فرایندهای غشایی (Membrane Processes)

فرایندهای غشایی به شیوه های فیزیکی برای جداسازی حلال از نمک های محلول در آن با استفاده از غشاهای نیمه تراوا اطلاق می شود. این فرایندها در سال های اخیر پیشرفت های زیادی داشته است. سابقه ی استفاده از غشا برای صاف کردن به اوایل قرن بیستم باز می گردد. در دهه سوم قرن بیستم غشاها برای جداسازی، خالص سازی و یا تغلیظ سازی محلول ها به ویژه سیال های حاوی میکروارگانیسم ها مورد استفاده قرار گرفت. سیر تکاملی این پدیده با انجام پژوهش ها بر روی ساخت انواع غشاها و شناخت فرایند در طی زمان به گونه ای ادامه یافت که در حال حاضر این فرایند یکی از شیوه های اصلی شیرین سازی آب دریا محسوب می شود.

انواع فرایندهای غشایی

فرایندهای غشایی بر اساس اندازه کوچکترین ذره که تحت تاثیر نیروی فشاری از غشا عبور می کند به نام های زیر نامیده می شوند:

الف) میکرو فیلتراسیون     (Micro Filtration)

ب) اولترا فیلتراسیون     (Ultra Filtration)

پ) نانو فیلتراسیون    (Nano Filtration)

ت) اسمز معکوس     (Reverse Osmosis – Hyper Filtration)

در یک فرایند غشایی به طور معمول دو فاز به وسیله فاز سوم که غشا می باشد از یکدیگر جدا گردیده اند. غشا تعیین کننده پدیده انتقال جرم است. هر کدام از دو فاز به صورت محلولی از جزهای مختلف می باشد که برخی از این جزءهای محلول بیش از سایر جزءها از طریق غشا منتقل می شوند. در صورت ادامه عمل انتقال جرم، یکی از فازها از جزءهای عبوری اشباع و دیگری از این جزءها تهی می گردد.

دو ویژگی اصلی در انتقال که توسط غشا اعمال می شود عبارت هستند از:

الف) نفوذ پذیری یا تراوایی(permeability)

ب) انتخاب گری یا گزینش پذیری (Selectivity)

تمام موادی که به عنوان غشا عمل می نمایند، دارای ویژگی عبور مواد مختلف به طور انتخابی هستند.

فرایندهای غشایی می توانند از نیروهای محرکه گوناگونی برای جداسازی بهره مند شوند. انتقال جرم در یک غشا می تواند به وسیله پدیده های نفوذ و یا جابجایی انجام گیرد. پدیده انتقال جرم جابجایی، در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی، غلظت، فشار و یا دما انجام می یابد.

فرایندهای غشایی دارای مزایای متنوع زیر می باشند:

الف) صرفه جویی در مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز.

ب) کاهش فضای مورد نیاز به علت کم حجم بودن مدول های غشایی.

پ) سریع تر بودن فرایند به دلیل نازک بودن غشا و بالا بودن سرعت انتقال جرم در آن.

ت) توانایی انجام در دمای پایین که مزیت بالایی برای محلول های حساس به گرما است.

ث) پایین بودن هزینه سرمایه گذاری در مقایسه با سایر روش ها در سطح جهانی.

ج) سهولت در گسترش دادن سیستم.

چ) قابلیت ساخت در اشکال و اندازه های مختلف.

غشاها دارای عمر زیادی می باشند. عمر مفید غشاهای اولترافیلتراسیون بیش از دو سال و عمر مفید غشاهای اسمز معکوس بیش از پنج سال گزارش شده اند. غشاها از مواد مختلف آلی و یا معدنی ساخته می شوند. این مواد شامل پلیمرها، سرامیک، فلزات و مایعات می باشند که مواد پلیمری به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. کارکرد غشا منشا انتخاب جنس غشا در طراحی یک فرآیند غشایی است. نحوه کارکرد غشا توسط ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آن مشخص می شود.

خواص شیمیایی و خواص فیزیکی غشا

خواص شیمیایی غشا، شامل واکنش پذیری آن با سایر مواد، بار سطحی و توانایی جذب اجسام دیگر می شود. خواص فیزیکی غشا را اندازه، شکل و نوع حفره های موجود در غشا، مقاومت مکانیکی و مقاومت حرارتی تشکیل می دهند. آب گریزی و یا آب دوستی غشا ناشی از ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آن است. اساسی ترین متغیرهایی که ویژگی های فیزیکی و شیمیایی یک غشا را تعیین می کنند شامل مواد اولیه بکار رفته، شیوه ساخت و عملیات اصلاحی غشا می شوند.

غشاهای پلیمری بیش از سایر غشاها مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد هر غشا بستگی به شرایط محیطی دارد. به عنوان مثال غشاهای ساخته شده از نیترات سلولز و یا استات سلولز به گرما، مواد شیمیایی و مواد بیولوژیکی حساس می باشند. برای جلوگیری از خراب شدن آنها بایستpHمحیط اسیدی و در حد 4 الی 6.5 باشد و دمای غشا در حد دمای معمول باشد. غشاهای تولید شده از مشتقات سلولز در محیط های قلیایی به طور سریع هیدرولیز می شوند. غشاهای تفلونی(PTFE)دارای مقاومت بیشتری در مقایسه با غشاهای سلولزی هستند. در محیط های اسیدی و بازی و مواد شیمیایی به جز هیدروکربن های حلقوی در دمای بالا مقاوم هستند. این غشاها تحمل دمای از 100 تا 300 درجه سانتی گراد را دارند. غشاهای تفلونی توسط نگه دارنده هایی از جنس پلی اتیلن تقویت مکانیکی می شوند تا در صورت جابجایی خسارت نبینند. غشاهای ساخته شده از پلی وینیل کلراید(PVC)به صورت خالص و یا مخلوط با سایر پلیمرها در مقابل اسیدها و بازهای نسبتا قوی دارای مقاومت خوبی هستند ولی در دماهای بیش از 65 درجه سانتی گراد نرم می شوند.

غشا پس از بکار گیری هر چند مدت یکبار نیاز به تمیز کردن دارد. این کار با مواد شیمیایی انجام می پذیرد. انتخاب ماده شیمیایی تمیز کننده بستگی به جنس پلیمر به کار رفته شده در غشا دارد. به عنوان مثال غشاهای ساخته شده از پلی آمید که مقاومت خوبی را در حلال ها دارند و قابلیت اتوکلاو استریل را دارا می باشند شدیدا در مقابل کلرین موجود در مواد شیمیایی حساس هستند و در نتیجه نمی توان از مواد کلردار برای تمیز کردن این گونه غشاها استفاده نمود.

ساختمان غشا را مورفولوژی غشا می نامند و در نحوه کارکرد آن نقش اساسی دارد.

غشاهای جامد دارای دو ساختار اصلی می باشند که عبارتند از:

الف) غشاهای متخلخل(Porous membranes)

ب) غشاهای بدون حفره(Non-porous membranes)

در غشاهای متخلخل اندازه حفره ها و توزیع آنها متفاوت هستند. غشاها بر اساس اندازه حفره های آن به صورت زیر دسته بندی می شوند.

الف) حفره های بزرگ: غشاهایی که اندازه متوسط حفره های آن بیش از 20 نانومتر است.

ب) حفره های متوسط: غشاهایی می باشند که اندازه متوسط حفره های آنها بین 20 تا 1 نانومتر هستند.

پ) حفره های کوچک: غشاهایی را شامل می شوند که اندازه متوسط حفره های آن کمتر از 1 نانومتر است.

با توجه به تعریف فوق غشاهای میکرو فیلتراسیون دارای حفره های بزرگ، غشاهای اولترا فیلتراسیون داراری حفره های متوسط و غشاهای نانو فیلتراسیون دارای حفره های کوچک می باشند. غشاهای اسمز معکوس بدون حفره هستند.