Sobre a avaliação da solubilidade do dióxido de carbono em polímeros utilizando programação de expressão gênica

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12505 (2023) Citar este artigo

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Avaliação, previsão e medição da solubilidade do dióxido de carbono (CO2) em diferentes polímeros são cruciais para engenheiros em diversas aplicações químicas, como extração e geração de novos materiais. Neste artigo, correlações baseadas na programação de expressão gênica (GEP) foram geradas para prever o valor da solubilidade do dióxido de carbono em três polímeros. Os resultados mostraram que as correlações geradas podem representar uma eficiência notável e fornecer previsões para a solubilidade do dióxido de carbono com erros relativos médios absolutos satisfatórios de 9,71%, 5,87% e 1,63% para poliestireno (PS), succinato-co-adipato de polibutileno (PBSA), e succinato de polibutileno (PBS), respectivamente. A análise de tendências baseada na lei de Henry ilustrou que o aumento da pressão e a diminuição da temperatura levam a um aumento na solubilidade do dióxido de carbono. Finalmente, a descoberta de outliers foi aplicada usando a abordagem de alavancagem para detectar os pontos de dados suspeitos. A detecção de outliers demonstrou a validade estatística das correlações desenvolvidas. O gráfico de três correlações geradas por William mostrou que todos os pontos de dados estão localizados na zona válida, exceto um ponto para o polímero PBS e três pontos para o polímero PS.

Nos últimos anos, a aplicação de diferentes polímeros tornou-se uma questão atraente em diversas indústrias, incluindo a indústria do petróleo. O processo de adsorção de fluidos em diferentes polímeros é uma circunstância vital nos conceitos da indústria do petróleo, como recuperação avançada de petróleo (EOR) 1,2,3, separação de gases, embebição de aditivos e processos de formação de espuma . O dióxido de carbono (CO2) é um dos gases mais significativos, que desempenha um papel notável na estrutura dos polímeros, nas espumas poliméricas e nas propriedades de produção4,6. Além disso, o CO2 e o dióxido de carbono supercrítico (SCCO2), (um dióxido de carbono supercrítico é descrito como um fluido para o qual a temperatura e a pressão são superiores aos valores críticos) tornaram-se um dos materiais verdes mais convencionais, que têm sido extensivamente utilizados em solventes. , anti-solvente ou soluto em vários processamentos de campo, incluindo síntese de materiais, modificação de materiais, processos de formação de espuma, polimerização e produção de partículas7,8,9. O SCCO2 é potencialmente atraente como solvente que apresenta propriedades que são uma mistura daquelas comumente combinadas com líquidos ou gases. A solubilidade do CO2 é a quantidade máxima de CO2 que pode ser solubilizada em diferentes soluções. A avaliação, previsão e medição da solubilidade do CO2 em diferentes polímeros biodegradáveis ​​tornou-se uma tecnologia notável para engenheiros em diversas aplicações químicas, como extração e geração de novos materiais . Polímeros biodegradáveis ​​são um tipo particular de polímeros que colapsam pelo processo de dissolução bacteriana para resultar em fluidos naturais como CO2 e N2. O polibutileno succinato (PBS) e o polibutileno succinato-co-adipato (PBSA) são dois polímeros biodegradáveis ​​aplicáveis ​​que foram gerados pela Showa Highpolymer Co.

Para prever a solubilidade de gases em polímeros, especialmente CO2, várias abordagens experimentais, empíricas e teóricas foram investigadas desde 1986. Em 1986 e 1993, Shah et al.17,18 mediram a solubilidade de diferentes gases, incluindo CO2 em polímeros de silicone, a pressões acima de a 26 atmosferas e valores de temperatura de 10, 35 e 55 °C. Em 1994, Li et al.19 previram a solubilidade do CO2 em sistemas aminados. Eles consideraram misturas binárias e ternárias contendo três solventes, nomeadamente monoetanolamina (MEA), metil-dietanolamina (MDEA) e água (H2O). Eles usaram temperatura na faixa de 0–225 °C. Eles modelaram a solubilidade do CO2 em misturas de aminas em função da temperatura. Dois anos depois, Sato et al.20 investigaram a solubilidade de CO2 e N2 em poliestireno sob condições de alta pressão e temperatura. Eles mediram a solubilidade dos gases em pressões de até 20 MPa e temperaturas de 373,2 a 453,2 K. Em 1998, Aubert21 calculou a solubilidade do CO2 em pressões de até 9,65 MPa usando a técnica de microbalança de cristal de quartzo. No ano seguinte, Webb et al.22 e Sato et al.23 avaliaram a difusão e a solubilidade do CO2 em polímeros sob altas pressões e temperaturas. De acordo com suas pesquisas, as solubilidades aumentaram com o aumento da pressão e diminuíram com o aumento da temperatura. Em 2000, Sato et al.15 sugeriram relações empíricas para determinar a solubilidade e o coeficiente de difusão do CO2. Eles consideraram pressão e temperatura como variáveis ​​dependentes na faixa de 1,025–20,144 MPa e 323,15–453,15 K, respectivamente. Eles conseguiram que a solubilidade do CO2 em polímeros no estado fundido aumenta com o aumento da pressão e a diminuição da temperatura. Um ano depois, Hilic et al.24 mediram a solubilidade de N2 e CO2 em poliestireno, que considerou pressão de 3,05 a 45 MPa e temperatura de 338 a 402 K. Além disso, foi aplicada uma técnica experimental com sensor de força de fio vibratório. Eles obtiveram uma relação linear entre o aumento da solubilidade com o aumento da pressão e a diminuição da temperatura. No mesmo ano, Sato et al.25 calcularam solubilidades de CO2 na faixa de temperatura de 313,15–373,15 K e pressões de até 17,5 MPa. Em 2002, Park et al.26 estudaram a solubilidade do CO2 em soluções de alcanolamina nos valores de 40, 60 e 80 °C para temperatura e 0,1–50 psia para pressão. Eles representaram um equilíbrio vapor-líquido de CO2 nessas soluções. No mesmo ano, Sato et al.27 examinaram a solubilidade do CO2 em poli(2,6-dimetil-1,4-fenileno éter) (PPO) e PS nas temperaturas de 373,15, 427,15 e 473,15 K e pressões de até 20 MPa . Eles obtiveram que a solubilidade do CO2 aumenta com o aumento da concentração de PPO. Um ano depois, em 2003, Hamedi et al.28 previram a adsorção de CO2 em vários polímeros com base em uma equação de estado de contribuição de grupo (EoS) com faixas de entrada de 283–453 K e 1–200 bar para temperatura e pressão, respectivamente. . O melhor resultado foi um erro relativo absoluto médio (AARE) de 5,5% para o poliestireno. Em 2006, Li et al.29 mediram solubilidades e difusividades de gases em polilactídeo a uma temperatura de 180–200 K e pressões de até 28 MPa usando uma balança de suspensão magnética (MSB). Além disso, adotaram um modelo teórico baseado na segunda lei de Fick para extrair coeficientes de difusão de N2 e CO2 em polilactídeo. Eles obtiveram que o CO2 exibia menor difusividade que o N2 na mesma temperatura. Naquele ano, Nalawade et al.9 utilizaram SCCO2 como solvente verde para processamento de fundidos poliméricos. Eles ganharam que o SCCO2 é aplicável em muitos processos de polimerização devido à sua alta solubilidade em polímeros. Em 2007, Lei et al.30 geraram correlações de flutuabilidade e equações de estado de Sanchez e Lacombe para estimar o grau de inchamento, cristalinidade e solubilidade do CO2 em polipropileno. Eles alcançaram que a solubilidade do CO2 primeiro diminuiu e depois aumentou com a temperatura. Dois anos depois, Khajeh et al.31 desenvolveram um modelo inteligente baseado no sistema adaptativo de inferência neuro fuzzy (ANFIS) para prever a solubilidade do CO2 em polímeros. Eles usaram até 37 pontos de dados para diferentes polímeros. Em 2011, Xu et al.32 investigaram um estudo teórico de correlações de solubilidade de CO2 em grupos éter e carbonila de polímeros, nomeadamente poli(óxido de etileno) (PEO), poli(óxido de propileno) (PPO), poli(acetato de vinil) ( PVAc), poli(carbonato de etileno) (PEC) e poli(carbonato de propileno) (PPC). Eles mostraram que a solubilidade do CO2 no PPC é maior do que em outros polímeros utilizados em seu estudo. No ano seguinte, Han et al.13 desenvolveram reações contínuas e consideraram conceitos econômicos em aplicações de SCCO2. Em 2013, Li et al.33 desenvolveram uma rede neural artificial (RNA) para estimar solubilidades de gases em polímeros. Sua pesquisa demonstrou boa concordância entre dados experimentais e previstos usando sua correlação. No mesmo ano, Minelli e Sarti34 mediram a solubilidade e a permeabilidade do CO2 em vários polímeros vítreos considerando o coeficiente de difusão como um fator cinético. Em 2015, diferentes abordagens matemáticas e teóricas de Ting e Yuan10, Li et al.7 e Quan et al.12 foram estudadas para estimar as propriedades do CO2, incluindo a solubilidade. Todos mostraram que a solubilidade do CO2 tem relação direta com a pressão e relação inversa com a temperatura. Dois anos depois, Mengshan et al.8,35 desenvolveram uma rede neural artificial e uma técnica de inteligência artificial baseada na teoria da difusão para prever a solubilidade de CO2 e SCCO2 em polímeros. Em 2019, Soleimani et al.4 desenvolveram um modelo inteligente baseado em árvore de decisão (DT) para estimar a solubilidade do CO2. Eles usaram 515 pontos de dados com uma faixa de 306–483,7 K para temperatura e 1,025–44,41 MPa para pressão. Um ano depois, Li et al.36 investigaram uma revisão abrangente do sistema polimérico de CO2. Eles usaram dois tipos de métodos em múltiplas escalas, nomeadamente modelo de cálculo termodinâmico e simulação computacional para medir a solubilidade de CO2 em polímeros. Seu modelo desenvolvido pode ser utilizado em química e indústrias químicas, como propriedade reológica de fase e automontagem de polímeros. Em 2022, diversas pesquisas experimentais, teóricas e de modelagem foram realizadas para medir a solubilidade do CO2 e outros gases em sistemas água-polímero. Sun et al.37 mediram a solubilidade de CO2 em fluidos de perfuração à base de óleo e à base de água usando a abordagem de análise de amostras. Seus resultados indicaram que o efeito de salga do eletrólito na solubilidade do gás pode ser aumentado com o aumento da concentração molar de íons. O estudo também mostrou que os erros de solubilidade do CO2 nos fluidos de perfuração à base de óleo e à base de água são de 6,75% e 3,47%, respectivamente. Além disso, Ushiki et al.38 avaliaram a solubilidade e a difusividade do CO2 em policaprolactona (PCL) realizando métodos estatísticos de associação de fluidos de cadeia perturbada (PC-SAFT) e de volume livre. De acordo com seu trabalho, a solubilidade do CO2 foi reconhecida em conformidade com a lei de Henry, e o PC-SAFT EoS descreveu suficientemente a solubilidade. Além disso, Kiran et al.39 avaliaram a difusividade e a solubilidade de CO2 e N2 em polímeros. Eles usaram Sanchez-Lacombe EoS na modelagem da solubilidade. Além disso, Ricci et al.40 forneceram uma estrutura teórica abrangente para a sorção supercrítica e o transporte de CO2 em polímeros. Em seu estudo, a sorção de CO2 foi modelada utilizando dados disponíveis na região crítica, em diferentes temperaturas e pressões de até 18 MPa.