فیلتراسیون غشایی
معرفی غشا، فرایندهای غشایی
و کاربرد آنها در فیلتراسیون
1
نگاه کلی
تعریف غشا
جنس غشا
خواص غشا
ساختمان غشا
فرایندهای غشایی
تعریف
بنا به تعریف غشا لایه ای نازک است که می تواند اجزای یک سیال را به طور انتخابی از آن جدا نماید. به عبارت دیگر غشا وسیله ای است که جداسازی مواد را عموماً براساس اندازه های مولکولی آنها ممکن می سازد. در این فرآیند علاوه بر اندازه، عوامل دیگری نیز دخالت دارند.
به طور خلاصه دو عمل اصلی که توسط غشاء انجام می شود عبارتند از:
نفوذپذیری یا تراوشpermeability) )
انتخابگری یا گزینش پذیری (selectivity)
انتقال جرم در طول یک غشاء ممکن است بوسیله نفوذ و یا جابجایی حاصل شود. جابجایی می تواند در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی، غلظت، فشار یا درجه حرارت انجام شود.
جنس غشا
غشاهای پلیمری
غشاهای سرامیکی
غشاهای فلزی
غشاهای مایع
غشاهای تعویض یونی
غشاهای پلیمری
از جمله غشاهای پلیمری میتوان به غشاهای ساخته شده از جنس پلی پروپیلن، تفلون، پلی آمید، پلی ایمید و پلی سولفون اشاره کرد. هر کدام از این مواد بر اساس ساختار شیمیایی خود، دما و pH محیط، حلالیت مواد و مقاومت آنها مورد استفاده قرار میگیرند. تخلخل بالا یکی از ویژگیهای مهم در غشاهای پلیمری است.
نیاز به غشاهایی با مجموعه خواص مطلوب شامل شار عبوری بالا، انتخاب پذیری بالا و پایداری شیمیایی، مکانیکی و حرارتی مناسب، محققین را به سمت توسعه غشاهای هیبریدی نانوکامپوزیتی (شامل مواد معدنی پخش شده در ماتریس پلیمری) سوق داده است
غشاهای سرامیکی
این غشاها که شامل اکسیدهای آلومینیوم، زیرکونیوم، تیتانیوم و سیلسیوم میباشند، دارای مزایایی مانند مقاومت حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالا، طول عمر زیاد، مقاومت خوردگی و باکتریایی بالا، امکان احیا، امکان تمیزکردن و کنترل مطلوب اندازه حفرات هستند. در این غشاها، هیچ افزودنی موردنیاز نبوده و محدودیتی در دمای فرآیند وجود ندارد. فیلتراسیون به کمک سرامیک، یک فرایند با انتخاب پذیری بالاست که بدون تبدیلات فازی است. ولی در کنار این مزایا، معایبی مانند هزینه ساخت بالا و مشکل بودن انجام اصلاحات بعدی بر روی غشا نیز وجود دارد.
غشاهای فلزی
این غشاها که در حال حاضر بیشتر در آزمایشگاه های تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً از جنس فولاد ضدزنگ، سیلیس، آلومینیوم، نقره ، نیکل و برخی از آلیاژها هستند. خصوصیت برجسته ای که در رابطه با این غشاها مطرح است، مقاومت آنها در برابر خوردگی است.
ثابت شده است که غشای فلزی برای کاهش میکروبها و ذرات آلوده کننده از آب باران کافی است.
غشاهای مایع
غشا فازی است بین دو فاز دیگر که انتقال جرم بین آنها را کنترل م یکند. اگر این فاز میانی یک مایع امتزاج ن اپذیر با دو فاز دیگر باشد، نقش یک غشا مایع را خواهد داشت.
غشاهای مایع به سه صورت غشاهای امولسیونی، پایه ای و جریانی هستند. در غشاهای امولسیونی از عوامل فعال کننده سطحی برای تولید امولسیون استفاده می کنند. در غشاء نوع دوم از مایعی در داخل یک جامد متخلخل با حفراتی در حد میکرون استفاده م یکنند. در غشا جریانی هم، جریان مایع- مایع به صورت پیوسته برقرار بوده و حفرات را همواره پر نگه می دارد.
غشاهای تعویض یونی
این نوع غشاها در فرایند الکترودیالیز استفاده شده که متشکل از یک سری غشاء کاتیونی و آنیونی است که به صورت متفاوت قرار گرفته اند. و یک پتانسیل الکتریکی به انتهای آنها متصل گشته است. هنگامی که سیال تصفیه نشده شامل کاتیون و آنیون باشد و به داخل یک سلول معین وارد شود، کاتیون های با بار مثبت بوسیله ی کاتد حرکت داده می شوند. کاتیونها می توانند از میان غشاء کاتیونی با بار منفی نفوذ کرده اما بوسیله ی غشاء آنیونی با بار مثبت دفع می گردند. به همین صورت آنیونها به صورت عکس عمل میکنند.
خواص غشا
خواص شیمیایی
بار سطحی
هدایت الکتریکی
جذب کنندگی
آبدوست یا آبگریز بودن غشا
خواص فیزیکی
اندازه حفره های غشا
توزیع اندازه حفره ها
تعداد حفره ها
شکل حفره ها
ضخامت غشا
تخلخل
چروک خوردگی
ساختمان غشا
غشاها در داخل محفظ هایی قرار می گیرند که تحت عنوان مدول اطلاق میشود. نوع جریان در سطح غشا و نیز نحوه حرکت سیال بستگی به نوع مدول انتخابی دارد. درواقع مدول به منظور نگهداری غشا، کنترل حرکت سیال و افزایش نسبت سطح به حجم به کار می رود در هر مدول، غشاها به همراه نگهدارنده ها و پایه های خود در یک شکل هندسی خاص قرار میگیرند که دارای مجراهایی برای ورود خوراک توزیع خوراک و همچنین جمع آوری مواد می باشد.
مدولهای صفحه ای
Flat and plate
spiral
مدولهای لوله ای
mm 10<) Tubular)
(mm10-0.5) Capillary
Hollow Fiber (mm0.5>)
نمونه هایی از مدولهای Flat & Plate
نمونه هایی از مدولهای Spiral
نمونه هایی از مدولهای Tubular
نمونه هایی از مدولهای Hollow Fiber
فرایندهای غشایی
میکروفیلتراسیون (MF)
الترافیلتراسیون (UF)
نانوفیلتراسیون (NF)
اسمز معکوس (RO)
دیالیز (Dialysis)
الکترودیالیز
غشاهای مایع
میکروفیلتراسیون (MF) و نانوفیلتراسیون (NF)
NF
نانوفیلتراسیون شکلی از فیلتراسیون است که غشاها را به منظور جداسازی سیالات یا یونهای گوناگون به کار می گیرد. نانوفیلتراسیون به صورت اسمز معکوس ملایمتری عنوان میگردد، چرا که حفرات غشایی بزرگتری در مقایسه با غشاهای اسمز معکوس دارد. به دلیل اینکه این غشاها در فشارهای بسیار پایینتری کار کرده و برخی از مواد معدنی را از خود عبور میدهند. NFمیتواند در مواردی که حذف بالای مواد آلی موردنیاز است و همچنین در حذف متوسط مواد معدنی کاربرد داشته باشد.
MF
یکی از فرآیندهای مهم غشایی می باشد که نیروی محرکه آن اختلاف فشار است. دراین روش معمولاً مواد معلق کلوئیدی جدا می شود و مواد حل شده و ذرات ماکرو مولکول عبور می کند. از این روش برای جداسازی باکتریها مواد معلق و مواد پلیمری استفاده می شود.
الترافیلتراسیون (UF)
نیروی محرکه آن اختلاف فشار در دو طرف غشا است از این نوع غشاء برای جدا سازی املاح با وزن مولکولی پائین از حلال ها 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. از این نوع غشاء برای جداسازی ماکرو مولکولهایی با اندازه بین 10 تا 1000 انگستروم به کار می رود. در این روش کلوئیدها، پروتئین ها، مواد میکروبی بیماری زا و مولکول های آلی بزرگ که وزن مولکولی آن بین 1000 تا 100000 دالتون است جداسازی می شوند.
اسمز معکوس (RO)
در رابطه با غشاء نیمه تراوای مورد استفاده در اسمز معکوس، آب در رقابت با نمک، ذرات معلق و مواد آلی با وزن مولکولی بالا در اولویت قرار داشته و از غشا عبور میکند. اسمز معکوس، یک حرکت وارونه نسبت به اسمز استاندارد است به نحوی که در آن حلال از سمت غلیظتر به سمت رقیقتر حرکت می کند. چنانچه با اعمال فشار فیزیکی یا افزایش ارتفاع محلول آب نمک، تعادل بین آب خالص و آب نمک به هم خورد، آب خالص از طریق غشا از قسمت آب نمک به قسمت آب خالص نفوذ می کند و نفوذ تا زمانی ادامه می یابد که تعادل مجدداً برقرار شود، به طوری که فشار اُسمزی محلول آب نمک با فشار محلول آب نمک بر روی غشای نیمه تراوا برابر شود که این نیز بستگی به فشار آب خالص برروی غشا دارد.
دیالیز و الکترودیالیز
الکترودیالیز:
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.
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.
References
پلاگ – نشریه الکترونیکی انجمن علمی مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی سهند – مطالعه ای بر فرایندهای غشایی – نازلی عسگری هند – 1387
http://rasekhoon.net/article/show/163946/
http://chemistryengineer.mihanblog.com/post/20
http://starters.blogfa.com/post-834.aspx
The End