Тюменские физики научились точнее определять коэффициент селективности для мембран, то есть во сколько раз лучше проходят сквозь мембраны одни молекулы, чем другие.
«Маски» для молекул прошли «фейсконтроль» в ТюмГУ / ©Getty images
«В нашем случае проницаемая мембрана — это мембрана, которая избирательно пропускает молекулы через себя. Селективная. Благодаря этому можно из воздуха получать отдельные компоненты — кислород, азот. Последний очень важен в народном хозяйстве. Особенно в охлажденном виде.
Материал мембраны — переплетенные мегамолекулы. Как вата, только нити меньше и расстояние значительно меньше. Как маски, с которыми мы ходили во время ковида, только для миниатюрных объектов — молекул. Размеры у молекул разные, и они по-разному реагируют с материалом мембран. Поэтому одни проходят свободно, а другие не могут. Это своеобразный фейсконтроль для молекул», – поясняет заведующий кафедрой моделирования физических процессов и систем ФТИ ТюмГУ Родион Ганопольский.
Мембранное разделение смеси газов на отдельные компоненты реализуются в результате прохождения молекул определенных размеров через сверхтонкую мембрану. Механизм этого прохождения заключается в адсорбции молекул газа и дальнейшей их диффузии через мембрану. При этом установившийся поток отдельного компонента газовой смеси пропорционален парциальным давлениям этого компонента по разные стороны мембраны.
Тюменские ученые рассказывают, что расчет, прогнозирование и анализ эффективности разделения смесей газов и жидкостей с использованием селективно-проницаемых мембран требуют знания прежде всего коэффициентов проницаемости мембраны для отдельных компонентов смеси, то есть ключевой момент здесь — экспериментальное определение указанных коэффициентов.
Коэффициенты проницаемости селективно проницаемой мембраны, через которую пропускают газовую смесь, определяются, как правило, для стационарного режима этого перехода. Соответствующие опыты проводят при хроматографическом исследовании смеси. Однако это исследование не обеспечивает высокой точности определения концентраций компонентов смеси. Статья «Теплофизические свойства. Методы определения проницаемости селективно проницаемых мембран» тюменских физиков Родиона Ганопольского, Александра Гильманова, Константина Федорова, Александра Шевелева и других авторов вышла в «Журнале инженерной физики и теплофизики».
Ученые в ней говорят, что проницаемость селективно-проницаемой мембраны можно определить по следующим схемам. Первая — сосуд разделен такой мембраной на две секции, снабженные манометрами, и к каждой из этих секций присоединены две трубки с кранами, обеспечивающие герметичность сосуда, наполненного газом. Вторая – когда мембрана отделяет внутреннее пространство сосуда от окружающей среды. В обоих случаях одна или две секции сосуда заполняются отдельным газом или смесью газов и в них создается необходимое полное давление.
Затем краны закрываются, и газ начинает проходить через мембрану до тех пор, пока давления с обеих ее сторон равны. В процессе этого прохождения измеряют изменения давлений в секциях сосуда и составов веществ в них. Учеными проведены эксперименты с установлением равновесного давления в сосуде, а также в динамическом режиме.
С использованием аналитических решений, определяющих изменение давления в сосуде, определяют характерные времена процессов адсорбции и диффузии, протекающих в сосуде, и коэффициенты проницаемости мембраны. Как правило, характерные времена указанных процессов значительно меньше времен установления равновесного распределения давления в газовой смеси в сосуде, разделенном селективно проницаемой мембраной, и равновесных составов веществ по обе стороны сосуда.
Ввиду этого обстоятельства возникла необходимость получить решение задачи о динамике изменения давлений в этих сечениях. Для практической применимости результатов исследований тюменские физики рассмотрели выделение азота из воздуха. В результате на основе решения прямой задачи о разделении воздуха на компоненты с применения селективно проницаемой мембраны учеными разработан метод решения обратной задачи о проницаемости такой мембраны для компонентов воздуха и интерпретации соответствующих экспериментальных данных.
В отличие от популярных алгоритмов интерпретации экспериментальных данных, предлагаемые методы основаны только на анализе динамики выравнивания давлений в секциях сосуда, разделенных селективно проницаемой мембраной, что существенно упрощает процедуру интерпретации. Расчеты тюменских физиков показали, что предложенные методы интерпретации экспериментальных данных устойчивы к ошибкам измерений, что свидетельствует об их высокой точности.
