Sur l'évaluation de la solubilité du dioxyde de carbone dans les polymères par programmation d'expression génique

Aug 12, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12505 (2023) Citer cet article

203 Accès

Détails des métriques

L'évaluation, la prévision et la mesure de la solubilité du dioxyde de carbone (CO2) dans différents polymères sont cruciales pour les ingénieurs travaillant dans diverses applications chimiques, telles que l'extraction et la génération de nouveaux matériaux. Dans cet article, des corrélations basées sur la programmation de l'expression génique (GEP) ont été générées pour prédire la valeur de la solubilité du dioxyde de carbone dans trois polymères. Les résultats ont montré que les corrélations générées pouvaient représenter une efficacité exceptionnelle et fournir des prévisions sur la solubilité du dioxyde de carbone avec des erreurs relatives moyennes absolues satisfaisantes de 9,71 %, 5,87 % et 1,63 % pour le polystyrène (PS), le succinate-co-adipate de polybutylène (PBSA), et le succinate de polybutylène (PBS), respectivement. L'analyse des tendances basée sur la loi de Henry a montré qu'une augmentation de la pression et une diminution de la température entraînent une augmentation de la solubilité du dioxyde de carbone. Enfin, la découverte des valeurs aberrantes a été appliquée en utilisant l'approche de levier pour détecter les points de données suspects. La détection des valeurs aberrantes a démontré la validité statistique des corrélations développées. Le tracé de William des trois corrélations générées a montré que tous les points de données sont situés dans la zone valide, à l'exception d'un point pour le polymère PBS et de trois points pour le polymère PS.

Ces dernières années, l’application de différents polymères est devenue une question intéressante dans diverses industries, notamment l’industrie pétrolière. Le processus d'adsorption de fluides dans différents polymères est une circonstance vitale dans les concepts de l'industrie pétrolière tels que la récupération assistée du pétrole (EOR)1,2,3, la séparation des gaz, l'imbibition d'additifs et les processus de moussage4,5. Le dioxyde de carbone (CO2) est l'un des gaz les plus importants, qui joue un rôle remarquable dans la structure des polymères, les mousses polymères et les propriétés de production4,6. En outre, le CO2 et le dioxyde de carbone supercritique (SCCO2) (un dioxyde de carbone supercritique est décrit comme un fluide pour lequel la température et la pression sont supérieures aux valeurs critiques) sont devenus l'un des matériaux verts les plus conventionnels, largement utilisés dans les solvants. , anti-solvant ou soluté dans de nombreux domaines de traitement, notamment la synthèse de matériaux, la modification de matériaux, les processus de moussage, la polymérisation et la production de particules7,8,9. Le SCCO2 est potentiellement attrayant en tant que solvant présentant des propriétés qui sont un mélange de celles couramment associées aux liquides ou aux gaz. La solubilité du CO2 est la quantité maximale de CO2 pouvant être dissoute dans différentes solutions. L'évaluation, la prévision et la mesure de la solubilité du CO2 dans différents polymères biodégradables sont devenues des technologies remarquables pour les ingénieurs dans diverses applications chimiques telles que l'extraction et la génération de nouveaux matériaux10,11,12,13,14. Les polymères biodégradables sont un type particulier de polymères qui s'effondrent par un processus de dissolution bactérienne pour aboutir dans des fluides naturels tels que le CO2 et le N2. Le polybutylène succinate (PBS) et le polybutylène succinate-co-adipate (PBSA) sont deux polymères biodégradables applicables qui ont été générés par Showa Highpolymer Co. Ltd. et Showa Denko K.K15,16.

Afin de prédire la solubilité des gaz dans les polymères, en particulier le CO2, diverses approches expérimentales, empiriques et théoriques ont été étudiées depuis 1986. En 1986 et 1993, Shah et al.17,18 ont mesuré la solubilité de différents gaz, dont le CO2, dans des polymères de silicone à des pressions allant jusqu'à à 26 valeurs d'atmosphère et de température de 10, 35 et 55 °C. En 1994, Li et al.19 ont prédit la solubilité du CO2 dans les systèmes aminés. Ils ont considéré des mélanges binaires et ternaires contenant trois solvants, à savoir la mono-éthanolamine (MEA), la méthyl-diéthanolamine (MDEA) et l'eau (H2O). Ils ont utilisé une température comprise entre 0 et 225 °C. Ils ont modélisé la solubilité du CO2 dans des mélanges d’amines en fonction de la température. Deux ans plus tard, Sato et al.20 ont étudié la solubilité du CO2 et du N2 dans le polystyrène dans des conditions de pression et de température élevées. Ils ont mesuré la solubilité du gaz à des pressions allant jusqu'à 20 MPa et des températures de 373,2 à 453,2 K. En 1998, Aubert21 a calculé la solubilité du CO2 à des pressions allant jusqu'à 9,65 MPa en utilisant la technique de la microbalance à cristal de quartz. L'année prochaine, Webb et al.22 et Sato et al.23 ont évalué la diffusion et la solubilité du CO2 dans des polymères sous des pressions et des températures élevées. Selon leurs recherches, les solubilités augmentaient avec l’augmentation de la pression et diminuaient avec l’augmentation de la température. En 2000, Sato et al.15 ont suggéré des relations empiriques pour déterminer la solubilité et le coefficient de diffusion du CO2. Ils ont considéré la pression et la température comme variables dépendantes comprises respectivement entre 1,025 et 20,144 MPa et 323,15 et 453,15 K. Ils ont obtenu que la solubilité du CO2 dans les polymères à l’état fondu augmente en augmentant la pression et en diminuant la température. Un an plus tard, Hilic et al.24 ont mesuré la solubilité du N2 et du CO2 dans le polystyrène, en considérant une pression de 3,05 à 45 MPa et une température de 338 à 402 K. De plus, une technique expérimentale avec un capteur de force à corde vibrante a été appliquée. Ils ont obtenu une relation linéaire entre l’augmentation de la solubilité avec l’augmentation de la pression et la diminution de la température. La même année, Sato et al.25 ont calculé la solubilité du CO2 dans une plage de températures allant de 313,15 à 373,15 K et à des pressions allant jusqu'à 17,5 MPa. En 2002, Park et al.26 ont étudié la solubilité du CO2 dans des solutions d'alcanolamine à des valeurs de 40, 60 et 80 °C pour la température et de 0,1 à 50 psia pour la pression. Ils représentaient un équilibre vapeur-liquide du CO2 dans ces solutions. La même année, Sato et al.27 ont examiné la solubilité du CO2 dans le poly (2,6-diméthyl-1,4-phénylène éther) (PPO) et le PS à des températures de 373,15, 427,15 et 473,15 K et à des pressions allant jusqu'à 20 MPa. . Ils ont constaté que la solubilité du CO2 augmente avec l’augmentation de la concentration de PPO. Un an plus tard, en 2003, Hamedi et al.28 ont prédit l’adsorption du CO2 dans divers polymères sur la base d’une équation d’état de contribution de groupe (EoS) avec des plages d’entrée de 283 à 453 K et de 1 à 200 bars pour la température et la pression, respectivement. . Leur meilleur résultat était une erreur relative absolue moyenne (AARE) de 5,5 % pour le polystyrène. En 2006, Li et al.29 ont mesuré la solubilité et la diffusivité des gaz dans le polylactide à une température de 180 à 200 K et à des pressions allant jusqu'à 28 MPa à l'aide d'une balance à suspension magnétique (MSB). De plus, ils ont adopté un modèle théorique basé sur la deuxième loi de Fick pour extraire les coefficients de diffusion du N2 et du CO2 dans le polylactide. Ils ont constaté que le CO2 présentait une diffusivité inférieure à celle du N2 à la même température. Cette année-là, Nalawade et al.9 ont utilisé le SCCO2 comme solvant vert pour traiter les polymères fondus. Ils ont obtenu que le SCCO2 soit applicable dans de nombreux processus de polymérisation en raison de sa haute solubilité dans les polymères. En 2007, Lei et al.30 ont généré des corrélations de flottabilité et l'équation d'état de Sanchez et Lacombe pour estimer le degré de gonflement du CO2, la cristallinité et la solubilité dans le polypropylène. Ils ont atteint une solubilité du CO2 qui a d’abord diminué puis augmenté avec la température. Deux ans plus tard, Khajeh et al.31 ont développé un modèle intelligent basé sur le système d'inférence neuro-flou adaptative (ANFIS) pour prédire la solubilité du CO2 dans les polymères. Ils ont utilisé jusqu'à 37 points de données pour différents polymères. En 2011, Xu et al.32 ont étudié une étude théorique des corrélations de solubilité du CO2 dans les groupes éther et carbonyle de polymères, à savoir le poly(oxyde d'éthylène) (PEO), le poly(oxyde de propylène) (PPO), le poly(acétate de vinyle) ( PVAc), poly(carbonate d'éthylène) (PEC) et poly(carbonate de propylène) (PPC). Ils ont montré que la solubilité du CO2 dans le PPC est supérieure à celle des autres polymères utilisés dans leur étude. L'année suivante, Han et al.13 ont développé des réactions continues et examiné des concepts économiques dans les applications du SCCO2. En 2013, Li et al.33 ont développé un réseau de neurones artificiels (ANN) pour estimer la solubilité des gaz dans les polymères. Leurs recherches ont démontré un bon accord entre les données expérimentales et prédites en utilisant leur corrélation. La même année, Minelli et Sarti34 mesurent la solubilité et la perméabilité du CO2 dans divers polymères vitreux en considérant le coefficient de diffusion comme facteur cinétique. En 2015, différentes approches mathématiques et théoriques de Ting et Yuan10, Li et al.7 et Quan et al.12 ont été étudiées pour estimer les propriétés du CO2, y compris la solubilité. Tous ont montré que la solubilité du CO2 est directement liée à la pression et inversement à la température. Deux ans plus tard, Mengshan et al.8,35 ont développé un réseau neuronal artificiel et une technique d'intelligence artificielle basée sur la théorie de la diffusion pour prédire la solubilité du CO2 et du SCCO2 dans les polymères. En 2019, Soleimani et al.4 ont développé un modèle intelligent basé sur un arbre de décision (DT) pour estimer la solubilité du CO2. Ils ont utilisé 515 points de données avec une plage de 306 à 483,7 K pour la température et de 1,025 à 44,41 MPa pour la pression. Un an plus tard, Li et al.36 ont mené une étude complète du système polymère CO2. Ils ont utilisé deux types de méthodes multi-échelles, à savoir un modèle de calcul thermodynamique et une simulation informatique pour mesurer la solubilité du CO2 dans les polymères. Le modèle développé peut être utilisé dans la chimie et les industries chimiques, notamment pour les propriétés rhéologiques des phases et l'auto-assemblage des polymères. En 2022, diverses recherches expérimentales, théoriques et de modélisation ont été réalisées afin de mesurer la solubilité du CO2 et d'autres gaz dans les systèmes eau-polymère. Sun et al.37 ont mesuré la solubilité du CO2 dans les fluides de forage à base de pétrole et d’eau en utilisant l’approche d’analyse d’échantillons. Leurs résultats ont indiqué que l’effet de relargage de l’électrolyte sur la solubilité du gaz peut être augmenté avec l’augmentation de la concentration molaire des ions. Leur étude a également montré que les erreurs de solubilité du CO2 dans les fluides de forage à base de pétrole et d’eau sont respectivement de 6,75 % et 3,47 %. En outre, Ushiki et al.38 ont évalué la solubilité et la diffusivité du CO2 dans la polycaprolactone (PCL) en appliquant la théorie statistique des fluides associant les chaînes perturbées (PC-SAFT) et les méthodes du volume libre. Selon leurs travaux, la solubilité du CO2 a été reconnue conforme à la loi de Henry, et le PC-SAFT EoS a suffisamment décrit la solubilité. Kiran et al.39 ont également évalué la diffusivité et la solubilité du CO2 et du N2 dans les polymères. Ils ont utilisé Sanchez-Lacombe EoS pour modéliser la solubilité. De plus, Ricci et al.40 ont fourni un cadre théorique complet pour la sorption et le transport supercritiques du CO2 dans les polymères. Dans leur étude, la sorption du CO2 a été modélisée à l’aide des données disponibles dans la région critique, à différentes températures et pressions allant jusqu’à 18 MPa.