مروري بر فرآيندغشايي

 

 

 

مروري بر فرآيندهاي غشايي

 

2-1- مقدمه

2-1-1- تعريف غشاء

بنا به تعريف غشاء لايه اي نازک است که مي تواند اجزاي يک سيال را به طور انتخابي از آن جدا نمايد. به عبارت ديگر غشاء وسيله اي است که جداسازي مواد را عموماً براساس اندازه هاي مولکولي آنها ممکن مي سازد. در اين فرآيند علاوه بر اندازه، عوامل ديگري نيز دخالت دارند.

در يک فرآيند غشايي عموماً دو فاز وجود دارد که به وسيله فاز سوم (غشاء) به طور فيزيکي از هم جدا شده اند. غشاء انتقال جرم بين دو فاز را کنترل مي نمايد. فازها به صورت مخلوطي از اجزا مي باشند. يکي از اجزاي موجود در مخلوط بيش از سايرين انتقال مي يابد. به عبارت ديگر غشاء نسبت به يکي از اجزا انتخابگر است. در اين صورت انتقال آن جزء از يک فاز به فاز ديگر توسط غشاء انجام خواهد شد. به اين ترتيب يکي از فازها غني از آن جزء و ديگري از آن تهي مي گردد. به طور خلاصه دو عمل اصلي که توسط غشاء انجام مي شود عبارتند از: نفوذپذيري يا تراوش(permeability)  و انتخابگري يا گزينش پذيري (selectivity). فرآيندهايي که بر اساس استفاده از غشاها پايه گذاري شده اند مي توانند در کاربرد و نيز نيروي محرکه^ء لازم براي انجام جداسازي کاملاً متفاوت باشند. انتقال جرم در طول يک غشاء ممکن است بوسيله نفوذ و يا جابجايي حاصل شود. جابجايي مي تواند در اثر اختلاف پتانسيل الکتريکي، غلظت، فشار يا درجه حرارت انجام شود.

 

2-1-2- انواع فرايندهاي جداسازي غشايي

1.       اسمز معكوس:

از اين نوع غشاء براي جدا سازي املاح با وزن مولكولي پائين از حلال ها و به طور خاص از حلال آب استفاده مي شود. املاح زدائي از آبهاي شور با استفاده از اين روش بيشتر از 99 درصد مي باشد. به همين دليل جهت شيرين سازي آب دريا و آبهاي ديگر از اين روش استفاده مي شود.

2.      نانوفيلتراسيون:

از اين غشاء جهت حذف مواد و ذرات بزرگتر از 10 انگستروم استفاده مي شود. در واقع از اين روش براي جدا سازي مولكولهاي آلي با وزن مولكولي متوسط و همچنين آنيونها و كاتيونهاي دو ظرفيتي و بيشتر استفاده مي شود.

3.     اولترافيلتراسيون:

يکي از فرآيند هاي مهم غشايي است که نيروي محرکه آن اختلاف فشار در طرف از اين نوع غشاء براي جدا سازي املاح با وزن مولكولي پائين از حلال ها و به طور خاص از حلال آب استفاده مي شود. املاح زدائي از آبهاي شور با استفاده از اين روش بيشتر از 99 درصد مي باشد. به همين دليل جهت شيرين سازي آب دريا و آبهاي ديگر از اين روش استفاده مي شود.

 مي باشد. از اين نوع غشاء براي جداسازي ماكرو مولكولهايي با اندازه بين 20 تا 1000 انگستروم به كار مي رود. در اين روش كلوئيدها، پروتئين ها، مواد ميكروبي بيماري زا و مولكول هاي آلي بزرگ كه وزن مولكولي آن بين 1000 تا 100000 است جداسازي مي شوند. همچنين از اين فرآيند در در عمليات تصفيه، تغليظ و تفکيک مي توان استفاده کرد.

4.     ميكروفيلتراسيون:

يکي از فرآيندهاي مهم غشايي مي باشد که نيروي محرکه آن اختلاف فشار است. اين روش براي جداسازي ذرات 2/0 الي 20 ميكرون به كار مي رود.دراين روش معمولاً مواد معلق كلوئيدي جدا مي شود و مواد حل شده و ذرات ماكرو مولكول عبور مي كند. از اين روش براي جداسازي باكتريها مواد معلق و مواد پليمري استفاده مي شود.

5.     دياليز:

يک فرآيند غشايي است که در آن اجزاي کوچک به واسطه اختلاف غلظت، با شدتي بيش از اجزاء بزرگ از غشاء نيمه تراوا عبور مي کنند. اگر محلول گيرنده که دياليز کننده ناميده مي شود مرتباً تعويض نگردد، غلظت اجزاء در دو طرف غشاء مساوي شده و نيروي محرکه جداسازي از بين مي رود.

6.      الكترودياليز:

يک فرآيند جداسازي الکتروشيميايي است که يونها داراي بار مشخصي را از يونهاي داراي بار مخالف جدا مي سازد. الکترودياليز بر پايه مهاجرت يونها از درون غشاهاي تبادل يوني در اثر اعمال الکتريسيته بنا شده است. در اين فرآيند يونها در اثر پتانسيل الکتريکي از غشاء از محلول با غلظت کم به محلول با غلظت زياد منتقل مي شوند.

خالص سازي يک محلول در فرآيند الکترودياليز همانند دياليز از طريق جداسازي ماده حل شونده نامطلوب با استفاده از غشاء انجام مي شود. اين در حالي است که تصفيه محلول در بسياري از فرآيندهاي غشايي همانند اسمز معکوس و الترا فيلتراسيون از طريقانتقال حلال از درون غشاء و با عدم عبور اجزاء حل شونده صورت مي گيرد.

2-2- تاريخچه

فرآيندهاي غشايي در ميان فرآيندهاي صنعتي رشدي متأخر داشته‌اند. غشاهاي ميكروفيلتراسيون در اواخر دهة دوم قرن بيستم به صورت تجاري براي استفاده در آزمايشگاههاي باكتريولوژي توليد شدند. استفاده از اين نوع غشاها تا زمان ايجاد فيلترهاي نامتقارن، براي اسمز معكوس و اولترافيلتراسيون در مقياس وسيع ممكن نبود. دقيقاً بعد از جنگ جهاني دوم يك گروه ويژه براي مطالعه بر روي تكنولوژي غشايي آلمان تشكيل شد و در سالهاي 1947 تا 1950 ساختارهاي غشايي موفقي پرورش يافتند. در سال 1957 نتيجه گزارشها تحقيقاتي بسياري، منجر به تصميم‌گيري براي استفاده از روش فيلتر غشايي براي آب آشاميدني شد. استفاده از فيلترهاي غشايي براي آناليز بهداشتي آب بوسيله رشد باكتري بر سطح فيلترها، گونه‌اي از استعمال نوظهور غشاها در تاريخچه استفاده از آنها بود. در طول اولين قرن گسترش وتوسعه فيلترهاي غشايي محققين از غشاها براي مطالعات دياليزي و اسمزي و اولترافيلتراسيون استفاده مي‌كردند. محققين غشاهاي خود را براي اين آزمايشها از نيتروسلولز تهيه مي‌كردند. سوريجان و لئوب در دهه 1960 توانستند يك غشاي نامتقارن استات سلولز بوسيله فرآيند فاز معكوس تهيه كنند. اندكي بعد ميشل تصميم به ساخت يك غشاي نامتقارن چند يوني براي اولترافيلتراسيون گرفت كه اين تصميم در واقع يك موج توسعه در اين تكنولوژي بود. به همين ترتيب غشاهاي جداكننده گاز از فيلمهاي پليمري به دنبال يك سري تلاشهاي بي سابقه از بارر حاصل شدند[1].

تاريخچه فيلترهاي غشايي سلولزي مي‌تواند به 4 دوره تقسيم شود: كشف، آزمايش، رشد و پيشرفت.

 پس از كشف غشاء سلولزي، غشاي طبيعي كه از جانوران و گياهان گرفته مي شد در آزمايشهاي اولترافيلتراسيون و نفوذ مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. لازم به ذكر است پژوهشگراني كه بر روي پديده نفوذ تحقيق مي‌كردند در اوايل دهه اول قرن نوزدهم براي آزمايشها دياليزي و مطالعات اسمزي و كاربردهاي اولترافيلتراسيون از غشاهاي خارجي قلب گاو، مثانه خوك و ماهي، پوست قورباغه و پوست پياز استفاده مي‌كردند. ماتيوس و سيما در سال 1845 در حالي كه از غشاهاي جانوران براي مطالعات اسمزي استفاده مي‌كردند موفق شدند براي اولين بار دربارة تفاوتهاي نفوذ پذيري وابسته به عدم تقارن منافذ غشاء گزارش دهند[3]. آنها ملاحظه كردند كه وقتي اطراف غشاء در جهت جريان آب معكوس مي‌شود، جريان آب عبوري از غشاء سرعت بيشتري مي‌يابد.

اشميت اولين نفري بود كه آنچه تاكنون اولترافيلتراسيون ناميده مي‌شود را شكل داد[4]. وي نيز مشاهدات مشابهي در سال 1865 داشته است. او دريافت كه در هنگام معكوس كردن لبه‌هاي داخلي غشا در جهت جريان آب تفاوت آشكاري در جريان آب عبوري از غشاهاي جانوري ايجاد مي‌شود. اين محققين بدون اينكه دلايل ايجاد اين تفاوت‌ها را بدانند؛ بر ساختار منافذ غشاها ملاحظات ويژه‌اي داشتند. بعدها كشف شد كه غشاهاي پنبه‌اي مصنوعي نيز اين ساختار منافذ كه قابليتهاي حفظ باكتري غشاء است، را دارا مي‌باشند. استفاده از غشاهاي ميكروفيلتراسيون در يك مدل بستة جريان براي تميز كردن انواعي از بخارهاي مايع بسيار رواج يافت و فيلتراسيون استريل به طور گسترده از اواسط دهه 60 قرن 20 مورد استفاده قرار گرفت. الكترودياليز عليرغم اينكه رشد بسيار آهسته‌تري از ساير فيلتراسيونهاي غشايي داشت اولين فرآيند مدرن براي توسعه يك پايه قابل توجه صنعتي بود.

اكثر اولترافيلتراسيونهاي اوليه كه در آزمايشگاهها و مصارف صنعتي استفاده مي‌شدند تا قبل از اواخر دهة 60 قرن 20 اهميت زيادي نداشتند.در دهة 70 اين قرن شاهد توسعة سريع به سركردگي صنايع لبني در اولترافيلتراسيون بوديم كه طرح‌هاي زيادي براي تغليظ پروتئين آب پنير و ديگر موارد كاربرد اولترافيلتراسيون مطرح گرديد. پليمرهاي جديد زيادي مورد آزمايش قرار گرفتند و كار اصولي به صورت فزاينده‌اي بر اين موضوع متمركز شد. وقتي يك افزايش و جهش كالبدي در ادبيات تحقيق در اين زمينه ظاهر شد لزوم ايجاد نشريه‌اي براي ارائه آخرين پيشرفتهاي علمي در اين زمينه آشكار شد و به اين ترتيب مجلة "دانش غشايي" از سال 1973 شروع به فعاليت و انتشار كرد.

پس از برخي مشكلات اوليه ناشي از ضعف غشاها، سازنده‌هاي معتبر دانستند كه چگونه محصولات نيرومند، قابل اعتماد و قابل دستيابي مجدد بسازند كه اين تجربه بعداً توسط صنعت اخذ شد و دورة عمر غشاها از چند ماه به چند سال و در غشاهاي RO حتي بيش از 5 سال (با گارانتي اجرايي 5 ساله) و در غشاهاي UF با بيش از دو سال (با گارانتي يك ساله) افزايش يافت.

دهة 90 قرن 20 شاهد يك تنوع كلي از فرآيندها در حوزة غشاها بوده است و غشاهاي جديد هر روزه توسعة بيشتري مي‌يابند و شركتها با سرعت زيادي خريد و فروش مي‌شوند به طوري كه شركت‌هاي كوچك معمولي غشايي در ميان غولهاي صنعت شيميايي داد و ستد مي‌شوند. و اين روند رو به رشد در تكنولوژي غشايي به كجا خواهد انجاميد چيزي است كه براي رسيدن به آن بايد در انتظار آينده ماند.

 

2-3- بررسی فيلتراسيون غشايي

در اين بخش پيرامون ماهيت فيلتراسيون غشايي، انواع آن و نحوه و اساس طبقه‌بندي گونه‌هاي فيلتراسيون غشايي و برخي كاربردهاي آنها متناسب با ويژگيهاي هر نوع و امتيازهاي هر كدام نسبت به ديگري توضيحات مختصري ارائه خواهد شد. اما فيلتراسيون غشايي چيست؟ فيلتراسيون غشايي به جداسازي تركيبات مايع تحت فشار بوسيله غشاهايي كه اندازة منافذ آنها كنترل شده است گفته مي‌شود. در جداسازي غشايي يك جريان مماسي و يا عرضي مورد برسي و عمليات واقع مي‌شود. مثلاً جريان ورودي به طور موازي از سطح غشاء عبور مي‌كند كه نحوة نفوذ به داخل غشاء جرياني عمودي دارد لذا فيلتراسيون بايد در يك سيستم بسته انجام شود.

به اين ترتيب فرآيند جداسازي غشايي برمبناي نفوذ انتخابي يك يا چند جزء از اجزاء مخلوط مايع به درون غشا و عبور از آن استوار مي‌باشد و غشاها مي‌توانند در فرآيندهاي تغليظ و يا جزء به جزء كردن براي توليد دو جريان مايع با خصوصيات متفاوت مورد استفاده قرار گيرند. از ويژگيهاي منحصر به فرد فيلتراسيون غشايي خاصيت جداسازي بدون تغيير فاز آنها مي‌باشد، گرچه ممكن است مكانيزمهاي انتقال جرم براي فرآيندهاي مختلف و يا حتي براي غشاهاي مختلف و يا شرايط هيدروليكي دستگاههاي مختلف مورد استفاده متفاوت باشد ولي اين ويژگي در همة انواع فيلتراسيون‌ها مشاهده مي‌شود.

وقتي كلمة فيلتراسيون غشايي را عنوان مي‌كنيم احتمالاً اين سئوال به ذهن مخاطبين خطور خواهد كرد كه مرز بين فيلتراسيون غشايي و فيلتراسيونهاي رايج در چيست و يا دقيق تر مرز بين هر يك از فيلتراسيونهاي غشايي در كجاست؟ در واقع اين سئوال مشابه اين است كه بپرسيم مرز بين بيابان و زمين زراعي در كجاست؟ تفاوت اين دو آشكار است، اما بيان كردن اين تفاوت تا حدودي بي قاعده و اختياري است. اگرچه جستجوي دقيق در اين حيطه ما را از منظور اصلي باز مي‌دارد ولي بياني شماتيك از آن مي‌تواند به عنوان راهنمايي سريع و مناسب براي تشخيص اينكه در هر مورد متناسب با شرايط كدام را انتخاب كنيم، مورد استفاده قرار گيرد. اصولاً خريداران علاقه‌اي به دانستن اين محدوده‌ها ندارند بلكه براي آنها كاري كه هر كدام انجام مي‌دهد مهم و مورد توجه است. بنابراين هدف از طبقه‌بندي غشاها مشخص كردن قابليت‌هاي كاربردي هر يك مي‌باشد.

تكنولوژي غشايي، عموماً به عنوان راهنمايي براي جداسازي ذرات زيرميكروني مورد توجه واقع مي‌شود. انتخابها از عكس العمل مابين غشا و محيط اطراف ناشي مي‌شود و اصولاً دو فاكتور اساسي با انتخاب در ارتباط است يكي جدا شدن مولكولها و يا ذرات در بين غشاء و فاز اطراف و ديگري ميزان انتشار مواد در غشاء و اين موضوع فرآوردة ناشي از اين دو فاكتور را غيرمنحصر به فرد مي‌كند.

يكي از روشهايي كه در بسياري از فرآيندهاي غشايي معمول است (البته نه در همه) جريان متقاطع است. كه اين نوع جريان شامل عبور دادن مماسي مايع از بين سطح غشاء مي‌باشد. فايدة اين روش اين است كه ذرات و يا مواد حل شدني در دو رويه ايجاد مي‌شوند. نتيجة روش جريان متقاطع اين است كه جريان عبوري از غشاء در عمليات متناوب به حالت پايدار برسد در حالي كه در فيلتراسيونهاي رايج جريان پيوسته كاهش مي‌يابد. لذا اگر ريت های بالاتري مورد نظر باشد جريان متقاطع بالاتري مورد نياز است.

اما در كنار اين فايدة روش جريان متقاطع، بايد تاوان انرژي لازم براي حركت دادن جريان از بين سطوح را نيز پرداخت كنيم اما اين هزينه در مقابل هزينه لازم براي هل دادن جريان به سوی فيلتر در روش بسته جريان كوچك مي‌باشد. يك فاكتور كليدي در اينجا، نسبت جريان متقاطع به جريان عبوري است. عجيب نيست اگر اين نسبت به عنوان جنبه‌اي كليدي براي كنار گذاشتن طراحي المانهاي غشايي و برگزيدن حالتهاي عملياتي سابق مورد توجه قرار گيرد. نتيجة ديگر جريان متقاطع اين است كه اين سيستم اصولاً براي عبور بخش اندكي از خوراك طراحي شده است.

بنابراين در آينده بايد در طرحهاي غشايي، طراحي سيستمي براي از بين بردن اين كاهش، مورد توجه قرار گيرد. در چند سال اخير مرز بين فيلتراسيون غشايي و فيلتراسيونهاي مرسوم با رشد فرآيندهاي هيبريد، متبلور شده است. در اين فرآيندها ابتدا برخي مواد در سطح غشا ساخته مي‌شود و سپس با عبور آب و يا هوا از پشت غشا، خارج خواهند شد. و با تكرار متناوب اين عمل ( min circulating 15 ) مي‌توان جريان معقولي از ميان غشا ايجاد كرد. به اين ترتيب از اثر مواد مزاحم بر روي سطح كاسته مي‌شود و غشاء همچنان به عنوان فاكتور كنترلي باقي مي‌ماند.. به اين دليل که گونه های مختلفي از ميان غشاء با

 

شکل (2-1) شماتيک از تفاوت بين فيتراسيون جريان متقاطع و مدل بسته جريان.

 

شكل (2-2) محدوده استفاده از فيلتراسيون

سرعتهاي مختلف عبور مي کنند غشاء براي بسياری از فرآيندهای جداسازي مورد استفاده قرار مي گيرد.اساس کار به اين صورت مي باشد که مخلوطي از اجزاي گوناگون را به عنوان خوراك واردمي‌كند و اين اجزا به دليل پتانسيل‌هاي مختلف با نرخ هاي متفاوت عبور مي‌كنند و از توده‌اي به توده ديگر مي‌روند. شار گذرنده از غشاء براي هر جزء به ازاي واحد نيروي رانشي با نفوذپذيري آن متناسب است.

2-4- طبقه‌بندي غشاء

از ديدگاههاي مختلف مي‌توان غشاء ها را تقسيم‌بندي كرد.

الف) طبيعت غشاء: از نظر طبيعت غشاها، مي‌توان آنها را به دو بخش تقسيم كرد:

1ـ غشاهاي طبيعي

2ـ غشاهاي سنتزي

 غشاهاي طبيعي غشاهايي هستند كه در طبيعت وجود دارند؛ مانند سلول بدن موجودات زنده.

غشاهاي سنتزي به روشهاي مصنوعي ساخته مي‌شوند. اين غشاها به دو گروه تقسيم مي‌شوند:

گروه اول غشاهاي آلي هستند كه معمولاً از پليمرها ساخته مي‌شوند (مثل PDMA و PVA/PAN) و به دو گروه تفكيك مي‌شوند: گروه اول را غشاهاي متخلخل و گروه دوم را غشاهاي غيرمتخلخل مي‌نامند. غشاهاي غيرمتخلخل براي جداسازي گاز ـ مايع و جداسازي گاز ـ گاز مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

گروه دوم غشاهاي معدني (مثل زئوليت يا سيليكاي بي شكل) که به 4 گروه عمده تقسيم مي‌شوند:

·     1 ـ غشاهاي سراميكي

·     2 ـ غشاهاي فلزي

·     3 ـ غشاهاي زئوليت

·     4 ـ غشاهاي شيشه‌اي

ويژگي مهم غشاهاي معدني پايداري شيمايي و حرارتي بيشتر نسبت به غشاهاي آلي است. غشاهاي فلزي

از پودر فلزاتي مانند تنگستن، موليبدن، فولاد ضد زنگ و … ساخته مي‌شوند. غشاهاي سراميكي تركيبي از يك فلز با يك غيرفلز است. اين فلز مي‌تواند آلومينيوم، تيتانيوم، سيليسيوم و زيركونيوم و … باشد. غيرفلز نيز مي‌تواند اكسيژن، نيتروژن، كربن و … باشد، يعني غشاهاي سراميكي اكسيد، نيتريد يا كربيد يك فلز هستند. از ديگر مزاياي غشاهاي معدني مي‌توان به تحمل فشارهاي عملياتي بالا، طول عمر زياد، سهولت تميز كردن و مقاومت مكانيكي بالا اشاره كرد.

ب) ساختار غشاء: بر اين اساس غشاها به دو دسته متخلخل (Porous Membrane) و غشاهاي غيرمتخلخل (Nonporous Membrane) تفكيك مي‌شوند. غشاهاي سوراخدار غشاهايي هستند با سوراخ‌هاي ثابت كه براي فرآيند ميكروفيلتراسيون قطر سوراخ‌هاي آنها بين  mm 10-1/0 و براي اولترافيلتراسيون بين nm100-2 مي‌باشند.

گزينش‌پذيري اين غشاها غالباً براساس ابعاد سوراخها بيان مي‌شود؛ اما انتخاب مواد سازنده غشاء به عوامل ديگري هم بستگي دارد كه از جمله اين عوامل مي‌توان به جذب، استحكام شيميايي و سهولت تميز كردن غشاء اشاره كرد. بنابراين انتخاب مواد پليمري علاوه بر اين كه به شار عبوري از غشاء و گزينش پذيري بستگي دارد به خواص شيميايي و حرارتي ماده هم وابسته است. در برخي فرآيندهاي جداسازي مانند ميكروفيلتراسيون و اولترافيلتراسيون مشكلي كه روي مي‌دهد گرفتگي غشاء است.

كاربرد غشاهاي بدون سوراخ (Non porous) در فرآيندهاي جداسازي گازي و تراوش تبخيري (pervaporation) مي‌باشد. براي چنين فرآيندهايي از كامپوزيت‌ها و غشاهاي نامتقارن هم استفاده ميشود

ويژگي غشاهاي بدون سوراخ اين است كه نفوذپذيري و گزينش‌پذيري از خواص ذاتي آنهاست و روال كار در اين نوع غشاها بدين صورت است كه مواد در غشاء حل مي‌شوند؛ سپس نفوذ مي‌كنند. برخلاف غشاهاي سوراخدار كه مواد بدون حل شدن و براساس خواص فيزيكي و شيميايي مولكولها از يكديگر جدا مي‌شوند.  براي ساخت اين غشاها دامنه وسيعي از پليمرها وجود دارد و مي‌توان از پليمرهاي لاستيكي تا پليمرهاي شيشه‌اي گزينش كرد.

ج) ساختمان: تقسيم‌بندي ديگر غشاها براساس ساختمان غشاها صورت مي‌گيرد. اين تقسيم‌بندي از اين جهت داراي اهميت است كه ساختمان غشاء، مكانيسم جداسازي و كاربرد غشاء را تعيين مي‌كند. بر اين اساس غشاها به دو گروه متقارن (Symmetric) و غشاهاي غيرمتقارن (Asymmetric) تقسيم‌بندي مي‌كنند.

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل(3) شماتيك لايه هاي غشاء

شکل(2-3) شماتيک ساختمان غشاء

 

ضخامت اين غشاها چه متخلخل و چه غيرمتخلخل در دامنه mm 200-10 قرار دارد. مقاومت انتقال جرم در اثر ضخامت كل غشاء به وجود مي‌آيد، هر چه ضخامت كمتر باشد نرخ نفوذپذيري بيشتر مي‌شود. غشاهاي نامتقارن دو لايه دارند: يكي فوقاني است كه ضخامتي در حدود mm 5/0-1/0 دارد و اين لايه بر

روي لايه‌اي ديگر به ضخامت mm 150-50 كه لايه تحتاني خوانده مي‌شود، نصب مي‌گردد.

دسته بندي ديگر غشاها و فيلترها، غشاهاي عمقي و سطحي مي‌باشند، در غشاهاي عمقي فيلتراسيون در عمق ماده انجام مي‌شود. غشاهاي عمقي يك رشته از فيبرها هستند كه به طور اتفاقي به هم گره خورده‌‌اند. جنس متداول آنها كتان، فايبرگلاس و آزبست مي‌باشد. ذرات حل نشدني و كلوئيدي يا در قالب غشاء گير مي‌افتند و يا اينكه جذب آن مي‌گردند. ذراتي با اندازه بزرگتر از mm 01/0 از اين فيلترها عبور نمي‌كنند. فيلترهاي سطحي به گونه‌اي عمل مي‌كنند كه اجزا را در سطح خود نگه مي‌دارند و كارشان شبيه به غربال مي‌باشد. ساختار آنها بيشتر سخت، يكنواخت و پيوسته است با اندازه منافذي كه به دقت توسط سازنده كنترل مي‌شود. فايده ديگر غشاهاي سطحي اين است كه اجزا در عمق غشاء گم نمي‌شوند و بازيافت اجزاي عبور كرده ممكن مي‌باشد و اين خاصيت در بعضي مواقع اهميت زيادي دارد.

غشاها از نظر عملكرد به دو دسته تقسيم‌بندي مي‌شوند: غشاهاي هيدروفيليك و غشاهاي هيدروفوبيك.

غشاهاي هيدروفيليك: پليمرهايي كه قابليت جذب بسيار بالاي آب را دارند، پليمرهاي هيدروفيليك ناميده مي‌شوند كه اين خاصيت هيدروفيليكي به گروههاي موجود در زنجير پليمر بر مي‌گردد كه قادرند بر مولكولهاي آب اثر بگذارند، آب در غشاهايي كه با اين پليمرها ساخته شده‌اند بهتر نفوذ مي‌كند و اين غشاها بهترين كانديد براي مصارف آب زدايي مي‌باشند. پليمرهاي يوني، پلي وينيل الكل، پلي اكريليد اسيد و پلي وينيل پيروليدين نمونه‌هايي از آن مي‌باشند.

غشاهاي هيدروفيليك قابليت بسيار زيادي براي متورم شدن دارند. متورم شدن پليمرها باعث كاهش گزينش‌پذيري آنها نسبت به حالت خاص مي‌گردد. و در غشاهاي متورم قابليت نفوذ به حلاليت تركيبات آلي افزايش مي‌يابد.

غشاهاي هيدروفوبيك: پليمرهايي كه دافع آب مي‌باشند هيدروفوبيك ناميده مي‌شوند كه پلي‌اتيلن، پلي پروپيلن، پلي وينيليدين فلورايد و پلي تترافلئورواتيلن و … نمونه‌هايي از آن مي‌باشند. نكته مثبت اين غشاها اين است كه پليمرهاي هيدروفوبيك مقاومت حرارتي و شيميايي بالايي دارند و به اين دليل به عنوان يك ماده پايه انتخاب مي‌شوند و سعي مي‌شود كه خاصيت جداسازي آن به وسيله اصلاحات شيميايي بالا برود.

براي ايجاد تعادل بين خاصيت هيدروفوبيكي و هيدروفيليكي و به دست آوردن قابليت انتخاب بالا، تكنيك‌هاي كوپليمريزاسيون استفاده گسترده‌اي يافته است.

فيلترهاي عمقي در مقابل فيلترهاي غربالي

فيلترها از انواع مختلف مواد و با روشهاي مختلف ساخته مي‌شوند. اما تمام آنها را مي‌توان به دو گروه اصلي دسته‌بندي كرد: فيلترهاي عمقي و فيلترهاي غربالي. فيلترهاي عمقي نام خود از اين واقعيت گرفته‌اند كه فيلتراسيون در اين فيلترها درون عمق فيلتر اتفاق مي‌افتد. فيلترهاي عمقي از بافتي از الياف درهم يا دانه‌هايي تشكيل شده است كه جهت ساختن كانالهاي جريان پرپيچ و خم به هم متصل شده‌اند. مواد مرسوم سازنده اين فيلترها بيشتر كتان، پشم شيشته، آزبست، فلز كلوخه شده و خاك دياتومه مي‌باشد. ذرات غيرمحلول يا به طور طبيعي كلوئيدي، بوسيله گير افتادن يا جذب در بافت فيلتر، از سيال حامل جدا مي‌گردند. با بكارگيري روشهاي مختلف مي‌توان ذرات در حد 01/0 ميكرون را بوسيله اين فيلترها از محلول جدا كرد. اغلب، مواد سازنده اين فيلتر در چند مرحله به دنبال هم قرار داده مي‌شود. و خوراك از وجه داراي بافت گسسته‌تر وارد مي‌شود. فيلترهاي عمقي در روش فيلتراسيون بن بستي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در نقطه مقابل، فيلتر غربالي مواد داخل محلول را بوسيله نگهداشتن ذرات در روي سطح خود جدا مي‌نمايد، اين كار دقيقاً مثل روش غربال كردن انجام مي‌گردد. اين ساختار معمولاً بسيار سخت يكنواخت و پيوسته بوده و قطر روزنه‌هاي آن در هنگام ساخت به طور دقيق كنترل شده است. فيلترهاي غشايي در داخل اين دسته قرار مي‌گيرند.

شکل (2-4) شماتيک فيلترهای عمقي که در آن الياف بصورت تصادفي قرار دارند

شکل (2-5) تصوير ميکروسکوپی از فيلترهاي عمقي چند مرحله اي

اين فيلترها برخلاف فيلترهاي عمقي فيلترهاي غيرقابل انعطافي بوده و رشد ميكروارگانيسم‌ها در آنها معمولاً مشكل ساز نيست. چرا كه در فيلترهاي غربالي داراي روزنه‌هايي با قطر مشخص و يك درجه‌بندي دقيق و مشخص وجود دارد. يكي از مزيتهاي ديگر فيلتر غربالي در اين است كه ذرات جدا شده در عمق گم نمي‌شوند و لذا بيشترين بازيافت اين مواد امكان‌پذير خواهد شد، كه اگر هدف بالا بردن بازيافت باشد (به طور مثال كشت سلول‌هاي ميكروبي) اين مسئله اهميت زيادي پيدا مي‌كند.

شكل(2-6) شماتيك فيلترهاي غربالي كه ذرات رادر سطح خود نگاه مي دارند.

غشاهاي ريز روزنه در مقابل نامتقارن

فيلترهاي غربالي را مي‌توان برحسب ساختار آنها به ريزروزنه و نامتقارن (يا پوستي) تقسيم‌بندي نمود. غشا‌هاي زيرروزنه اغلب به دو دسته ايزوتروپيك (كه در آنها روزنه‌ها در طول بدنه غشاء اندازه يكنواختي را دارند) و غير ايزوتروپيك (كه در آنها اندازه روزنه‌ها در سطوح مختلف غشاء متفاوت است) تقسيم‌بندي مي‌گردد.

ذراتي كه اندازه آنها با اندازه منافذ غشاء يكسان باشد ممكن است تا حدودي در اين منافذ نفوذ كرده و آنها را مسدود كنند. منافذ بزرگتر، توزيع جريان بزرگتري را از خود عبور خواهند داد و احتمالاً قبل از همه مسدود خواهند شد. اگر مقدار زيادي از سوراخ‌ها گرفته شود، غشاء به صورت برگشت‌ناپذيري مسدود خواهد شد. شكل به صورت شماتيك يك فيلتر غشايي از نوع ريزروزنه را نشان مي‌دهد.

شکل (2-7) شماتيک ساختار غشاءهاي ريز روزنه (در مقياس واقعي ضخامت غشاءصدها برابر قطر روزنه است)

 

 

 

 

 

 

 

 

غشا‌هاي ريزروزنه براي حذف كلية ذرات بزرگتر از درجه بندي تعريف شدة اين فيلتر استفاده مي‌شود. ساختار يكنواخت روزنه‌ها، موجب مي‌گردد كه ذراتي كه به طور تقريبي هم اندازه روزنه‌ها هستند به صورت نسبي درون آنها رسوخ كرده و لذا روزنه‌ها مسدود گردند. اين نوع غشاء در دامنة روزنه‌هاي
اولترا فيلتراسيون (nm10-1) چندان موفق نبوده و علاوه بر پايين بودن فلاكس خروجي، گرفتگي در آنها

به سرعت انجام مي‌گيرد. از سوي ديگر مشخصه اصلي غشاءهاي نامتقارن، وجود پوستي نازك بر بدنه غشاء است. همانطور كه در شكل ديده مي‌شود، لايه‌هاي زير اين پوست كه به عنوان محافظ اين لايه پوستي عمل مي‌كند، ممكن است از فضاهاي خالي زيادي تشكيل شده باشد. لذا دفاع فقط در سطح غشاء اتفاق افتاده و بخاطر اين ساختار منحصر به فرد ماكرومولكولهاي بزرگتر از وزن مولكولي برش (MWCO)

وارد بدنة غشاء نشده و لذا غشاءهاي نامتقارن برخلاف غشاءهاي ريزروزنه به ندرت مسدود مي‌شوند. به هر

 

شکل (2-9)تصوير ميکروسکوپ الکتروني از غشاء پلی سولفوني نامتقارن اولترافيلتراسيون

شکل(2-8) شماي بيان کننده ساختار غشاءهاي نامتقارن

 

حال مانند ديگر فيلترها در اين نوع غشاء نيز پديده‌هاي كاهندة فلاكس، مثل گرفتگي و پلاريزاسيون

غلظت اتفاق مي‌افتد. بيشتر غشاءهاي اولترافيلتراسيون (UF)، نانوفيلتراسيون (NF) و اسمز معكوس

(RO) از نوع غشاءهاي نامتقارن است. اختلاف اصلي ديگر بين غشاءهاي ريزورزنه و نامتقارن در تعريف

محدودة بازدارش آنهاست  در غشاءهاي ريزروزنه درجه‌بندي مطلق به صورت ماكزيمم قطر روزنه هم ارز بيان مي‌شود و اين نوع غشاء تمام ذرات بزرگتر از اين درجه‌بندي را نگه مي‌دارد. اما درغشاءهاي نامتقارن درجه‌بندي به صورت ظاهري است، كه نشان دهنده اين است كه غشاء درصد مشخصي از محلول خوراك داراي اين وزن مولكولي مشخص را دفع مي‌كند.

 

2-5- انواع فرآيندهاي غشايي

جدول (2-1) نشان دهندة مشخصات فرآيندهاي غشايي مرسوم است.

 

2-5-1- تعريف  اصلي ترين انواع فرآيندهاي غشايي

امروزه جداسازی توسط غشاء در محدوده هاي زير اتفاق مي افتد كه به طور عمده با توجه به اندازه حفره

هاي غشاء به چهار دسته زير تقسيم مي گردند.

1)                 ميكروفيلتراسيون (MF) Micro filtration

2)                 اولترافيلتراسيون (UF) Ultra filtration

3)                 نانوفيلتراسيون (NF) Nano filtration

4)                 اسمز معكوس (RO) Reverse osmosis

با توجه به اينكه مواد مختلف حل شده در يك محلول داراي اندازه هاي متفاوتي است، بنابراين مي توان براي حذف يك يا چند ماده به طور خاص يكي از روشهاي فوق را استفاده نمود.

1) ميكروفيلتراسيون:

اين روش براي جداسازي ذرات 2/0 الي 20 ميكرون به كار مي رود. در اين روش معمولاً مواد معلق كلوئيدي جدا مي شود و مواد حل شده و ذرات ماكرو مولكول عبور مي كند. از اين روش براي جداسازي باكتريها مواد معلق و مواد پليمري استفاده مي شود.

2) اولترافيلتراسيون:

از اين نوع غشاء براي جداسازي ماكرو مولكولهايي با اندازه بين 20 تا 1000 انگستروم به كار مي رود. تمام نمكهاي حل شده و مولكولهاي كوچكتر از اين محدوده عبور مي كنند. در اين روش كلوئيدها، پروتئين ها، مواد ميكروبي بيماري زا و مولكول هاي آلي بزرگ كه وزن مولكولي آن بين 1000 تا 100000 است به كار گرفته مي شود.

3) نانوفيلتراسيون

از اين غشاء جهت حذف مواد و ذرات بزرگتر از 10 انگستروم استفاده مي شود. در واقع از اين روش براي جدا سازي مولكولهاي آلي با وزن مولكولي متوسط و همچنين آنيونها و كاتيونهاي دو ظرفيتي و بيشتر استفاده مي شود. نمكهايي كه آنيونهاي تك ظرفيتي دارند مانند NaCl , CaCl₂ كمتر گرفته مي شوند، ولي آنيونهايي كه دو ظرفيتي باشند، مانند منيزيم سولفات حتي تا 90 درصد گرفته
مي شود. اين روش براي رنگ زدايي، حذف سختي و كاهش املاح محلول آب و يا براي جدا كردن مواد آلي از مواد غير آلي در مواد غذايي و فاضلاب استفاده مي شود. امروزه يكي از كاربردهاي وسيع اين نوع غشاء در تصفيه خانه هاي فاضلاب شهري و صنعتي و كارخانه هاي مواد لبني بخصوص براي جداسازي مواد مغزي باقيمانده در آب ….. استفاده مي شود.

4) اسمز معكوس

اسمز عبارت است از عبور حلال داخل يك غشاء نيمه تراوا از طرف محلول رقيق به سمت محلول غليظ. در اين پديده نيروي محرك، اختلاف پتانسيل شيميايي آب بين دو طرف غشاء مي‌باشد. دريك غشاء نيمه تراوا فقط آب از درون غشاء تراوش مي‌نمايد.

از اين نوع غشاء براي جدا سازي املاح با وزن مولكولي پائين از حلال ها و به طور خاص از حلال آب استفاده مي شود. املاح زدائي از آبهاي شور با استفاده از اين روش بيشتر از 99 درصد مي باشد. به همين دليل جهت شيرين سازي آب دريا و آبهاي ديگر از اين روش استفاده مي شود. در شكل (2-11) فرآيند R.O بصورت ساده نشان داده شده است.همان طور كه از شكل پيداست ابتدا محلول (مثلاً آب دريا) با استفاده از يك سيستم تأمين كننده فشار (پمپ) فشار را تا حد مورد نياز بالا برده و به داخل غشاء كه درون محفظه اي قرار گرفته وارد مي شود.

در انتهاي محفظه محلول غليظ شده در يك طرف و حلال جدا شده به طرفي هدايت مي گردد كه در

شيرين كردن آب دريا حلال جدا شده آب و آب خروجي داراي املاح بيشتري است كه به عنوان پساب دفع مي شود. از R.O. در كارهاي مختلفي مانند نمك زدايي از آب دريا يا آب شور، بازيافت پساب فرآيندهاي مواد غذايي و نوشابه، كارخانجات دارويي و تصفيه خانه هاي فاضلاب و … استفاده مي شود. از

R.O. براي توليد آبهاي خيلي خالص جهت صنايع رساناها و يا نيروگاهها و كاخانجات مواد بهداشتي

شکل(2-10) شمای فرآیند اسمز

دارويي نيز استفاده مي شود. با توجه به بالا رفتن تكنولوژي ساخت غشاء و افزايش كارائي آن، امروزه بصورت سيستم هاي اوليه جهت حذف املاح در آب هاي نيروگاهي، صنعتي و … استفاده مي شود.

شکل(2-11) ممبرانهای فرآیند اسمز معکوس

تفاوت‌هاي زيادي را مي‌توان بين اين سه نوع دسته‌بندي ملاحظه كرد. از جمله مي‌توان به مقدار فشار به كار گرفته، سرعت پساب‌دهي (Rate of permeation) و مكانيسم جداسازي اشاره نمود.اين تفاوت‌ها در جدول 2  نشان داده شده است كه بيانگر سختي يا سهولت هر فرآيند توانايي‌ها و محدوديت‌هاي آنها مي‌باشد.

فرآيندهاي غشايي مرسوم ميكروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون و اسمز معكوس (هايپرفيلتراسيون) ـ در كاربرد فشار هيدروليك براي سرعت دادن فرآيند جداسازي تفاوت مي‌كنند. البته طبيعت خود غشاء نيز تعيين كننده اين است كه چه تركيباتي عبور كرده و چه تركيباتي گرفته مي‌شوند. اسمز معكوس تمام مواد بجز حلال (مثل آب) را مي‌گيرد در حالي كه اولترافيلتراسيون تنها ماكرومولكولها يا ذرات بزرگتر از 001/0- 02/0 ميكرومتر را مي‌گيرد. ميكروفيلتراسيون ذرات سوسپانسيوني در ابعاد 1/0 تا 5 ميكرون را جدا مي‌كنند. ذرات بزرگتر از 10-5 ميكرون نيز بهتر است بوسيله فيلترهاي مرسوم جدا شوند. لذا اسمز معكوس يك روش حذف آب ولي اولترافيلتراسيون روشي جهت خالص سازي دوطرفه، تغليظ و جدا كردن اجزاي محلول است.

نانوفيلتراسيون نسبتاً يك فرآيند جديد است كه از غشاهاي باردار با روزنه‌هاي بزرگتر از غشاهاي RO استفاده مي‌كند. اما تا اندازه‌اي كوچك كه اجازه عبور تركيبات آلي زيادي مثل شكرها را مي‌دهد. اين غشاها خاصيت مفيد ديگري نيز دارند كه با استفاده از آن مي‌توانند شكلهاي تجزيه شدة يك تركيب را از شكل اوليه آن جدا كرد، به طور مثال، اسيدهاي آلي مانند لاكتيك، سيتريك و استيك در pH پايين به راحتي از اين غشاء عبور مي‌كنند، اما در pH هاي بالاتر و در حالت نمك توسط غشاء جدا مي‌شوند.

همانطور كه در شكل (2-12) نشان داده شده است، تكنولوژي غشايي چيزي نيست جز پمپ كردن محلول خوراك، تحت فشار بر سطح غشايي با طبيعت شيميايي و وضعيت فيزيكي خاص. جريان باقي مانده در

شکل(2-12) شماتیک تکنولوژی غشایی

پشت غشاء از اين به بعد تحت عنوان "ته مانده" يا "غليظ شده" و قسمتي از خوراك كه از غشاء عبور مي‌كند "تراويده" ناميده مي‌شود. وسايل فيلتراسيون به دو صورت بن‌بستي يا جريان متقاطع عمل مي‌نمايند. برخي از وسايل MF مثل كارتريج‌هاي صفحه‌اي در حالت بن‌بستي كار مي‌كنند، كه در آنها خوراك مستقيماً به طرف فيلتر پمپ مي‌شود. در اين حالت يك جريان به فيلتر وارد شده و فقط جريانِ تراويده ماجول فيلتر را ترك مي‌كند. البته بيشتر واحدهاي MF و UF در حالت جريان متقاطع كار مي‌كنند كه در اين نوع عمليات خوراك مماس با سطح غشاء پمپ شده و بدين ترتيب دو جريان از آن خارج مي‌‌شود (تراويده و ته مانده). اگر غلظت خوراك بالا بوده و يا اگر بازيابي مواد حل شده مورد نظر باشد، با توجه به اينكه جريان متقاطع تجمع اين مواد را بر سطح غشاء كاهش مي‌دهد، در اينگونه موارد

اين روش مناسب‌تر است (اين برتري در شكل به صورت تشكيل كيك نشان داده شده است). در چنين جرياني مواد جامد درون يك سوسپانسيون باقي مانده و باعث مي‌شود ميزان كيك تشكيل شده بر سطح غشاء كمتر بوده و لذا به علت كمتر شدن مقاومت، فلاكس متوسط عبوري در حين عمليات بزرگتر خواهد بود. در فيلتراسيون متقاطع، جريان خروجي نسبت به جريان ورودي افت فشار دارد لذا فشار در طرف خوراك P_F به صورت زير نشان داده مي‌شود:

كه در آن P₁ فشار ورودي به ماژول غشاء و P₂ فشار خروجي است.

 

شکل  (2-13) اختاف بين فيلتراسيون بن بستی و متقاطع

از مزيتهاي فرآيندهاي غشايي در مقابل فرآيندهاي آبگيريِ مرسوم (مثل سيستمهاي تبخيركننده) مي‌توان كاهش مصرف و هزينه انرژي، عدم نياز به سيستمهاي حرارتي و كندانسورها، عدم بوجود آوردن آلودگي‌هاي حرارتي، انجام فرآيند در دماي محيط و موارد بسيار زياد ديگري را نام برد. عليرغم مزيتهاي عمده، اين فرآيند داراي محدوديتهايي نيز در مقابل فرآيندهاي متناظر جداسازي مي‌باشد. در حقيقت فرآيندهاي غشايي در غلظتهاي بالا كاملاً محدود مي‌شوند. در RO فشار اسمزي مواد حل شده فرآيند را محدود مي‌كند. در UF و MF نيز اگرچه به ندرت فشار اسمزي ماكرومولكولها وجود دارد، ولي انتقال جرم به علت غليظ شدن ماكرومولكولها ناچيز شده و بالا رفتن ويسكوزيته مشكلات پمپ كردن را بوجود مي‌آورند. مشكلات ديگري نيز مثل گرفتگي غشاء و شستشو پذيري ضعيف مانع پيشرفت سريع كاربردهاي اخير غشاء شده است.

غشاءهاي معمولاً برحسب اندازه تركيبات جدا شده از محلول طبقه‌بندي مي‌شوند اما در غشاهاي اولترافيلتراسيون مرسوم است كه آنها را بوسيله ذكر دامنه اندازه ذرات و برحسب وزن مولكولي برتس (MWCO) درجه‌بندي مي‌كنند. بر اين اساس وزن مولكولي برش (MWCO) در اولترافيلتراسيون از 1000 تا 1000000 دالتون (هر گرم مول يا دالتون است) را پوشش مي‌دهد.

2-6- ماژول و انواع آن

كوچكترين واحدي كه با سطح غشايي پر شده و موجود است را ماژول مي‌نامند. بخش مركزي در عمليات نصب غشاء همين واحد است. ساده‌ترين شكل آن در ذيل آمده است:

Permeate

Concentrate

Feed

 

شکل (2-14) شماتيک يک ماژول

جریان خوراك از مكان مشخصي با شدت جريان مشخصي وارد مي‌شود. دو عامل تركيب خوراك و شدت جريان درون غشاء تابعي از ضخامت غشاء مي‌باشند. جريان خوراك با عبور از غشاء به دو جريان تقسيم مي‌شود: جرياني را كه از غشاء مي‌گذرد جريان نفوذ كرده و جرياني را كه در غشاء باقي مي‌ماند جريان باقيمانده مي‌نامند.

ماژولها از نظر شكل به دو گروه عمده تقسيم مي‌شوند:

·     1 ـ صفحه‌اي

·     2 ـ لوله‌اي

 ماژولهاي صفحه‌اي به دو بخش تقسيم مي‌شوند:

·        1 ـ قاب و صفحه‌اي (Flat and plate)

·        2 ـ مارپيچي يا حلزوني (Spiral)

 ماژولهاي لوله‌اي هم به سه دسته تقسيم مي‌شوند:

·        1 ـ تيوبي

·        2 ـ كاپيلاري

·        3 ـ فيبرهاي تو خالي (Hollow Fiber)

تفاوت اين ماژولها در ابعاد آنها هست كه قطر كاپيلاري mm10-5/0 و تيوبي بيشتر ازmm  10 و فيبرهاي توخالي كمتر ازmm  5/0 مي‌باشد.

در هر سيستم مجموعه‌اي از ماژولها به كار مي‌رود. هر كاربرد صنعتي طراحي ويژه خود را نيازمند است. انتخاب شكل ماژولها و چيدن آنها در يك سيستم منحصراً برپايه ملاحظات اقتصادي و پارامترهاي صحيح مهندسي براي رسيدن به هدف خاص صورت مي‌گيرد. برخي از مهمترين پارامترها عبارتند از: سهولت كار كردن، سهولت تميز كردن، سهولت نگهداري، تراكم سيستم و امكان تعويض غشاء.

 

 

 

 

 

 

 

--
Farid Bensaeed