تقدیر وتشکر
درابتدا از استاد گرانمایه وفرزانه، که بنده را در انجام این پروژه یاری نموده تشکر و قدردانی می نمایم.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده………………………………………………………………………………………………………………………………. 7
فصل اول:مقدمه ای بر فرآورش گاز طبیعی………………………………………………………………………………. 8
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………. 8
1-1 ترکیبات گاز طبیعی……………………………………………………………………………………………………… 9
1-2 نفکیک گاز ونفت ………………………………………………………………………………………………………. 10
1-2-1 گاز همراه با نفت ……………………………………………………………………………………………………. 10
1-2-2 گاز محلول در نفت …………………………………………………………………………………………………. 11
1-3 فرآورش گاز طبیعی ……………………………………………………………………………………………………. 11
1-4 تفکیک مایعات گازی………………………………………………………………………………………………….. 12
1-4-1 اتان ……………………………………………………………………………………………………………………… 12
1-4-2 گاز مایع ……………………………………………………………………………………………………………….. 13
1-4-3 میعانات گازی ……………………………………………………………………………………………………….. 13
فصل دوم: جداسازی وانواع روش های آن…………………………………………………………………………….. 16
مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………… 16
2-1 جداسازی…………………………………………………………………………………………………………………. 17
2-2 هدف از جداسازی…………………………………………………………………………………………………….. 17
2-3 روش های جداسازی شیمیایی……………………………………………………………………………………… 17
2-3-1 استخراج………………………………………………………………………………………………………………. 18
عنوان صفحه
2-3-2 تقطیر…………………………………………………………………………………………………………………… 19
2-3-2-1 انواع تقطیر……………………………………………………………………………………………………….. 19
2-3-3 کروماتوگرافی……………………………………………………………………………………………………… 26
2-3-3-1 روش های کروماتوگرافی…………………………………………………………………………………… 27
2-3-3-2 انواع روش های کروماتوگرافی…………………………………………………………………………… 27
2-3-3-3 مزیت روش های کروماتوگرافی…………………………………………………………………………. 28
2-3-3-4 انتخاب بهترین روش کروماتوگرافی……………………………………………………………………. 29
2-3-4 رسوب دادن……………………………………………………………………………………………………….. 29
2-3-5 فرآیند های غشایی………………………………………………………………………………………………. 31
فصل سوم:غشا وروش های جداسازی غشایی………………………………………………………………………. 32
مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………. 32
3-1 غشا………………………………………………………………………………………………………………………. 33
3-2 خواص غشا……………………………………………………………………………………………………………. 34
3-3 تقسیم بندی غشاها…………………………………………………………………………………………………… 34
3-3-1 تقسیم بندی براساس مکانیسم حاکم برجداسازی……………………………………………………….. 34
3-3-2 تقسیم بندی بر اساس جنس غشا…………………………………………………………………………….. 34
3-3-3 تقسیم بندی براساس شکل هندسی غشا……………………………………………………………………. 39
3-3-4 تقسیم بندی براساس ساختار غشا……………………………………………………………………………. 41
3-4 فرآیند های غشایی………………………………………………………………………………………………….. 42
3-4-1 میکروفیلتراسیون…………………………………………………………………………………………………. 43
عنوان صفحه
3-4-2 اولترافیلتراسیون…………………………………………………………………………………………………….. 43
3-4-3 نانوفیلتراسیون………………………………………………………………………………………………………. 45
3-4-4 اسمز معکوس………………………………………………………………………………………………………. 46
3-4-5 الکترودیالیز…………………………………………………………………………………………………………. 47
3-4-6 جداسازی گازی…………………………………………………………………………………………………… 48
3-4-7 تراوش تبخیری…………………………………………………………………………………………………….. 49
3-5-1 روش های ساخت غشا………………………………………………………………………………………….. 51
3-5-2 تجهیزات لازم بررسی ساختاروعملکرد غشا………………………………………………………………. 51
3-6 کاربرد های غشا………………………………………………………………………………………………………. 52
3-7 مزیت های روش های جداسازی غشایی………………………………………………………………………. 53
3-8 معایب روش های جداسازی غشایی…………………………………………………………………………….. 54
فصل چهارم: روش های جداسازی میعانات گازی………………………………………………………………… 55
مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………… 55
4-1 مقدمه ای بر روش های جداسازی میعانات گازی…………………………………………………………… 56
4-1-1 روش اول…………………………………………………………………………………………………………… 56
4-1-2 روش دوم:جداسازی به کمک slug catcher ……………………………………………………… 57
4-1-3 روش سوم:جداسازی توسط غشا ……………………………………………………………………………. 57
4-1-3-1 مکانیسم جداسازی میعانات گازی با غشا………………………………………………………………. 60
نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………… 62
مراجع………………………………………………………………………………………………………………………….. 63
چکیده
امروزه غشاها جایگاه ویژه ای در صنایع مختلف پیدا کرده اند وکاربرد های وسیعی در زمینه های گوناگون جداسازی اعم از محلول های مایع و گازهای مختلف یافته اند که از جمله می توان به کاربرد در صنایع غذایی،صنایع شیمیایی وپالایشگاهی برای جداسازی گازها،صنعت تصفیه آب وپساب برای حذف آلاینده های گوناگون وداروسازی برای تخلیص فرایندهای مختلف نام برد.سیستم های جداسازی غشایی به عنوان ابزاری با قابلیت بالا که توانایی جداسازی یک جز را به صورت گزینش پذیر دارند،مورد توجه محققین قرار گرفته است.این روش جداسازی در زمینه های مختلف مهندسی از جمله مهندسی شیمی کاربرد دارد.
در این مطالعه ابتدا مقدمه ای بر فرآورش گاز طبیعی آورده شده وپس ازبررسی روش های جداسازی در صنایع شیمیایی تقسیم بندی غشاها بر اساس معیار های مختلف آورده شده است.صنایع وکارخانه جات سرمایه گذاری خود را در فرایند های جداسازی بر روی غشاها متمرکز کرده اند تا معایب سایر روش ها مانند تقطیرویا استخراج را مرتفع سازند.در این تحقیق به بررسی فرآیند هایی مثل میکروفیلتراسیون،اولترافیلتراسیون،نانو فیلتراسیون،اسمز معکوس،الکترودیالیزوچندین فرآیند دیگر می پردازیم.دربخش آخر این تحقیق هم روش های جداسازی میعانات گازی از جمله جداسازی میعانات با غشا مورد بررسی قرار گرفته است.
فصل اول:مقدمه ای بر فرآورش گاز طبیعی
مقدمه
سوختهای فسیلی شامل نفت و گاز در عمق سه تا چهار کیلومتری اعماق زمین و در خلل و فرج لایه های آن و با فشار چند صد اتمسفر بصورت ذخیره می باشند. گازهای طبیعی زیرزمینی یا به تنهایی و یا به همراه نفت تشکیل کانسار (معدن) می دهند. که در هر دو صورت از نظر اقتصادی بسیار گرانبها می باشد. درصورت همراه بودن با نفت ،گازها در داخل نفت حل می شوند و عمدتاً نیز به همین صورت یافت می گردد و در این رابطه مولفه های فیزیکی مواد حرارت و فشار مخزن تاثیرات مستقیم دارند و نهایتا درصورت رسیدن به درجه اشباع تجزیه شده و به لحاظ وزن مخصوص کمتر در قسمت های فوقانی کانسار و بر روی نفت یا آب به شکل گنبدهای گازی (GAS DOME) قرار می گیرند.گاهی در مخازن گازهای محلول در آب نیز مشاهده شده است.
گاز متان در حرارت و فشار موجود درکانسارها متراکم نمی گردد بنابراین همیشه بصورت گاز باقی مانده ولی در مخازنی که تحت فشار بالا هستند بشکل محلول در نفت در می آید . سایر اجزای گاز طبیعی در مخازن نسبت به شرایط موجود در کانسار در فاز مایع یا فاز بخار یافت می شوند. گازهای محلول در نفت به مثابه انرژی و پتانسیل تولید مخزن بوده و حتی المقدور سعی می گردد به روشهایی از خروج آنها جلوگیری گردد ولی در هر حال بسیاری از گاز محلول در نفت در زمان استخراج همراه با نفت خارج می گردد .در سالهای پیش از انقلاب در صد بالایی از آن از طریق مشعل سوزانده می شد و به هدر می رفت ولی در سالهای بعد تا به حال به تدریج و با اجرای طرح هایی منجمله طرح آماک از آنها به عنوان تولیدات فرعی استحصالی از میادین نفت کشور به منظور تزریق به مخازن نفتی تولید مواد خام شیمیایی و سوختی با ارزش استفاده می کنند.
1-1 ترکیبات گاز طبیعی
گاز طبیعی موجود در مخازن هیدروکربنی زیرزمینی به دو حالت می تواند از زمین خارج شده و در دسترس انسان قرار گیرد :
1-1-1 اگر بیشترین ماده موجود در مخزن زیرزمینی ، گاز طبیعی باشد به آن "چاه مستقل گازی" میگویند. گاز طبیعی خام که از چاههای مستقل گازی استخراج می گردد و هنوز فرایندهای سرچاهی و پالایشی را طی نکرده است از مواد مختلفی تشکیل گردیده است. این مواد به طور عمده شامل هیدروکربن متان (CH4) به همراه گاز اتان (CH3) و هیدروکربن های دیگر به صورت سنگین و مایع مانند پروپان، بوتان و هیدروکربن های سنگین تر یا چکیده نفتی که "میعانات گازی" (GasCondensate) نامیده می شوند و حاوی "بنزین طبیعی" (Natural Gasoline) هستند و همچنین مقداری از ناخالصی های غیرهیدروکربنی شامل بخار آب (H2O) ، دی اکسید کربن (CO2) ، منواکسید کربن (CO) ، نیتروژن (N) ، سولفید هیدروژن (H2S) ، هلیوم (He) و گازهای دیگر می باشند که درصد هر کدام از این مواد در گاز طبیعی ، بستگی به نوع مخزن ، محل آن ، عمق مخزن و عوامل دیگر دارد. این چاهها به صورت معمول قادر به تولید در اندازه های تجاری بوده و محصول آنها به نام گاز غیر همراه (Non-Associated Gas) نیز شناخته میشود. گازهای طبیعی خام استخراج شده از چاههای مستقل گازی یا هیچ نفتی همراه خود ندارند و یا مقدار نفت همراه آنها بسیار ناچیز میباشد ؛ اما این گازها به دلیل اینکه از اعماق زمین به بالا آمده اند در طول مسیر بالا آمدن با خود مقداری شن و ماسه و آب شور را به همراه آورده اند. از اینرو ، قبل از ارسال این گازها به پالایشگاه ها ، جامدات همراه با آنها در محلهایی که به مجموعه تاسیسات سَرِچاهی شناخته می شوند، توسط دستگاه هایی به نام جدا کننده (Separator) از گازجدا میگردند. پس از این کار ، گاز طبیعی که جامدات همراه خود را تا حد بسیار زیادی از دست داده است ، توسط خطوط لوله به مراکز جمع آوری ( پالایشگاه ) انتقال می یابد. در طول مسیر لوله های انتقال، به دلیل کم شدن تدریجی فشار گاز، دمای آن کاهش می یابد و بر اثر این کاهش دما، آبهایی که همراه با گاز از اعماق زمین استخراج شده و همراه با آن به صورت بخار آب در حال حرکت می باشند (که آنها را هیدرات های گاز طبیعی می نامند)، کم کم به مایع تبدیل خواهند شد و اگر دما باز هم کاهش یابد، این آبها به صورت نیمه جامد یا جامد (کریستالهای یخ) درآمده و حرکت گاز را با مشکل مواجه می کنند و در حالت بدتر، امکان دارد که در نقاطی از مسیر، این جامدات به دیواره لوله بچسبند. در صورت بروز چنین پدیده ای، خیلی زود سایر مایعات یا جامداتی که به همین علت تشکیل شده و به همراه گازها در حال حرکت می باشند، به این نقطه خواهند پیوست و در زمان بسیار کوتاهی حجم این توده به قدری بزرگ خواهد گردید که تقریباً به طور کامل، مانع از حرکت گاز در لوله می گردد. با توجه به سرعت و فشار بالای گازهای در حال عبور ، گاز در پشت این نقطه متراکم شده و به راحتی می توان پیش بینی نمود که این اتفاق حتی ممکن است خط لوله انتقال گاز را دچار نشتی ، ترکیدگی یا حتی انفجار کند. از اینرو ، در نقاط خاصی از مسیر خط لوله بین چاهها تا مقصد ، دستگاههای گرمکن (Heater) وجود دارند که دمای گاز را بالا می برند.
1-1-2 چاههای نفت نیز به طور معمول حاوی مقادیری گاز می باشند. گاز طبیعی خام موجود در چاههای نفت به دو صورت می تواند استخراج گردد :
الف) چنانچه گاز به صورت محلول در نفت خام باشد ، گازِ محلول (Solution Gas) نامیده می شود.
ب)اگر گاز در تماس مستقیم ولی جدا از نفت باشد ، به آن گازِ همراه (Associated Gas) می گویند.
1-2 تفکیک گاز ونفت
1-2-1 گاز همراه با نفت
گازی که همراه نفت است الزاما باید از آن جدا شود تا نفت خالص و پایدار بدست آید. در صورتی که نفت و گاز استخراجی از چاه مستقیما به مخازن ذخیره نفت هدایت گردند,بعلت سبک و فرار بودن گاز مقداری از آن از منافذ فوقانی مخزن ذخیره خارج شده و در ضمن مقداری از اجزای سبک و گرانبهای نفت را هم با خود خارج می کند. از این رو نفت را پس از خروج از چاه و پیش از آنکه به مخزن روانه گردد به درون دستگاه تفکیک نفت و گاز هدایت می کنیم. عملیات تفکیک گاز همراه از نفت خام اصولا با ابزار موجود در سر چاه و طی فرایندهای سرچاهی، انجام می شود .این عمل توسط دستگاهی بنام جداکننده سنتی که هیدرو کربن های سنگین و مایع را از هیدروکربن های سبکتر و گازی تفکیک می نماید صورت می گیرد. سپس این دو هیدروکربن برای فرآورش بیشتر به مسیرهای مجزایی هدایت شده تا عملیات تصفیه ای لازم برروی آنها صورت گیرد. این دستگاه به شکل یک استوانه قائم در بسته بوده که در آن با استفاده از نیروی گرانش ذرات گاز از هم باز و به اصطلاح منبسط می گردد ، و در ضمن از سرعت آن نیز کاسته می شود. وقتی فشار و سرعت گاز به مقدار زیادی کاهش یافت بخش انبوهی از گاز ، از نفت جدا می گردد. آنگاه گاز حاصل را توسط لوله به مخزن دیگری هدایت می کنند گازی که از دستگاه جدا کننده خارج می گردد ، غالبا از نوع گاز تر بوده و حاوی مقدار زیادی بنزین سبک (طبیعی) نیز می باشد. بنزین سبک (طبیعی) به لحاظ آنکه دارای ارزش فراوانی می باشد الزاما باید در مراحل بعدی از گاز طبیعی جدا گردد .
1-2-2 گاز محلول در نفت
در مواردی که گاز در نفت خام محلول است مقداری از آن به جهت ماهیت گاز و تحت تاثیر کاهش فشار موجود در سر چاه از نفت جدا می گردد و سپس این دو گروه از هیدروکربن ها برای فرآورش بیشتر هر یک به مجاری مخصوص بخود فرستاده می شوند.
1-3 فرآورش گاز طبیعی
مجموعه عملیات پیچیده ای است شامل فرایندهایی به قرار و ترتیب ذیل که در جریان آن بتوان گاز طبیعی را که عمدتاً شامل متان به عنوان اصلی ترین ماده و با درصد خلوص ۸۰ تا ۹۷ می باشد را به عنوان محصول نهائی پالایش نمود، ضمن آنکه در این فرایندها علاوه بر استحصال گوگرد ترکیبات ارزشمند مایعات گاز طبیعی (NATURAL GAS LIQUIds -NGL )شامل گاز مایع LPGو (CONDENSATE) که تمامآ در ردیف اقلام صادراتی نیز بشمار می آیند جداسازی می گردند.
1-4 تفکیک مایعات گازی
در به عمل آوری مایعات گازطبیعی فرایندی سه مرحله ای وجود دارد. زیرا ابتدا مایعات (NGL) توسط جاذب NGL از گازطبیعی استخراج و سپس ماده جاذب طی فرایند دوم قابلیت استفاده مجدد (مکرر) را در فرایند ابتدایی کسب می نماید و نهایتا در فرایند سوم عناصر تشکیل دهنده و گرانبهای این مایعات نیز باید از خودشان جداسازی شده و به اجزای پایه ای تبدیل گردند . که این فرایند در یک نیروگاه فرآورش نسبتاً متمرکز بنام کارخانه گاز مایع بر روی مایعات حاصل انجام می شود. بخش اعظم مایعات گازی درمحدوده بنزین و نفت سفید می باشد . ضمن آنکه می توان فرآورده های دیگری مانند حلال و سوخت جت و دیزل نیز از آن تولید نمود. مواد متشکله در مایعات گاز طبیعی (NGL) عبارت اند از :
1-4-1 اتان
ماده ای است ارزشمند و خوراک مناسب جهت مجتمع های پتروشیمی و تبدیل آن به ماده ایی با ارزش بیشتر به نام اتیلن و پلی اتیلن . گاز طبیعی میدان پارس جنوبی حدوداً حاوی شش درصد اتان می باشد که با جداسازی آن و ساخت اتیلن و پلی اتیلن مزیت های اقتصادی فراوانی برای کشورمان ایجاد می شود. کاربرد فناوری تفکیک اتان از مایعات گازی در ایران بسیار جدید است و هم اکنون در فازهای ۴و ۵ پارس جنوبی بکار گرفته می شود .
1-4-2 گاز مایع ( ( LPG
گاز مایع عمدتآ شامل پروپان و بوتان بوده که آن را می توان با پالایش نفت خام نیز بدست آورد. ضمنآ در فرایند شکست ملکولی (کراکینگ) نفت خام و یا فرایند افزایش اکتان بنزین (ریفرم کاتالیستی) نیز این ماده ارزشمند به صورت محصول جانبی حاصل می شود . درصد پروپان و بوتان موجود در گاز مایع (LPG) که مصارف سوختی در خودرو (کمتر) و در منازل (بیشتر) دارد متغیر بوده بطوری که در فصل گرم پروپان کمتر و در فصل سرد پروپان بیشتر خواهد بود در فصل سرد افزایش در صد پروپان به علت سبکتر بودن باعث تبخیر بهتر سوخت می گردد . معمولاً درصد پروپان در گاز مایع بین ۱۰ الی ۵۰ درصد متغیر است .
1-4-3 میعانات گازی(Gas Condensate)
شامل ترکیبات سنگینتر از بوتان ، مولکولهایی دارای اتمهای کربن بیشتر و حالت مایع در شرایط را شامل می گردند. این ترکیبات را می توان به منظور صادرات پس از تثبیت فشار بخار و تنظیم نقطه شبنم طبق مشخصات اعلام شده متقاضی (خریدار) به مخازن انتقال یافته و به محض تکمیل ظرفیت مخزن صادر شوند. گاز طبیعی که از مخازن گازی استحصال می شود عمدتاً حاوی حجم قابل ملاحظه ای میعانات گازی است مخصوصاً زمانی که حجم برداشت گاز از مخزن زیاد باشد. میعانات گازی به جریان هیدروکربنی مایع گفته می شود که در ذخایر گاز طبیعی وجود دارد و به صورت رسوب و ته نشین در گاز استخراجی یافت می شود و عمدتاً از پنتان و هیدروکربنهای سنگینتر (C5+) تشکیل شده و دارای گوگرد پایین می باشد و معمولاً عاری از انواع فلزات است و تقریباً نیمی از آن را نفتا تشکیل می دهد.
میعانات گازی بر خلاف بوتان و پروپان نیازمند شرایط ویژه برای مایع ماندن نیستند و به شیوه های مختلف قادر به تبدیل به نفت سفید، بنزین، سوخت جت و… هستند. در قیاس با پالایشگاه نفت خام، در پالایشگاه میعانات گازی، فرایندهای تبدیلی و پالایشی کمتر است بنابراین هزینه سرمایه گذاری آن نصف هزینه سرمایه گذاری پالایشگاه نفت خام است.
با توجه به اینکه پالایشگاه ۵۰۰ میلیون دلاری کاندنسیت (مایعات گازی) در امارات متحده عربی بخشی ازخوراک مورد نیاز خود را از ایران تامین می نماید و حجم فراوان مایعات گازی که با بهره برداری از فازهای پارس جنوبی و دیگر پالایشگاههای گاز کشور حاصل می گردد ، احداث پالایشگاه های کاندنسیت با امکاناتی شامل یک برج تقطیرو چند فرآیند تصفیه و ریفرمینگ کاتالیستی بنا به مزیتهای موجود در ذیل بسیار حائز اهمیت می باشد:
1_ تولید بنزین بیش از دو برابر بنزین تولیدی در پالایشگاههای نفت .
2_ بدون تولید اندکی از نفت کوره و طبعا رفع مشکلات ناشی از تولید این فراورده ضمن آنکه باقیمانده های تقطیر مایعات گازی نیز به محصولات میان تقطیر و سبک تبدیل می گردد .
3_ در ازای تخصیص نیمی از تجهیزات موجود در پالایشگاه های نفت خام به پالایشگاه کاندنسیت می توان محصولات با ارزش بیشتری تولید نمود .
۴ _ هزینه تولید هر واحد محصول در این نوع پالایشگاه بسیار پایین تر از پالایشگاه نفت خام است.
۵ _ میزان سرمایه گذاری در مقایسه با احداث پالایشگاه نفت خام حدوداً به نصف می رسد.
در حال حاضر کلیه مایعات گازی تولیدی در دو بخش صنایع پتروشیمی و پالایشگاه ها جهت خوراک مورد استفاده قرار گرفته و بخش سوم آن نیز صادر می گردد . مایعات گازی حاصل از پالایش گازهای ترش نیز ترش بوده و حاوی درصد فراوانی از هیدروژن سولفید و مرکاپتان می باشد . بنابراین بعد از تقطیر و تهیه فراورده ها نیاز به فرایندهای پالایشی جهت زدودن و یاکاستن از میزان گوگرد و مرکاپتان موجود دارند هم اکنون پالایشگاه قدیمی مایعات گازی در بندرعباس روزانه ۲۶۰ هزار بشکه نفت خام و ۲۰ هزار بشکه مایعات گازی را فرآورش می کند .
فصل دوم: جداسازی و انواع روش های آن
مقدمه
پیشرفت های کنونی درصنایع شیمیایی و صنایع مشابه، به سمت افزایش سرعت انجام فرآیندها و کاهش مصرف انرژی در طول فرآیند معطوف شده است. یکی از فرآیند های مهم و پرکاربرد در چنین صنایعی، جداسازی مواد مختلف می باشد.برای انجام فرآیند های صنعتی اغلب باید اجزای ماده خام اولیه از هم جدا شده و محصول به دست امده از این فرایند ها نیز تفکیک وتخلیص شود. از طرفی در اکثر صنایع، با در نظر گرفتن قوانین محیط زیستی لزوم انجام فرآیند های جداسازی بیش از پیش به چشم می خورد. در حقیقت اهمیت فرآیند های جداسازی و دستگاه ها و تجهیزات مربوطه به اندازه ای است که در بسیاری از صنایع، بخش اعظم قیمت تمام شده یک محصول مربوط به هزینه های جداسازی وخالص سازی آن محصول است. به همین دلیل یافتن یک روش ﺟﺪاﺳﺎزی ﺳﺎده ﺗﺮ و ﺑﺎ ﻫﺰﻳﻨﻪ کمتر، می تواند قابل تعمل باشد.در انتخاب یک روش جداسازی مناسب باید بازده آن روش ها،دسترسی به تجهیزات، هزینه های جداسازی، هزینه ساخت و هزینه های انرژی،با در نظر گرفتن مسائل زیست محیطی و مسائل سیاسی مورد ارزیابی کامل قرار بگیرد. همچنین باید اهداف جداسازی در فرآیند مشخص شود؛در یک فرآیند جداسازی، اهداف متفاوتی مانند تغلیظ،تخلیص،تفکیک و جابه جایی تعادل واکنش می تواند مدنظر باشد.
2-1 جداسازی
یکی از مهمترین وزمان برترین فعالیت در صنایع شیمیایی ،جداسازی وتمیزکردن ترکیبات شیمیایی است.
2-2 هدف از جداسازی
هدف از جداسازی ، حذف مزاحمت ها ، غلیظ کردن محلول مورد نظر و یا سایر موارد است. برای جداسازی از اختلاف در خصوصیات فیزیکی استفاده می شود، مثل فراریت ، حلالیت ، ضریب تقسیم موادو … . در آنالیز و جداسازی مواد مختلف از تکنیک های ویژه ای برحسب نوع و ساختار مواد و مخلوط ها استفاده می شود که برخی از آنها که معروف بوده و حائز اهمیت بیشتری هستند، در زیر می آوریم.
2-3 روش های جداسازی شیمیایی
2-3-1 استخراج
2-3-2 تقطیر
2-3-3 کروماتوگرافی
2-3-4 رسوب دادن
2-3-5 فرآیند های غشایی
2-3-6 روش های دیگر(تبلور،فیلتراسیون و …)
مقدمه ای بر روش های جداسازی
2-3-1 استخراج(Extraction)
اساس این روش ، اختلاف حلالیت یک جزء در دو حلال غیر قابل حل در یکدیگر است. اگر دو حلال مایع باشند، به این روش استخراج مایع ـ مایع گویند و اگر یک جسم جامد به وسیله یک حلال استخراج شود، به آن استخراج جامد ـ مایع گویند (مثل استخراج اسانس ها ، عصاره ها و روغن از دانه های گیاهی). عموما دو فاز مورد استفاده ، یکی آب است و دیگری یک حلال آلی.مقداری از جسم در فاز آبی و مقداری نیز در فاز آلی می باشد. بازده استخراج با ضریب تقسیم نسبت مستقیم دارد. دوبار استخراج با حجم کمتر از حلال آلی همیشه موثر از یک بار استخراج با حجمی مساوی دو برابر حجم اول است. چون در حالت اول ، مقدار وزن ماده باقی مانده محلول در آب ، کمتر از حالت دوم خواهد بود.
شکل 2-1
استخراج مایع-مایع متداولترین نوع استخراج است.
هدف از استخراج مایع-مایع انتقال مواد حل شده مورد نظر از یک فاز مایع دیگری است که غیر قابل امتزاج هستند و عمدتا مواد حل شده از یک محلول ابی با حجم بیشتر به درون یک حلال آلی با حجم کمتر استخراج می شود. معمولا استخراج مایع- مایع تجزیه ای در یک قیف جدا کننده انجام می شود، به طوریکه پس از انجام استخراج، جدا سازی دو مایع امکانپذیر است و مایع استخراج کننده سنگین تر و یا سبک تر از آب است. فرایند انتقال در استخراج مایع-مایع تعادلی می باشد. یکی از مشکلات اصلی در استخراج مایع-مایع ایجاد محلول امولسیون است که خیلی آهسته از بین میرود یا اصلا از بین نمی رود.
2-3-2 تقطیر(Distillation)
تقطیر (Distillation)فرآیندی است که برای جداسازی (Separation) مخلوط ها (Mixtures) بر اساس تفاوت در فراریت (volatility) اجزا، در یک مخلوط مایع در حال جوشش انجام می شود. تقطیریک فرایند فیزیکی برای جداسازی اجسام بادمای جوش متفاوت است. برای پی بردن به این که فرایند تقطیر چگونه انجام می گیرد باید به رفتارمحلول ها هنگام جوشیدن ومتراکم شدن توجه کرد .
2-3-2-1 انواع تقطیر:
2-3-2-1-1 تقطیر ساده غیر مداوم: در این روش تقطیر ، مخلوط حرارت داده می شود تا بحال جوش درآید بخارهایی که تشکیل می شود غنی از جزء سبک مخلوط می باشد پس از عبور از کندانسورها (میعان کننده ها) تبدیل به مایع شده ، از سیستم تقطیر خارج می گردد. به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقی مانده زیاد می شود ، نقطه جوش آن بتدریج بالا می رود. به این ترتیب ، هر لحظه از عمل تقطیر ، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر می کند.
2-3-2-1-2 تقطیرساده مداوم:در این روش ، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان ، در گرم کننده گرم می شود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید ، و به محض ورود در ستون تقطیر ، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا می شود و از بالای ستون تقطیر خارج می گردد و بعد از عبور از کندانسورها ، بصورت مایع در می آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج می شود. قابل ذکر است که همیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است. تقطیر مداوم امروزه بعلت اقتصادی بودن مداوم در تمام عملیات پالایش نفت از این روش استفاده می شود. در تقطیر مداوم برای یک نوع خوراک مشخص و برشهای تعیین شده شرایط عملیاتی ثابت بکار گرفته می شود. بعلت ثابت بودن شرایط عملیاتی در مقایسه با تقطیر نوبتی به مراقبت و نیروی انسانی کمتری احتیاج است. با استفاده از تقطیر مداوم در پالایشگاهها مواد زیر تولید می شود:گاز اتان و متان به عنوان سوخت پالایشگاه ، گاز پروپان و بوتان به عنوان گاز مایع و خوراک واحدهای پتروشیمی ، بنزین موتور و نفتهای سنگین به عنوان خوراک واحدهای تبدیل کاتالیستی برای تهیه بنزین با درجه آروماتیسیته بالاتر ، حلالها ، نفت سفید ، سوخت جت سبک و سنگین ، نفت گاز ، خوراک واحدهای هیدروکراکینگ و واحدهای روغن سازی ، نفت کوره و انواع آسفالتها.
2-3-2-1-3 تقطیر تبخیرآنی(ناگهانی): وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام را حرارت می دهیم ، اجزای تشکیل دهنده آن به ترتیب که سبکتر هستند ، زودتر بخار می شود. بر عکس وقتی بخواهیم این بخارها را سرد و دوباره تبدیل به مایع کنیم ، هر کدام که سبکتر باشد دیرتر مایع می گردد. با توجه به این خاصیت، می توانیم نفت خام را به روش دیگری که به آن " تقطیر آنی " گویند ، تقطیر نماییم. در این روش ، نفت خام را چنان حرارت می دهیم که ناگهان همه اجزای آن تبدیل به بخار گردد و سپس آنها را سرد می کنیم تا مایع شود. در اینجا ، بخارها به ترتیب سنگینی ، مایع می شوند یعنی هرچه سنگین تر باشند ، زودتر مایع می گردند و بدین گونه ، اجزای نفت خام را با ترتیب مایع شدن از هم جدا می کنیم. در این نوع تقطیر ، خلوص محصولات چندان زیاد نیست.
2-3-2-1-4 تقطیر در خلاء:با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا̋ بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارد ، و از طرف دیگر ، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر می باشد و زودتر تجزیه می گردند ، لذا برای جدا کردن آنها از خلاءنسبی استفاده می شود در این صورت مواد دمای پایین تر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می آیند. در نتیجه ، تقطیر در خلاء ، دو فایده دارد: اول اینکه به انرژی و دمای کمتر نیاز است ، دوم اینکه مولکولها تجزیه نمی شوند. امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر ، از خلاء استفاده می شود. یعنی اینکه: هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلاء انجام می دهند.
2-3-2-1-5 تقطیربه کمک بخار آب :یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد می کنند در اینصورت بی آنکه خلاءای ایجاد گردد ، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر می شوند. این مورد معمولا در زمانی انجام می شود که در نقطه جوش آب ، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.
2-3-2-1-6 تقطیر آزئتروپی:از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک باشند استفاده می شود ، جداسازی مخلوط اولیه ، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی ، آزئوتوپ تشکیل می دهد امکان پذیر است. آزئوتوپ محصول تقطیر یا ته مانده را از ستون تشکیل می دهد و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا می کند. اغلب ، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین تشکیل می دهد که به آن شکننده آزئوتروپ می گویند. آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است ، اما نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.
2-3-2-1-7 تقطیر استخراجی:جداسازی اجزای با نقطه جوش تقریبا یکسان از طریق تقطیر ساده مشکل است حتی اگر مخلوط ایده آل باشد و به دلیل تشکیل آزئوتروپ ، جداسازی کامل آنها غیر ممکن است برای چنین سیستم هایی با افزایش یک جزء سوم به مخلوط که باعث تغییر فراریت نسبی ترکیبات اولیه می شود ، جداسازی ممکن می شود. جزء افزوده شده باید مایعی با نقطه جوش بالا باشد ، قابلیت حل شدن در هر دو جزء کلیدی را داشته باشد و از لحاظ شیمیایی به یکی از آنها شبیه باشد. جزء کلیدی که به حلال بیشتر شبیه است ضریب فعالیت پایین تری از جزء دیگر محلول دارد ، در نتیجه جداسازی بهبود می یابد این فرآیند ، تقطیر استخراجی نام دارد.
2-3-2-1-8 تقطیر با مایع برگشتی (تقطیر همراه با تصفیه): در این روش تقطیر ، قسمتی از بخارات حاصله در بالای برج ، بعد از میعان به صورت محصول خارج شده و قسمت زیادی به داخل برج برگردانده می شود. این مایع به مایع برگشتی موسوم است. مایع برگشتی با بخارات در حال صعود در تماس قرار داده می شود تا انتقال ماده و انتقال حرارت ، صورت گیرد.از آنجا که مایعات در داخل برج در نقطه جوش خود هستند ، لذا در هر تماس مقداری از بخار ، تبدیل به مایع و قسمتی از مایع نیز تبدیل به بخار می شود. نتیجه نهایی مجموعه این تماسها ، بخاری اشباع از هیدروکربن های با نقطه جوش کم و مایعی اشباع از مواد نفتی با نقطه جوش زیاد می باشد. در تقطیر با مایع برگشتی با استفاده از تماس بخار و مایع، می توان محصولات مورد نیاز را با هر درجه خلوص تولید کرد ، مشروط بر اینکه به مقدار کافی مایع برگشتی و سینی در برج موجود باشد. بوسیله مایع برگشتی یا تعدادسینی های داخل برج می توانیم درجه خلوص را تغییر دهیم. لازم به توضیح است که ازدیاد مقدار مایع برگشتی باعث افزایش میزان سوخت خواهد شد. چون تمام مایع برگشتی باید دوباره به صورت بخار تبدیل شود.
امروزه به علت گرانی سوخت ، سعی می شود برای بدست آوردن خلوص بیشتر محصولات ، به جای ازدیاد مایع برگشتی از سینی های بیشتری در برجهای تقطیر استفاده شود. زیاد شدن مایع برگشتی موجب زیاد شدن انرژی می شود. برای همین ، تعداد سینیها را افزایش می دهند. در ابتدا مایع برگشتی را 100 درصد انتخاب کرده و بعد مرتبا این درصد را کم می کنند و به صورت محصول خارج می کنند تا به این ترتیب دستگاه تنظیم شود.
2-3-2-1-9 تقطیر نوبتی: این نوع تقطیر ها در قدیم بسیار متداول بوده ، ولی امروزه به علت نیاز نیروی انسانی و ضرورت ظرفیت زیاد ، این روش کمتر مورد توجه قرار می گیرد. امروزه تقطیر نوبتی ،صرفا در صنایع دارویی و رنگ و مواد آرایشی و مارد مشابه بکار برده می شود و در صنایع پالایش نفت در موارد محدودی مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین در موارد زیر ، تقطیر نوبتی از نظر اقتصادی قابل توجه می باشد: تقطیر در مقیاس کم،ضرورت تغییرات زیاد در شرایط خوراک و محصولات مورد نیاز ،استفاده نامنظم از دستگاه، تفکیک چند محصولی و عملیات تولید متوالی با فرآیندهای مختلف.
2-3-2-1-10 تقطیر جزءبه جزء: تقطیر جزء به جزء در ستون تقطیر سینی دار و یا پر شدن انجام می گیرد، به این ترتیب که بخارات حاصل شده ، از پایین به طرف بالای ستون حرکت می کند و با فاز مایعی که از میعان بخارات قبلی که در طول ستون تولید شده اند و به طرف پایین جریان دارند ، در تماس می باشد و به این صورت تماس کامل بین فاز گاز و مایع برقرار می شود. درجه حرارت هر سینی از پایینی خود کمتر است ، و در ستون تقطیر ، دما از پایین به بالا ، کم می گردد. بخار هایی که نقطه میعان آنها ، مساوی درجه حرارت سینی باشد، و روی آن سینی به مایع تبدیل می شود و روی آن جمع می گردد و به روی سینی پایینی می ریزد. در نتیجه این عمل فاز بخار ، که غنی از جزء سبک است ، از بالای ستون خارج می شود و فاز مایع که غنی از جزء سنگین از پایین جمع آوری می گردد. بخارهای خارج شده از قسمت بالای ستون در کندانسورها به مایع تبدیل شده ، به عنوان محصول جمع آوری می گردد معمولا مقداری از این مایع جمع آوری شده جهت کنترل دمای ستون تقطیر به عنوان مایع برگشتی به داخل آن برمی گردد. قسمت بالای ستون تقطیر تا سینی که خوراک روی آن می ریزد به نام منطقه " تفکیک ستون " گویند و قسمت پایین ستون مربوط به خوراک را منطقه " عریان کننده " می نامند.
اجزای سازنده محلول شامل دو یا چند فرار که از قانون رائول پیروی می کنند, می توان با فرآیند تقطیر جزء به جزء از هم جدا کرد. طبق قانون رائول ، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای بخار سازنده آن است و سهم هر جزء برابر با حاصل ضرب کسر مولی آن جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است.
2-3-2-2 فرآیند تقطیر در کل به چهار گروه تقسیم می شود:
الف) تقطیر در مقیاس آزمایشگاهی
ب) تقطیر صنعتی
ج) تقطیر گیاهان برای تولید عرقیجات و عطر
د) تقطیر برای فرآوری مواد غذایی
تفاوت اصلی بین تقطیر در مقیاس آزمایشگاهی و تقطیر صنعتی این است که تقطیر در مقیاس آزمایشگاهی اغلب به صورت بسته و تقطیر صنعتی اغلب به صورت پیوسته انجام می شود. در تقطیر بسته ترکیب مواد اولیه، بخارات و ترکیبات تقطیر در طول تقطیر تغییر می کند. در تقطیر بسته شارژ ورودی به صورت یک دسته مخلوط وارد می شود و سپس به صورت متوالی از فرارترین تا سنگین ترین اجزا از هم جدا می شوند. در پایین دستگاه، باقی مانده شامل جزء غیر فرار یا با فراریت کم باقی می ماند و در پایان خارج می شودسپس مواد اولیه دوباره شارژ و روند تکرار می شود.
شکل 2-2 مکانیسم برج تقطیر
تقطیر صنعتی(Industrial distillation) معمولا در ستون های استوانه ای عمودی بزرگی انجام می شود که به برج تقطیر (Distillation towers) یا ستون تقطیر (Distillationcolumns) معروف هستند و قطر آن ها از 65 سانتی متر تا 16 متر و ارتفاع آن ها از 6 متر تا 90 متر متغیر است.
شکل2-3 نمونه ای از سیستم تقطیر آزمایشگاهی
در تقطیر پیوسته (Continuous distillation) با جایگزینی مواد اولیه و خارج کردن محصولات به صورت بخار و مایع در سیستم، مواد اولیه، بخارات و محصولات دارای ترکیب ثابتی باقی می مانند. این باعث کنترل بهتری
بر فرآیند جداسازی می شود.
اگر هدف از تقطیر ، جداسازی یک مخلوط به اجزای بالا باشد، از تقطیر ساده برای جداسازی اجزاء استفاده می شود. اما اگر همه اجزاء فرار باشند، از تقطیر جزء به جزء برای جداسازی استفاده می شود. اگر یک مخلوط تولید آزئوتروپ کند، ( مثل آب و الکل)نمی توان از روش تقطیر جزء به جزء ، اجزای آن را جدا کرد. برای جداسازی این مخلوط از روش های تقطیر با بخار آب ،تقطیر در خلاء و تقطیر ناگهانی استفاده می کنند.
در تقطیر با بخار آب هیچگاه درجه حرارت تقطیر از نقطه جوش آب بیشتر نمی شود. ترکیباتی نظیر تولوئن ، اتیلن ، گلیسیرین و اسیدهای چرب از این طریق جدا می شوند. برای جلوگیری ازتجزیه مایعاتی که دارای نقطه جوش بالایی هستند از تقطیر در خلاء استفاده می شود.با کاهش فشار,نقطه جوش مواد کاهش پیدا میکند.
در تهیه آب آشامیدنی از آب دریا و تهیه آب مقطر نیروگاه ها از تقطیر ناگهانی استفاده می شود. در این روش مایع بطور مداوم وارد و بخار بطور مداوم خارج می شود.
2-3-3 کروماتوگرافی(Chromatography)
کروماتوگرافی (chromatography) ، در زبان یونانی chroma یعنی رنگ و grophein یعنی نوشتن است.
پر کاربردترین شیوه جداسازی مواد تجزیه ای کروماتوگرافی است که در تمام شاخه های علوم کاربردهایی دارد. کرماتوگرافی گروه گوناگون و مهمی از روش های جداسازی مواد را شامل می شود و امکان می دهد تا اجزای سازنده نزدیک به هم مخلوط های کمپلکس را جدا ، منزوی و شناسایی کند بسیاری از این جداسازی ها به روش های دیگر ناممکن است.
کروماتوگرافی را به دلیل اینکه در برگیرنده سیستمها و تکنیکهای مختلفی است نمی توان به طور مشخص تعریف کرد. اغلب جداسازی ها بر مبنای کروماتوگرافی بر روی مخلوطهایی از مواد بی رنگ از جمله گازها صورت می گیرد. کروماتوگرافی متکی بر حرکت نسبی دو فاز است ولی در کروماتوگرافی یکی از فازها بدون حرکت است و فاز ساکن نامیده می شود و دیگری را فاز متحرک می نامند. اجزای یک مخلوط به وسیله جریانی از یک فاز متحرک از داخل فاز ساکن عبور داده می شود. جداسازی ها بر اساس اختلاف در سرعت مهاجرت اجزای مختلف نمونه استوارند.
شکل2-4
2-3-3-1 روش های کروماتوگرافی
روش های کروماتوگرافی را می توان ابتدا بر حسب ماهیت فاز متحرک و سپس بر حسب ماهیت فاز ساکن طبقه بندی کرد. فاز متحرک ممکن است گاز یا مایع و فاز ساکن ممکن است جامد یا مایع باشد. اگر فاز ساکن جامد باشد کروماتوگرافی راکروماتوگرافی جذب سطحی و اگر فاز ساکن ، مایع باشد کروماتوگرافی را تقسیمی می نامند.
2-3-3-2 انواع روش های کروماتوگرافی
* کروماتوگرافی مایع-جامد
* کروماتوگرافی جذب سطحی
* کروماتوگرافی لایه نازک
* کروماتوگرافی تبادل یونی
* کروماتوگرافی ژلی
* کروماتوگرافی گاز-جامد
* کروماتوگرافی مایع-مایع
* کروماتوگرافی تقسیمی
* کروماتوگرافی کاغذی
* کروماتوگرافی گاز-مایع
* کروماتوگرافی ستون مویین
2-3-3-3 مزیت روش های کروماتوگرافی
2-3-3-3-1 باروش های کروماتوگرافی میتوان جداسازی هایی را که به روش های دیگر خیلی مشکل میباشد انجام داد.زیرا اختلافات جزئی موجود در رفتار جزئی اجسام در جریان عبور آنها از یک سیستم کروماتوگرافی چندین برابر می شود.هر قدر این اختلاف بیشتر شود قدرت جداسازی مواد بیشتروبرای انجام جداسازی مواد نیاز کمتری به وجود اختلافات دیگر خواهد بود.
2-3-3-3-2 مزیت کروماتوگرافی نسبت به ستون تقطیر این است که نسبتا آسان می توان به آن دست یافت باوجود اینکه ممکن است چندین روز طول بکشد تا یک ستون تقطیر به حداکثر بازده خود برسد ولی یک جداسازی مواد کروماتوگرافی می تواند درعرض چنددقیقه یاچند ساعت انجام گیرد.
2-3-3-3-3 یکی از روش های برجسته روش های کروماتوگرافی این است که آنها آرام هستند.به این معنی که احتمال تجزیه مواد جداشونده به وسیله این روش ها در مقایسه با سایر روش ها کمتراست.
2-3-3-3-4 مزیت دیگر روش های کروماتوگرافی دراین است که تنها مقدار بسیار کمی از مخلوط برای تجزیه لازم است به این دلیل روش های تجزیه ای مربوط به جداسازی مواد کروماتوگرافی می توانند در مقیاس میکرو ونیمه میکرو انجام گیرند.
2-3-3-3-5 روش های کروماتوگرافی ساده،سریع ووسایل مورد لزوم آنها ارزان هستند.مخلوط های پیچیده را میتوان نسبتا به آسانی به وسیله این روش ها به دست آورد.
2-3-3-4انتخاب بهترین روش کروماتوگرافی
انتخاب نوع روش کروماتوگرافی به جز در موارد واضح(مانند کروماتوگرافی گازی در جداسازی گازها)عموما تجربی است زیرا هنوز هیچ راهی جهت پیش بینی بهترین روش برای جداسازی مواد اجسام مگر در چند مورد ساده وجود ندارد.درابتدا روش های ساده تر مانند کروماتوگرافی کاغذی ولایه نازک امتحان میشوند.زیرا این روش ها در صورتی که مستقیما قادر به جداسازی مواد نباشند نوع سیستم کروماتوگرافی را که جداسازی مواد بوسیله آن باید صورت بگیرد,مشخص میکنند آنگاه درصورت لزوم از روش های پیچیده تر استفاده میشود.
در جداسازی های مشکل وقتی که روش های ساده فاقد کارایی لازم هستند روش کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HELC) می تواند جوابگو باشد.
2-3-4 رسوب دادن(Precipitation)
نوعی روش جداسازی است که اساس آن اختلاف حلالیت اجسام می باشد. یعنی جزیی که حلالیت کمتری دارد زودتر جدا می شود.با افزایش نیروی جاذبه سرعت ته نشین شدن افزایش پیدا می کند.
عمل سانتریفوژ در واقع بر همین اساس است.
شکل2-5
سانتریفیوژ : (Centrifuge)یا دستگاه مرکزگریز دستگاهی است که در آن با استفاده از نیرویگریز از مرکز مواد را از یکدیگر جدا می کنند. در این دستگاه محفظه ای که مواد جداشدنی در آن قراردارد معمولاً به کمک یک موتور به سرعت حول یک محور می چرخد. سانتریفوژ دستگاهی است که از آن برای چرخاندن مواد با سرعت بالا استفاده می شود. دانشمندان معمولاً دستگاه سانتریفوژ را برای جدا کردن ذرات جامد از یک مایع یا تقسیم مخلوط مایعات به اجزای مختلف آن به کار می گیرند. مخلوط را درون لوله ای قرار می دهند که طوری قرار داده شده است که با چرخش دستگاه، به سمت خارج از مرکز حرکت می کند و به حالت افقی قرار می گیرند. در این حالت، نیروی گریز از مرکز می خواهد که مخلوط را برخلاف مرکز سانتریفوژ براندو از این نقطه دور کند و ذرات یا مایع سنگین تر بیش تر به سمت بیرون (یا ته مخلوط) رانده می شوند. وقتی سانتریفوژ از حرکت باز می ایستد، مواد به همین حالت غیر مخلوط می مانند. خون و سایر نمونه های بیولوژیکی را معمولاً به وسیله دستگاه سانتریفوژ جدا می کنند. سریع ترین سانتریفوژ با نام "فرامرکز گریز" با سرعت ۲۰۰۰۰۰ دور در دقیقه می چرخد. از دستگاه های گریز از مرکز بزرگ برای انجام آزمایش بر روی خلبانان نظامی و فضانوردان استفاده می شود تا میزان مقاومت آنان در شتاب های بالا معلوم شود.
انواع دستگاه های مرکز گریز برای مصارف گوناگون ساخته شده است:
* نمونه های خانگی این دستگاه برای جداکردن آب از سبزی ها مثل کاهو و غیره بکار می رود.
* همچنین در ماشین های لباسشویی نیز برای خشک کردن لباس استفاده می شود.
* در نمونه های آزمایشگاهی برای جداکردن گلبول های خون از پلاسما استفاده می شود.
* دستگاه های صنعتی با موتورهای قوی و در ابعاد بزرگ برای جدا کردن مواد بکار می رود.
* در کارغنی سازی اورانیوم نیز از دستگاه های مرکزگریز گازی استفاده می شود.
2-3-5 فرآیند های غشایی
این روش به طور کامل در فصل بعد مورد بررسی قرار میگیرد.
فصل سوم:غشا وروش های جداسازی غشایی
مقدمه
با پیشرفت علم وتکنولوژی ونیاز روز افزون به محیط زیستی عاری از هرگونه آلودگی ، سیستم های جداسازی با پیشرفت های چشم گیری رو برو شده اند. یکی از بزرگترین اهداف در طراحی سیستم ها، بازدهی بالا، انتخاب گری، ومصرف انرژی کم بوده است.در این راستا سیستم های غشایی که دارای این مزایا هستند به وجود آمده ودستخوش تحولات بزرگی شده اند.
شروع مطالعه درزمینه ی غشا و فرآیند های غشایی به قرن هجدهم بر می گردد. به عنوان مثال در سال 1748،Abbe' Nolet از واژه ی "اسمز"برای تراوش آب از درون دیافراگم استفاده کرد. در قرن نوزدهم وابتدای قرن بیستم، غشا کاربرد صنعتی و تجاری نداشت وفقط در مقیاس آزمایشگاهی از آن استفاده می شد.در اواخر جنگ جهانی دوم ، از غشا برای تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شد.یکی از مهم ترین مشکلات تجاری شدن غشاها در آن زمان قیمت بالای آن ها بود. اولین کاربرد صنعتی غشا در سال1960بود که از غشا های Loeb-Sourirajan به عنوان غشاهای اسمز معکوس استفاده می شد.یکی دیگر از کاربرد های صنعتی غشا ها برای فرآیندهای جداسازی پزشکی بود.در سال 1980،فرآیندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، اسمز معکوس، والکترو دیالیز به صورت صنعتی در جهان توسعه یافته اند.
3-1 غشا
ﻏﺸﺎ وﺳﻴﻠﻪ ای اﺳﺖ ﻛﻪ ﺟﺪاﺳﺎزی را ﻋﻤﻮﻣﺎ ﺑﺮ اﺳﺎس اﻧﺪازه ﻣﻮﻟﻜﻮﻟﻲ آﻧﻬﺎ ﻣﻤﻜﻦ می ﺳﺎزد. ﻏﺸﺎ ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻓﺎزی ﻛﻪ اﺟﺰای ﺟﺪاﺷﻮﻧﺪه ﺧﻮراک ﺑﺎ ﺳﺮﻋﺖ ﻫﺎی ﻣﺘﻔﺎوت از آن ﻋﺒﻮرمی ﻛﻨﻨﺪ، ﻋﻤﻞ می ﻛﻨﺪ. در اﻳﻦ روش، ﻣﻌﻤﻮﻻ ﺗﻐﻴﻴﺮ ﻓﺎزی ﺻﻮرت ﻧﻤﻲ ﮔﻴﺮد و ﻣﺤﺼﻮﻻت ﻧﻴﺰ در ﻫﻤﺪﻳﮕﺮ ﻗﺎﺑﻞ اﻣﺘﺰاج هستند .
شکل3-1 شمای یک واحد غشایی
در ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﻏﺸﺎﻳﻲ، ﺟﺰﺋﻲ از ﺧﻮراک ﻛﻪ از ﻏﺸﺎ ﻋﺒﻮر ﻣﻲ ﻛﻨﺪ ﺑﻪ ﻧﺎم ﺗﺮاوش ﻛﺮده و ﺑﺨﺸﻲ ﻛﻪ ﻧﺘﻮاﻧﺪ از ﻏﺸﺎ ﻋﺒﻮرﻛﻨﺪ، ﻧﮕﻪ داﺷﺘﻪ ﺷﺪه ﻧﺎﻣﻴﺪه ﻣﻲ ﺷﻮد ﻛﻪ ﺑﺮ اﺳﺎس ﻫﺪف ﺟﺪاﺳﺎزی، ﻫﺮﻛﺪام از آﻧﻬﺎ ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺤﺼﻮل درنظر ﮔﺮﻓﺘﻪ ﺷﻮﻧﺪ. در ﺣﺎﻟﺖ ﻛﻠﻲ، روﺷﻬﺎی ﻏﺸﺎﻳﻲ در ﻣﻮاﻗﻌﻲ ﻛﻪ ﻏﻠﻈﺖ ﻣﻮاد ﻛﻢ ﺑﺎﺷﺪ، ﻛﺎراﻳﻲ ﺑﺴﻴﺎر زﻳﺎدی دارﻧﺪ. ﻧﻴﺮوی ﻣﺤﺮﻛﻪ ﻻزم در ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﻏﺸﺎﻳﻲ ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﺪ ﺑﻪ ﺻﻮرت اﺧﺘﻼف ﻏﻠﻈﺖ، ﻓﺸﺎر، دﻣﺎ و ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﺑﺎﺷﺪ. ﺳﺎده ﺗﺮﻳﻦ ﻧﻮع ﻏﺸﺎﻫﺎ ﺑﺮ اﺳﺎس اﺧﺘﻼف اﻧﺪازه ذرات ﻋﻤﻞ ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ ﻛﻪ از اﻳﻦ نظرﻣﺸﺎﺑﻪ ﻓﻴﻠﺘﺮﻫﺎ ﻫﺴﺘﻨﺪ وﻟﻲ ﻏﺸﺎﻫﺎ از ﻟﺤﺎظ اﻧﺪازه ﻣﻨﺎﻓﺬ و ﺗﻮزﻳﻊ اﻧﺪازه آﻧﻬﺎ و ﻧﻴﺰنحوه جریان با فیلترها تفاوت دارند.
3-2 خواص غشا
ﭼﮕﻮﻧﮕﻲ ﻛﺎر ﻏﺸﺎ ﺗﻮﺳﻂ ﺧﻮاص ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ و ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ آن ﻣﺸﺨﺺ میﺷﻮد.ﺧﻮاص ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ ﺷﺎﻣﻞ اﻧﺪازه وشکل ﺣﻔﺮه ﻫﺎی ﻣﻮﺟﻮد در ﻏﺸﺎ وﻧﻮع آﻧﻬﺎ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ.ﺧﻮاص ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ ﻏﺸﺎ ﻋﺒﺎرﺗﻨﺪ از ﺑﺎر ﺳﻄﺤﻲ آن, ﺗﻮاﻧﺎﻳﻲ ﺟﺬب اﺟﺴﺎم دیگروامکان اﻧﺠﺎم واﻛﻨﺶ ﺑﺎ ﺳﺎﻳﺮ ﻣﻮاد.آﺑﮕﺮﻳﺰی وﻳﺎ آﺑﺪوﺳﺘﻲ ﻏﺸﺎ ﺣﺎﺻﻞ ﺧﻮاص ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ و ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ آن است.ﺑﺮرﺳﻲ ﺧﻮاص غشا از ﻟﺤﺎظ ﭘﻴﺶ ﺑﻴﻨﻲ ﭼﮕﻮﻧﮕﻲ اﻧﺠﺎم ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺟﺪاﺳﺎزی ﺗﻮﺳﻂ آﻧﻬﺎ ﻣﻔﻴﺪ اﺳﺖ . اﻳﻦ ﺧﻮاص ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﻣﻮادی ﻛﻪ در ﺳﺎﺧﺖ ﻏﺸﺎ ﺑﻪﻛﺎر ﮔﺮﻓﺘﻪ شده است, روش ﺳﺎﺧﺖ و اﺻﻼﺣﺎت ﺑﻌﺪی ﺣﺎﺻﻞ ﻣﻲ ﮔﺮدد.
3-3 تقسیم بندی غشاها
ﺑﻪ دﻟﻴﻞ ﻛﺎرﺑﺮدﻫﺎی وﺳﻴﻊ و ﺟﻬﺖ ﺳﻬﻮﻟﺖ ﺷﻨﺎﺧﺖ و اﺳﺘﻔﺎده از ﻏﺸﺎﻫﺎ، ﺗﻘﺴﻴﻢ بندی آﻧﻬﺎ ﺿﺮوری ﺑﻪ ﻧﻈﺮ ﻣﻲ رﺳﺪ ﻛﻪ در اﻳﻦ ﺑﺨﺶ ﺗﻘﺴﻴﻢ ﺑﻨﺪی ﻏﺸﺎﻫﺎ ﺑﺮ اﺳﺎس ﻣﻌﻴﺎرﻫﺎی ﻣﺨﺘﻠﻒ آورده ﺷﺪه اﺳﺖ.
3-3-1 تقسیم بندی بر اساس مکانیسم حاکم بر جداسازی
اﮔﺮ ﺟﺪاﺳﺎزی ﺑﺮ اﺳﺎس اﺧﺘﻼف ﻓﺸﺎر ﺑﺎﺷﺪ، ﺑﻪ ﻛﻤﻚ روش ﻫﺎﻳﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻣﻴﻜﺮوﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن، اوﻟﺘﺮاﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن، ﻧﺎﻧﻮﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن و اﺳﻤﺰ ﻣﻌﻜﻮس ﻣﻲ ﺗﻮان ﺟﺪاﺳﺎزی را اﻧﺠﺎم داد. روﺷﻬﺎﻳﻲ ﻛﻪ ﺑﺮ ﭘﺎﻳﻪ اﺧﺘﻼف غلظت ﻫﺴﺘﻨﺪ ﺷﺎﻣﻞ ﺟﺪاﺳﺎزی ﮔﺎزی، ﻏﺸﺎی ﻣﺎﻳﻊو دﻳﺎﻟﻴﺰ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ. در اﻟﻜﺘﺮودﻳﺎﻟﻴﺰ، اﺧﺘﻼف وﻟﺘﺎژ و در روش ﺗﻘﻄﻴﺮ ﻏﺸﺎﻳﻲ ﻧﻴﺰ اﺧﺘﻼف دﻣﺎ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻋﺎﻣﻞ ﺟﺪاﺳﺎزی ﻋﻤﻞ ﻣﻲ کند.
3-3-2تقسیم بندی بر اساس جنس غشا
ﻏﺸﺎﻫﺎ ﺑﻪ دو ﺻﻮرت ﻋﻤﺪه تقسیم بندی میشوند:
* غشاهای بیولوژیکی(طبیعی)
* غشاهای سنتزی
ﻛﻪ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺳﻨﺘﺰی ﺷﺎﻣﻞ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﭘﻠﻴﻤﺮی، ﺳﺮاﻣﻴﻜﻲ، ﻓﻠﺰی و ﻣﺎﻳﻊ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﻨﺪﻛﻪ در اداﻣﻪ ﻫﺮﻛﺪام از ﻣﻮارد ﺑﻪاﺧﺘﺼﺎر ﺗﻮﺿﻴﺢ داده ﺷﺪه اﻧﺪ.
3-3-2-1 غشاهای پلیمری
از ﻣﻬﻤﺘﺮﻳﻦ ﺧﺼﻮﺻﻴﺎت ﺳﺎﺧﺘﺎری ﻳﻚﻏﺸﺎء ﻃﺒﻴﻌﺖ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ آن اﺳﺖ .ﻃﺒﻴﻌﺖ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ ﻫﺮﻏﺸﺎء شامل حضور گروه های ﻣﻮﻟﻜﻮﻟﻲ، ﺳﺎﺧﺘﺎر ﻣﻴﻜﺮوﺑﻠﻮری آن، آﻣﺎر ﺣﻔﺮه ها (اﻧﺪازه ﺣﻔﺮه، ﺗﻮزﻳﻊ اﻧﺪازه ﺣﻔﺮه و داﻧﺴﻴﺘﻪ و حجم خالی )و ﻣﻴﺰان تقارن ﺳﺎﺧﺘﺎری آن می ﺑﺎﺷﺪ .ﻣﻬﻤﺘﺮﻳﻦ ﺧﺼﻮﺻﻴﺎت ﻫﺮغشا از ﻧﻈﺮ ﻋﻤﻠﻜﺮد در ﻳﻚ سیستم ﺟﺪاﺳﺎزی، تراوش پذیری وﮔﺰﻳﻨﺶ ﭘﺬﻳﺮی غشا می باشد.
3-3-2-2 غشاهای مایع
ﻏﺸﺎ ﻓﺎزی اﺳﺖ ﺑﻴﻦ دو فاز دﻳﮕﺮ ﻛﻪ اﻧﺘﻘﺎل ﺟﺮم ﺑﻴﻦ آﻧﻬﺎ را ﻛﻨﺘﺮل میﻛﻨﺪ . اﮔﺮ اﻳﻦ ﻓﺎز ﻣﻴﺎﻧﻲ ﻳﻚ ﻣﺎﻳﻊ اﻣﺘﺰاج ﻧﺎﭘﺬﻳﺮ ﺑﺎ دو ﻓﺎز دیگرباشد,نقش یک غشا مایع را خواهد داشت.
ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻣﺎﻳﻊ ﺑﻪ ﺳﻪ ﺻﻮرت می ﺑﺎﺷﻨﺪ:
* ﻏﺸﺎﻫﺎی اﻣﻮﻟﺴﻴﻮﻧﻲ :ﻛﻪ از ﻋﻮاﻣﻞ ﻓﻌﺎل کننده ﺳﻄﺤﻲ ﺑﺮای ﺗﻮﻟﻴﺪ اﻣﻮﻟﺴﻴﻮن اﺳﺘﻔﺎده ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ.
* غشاهای پایه ای:ﻏﺸﺎء ﻧﻮع دوم از ﻣﺎﻳﻌﻲ در داﺧﻞ ﻳﻚ ﺟﺎﻣﺪ ﻣﺘﺨﻠﺨﻞ ﺑﺎ ﺣﻔﺮاﺗﻲ در ﺣﺪ ﻣﻴﻜﺮون اﺳﺘﻔﺎده ﻣﻲ ﻛﻨﻨﺪ .
* غشاهای جریانی: در ﻏﺸﺎ ﺟﺮﻳﺎﻧﻲ ﻫﻢ،ﺟﺮﻳﺎن ﻣﺎﻳﻊ- ﻣﺎﻳﻊ ﺑﻪ ﺻﻮرت ﭘﻴﻮﺳﺘﻪ ﺑﺮﻗﺮار ﺑﻮده و ﺣﻔﺮات را ﻫﻤﻮاره ﭘﺮ ﻧﮕﻪ می دارد.
شکل3-2 عملکرد غشای مایع
3-3-2-3 غشاهای سرامیکی
اﻳﻦ ﻏﺸﺎﻫﺎ ﻛﻪ ﺷﺎﻣﻞ اﻛﺴﻴﺪﻫﺎی آﻟﻮﻣﻴﻨﻴﻮم، زﻳﺮﻛﻮﻧﻴﻮم، ﺗﻴﺘﺎﻧﻴﻮم و ﺳﻴﻠﺴﻴﻮم ﻣﻲ ﺑﺎﺷﻨﺪ، دارای ﻣﺰاﻳﺎﻳﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺣﺮارﺗﻲ، ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ و ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ ﺑﺎﻻ، ﻃﻮل ﻋﻤﺮ زﻳﺎد، ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺧﻮردﮔﻲ و ﺑﺎﻛﺘﺮﻳﺎﻳﻲ ﺑﺎﻻ، اﻣﻜﺎن اﺣﻴﺎ، اﻣﻜﺎن ﺗﻤﻴﺰﻛﺮدن و ﻛﻨﺘﺮل ﻣﻄﻠﻮب اﻧﺪازه ﺣﻔﺮات ﻫﺴﺘﻨﺪ.در این غشاها ، هیچ افزودنی موردنیاز نبوده و ﻣﺤﺪودﻳﺘﻲ در دﻣﺎی ﻓﺮآﻳﻨﺪ وﺟﻮد ﻧﺪارد. ﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن ﺑﻪ ﻛﻤﻚ ﺳﺮاﻣﻴﻚ، ﻳﻚ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺑﺎ اﻧﺘﺨﺎب ﭘﺬﻳﺮی ﺑﺎﻻﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﺪون ﺗﺒﺪﻳﻼت ﻓﺎزی اﺳﺖ. وﻟﻲ در ﻛﻨﺎر اﻳﻦ ﻣﺰاﻳﺎ،دارای معایبی از جمله هزینه بالای ساخت و مشکل بودن انجام اصلاحات بعدی برروی غشا میباشد.
در اﺑﺘﺪا ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺳﺮاﻣﻴﻜﻲ در ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژی ﺗﺼﻔﻴﻪ ﻓﺎﺿﻼب ﺑﻪ ﻛﺎر ﻣﻲ رﻓﺖ. اﻣﺎ اﻣﺮوزه، ﻛﺎرﺑﺮدﻫﺎی آﻧﻬﺎ، ﺗﻤﺎﻣﻲ ﺻﻨﺎﻳﻊ را ﭘﻮﺷﺶ ﻣﻲ دﻫﺪ ﻛﻪ اﻳﻦ ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﺪ ﺻﻨﺎﻳﻊ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺟﺪاﺳﺎزی ﭘﺎک ﻛﻨﻨﺪﻫﻬﺎ و ﻛﺎﺗﺎﻟﻴﺴﺘﻬﺎ، ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻓﻠﺰی ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺑﺎزﻳﺎﻓﺖ ﻓﻠﺰات ﺳﻨﮕﻴﻦ، ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻧﺴﺎﺟﻲ و ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻛﺎﻏﺬ و ﺧﻤﻴﺮ ﭼﻮب ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺟﺪاﺳﺎزی، ﺗﻐﻠﻴﻆ و آﺑﺰداﻳﻲ ﺑﻴﻮﻣﺲ و ﺧﺰه ﻫﺎ، ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻏﺬاﻳﻲ و آﺷﺎﻣﻴﺪﻧﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺗﻐﻠﻴﻆ آب ﻣﻴﻮه، اﺳﺘﺮﻳﻠﻴﺰاﺳﻴﻮن ﺷﻴﺮ و آب ﭘﻨﻴﺮ و ﺻﻨﺎﻳﻊ ﺑﺎزﻳﺎﻓﺘﻲ و ﻣﺤﻴﻂ زﻳﺴﺘﻲ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻛﺎﻫﺶ BOD/COD ، ﺑﺎزﻳﺎﺑﻲ آب از اﺳﺘﺨﺮﻫﺎی ﺷﻨﺎ و ﺑﺎزﻳﺎﻓﺖ داروﻫﺎ وآفت کشها رادربربگیرد.
شکل3-3 نمونه هایی از غشاهای سرامیکی
درغشاهای سرامیکی جریان یا محیطی که باید تصفیه شود،ازداخل کانال های حامل غشا عبور داده می شود.ذرات در صورتی که بزرگتراز شعاع حفرات غشا باشند،باقی مانده ونشست می کنندوماده تغلیظ شده ای را ایجاد می کنند.ماده صاف از درون حفرات نفوذ کرده و وارد مراحل مختلف فرآیند می شود.
پایه غشاهای سرامیکی متشکل از اکسید آلومینیوم یا کربید سیلیکون با حفرات باز است.این ماده نه تنها می تواند نفوذپذیری را بالا ببرد بلکه نیازهای مربوط به پایداری مکانیکی را نیز مرتفع می سازد.
3-3-2-4 غشاهای فلزی
اﻳﻦ ﻏﺸﺎﻫﺎ ﻛﻪ در ﺣﺎل ﺣﺎﺿﺮ ﺑﻴﺸﺘﺮ در آزﻣﺎﻳﺸﮕﺎه ﻫﺎی ﺗﺤﻘﻴﻘﺎﺗﻲ ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﻲ ﮔﻴﺮﻧﺪ، ﻣﻌﻤﻮﻻ از ﺟﻨﺲ ﻓﻮﻻد ﺿﺪزﻧﮓ، ﺳﻴﻠﻴﺲ، آﻟﻮﻣﻴﻨﻴﻮم، ﻧﻘﺮه، ﻧﻴﻜﻞ و ﺑﺮﺧﻲ از آﻟﻴﺎژﻫﺎ ﻫﺴﺘﻨﺪ. ﺧﺼﻮﺻﻴﺖ ﺑﺮﺟﺴﺘﻪ ای ﻛﻪ در راﺑﻄﻪ ﺑﺎ اﻳﻦ ﻏﺸﺎﻫﺎ مطرح است،مقاومت آنها در برابر خوردگی است.
در زﻣﻴﻨﻪ ﺟﺪاﺳﺎزی ﮔﺎز ﻛﻪ ﺑﻴﺸﺘﺮ ﺑﻪ ﺗﺨﻠﻴﺺ ﮔﺎز ﻫﻴﺪروژن ﺑﺮای ﭘﻴﻞ ﻫﺎی ﺳﻮﺧﺘﻲ ﻣﺮﺑﻮط ﻣﻲ ﺷﻮد، دﺳﺘﻪ ای از ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻓﻠﺰی ﺗﻮﺳﻌﻪ ﻳﺎﻓﺘﻪ اﻧﺪ. اﻟﺒﺘﻪ در ﺗﺼﻔﻴﻪ آب آﺷﺎﻣﻴﺪﻧﻲ و ﺣﺬف ﻣﻮاد آﻟﻲ ﻃﺒﻴﻌﻲ ﺑﻪ روش ﻟﺨﺘﻪ ﺳﺎزی و ﻣﻴﻜﺮوﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن ﻧﻴﺰ از ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻓﻠﺰی ﻫﻤﺮاه ﺑﺎ ﻫﻮادﻫﻲ ﻳﺎ ﺗﺰرﻳﻖ ﮔﺎز اوزون ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻳﻚ روش ﺟﺪﻳﺪ ﺑﺮای ﺣﺬف آﻟﻮدﮔﻲ ﻫﺎی آب ﺑﺎران اﺳﺘﻔﺎده ﺷﺪه و ﺛﺎﺑﺖ ﺷﺪه اﺳﺖ ﻛﻪ ﻏﺸﺎی ﻓﻠﺰی ﺑﺮای ﻛﺎﻫﺶ ﻣﻴﻜﺮوﺑﻬﺎ و ذرات آﻟﻮده ﻛﻨﻨﺪه از آب ﺑﺎران ﻛﺎﻓﻲ اﺳﺖ. ﺑﺮای حصول ﻏﺸﺎی ﻓﻠﺰی ﺑﺎ ﺧﻮاص وﻳﮋه، ﺟﻨﺲ ﭘﺎﻳﻪ و روش ﺳﺎﺧﺖ و ﭘﻮﺷﺶ دﻫﻲ آن اﻫﻤﻴﺖ ﺑﺴﻴﺎری دارد. ﺗﻘﺮﻳﺒﺎ اﻛﺜﺮ روﺷﻬﺎی ﺳﺎﺧﺖ، ﺷﺎﻣﻞ اﻳﺠﺎد ﺷﺮاﻳﻂ ﺧﺎص دﻣﺎ و ﻓﺸﺎر و ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ اﻧﺠﺎم ﺑﺮﺧﻲ ﻋﻤﻠﻴﺎت اﺻﻼﺣﻲ، ﺑﺮ روی ﭘﺎﻳﻪ ﻳﺎ ﻏﺸﺎی ﺳﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪه، اﺳﺖ. در اﻳﻦ راﺳﺘﺎ ﺧﻮاص ﻏﺸﺎﻫﺎ ﻧﻈﻴﺮ نفوذ ﭘﺬﻳﺮی، ﻇﺮﻓﻴﺖ ﻋﺒﻮر ﺳﻴﺎل، ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ، ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ و ﺣﺮارﺗﻲ ﺑﺎﻳﺪ ﻣﺪ ﻧﻈﺮ ﻗﺮار ﺑﮕﻴﺮد.
شکل 3-4 غشاهای فلزی
در راﺑﻄﻪ ﺑﺎ ﻋﻤﻠﻜﺮد اﻳﻦ ﻏﺸﺎﻫﺎ، ﻣﻄﺎﻟﻌﺎت اﺧﻴﺮ ﺑﺮ روی ﺳﺎﺧﺖ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻓﻠﺰی ﻣﺘﺮاﻛﻢ ﻣﺮﻛﺐ، ﺑﺎ ﺿﺨﺎﻣﺖ ﺣﺪود زﻳﺮ ﻣﻴﻜﺮون ﺗﺎ ﭼﻨﺪ ده ﻣﻴﻜﺮون و وﻳﮋﮔﻲ ﻫﺎ و ﻛﺎرﺑﺮدﻫﺎی آﻧﻬﺎ ﻣﺘﻤﺮﻛﺰ ﺷﺪه اﺳﺖ. ﺗﻮﺳﻌﻪ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻓﻠﺰی پایه دار ﻳﺎ ﻣﺮﻛﺐ ﺑﻴﺸﺘﺮ ﺑﻪ دﻟﻴﻞ ﻛﺎﻫﺶ ﻫﺰﻳﻨﻪ های ﻣﻮاد، ﺑﻬﺒﻮد اﺳﺘﺤﻜﺎم ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ و اﻣﻜﺎن ﻧﻔﻮذ ﺑﻴﺸﺘﺮ ﻣﻮاد ﻣﻴﺒﺎﺷﺪ.
ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻣﺮﻛﺐ ﻓﻠﺰی دارای ﭘﺎﻳﻪ ﻫﺎﻳﻲ از ﺟﻨﺲ ﻓﻠﺰ، ﺳﺮاﻣﻴﻚ ﻳﺎ ﭘﻠﻴﻤﺮ ﻫﺴﺘﻨﺪ. اﻟﺒﺘﻪ در اﻛﺜﺮ ﻣﻮارد اﺳﺘﻔﺎده از ﻓﻮﻻد ﺿﺪزﻧﮓ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﭘﺎﻳﻪ ﻏﺸﺎی ﻓﻠﺰی ﭘﻴﺸﻨﻬﺎد ﺷﺪه اﺳﺖ. ﺳﺎﺧﺖ ﻏﺸﺎ ﺑﺎ اﻳﻦ ﻓﻠﺰ ﻫﺰﻳﻨﻪ ﻛﻢ واستحکام ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ ﺑﺎﻻﻳﻲ داﺷﺘﻪ و در اﻛﺜﺮ ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﺻﻨﻌﺘﻲ ﺗﻮﻟﻴﺪ و ﺧﺎﻟﺺ ﺳﺎزی ﻫﻴﺪروژن، از ﻟﺤﺎظ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ ﺑﻲ اﺛﺮ اﺳﺖ.از ﺟﻤﻠﻪ روﺷﻬﺎی ﻣﺘﺪاول در ﺳﺎﺧﺖ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻓﻠﺰی، روش ﺗﺮﻛﻴﺐ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ، ﺗﺮﻛﻴﺐ اﻟﻜﺘﺮوﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ، ﺗﺮﻛﻴﺐ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ و ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ ﺑﺨﺎر، روش ﭘﺎﺷﺶ ﭘﻮدر ﺧﻴﺲ و ﻏﻠﻄﻚ ﻛﺎری ﻣﻲ ﺑاشد.
3-3-3 تقسیم بندی بر اساس شکل هندسی غشا
ﻏﺸﺎﻫﺎ را ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﺮ اﺳﺎس ﺷﻜﻠﺸﺎن ﺑﻪ اﻧﻮاع ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺻﻔﺤﻪ ای، ﻟﻮﻟﻪ ای ، ﻣﺎرﭘﻴﭽﻲ و اﻟﻴﺎف ﻣﻴﺎن ﺗﻬﻲ ﺗﻘﺴﻴﻢ ﻛﺮد.
ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻣﺎرﭘﻴﭽﻲ را ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﺮ ﺣﺴﺐ ﻧﻴﺎز، در دﻣﺎﻫﺎ و ﻓﺸﺎرﻫﺎی ﺑﺎﻻ ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار داد. ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻟﻮﻟﻪ ای در ﻏﻠﻈﺖ ﻫﺎی ﺑﺎﻻﻳﻲ از ﺟﺎﻣﺪ ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﻴﮕﻴﺮﻧﺪ.
جدول 3-1 مقایسه انواع مختلفی از غشاها
شکل3-5 نمونه ای از غشای الیاف میان تهی
شکل3-6 نمونه ای از غشای مارپیچی
ﻏﺸﺎﻫﺎ در داﺧﻞ ﻣﺤﻔﻈﻪ ای ﻗﺮار ﻣﻲ ﮔﻴﺮﻧﺪ ﻛﻪ ﺗﺤﺖ ﻋﻨﻮان ﻣﺪول اﻃﻼق ﺷﻮد. نوع ﺟﺮﻳﺎن در ﺳﻄﺢ ﻏﺸﺎ و ﻧﻴﺰ ﻧﺤﻮه ﺣﺮﻛﺖ ﺳﻴﺎل ﺑﺴﺘﮕﻲ ﺑﻪ ﻧﻮع ﻣﺪول اﻧﺘﺨﺎﺑﻲ دارد. در واﻗﻊ ﻣﺪول ﺑﻪ ﻣﻨﻈﻮر ﻧﮕﻬﺪاری ﻏﺸﺎ، ﻛﻨﺘﺮل ﺣﺮﻛﺖ ﺳﻴﺎل و اﻓﺰاﻳﺶ ﻧﺴﺒﺖ ﺳﻄﺢ ﺑﻪ ﺣﺠﻢ ﺑﻪ ﻛﺎر ﻣﻲ رود .در هرﻣﺪول ، ﻏﺸﺎﻫﺎ ﺑﻪ همراه ﻧﮕﻬﺪارﻧﺪه ها وپایه های خود در ﻳﻚ ﺷﻜﻞ ﻫﻨﺪﺳﻲ ﺧﺎص ﻗﺮار ﻣﻲ ﮔﻴﺮند ﻛﻪ دارای ﻣﺠﺮاﻫﺎﻳﻲ ﺑﺮای ورود ﺧﻮراک، ﺗﻮزﻳﻊ ﺧﻮراک و ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ جمع آوری ﻣﻮاد ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ.
انواع مدول:
* صفحه ای
* لوله ای
* مارپیجی
* فیبر تو خالی
* رشته ای
* کارتیج
هر کدام از این مدول ها براساس ویژگی ها و مزایایی که دارند می توانند کاربرد های متفاوتی داشته باشند.
شکل3-7 مدول غشا
شکل3-8 مدول غشای لوله ای
3-3-4 تقسیم بندی بر اساس ساختار غشا
ﺑﺮاﺳﺎس ﺳﺎﺧﺘﻤﺎن ﻏﺸﺎﻫﺎ ﻣﻲ ﻛﺮد ﺗﻮان آﻧﻬﺎ را ﺑﻪ دو دﺳﺘﻪ ﻣﺘﻘﺎرن و ﻧﺎﻣﺘﻘﺎرن ﺗﻘﺴﻴﻢ کرد .در دو ﺳﻤﺖ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻣﺘﻘﺎرن، اﺑﻌﺎد ﺣﻔﺮات و ﺗﻮزﻳﻊ آﻧﻬﺎ ﻳﻜﺴﺎن ﻣﻲ ﺑﺎﺷد . ﺿﺨﺎﻣﺖ اﻳﻦ ﻧﻮع ﻏﺸﺎﻫﺎ ﺑﻴﻦ 100-200میکرون است . ﻫﺮﻗﺪر ﺿﺨﺎﻣﺖ ﻏﺸﺎﻫﺎ زیاد ﺗﺮ ﺑﺎﺷﺪ، ﻣﻘﺎوﻣﺖ در ﺑﺮاﺑﺮ اﻧﺘﻘﺎل ﺟﺮم زﻳﺎد ﺑﻮده و از ﻃﺮف دﻳﮕﺮ ﺑﺎ ﻛﺎﻫﺶ ﺿﺨﺎﻣﺖ، ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲآن ﻛﺎﻫش می ﻳﺎﺑﺪ ﻛﻪ ﺑﺮای ﺣﻞ اﻳﻦ مشکلات از ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻧﺎﻣﺘﻘﺎرن ﻛﻪ در آﻧﻬﺎ اﺑﻌﺎد ﺣﻔﺮات و ﺗﻮزﻳﻊ آﻧﻬﺎ ﻳﻜﺴﺎن ﻧﻴﺴﺖ اﺳﺘﻔﺎده میﻛﻨﻨﺪ. اﻳﻦ ﻏﺸﺎﻫﺎ از دوﻻﻳﻪ ﺗﺸﻜﻴﻞ یافته اند در آن ﻳﻚ ﻻﻳﻪ ﻓﻌﺎل ﺑﺎ ﺿﺨﺎﻣﺖ ﻛﻤﺘﺮ و ﻣﺘﺮاﻛﻢ ﺗﺮ وﺟﻮد دارد ﻛﻪ در آن ﺟﺪاﺳﺎری ﺻﻮرت میﮔﻴﺮد. ﻻﻳﻪ دﻳﮕﺮ ﻛﻪ ﺑﻪ ﺻﻮرت ﭘﺎﻳﻪ ﻋﻤﻞ میﻛﻨﺪ و ﺣﻔﺮات ﺑﺰرﮔﺘﺮی دارد، ﺑﺮ ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻣﻜﺎﻧﻴﻜﻲ ﻻﻳﻪ اول ﻣﻲاﻓﺰاﻳﺪ. اﻟﺒﺘﻪ در اﻳﻦ ﻧﻮع ﻏﺸﺎﻫﺎ هر دو ﻻﻳﻪ از ﻳﻚ ﻣﺎده ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ. ﻳﻜﻲ دﻳﮕﺮ از اﻧﻮاع ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻧﺎﻣﺘﻘﺎرن ﻛﻪ ﺗﺤﺖ ﻋﻨﻮان ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻣﺮﻛﺐ ﻳﺎ ﻛﺎﻣﭙﻮزﻳﺘﻲ ﻫﺴﺘﻨﺪ، دو ﻻﻳﻪ از دو ﺟﻨﺲ ﻣﺘﻔﺎوت ﺑﻮده و روش ﺳﺎﺧﺖ و اﺗﺼﺎل آﻧﻬﺎ ﻧﻴﺰﺗﻔﺎوت ﻫﺎﻳﻲ ﺑﺎ ﻳﻜﺪﻳﮕﺮدارند . ﻋﻼوه ﺑﺮاﻳﻦ ﻣﻮارد، ﻏﺸﺎﻫﺎ را از ﻟﺤﺎظ ﺗﺨﻠﺨﻞ ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﻪ دو دﺳﺘﻪ ﻣﺘﺨﻠﺨﻞ و ﻏﻴﺮ ﻣﺘﺨﻠﺨﻞ ﺗﻘﺴﻴﻢ کرد.ﻛﺎرا ﻳﻲ ﺳﻴﺴﺘﻢ ﻣﻮﻓﻖ ﺗﺎ ﺣﺪود زﻳﺎدی ﺑﻪ ﺗﺨﻠﺨﻞ ﻣﺤﻴﻂ ﺑﺴﺘﮕﻲ دارد .ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﺗﺨﻠﺨﻞ اﻧﻮاع ﻏﺸﺎﻫﺎ بر حسب محیط کاربرد،شامل فیلترهای لیفی،غشاهای متخلخل پلیمری،مواد متخلخل سرامیکی،مواد مویینه و… می باشند.
3-4 فرآیند های غشایی
اﻣﺮوزه ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺳﻨﺘﺰی ﺑﺎ ﻗﺎﺑﻠﻴﺘﻬﺎی ﺟﺪاﺳﺎزی ﺑﺎﻻ در ﺑﺴﻴﺎری از ﺻﻨﺎﻳﻊ، ﺗﻮاﻧﺴﺘﻪ اﻧﺪ ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ﻫﺎی زﻳﺎدی داﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﻨﺪ. ﺻﻨﺎﻳﻊ و ﻛﺎرﺧﺎﻧﺠﺎت، ﺳﺮﻣﺎﻳﻪ ﮔﺬاری ﺧﻮد را در ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﺟﺪاﺳﺎزی ﺑﺮ روی ﻏﺸﺎﻫﺎ ﻣﺘﻤﺮﻛﺰ ﻛﺮده اﻧﺪ ﺗﺎ ﻣﻌﺎﻳﺐ ﺳﺎﻳﺮ روش ﻫﺎ ﻣﺎﻧﻨﺪ تقطیر و ﻳﺎ اﺳﺘﺨﺮاج را ﻣﺮﺗﻔﻊ ﺳﺎزﻧﺪ .
ﻫﻔﺖ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺟﺪاﺳﺎزی ﻋﻤﺪه درﺑﺴﻴﺎری از زﻣﻴﻨﻪ ﻫﺎ ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﻲ ﮔﻴﺮﻧﺪ ﻛﻪ ﺗﻮﺟﻪ و ﺗﻤﺎﻳﻞ ﺑﻴﺸﺘﺮی ﺑﻪ ﺣﻔﺎﻇﺖ از ﻣﺤﻴﻂ زﻳﺴﺖ، ﺗﻘﺎﺿﺎ ﺑﺮای آب ﺗﻤﻴﺰ و ﺑﺎزده اﻧﺮژی ﺑﺎﻻ اﺳﺘﻔﺎده از اﻳﻦ ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﻏﺸﺎﻳﻲ را اﻓﺰاﻳﺶ داده اﺳﺖ.که این فرآیندهای غشایی شامل:
3-4-1 میکروفیلتراسیون
3-4-2 اولترافیلتراسیون
3-4-3 نانوفیلتراسیون
3-4-4 اسمزمعکوس
3-4-5 الکترودیالیز
3-4-6 جداسازی گازی
3-4-7 تراوش تبخیری
می باشندکه در ادامه به اختصار به تشریح این فرآیندها می پردازیم.
3-4-1 میکروفیلتراسیون(MF)
ﻓﺮاﻳﻨﺪی ﻛﻪ در آن اﻧﺪازه ﺣﻔﺮات ﺑﻴن 0.1-10 ﻣﻴﻜﺮون ﺑﻮده و ﻣﻴﻜﺮو ارﮔﺎﻧﻴﺰم ﻫﺎ ﻧﻤﻲ ﺗﻮاﻧﻨﺪ از آن ﻋﺒﻮر ﻛﻨﻨﺪ,ﻣﻴﻜﺮوﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن گفته می ﺷﻮد. اﻳﻦ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺑﺮای ﺟﺪاﺳﺎزی ﻣﻮادی ﺑﺎ ﺳﺎﻳﺰ ﻛﻠﻮﺋﻴﺪی ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ ﻛﻪ از ﻣﻜﺎﻧﻴﺴﻢ ﻏﺮﺑﺎﻟﻲ ﺑﺮای باﻗﻲ ﻣﺎﻧﺪن ذرات ﺑﺰرﮔﺘﺮ از اﻧﺪازه ﻗﻄﺮ ﺣﻔﺮات استفاده ﻣﻲﻛﻨﺪ.نیروی محرکه این فرآیند اختلاف فشار است.اﻳﻦ ﻏﺸﺎﻫﺎ در ﺻﻨﺎﻳﻊ داروﻳﻲ و ﻏﺬاﻳﻲ ﻛﺎرﺑﺮد وﺳﻴﻌﻲ دارﻧﺪ.
شکل3-9 فرآیند جداسازی میکروفیلتراسیون
3-4-2 اولترافیلتراسیون(UF)
اولترافیلتراسیون بیشتر درجداسازی محلولی که به صورت مخلوطی از مواد مطلوب ونامطلوب است به کارمی رود.اولترافیلتراسیون تاحدی بستگی به عواملی چون بار و اندازه ی ذره دارد. انواع گونه هایی که از این غشاها برگشت داده می شود شامل بیومولکول ها ،پلیمرها وذرات کلوئیدی است.نیروی محرکه برای انتقال از غشا ،اختلاف فشار می باشد.فرآیندهای اولترافیلتراسیون در2-10bar کار می کنند که البته در بعضی از موارد امکان کار در فشارهای بالای 25-30bar نیز وجود دارد.در این فرآیند زلال سازی خوراک ،تغلیظ حل شونده برگشت داده شده وجزبه جز کردن حل شونده انجام میشود. این روش در جداسازی جریان های آلی روش چندان موثری نیست. غشاهایUFقادر به نگهداری گونه هایی هستند که دارای وزن مولکولی در محدوده 500000-300دالتون واندازه حفرات از1000-10آنگستروم باشد.این روش معمولاًدر جداسازی ماکرومولکول هایی نظیر پروتئین ها،از حلال های با جرم مولکولی پایین کاربرد دارند.حفرات لایه پایینی غشا به طور نسبی بزرگتر از لایه ی سطحی بوده وهنگامی که حلال درون غشا جریان می یابد، گونه های باقی مانده بر روی سطح غشا متمرکز شده و مقاومتی در برابر جریان ایجاد می کنند. در فرآیند سوسپانسیونی نیز به صورت لایه متخلخل بر روی سطح غشا جمع می شوند.فرآیندUF بستگی به خواص فیزیکی غشا مانند نفوذ پذیری، ضخامت، متغیرهای فرآیندی مانند مصرف خوراک،غلظت خوراک، فشار سیستم، سرعت ودما دارد.محدوده کاربردی این روش در تصفیه زایدات امولسیونی نفت، تغلیظ ماکرومولکول های بیولوژیکی و تغلیظ پروتئین های حساس به حرارت برای افزودنی های غذایی است.
شکل3-10 فرآیند جداسازی اولترافیلتراسیون
3-4-3 نانو فیلتراسیون(NF)
ﻧﺎﻧﻮﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴون ﺷﻜﻠﻲ ازفیلتراسیون اﺳﺖ ﻛﻪ ﻏﺸﺎﻫﺎ را ﺑﻪ منظور ﺟﺪاﺳﺎزی ﺳﻴﺎﻻتﻳﺎ ﻳﻮنﻫﺎی ﮔﻮﻧﺎﮔﻮن ﺑﻪ ﻛﺎرﻣﻲﮔﻴﺮد.ﻧﺎﻧﻮﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن ﺑﻪ ﺻﻮرت اﺳﻤﺰ ﻣﻌﻜﻮسﻣﻼﻳﻢﺗﺮیﻋﻨﻮانﻣﻲﮔﺮدد، ﭼﺮا ﻛﻪ ﺣﻔﺮات غشاﻳﻲﺑﺰرﮔﺘﺮی در ﻣﻘﺎﻳسه با ﻏﺸﺎﻫﺎی اﺳﻤﺰ ﻣﻌﻜﻮس دارد. ﺑﻪ دلیل اینکه این ﻏﺸﺎﻫﺎ ﻓﺸﺎرﻫﺎیﺑﺴﻴﺎر ﭘﺎﻳﻴﻦﺗﺮی ﻛﺎر ﻛﺮده و برخی از ﻣﻮاد ﻣﻌﺪﻧﻲ را از ﺧﻮد ﻋﺒﻮرﻣﻲ دهند. NF می ﺗﻮاﻧﺪ درمواردی ﻛﻪ ﺣﺬف بالای ﻣﻮاد آلی ﻣﻮردﻧﻴاز اﺳﺖ و همچنین ﺣﺬف ﻣﺘﻮﺳﻂ ﻣﻮاد ﻣﻌﺪﻧﻲ ﻛﺎرﺑﺮد داﺷﺘﻪ باشد. اﻳن روش ﻗﺎدر به تغلیظ ﺷﻜﺮ، ﻧﻤﻚ های دوﻇﺮﻓﻴﺘﻲو ﭘﺮوﺗﺌﻴﻦ ﻫﺎ ﻣﻲﺑﺎﺷﺪ. ﻣﺰﻳﺖ این روش ﺑﺮ اﺳﻤﺰ ﻣﻌﻜﻮس این اﺳﺖ ﻛﻪ نانوفیلتراسیون معمولاً درﺑﺎزﻳﺎﻓﺖ ﻫﺎی ﺑﺎﻻﺗﺮی ﻛﺎر ﻣﻲ ﻛﻨﺪ در ﻧﺘﻴجه، در آب ﻛﻞ مصرفی صرفه ﺟﻮﻳﻲ ﺧﻮاﻫﺪ ﺷﺪ ﻛﻪ ناشی از ﺳﺮﻋﺖ جریان ﺑﺎ ﻏﻠﻈﺖ پاﻳﻴﻦ تر اﺳﺖ . وﻟﻲاﻳﻦ روش در ﻣﻮرد ﺗﺮﻛﻴﺒﺎت آﻟﻲ ﺑﺎ ﺟﺮم مولکولی ﭘﺎﻳﻴﻦ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻣﺘﺎﻧﻮل، ﻣﺆﺛﺮ نیست. ﻧﺎﻧﻮﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن از ﻧﻈﺮهزینه انرژی و دﻓﻊ ﻳون وابعاد ﺣﻔﺮات، در بین روﺷﻬﺎی دیگرشرایط بهینه ای را ایجاد کرده است.بایک نانو فیلتر می توان میزان غلظت یک باکتری رادر یک محصول غذایی محلول به صفر رساند.
شکل 3-11 فرآیند جداسازی نانو فیلتراسیون
3-4-4 اسمزمعکوس(OR)
فرآیند اسمز معکوس قادر به حذف جامدات حل شده، باکتری ها، ویروس وسایر مواد میکروبی داخل آب می باشد.اسمز معکوس اساساً یک فرآیند غشایی نفوذی است که براساس نیروی محرکه فشاری عمل می کند.این فرآیند عمدتاً برای شیرین سازی آب دریا مورد استفاده قرار می گیرد.ویژگی برجسته اسمز معکوس این است که هیچ تغییرفازی در آن وجود نداشته و مصرف انرژی نسبتاً پایینی دارد.تقریباً تمامی غشاهای اسمز معکوس از جنس پلیمرهایی با ترکیبات پلی آمیدی واستات سلولز می باشند.غشاهای فرآیند اسمز معکوس معمولاً در دو نوع غشاهای نا متقارن وغشاهای کامپوزیتی نازک فیلمی هستند.
شکل 3-12 فرآیند جداسازی اسمز معکوس
این غشاها کوچکترین ساختار حفرات را با اندازه قطر حفرات در محدوده 0.5-1.5 نانومتر را دارا هستند.در این غشاها بیشتراز 95-99%از نمک های معدنی وترکیبات آلی بار دار شده به دلیل دافعه بار الکتریکی سطح غشا،دفع می شوند.کاربرد این روش در صنایع آب آشامیدنی،صنایع غذایی،صنایع الکترونیکی،کاغذ سازی وبسیاری از موارد دیگر است.
شکل(3-13) تفاوت فرآیندهای اسمز معکوس، میکرو فیلتراسیون، اولترافیلتراسیون ونانو فیلتراسیون در اندازه ذرات عبوری از غشا است.این تفاوت باعث پیدایش تفاوت در ساختار، نحوه ی سنتزوساخت غشاها و همچنین شرایط عملیاتی هریک از فرآیند ها می شود.
شکل3-13
3-4-5 الکترودیالیز(ED)
اﻟﻜﺘﺮودﻳﺎﻟﻴﺰ ﻛﻪ در آن، ﻳﻮﻧﻬﺎ از ﻃﺮﻳﻖ ﻏﺸﺎ از ﻳﻚ ﻣﺤﻠﻮل ﺑﻪ ﻣﺤﻠﻮل دﻳﮕﺮ ﺗﺤﺖ اﺧﺘﻼف ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﻋﺒﻮر داده ﻣﻲ شوند، ﺑﺮای اﻧﻮاع زﻳﺎدی از ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎ ﻧﻈﻴﺮ ﺗﻐﻠﻴﻆ ﻧﻤﻚ ﻫﺎ، ﺟﺪاﺳﺎزی اﺳﻴﺪﻫﺎ و ﺑﺎزﻫﺎ از ﻣﺤﻠﻮل های آبی وجداسازی ترکیبات ﻳﻮﻧﻲ از ﻣﻮﻟﻜﻮﻟﻬای ﻏﻴﺮ ﺑﺎردار ﺑﻪ ﻛﺎر ﻣﻲ رود. اﻳﻦ ﻏﺸﺎﻫﺎ ﻣﻌﻤﻮﻻ از ﭘﻠﻲ اﺳﺘﺎﻳﺮن ﺑﺎ اﺗﺼﺎﻻت ﻋﺮﺿﻲ ﺳﻮﻟﻔﺎﺗﻪ ﺗﺸﻜﻴﻞ ﺷﺪه اﻧﺪ. اﻳﻦ ﺳﻴﺴﺘﻢ ﻣﺘﺸﻜﻞ از دو ﻧﻮع ﻏﺸﺎی آﻧﻴﻮﻧﻲ و ﻛﺎﺗﻴﻮﻧﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ در ﻳﻚ ﻣﻴﺪان اﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﻗﺮار داده ﺷﺪه اﺳﺖ.اﻳﻦ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺑﺮای ﺗﻮﻟﻴﺪ آب با خلوص بالا به کار می رود.
شکل3-14 فرآیند جداسازی الکترودیالیز
3-4-6 جداسازی گازی
تکنولوژی جداسازی گازی حدود 10سال است که توسعه چشمگیری یافته و به یکی از عملیات واحد مهم تبدیل شده است.اﻳﻦ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﻜﻤﻠﻲ ﺑﺮای ﺟﺬب ﺳﻄﺤﻲ و ﺗﻘﻄﻴﺮ دﻣﺎ پایین ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﻲ ﮔﻴﺮد. ﻋﻤﺮ ﻏﺸﺎﻫﺎ در ﻓﺮاﻳﻨﺪجداسازی گازها در صورت عبور خوراک تمیز10سال بوده و ﻣﺼﺮف کم اﻧﺮژی ﺑﺮای ﺟﺪاﺳﺎزی، ﺳﺎدگی فراﻳﻨﺪ و ﺣﺠﻢ و وزن ﻛﻢ تجهیزات از ﻣﺰاﻳﺎی اﻳﻦ ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژی اﺳﺖ ﻛﻪ در ﻣﻨﺎﻃﻖ دور اﻓﺘﺎده ﻛﻪ اﻣﻜﺎن ﺣﻀﻮر ﺗﻤﺎم وﻗﺖ نیروی اﻧﺴﺎﻧﻲ وﺟﻮد ﻧﺪارد، می ﺗﻮان ﺑﺎ اﺳﺘﻔﺎده از اﻳﻦ ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژی ﺑﺪون نیاز ﺑﻪ ﺣﻀﻮر اﻧﺴﺎن و ﻳﺎ ﺑﺎ حداقل ﻧﻴﺮوی اﻧﺴﺎ ﻧﻲ ﺑﺮ ﻋﻤﻠﻜﺮد ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﻧﻈﺎرت ﻛﺮد . اﻳﻦ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺗﺤﺖ ﺗﺎﺛﻴﺮ ﺳﻪ ﺷﺎﺧﺺ ﻋﻤﻠﻜﺮد ﻛﻠﻴﺪی ﻣﺮﺑﻮط ﺑﻪ ﻏﺸﺎ اﺳﺖ ﻛﻪ ﻋﺒﺎرﺗﻨﺪ از اﻧﺘﺨﺎب ﭘﺬﻳﺮی ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﮔﺎزﻫﺎی ﺟﺪاﺷﺪه، ﺷﺎر ﻏﺸﺎﻳﻲ ﻳﺎ ﻧﻔﻮذﭘﺬﻳﺮی و ﻃﻮل ﻋﻤﺮﻏﺸﺎ و ﻫﺰﻳﻨﻪ ﻫﺎی ﻧﮕﻬﺪاری و ﺟﺎﺑﺠﺎیی.ﻋﻤﺪه ﺗﺮﻳﻦ ﻣﺘﻘﺎﺿﻴﺎن ﺗﺤﻘﻴﻘﺎت در زﻣﻴﻨﻪ ﺟﺪاﺳﺎزی ﻏﺸﺎﻳﻲ ﮔﺎزﻫﺎ در ﻛﺸﻮر، ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻧﻔﺖ، ﮔﺎز و ﭘﺘﺮوﺷﻴﻤﻲ ﻫﺴﺘﻨﺪ. اﻳﻦ ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻓﻨﺎوری ﺟﺪاﺳﺎزی ﻏﺸﺎﻳﻲ ﮔﺎزﻫﺎ را ﺑﺮای ﺑﺎزﻳﺎﻓﺖ ﻫﻴﺪروژن و ﻫﻴﺪروﻛﺮﺑﻦ ﻫﺎ در ﭘﺎﻻﻳﺸﮕﺎه ﻫﺎ، ﺷﻴﺮﻳﻦ ﺳﺎزی ﮔﺎزﻫﺎی ﺗﺮش، ﺧﺎﻟﺺ ﺳﺎزی و اﺳﺘﻔﺎده ﻣﺠﺪد از ﮔﺎزﻫﺎی ﺗﺰرﻳﻘﻲ ﺑﻪ ﭼﺎه در ازدیاد ﺑﺮداﺷﺖ از ﭼﺎﻫﺎی ﻧﻔﺖ و ﮔﺎز، ﺟﺪاﺳﺎزی ﻫﻮا و ﺗﻮﻟﻴﺪ ﻧﻴﺘﺮوژن و ﻧﻢ زداﻳﻲ ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﻲ دهند.
شکل3-15 فرآیند جداسازی گازی
3-4-7 تراوش تبخیری
در اﻳﻦ ﻓﺮاﻳﻨﺪ، ﺟﺬب ﻳﻜﻲ از اﺟﺰا ﻣﺎﻳﻊ ﺗﻮﺳﻂ ﻏﺸﺎ اﻧﺠﺎم می شود ﻛﻪ در آن، ﻧﻔﻮذ اﻳﻦ ﺟﺰ در ﻏﺸﺎ و ﺗﺒﺨﻴﺮ آن، ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻳﻚ ﺑﺨﺎر ﻗﺎﺑﻞ ﻧﻔﻮذ در ﺧﻼء ﺟﺰﺋﻲ ﺑﻪ ﻛﺎر رﻓﺘﻪ در ﺑﺨﺶ زﻳﺮﻳﻦ ﻏﺸﺎ اﻧﺠﺎم می شود. ﺗﺮاوش ﺗﺒﺨﻴﺮی ﺑﺮای ﺟﺪاﺳﺎزی ﻣﺎﻳﻌﺎت اﻣﺘﺰاج ﭘﺬﻳﺮ ﺑﻪ ﻛﺎر ﻣﻲ رود. این روش به دلیل تغییر فاز جداکننده از سایر فازها متمایز شده است.اﻧﺘﻘﺎل ﺟﺮم در ﻃﻮل ﻏﺸﺎ ﻣﺘﺎﺛﺮ از ﮔﺮادﻳﺎن ﻓﺸﺎر ﺑﺨﺎر در ﻃﻮل ﻏﺸﺎ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ. ﻛﺎرﺑﺮد اﻳﻦ ﻏﺸﺎ در ﺟﺪاﺳﺎزی ﻣﺨﻠﻮط آب و اﺗﺎﻧﻮل، ﺑﺎزﻳﺎﻓﺖ ﺣﻼل و ﻏﻨﻲ ﺳﺎزی آﻻﻳﻨﺪه ﻫﺎی آﻟﻲ اﺳﺖ. مزایای این روش صرفه اقتصادی آن برای مخلوط موادی است که تفاوت کمی در نقطه جوش آنها وجود داشته ویا آزئتروپی هستند.
شکل3-16 فرآیند جداسازی تراوش تبخیری
ﻋﻼوه ﺑﺮ روش ﻫﺎی ﮔﻔﺘﻪ ﺷﺪه، ﺑﺴﻴﺎری از ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژی ﻫﺎی ﺟﺪﻳﺪ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺗﺒﺎدل ﻳﻮﻧﻲ، ﭘﻴﻞ ﻫﺎی ﺳﻮﺧﺘﻲ،اﺳﺘﺨﺮاج ﻏﺸﺎﻳﻲ ﻣﺎﻳﻊ، ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻛﭙﺴﻮﻟﻲ، راﻛﺘﻮرﻫﺎی ﻏﺸﺎﻳﻲ، ﺗﻘﻄﻴﺮ ﻏﺸﺎﻳﻲ، ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺷﺒﻪ ﻣﺎﻳﻊ اﻟﻜﺘﺮوﺳﺘﺎﺗﻴﻜﻲ و ﺑﺴﻴﺎری از ﻣﻮارد ﻧﻴﺰ در ﺣﺎل ﺗﻮﺳﻌﻪ و ورود ﺑﻪ ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻫﺴﺘﻨﺪ. ﻧﻜﺘﻪ ﺣﺎﺋﺰ اﻫﻤﻴﺖ در اﻳﻦ راﺑﻄﻪ اﻳﻦ اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ویژگی های ﻓﺮاﻳﻨﺪی، ﻣﻲ ﺗﻮان ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﻏﺸﺎﻳﻲ را ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻫﺎی ﻧﺎﭘﻴﻮﺳﺘﻪ و ﭘﻴﻮﺳﺘﻪ و ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﭼﻨﺪ ﻣﺮﺣﻠﻪ ای اﻧﺠﺎم داد.
جدول3-2 وضعیت فرآیند های غشایی
3-5 نحوه ساختن غشا وبررسی خواص غشا
در ﺣﺎل ﺣﺎﺿﺮ ﻏﺸﺎءﻫﺎ ﺟﺎﻳﮕﺎه وﻳﮋه ای در ﺻﻨﺎﻳﻊ ﺟﺪاﺳﺎزی ﻣﺨﺘﻠﻒ ﭘﻴﺪا ﻛﺮده اﻧﺪ و کاربردهای وﺳﻴﻌﻲ در زﻣﻴﻨﻪ ﻫﺎی ﮔﻮﻧﺎﮔﻮن ﺟﺪاﺳﺎزی اﻋﻢ از ﻣﺤﻠﻮﻟﻬﺎی ﻣﺎﻳﻊ و ﮔﺎزﻫﺎ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻳﺎﻓﺘﻪ اﻧﺪ ﻛﻪ از آن ﺟﻤﻠﻪ ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﻪ ﻛﺎرﺑﺮد در ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻏﺬاﻳﻲ و ﻟﺒﻨﻲ ﺑﺮای ﺟﺪاﺳﺎزی ﭘﺮوﺗﺌﻴﻨﻬﺎ و ﺗﻐﻠﻴﻆ ﺷﻴﺮ، ﺻﻨﺎﻳﻊ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ و ﭘﺎﻻﻳﺸﮕﺎﻫﻲ ﺑﺮای ﺟﺪاﺳﺎزی ﮔﺎزﻫﺎ، ﺻﻨﻌﺖ ﺗﺼﻔﻴﻪ آب و ﭘﺴﺎب ﺑﺮای ﺣﺬف آلاینده ﻫﺎی ﮔﻮﻧﺎﮔﻮن و داروﺳﺎزی ﺑﺮای ﺗﺨﻠﻴﺺ ﻓﺮآﻳﻨﺪﻫﺎی ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻧﺎم ﺑﺮد .
ﻏﺸﺎء ﻳﻚ ﻓﺎز ﺗﺮاوا ﻳﺎ ﻧﻴﻤﻪ ﺗﺮاوا اﺳﺖ ﻛﻪ در ﺑﺮاﺑﺮ ﻋﺒﻮر ﺑﻌﻀﻲ از ذرات ﺑﻪ ﺻﻮرت اﻧﺘﺨﺎﺑﻲ ﻣﻤﺎﻧﻌﺖ اﻳﺠﺎد ﻣﻲ ﻛﻨﺪ و ﻳﺎ ﺑه عبارتی دﻳﮕﺮ ﺑﻄﻮر اﻧﺘﺨﺎﺑﻲ اﺟﺎزه ﻋﺒﻮر ذرات را ﻣﻲ ﻫﺪ. ﻫﻤﺎﻧﻄﻮر ﻛﻪ در ﺷﻜﻞ (3-16) ﻧﺸﺎن داده ﺷﺪه اﺳﺖ ﺧﻮراک ﺗﻮﺳﻂ ﻏﺸﺎء ﺑﻪ دو ﺟﺮﻳﺎن ﺷﺎﻣﻞ ﺟﺮﻳﺎن ﭘﺲ ﻣﺎﻧﺪ (ﺑﺨﺸﻲ از ﺧﻮراک ﻛﻪ ﻧﻤﻲ ﺗﻮاﻧﺪ از ﻏﺸﺎء ﻋﺒﻮر ﻛﻨﺪ ) و ﺟﺮﻳﺎن ﻋﺒﻮری (ﺑﺨﺸﻲ از ﺧﻮراک ﻛﻪ از ﻏﺸﺎء عبور می نماید)تقسیم می گردد.
شکل3-17 شماتیک جداسازی اجزاءیک مخلوط توسط فرآیند های غشایی
ﺑﻪ ﻃﻮر ﻛﻠﻲ ﻣﻮادی ﻛﻪ ﺑﺮای ﺳﺎﺧﺖ ﻏﺸﺎء ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﻲ ﮔﻴﺮﻧﺪ را ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﻪ ﺳﻪ دﺳﺘﻪ ﺗﻘﺴﻴﻢ ﻛﺮد:
* ﭘﻠﻴﻤﺮﻫﺎی ﺳﻨﺘﺰشده ﻣﺎﻧﻨﺪ ﭘﻠﻲ آﻣﻴﺪﻫﺎ، ﭘﻠﻲ ﺳﻮﻟﻔﻮﻧﻬﺎ، ﻻﺳﺘﻴﻜﻬﺎی ﺳﻴﻠﻴﻜﻮﻧﻲ و ﭘﺮﻓﻠﻮروﭘﻠﻴﻤﺮﻫﺎ ﻛﻪ ﺟﺰء ﻣﻬﻤﺘﺮﻳﻦ ﻣﻮاد ﭘﻠﻴﻤﺮی ﺳﻨﺘﺰ ﺷﺪه ﺑﺮای ﺳﺎﺧﺖ ﻏﺸﺎءﻫﺎ ﻫﺴﺘﻨﺪ.
* ﻣﻮاد ﻃﺒﻴﻌﻲ ﺳﻨﺘﺰ ﺷﺪه ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻣﻮاد ﺑﺮ ﭘﺎﻳﻪ ﺳﻠﻮﻟﺰ
* ﻣﻮاد ﻣﺨﺘﻠﻒ دﻳﮕﺮ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻣﻮاد ﻣﻌﺪﻧﻲ، ﺳﺮاﻣﻴﻜﻬﺎ، ﻓﻠﺰات
3-5-1 روش های ساخت غشا
ﺑﻄﻮر ﻛﻠﻲ ﻏﺸﺎﻫﺎ ﺑﻪ ﭼﻬﺎر روش زﻳﺮ ﺳﺎﺧﺘﻪ ﻣﻲ شوند:
3-5-1-1 روش کششی
3-5-1-2 روش پختن
3-5-1-3 روش حک اثر
3-5-1-4 روش جدایی فاز
3-5-2 تجهیزات لازم بررسی ساختارو عملکرد غشا
3-5-2-1 میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)
3-5-2-2 میکروسکوپ نیرواتمی (AFM)
3-5-2-3 اندازه گیری بارسطح غشا با استفاده از زتا پتانسیل
3-5-2-4 اندازه گیری زاویه تماس
3-5-2-5 آنالیز طیف سنجیFTIR_ATR
3-5-2-6 آنالیز حرارتی ثقلی(TGA)
3-5-2-7 سیستم ارزیابی غشاها
پلیمرهای مورد استفاده در غشا های پلیمری:
ﻏﺸﺎﻫﺎ را ﻣﻲ ﺑﻪ ﺗﻮان از ﻣﻮاد ﻣﺨﺘﻠﻔﻲ ﺳﺎﺧﺖ . ﻋﻨﻮان اوﻟﻴﻦ طبقه ﺑﻨﺪی، ﻏﺸﺎﻫﺎ را می ﺗﻮان ﺑﻪ دو ﮔﺮوه ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺑﻴﻮﻟﻮژﻳﻜﻲ و ﺳﻨﺘﺰی ﺗﻘﺴﻴﻢ ﻧﻤﻮد. ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺳﻨﺘﺰی را می توان در دو گروه زیر تقسیم بندی نمود:
* غشاهای آلی(پلیمری)
* غشاهای غیر آلی
ﺑﺮاﺳﺎس تقسیم ﺑﻨﺪی ﻏﺸﺎﻫﺎ ﺑﺮاﺳﺎس ﺳﺎﺧﺘﺎر آن ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻣﺘﺨﻠﺨﻞ را می ﺗﻮان در ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی اوﻟﺘﺮاﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن و ﻣﻴﻜﺮوﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن اﺳﺘﻔﺎده ﻛﺮد و ﻏﺸﺎﻫﺎی ﻏﻴﺮﻣﺘﺨﻠﺨﻞ(ﭼﮕﺎل) را ﻣﻲ ﺗﻮان در ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﺟﺪاﺳﺎزی ﮔﺎزﻫﺎ وتراوش ﺗﺒﺨﻴﺮی ﺑﻪ کار برد.
از ﺟﻤﻠﻪ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﭘﻠﻴﻤﺮی ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﻪ ﻏﺸﺎﻫﺎی ﺳﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪه از ﺟﻨﺲ ﭘﻠﻲ ﭘﺮوﭘﻴﻠﻦ، ﺗﻔﻠﻮن، ﭘﻠﻲ آﻣﻴﺪ، ﭘﻞ ﻳﺎﻳﻤﻴﺪ و ﻣﺤﻴﻂ، ﺣﻼﻟﻴﺖ ﻣﻮاد وPHﭘﻠﻲ ﺳﻮﻟﻔﻮن اﺷﺎره ﻛﺮد. تخلخل ﺑﺎﻻ ﻳﻜﻲ از وﻳﮋﮔﻲ ﻫﺎی ﻣﻬﻢ در ﻏﺸﺎﻫﺎی ﭘﻠﻴﻤﺮی اﺳﺖ. ﻏﺸﺎﻫﺎی ﭘﻠﻴﻤﺮی در ﺑﺎزﻳﺎﻓﺖ ﻫﻴﺪروﻛﺮﺑﻨﻬﺎ و ﮔﺎزﻫﺎﻳﻲ ﺑﻪ ﻛﺎر ﻣﻲ روﻧﺪ ﻛﻪ در ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﻣﺮﺑﻮﻃﻪ وارد اﺗﻤﺴﻔﺮ ﺷﺪه و ﻳﺎ ﺳﻮزاﻧﺪه ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ، ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ از ﻧﻈﺮ ﻛﺎﻫﺶ آﻻﻳﻨﺪه ﻫﺎی ﻣﺤﻴﻄﻲ ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺑﺴﻴﺎر ﺑﺎ ارزش ﺑﺎﺷﻨﺪ.
3-6 کاربرد های غشا
اﻣﺮوزه ﺟﺪاﺳﺎزی ﻏﺸﺎﻳﻲ در ﺑﺴﻴﺎری از ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺻﻨﺎﻳﻊ داروﻳﻲ، ﺑﻴﻮﺗﻜﻨﻮﻟﻮژی، ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻏﺬاﻳﻲ، ﭘﺘﺮوﺷﻴﻤﻲ،ﭘﺎﻻﻳﺶ، ﻧﺴﺎﺟﻲ، ﻛﺎﻏﺬﺳﺎزی، اتومبیل ﺳﺎزی، ﺗﺼﻔﻴﻪ آب و ﻓﺎﺿﻼب و … ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار میﮔﻴﺮد.
با توجه به اینکه بالا بودن ریسک سرمایه گذاری،یکی از موانع اصلی برای صنعتی کردن وتولید انبوه غشاها در ایران است،سرمایه گذاری برای این امر منوط به وجود بازار های داخلی است.استفاده از غشاها در بعضی از فرآیندهای جداسازی مانند شیرین سازی آب که در سطح وسیعی انجام می شود ممکن است توجیه اقتصادی برای سرمایه گذاری در این حوزه داشته باشد.این تکنولوژی در برخی از حوزه ها در دنیا هنوز در مقیاس آزمایشگاهی است وبه مرحله صنعتی نرسیده است.در این زمینه دستیابی به تکنولوژی فرآیند نیز در زمینه های تصفیه پساب های صنعت نفت،شیرین سازی گاز های ترش وارتقای کیفیت حلال ها وبرش های نفتی با استفاده از غشاهادر حال انجام است.
3-7 مزیت های روش های جداسازی غشایی
3-7-1 با توجه به این که در فرآیند های غشایی جداسازی بدون تغییر فاز انجام می شود ، این فرآیند به لحاظ میزان مصرف انرزی صرفه جویی بیشتری دارد.
3-7-2 فرآیند های غشایی تمیز و با محیط زیست سازگار هستند.
3-7-3 به کمک غشا می توان یک جز با ارزش و به مقدار کم را بدون صرف هزینه های اضافی جداسازی کرد.
3-7-4 در مقایسه با دیگر روش های متداول جداسازی غشا ها ساده هستند؛کار کردن با آن ها آسان و نگهداری آن ها راحت است.
3-7-5 فرآیند های غشایی در فشار اتمسفری قابل انجام هستند ودر مواردی چون کاربردهای پزشکی وغذایی که با مواد حساس به دما رو به رو هستیم، استفاده از غشا بسیار کاربردی است.
3-7-6 سیستم های غشایی کوچک هستند و هزینه ی ثابت پایین دارند.
3-7-7 عدم نیاز به حلال مصرفی و افزودنی ها
* کاهش مسائل خوردگی
* عدم نیاز به فرآیند های بعدی جهت جداسازی حلال
3-7-8 افت فشار کم
3-7-9 تنوع در اندازه و شکل غشا ها
3-8 معایب روش های جداسازی غشایی
3-8-1 شدت جریان های عبوری کم
3-8-2 هزینه های بالای ساخت وپیچیده بودن تکنولوژی ساخت غشاها
3-8-3 گرفتگی حفره ها ومنافذ غشاها که باعث کوتاه بودن طول عمر آن ها می شود.
فصل چهارم:روش های جداسازی میعانات گازی
مقدمه
ﺑﺴﻴﺎری از ﻣﺨﺎزن ﮔﺎزی ﺣﺎوی ﻫﻴﺪرو ﻛﺮﺑﻨﻬﺎی ﺳﻨﮕﻴﻦ ﺑﻮده ﻛﻪ ﻣﻘﺎدﻳﺮ آن در ﺑﺮﺧﻲ ﻣﻮارد ﺗﺎ ﭘﻨﺠﺎه درﺻﺪ ﺣﺠﻤﻲ از ﮔﺎز ﻃﺒﻴﻌﻲ را ﺗﺸﻜﻴﻞ ﻣﻴﺪﻫﺪ . ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﺑﺎ ارزش ﺑﻮدن ﻫﻴﺪروﻛﺮﺑﻨﻬﺎی ﺳﻨﮕﻴﻦآن را ﺑﻨﺎﺑﺮ ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎی ﺟﺪا ﺳﺎزی از ﺳﺒﻜﺘﺮ ﻫﺎ ﺟﺪا ﻛﺮده واز اﻳﻦ ﺑﻪ ﺑﻌﺪ ﺑﻪ آﻧﻬﺎ ﻣﻴﻌﺎﻧﺎت ﮔﺎزی اﻃﻼق ﻣﻲ گردد .
ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﻣﻴﺰان اﺟﺰا ﻫﻴﺪرﻛﺮﺑﻨﻲ ﺳﻨﮕﻴﻦ و ﺷﺮاﻳﻂ ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ ورژﻳﻢ ﺣﺎﻛﻢ ﺑﺮ ﺟﺮﻳﺎن روﺷﻬﺎی ﻣﺨﺘﻠﻔﻲ ﺑﺮای ﺟﺪاﺳﺎزی آﻧﻬﺎ از ﺗﻮده ﮔﺎزی ﺗﻮﺻﻴﻪ ﻣﻲ ﮔﺮدد . ﺑﺮای ﻃﺮاﺣﻲ ﺟﺪا ﻛﻨﻨﺪه ﻫﺎ ﻣﻲ ﺑﺎﻳﺴﺖ ﻓﺸﺎر، دﻣﺎ، دﺑﻲ، ﺧﻮاص ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ ﺟﺮﻳﺎن و ﻧﻴﺰ ﻣﻴﺰان ﺟﺪاﺳﺎزی ﻣﺸﺨﺺ ﺑﺎﺷﺪ و ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﺑﺮای اﺣﺘﻴﺎط ﺑﻬﺘﺮ اﺳﺖ ﺗﻤﺎﻣﻲ ﺷﺮاﻳﻂ اﺣﺘﻤﺎﻟﻲ ﺣﺎﻛﻢ ﺑﺮ ﺳﻴﺴﺘﻢ ﻧﻴﺰ ﺑﺮرﺳﻲ ﮔﺮدد . ﻃﺮاﺣﻲ اﻏﻠﺐ ﺟﺪا ﻛﻨﻨﺪه ﻫﺎ ﺑﺮ اﺳﺎس رواﺑﻂ اﺳﺎﺳﻲ ﺟﺪاﺳﺎزی ﻣﻮﺟﻮد در ﻣﺮاﺟﻊ رﻗﻢ ﻣﻲ ﺧﻮرد و در اﻳﻦ ﻣﻴﺎن ﺑﺮﺧﻲ از رواﺑﻂ ﺗﺠﺮﺑﻲ ﻛﻪ ﺗﻮﺳﻂ ﻣﺤﻘﻘﻴﻦ ﺑﻪ دﺳﺖ آورده ﺷﺪه اﻧﺪ ﺑﺴﻴﺎر ﻛﺎرآﻣﺪ اﺳﺖ، ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻣﺜﺎل ﻣﻲ ﺗﻮان ﺑﻪ رواﺑﻂ ﺗﺠﺮﺑﻲ Sounder اراﺋﻪ ﺷﺪه ﺗﻮﺳﻂ Brown اﺷﺎره ﻛﺮد. ﭘﮋوﻫﺸﮕﺮان زﻳﺎدی جداﻛﻨﻨﺪه ﻫﺎی گاز – ﻣﺎﻳﻊ را ﻣﻮرد ﺑﺮرﺳﻴﻬﺎیﻣﺨﺘﻠﻒ ﻗﺮار داده اﻧﺪ ﻣﺜﻼ Hollenberge و ﻫﻤﻜﺎراﻧﺶ یا Creutz ﻛﻪ ﺑﺮ روی ﺟﺪا ﻛﻨﻨﺪه ﻫﺎی ﺳﺎﻧﺘﺮﻳﻔﻮژی ﮔﺎز- ﻣﺎﻳﻊ ﺗﺤﻘﻴﻖ ﻛﺮده و اﻋﻼم ﻣﻲ دارد ﻛﻪ اﻳﻦ ﻧﻮع ﺟﺪا ﻛﻨﻨﺪه ﻫﺎ ﻗﺎﺑﻠﻴﺖ ﺟﺪاﻳﺶ ﺟﺮﻳﺎﻧﻬﺎی گاز- ﻣﺎﻳﻊ را ﻛﻪ ﺣﺎوی ﻣﻘﺎدﻳﺮ ﻓﺮاوانی ازلخته می باشند را دارند.
4-1مقدمه ای بر روش های جداسازی میعانات گازی
تجهیزات وروش های متعدد ومتفاوتی درپروسه جداسازی میعانات از گاز طبیعی خام مورد استفاده قرار می گیردکه در ادامه به برخی از این روش ها اشاره می گردد.
4-1-1 روش اول
گاز طبیعی خام استحصال شده از یک یا چند چاه به منظور کاهش دمای آن به کم تر از نقطه شبنم سرد می گردد و بدین ترتیب قسمت عمده هیدروکربن های میعانات گاز استحصال می گردد.سپس خوراک مرکب گاز،میعانات وآب به یک مخزن جداکننده فشار قوی منتقل ودر آنجا آب و گاز طبیعی خام از یکدیگر جدا می گردند.گاز طبیعی خام حاصله سپس به کمپرسور اصلی گاز منتقل می گردد.میعانات گازی استحصال شده در جداکننده فشار قوی از داخل یک شیر کنترل ویژه به یک جداکننده فشار ضعیف منتقل می شود.کاهش فشار در داخل شیر کنترل باعث می گردد تا میعانات به صورت نسبی تبخیر گردندکه این مرحله را تبخیر اشتعالی(flash vaporization)می نامند.
گاز طبیعی خام خارج شده از جداکننده فشار ضعیف به یک کمپرسور تقویت کننده منتقل ودر آنجا فشار گاز افزایش یافته وبا گذراز داخل یک سرد کننده به کمپرسور اصلی گاز می رسد.کمپرسور اصلی گاز فشار گاز های دریافتی از جداکننده های فشار قوی وفشار ضعیف را تا آنجا افزایش می دهد تا بتوان گاز را از طریق خط لوله به واحد فرآوری گاز طبیعی انتقال داد.میزان فشار خروجی کمپرسور اصلی گاز بستگی به فاصله واحد فرآوری گاز دارد ودر صورت نیاز از کمپرسورهای چند مرحله ای استفاده می گردد. در واحد فرآوری گاز طبیعی رطوبت گاز گرفته می شود وگازهای اسیدی ودیگر ناخالصی ها از گاز جدا می گردد.سپس اتان(c2)،پروپان(c3)،بوتان(c4) وپنتان(c5) به علاوه هیدروکربن های دارای وزن مولکولی بالاتر (c5+)نیز از گاز جداشده و به عنوان محصولات جانبی مورد استفاده قرار می گیرند.
4-1-2 روش دوم: جداسازی به کمک slug catcher
Slug catcher ﻫﺎ ﺑﺮای ﺟﺎﻳﻲ ﻛﻪ ﺟﺮﻳﺎن ﭼﻨﺪ ﻓﺎزیﻣﺴﻴﺮ ﻃﻮﻻﻧﻲ را ﻃﻲ ﻣﻲ ﻛﻨﺪ ﺑﺴﻴﺎر ﻣﻨﺎﺳﺐ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ.
طراحی Slug catcherﻫﺎ ﺑﻪ ﻛﺎﺳﺘﻦ ﺳﺮﻋﺖ ﺳﻴﺎل ﺑﺮای اﻓﺰاﻳﺶ رژﻳﻢ ﻻﻳﻪ ای و اﺳﺘﻔﺎده از ﻧﻴﺮوی ﮔﺮاوﻳﺘﻲ ﺑﻨﺎ ﺷﺪه اﺳﺖ . به این ترتیب که در ورود Slug catcher انرژی جریان گازی کاهش یافته وجریان های درﻫﻢ ﺑﻪ ﺣﺪاﻗﻞ ﺧﻮدﺷﺎن ﻣﻴﺮﺳﻨﺪ ﺑﻪ ﻧﺤﻮﻳﻜﻪ ﻣﻄﻤﺌﻦ ﺷﻮﻳﻢ ﺷﺮاﻳﻂ ﺑﻪ ﮔﻮﻧﻪ ای اﺳﺖ ﻛﻪ اﻣﻜﺎن ﺟﺪاﻳﺶ ﺟﺮﻳﺎن ﻣﺎﻳﻊ از ﮔﺎز ﺑﺮ اﺳﺎس ﮔﺮاوﻳﺘﻲ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ، ﻳﻚ ﻗﺎﻋﺪه ﺳﺮ اﻧﮕﺸﺘﻲ اﺷﺎره ﺑﺮ اﻳﻦ دارد ﻛﻪ ﺑﺮای رﺳﻴﺪن ﺑﻪ اﻳﻦ ﻫﺪف ﺳﺮﻋﺖ ﮔﺎز 5/1 متر بر ثانیه بیشتر باشد.بنابر توضیحات بالا از پارامترهای مهم در طراحی Slug catcher ها تعیین طول آﻧﻬﺎ ﺑﻮده و از ﺳﺨﺘﺮﻳﻦ ﺷﺮاﻳﻂ ﻛﺎری واﺣﺪﻫﺎی ﺟﺪا ﺳﺎزی اوﻟﻴﻪ، ﻣﺮﺣﻠﻪ ﭘﻴﮓ راﻧﻲ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ.عملیات pigging زمانی ﺗﻮﺻﻴﻪ ﻣﻲ ﺷﻮد ﻛﻪ ﻣﻴﺰان ﻣﺎﻳﻊ ﻣﺎﻧﺪه ﺑﻴﺶ از 8% ﺑﻮده و ﺑﺎ راﻧﺪن ﻳﻚ ﮔﻮﻳﻪ در ﻃﻮل ﻟﻮﻟﻪ ﺳﺒﺐ رواﻧﻪ ﻛﺮدن ﻣﻘﺎدﻳﺮ زﻳﺎدی از ﻣﺎﻳﻌﺎت ﺑﺎﻗﻲ ﻣﺎﻧﺪه ﻟﻮﻟﻪ، ﺑﻪ ﺳﻤﺖ اﻳﻦ واﺣﺪ در ﭘﺎﻻﻳﺸﮕﺎه ﮔﺎزی ﻣﻲ ﺷﻮد. در ﻃﻲ اﻳﻦ ﻋﻤﻠﻴﺎت ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﺣﺠﻢ ﺑﺎﻻی ﻣﺎﻳﻌﺎت ورودی ﺑﻪ واﺣﺪ ﭘﺬﻳﺮش ﭘﺎﻻﻳﺸﮕﺎه، واﺣﺪﻫﺎی ﭘﺎﻳﻴﻦ دﺳﺘﻲ ﺑﻮﻳﮋه واﺣﺪ ﺗﻨﻈﻴﻢ ﻛﻨﻨﺪه نقطه شبنم (Condensate Stabilization Unit) ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ درﻳﺎﻓﺖ اﻳﻦ ﻣﻴﺰان از ﻣﺎﻳﻊ را ﻧﺪاﺷﺘﻪ و ﻣﻨﺠﺮ ﺑﻪ آن ﺷﺪه ﻛﻪ در ﻃﺮاﺣﻲ ﻫﺎ، ﻗﺴﻤﺘﻲ ﺑﺮای ذﺧﻴﺮه ﻛﺮدن اﻳﻦ ﺣﺠﻢ از ﻣﺎﻳﻌﺎت و ﺗﺰرﻳﻖ ﺗﺪرﻳﺠﻲ آن ﺑﻪ واﺣﺪ ﺗﻨﻈﻴﻢ ﻛﻨﻨﺪه ﻧﻘﻄﻪ ﺷﺒﻨﻢ در ﻧﻈﺮ ﮔﺮﻓﺘﻪ ﺷﻮد.
در Slug catcher ﻫﺎ ﻛﻪ راﻳﺞ ﺗﺮﻳﻦ جداﻛﻨﻨﺪه ﻫﺎ ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﺑﺮای ﺟﺮﻳﺎﻧﻬﺎﻳﻲ ﺑﺎ ﻟﺨﺘﻪ ﻓﺮاوان ﺑﻮده، ﺑﺨﺶ ﻋﻈﻴﻤﻲ از ﺳﺎﺧﺘﺎر آﻧﻬﺎ ﻣﺴﺌﻮل ذﺧﻴﺮه ﺳﺎزی ﻣﺎﻳﻌﺎت اﺿﺎﻓﻪ در ورودی واﺣﺪﻫﺎی ﭘﺎﻳﻴﻦ دﺳﺘﻲ ﻣﻲ ﺑﺎﺷﺪ.
4-1-3 روش سوم:جداسازی توسط غشا
جداسازی مخلوطهای گازی توسط غشاء در دهه های اخیر، از آزمایشگاهها به صنایع رسیده و نقش مهمی در جایگزینی روشهای سنتی و مرسوم ایفا میکند. اغلب غشاهای بکار رفته پلیمری و آلی هستند و گزینش پذیری قابل قبولی را فراهم میکنند. از غشاهای غیر آلی میتوان به آلیاژهای پالادیوم، سرامیکی و زئولیتها اشاره کرد. آلیاژ پالادیوم چند سالی است که در مقیاس صنعتی برای تولید هیدروژن با خلوص بالا استفاده میشود. تاریخچه مطالعه در زمینه جداسازی گازها به توماس گراهام در دهه 1850 برمیگردد. گراهام حدود 20 سال به اندازه گیری و مطالعه ی تراوش انواع مختلفی از گازها پرداخت و اولین بیان از مکانیزم حلالیت – نفوذ را ارائه داد. مطالعات او در زمینه غشاهای متخلخل نیز به تبیین قانون نفوذ گراهام منجر شد. طبق این قانون میزان عبور گاز در غشاهایی با تخلخل کوچکتر از حدود با جذر وزن مولکولی نسبت عکس دارد . این امر در جداسازی گازهایی که به روشهای متداول بسیار سخت جدا میشوند، همانند ایزوتوپها، بسیار مهم و قابل توجه است. اولین بار در سالهای 1943 تا 1945 از این قانون برای جداسازی ایزوتوپهای توسط غشای فلزی در مقیاس صنعتی استفاده شد. کتابها و مقالات بسیاری در زمینه جداسازی گازها توسط غشاهای پلیمری منتشر شده است. مکانیزم های انتقال جرم در غشاها را با توجه به اندازه حفرات غشاء میتوان به دو دسته کلی حلالیت-نفوذ و مکانیزم جریانی تقسیم بندی کرد. البته استفاده توام از حلال های شیمیایی و غشاهای متخلخل در جداسازی گازها نیز کاربرد فراوانی پیدا کرده است. در این خصوص میتوان بطور ویژه به تماس دهنده های غشایی به شکل الیاف میان تهی که قابلیت زیادی برای صنعتی شدن دارند اشاره کرد. هرچند این نوع غشاها بیشتر بنام MC معروف اند اما میتوان ، آنها را در دسته کلی تری، یعنی غشاهای مایع طبقه بندی کرد. مکانیزم جداسازی توسط این غشاها به میزان حلالیت گاز در محلول، سینتیک واکنش شیمیایی محلول با گاز، نفوذ از حفرات غشاء و نفوذ از محلول بستگی دارد.
الف)مکانیزم حلالیت-نفوذ
در جداسازی گازها توسط غشاهای پلیمری غیر متخلخل و غشاهای مایع مکانیزم حلالیت – نفوذ حاکم میباشد. جداسازی در فرآیندهایی مانند اسمز معکوس، نفوذ-تبخیر و جداسازی گازها توسط غشاهای متراکمی که فضای خالی بین زنجیرهای پلیمری آنها کمتر از است در این مکانیزم طبقه بندی میشوند. این اندازه در محدوده ی حرکت و لرزشهای مولکولی است و فضاهای خالی در یک جای ثابت قرار ندارند. بر اساس این مکانیزم ذره ها ابتدا از لایه مرزی تشکیل شده بر روی سطح غشاء به سمت غشاء نفوذ کرده سپس عمل جذب اتفاق افتاده و بعد از نفوذ، از سمت دیگر غشاء جدا میشوند. نکته قابل توجهی که در این مدل وجود دارد این است که عمل جداسازی به دو علت، یعنی تفاوت در حلالیت و تفاوت در نفوذپذیری صورت میپذیرد.
بنابراین میتوان اجزایی را که از نظر اندازه تقریبا یکسان هستند ولی حلالیت متفاوتی دارند توسط این غشاها از هم جدا نمود. در صنعت معمولا برای افزایش شار انتقال جرم از غشاهای ناهمگن که شامل یک لایه بسیار نازک متراکم بر روی یک لایه متخلخل است استفاده می کنند. لایه ی متخلخل بیشتر به منظور افزایش مقاومت مکانیکی غشاء استفاده میشود. باید توجه شود که در مورد غشاهای مایع ساکن که فاز مایع درون حفرات غشاء را پر میکند، مکانیزم مشابهی حاکم است اما حلالیت و نفوذ اجزای گاز در فاز مایع اتفاق میافتد و غشاء به عنوان نگهدارنده میباشد. در حالیکه در مقالات منظور از مکانیزم حلالیت-نفوذ بیشتر مکانیزم انتقال جرم در غشاهای متراکم و غیر متخلخل میباشد.
ب) مکانیزم جریانی
در مکانیزم جریانی به غشاهایی با اندازه حفرات بزرگتر از پرداخته میشود. فرآیندهایی که به عنوان میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون جداسازی گازها با جریان نادسنی طبقه بندی میشوند را میتوان توسط این مکانیزم بیان کرد. لازم به ذکر است که بین دو مکانیزم ذکر شده مرز مشخصی وجود ندارد. غشاهایی با اندازه حفرات بین به عنوان حد واسط به حساب آمده و نمیتوان آنها را بطور قطع توسط یکی از مکانیزم ها مدل کرد. به عنوان مثال میتوان به نانوفیلتراسیون در این مورد اشاره کرد. مکانیزم جریانی که به نفوذ گاز از غشاهای متخلخل میپردازد، خود به مکانیزمهای مختلفی تقسیم میشود. پارامتر اصلی که مکانیزم انتقال را معین میسازد عدد نادسن(Kn )است.
4-1-3-1 مکانیسم جداسازی میعانات گازی با غشا
در مطالب ذکر شده بالاعامل انتقال گاز از غشا، به طور کلاسیک، اختالف فشار فرض شده است. اما باید توجه داشت که نیرو محرک های متفاوتی میتواند در بحث جداسازی توسط غشا به کار گرفته شود. به عنوان مثال از اختالف دما در فرآیند تقطیر غشایی برای نمک زدایی از محلولها استفاده میشود. در انتخاب نیرو محرکه ی مناسب توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی اجزای مخلوط و ساختار آنها حائز اهمیت است. از جمله نوین ترین نیرومحرکه ها، میتوان به نیروی مغناطیس اشاره کرد که در جداسازی اجزایی که خواص مغناطیسی متفاوتی دارند به کار می رود. در این زمینه می توان به جداسازی اشاره کرد که با ایجاد میدان مغناطیسی ضریب جداسازی بهبود چشمگیری یافته است.
در غشاهای متخلخل اگر اندازه حفره خیلی کوچک، در حدود حفرات بین باشد اجزای گاز توسط غربال مولکولی جدا میشوند. فرآیند انتقال از این غشاها پیچیده بوده و شامل نفوذ از فاز گاز و جذب سطحی بر دیواره حفرات (نفوذ سطحی) میباشد. پدیده جالبی که در این غشاها مشاهده شده این است که با توجه به سطح بالای دیواره در این حفرات ریز (حدود ) اگر گاز قابل میعان باشد مقادیر زیادی از گاز بر روی دیواره جذب خواهد شد. گاهی اوقات مقدار گاز جذب شده بیشتر از گاز جذب نشده میشود. این ذرات جذب شده متحرک بوده و طی فرآیند نفوذ سطحی بر طبق قانون فیک به سمت دیگر غشاء میروند. ضریب نفوذ سطحی در دمای اتاق در حدود میباشد. با اینکه این مقدار کمتر از ضریب نفوذ گازهای غیرقابل جذب است اما نفوذ سطحی نقش قابل توجهی را در انتقال کلی ایفا می کند.
با افزایش میعان پذیری گاز این سهم بیشتر میشود. به عنوان مثال برای بوتان، %80 از انتقال کلی توسط نفوذ سطحی صورت میپذیرد. پدیده ی بسیار جالبی که در این حین میتواند اتفاق بیفتد آن است که در مخلوط گازهای میعان پذیر و غیرقابل میعان ممکن است مسیر انتقال توسط مولکولهای جذب شده محدود شده یا بطور کامل مسدود شود. در این حالت فقط این مولکولها (که میتوانند بزرگتر نیز باشند) از غشاء عبور می کنند و مولکولهای کوچکتر قادر به عبور از غشاء نخواهند بود (شکل4-1). این پدیده اولین بار درمورد مخلوط سولفوردی اکسید و هیدروژن همراه با غشای کربنی دیده شد.
شکل4-1 نفوذ مخلوط گازهای قابل میعان و غیر قابل میعان از غشای ریز متخلخل الف) نفوذ سطحی و بسته شدن حفره توسط میعان مویینگی ب) نفوذ نادسنی و نفوذ سطحی
نتیجه گیری
بر اساس اندازه حفرات غشاها مکانیزم های انتقال جرم در این فرایند به دو دسته شامل مکانیزم حلالیت- نفوذ و مکانیزم جریانی طبقه بندی میشوند. مکانیزم حلالیت – نفوذ که بر اساس تفاوت در حلالیت و نفوذ گاز درون غشا استوار است در رابطه با غشاهای غیرمتخلخل و متراکم می باشد. بر اساس این مکانیزم میتوان اجزایی را که از نظر اندازه تقریبا یکسان ولی حلالیت متفاوتی دارند توسط این غشاها جدا کرد. در مکانیزم جریانی به غشاهایی با اندازه حفرات بزرگتر از یعنی غشاهای متخلخل پرداخته میشود. در غشاهای متخلخل اگر اندازه حفره خیلی کوچک، در حدود حفرات بین باشد اجزای گاز توسط غربال مولکولی جدا میشوند. با توجه به سطح بالای دیواره در این حفرات ریز (حدود ) اگر گاز قابل میعان باشد مقادیر زیادی از گاز بر روی دیواره جذب خواهد شد. ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﻫﺎی ﺟﺪاﺳﺎزی ﻏﺸﺎﻳﻲ ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﻣﺰاﻳﺎی ﻣﺨﺘﻠﻔﻲ ﻛﻪ دارﻧﺪ،میﺗﻮاﻧﻨﺪ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻳﻚ ﺟﺎﻳﮕﺰﻳﻦ ﺑﺮای روش ﻫﺎی ﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن، سیستم های ﺗﺼﻔﻴﻪ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ و ﺑﺴﻴﺎری از ﻣﻮارد دﻳﮕﺮ ﻋﻤﻞکنند .یکی از مهم ترین مزایای آن ها سادگی وسازگاری آن با محیط زیست است.وﻳﮋﮔﻲ ﻫﺎی ﺳﺎﺧﺘﺎری و ﻫﻨﺪﺳﻲ و نیزﺟﻨﺲﻏﺸﺎﻫﺎ ،موجب اﻧﻌﻄﺎف پذیری آﻧﻬﺎ در ﻛﺎرﺑﺮدﻫﺎی ﻣﺘﻔﺎوت ﻣﺎﻧﻨﺪ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﻫﺎی اﺳﻤﺰ ﻣﻌﻜﻮس، اوﻟﺘﺮاﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن، ﻣﻴﻜﺮوﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن ، ﻧﺎﻧﻮﻓﻴﻠﺘﺮاﺳﻴﻮن و …شده اﺳﺖ . ﺟﺎﻳﮕﺰﻳﻨﻲ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﻫﺎی ﻏﺸﺎﻳﻲ ﻣﻨﺠﺮ ﺑﻪ ﺑﻬﺒﻮد ﻛﻴﻔﻴﺖ ﻣﺤﺼﻮﻻت و اﻓﺰاﻳﺶ ﺑﺎزده ﻓﺮاﻳﻨﺪی ﺷﺪه و اﻣﻜﺎن ﮔﺴﺘﺮش اﻳﻦ ﻓﺮاﻳﻨﺪﻫﺎ را در ﺷﺮاﻳﻂ ﻓﺮاﻳﻨﺪ ی اﻋﻢ از دﻣﺎ، ﻓﺸﺎرو pH متفاوت را ﻓﺮاﻫﻢ میﻛﻨﺪ.این وﻳﮋﮔﻲ ﻫﺎ، ﻓﺮاﻳﻨﺪ ﺟﺪاﺳﺎزی ﻏﺸﺎﻳﻲ را ﺑﻪ ﻳﻚ ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژی ﻣﻮﻓﻖ در ﺻﻨﺎﻳﻊ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﺗﺒﺪﻳﻞ ﻛﺮده اﺳﺖ. مشاهده می شود با استفاده از روش های جداسازی غشایی در بسیاری از زمینه ها می توان به نتایج موفقیت آمیزی نائل آمد.پیش بینی می شود تا سال 2020 سرمایه گذاری در تولید غشا و استفاده از آن در فرآیند های جداسازی رشد چشم گیری داشته باشد.
مراجع
1-McCabe, W. L and J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill, 2001. ISBN 0-07-044825-6.
2- Perry, Robert H. and Don W. Green. "۱۳". In Perry's Chemical Engineers' Handbook. vol. 2. McGraw-Hill, 1984. ISBN 0-07-049479-7.
3- shana.ir – nigc.ir – RIPI.ir – assaluyeh.com tehran-gas.ir – ﻧﺸﺮﯾﻪ ﻧﺪاﯼ گاز
4- "Synthesis and catalytic membranes", Institute of Polymer Research, Center for Membranes and Structured Materials, 2008, Available from: http://www.gkss.de
5- "Synthetic polymeric membranes that are used with the four filtration technologies", pp12,2008.
6- " Ceramic membranes", Lenntech Water treatment & air purification, 2008 Available from: http://www.lenntech.com
7- Singapore Public Utilities Board. Singapore Water Reclamation Study, Expert Panel Review and Findings. Singapore (2002).
8- T. Matsuura, Progress in membrane science and technology for seawater desalination-a review. Desalination 134, 47-54 (2001).
9- Metcalf and Eddy, Inc. (ed.), Was tewater Engineering: Treatment Disposal and Reuse, 4th ed., McGraw-Hill, New York, 2002.
10- A. Cassano, J. Adzet, R. Molinari, M. G. Buonomenna, J. Roig, and E. Drioli, Membrane treatment by nanofiltration of exhausted vegetable tanning liquors from the leather industry.Water Research 37, 2426-2434 (2003).
11- R. Molinari, S. Gallo, and P. Argurio, Metal ions removal from wastewater or washing water contanminated soil by ultrafiltration-complexation. Water Research 38, 593-600 (2004).
12- M. Vieira, C. R. Tavares, R. Bergamasco, and J. C. C. Petrus, Application of ultrafiltrationcomplexation process for metal removal from pulp and paper industry wastewater. Journal of Membrane Science 194, 273-276 (2001).
13- C. J. Geankoplis, Transport Processes and Separation Process Principles, 4th ed., Prentice Hall, New Jersey, 2003.
14- B. Van der Bruggen, A. Koninchx, and C. Vandecasteele, Separation of monovalent and divalent ions from aqueous solution by electrodialysis and nanofiltration. Water Research (in press) (2004).
15- K. Y. Wang and T. S. Chung, The characterization of flat composite nanofiltration membranes and their applications in the separation of cephalexin, Journal of Membrane Science 247,(37-50 (2005).
16- G. Zhu, T.S. Chung, and K. C. Loh, Activated carbon-filled cellulose acetate hollow fibre membrane for cell immobilisation and phenol degradation. J. Applied Polymer Science 76,(695-707 (2000).
17- D. B. Mosqueda-Jimenez, R. M. Narbaitz, T. Matsuura, G. Chowdhury, G. Pleizier, and J. P.Santerre, Influence of processing conditions on the properties of ultrafiltration membranes.Journal of Membrane Science (in press) (2004).
18- J. Geankoplis, Transport Processes and Separation Processes Principles, 4th ed., Pearson Education, Inc., NJ, USA 2003.
19- S. J. Duranceau (ed.), Membrane Practices for Water Treatment, American Water WorksAssociation, Denver, CO, pp. 3-42 (2001).
20- I. Moch Jr., M. Chapman, and D. Steward, Development of a CD_ROM cost program forwater treatment projects. Membrane Technology 6, 5-8 (2003).
21- I. Koyuncu, D. Topacik, and M. R. Wiesner, Factors influencing flux decline during nanofiltration of solutions containing dyes and salts. Water Research 38, 432-440 (2004).
22- J. J. Qin, M. N. Wai, M. H. Oo, and F. S. Wong, A fesibility study on the treatment and recycling of a wastewater from metal plating. Journal of Membrane Science 208, 213- 221(2002).
23- L. K. Wang,Y. T. Hung, and N. K. Shammas (eds.), Physicochemical Treatment Processes.The Humana Press, Totowa, NJ, USA (2005).
24- L. K. Wang, N. C. Pereira, and Y. T. Hung (eds.), Advanced Air and Noise PollutionControl, The Humana Press, Totowa, NJ, USA, (2004).
25-S.P. Nuns and K.V. Peinemann, "Membrane technology in the chemical industry", Second, Revised and extended edition, Copyright (c) 2006 Wiley-VCH, p. 53.
26-R.W. Baker, "Membrane Technology and Applications", 2nd edition, John Wiley & Sons, Chichester 2004, Chapter 8.
27-Alan Gabelmana, Sun-Tak Hwang, "Hollow fiber membrane contactors", J. Membrane Science, 159 (1999) p. 61 .
28-V.Y. Dindorea, D.W.F. Brilmanb, G.F. Versteeg, "Hollow fiber membrane contactor as a gas-liquid model contactor" J. Chemical Engineering Science, 60 (2005) p. 467
29-Alan Gabelman, Sun-Tak Hwang b, William B. Krantz "Dense gas extraction using a hollow fiber membrane contactor: experimental results versus model predictions" J. Membrane Science, 257 (2005) p. 11.
30-R.W. Baker, "Membrane Technology and Applications", 2nd edition, John Wiley & Sons, Chichester 2004, Chapter 2.
31-Curcio E, Drioli E. "Membrane distillation and related operations: a review" Sep. Purif. Rev. 34 (2005) p. 35.
32-Marcel Mulder, "Basic Principles of Membrane Technology", 2nd edition, Kluwer Academic Publishers, 1996, p. 286,298.
62