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Aug 06, 2023

Approfondimenti sulla stima delle tensioni superficiali di miscele basate su materiali verdi progettabili utilizzando uno schema di apprendimento d'insieme

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 14145 (2023) Cita questo articolo 43 Accessi Dettagli metriche La stima precisa delle proprietà fisiche dei liquidi ionici (IL) e delle loro miscele è

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14145 (2023) Citare questo articolo

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La stima precisa delle proprietà fisiche sia dei liquidi ionici (IL) che delle loro miscele è fondamentale per consentire agli ingegneri di progettare con successo nuovi processi industriali. Tra queste proprietà, la tensione superficiale è particolarmente importante. Non è solo necessario conoscere le proprietà degli IL puri, ma anche delle loro miscele per garantire un utilizzo ottimale in una varietà di applicazioni. A questo proposito, questo studio mirava a valutare l'efficacia dell'albero Stochastic Gradient Boosting (SGB) nella modellazione delle tensioni superficiali di miscele binarie di vari liquidi ionici (IL) utilizzando un set di dati completo. Il set di dati comprendeva 4010 punti dati sperimentali provenienti da 48 diversi IL e 20 componenti non IL, coprendo un intervallo di tensione superficiale di 0,0157–0,0727 N m−1 in un intervallo di temperature di 278,15–348,15 K. Lo studio ha rilevato che i valori stimati erano in buon accordo con i dati sperimentali riportati, come evidenziato da un elevato coefficiente di correlazione (R) e un basso errore assoluto relativo medio maggiore di 0,999 e inferiore a 0,004, rispettivamente. Inoltre, i risultati del modello SGB utilizzato sono stati confrontati con i risultati di SVM, GA-SVM, GA-LSSVM, CSA-LSSVM, GMDH-PNN, ANN a tre basi, PSO-ANN, GA-ANN, ICA-ANN, Modelli TLBO-ANN, ANFIS, ANFIS-ACO, ANFIS-DE, ANFIS-GA, ANFIS-PSO e MGGP. In termini di precisione, il modello SGB è migliore e fornisce deviazioni significativamente inferiori rispetto alle altre tecniche. Inoltre, è stata condotta una valutazione per determinare l'importanza di ciascuna variabile nella previsione della tensione superficiale, che ha rivelato che il fattore più influente era la frazione molare di IL. Alla fine, il grafico di William è stato utilizzato per indagare il campo di applicabilità del modello. Poiché la maggior parte dei dati, vale a dire il 98,5% dell'intero set di dati, rientrava ampiamente nel margine di sicurezza, si è concluso che il modello proposto aveva un ambito di applicabilità elevato e le sue previsioni erano valide e affidabili.

Negli ultimi anni si è verificato un aumento di interesse per i liquidi ionici (IL) tra scienziati, ingegneri, regolatori e responsabili politici in tutto il mondo1. Questi sali fusi, costituiti da cationi organici e anioni organici/inorganici, hanno guadagnato popolarità in vari settori come una nuova classe di composti per diverse applicazioni. A causa della loro struttura cationica voluminosa e asimmetrica2, gli IL hanno una bassa tendenza a formare un cristallo ordinato e quindi a rimanere allo stato liquido a temperatura ambiente.

Le proprietà eccezionali degli IL, come le buone proprietà catalitiche, la bassa pressione di vapore, l'ininfiammabilità, l'elevata capacità di solvatazione per vari composti organici e l'elevata stabilità termica e chimica, li rendono promettenti alternative sostenibili ai materiali tradizionali in un'ampia gamma di processi3,4 ,5. Gli IL vengono spesso definiti “materiali progettabili” perché le loro proprietà possono essere adattate a processi specifici apportando modifiche strutturali al catione o all'anione6. Al momento, gli IL vengono utilizzati per varie applicazioni, inclusi ma non limitati al processo Enhanced Oil Recovery (EOR)7, processi di estrazione8,9,10,11, reazioni catalitiche12, processi di separazione13,14,15, elettrochimica16, batterie al litio17, biomassa conversione18, desolforazione19, dissoluzione del carbone20, lavorazione del bitume21,22, dissoluzione del petrolio greggio23,24, dissoluzione dell'asfaltene25 e riduzione IFT del petrolio greggio/acqua26.

Avere una comprensione completa delle proprietà chimiche, fisiche e termodinamiche degli IL o delle loro miscele con altri composti è fondamentale, soprattutto perché una percentuale significativa delle applicazioni industriali degli IL coinvolge miscele27, come nei processi EOR nei serbatoi. Ciò è di grande importanza sia dal punto di vista accademico che industriale.

La tensione superficiale è una proprietà fisica macroscopica critica28 degli IL e delle loro relative miscele. Svolge un ruolo essenziale nella progettazione e nel funzionamento appropriati dei futuri processi industriali che implicano il trasferimento di massa, come la distillazione, l'estrazione e l'assorbimento3,29. Nell'industria petrolifera, la tensione superficiale è particolarmente importante per la progettazione di frazionatori, assorbitori, separatori, condotte bifase e per la valutazione dei serbatoi30. Questo perché influenza in modo significativo il trasferimento di massa e di calore alle interfacce31. I lettori interessati possono fare riferimento a Tariq et al.32 che forniscono una spiegazione dettagliata del motivo per cui la tensione superficiale degli IL è cruciale.