فرآیندهای غشایی

فرآیندهای غشایی

در سال 1770 راهب نولت فرانسوی برای اولین بار به خواص نیمه تراوایی غشاها پی برد. او مشاهده کرد زمانی که یک شیشه دهانه گشاد مملو از الکل که دهانه آن توسط یک کیسه (به عنوان غشا) مسدود شده است را در آب غوطه ور کنیم ، حجم آب در شیشه ، طی چند ساعت افزایش و کیسه متورم می شود. در واقع کیسه نسبت به الکل ناتراوا ولی نسبت به آب تراوا بوده ، و بنابراین برای این که پتانسیل شیمیایی الکل در داخل شیشه به حالت تعادل برسد، آب به داخل بطری نفوذ می کند.
در یک فرآیند فیلتراسیون ، دو فازی که با یکدیگر در تعادل ترمودینامیکی نیستند توسط یک غشا نیمه تراوا جدا می شوند. غشای یاد شده مانند یک سد یا مانع فیزیکی عمل کرده و عبور یا عدم عبور مواد از یک فاز به فاز دیگر را کنترل می کند. در فرآیندهای غشایی می توان از نیروهای محرکه گوناگونی برای عمل جداسازی بهره گرفت. پدیده انتقال جرم در یک غشا توسط پدیده های محلول- نفوذ ، جابجایی و دافعه یونی که ناشی از اختلاف در پتانسیل شیمیایی ، اختلاف در غلظت، اختلاف در فشار و اختلاف در پتانسیل الکتریکی است، انجام می گیرد.
فرآیندهای غشایی که در آن ها پدیده انتقال جرم به دلیل اختلاف فشار در عرض غشا صورت می پذیرد ، براساس اندازه کوچکترین مولکولی که از سد غشا عبور می کند عبارتند از : میکروفیلتراسیون ، اولترافیلتراسیون ، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس.

اسمز معکوس برای نمک زدایی محلول های آبکی ، تولید آب بسیار خالص و در صنایع غذایی و شیر مورد استفاده قرار می گیرد. از آن جایی که ذرات بسیار ریز به طور اجباری طی فرآیند اسمز معکوس احتباس می شوند ، روزنه های بسیار کوچک (کمتر از یک نانومتر) و فشارهای بالا (بیش از 40 بار) برای انجام این فرآیند لازم است.
به منظور جداسازی ذرات بین 1 تا 100 نانومتر (پلیمرها، پروتئین ها ، ویروس ها و ....) از فرآیند اولترافیلتراسیون استفاده می شود. در اولترافیلتراسیون ، روزنه های غشا بزرگ تر از روزنه غشاهای اسمز معکوس بوده و فشارهای پایین (کمتر از 20 بار) نیاز است. در دو دهه اخیر، تلاش های قابل توجهی برای دستیابی به پیشرفت هایی در زمینه تولید غشاهایی که دارای خواص بین دو فرآیند یاد شده یعنی احتباس بالا (مشابه فرآیند اسمز معکوس) و فشارهای پایین (همچون فرآیند اولترافیلتراسیون) باشد ، انجام شده است که نتیجه آن ، تولید نانوفیلتراسیون می باشد. امروزه نانوفیلتراسیون جایگاه مهمی در صنایع مختلف پیدا کرده و شکاف بین اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون را پر کرده است. اندازه روزنه ها در نانوغشاها بین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون (در محدوده 2 نانومتر یا کوچک تر) بوده و بنابراین ذرات با قطر حد واسط بین اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون با یک مکانیسم غربالی احتباس می شوند. علاوه بر این مواد مورد استفاده ، در ساخت نانوغشاها باردار بوده و ذرات تحت یک مکانیسم دافعه الکتروستاتیکی نیز احتباس می شوند.
میکروفیلتراسیون برای جداسازی ذرات جامد و سوسپانسیون ها استفاده می شود و اندازه ذرات جدا شده توسط این غشا در محدوده 10-0/2 میکرومتر قرار می گیرد. با توجه به نوع غشاها که دارای حفره های بزرگی هستند ، دبی جریان خروجی بسیار بالا است. محدوده فشار مورد استفاده در این نوع فرآیند بین 0/1 تا 5 بار می باشد. در واقع میکروفیلتراسیون در صنایع غذایی و بیولوژیکی برای جدا کردن ذرات معلق و باکتری ها مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع غشاها

فرآیندهای غشایی را می توان برحسب نوع غشاهای مورد استفاده به گروههای مختلف تقسیم بندی کرد. در واقع این غشاها را می توان از دیدگاه های مختلف چون مرفولوژی، ساختار شیمیایی، ماهیت شیمیایی، شکل و فرم آن ها از یکدیگر تشخیص داد.

مرفولوژی

غشاها اعم از آلی یا غیرآلی برحسب تخلخل (Porosity) یا مرفولوژی به گروه های زیر تقسیم می شوند:
- غشاهای سیمتریک Symmetric
- غشاهای اسیمتریک Asymmetric
- غشاهای کمپوزیت Composite
- غشاهای منفذدار یا متخلخل
- غشاهای متراکم

غشاهای سیمتریک

غشاهای نوع سیمتریکی دارای خلل و فرج ثابت در تمام طول ضخامت خود هستند و می توانند از مواد پلیمری آلی یا مواد معدنی چون سرامیک، گرافیت و حتی فلزات ساخته شوند.

غشاهای اسیمتریک

اکثر غشاهای فیلتراسیون از نوع اسیمتریک بوده و در تمامی آن ها یک لایه نازک نیمه تراوا (با ضخامت در حدود 0.1 میکرومتر)، که در اصطلاح، پوسته (Skin layer) نامیده می شود، وجود دارد. این پوسته روی یک لایه حفاظتی (Support layer) ضخیم و منفذدار، که مقاومت مکانیکی بالای غشا را تامین می کند، قرار می گیرد. البته این مقاومت مکانیکی ممکن است با کمک یک لایه حفاظتی بافته شده دیگر تقویت شود. پوسته با توجه به نوع کاربرد آن به صورت متراکم یا منفذدار یافت می شود.
در این نوع غشاها پوسته، نقش لایه گزینشی (فعال) را برای غشا به عهده دارد، در حالی که لایه حفاظتی اولیه، مقاومت مکانیکی غشا را تامین می کند. از آن جایی که مقاومت در مقابل انتقال مواد با ضخامت پوسته نسبت مستقیم دارد، اهمیت غشاهای اسیمتریک به مقاومت ناشی از این پوسته مبتنی می باشد.
این نوع غشاها به طور معمول از یک محلول پلیمری یکنواخت و هموژن به روش جدایی فازی (Phase separation) طی یک مرحله تهیه و تولید می شوند.

غشاهای کمپوزیت

این نوع غشاها دارای ساختار اسیمتریک هستند. فرآیند ساخت و تولید غشاهای کمپوزیت مشابه غشاهای اسیمتریک می باشد، یعنی در حقیقت پوسته روی یک لایه حفاظتی ایجاد می شود که این لایه حفاظتی می تواند اسیمتریک باشد. پوسته ممکن است یا از طریق تبخیر محلول کلوییدی و یا از طریق پلیمریزاسیون روی لایه حفاظتی ایجاد شود. دو لایه (پوسته و لایه حفاظتی) می توانند از نظر ماهیت شیمیایی یکسان نباشند.

غشاهای منفذدار یا متخلخل

غشاهای منفذدار به سه گروه زیر تقسیم می شوند:
غشاهای نوع ماکرو که دارای منافذ با قطر بیش از 50 نانومتر هستند. مکانیزم انتقال مواد برای حلال در این نوع غشاها، تحت تاثیر فشار فقط از نوع جابجایی بوده و موادی که اندازه آن ها کوچک تر از قطر منافذ غشا باشند، از این نوع غشاها عبور می کند.
غشاهای نوع میکرو و مزو که منافذ آن ها دارای قطری در حدود نانومتر و چند ده نانومتر می باشند.
در توصیف و نوشتن معادله های انتقال حلال در فرآیند فیلتراسیون علاوه بر پدیده جابجایی باید اثر فشار اسمزی نیز درنظر گرفته شود، به ویژه وقتی که منافذ غشا کوچکتر شوند از اهمیت بیشتری برخوردار خواهد بود. برای توصیف معادله های انتقال در رابطه با حل شونده، باید علاوه بر اثر اندازه مولکولی، پدیده حلالیت و نفوذ هم در نظر گرفته شود و همچنین در نوشتن معادله های یاد شده، دانسیته بار سطحی غشا، که روی احتباس و یا عدم احتباس مولکول در محلول تاثیرگذار می باشد، باید به عنوان پدیده دافعه الکتروستاتیکی، منظور شود.

غشاهای متراکم

غشاهای متراکم غشاهایی هستند که اندازه منافذ آن ها به کمتر از نانومتر (چند دهم نانومتر) می رسد. در این نوع غشاها تاثیر اندازه مولکولی قابل چشم پوشی بوده و حلالیت ماده حل شده در غشا و نفوذ آن، انتقال مواد از روی غشا را کنترل می کند.

ماهیت شیمیایی

از نقطه نظر ماهیت شیمیایی غشاها را می توان به دو گروه غشاهای آلی و معدنی تقسیم کرد.

غشاهای آلی

غشاهای آلی ساخته شده از مواد پلیمری بر مبنای مشتقات سلولز و پلی آمیدها (انواع غشاهای اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون) به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند. مواد پلیمری دیگری که در ترکیب ساختاری غشاها دیده می شود، موادی هستند که نسبت به اکسیداسیون، pH و یا حرارت، مقاومت بالایی دارند، که به طور نمونه می توان به پلی اکریلوتریل(PAN)، پلی سولفون (PSf)، پلی اتر سولفون (PES)، پلی وینیل فلوراید (PVF) و پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) اشاره کرد.

غشاهای معدنی

غشاهای معدنی از نوع کمپوزیت بوده و دارای مقاومت بسیار بالا در مقابل مواد شیمیایی، حرارت و نیروی مکانیکی هستند. نمونه هایی از این غشاها عبارتند از:
- اکسید زیرکونیوم (ZrO2) روی لایه حفاظتی کربن یا روی آلومین (Al2O3)
- اکسید تیتان (TiO2) روی آلومین و یا تماما از جنس کربن و آلومین

این غشاها نسبت به غشاهای آلی از عمر بالایی برخوردار هستند و در مقابل، هزینه ساخت و تهیه آن ها به مراتب بیشتر است.