Sulla valutazione della solubilità dell'anidride carbonica nei polimeri mediante la programmazione dell'espressione genica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12505 (2023) Citare questo articolo

34 Accessi

Dettagli sulle metriche

La valutazione, la previsione e la misurazione della solubilità dell'anidride carbonica (CO2) in diversi polimeri sono cruciali per gli ingegneri in varie applicazioni chimiche, come l'estrazione e la generazione di nuovi materiali. In questo articolo sono state generate correlazioni basate sulla programmazione dell'espressione genica (GEP) per prevedere il valore della solubilità dell'anidride carbonica in tre polimeri. I risultati hanno mostrato che le correlazioni generate potrebbero rappresentare un'efficienza eccezionale e fornire previsioni per la solubilità del biossido di carbonio con errori relativi medi assoluti soddisfacenti del 9,71%, 5,87% e 1,63% per polistirene (PS), polibutilene succinato-co-adipato (PBSA), e polibutilene succinato (PBS), rispettivamente. L'analisi delle tendenze basata sulla legge di Henry ha dimostrato che l'aumento della pressione e la diminuzione della temperatura portano ad un aumento della solubilità dell'anidride carbonica. Infine, è stata applicata la scoperta dei valori anomali utilizzando l'approccio della leva finanziaria per rilevare i punti dati sospetti. Il rilevamento dei valori anomali ha dimostrato la validità statistica delle correlazioni sviluppate. Il grafico di William delle tre correlazioni generate ha mostrato che tutti i punti dati si trovano nella zona valida tranne un punto per il polimero PBS e tre punti per il polimero PS.

Negli ultimi anni, l'applicazione di diversi polimeri è diventata una questione interessante in vari settori, inclusa l'industria petrolifera. Il processo di assorbimento dei fluidi in diversi polimeri è una circostanza vitale nei concetti dell'industria petrolifera come il recupero avanzato dell'olio (EOR)1,2,3, la separazione del gas, l'imbibizione di additivi e i processi di formazione di schiuma4,5. L'anidride carbonica (CO2) è uno dei gas più significativi, che svolge un ruolo notevole nella struttura dei polimeri, nelle schiume polimeriche e nelle proprietà di produzione4,6. Inoltre, la CO2 e il biossido di carbonio supercritico (SCCO2), (un biossido di carbonio supercritico è descritto come un fluido per il quale sia la temperatura che la pressione sono superiori ai valori critici) sono diventati uno dei materiali ecologici più convenzionali, ampiamente utilizzati nei solventi , antisolvente o soluto in numerosi processi sul campo, tra cui la sintesi dei materiali, la modifica dei materiali, i processi di formazione di schiuma, la polimerizzazione e la produzione di particelle7,8,9. SCCO2 è potenzialmente interessante come solvente che mostra proprietà che sono una miscela di quelle comunemente combinate con liquidi o gas. La solubilità della CO2 è la quantità massima di CO2 che può sciogliersi in diverse soluzioni. La valutazione, la previsione e la misurazione della solubilità della CO2 in diversi polimeri biodegradabili è diventata una tecnologia importante per gli ingegneri in varie applicazioni chimiche come l'estrazione e la generazione di nuovi materiali10,11,12,13,14. I polimeri biodegradabili sono un particolare tipo di polimeri che collassano mediante il processo di dissoluzione batterica per sfociare in fluidi naturali come CO2 e N2. Il polibutilene succinato (PBS) e il polibutilene succinato-co-adipato (PBSA) sono due polimeri biodegradabili applicabili generati da Showa Highpolymer Co. Ltd. e Showa Denko K.K15,16.

Per prevedere la solubilità dei gas nei polimeri, in particolare nella CO2, dal 1986 sono stati studiati vari approcci sperimentali, empirici e teorici. Nel 1986 e nel 1993, Shah et al.17,18 hanno misurato la solubilità di diversi gas, inclusa la CO2, nei polimeri siliconici a pressioni fino a 26 atmosfere e valori di temperatura di 10, 35 e 55 °C. Nel 1994, Li et al.19 hanno previsto la solubilità della CO2 nei sistemi amminici. Hanno considerato miscele binarie e ternarie contenenti tre solventi, ovvero mono-etanolammina (MEA), metil-dietanolammina (MDEA) e acqua (H2O). Hanno utilizzato la temperatura in un intervallo compreso tra 0 e 225 °C. Hanno modellato la solubilità della CO2 nelle miscele di ammine in funzione della temperatura. Due anni dopo, Sato et al.20 hanno studiato la solubilità di CO2 e N2 nel polistirene in condizioni di alta pressione e temperatura. Hanno misurato la solubilità del gas a pressioni fino a 20 MPa e temperature da 373,2 a 453,2 K. Nel 1998, Aubert21 ha calcolato la solubilità della CO2 a pressioni fino a 9,65 MPa utilizzando la tecnica della microbilancia a cristalli di quarzo. L'anno prossimo, Webb et al.22 e Sato et al.23 hanno valutato la diffusione e la solubilità della CO2 nei polimeri sotto pressioni e temperature elevate. Secondo la loro ricerca, le solubilità aumentavano all’aumentare della pressione e diminuivano all’aumentare della temperatura. Nel 2000, Sato et al.15 hanno suggerito relazioni empiriche per determinare la solubilità e il coefficiente di diffusione della CO2. Hanno considerato la pressione e la temperatura come variabili dipendenti rispettivamente nell’intervallo 1.025–20.144 MPa e 323.15–453.15 K. Hanno ottenuto che la solubilità della CO2 nei polimeri allo stato fuso aumenta aumentando la pressione e diminuendo la temperatura. Un anno dopo, Hilic et al.24 hanno misurato la solubilità di N2 e CO2 nel polistirene, considerando una pressione da 3,05 a 45 MPa e una temperatura da 338 a 402 K. Inoltre, è stata applicata una tecnica sperimentale con un sensore di forza a filo vibrante. Hanno ottenuto una relazione lineare tra l'aumento della solubilità con l'aumento della pressione e la diminuzione della temperatura. Nello stesso anno, Sato et al.25 calcolarono le solubilità della CO2 nell'intervallo di temperature di 313,15–373,15 K e pressioni fino a 17,5 MPa. Nel 2002, Park et al.26 hanno studiato la solubilità della CO2 nelle soluzioni di alcanolammina nei valori di 40, 60 e 80 °C per la temperatura e 0,1–50 psia per la pressione. Rappresentavano un equilibrio vapore-liquido di CO2 in queste soluzioni. Nello stesso anno, Sato et al.27 hanno esaminato la solubilità della CO2 nel poli (2,6-dimetil-1,4-fenilene etere) (PPO) e PS a temperature di 373,15, 427,15 e 473,15 K e pressioni fino a 20 MPa . Hanno ottenuto che la solubilità della CO2 aumenta all'aumentare della concentrazione di PPO. Un anno dopo, nel 2003, Hamedi et al.28 hanno previsto l’adsorbimento di CO2 in vari polimeri sulla base di un’equazione di stato di contributo di gruppo (EoS) con intervalli di input di 283–453 K e 1–200 bar rispettivamente per temperatura e pressione . Il loro miglior risultato è stato un errore relativo assoluto medio (AARE) del 5,5% per il polistirolo. Nel 2006, Li et al.29 hanno misurato la solubilità e la diffusività dei gas nel polilattide a una temperatura di 180–200 K e pressioni fino a 28 MPa utilizzando una bilancia in sospensione magnetica (MSB). Inoltre, hanno adottato un modello teorico basato sulla seconda legge di Fick per estrarre i coefficienti di diffusione di N2 e CO2 nel polilattide. Hanno ottenuto che la CO2 presentava una diffusività inferiore rispetto all'N2 alla stessa temperatura. In quell'anno, Nalawade et al.9 usarono SCCO2 come solvente verde per la lavorazione dei polimeri fusi. Hanno guadagnato che SCCO2 è applicabile in molti processi di polimerizzazione grazie alla sua elevata solubilità nei polimeri. Nel 2007, Lei et al.30 hanno generato correlazioni di galleggiamento e l'equazione di stato di Sanchez e Lacombe per stimare il grado di rigonfiamento, la cristallinità e la solubilità della CO2 nel polipropilene. Hanno ottenuto che la solubilità della CO2 prima diminuisse e poi aumentasse con la temperatura. Due anni dopo, Khajeh et al.31 hanno sviluppato un modello intelligente basato sul sistema di inferenza neuro fuzzy adattivo (ANFIS) per prevedere la solubilità della CO2 nei polimeri. Hanno utilizzato fino a 37 punti dati per diversi polimeri. Nel 2011, Xu et al.32 hanno studiato uno studio teorico sulle correlazioni di solubilità della CO2 nei gruppi eterei e carbonilici dei polimeri, vale a dire poli(ossido di etilene) (PEO), poli(ossido di propilene) (PPO), poli(acetato di vinile) ( PVAc), poli(etilene carbonato) (PEC) e poli(propilene carbonato) (PPC). Hanno dimostrato che la solubilità della CO2 nel PPC è superiore rispetto ad altri polimeri utilizzati nel loro studio. L'anno successivo, Han et al.13 hanno sviluppato reazioni continue e considerato concetti economici nelle applicazioni SCCO2. Nel 2013, Li et al.33 hanno sviluppato una rete neurale artificiale (ANN) per stimare la solubilità dei gas nei polimeri. La loro ricerca ha dimostrato un buon accordo tra i dati sperimentali e quelli previsti utilizzando la loro correlazione. Nello stesso anno Minelli e Sarti34 misurarono la solubilità e la permeabilità della CO2 in vari polimeri vetrosi considerando il coefficiente di diffusione come un fattore cinetico. Nel 2015, diversi approcci matematici e teorici sono stati studiati da Ting e Yuan10, Li et al.7 e Quan et al.12 per stimare le proprietà della CO2, inclusa la solubilità. Tutti hanno dimostrato che la solubilità della CO2 ha una relazione diretta con la pressione e una relazione inversa con la temperatura. Due anni dopo, Mengshan et al.8,35 hanno sviluppato una rete neurale artificiale e una tecnica di intelligenza artificiale basata sulla teoria della diffusione per prevedere la solubilità di CO2 e SCCO2 nei polimeri. Nel 2019, Soleimani et al.4 hanno sviluppato un modello intelligente basato sull’albero decisionale (DT) per la stima della solubilità della CO2. Hanno utilizzato 515 punti dati con un intervallo di 306–483,7 K per la temperatura e 1,025–44,41 MPa per la pressione. Un anno dopo, Li et al.36 hanno effettuato una revisione completa del sistema polimerico a base di CO2. Hanno utilizzato due tipi di metodi multiscala, vale a dire il modello di calcolo termodinamico e la simulazione al computer per misurare la solubilità della CO2 nei polimeri. Il loro modello sviluppato può essere utilizzato in chimica e nell'industria chimica, come proprietà reologiche di fase e autoassemblaggio dei polimeri. Nel 2022 sono state condotte varie ricerche sperimentali, teoriche e modellistiche per misurare la solubilità della CO2 e di altri gas nei sistemi acqua-polimerici. Sun et al.37 hanno misurato la solubilità della CO2 nei fluidi di perforazione a base di petrolio e acqua utilizzando l'approccio dell'analisi del campione. I loro risultati hanno indicato che l'effetto di salatura dell'elettrolita sulla solubilità del gas può essere aumentato con l'aumento della concentrazione molare degli ioni. Il loro studio ha anche dimostrato che gli errori di solubilità della CO2 nei fluidi di perforazione a base di petrolio e acqua sono rispettivamente del 6,75% e del 3,47%. Inoltre, Ushiki et al.38 hanno valutato la solubilità e la diffusività della CO2 nel policaprolattone (PCL) eseguendo la teoria dei fluidi di associazione statistica a catena perturbata (PC-SAFT) e i metodi del volume libero. Secondo il loro lavoro, è stato riconosciuto che la solubilità della CO2 è conforme alla legge di Henry e l'EoS PC-SAFT ha descritto sufficientemente la solubilità. Inoltre, Kiran et al.39 hanno valutato la diffusività e la solubilità di CO2 e N2 nei polimeri. Hanno utilizzato l'EoS Sanchez-Lacombe per modellare la solubilità. Inoltre, Ricci et al.40 hanno fornito un quadro teorico completo per l'assorbimento e il trasporto supercritico della CO2 nei polimeri. Nel loro studio, l’assorbimento di CO2 è stato modellato utilizzando i dati disponibili nella regione critica, a diverse temperature e pressioni fino a 18 MPa.