دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
فرمت فایل word: (لینک دانلود پایین صفحه) تعداد صفحات : 120 صفحه
1 تعریف غشاء
بنا به تعریف غشاء لایه ای است نازک که می تواند اجزاء یک سیال را به طور انتخابی از آن جدا نماید. به عبارت دیگر غشاء وسیله ای است که جداسازی مواد را عموماً بر اساس اندازه های مولکولی آنها ممکن می سازد. در این فرآیند علاوه بر اندازه، عوامل دیگری نیز دخالت دارند.
کلمه غشاء می تواند بر مواد مختلف و دارای ساختارهای گوناگون اطلاق شود. بنابراین بهتر است که تعریف آن بر اساس "چه می کند " و نه بر اساس "چه هست" بیان گزاری گردد.
در یک فرآیند غشایی عموماً دو فاز وجود دارد که بوسیله فاز سوم (غشاء) به طور فیزیکی از یکدیگر جدا شده اند. غشاء انتقال جرم بین دو فاز را کنترل می کند .
فازها به صورت مخلوطی از اجزاء می باشند. اجزاء موجود در مخلوط بیش از سایرین انتقال می یابد. به عبارت دیگر غشاء نسبت به یکی از اجزاء انتخابگر[2] است. در این صورت این انتقال آن جزء از یک فاز به فاز دیگر توسط غشاء انجام خواهد شد. به این ترتیب یکی از فازها غنی از آن جزء و دیگری از آن تهی می گردد. به طور خلاصه دو عمل اصلی که توسط غشاء انجام می شود عبارتند از : نفو ذ پذیری یا تراوش[3] و انتخابگری یا گزینش پذیری[4]. بسیاری از مواد (به عنوان مثال پوشش های محافظ بسته بندی مواد) که مصور نمی شود غشاء باشند دارای خواصی هستند که منطبق بر خاصیت غشاء است و در واقع غشاء می باشند. تمام موادی که به عنوان غشاء عمل می کنند یک خاصیت کلی دارند و آن این است که مواد مختلف را به طور انتخابی از خود عبور می دهند.
فرآیندهایی که بر اساس استفاده از غشاءها پایه گذاری شده اند می توانند در کاربرد و نیز نیروی محرکه لازم برای جداسازی کاملاً متفاوت باشند. 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.
1-2 جنس غشاء
انتخاب جنس غشاء اولین مساله در طراحی هر فرآیند غشایی است. چگونگی کار غشاء توسط خواص فیزیکی و شیمیایی آن مشخص می شود. خواص فیزیکی شامل اندازه و شکل حفره های موجود در غشاء و نوع آنها می باشند. خواص شیمیایی غشاء عبارتند از بار سطحی آن، توانایی جذب اجسام دیگر و امکان انجام واکنش با سایر مواد. آب گریزی و یا آب دوستی غشاء حاصل خواص فیزیکی و شیمیایی آن است.
مهمترین پارامترهایی که خواص فیزیکی و شیمیایی غشاء را تعیین می کنند عبارتند از ماده اولیه، طریقه ساخت و اصلاحات بعدی روش غشاء ساخته شده[5]. بار سطح غشاء نیز که می تواند موجب جاذبه الکترواستاتیکی بین غشاء و ذرات موجود در محلول باشد با توجه به عوامل فوق حاصل می شود.
غشاء میتواند از مواد مختلف آلی یا معدنی ساخته شده باشد. این مواد را می توان در گروه های زیر دسته بدی نمود:
1-2-1 غشاء های پلیمری
در حال حاضر از مواد پلیمری به طور گسترده ای در ساخت غشاء ها استفاده می شود. در جدول 1-1 مواد پلیمری به کار رفته شده برای ساخت غشاء های تجارتی گردآروی شده اند.
سلولز یا سلولز احیاء شده[6] در ساخت غشاء های دیالیز به کار می رود. از مشتقات سلولز مانند سلولز نیترات و سلولز استات در ساخت غشاء های میکروفیلتراسیون واولترافیلتراسیون واسمز معکوس استفاده می شود. سلولز استرها خواص لازم برای ساخت غشاء را دارند ولی در عین حال به گرما، مواد شیمیایی و مواد بیولوژیکی حساس می باشند. برای جلوگیری از تجزیه و یا تخریب آنها، pH محیط باید بین 4 تا 6.5 بوده و درجه حرارت در حد معمولی باشد. آنها در محیطهایی قلیایی سریعاً هیدورلیز می گردند. مشتقات سلولزی که از ابتدا قرن بیستم برای ساخت غشاءها مورد استفاده بوده اند هنوز نیز به کار گرفته می شوند.
نیترات سلولز اولین ماده ای بوده است که در ساخت غشاءها مورد استفاده قرار گرفته است. غشاءهای ساخته شده از نیترات سلولز بخصوص در پروسس محلول های آبی به کار گرفته می شوند ولی در جایی که
حلال های آلی موجود باشند کاربرد آنها محدود می گردد. یکی از موارد مهم استفاده از این دسته از غشاء ها آزمایش های مربوط به باکتری شناسی است.
استات سلولز یکی دیگر از مشتقات سلولز است که برای ساخت غشاء ها مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده تحت تأثیر الکل ها واقع نمی شود. بنابراین با بعضی از حلال های آلی سازگاری دارد. البته در دمای بالاتر از 75 نمی توان از آن استفاده نمود. از سلولز احیاء شده برای ساخت غشاء هایی استفاده می شود که باید در مقابل حلالها مقاوم باشند، این دسته از غشاء ها کاربرد زیادی در فیلتراسیون محلول های غیر آبی دارند.
غشاء های ساخته شده از PTFE (نام تجارتی پلیمر، تفلون) عموماً در مقابل حلال های قوی مانند اسیدها، بازها و سایر مواد شیمیایی ( به استثنای هیدروکربن های حلقوی در درجه حرارت بالا) مقاوم می باشند. آنها در مقابل تغییر درجه حرارت نیز مقاومند و از 100- تا 300 را تحمل می نمایند. غشاء های ساخته شده از تفلون آب گریز[7] می باشند و در نتیجه مستقیماً نمی توانند برای محلول های آبی به کار گرفته شوند. برای اینگونه کاربردها باید ابتدا آنها را بوسیله متانول یا استن خیس نمود. با توجه به غیر قابل نفوذ بودن بخار آب از درون آنها ، به منظور جداسازی گازها نیز از غشاء های تفلونی استفاده می شود. یکی دیگر از کاربردهای آنها تهویه هوا برای سیستم هایی است که باید بصورت استریل و عاری از ناخالصی ها باقی بمانند. گاهی غشاء های تفلونی توسط نگهدارنده ای از جنس پلی اتیلن تقویت مکانیکی می گردند. در این صورت در اثر جابجایی، صدمه ای به آنها وارد نخواهد شد.
از پلی آمید یا نایلون نیز برای ساخت غشاء ها استفاده می گردد. این غشاء ها ذاتاً آب دوست می باشند و بنابراین نیازی به استفاده از ترکننده ها به هنگام کار آنها با محلول های آبی وجود ندارد . این پلیمر بسیار شکل پذیر و با دوام و در مقابل بسیاری از حلال ها مقاوم می باشد. غشاء های نایلونی را می توان بوسیله اتوکلاو استریل نمود، بدون اینکه تغییری در مشخصات آنها داده شود.
غشاء های ساخته شده از پلی وینیلیدن فلوراید یا PVDF ( با نام تجارتی Durapore )دسته مهم دیگری از غشاء های تجارتی را تشکیل می دهند. این نوع غشاء ها در اصل آب گریز می باشند که با اضافه نمودن گروه های آمینی به پلیمر آنها خاصیت آب دوستی می یابند. این غشاء ها با حلال ها سازگاری دارند و قابل اتوکلاو نمودن می باشند. غشاءهای میکروفیلتراسیون PVDF توانایی جدا نمودن کامل باکتری ها از محلول های آبی را دارند.
از PVC به صورت خالص یا مخلوط با سایر پلیمرها از جمله پلی اکریلو نیتریل یا Pan برای ساخت غشاء استفاده می شود. کاربرد اصلی آنها در مورد حلال های آلی است. در مقابل اسیدها و بازهای نسبتاً قوی نیز مقاومند. چون در بالاتر از 65 نرم می شوند تنها برای کاربردهای ویژه می توان از آنها استفاده نمود.
انتخاب غشاء با ماده اولیه مناسب اغلب به صورت تجربی صورت می گیرد. غشاءهای تولید شده معمولاً برای کاربردهای زیادی ساخته شده اند. مساله به این صورت نیز نیست که برای هر کاربرد معینی تنها یک نوع غشاء وجود داشته باشد. خواص مکانیکی ، شیمیایی ، حرارتی و نفوذ پذیری پلیمر بسیار اهمیت دارد. این خواص به وجود آورنده خواص سطحی مانند جذب و تر شوندگی می باشند. هر غشائی پس از مدتی کارکرد نیاز به تمیز کردن دارد. این کار معمولاً با استفاده از مواد شیمیایی صورت می گیرد. انتخاب ماده شیمیایی مناسب به جنس پلیمر اولیه ای که غشاء از آن ساخته شده است بستگی زیادی دارد. به عنوان مثال پلی آمیدها شدیداً مورد حمله کلر موجود در مواد شیمیایی قرار می گیرند. بنابراین نمی توان از مواد کلره برای تمیز کردن غشاءهای ساخته شده از پلی آمید استفاده نمود.
با توجه به موارد فوق باید در نظر داشت که انتخاب غشاء و نوع پلیمر به کار گرفته شده برای ساخت آن اولین گام از انجام موفقیت آمیز جداسازی مورد نظر است.
1-2-2 غشاءهای سرامیکی
موادی که در ساخت غشاءهای سرامیکی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از :
- آلومینا[8] ، زیر کونیا[9]، تیتانیا[10] و سیلیکا[11]
- مزایای غشاءهای سرامیکی عبارتند از :
- مقاومت در برابر حرارت بسیار بالا
- مقاومت مکانیکی زیاد
- مقاومت در برابر مواد شیمیایی
- طول عمر بسیار بالا
- امکان تمیز کردن غشاء با استفاده از مواد شیمیایی در درجات حرارت بالا
- کاهش مساله گرفتگی[12] غشاء
- امکان کنترل مطلوب اندازه حفره ها در موقع ساخت غشاء
- از مشکلات مربوط به این نوع غشاء ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- هزینه بالا
- پروس مشکل ساخت غشاء و اصلاح[13] آن.
استفاده از غشاءهای سرامیکی از دهه 1940 شروع شد. اولین کاربرد آن غنی سازی اورانیوم 235 از مخلوط طبیعی آن بوسیله نفوذ گازی بوده است. امروزه نیز بسیاری از اطلاعات مربوط به غشاءهای سرامیکی جزء اطلاعات طبقه بندی شده می باشد.
برای استفاده از اورانیم باید ایزوتوپ ها را جدا نمود. روش های جرمی جدا سازی که در طول جنگ جهانی دوم به کار گرفته شد بسیار گران قیمت است. لذا استفاده از روشهای دیگر همواره مورد توجه بوده است.
به منظور جداسازی ایزوتوپ های اورانیم با روشی ارزانتر، تکنولوژی نفوذ گازی توسعه یافت و هنوز نیز مورد استفاده است. این تکنولوژی بر اساس استفاده از غشاءهای سرامیکی استوار است. در این فرایند از UF6 که مناسبترین ترکیب فرار اورانیم است استفاده می شود. انتقال گاز بر اساس مکانیسم نفوذ Knudsen در طول غشاء متخلخل با حفره هایی به قطر 6 تا 40 نانومتر صورت می گیرد. مولکولهای سبکتر UF6 235 اندکی سریعتر از مولکولهای UF6 238 جریان پیدا می کنند. ضریب تئوری جداسازی 1.0043 است که در عمل این عدد کمتر می باشد. این بدان معناست که برای غنی سازی اورانیم به میزان 3 درصد بیش از هزار مرحله مورد نیاز است. در بزرگترین واحد نفوذ گازی[14] که از سال 1978 در فرانسه به کار مشغول است در حقیقت 1400 مرحله وجود دارد. سطح غشاءهای سرامیکی در این واحد معادل 4 میلیون متر مربع است.
با توجه به اینکه UF6 یک ترکیب شیمیایی قوی است انتخاب موادی که بتوانند در پروسس UF6 به کار گرفته شوند بسیار مهم می باشد. بعضی از فلزات و سرامیک ها می توانند به این منظور مورد استفاده قرار گیرند.
واحد Eurodif هنوز نیز کار می کند و نشان داده است که غشاء های سرامیکی می توانند در واحد های بزرگ و برای مدت طولانی و در محیط های شیمیایی مشکل به کار گرفته شوند.
1-2-3 غشاءهای فلزی
اخیراً غشاءهائی از جنس فولاد ضد زنگ، سیلیس، آلومینیوم، نقره، نیکل، پلاتین و طلا ساخته شده است. غشاءهای فلزی از جنس پالادیم، آلیاژ پالادیم ـ نقره و پالادیم ـ ایتریم برای جدا سازی ئیدروژن مورد استفاده قرار می گیرد.
1-2-4 غشاءهای مایع
غشاء فازی است بین دو فاز دیگر قرار گرفته و انتقال مواد بین آنها را کنترل می نماید. اگر فاز میانی مایعی غیر قابل امتزاج با سیالهای مجاور باشد آن را غشاء مایع[15] می نامند. قابلیت حل شدن و نیز ضریب نفوذ اجزاء مختلف در یک مایع معمولاً متفاوت می باشد. حاصل ضرب این دو عامل بیانگر مقدار نفوذ است. به این ترتیب یک مایع معین می تواند نسبت به اجزاء مختلف نفوذ پذیری متفاوتی داشته باشد. این به معنی جداسازی آنهاست. با توجه به این که ضریب در مایع خیلی بیشتر از ضریب نفوذ در جامد است انتظار می رود که شار حاصله از غشاء مایع به مراتب بیش از غشاءهای پلیمر باشد. از مشخصه های مهم غشاءهای مایع این است که با استفاده از یک حامل[16] می توان انتقال اجزاء را تسهیل[17] نمود.
غشاءهای مایع به سه صورت وجود دارد:
غشاءهای مایع امولسیونی[18] یا ELM، غشاء مایع نگهداشته شده [19] یا SLM و غشاء مایع جاری[20] یا FLM .
غشاء مایع از نوع ELM از قطرات امولسیونی تشکیل شده است که با ماده اولیه (مایعی شامل اجزاء مختلف) مخلوط می گردد. قطرات امولسیونی با اضافه کردن مقداری عامل فعال کننده سطحی[21] پایدار می گردند. این پروسس در اواخر دهه 1960 توسط Li برای جداسازی ترکیبات آلی از مخلوط آنها ابداع گردید. غشاء مایع از نوع SLM عبارت است از لایه ی نازک از مایع که در داخل یک جامد متخلخل با حفره هایی در حد میکرون (به عبارت دیگر یک غشاء جامد) پخش شده و ساکن گردیده است. به این سیستم غشاء مایع غیر متحرک[22] یا IML نیز گفته می شود. این روش در اواسط دهه 1960 توسط Bloch در اسرائیل ابداع گردید.
غشاء مایع از نوع FLM به این صورت است که مایع غشاء بین دو غشاء جامد دیگر قرار گرفته و جریان دارد. حفره های دو غشاء جامد نیز از مایع غشاء پر گردیده اند.
3-1 ساختمان غشاء
ساختمان غشاء یا مورفولوژی آن نقش اساسی در چگونگی کار غشاء دارد. به عبارت دیگر نحوه ی جداسازی اجزاء که توسط غشاء انجام می شود تابعی از ساختمان آن است.
بطور کلی غشاءهای جامد دو ساختار دارند.
-غشاءهای حفره دار یا متخلخل Porous Membranes
-غشاءهای بدون حفره Non-porous Membranes
شمای این دو نوع غشاء را می توان به صورت زیر نشان داد. (شکل 1-1).
شکل 1-1 نمودار شماتیکی غشاء های حفره دار و بدون حفره
اندازه حفره ها در انواع غشاءهای متخلخل مختلف می باشد. حفره ها بر اساس اندازه به صورت زیر دسته بندی می شوند:
حفره های بزرگ[23] ـ اندازه متوسط حفره ها بیش از 50 نانومتر
حفره های متوسط[24] ـ اندازه متوسط حفره های کمتر از 50 نانومتر و بیشتر از 2 نانومتر
حفره های کوچک[25] ـ اندازه متوسط حفره ها کمتر از 2 نانومتر
بر اساس تعریف فوق غشاءهای میکروفیلتراسیون (اندازه حفره ها بین 05/0 تا 5 میکرون) دارای حفره های بزرگ، غشاءهای اولترافیلتراسیون ( اندازه حفره ها بین 2 تا 50 نانومتر) دارای حفره های متوسط، غشاءهای نانوفیلتراسیون (اندازه حفره ها کمتر از 2 نانومتر) دارای حفره های کوچک و غشاءهای اسمز معکوس بدون حفره هستند.
عبارت بدون حفره در توصیف غشاء تا اندازه ای مبهم است. در حقیقت این نوع غشاءها دارای حفره هایی به اندازه مولکول ها می باشند که انتقال را ممکن می سازد. این حفره ها را می توان به صورت حجم آزاد بین مولکولی های خود غشاء تصور نمود.
اینگونه غشاءها دارای تعداد زیادی زنجیره های پلیمرهای آلی هستند که بطور درهم به یکدیگر چسبیده اند. فضای خالی بین زنجیره ها نمایانگر حجمی از غشاء است که ذرات می توانند از درون آن عبور نمایند. بسته به نوع غشاء زنجیره ها می توانند بلند یا کوتاه، بلوری[26] ، بی شکل[27] و یا متقاطع[28] باشند.
بطور کلی انتقال جرم در درون غشاءهای پلیمری بی شکل بیش از انتقال در غشاءهای بلوری یا متقاطع می باشد. لذا بهتر است که در ساختمان غشاء از بلورهای مرتب و زنجیره های منظم پرهیز گردد. در عین حال با کاهش این دو عامل مقاومت مکانیکی غشاء نیز کاهش می یابد. بنابراین سعی می شود حد متعادلی بین شدت کافی انتقال جرم و مقاومت مکانیکی لازم پیدا شود.
