Разработана математическая модель, которая объясняет причину неидеальной селективности полимерных мембран

Полимерные мембраны активно используются для того, чтобы разделить летучие компоненты при очистке нефтяных газов, детектировании опасных или загрязняющих соединений в воздухе. Материал мембраны способен пропускать через себя молекулы, которые обладают размерами, сопоставимыми с его порами, иначе соединения задерживаются мембраной. Проницаемость (способность материала пропускать через себя молекулы газа) и селективность (избирательный перенос одного из компонентов смеси) являются главными характеристиками, которые используются при применении полимерных мембран в практических целях. Чтобы измерить это свойство, ученые учитывают скорость, с которой соединение проходит через мембрану, а потом по ней рассчитывают идеальную селективность материала. Однако такой способ может привести к ошибкам: реальная селективность полимерной мембраны при разделении смеси газов часто значительно отклоняется от рассчитанного идеального значения.

Ученые разработали математическую модель, которая поможет определить реальную селективность мембран при пропускании газовых смесей на основе экспериментальных данных по проницаемости чистых компонентов. Новизна этого способа в том, что в нем учитывается взаимное «трение» между компонентами газовой смеси. По расчетам исследователей, если газ, который пропускается мембраной, более подвижен, чем другой газ в смеси, то его проницаемость снижается. Менее подвижный газ в составе смеси станет проходить через мембрану быстрее, чем в чистом состоянии.

Эта модель была проверена с помощью экспериментов. Через полимерную мембрану исследователи пропускали смесь углеводородов метана и бутана. Ученые выяснили, что способность преодолевать мембрану у более легкого и быстрого метана снизилась на 84%, а у тяжелого и медленного бутана увеличилась на 39%. Эксперимент доказал, что реальная селективность может значительно отличаться от идеальной. Так, реальная селективность в проведенном эксперименте выросла в девять раз по сравнению с идеальной.

Исследователи считают, что использование такой модели позволит избежать неучтенных потерь, например, в процессе очистки водорода при получении топлива. В рамках дальнейших исследований планируется изучение отклонения от идеальной селективности для разных типов мембранных материалов. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты работы опубликованы в журнале Membranes.

Фото: Владимир Волков