Блог

Aug 16, 2023

Об оценке растворимости углекислого газа в полимерах с помощью программирования экспрессии генов

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 12505 (2023) Цитировать эту статью 199 Доступ к метрикам Подробности Оценка, прогнозирование и измерение растворимости диоксида углерода (CO2) в различных

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12505 (2023) Цитировать эту статью

199 доступов

Подробности о метриках

Оценка, прогнозирование и измерение растворимости диоксида углерода (CO2) в различных полимерах имеют решающее значение для инженеров в различных химических приложениях, таких как добыча и создание новых материалов. В этой статье были созданы корреляции, основанные на программировании экспрессии генов (GEP), для прогнозирования значения растворимости углекислого газа в трех полимерах. Результаты показали, что полученные корреляции могут обеспечивать выдающуюся эффективность и обеспечивать прогнозы растворимости диоксида углерода с удовлетворительными средними абсолютными относительными ошибками 9,71%, 5,87% и 1,63% для полистирола (ПС), полибутиленсукцинат-коадипата (ПБСА), и полибутиленсукцинат (PBS) соответственно. Анализ тенденций, основанный на законе Генри, показал, что увеличение давления и снижение температуры приводят к увеличению растворимости углекислого газа. Наконец, было применено обнаружение выбросов с использованием подхода рычага для обнаружения подозрительных точек данных. Обнаружение выбросов продемонстрировало статистическую достоверность разработанных корреляций. График Уильяма из трех сгенерированных корреляций показал, что все точки данных расположены в допустимой зоне, за исключением одной точки для полимера PBS и трех точек для полимера PS.

В последние годы применение различных полимеров стало привлекательной проблемой в различных отраслях промышленности, в том числе в нефтяной. Процесс адсорбции жидкости в различных полимерах является жизненно важным обстоятельством в концепциях нефтяной промышленности, таких как повышение нефтеотдачи пластов (EOR)1,2,3, разделение газов, пропитка присадок и процессы вспенивания4,5. Углекислый газ (CO2) является одним из наиболее важных газов, который играет заметную роль в структуре полимеров, пенопластах и ​​технологических свойствах4,6. Кроме того, CO2 и сверхкритический диоксид углерода (SCCO2) (сверхкритический диоксид углерода описывается как жидкость, для которой температура и давление превышают критические значения) стали одними из наиболее традиционных экологически чистых материалов, которые широко используются в производстве растворителей. , антирастворитель или растворенное вещество в многочисленных полевых процессах, включая синтез материалов, модификацию материалов, процессы вспенивания, полимеризацию и производство частиц7,8,9. SCCO2 потенциально привлекателен в качестве растворителя, проявляющего свойства, которые представляют собой смесь свойств, обычно сочетающихся с жидкостями или газами. Растворимость CO2 – это максимальное количество CO2, которое может раствориться в различных растворах. Оценка, прогнозирование и измерение растворимости CO2 в различных биоразлагаемых полимерах стали важной технологией для инженеров в различных химических приложениях, таких как добыча и создание новых материалов10,11,12,13,14. Биоразлагаемые полимеры представляют собой особый тип полимеров, которые разрушаются в результате бактериального растворения, образуясь в природных жидкостях, таких как CO2 и N2. Полибутиленсукцинат (PBS) и соадипат полибутиленасукцината (PBSA) представляют собой два применимых биоразлагаемых полимера, созданных компаниями Showa Highpolymer Co. Ltd. и Showa Dенко K.K15,16.

Чтобы предсказать растворимость газов в полимерах, особенно CO2, с 1986 года исследовались различные экспериментальные, эмпирические и теоретические подходы. В 1986 и 1993 годах Шах и др.17,18 измеряли растворимость различных газов, включая CO2, в силиконовых полимерах при давлениях до до 26 атмосфер и значений температуры 10, 35 и 55 °С. В 1994 году Ли и др.19 предсказали растворимость CO2 в аминных системах. Они рассмотрели бинарные и тройные смеси, содержащие три растворителя: моноэтаноламин (МЭА), метилдиэтаноламин (МДЭА) и воду (H2O). Они использовали температуру в диапазоне 0–225 °C. Они смоделировали растворимость CO2 в смесях аминов как функцию температуры. Два года спустя Сато и др.20 исследовали растворимость CO2 и N2 в полистироле в условиях высокого давления и температуры. Они измерили растворимость газа при давлениях до 20 МПа и температурах от 373,2 до 453,2 К. В 1998 году Обер21 рассчитал растворимость CO2 при давлениях до 9,65 МПа, используя метод кварцевых микровесов. В следующем году Уэбб и др.22 и Сато и др.23 оценили диффузию и растворимость CO2 в полимерах при высоких давлениях и температурах. Согласно их исследованиям, растворимость увеличивается с увеличением давления и уменьшается с увеличением температуры. В 2000 году Сато и др.15 предложили эмпирические соотношения для определения растворимости и коэффициента диффузии CO2. В качестве зависимых переменных они рассматривали давление и температуру в диапазонах 1,025–20,144 МПа и 323,15–453,15 К соответственно. Они добились того, что растворимость CO2 в расплавленном состоянии полимеров увеличивается при повышении давления и понижении температуры. Год спустя Хилик и др.24 измерили растворимость N2 и CO2 в полистироле, при этом учитывалось давление от 3,05 до 45 МПа и температура от 338 до 402 К. Кроме того, была применена экспериментальная методика с датчиком силы вибрирующей проволоки. Они получили линейную зависимость между увеличением растворимости при повышении давления и понижении температуры. В том же году Сато и др.25 рассчитали растворимость CO2 в диапазоне температур 313,15–373,15 К и давлений до 17,5 МПа. В 2002 году Парк и др.26 исследовали растворимость CO2 в растворах алканоламинов при температурах 40, 60 и 80 °C и давлении 0,1–50 фунтов на квадратный дюйм. Они представляли собой парожидкостное равновесие CO2 в этих растворах. В том же году Сато и др.27 исследовали растворимость CO2 в поли(2,6-диметил-1,4-фениленовом эфире) (ПФО) и ПС при температурах 373,15, 427,15 и 473,15 К и давлениях до 20 МПа. . Они получили, что растворимость CO2 увеличивается с увеличением концентрации ПФО. Год спустя, в 2003 году, Хамеди и др.28 предсказали адсорбцию CO2 в различных полимерах на основе уравнения состояния группового вклада (EoS) с входными диапазонами 283–453 К и 1–200 бар для температуры и давления соответственно. . Их лучшим результатом стала средняя абсолютная относительная ошибка (AARE) 5,5% для полистирола. В 2006 г. Ли и др.29 измерили растворимость и коэффициент диффузии газа в полилактиде при температуре 180–200 К и давлении до 28 МПа, используя магнитно-суспензионные весы (MSB). Кроме того, они использовали теоретическую модель, основанную на втором законе Фика, для извлечения коэффициентов диффузии N2 и CO2 в полилактиде. Они получили, что CO2 имеет меньший коэффициент диффузии, чем N2, при той же температуре. В том же году Налаваде и др.9 использовали SCCO2 в качестве зеленого растворителя для обработки расплавов полимеров. Они доказали, что SCCO2 применим во многих процессах полимеризации благодаря его высокой растворимости в полимерах. В 2007 году Лей и др.30 разработали корреляции плавучести и уравнение состояния Санчеса и Лакомба для оценки степени набухания CO2, кристалличности и растворимости в полипропилене. Они добились того, что растворимость CO2 сначала уменьшалась, а затем увеличивалась с повышением температуры. Два года спустя Хадже и др.31 разработали интеллектуальную модель, основанную на адаптивной системе нейронечеткого вывода (ANFIS), для прогнозирования растворимости CO2 в полимерах. Они использовали до 37 точек данных для различных полимеров. В 2011 году Сюй и др.32 исследовали теоретическое исследование корреляций растворимости CO2 в эфирных и карбонильных группах полимеров, а именно поли(этиленоксид) (ПЭО), поли(пропиленоксид) (ПФО), поли(винилацетат) ( ПВА), поли(этиленкарбонат) (ПЭК) и поли(пропиленкарбонат) (ППК). Они показали, что растворимость CO2 в ППК выше, чем в других полимерах, использованных в их исследовании. В следующем году Хан и др.13 разработали непрерывные реакции и рассмотрели экономические концепции применения SCCO2. В 2013 году Ли и др.33 разработали искусственную нейронную сеть (ИНС) для оценки растворимости газов в полимерах. Их исследование продемонстрировало хорошее согласие между экспериментальными и прогнозируемыми данными с использованием их корреляции. В том же году Минелли и Сарти34 измерили растворимость и проницаемость CO2 в различных стеклообразных полимерах, рассматривая коэффициент диффузии как кинетический фактор. В 2015 году различные математические и теоретические подходы Тинга и Юаня10, Ли и др.7 и Цюань и др.12 были изучены для оценки свойств CO2, включая растворимость. Все они показали, что растворимость CO2 имеет прямую зависимость от давления и обратную зависимость от температуры. Два года спустя Mengshan и др.8,35 разработали искусственную нейронную сеть и метод искусственного интеллекта, основанный на теории диффузии, для прогнозирования растворимости CO2 и SCCO2 в полимерах. В 2019 году Сулеймани и др.4 разработали интеллектуальную модель на основе дерева решений (DT) для оценки растворимости CO2. Они использовали 515 точек данных в диапазоне 306–483,7 К для температуры и 1,025–44,41 МПа для давления. Год спустя Ли и др.36 провели всесторонний обзор полимерной системы CO2. Они использовали два типа многомасштабных методов, а именно термодинамическую расчетную модель и компьютерное моделирование для измерения растворимости CO2 в полимерах. Разработанная ими модель может быть использована в химии и химической промышленности, например, для определения реологических свойств фаз и самосборки полимеров. В 2022 году были проведены различные экспериментальные, теоретические и модельные исследования по измерению растворимости CO2 и других газов в водно-полимерных системах. Сан и др.37 измерили растворимость CO2 в буровых растворах на водной и нефтяной основе, используя метод анализа проб. Их результаты показали, что высаливающее влияние электролита на растворимость газа может усиливаться с увеличением молярной концентрации ионов. Их исследование также показало, что погрешности растворимости CO2 в буровых растворах на нефтяной и водной основе составляют 6,75% и 3,47% соответственно. Кроме того, Ушики и др.38 оценили растворимость и диффузию CO2 в поликапролактоне (PCL), используя теорию статистической ассоциации жидкости с возмущенной цепью (PC-SAFT) и методы свободного объема. Согласно их работе, растворимость CO2 была признана соответствующей закону Генри, а PC-SAFT EoS достаточно описывал растворимость. Кроме того, Киран и др.39 оценили коэффициент диффузии и растворимость CO2 и N2 в полимерах. Они использовали EoS Санчеса-Лакомба для моделирования растворимости. Кроме того, Риччи и др.40 предоставили всеобъемлющую теоретическую основу для сверхкритической сорбции и транспорта CO2 в полимерах. В своем исследовании сорбция CO2 была смоделирована с использованием данных, доступных в критической области, при различных температурах и давлениях до 18 МПа.