Modellare la capacità di separazione della CO2 di poly(4

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8812 (2023) Citare questo articolo

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Le membrane sono una potenziale tecnologia per ridurre il consumo energetico e le sfide ambientali considerando i processi di separazione. Una nuova classe di questa tecnologia, vale a dire la membrana a matrice mista (MMM), può essere fabbricata disperdendo sostanze solide in un mezzo polimerico. In questo modo, gli MMM a base di poli(4-metil-1-pentene) hanno attirato grande attenzione per la cattura dell'anidride carbonica (CO2), che è un inquinante ambientale con effetto serra. La permeabilità alla CO2 in diversi MMM costituiti da poli(4-metil-1-pentene) (PMP) e nanoparticelle è stata analizzata in modo completo dal punto di vista sperimentale. Inoltre, è necessario un modello matematico semplice per calcolare la permeabilità della CO2 prima di costruire il relativo processo di separazione basato su PMP. Pertanto, il presente studio utilizza reti neurali artificiali perceptron multistrato (MLP-ANN) per correlare la permeabilità della CO2 negli MMM PMP/nanoparticelle alla composizione della membrana (tipo di additivo e dose) e alla pressione. Di conseguenza, l’effetto di queste variabili indipendenti sulla permeabilità alla CO2 nelle membrane basate su PMP viene esplorato utilizzando l’analisi di regressione lineare multipla. È stato scoperto che la permeabilità della CO2 ha una relazione diretta con tutte le variabili indipendenti, mentre la dose di nanoparticelle è quella più forte. Le caratteristiche strutturali dell'MLP-ANN hanno dimostrato in modo efficiente un potenziale interessante per ottenere la previsione più accurata della permeabilità alla CO2. Una MLP-ANN a due strati con la topologia 3-8-1 addestrata dall'algoritmo di regolazione bayesiana è identificata come il modello migliore per il problema considerato. Questo modello simula 112 permeabilità della CO2 misurate sperimentalmente in PMP/ZnO, PMP/Al2O3, PMP/TiO2 e PMP/TiO2-NT con un'eccellente deviazione relativa media assoluta (AARD) inferiore al 5,5%, errore medio assoluto (MAE) di 6,87 e coefficiente di correlazione (R) superiore a 0,99470. Si è scoperto che la membrana a matrice mista costituita da PMP e TiO2-NT (nanotubi funzionalizzati con biossido di titanio) è il mezzo migliore per la separazione della CO2.

Recentemente, la cattura e il sequestro della CO2 (anidride carbonica)1,2 come strumento pratico contro il riscaldamento globale e il cambiamento climatico hanno ricevuto un notevole interesse. Secondo la letteratura, la concentrazione di CO2 nell'atmosfera dall'era preindustriale ad oggi è aumentata drasticamente da 280 a 420 ppm, mentre il suo valore massimo ammissibile è di 350 ppm3,4. D’altro canto, si stima che la concentrazione di CO2 nell’atmosfera raggiungerà i 570 ppm entro l’attuale livello in aumento alla fine del 21° secolo5. Su questa base vengono stipulati diversi accordi per ridurre le emissioni di CO2 entro il 2050 concentrandosi sull’implementazione di strategie di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS)6. A tal fine sono state proposte diverse tecnologie, come l'assorbimento7, l'adsorbimento8,9, la criogenicità10 e le membrane11. Tuttavia, l'assorbimento, in quanto tecnologia più matura, presenta alcuni gravi inconvenienti, tra cui la corrosione delle apparecchiature12, effetti collaterali ambientali13 e costi14. La criogenica, poiché un'altra tecnologia matura, consuma molta energia15. Inoltre, l’introduzione di un adsorbente stabile all’acqua con elevata selettività e capacità di carico, nonché un adeguato calore di adsorbimento e un costo ragionevole per l’applicazione su larga scala è ancora una sfida seria7,16,17. Pertanto, la tecnologia a membrana per quanto riguarda il rispetto dell'ambiente, l'efficienza, la flessibilità, i costi, la maturità e la semplicità è considerata una delle strategie interessanti per la separazione del gas18 e il monitoraggio dell'inquinamento19. La cattura e il sequestro della CO2 non solo sono cruciali per le applicazioni di post-combustione relative ai gas di scarico per la separazione di CO2/N2, ma sono anche necessari per i processi di pre-combustione per lo sviluppo di fonti energetiche rinnovabili, compreso l'upgrading del biogas20 e l'addolcimento del gas naturale per la separazione di CO2/CH421 . L’anidride carbonica recuperata può anche essere utilizzata come materia prima per sintetizzare sostanze chimiche a valore aggiunto22.