تبلیغات
chemistry - فرایند غشایی


Admin Logo
themebox Logo


نویسنده :bati .
تاریخ:دوشنبه 1 آبان 1391-09:04 ق.ظ

فرایند غشایی


1. اسمز معكوس:
از این نوع غشاء برای جدا سازی املاح با وزن مولكولی پائین از حلال ها و به طور خاص از حلال آب استفاده می شود. املاح زدائی از آبهای شور با استفاده از این روش بیشتر از 99 درصد می باشد. به همین دلیل جهت شیرین سازی آب دریا و آبهای دیگر از این روش استفاده می شود.
2. نانوفیلتراسیون:
از این غشاء جهت حذف مواد و ذرات بزرگتر از 10 انگستروم استفاده می شود. در واقع از این روش برای جدا سازی مولكولهای آلی با وزن مولكولی متوسط و همچنین آنیونها و كاتیونهای دو ظرفیتی و بیشتر استفاده می شود.
3. اولترافیلتراسیون:
یکی از فرآیند های مهم غشایی است که نیروی محرکه آن اختلاف فشار در طرف از این نوع غشاء برای جدا سازی املاح با وزن مولكولی پائین از حلال ها و به طور خاص از حلال آب استفاده می شود. املاح زدائی از آبهای شور با استفاده از این روش بیشتر از 99 درصد می باشد. به همین دلیل جهت شیرین سازی آب دریا و آبهای دیگر از این روش استفاده می شود.
می باشد. از این نوع غشاء برای جداسازی ماكرو مولكولهایی با اندازه بین 20 تا 1000 انگستروم به كار می رود. در این روش كلوئیدها، پروتئین ها، مواد میكروبی بیماری زا و مولكول های آلی بزرگ كه وزن مولكولی آن بین 1000 تا 100000 است جداسازی می شوند. همچنین از این فرآیند در در عملیات تصفیه، تغلیظ و تفکیک می توان استفاده کرد.
4. میكروفیلتراسیون:
یکی از فرآیندهای مهم غشایی می باشد که نیروی محرکه آن اختلاف فشار است. این روش برای جداسازی ذرات 2/0 الی 20 میكرون به كار می رود.دراین روش معمولاً مواد معلق كلوئیدی جدا می شود و مواد حل شده و ذرات ماكرو مولكول عبور می كند. از این روش برای جداسازی باكتریها مواد معلق و مواد پلیمری استفاده می شود.
5. دیالیز:
یک فرآیند غشایی است که در آن اجزای کوچک به واسطه اختلاف غلظت، با شدتی بیش از اجزاء بزرگ از غشاء نیمه تراوا عبور می کنند. اگر محلول گیرنده که دیالیز کننده نامیده می شود مرتباً تعویض نگردد، غلظت اجزاء در دو طرف غشاء مساوی شده و نیروی محرکه جداسازی از بین می رود.
6. الكترودیالیز:
یک فرآیند جداسازی الکتروشیمیایی است که یونها دارای بار مشخصی را از یونهای دارای بار مخالف جدا می سازد. الکترودیالیز بر پایه مهاجرت یونها از درون غشاهای تبادل یونی در اثر اعمال الکتریسیته بنا شده است. در این فرآیند یونها در اثر پتانسیل الکتریکی از غشاء از محلول با غلظت کم به محلول با غلظت زیاد منتقل می شوند.
خالص سازی یک محلول در فرآیند الکترودیالیز همانند دیالیز از طریق جداسازی ماده حل شونده نامطلوب با استفاده از غشاء انجام می شود. این در حالی است که تصفیه محلول در بسیاری از فرآیندهای غشایی همانند اسمز معکوس و الترا فیلتراسیون از طریقانتقال حلال از درون غشاء و با عدم عبور اجزاء حل شونده صورت می گیرد.


تاریخچه

فرآیندهای غشایی در میان فرآیندهای صنعتی رشدی متأخر داشته‌اند. غشاهای میكروفیلتراسیون در اواخر دهة دوم قرن بیستم به صورت تجاری برای استفاده در آزمایشگاههای باكتریولوژی تولید شدند. استفاده از این نوع غشاها تا زمان ایجاد فیلترهای نامتقارن، برای اسمز معكوس و اولترافیلتراسیون در مقیاس وسیع ممكن نبود. دقیقاً بعد از جنگ جهانی دوم یك گروه ویژه برای مطالعه بر روی تكنولوژی غشایی آلمان تشكیل شد و در سالهای 1947 تا 1950 ساختارهای غشایی موفقی پرورش یافتند. در سال 1957 نتیجه گزارشها تحقیقاتی بسیاری، منجر به تصمیم‌گیری برای استفاده از روش فیلتر غشایی برای آب آشامیدنی شد. استفاده از فیلترهای غشایی برای آنالیز بهداشتی آب بوسیله رشد باكتری بر سطح فیلترها، گونه‌ای از استعمال نوظهور غشاها در تاریخچه استفاده از آنها بود. در طول اولین قرن گسترش وتوسعه فیلترهای غشایی محققین از غشاها برای مطالعات دیالیزی و اسمزی و اولترافیلتراسیون استفاده می‌كردند. محققین غشاهای خود را برای این آزمایشها از نیتروسلولز تهیه می‌كردند. سوریجان و لئوب در دهه 1960 توانستند یك غشای نامتقارن استات سلولز بوسیله فرآیند فاز معكوس تهیه كنند. اندكی بعد میشل تصمیم به ساخت یك غشای نامتقارن چند یونی برای اولترافیلتراسیون گرفت كه این تصمیم در واقع یك موج توسعه در این تكنولوژی بود. به همین ترتیب غشاهای جداكننده گاز از فیلمهای پلیمری به دنبال یك سری تلاشهای بی سابقه از بارر حاصل شدند[1]. تاریخچه فیلترهای غشایی سلولزی می‌تواند به 4 دوره تقسیم شود: كشف، آزمایش، رشد و پیشرفت.پس از كشف غشاء سلولزی، غشای طبیعی كه از جانوران و گیاهان گرفته می شد در آزمایشهای اولترافیلتراسیون و نفوذ مورد استفاده قرار می‌گرفتند. لازم به ذكر است پژوهشگرانی كه بر روی پدیده نفوذ تحقیق می‌كردند در اوایل دهه اول قرن نوزدهم برای آزمایشها دیالیزی و مطالعات اسمزی و كاربردهای اولترافیلتراسیون از غشاهای خارجی قلب گاو، مثانه خوك و ماهی، پوست قورباغه و پوست پیاز استفاده می‌كردند. ماتیوس و سیما در سال 1845 در حالی كه از غشاهای جانوران برای مطالعات اسمزی استفاده می‌كردند موفق شدند برای اولین بار دربارة تفاوتهای نفوذ پذیری وابسته به عدم تقارن منافذ غشاء گزارش دهند[3]. آنها ملاحظه كردند كه وقتی اطراف غشاء در جهت جریان آب معكوس می‌شود، جریان آب عبوری از غشاء سرعت بیشتری می‌یابد. اشمیت اولین نفری بود كه آنچه تاكنون اولترافیلتراسیون نامیده می‌شود را شكل داد[4]. وی نیز مشاهدات مشابهی در سال 1865 داشته است. او دریافت كه در هنگام معكوس كردن لبه‌های داخلی غشا در جهت جریان آب تفاوت آشكاری در جریان آب عبوری از غشاهای جانوری ایجاد می‌شود. این محققین بدون اینكه دلایل ایجاد این تفاوت‌ها را بدانند؛ بر ساختار منافذ غشاها ملاحظات ویژه‌ای داشتند. بعدها كشف شد كه غشاهای پنبه‌ای مصنوعی نیز این ساختار منافذ كه قابلیتهای حفظ باكتری غشاء است، را دارا می‌باشند. استفاده از غشاهای میكروفیلتراسیون در یك مدل بستة جریان برای تمیز كردن انواعی از بخارهای مایع بسیار رواج یافت و فیلتراسیون استریل به طور گسترده از اواسط دهه 60 قرن 20 مورد استفاده قرار گرفت. الكترودیالیز علیرغم اینكه رشد بسیار آهسته‌تری از سایر فیلتراسیونهای غشایی داشت اولین فرآیند مدرن برای توسعه یك پایه قابل توجه صنعتی بود. اكثر اولترافیلتراسیونهای اولیه كه در آزمایشگاهها و مصارف صنعتی استفاده می‌شدند تا قبل از اواخر دهة 60 قرن 20 اهمیت زیادی نداشتند.در دهة 70 این قرن شاهد توسعة سریع به سركردگی صنایع لبنی در اولترافیلتراسیون بودیم كه طرح‌های زیادی برای تغلیظ پروتئین آب پنیر و دیگر موارد كاربرد اولترافیلتراسیون مطرح گردید. پلیمرهای جدید زیادی مورد آزمایش قرار گرفتند و كار اصولی به صورت فزاینده‌ای بر این موضوع متمركز شد. وقتی یك افزایش و جهش كالبدی در ادبیات تحقیق در این زمینه ظاهر شد لزوم ایجاد نشریه‌ای برای ارائه آخرین پیشرفتهای علمی در این زمینه آشكار شد و به این ترتیب مجلة “دانش غشایی” از سال 1973 شروع به فعالیت و انتشار كرد. پس از برخی مشكلات اولیه ناشی از ضعف غشاها، سازنده‌های معتبر دانستند كه چگونه محصولات نیرومند، قابل اعتماد و قابل دستیابی مجدد بسازند كه این تجربه بعداً توسط صنعت اخذ شد و دورة عمر غشاها از چند ماه به چند سال و در غشاهای RO حتی بیش از 5 سال (با گارانتی اجرایی 5 ساله) و در غشاهای UF با بیش از دو سال (با گارانتی یك ساله) افزایش یافت. دهة 90 قرن 20 شاهد یك تنوع كلی از فرآیندها در حوزة غشاها بوده است و غشاهای جدید هر روزه توسعة بیشتری می‌یابند و شركتها با سرعت زیادی خرید و فروش می‌شوند به طوری كه شركت‌های كوچك معمولی غشایی در میان غولهای صنعت شیمیایی داد و ستد می‌شوند. و این روند رو به رشد در تكنولوژی غشایی به كجا خواهد انجامید چیزی است كه برای رسیدن به آن باید در انتظار آینده ماند.
2 بررسی فیلتراسیون غشایی
در این بخش پیرامون ماهیت فیلتراسیون غشایی، انواع آن و نحوه و اساس طبقه‌بندی گونه‌های فیلتراسیون غشایی و برخی كاربردهای آنها متناسب با ویژگیهای هر نوع و امتیازهای هر كدام نسبت به دیگری توضیحات مختصری ارائه خواهد شد. اما فیلتراسیون غشایی چیست؟ فیلتراسیون غشایی به جداسازی تركیبات مایع تحت فشار بوسیله غشاهایی كه اندازة منافذ آنها كنترل شده است گفته می‌شود. در جداسازی غشایی یك جریان مماسی و یا عرضی مورد برسی و عملیات واقع می‌شود. مثلاً جریان ورودی به طور موازی از سطح غشاء عبور می‌كند كه نحوة نفوذ به داخل غشاء جریانی عمودی دارد لذا فیلتراسیون باید در یك سیستم بسته انجام شود.
به این ترتیب فرآیند جداسازی غشایی برمبنای نفوذ انتخابی یك یا چند جزء از اجزاء مخلوط مایع به درون غشا و عبور از آن استوار می‌باشد و غشاها می‌توانند در فرآیندهای تغلیظ و یا جزء به جزء كردن برای تولید دو جریان مایع با خصوصیات متفاوت مورد استفاده قرار گیرند. از ویژگیهای منحصر به فرد فیلتراسیون غشایی خاصیت جداسازی بدون تغییر فاز آنها می‌باشد، گرچه ممكن است مكانیزمهای انتقال جرم برای فرآیندهای مختلف و یا حتی برای غشاهای مختلف و یا شرایط هیدرولیكی دستگاههای مختلف مورد استفاده متفاوت باشد ولی این ویژگی در همة انواع فیلتراسیون‌ها مشاهده می‌شود.
وقتی كلمة فیلتراسیون غشایی را عنوان می‌كنیم احتمالاً این سئوال به ذهن مخاطبین خطور خواهد كرد كه مرز بین فیلتراسیون غشایی و فیلتراسیونهای رایج در چیست و یا دقیق تر مرز بین هر یك از فیلتراسیونهای غشایی در كجاست؟ در واقع این سئوال مشابه این است كه بپرسیم مرز بین بیابان و زمین زراعی در كجاست؟ تفاوت این دو آشكار است، اما بیان كردن این تفاوت تا حدودی بی قاعده و اختیاری است. اگرچه جستجوی دقیق در این حیطه ما را از منظور اصلی باز می‌دارد ولی بیانی شماتیك از آن می‌تواند به عنوان راهنمایی سریع و مناسب برای تشخیص اینكه در هر مورد متناسب با شرایط كدام را انتخاب كنیم، مورد استفاده قرار گیرد. اصولاً خریداران علاقه‌ای به دانستن این محدوده‌ها ندارند بلكه برای آنها كاری كه هر كدام انجام می‌دهد مهم و مورد توجه است. بنابراین هدف از طبقه‌بندی غشاها مشخص كردن قابلیت‌های كاربردی هر یك می‌باشد.
تكنولوژی غشایی، عموماً به عنوان راهنمایی برای جداسازی ذرات زیرمیكرونی مورد توجه واقع می‌شود. انتخابها از عكس العمل مابین غشا و محیط اطراف ناشی می‌شود و اصولاً دو فاكتور اساسی با انتخاب در ارتباط است یكی جدا شدن مولكولها و یا ذرات در بین غشاء و فاز اطراف و دیگری میزان انتشار مواد در غشاء و این موضوع فرآوردة ناشی از این دو فاكتور را غیرمنحصر به فرد می‌كند.
یكی از روشهایی كه در بسیاری از فرآیندهای غشایی معمول است (البته نه در همه) جریان متقاطع است. كه این نوع جریان شامل عبور دادن مماسی مایع از بین سطح غشاء می‌باشد. فایدة این روش این است كه ذرات و یا مواد حل شدنی در دو رویه ایجاد می‌شوند. نتیجة روش جریان متقاطع این است كه جریان عبوری از غشاء در عملیات متناوب به حالت پایدار برسد در حالی كه در فیلتراسیونهای رایج جریان پیوسته كاهش می‌یابد. لذا اگر ریت های بالاتری مورد نظر باشد جریان متقاطع بالاتری مورد نیاز است.
اما در كنار این فایدة روش جریان متقاطع، باید تاوان انرژی لازم برای حركت دادن جریان از بین سطوح را نیز پرداخت كنیم اما این هزینه در مقابل هزینه لازم برای هل دادن جریان به سوی فیلتر در روش بسته جریان كوچك می‌باشد. یك فاكتور كلیدی در اینجا، نسبت جریان متقاطع به جریان عبوری است. عجیب نیست اگر این نسبت به عنوان جنبه‌ای كلیدی برای كنار گذاشتن طراحی المانهای غشایی و برگزیدن حالتهای عملیاتی سابق مورد توجه قرار گیرد. نتیجة دیگر جریان متقاطع این است كه این سیستم اصولاً برای عبور بخش اندكی از خوراك طراحی شده است.
بنابراین در آینده باید در طرحهای غشایی، طراحی سیستمی برای از بین بردن این كاهش، مورد توجه قرار گیرد. در چند سال اخیر مرز بین فیلتراسیون غشایی و فیلتراسیونهای مرسوم با رشد فرآیندهای هیبرید، متبلور شده است. در این فرآیندها ابتدا برخی مواد در سطح غشا ساخته می‌شود و سپس با عبور آب و یا هوا از پشت غشا، خارج خواهند شد. و با تكرار متناوب این عمل ( min circulating 15 ) می‌توان جریان معقولی از میان غشا ایجاد كرد. به این ترتیب از اثر مواد مزاحم بر روی سطح كاسته می‌شود و غشاء همچنان به عنوان فاكتور كنترلی باقی می‌ماند.. به این دلیل که گونه های مختلفی از میان غشاء با سرعتهای مختلف عبور می کنند غشاء برای بسیاری از فرآیندهای جداسازی مورد استفاده قرار می گیرد.اساس کار به این صورت می باشد که مخلوطی از اجزای گوناگون را به عنوان خوراك واردمی‌كند و این اجزا به دلیل پتانسیل‌های مختلف با نرخ های متفاوت عبور می‌كنند و از توده‌ای به توده دیگر می‌روند. شار گذرنده از غشاء برای هر جزء به ازای واحد نیروی رانشی با نفوذپذیری آن متناسب است.
طبقه‌بندی غشاء

از دیدگاههای مختلف می‌توان غشاء ها را تقسیم‌بندی كرد.
الف) طبیعت غشاء: از نظر طبیعت غشاها، می‌توان آنها را به دو بخش تقسیم كرد:
1ـ غشاهای طبیعی
2ـ غشاهای سنتزی
غشاهای طبیعی غشاهایی هستند كه در طبیعت وجود دارند؛ مانند سلول بدن موجودات زنده.
غشاهای سنتزی به روشهای مصنوعی ساخته می‌شوند. این غشاها به دو گروه تقسیم می‌شوند:
گروه اول غشاهای آلی هستند كه معمولاً از پلیمرها ساخته می‌شوند (مثل PDMA و PVA/PAN) و به دو گروه تفكیك می‌شوند: گروه اول را غشاهای متخلخل و گروه دوم را غشاهای غیرمتخلخل می‌نامند. غشاهای غیرمتخلخل برای جداسازی گاز ـ مایع و جداسازی گاز ـ گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
گروه دوم غشاهای معدنی (مثل زئولیت یا سیلیكای بی شكل) که به 4 گروه عمده تقسیم می‌شوند:
· 1 ـ غشاهای سرامیكی
· 2 ـ غشاهای فلزی
· 3 ـ غشاهای زئولیت
· 4 ـ غشاهای شیشه‌ای
ویژگی مهم غشاهای معدنی پایداری شیمایی و حرارتی بیشتر نسبت به غشاهای آلی است. غشاهای فلزی
از پودر فلزاتی مانند تنگستن، مولیبدن، فولاد ضد زنگ و … ساخته می‌شوند. غشاهای سرامیكی تركیبی از یك فلز با یك غیرفلز است. این فلز می‌تواند آلومینیوم، تیتانیوم، سیلیسیوم و زیركونیوم و … باشد. غیرفلز نیز می‌تواند اكسیژن، نیتروژن، كربن و … باشد، یعنی غشاهای سرامیكی اكسید، نیترید یا كربید یك فلز هستند. از دیگر مزایای غشاهای معدنی می‌توان به تحمل فشارهای عملیاتی بالا، طول عمر زیاد، سهولت تمیز كردن و مقاومت مكانیكی بالا اشاره كرد.
ب) ساختار غشاء: بر این اساس غشاها به دو دسته متخلخل (Porous Membrane) و غشاهای غیرمتخلخل (Nonporous Membrane) تفكیك می‌شوند. غشاهای سوراخدار غشاهایی هستند با سوراخ‌های ثابت كه برای فرآیند میكروفیلتراسیون قطر سوراخ‌های آنها بین mm 10-1/0 و برای اولترافیلتراسیون بین nm100-2 می‌باشند.
گزینش‌پذیری این غشاها غالباً براساس ابعاد سوراخها بیان می‌شود؛ اما انتخاب مواد سازنده غشاء به عوامل دیگری هم بستگی دارد كه از جمله این عوامل می‌توان به جذب، استحكام شیمیایی و سهولت تمیز كردن غشاء اشاره كرد. بنابراین انتخاب مواد پلیمری علاوه بر این كه به شار عبوری از غشاء و گزینش پذیری بستگی دارد به خواص شیمیایی و حرارتی ماده هم وابسته است. در برخی فرآیندهای جداسازی مانند میكروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون مشكلی كه روی می‌دهد گرفتگی غشاء است.
كاربرد غشاهای بدون سوراخ (Non porous) در فرآیندهای جداسازی گازی و تراوش تبخیری (pervaporation) می‌باشد. برای چنین فرآیندهایی از كامپوزیت‌ها و غشاهای نامتقارن هم استفاده میشود
ویژگی غشاهای بدون سوراخ این است كه نفوذپذیری و گزینش‌پذیری از خواص ذاتی آنهاست و روال كار در این نوع غشاها بدین صورت است كه مواد در غشاء حل می‌شوند؛ سپس نفوذ می‌كنند. برخلاف غشاهای سوراخدار كه مواد بدون حل شدن و براساس خواص فیزیكی و شیمیایی مولكولها از یكدیگر جدا می‌شوند. برای ساخت این غشاها دامنه وسیعی از پلیمرها وجود دارد و می‌توان از پلیمرهای لاستیكی تا پلیمرهای شیشه‌ای گزینش كرد.
ج) ساختمان: تقسیم‌بندی دیگر غشاها براساس ساختمان غشاها صورت می‌گیرد. این تقسیم‌بندی از این جهت دارای اهمیت است كه ساختمان غشاء، مكانیسم جداسازی و كاربرد غشاء را تعیین می‌كند. بر این اساس غشاها به دو گروه متقارن (Symmetric) و غشاهای غیرمتقارن (Asymmetric) تقسیم‌بندی می‌كنند.

ضخامت این غشاها چه متخلخل و چه غیرمتخلخل در دامنه mm 200-10 قرار دارد. مقاومت انتقال جرم در اثر ضخامت كل غشاء به وجود می‌آید، هر چه ضخامت كمتر باشد نرخ نفوذپذیری بیشتر می‌شود. غشاهای نامتقارن دو لایه دارند: یكی فوقانی است كه ضخامتی در حدود mm 5/0-1/0 دارد و این لایه بر
روی لایه‌ای دیگر به ضخامت mm 150-50 كه لایه تحتانی خوانده می‌شود، نصب می‌گردد.
دسته بندی دیگر غشاها و فیلترها، غشاهای عمقی و سطحی می‌باشند، در غشاهای عمقی فیلتراسیون در عمق ماده انجام می‌شود. غشاهای عمقی یك رشته از فیبرها هستند كه به طور اتفاقی به هم گره خورده‌‌اند. جنس متداول آنها كتان، فایبرگلاس و آزبست می‌باشد. ذرات حل نشدنی و كلوئیدی یا در قالب غشاء گیر می‌افتند و یا اینكه جذب آن می‌گردند. ذراتی با اندازه بزرگتر از mm 01/0 از این فیلترها عبور نمی‌كنند. فیلترهای سطحی به گونه‌ای عمل می‌كنند كه اجزا را در سطح خود نگه می‌دارند و كارشان شبیه به غربال می‌باشد. ساختار آنها بیشتر سخت، یكنواخت و پیوسته است با اندازه منافذی كه به دقت توسط سازنده كنترل می‌شود. فایده دیگر غشاهای سطحی این است كه اجزا در عمق غشاء گم نمی‌شوند و بازیافت اجزای عبور كرده ممكن می‌باشد و این خاصیت در بعضی مواقع اهمیت زیادی دارد.
غشاها از نظر عملكرد به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند: غشاهای هیدروفیلیك و غشاهای هیدروفوبیك.
غشاهای هیدروفیلیك: پلیمرهایی كه قابلیت جذب بسیار بالای آب را دارند، پلیمرهای هیدروفیلیك نامیده می‌شوند كه این خاصیت هیدروفیلیكی به گروههای موجود در زنجیر پلیمر بر می‌گردد كه قادرند بر مولكولهای آب اثر بگذارند، آب در غشاهایی كه با این پلیمرها ساخته شده‌اند بهتر نفوذ می‌كند و این غشاها بهترین كاندید برای مصارف آب زدایی می‌باشند. پلیمرهای یونی، پلی وینیل الكل، پلی اكریلید اسید و پلی وینیل پیرولیدین نمونه‌هایی از آن می‌باشند.
غشاهای هیدروفیلیك قابلیت بسیار زیادی برای متورم شدن دارند. متورم شدن پلیمرها باعث كاهش گزینش‌پذیری آنها نسبت به حالت خاص می‌گردد. و در غشاهای متورم قابلیت نفوذ به حلالیت تركیبات آلی افزایش می‌یابد.
غشاهای هیدروفوبیك: پلیمرهایی كه دافع آب می‌باشند هیدروفوبیك نامیده می‌شوند كه پلی‌اتیلن، پلی پروپیلن، پلی وینیلیدین فلوراید و پلی تترافلئورواتیلن و … نمونه‌هایی از آن می‌باشند. نكته مثبت این غشاها این است كه پلیمرهای هیدروفوبیك مقاومت حرارتی و شیمیایی بالایی دارند و به این دلیل به عنوان یك ماده پایه انتخاب می‌شوند و سعی می‌شود كه خاصیت جداسازی آن به وسیله اصلاحات شیمیایی بالا برود.
برای ایجاد تعادل بین خاصیت هیدروفوبیكی و هیدروفیلیكی و به دست آوردن قابلیت انتخاب بالا، تكنیك‌های كوپلیمریزاسیون استفاده گسترده‌ای یافته است.
فیلترهای عمقی در مقابل فیلترهای غربالی

فیلترها از انواع مختلف مواد و با روشهای مختلف ساخته می‌شوند. اما تمام آنها را می‌توان به دو گروه اصلی دسته‌بندی كرد: فیلترهای عمقی و فیلترهای غربالی. فیلترهای عمقی نام خود از این واقعیت گرفته‌اند كه فیلتراسیون در این فیلترها درون عمق فیلتر اتفاق می‌افتد. فیلترهای عمقی از بافتی از الیاف درهم یا دانه‌هایی تشكیل شده است كه جهت ساختن كانالهای جریان پرپیچ و خم به هم متصل شده‌اند. مواد مرسوم سازنده این فیلترها بیشتر كتان، پشم شیشته، آزبست، فلز كلوخه شده و خاك دیاتومه می‌باشد. ذرات غیرمحلول یا به طور طبیعی كلوئیدی، بوسیله گیر افتادن یا جذب در بافت فیلتر، از سیال حامل جدا می‌گردند. با بكارگیری روشهای مختلف می‌توان ذرات در حد 01/0 میكرون را بوسیله این فیلترها از محلول جدا كرد. اغلب، مواد سازنده این فیلتر در چند مرحله به دنبال هم قرار داده می‌شود. و خوراك از وجه دارای بافت گسسته‌تر وارد می‌شود. فیلترهای عمقی در روش فیلتراسیون بن بستی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در نقطه مقابل، فیلتر غربالی مواد داخل محلول را بوسیله نگهداشتن ذرات در روی سطح خود جدا می‌نماید، این كار دقیقاً مثل روش غربال كردن انجام می‌گردد. این ساختار معمولاً بسیار سخت یكنواخت و پیوسته بوده و قطر روزنه‌های آن در هنگام ساخت به طور دقیق كنترل شده است. فیلترهای غشایی در داخل این دسته قرار می‌گیرند.

این فیلترها برخلاف فیلترهای عمقی فیلترهای غیرقابل انعطافی بوده و رشد میكروارگانیسم‌ها در آنها معمولاً مشكل ساز نیست. چرا كه در فیلترهای غربالی دارای روزنه‌هایی با قطر مشخص و یك درجه‌بندی دقیق و مشخص وجود دارد. یكی از مزیتهای دیگر فیلتر غربالی در این است كه ذرات جدا شده در عمق گم نمی‌شوند و لذا بیشترین بازیافت این مواد امكان‌پذیر خواهد شد، كه اگر هدف بالا بردن بازیافت باشد (به طور مثال كشت سلول‌های میكروبی) این مسئله اهمیت زیادی پیدا می‌كند.


غشاهای ریز روزنه در مقابل نامتقارن

فیلترهای غربالی را می‌توان برحسب ساختار آنها به ریزروزنه و نامتقارن (یا پوستی) تقسیم‌بندی نمود. غشا‌های زیرروزنه اغلب به دو دسته ایزوتروپیك (كه در آنها روزنه‌ها در طول بدنه غشاء اندازه یكنواختی را دارند) و غیر ایزوتروپیك (كه در آنها اندازه روزنه‌ها در سطوح مختلف غشاء متفاوت است) تقسیم‌بندی می‌گردد.
ذراتی كه اندازه آنها با اندازه منافذ غشاء یكسان باشد ممكن است تا حدودی در این منافذ نفوذ كرده و آنها را مسدود كنند. منافذ بزرگتر، توزیع جریان بزرگتری را از خود عبور خواهند داد و احتمالاً قبل از همه مسدود خواهند شد. اگر مقدار زیادی از سوراخ‌ها گرفته شود، غشاء به صورت برگشت‌ناپذیری مسدود خواهد شد. شكل به صورت شماتیك یك فیلتر غشایی از نوع ریزروزنه را نشان می‌دهد.
شکل (2-7) شماتیک ساختار غشاءهای ریز روزنه (در مقیاس واقعی ضخامت غشاءصدها برابر قطر روزنه است)


غشا‌های ریزروزنه برای حذف كلیة ذرات بزرگتر از درجه بندی تعریف شدة این فیلتر استفاده می‌شود. ساختار یكنواخت روزنه‌ها، موجب می‌گردد كه ذراتی كه به طور تقریبی هم اندازه روزنه‌ها هستند به صورت نسبی درون آنها رسوخ كرده و لذا روزنه‌ها مسدود گردند. این نوع غشاء در دامنة روزنه‌های
اولترا فیلتراسیون (nm10-1) چندان موفق نبوده و علاوه بر پایین بودن فلاكس خروجی، گرفتگی در آنها
به سرعت انجام می‌گیرد. از سوی دیگر مشخصه اصلی غشاءهای نامتقارن، وجود پوستی نازك بر بدنه غشاء است. همانطور كه در شكل دیده می‌شود، لایه‌های زیر این پوست كه به عنوان محافظ این لایه پوستی عمل می‌كند، ممكن است از فضاهای خالی زیادی تشكیل شده باشد. لذا دفاع فقط در سطح غشاء اتفاق افتاده و بخاطر این ساختار منحصر به فرد ماكرومولكولهای بزرگتر از وزن مولكولی برش (MWCO)
وارد بدنة غشاء نشده و لذا غشاءهای نامتقارن برخلاف غشاءهای ریزروزنه به ندرت مسدود می‌شوند. به هر حال مانند دیگر فیلترها در این نوع غشاء نیز پدیده‌های كاهندة فلاكس، مثل گرفتگی و پلاریزاسیون غلظت اتفاق می‌افتد. بیشتر غشاءهای اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معكوس(RO) از نوع غشاءهای نامتقارن است. اختلاف اصلی دیگر بین غشاءهای ریزورزنه و نامتقارن در تعریف
محدودة بازدارش آنهاست در غشاءهای ریزروزنه درجه‌بندی مطلق به صورت ماكزیمم قطر روزنه هم ارز بیان می‌شود و این نوع غشاء تمام ذرات بزرگتر از این درجه‌بندی را نگه می‌دارد. اما درغشاءهای نامتقارن درجه‌بندی به صورت ظاهری است، كه نشان دهنده این است كه غشاء درصد مشخصی از محلول خوراك دارای این وزن مولكولی مشخص را دفع می‌كند.

2-5- انواع فرآیندهای غشایی

جدول (2-1) نشان دهندة مشخصات فرآیندهای غشایی مرسوم است.

2-5-1- تعریف اصلی ترین انواع فرآیندهای غشایی

امروزه جداسازی توسط غشاء در محدوده های زیر اتفاق می افتد كه به طور عمده با توجه به اندازه حفره
های غشاء به چهار دسته زیر تقسیم می گردند.
1) میكروفیلتراسیون (MF) Micro filtration
2) اولترافیلتراسیون (UF) Ultra filtration
3) نانوفیلتراسیون (NF) Nano filtration
4) اسمز معكوس (RO) Reverse osmosis
با توجه به اینكه مواد مختلف حل شده در یك محلول دارای اندازه های متفاوتی است، بنابراین می توان برای حذف یك یا چند ماده به طور خاص یكی از روشهای فوق را استفاده نمود.
1) میكروفیلتراسیون:
این روش برای جداسازی ذرات 2/0 الی 20 میكرون به كار می رود. در این روش معمولاً مواد معلق كلوئیدی جدا می شود و مواد حل شده و ذرات ماكرو مولكول عبور می كند. از این روش برای جداسازی باكتریها مواد معلق و مواد پلیمری استفاده می شود.
2) اولترافیلتراسیون:
از این نوع غشاء برای جداسازی ماكرو مولكولهایی با اندازه بین 20 تا 1000 انگستروم به كار می رود. تمام نمكهای حل شده و مولكولهای كوچكتر از این محدوده عبور می كنند. در این روش كلوئیدها، پروتئین ها، مواد میكروبی بیماری زا و مولكول های آلی بزرگ كه وزن مولكولی آن بین 1000 تا 100000 است به كار گرفته می شود.
3) نانوفیلتراسیون
از این غشاء جهت حذف مواد و ذرات بزرگتر از 10 انگستروم استفاده می شود. در واقع از این روش برای جدا سازی مولكولهای آلی با وزن مولكولی متوسط و همچنین آنیونها و كاتیونهای دو ظرفیتی و بیشتر استفاده می شود. نمكهایی كه آنیونهای تك ظرفیتی دارند مانند NaCl , CaCl2 كمتر گرفته می شوند، ولی آنیونهایی كه دو ظرفیتی باشند، مانند منیزیم سولفات حتی تا 90 درصد گرفته
می شود. این روش برای رنگ زدایی، حذف سختی و كاهش املاح محلول آب و یا برای جدا كردن مواد آلی از مواد غیر آلی در مواد غذایی و فاضلاب استفاده می شود. امروزه یكی از كاربردهای وسیع این نوع غشاء در تصفیه خانه های فاضلاب شهری و صنعتی و كارخانه های مواد لبنی بخصوص برای جداسازی مواد مغزی باقیمانده در آب ….. استفاده می شود.
4) اسمز معكوس
اسمز عبارت است از عبور حلال داخل یك غشاء نیمه تراوا از طرف محلول رقیق به سمت محلول غلیظ. در این پدیده نیروی محرك، اختلاف پتانسیل شیمیایی آب بین دو طرف غشاء می‌باشد. دریك غشاء نیمه تراوا فقط آب از درون غشاء تراوش می‌نماید.
از این نوع غشاء برای جدا سازی املاح با وزن مولكولی پائین از حلال ها و به طور خاص از حلال آب استفاده می شود. املاح زدائی از آبهای شور با استفاده از این روش بیشتر از 99 درصد می باشد. به همین دلیل جهت شیرین سازی آب دریا و آبهای دیگر از این روش استفاده می شود. در شكل (2-11) فرآیند R.O بصورت ساده نشان داده شده است.همان طور كه از شكل پیداست ابتدا محلول (مثلاً آب دریا) با استفاده از یك سیستم تأمین كننده فشار (پمپ) فشار را تا حد مورد نیاز بالا برده و به داخل غشاء كه درون محفظه ای قرار گرفته وارد می شود.
در انتهای محفظه محلول غلیظ شده در یك طرف و حلال جدا شده به طرفی هدایت می گردد كه در
شیرین كردن آب دریا حلال جدا شده آب و آب خروجی دارای املاح بیشتری است كه به عنوان پساب دفع می شود. از R.O. در كارهای مختلفی مانند نمك زدایی از آب دریا یا آب شور، بازیافت پساب فرآیندهای مواد غذایی و نوشابه، كارخانجات دارویی و تصفیه خانه های فاضلاب و … استفاده می شود. از
R.O. برای تولید آبهای خیلی خالص جهت صنایع رساناها و یا نیروگاهها و كاخانجات مواد بهداشتی دارویی نیز استفاده می شود. با توجه به بالا رفتن تكنولوژی ساخت غشاء و افزایش كارائی آن، امروزه بصورت سیستم های اولیه جهت حذف املاح در آب های نیروگاهی، صنعتی و … استفاده می شود.

تفاوت‌های زیادی را می‌توان بین این سه نوع دسته‌بندی ملاحظه كرد. از جمله می‌توان به مقدار فشار به كار گرفته، سرعت پساب‌دهی (Rate of permeation) و مكانیسم جداسازی اشاره نمود.این تفاوت‌ها در جدول 2 نشان داده شده است كه بیانگر سختی یا سهولت هر فرآیند توانایی‌ها و محدودیت‌های آنها می‌باشد.
فرآیندهای غشایی مرسوم میكروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون و اسمز معكوس (هایپرفیلتراسیون) ـ در كاربرد فشار هیدرولیك برای سرعت دادن فرآیند جداسازی تفاوت می‌كنند. البته طبیعت خود غشاء نیز تعیین كننده این است كه چه تركیباتی عبور كرده و چه تركیباتی گرفته می‌شوند. اسمز معكوس تمام مواد بجز حلال (مثل آب) را می‌گیرد در حالی كه اولترافیلتراسیون تنها ماكرومولكولها یا ذرات بزرگتر از 001/0- 02/0 میكرومتر را می‌گیرد. میكروفیلتراسیون ذرات سوسپانسیونی در ابعاد 1/0 تا 5 میكرون را جدا می‌كنند. ذرات بزرگتر از 10-5 میكرون نیز بهتر است بوسیله فیلترهای مرسوم جدا شوند. لذا اسمز معكوس یك روش حذف آب ولی اولترافیلتراسیون روشی جهت خالص سازی دوطرفه، تغلیظ و جدا كردن اجزای محلول است.
نانوفیلتراسیون نسبتاً یك فرآیند جدید است كه از غشاهای باردار با روزنه‌های بزرگتر از غشاهای RO استفاده می‌كند. اما تا اندازه‌ای كوچك كه اجازه عبور تركیبات آلی زیادی مثل شكرها را می‌دهد. این غشاها خاصیت مفید دیگری نیز دارند كه با استفاده از آن می‌توانند شكلهای تجزیه شدة یك تركیب را از شكل اولیه آن جدا كرد، به طور مثال، اسیدهای آلی مانند لاكتیك، سیتریك و استیك در pH پایین به راحتی از این غشاء عبور می‌كنند، اما در pH های بالاتر و در حالت نمك توسط غشاء جدا می‌شوند.
همانطور كه در شكل (2-12) نشان داده شده است، تكنولوژی غشایی چیزی نیست جز پمپ كردن محلول خوراك، تحت فشار بر سطح غشایی با طبیعت شیمیایی و وضعیت فیزیكی خاص. جریان باقی مانده درپشت غشاء از این به بعد تحت عنوان “ته مانده” یا “غلیظ شده” و قسمتی از خوراك كه از غشاء عبور می‌كند “تراویده” نامیده می‌شود. وسایل فیلتراسیون به دو صورت بن‌بستی یا جریان متقاطع عمل می‌نمایند. برخی از وسایل MF مثل كارتریج‌های صفحه‌ای در حالت بن‌بستی كار می‌كنند، كه در آنها خوراك مستقیماً به طرف فیلتر پمپ می‌شود. در این حالت یك جریان به فیلتر وارد شده و فقط جریانِ تراویده ماجول فیلتر را ترك می‌كند. البته بیشتر واحدهای MF و UF در حالت جریان متقاطع كار می‌كنند كه در این نوع عملیات خوراك مماس با سطح غشاء پمپ شده و بدین ترتیب دو جریان از آن خارج می‌‌شود (تراویده و ته مانده). اگر غلظت خوراك بالا بوده و یا اگر بازیابی مواد حل شده مورد نظر باشد، با توجه به اینكه جریان متقاطع تجمع این مواد را بر سطح غشاء كاهش می‌دهد، در اینگونه موارد این روش مناسب‌تر است (این برتری در شكل به صورت تشكیل كیك نشان داده شده است). در چنین جریانی مواد جامد درون یك سوسپانسیون باقی مانده و باعث می‌شود میزان كیك تشكیل شده بر سطح غشاء كمتر بوده و لذا به علت كمتر شدن مقاومت، فلاكس متوسط عبوری در حین عملیات بزرگتر خواهد بود. در فیلتراسیون متقاطع، جریان خروجی نسبت به جریان ورودی افت فشار دارد لذا فشار در طرف خوراك PF به صورت زیر نشان داده می‌شود: كه در آن P1 فشار ورودی به ماژول غشاء و P2 فشار خروجی است. از مزیتهای فرآیندهای غشایی در مقابل فرآیندهای آبگیریِ مرسوم (مثل سیستمهای تبخیركننده) می‌توان كاهش مصرف و هزینه انرژی، عدم نیاز به سیستمهای حرارتی و كندانسورها، عدم بوجود آوردن آلودگی‌های حرارتی، انجام فرآیند در دمای محیط و موارد بسیار زیاد دیگری را نام برد. علیرغم مزیتهای عمده، این فرآیند دارای محدودیتهایی نیز در مقابل فرآیندهای متناظر جداسازی می‌باشد. در حقیقت فرآیندهای غشایی در غلظتهای بالا كاملاً محدود می‌شوند. در RO فشار اسمزی مواد حل شده فرآیند را محدود می‌كند. در UF و MF نیز اگرچه به ندرت فشار اسمزی ماكرومولكولها وجود دارد، ولی انتقال جرم به علت غلیظ شدن ماكرومولكولها ناچیز شده و بالا رفتن ویسكوزیته مشكلات پمپ كردن را بوجود می‌آورند. مشكلات دیگری نیز مثل گرفتگی غشاء و شستشو پذیری ضعیف مانع پیشرفت سریع كاربردهای اخیر غشاء شده است. غشاءهای معمولاً برحسب اندازه تركیبات جدا شده از محلول طبقه‌بندی می‌شوند اما در غشاهای اولترافیلتراسیون مرسوم است كه آنها را بوسیله ذكر دامنه اندازه ذرات و برحسب وزن مولكولی برتس (MWCO) درجه‌بندی می‌كنند. بر این اساس وزن مولكولی برش (MWCO) در اولترافیلتراسیون از 1000 تا 1000000 دالتون (هر گرم مول یا دالتون است) را پوشش می‌دهد.
2-6- ماژول و انواع آن

كوچكترین واحدی كه با سطح غشایی پر شده و موجود است را ماژول می‌نامند. بخش مركزی در عملیات نصب غشاء همین واحد است. ساده‌ترین شكل آن در ذیل آمده است:
ermeate




جریان خوراك از مكان مشخصی با شدت جریان مشخصی وارد می‌شود. دو عامل تركیب خوراك و شدت جریان درون غشاء تابعی از ضخامت غشاء می‌باشند. جریان خوراك با عبور از غشاء به دو جریان تقسیم می‌شود: جریانی را كه از غشاء می‌گذرد جریان نفوذ كرده و جریانی را كه در غشاء باقی می‌ماند جریان باقیمانده می‌نامند.
ماژولها از نظر شكل به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند:
· 1 ـ صفحه‌ای
· 2 ـ لوله‌ای
ماژولهای صفحه‌ای به دو بخش تقسیم می‌شوند:
· 1 ـ قاب و صفحه‌ای (Flat and plate)
· 2 ـ مارپیچی یا حلزونی (Spiral)
ماژولهای لوله‌ای هم به سه دسته تقسیم می‌شوند:
· 1 ـ تیوبی
· 2 ـ كاپیلاری
· 3 ـ فیبرهای تو خالی (Hollow Fiber)
تفاوت این ماژولها در ابعاد آنها هست كه قطر كاپیلاری mm10-5/0 و تیوبی بیشتر ازmm 10 و فیبرهای توخالی كمتر ازmm 5/0 می‌باشد.
در هر سیستم مجموعه‌ای از ماژولها به كار می‌رود. هر كاربرد صنعتی طراحی ویژه خود را نیازمند است. انتخاب شكل ماژولها و چیدن آنها در یك سیستم منحصراً برپایه ملاحظات اقتصادی و پارامترهای صحیح مهندسی برای رسیدن به هدف خاص صورت می‌گیرد. برخی از مهمترین پارامترها عبارتند از: سهولت كار كردن، سهولت تمیز كردن، سهولت نگهداری، تراكم سیستم و امكان تعویض غشاء.





سارا
یکشنبه 1 اردیبهشت 1392 06:16 ب.ظ
عالی
استفاده کردم
مرسی
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
نظرات پس از تایید نشان داده خواهند شد.