غشا, فیلتراسیون و انواع غشا
غشا
لایه ای است نازک که می تواند اجزا یک سیال را به طور انتخابی از آن جدا کند و یا به عبارت دیگر غشاء وسیله ای است که جداسازی موارد را عموماً براساس اندازه مولکولی ، پتانسیل شیمیایی ، پتانسیل الکتریکی . . . ممکن می سازد. در یک فرایند غشایی عموماً دو فاز وجود دارد که توسط فاز سوم ( غشاء ) به طور کلی فیزیکی جدا شده اند و غشاء انتقال جرم بین دو فاز را کنترل می کند .(1)(2)
به فازی که از غشاء عبور می کند تراوه ( پرمیت) و به فازی که توسط غشا نگه داشته می شود. اصطلاحاً ناتراوه ( ریتنتیت) می گویند.
(1)
THE FOUR MEMBRANE PROCESSES
Reverse Osmosis (RO) is the tightest possible membrane process in
liquid/liquid separation. Water is in principle the only material passing
through the membrane; essentially all dissolved and suspended material is
rejected. The more open types of RO membranes are sometimes confused
with nanofiltration (NF).(3)
True NF rejects only such as
sulfate or phosphate, . NF also rejects
, dissolved materials and positively charged ions according to the
size and shape of the molecule. Finally, the rejection of sodium
chloride with NF depending on the feed concentration.
In contrast, “loose RO” is an RO membrane with reduced salt rejection.(3)
Ultrafiltration (UF) is a process where the HMWC, such as protein, and
suspended solids are rejected, while all LMWC pass through the membrane
freely. There is consequently no rejection of mono- and di-saccharides, salts,
amino acids, organics, inorganic acids or sodium hydroxide.(3)
Microfiltration (MF) is a process where ideally only suspended solids are
rejected, while even proteins pass the membrane freely. (3)
RO membranes: 85%
NF membranes: 3 – 5%
UF and MF membranes: 5 – 7%
Other membranes: 3 – 5%
Materials like polyacrylonitrile (PAN), ceramic materials (SiO2) and
cellulose (hydrolyzed cellulose acetate) are included in the group of
“other membranes.”
Total worldwide consumption of membranes(3)
Comparing Four Membrane Processes(3)
RO:
Type of Membrane Process for Several Products(3)
NF:
Type of Membrane Process for Several Products(3)
UF:
Type of Membrane Process for Several Products(3)
جنس غشاء اولین مسئله در طراحی هر فرآیند غشایی است . چگونگی کار غشاء توسط خواص فیزیکی و شیمیایی آن مشخص می شود. غشا می تواند از مواد آلی و معدنی مختلفی ساخته شده باشد. این مواد را می توان در گروه های زیر دسته بندی کرد : (1)(3)
. پلیمر
. سرامیک
. فلز
. مایع
جنس غشا
مواد پلیمری به کار گرفته شده برای ساخت این غشاءها بسیار گسترده است که هریک از این مواد دارای خواص ویژه ای هستند که به کارگیری آن را برای یک محلول با ویژگی های خاص ، مناسب می سازد. (3)
غشاهای پلیمری
موادی که در ساخت این غشاءها استفاده می شودند عبارتند از : آلومینا ، زیر کوتا ، تیتا نیا و سیلیکا . مزایای غشاءهای سرامیکی عبارتند از :
مقاومت در برابر حرارت بسیار بالا
مقاومت مکانیکی زیاد
مقاومت در برابر مواد شیمیایی
طول عمر بسیار زیاد
امکان تمیز کردن غشاء با استفاده از مواد شیمیایی در درجات حرارت بالا
امکان کنترل مطلوب اندازه حفره ها در موقع ساخت غشاء
معایب آن هزینه بالا و مشکل بودن پروسه ساخت و اصلاح آن است . استفاده از این غشاءها از سال 1940 شروع شد. (4)
غشاهای سرامیکی
اخیراغشاءهای از جنس فولاد ضد زنگ ، سیلیس ، آلومینیوم، نقره ، نیکل ، پلاتین، و طلا ساخته شده است. غشاء های فلزی از جنس پالادیم ، آلیاژ پلادیم – نقره و پلادیم – ایتریم برای جدا سازی ئیدروژن مورد استفاده قرار می گیرند. (1)
غشا های فلزی
غشاء فازی است که بین دو فاز دیگر قرار گرفته و انتقال جرم بین آنها را کنترل می نماید. اگر فاز میانی غیر قابل امتزاج با سیال های مجاور باشد آن را غشاء مایع می نامند . غشاء های مایع به سه صورت وجود دارند: غشاء مایع امولسیونی ،غشاء مایع نگه داشته شده و غشا مایع جاری.(1)
غشاهای مایع
خواص غشا بررسی خواص غشاء از لحاظ پیش بینی چگونگی انجام فرآیند جدا سازی توسط آنها مفید است . این خواص با توجه به موادی که در ساخت غشاء به کار گرفته شده است ، روش ساخت و اصلاحات بعدی حاصل می گردند. خواص غشاء را می توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی نمود: خواص فیزیکی اندازه حفره های غشاء توزیع اندازه حفرات تعداد حفرات شکل حفره ها ضخامت غشاء تخلخل چروک خوردگی خواص شیمیایی با رسطحی هدایت الکتریکی جذب کنندگی آبدوست یا آبگریز بودن غشاء (5)
چهار نوع کنفگوراسیون برای سیستم های غشایی وجود دارد: غشاء های لوله ای در این سیستم محلول خوراک از یک انتهای لوله به داخل آن پمپ شده ودر راستای شعاعی با فشار از این لوله متخلخل و غشاء عبود می کند. در نتیجه فاز تراوه از سطح خارجی غشاء چکه کرده و فاز ناتراوه از انتهای دیگر خارج می شود. غشاء فیبر توخالی. در این سیستم ها محلول خوراک از طریق لوله توزیع کننده به سیستم وارد می شود . در نتیجه فاز تراوه از طریق فضای حلقوی فیبر ها به درون مجرای میانی انها جریان می یابد و پس از حرکت به سمت انتها ی باز فیبرها از طریق لوله خروجی تخلیه می شود. فاز نا تراوه پشت فیبرها باقی می ماند و از طریق مجرای خروجی سیستم را ترک میکند. فیبرها توخالی اساسا برای تصفیه آب استفاده می شوند
کنفیگوراسیون غشاءها (1)(2)(3)
قاب و صفحه سیستم های غشایی قاب و صفحه از تعداد غشای مسطح که لابه لای آنها صفحات موسوم به فاصله دهنده به کار رفته است تشکیل شده است . در این سیستم محلول خوراک ومحلول ناتراوه یکی در میان لابه لای صفحات جریان می یابند . مارپیچ حلزونی این سیستم را می توان به عنوان یک مجموعه چند لایه در نظر گرفت که در آن دولایه غشاء توسط یک صفحه مشبک پلاستیکی از یکدیگر جدا شده اند. در یک سمت غشاء نیز یک صفحه متخلخل وجود دارد . این پنج لایه به دور یک لوله متخلخل پیچیده می شوند و برای جلوگیری از اختلاط جریان محصول و محلول خوراک ، لبه های این لایه های لوله شده مسدود می گردد . کل این مجموعه مارپیچی در یک پوشش فلزی لوله ای که در برابر فشار حاکم بر سیستم مقاوم است، قرار داده می شود. محلول خوراک از یک طرف ما رپیچ در راستای لوله متخلخل به داخل سیستم پمپ شده و به درون شبکه پلاستیکی می رود. شبکه پلاستیکی به ایجاد اغتشاش و به حداقل رساندن تشکیل جرم و رسوب کمک می کند . سپس محلول خوراک در راستای غشاء عبور کرده و وارد لایه های متخلخل می شود. فاز تراوه ، در داخل صفحه متخلخل یک مسیر مارپیچ را طی کرده و از طریق لوله متخلخل سیستم را ترک می کند . فاز
ناتراوه نیز از انتهای دیگر لوله مارپیچی خارج می شود.
الگوهای جریان (3)(6)
بازگشت کامل
در این حالت فاز تراوه و ناتراوه هر دو به منبع اولیه بر می گردند وهیچگونه تغییری در خوراک داده نمی شود. از این الگو برای بررسی عوامل موثر بر خروجی استفاده می شود.
دیالیز(دیافیلتراسیون)
در این الگو ، فاز ناتراوه به منبع اولیه برگشته و حلال به میزان مساوی با مقدار خروجی (فاز تراوه ) به خوراک اولیه اضافه می شود . از این روش برای شستشوی ذرات حذف اجزاء حل شده در حلال استفاده می شود.
حالت تغلیظ یک مرحله ای (تغلیظ غیر مداوم )
در این حالت فاز ناتراوه به منبع اولیه بر می گردد ولی جریان خروجی (جریان تراوه ) بدون جایگزینی خارج می شود . در این حالت غلظت ذرات با زمان افزایش می یابد.
خوراک و تراوه
این الگو باعث می شود عمل جداسازی بصورت پایدار انجام گیرد . در این حالت مقدار کمی از جریان فاز ناتراوه به خارج از سیستم منتقل می شود در حلیکه بیشتر آن به جریان خوراک اولیه می پیوندد.
-Total recycle
-Diafiltration
-Batch concentration
-Feed & Bleed
نیرو محرکه فرآیند های غشایی ( 1)(2)(3)
عامل اساسی در جدا سازی فرآیند ها ی غشایی اختلاف شدت انتقال اجزا ء در طول غشاء است . انتقال اجزاء در اثر حرکت آنها حاصل می شود و حرکت هر جزء از یک طرف غشاء به طرف پتانسیل شیمیایی یا الکتریکی بین دو فازی است که به وسیله غشاء از یکدیگر جدا شده اند. گرادیان پتانسیل ممکن است به علت اختلاف غلظت ، اختلاف فشار و یا هر دو حاصل شود . از اختلاف دما نیز گاهی به عنوان نیروی محرکه استفاده می شود .
دما
دما بر روی ویسکوزیته و ضریب نفوذ مولکولی تاثیر گذار است و لذا شار را تحت تاثیر قرار می دهد . با افزایش دما ، ویسکوزیته کاهش یافته و ضریب نفوذ مولکولی افزایش می یابد ، لذا شار افزایش خواهد یافت . از طرفی دما بر روی پدیده پلاریزاسیون غلظت اثر می گذارد و از این طریق بر روی روند جداسازی مداخله دارد . (7)
سرعت جریان
در فرآیندهای غشایی محلول خوراک بصورت موازی با سطح غشاء وارد می شود و لذا ذرات جمع شده برروی سطح غشاء را شسته و همراه خود خارج می نماید. در نتیجه لایه تشکیل شده بر روی سطح غشاء بصورت لایه نازکی باقی خواهد ماند که مقاومت حاصله از آن کم بوده و باعث کاهش زیاد شار خروجی از غشاء نخواهد شد . با افزایش سرعت جریان عرضی می توان توانایی سیال را برای جدا ساختن مواد جذب شده بر روی سطح غشاء و شستن و بردن آنها زیاد نمود. البته باید توجه داشت که افزایش سرعت جریان عرضی به منزله صرف انرژی بیشتر خواهد بود و لذا گرفتگی حاصل گردد . به علاوه جریان در هم یا توربولنت می تواند به شسته شدن مواد موجود بر روی سطح غشاء و حمل شدن آنها توسط سیال کمک کند. ( 1)(3)
خصوصیات سیال
سیال ورودی به غشاء دارای خصوصیاتی است که از نظر فرآیند غشایی دارای اهمیت می باشند. پاره ای از این خصوصیات عبارتنداز : غلظت ، اندازه و بار ذرات موجود در سیال ، ویسکوزیته ، دماو PH .هریک از این خواص می توانند نقش مهمی در مساله گرفتگی غشاء و در نتیجه فرآیند جداسازی داشته باشند.( 3)
پلاریزاسیون غلظت:(1)
سرعت سیال در سطح غشاء حتی هنگامی که جریان سیال در غشاء متلاطم باشد، کاهش یافته و در واقع در سطح غشاء لایه آرام یا لایه مرزی شکل می گیرد .اجزاء دفع شده در نزدیکی سطح غشاء انباشته می شوند. این انباشتگی در نزدیکی سطح غشاء را پلاریزاسیون غلظت می نامند.
دفع (1)
دفع ( با بازداری ) طبق تعریف عبارتست از بخشی از جزء محلول خوراک که قادر به عبور از درون حفرات غشاء نیست . درصد دفع عموماً بر حسب غلظت جزء محلول در تراوه در مقایسه با غلظت آن در خوراک بیان می شود.
مکانیسم های جداسازی (3)(6)
این مکانیسم ها به نوع ، ساختار و جنس غشاء و جاذبه بین ذرات و غشاء بستگی دارد. هنگامی که حفره های غشاء کوچک تر از اندازه مورد نظر باشد، مکانیسم جداسازی غربال شدن است . به این عمل فیلتراسیون سطحی می گویند. هنگامی که حفرات غشاء بزرگتر از اندازه ذرات باشند ، یا اگر فیلتر از مواد رشته ای یا دانه ای ساخته شده باشد ، ذرات به درون غشاء وارد خواهند شد. اگر این ذرات جذب سطح غشاء شوند و دورن آن باقی بمانند از سیال جدا خواهند شد و در غیر اینصورت به همراه سیال از غشاء عبور می کنند . به این نوع جداسازی فیلتراسیون عمقی می گویند.
Batch production
Plants for batch production, figure 6.4.17, are used mainly
for filtration of small volumes of product, for example in
laboratories and experimental plants. A certain amount of
the product to be treated is kept in a buffer tank. The
product is circulated through the membrane separator until
the required concentration is obtained. (2)
Continuous production
Schematic designs of the membrane filtration plants referred
to are collected in figures 6.4.18. and 6.4.19. The
plants illustrated in fig. 6.4.18 represent spiral-wound concepts
for RO, NF and UF applications, with polymer membranes
of different pore sizes, while fig. 6.4.19 shows a MF
plant with ceramic membranes.(2)
علاوه بر پلاریزاسیون غلظت و تشکیل ژل ، مکانسیم دیگر کاهش شار، گرفتگی یا انسداد حفرات غشاء است. مکانسیم های مختلف گرفتگی در شکل نشان داده شده است. در حقیقت تشکیل لایه ژلی یکی از اشکال گرفتگی است. منتهی این نوع گرفتگی بر گشتپذیر است. بدان معنا که در اثر شستشو با آب تمیز بر طرف می شود. در صورتی گرفتگی برگشت ناپذیر خواهد بود که ترکیبات لایه ژلی با یکدیگر واکنش داده و یک لایه متراکم را بر سطح غشاء تشکیل دهند. بدیهی است این نوع گرفتگی به راحتی قابل برطرف کردن نیست . جذب سطحی ترکیبات در دیواره حفرات نیز بر کارآیی غشا تاثیر می گذارد . در این حالت شعاع موثر حفرات کاهش یافته و مقاومت در برابر جریان تراوه افزایش می یابد. بنابراین شار جریان تراوه تنزل نموده ودفع اجزاء محلولی که قبلاً به راحتی از درون حفرات عبور می کردند، زیادتر می شود. طبیعی است در چنین مواقعی جداسازی اجزاء با اندازه های مختلف به خوبی صورت نمی گیرد. مکانسیم دیگر گرفتگی مسدود شدن حفرات است که تا حدود زیادی برگشت ناپذیر است. (1)
انتخاب روش شستشوی غشاء بستگی به نوع گرفتگی دارد. اگر گرفتگی مانند تشکیل ژل از نوع برگشت ناپذیر باشد، آبکشی با آب خالص و تمیز این مشکل را حل می کند . اما اگر گرفتگی از نوع برگشت ناپذیر باشد، محلولهای شستشوی دیگر مورد نیاز است. مثلاً شستشو با قلیا یا محلولهای اسیدی در دماهای نسبتاً بالا، برای بر طرف کردن انسداد جذب سطحی یا انسداد از نوع گرفتگی حفره مفید خواهد بود . (8)
گرفتگی
جهت جلوگیری یا کمتر کردن پدیده گرفتگی روشهای کلی زیر توصیه می شود: (1)(8)
انتخاب غشاء مناسب:
پیش تصفیه سیال ورودی به غشاء :
بهبود شرایط عملیاتی:
احیاء مجدد غشاء :
روش های رفع گرفتگی غشاء
از آنجایی که گرفتگی غشاء در فر آوری تمام محلولها، امری اجتناب ناپذیر است لذا لازم است جهت حفظ کارایی غشاء در حد قابل قبول ، پس مدتی استفاده از غشاء آن را تمیز کرد. به بیان دیگر اگر چه در طی فرآیند تدابیری جهت کاهش میزان گرفتگی اتخاذ می شود، اما این پدیده به طور کامل قابل حذف نیست. (8)(10)
روش های بیولوژیکی
روش های شیمیایی
روش های فیزیکی
امروزه توجه محققین به روشهای جدید ی معطوف شده است که بدون متوقف کردن سیستم ، عملیات تمیز کردن انجام گیرد . از جمله روش های دارای این پتانسیل استفاده از فرآیند های غیر حرارتی بویژه استفاده از میدانهای الکتریکی و همچنین اولتراسوند می باشد . با توجه به پیشرفت روز افزون استفاده از فرآیند ها غشایی در صنعت غذا ، و با توجه به اینکه از مهمترین عوامل محدود کننده گسترش این تکنولوژی ایمن در صنایع غذایی گرفتگی غشاء و همچنین متوقف شدن فرآنید فیلتراسیون برای تمیز کردن غشاء است ، لذا بررسی و مطالعه روش هایی که هم گرفتگی را محدود کنند و هم برای تمیز کردن غشاء ،خط را متوقف نکنند ضروری به نظر می رسد
پیشنهاد
لازم به ذکر است که جداسازی به وسیله غشاء یک فرایند صد در صد نیست بدان معنا که امکان عبور بعضی از ذرات که بطور تئوری انتظار دفع آنها می رود ، از غشاء وجود دارد
توجه:
1.مرتضوی٬علی.1386.فناوری های نوین صنایع غذایی٬مشهد :انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد.
2. Bylund ,G .1995. Handbook of Dairy Processing . Sweden: Tetra Pak Processing Systems AB S-221 86 Lund.
3. Wagner, J., Chem Eng, S.B. 2001. Handbook of Membrane Filtration. Osmonics,Inc.
4. Nandi, B.K., Uppaluri, R. 2008. Preparation and characterization of low cost ceramic membranes for micro-filtration applications.Journal of science direct,42: 102–110.
5. Daufin, G., Escudier,J.P., Carrere, H.2001. Recent and emerging applications of membrane process the food And dairy industry. Institution of Chemical Engineers, Trans IChemE, Vol 79, Part C.
منابع :
6. Skelton,R.2000.Membrane filtration applications in food industry.Journal of membrane in food processing,28-30.
7.Watertown, M.2004. Membrane technology benefits the food processing industry.Journal of featere article ,32-33.
8. Chan, R., Chen,V .2004 . Characterization of protein fouling on membranes:opportunities and challenges.Journal of Membrane Science, 242: 169–188.
9. Rektor, A., Pop, N.2004.Application of membrane filtration metods for must processing and preservation.Journal of science direct ,162: 271-277.
10. Argoello,M.A., Alvarez, S.Riera, F.A. 2003. Enzymatic cleaning of inorganic ultrafiltration membranes used for whey protein fractionation. Journal of Membrane Science,216:121-134.
منابع :
با تشکر از استاد گرامی و شما عزیزان