Hacia el modelado predictivo de la solubilidad de gases incondensables en membranas vítreas de PIM-1

Abstract

Los procesos de separación de gases por membranas, gobernados por el modelo de solución-difusión, ofrecen varias ventajas, destacando el bajo consumo de energía, su tamaño compacto y ligero, y su bajo costo (Bernardo, Drioli, Golemme 2009). La difusión se considera un fenómeno cinético relacionado con la velocidad de los penetrantes, mientras que la sorción es un fenómeno termodinámico. Este modelo consta de tres pasos: (1) adsorción en el límite superior, (2) difusión activa a través de la membrana, y (3) desorción en el lado inferior (Shoghl, Raisi, Aroujalian 2015). Además, se emplea el termino de solubilidad y selectividad, para determinar el funcionamiento de la con los penetrantes a separar (Ricci et al. 2021). Por tanto, en este tipo de separaciones, la solubilidad de los gases en los polímeros juega un papel fundamental en el transporte de los gases y en la eficiencia de separación. En este trabajo se ha llevado a cabo un estudio completo de solubilidad de cinco gases no condensables, CO2, CH4, N2, H2, y CO, en membranas poliméricas de PIM-1, incluyendo datos experimentales correspondientes a las isotermas de sorción a 30 ºC y el modelado termodinámico a partir de cuatro modelos con diferentes características, como son la Ley de Henry, el modelo dual de sorción (DMS), el modelo GAB y el modelo predictivo NELF. Un de las novedades más destacadas en este trabajo es el estudio de solubilidad del compuesto CO en PIM-1, debido a la reciente importancia industrial que está adquiriendo, así como el papel que desempeña permitiendo la reducción de los gases de emisión y al ser un precursor de productos de alto valor añadido y que se encuentra con frecuencia en corrientes gaseosas residuales (Ma et al. 2023).

Membrane gas separation processes, governed by the solution-diffusion model, offer several advantages, notably low energy consumption, compact and lightweight size, and low cost (Bernardo, Drioli, Golemme 2009). Diffusion is considered a kinetic phenomenon related to the penetrant velocity, while sorption is a thermodynamic phenomenon. This model consists of three steps: (1) adsorption at the upper boundary, (2) active diffusion across the membrane, and (3) desorption on the lower side (Shoghl, Raisi, Aroujalian 2015). In addition, the term solubility and selectivity are employed, to determine the performance of the with the penetrants to be separated (Ricci et al. 2021). Therefore, in this type of separations, the solubility of gases in polymers plays a fundamental role in gas transport and separation efficiency. In this work, a complete study of the solubility of five non-condensable gases, CO2, CH4, N2, H2, and CO, in PIM-1 polymeric membranes has been carried out, including experimental data corresponding to the sorption isotherms at 30 ºC and thermodynamic modeling from 4 models with different characteristics, such as Henry's Law, the dual sorption model (DMS), the GAB model and the predictive NELF model. One of the most outstanding novelties in this work is the study of CO compound solubility in PIM-1, due to the recent industrial importance it is acquiring, as well as the role it plays allowing the reduction of emission gases and being a precursor of high added value products and frequently found in waste gas streams (Ma et al. 2023)