, которые могут использоваться в оптических устройствах
Новые методики
Оптика
16 мая 2023