منابع و ماخذ پایان نامه غشاءهای، غشاءها، فلزی

برخی منابع هم غشاء را یک ساختار دارای خلل و فرج میکرونی میدانند که به عنوان یک فیلتر با راندمان بالا در ابعاد مولکولی عمل میکند و به یونها، مولکولهای حلال و سایر مولکولهای کوچک اجازه عبور می دهد[10]. معمولاً ضخامت غشاءها کمتر از 5/0 میکرومتر و یا حتی کمتر از 1/0 میکرومتر می باشند.
1-2-2- مکانیسم جداسازی غشائی
غشاءها تقریباً نفوذپذیر هستند و قابلیت جداسازی اجزای مختلف را با مکانیسمهای متفاوت نفوذ نادسن،17 غربال مولکولی، جداسازی انحلال- نفوذ، نفوذ سطحی و چگالش مویینگی18 دارند[11]. اگر جداسازی بر اساس اختلاف فشار باشد، به کمک روشهایی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس میتوان جداسازی را انجام داد. روشهایی که بر پایه اختلاف غلظت هستند، شامل جداسازی گازی، غشاء مایع و دیالیز می باشد. در الکترودیالیز، اختلاف ولتاژ و در روش تقطیر غشائی نیز اختلاف دما به عنوان عامل جداسازی عمل میکند.
هرجزء گاز با مقاومت خاصی از سوی انواع غشاءها در برابر نفوذ مواجه میشود. این مقاومت به دو فاکتور وابسته است: اول، اندازه و شکل مولکول گاز که نفوذ آن از طریق غشاء را کنترل میکند و دوم، شدت برخورد مولکولی بین غشاء و مولکولهای گاز که در انواعی از غشاءها میتواند معیاری از حلالیت مولکولهای گاز در غشاء باشد. گازهایی که با مقاومت کمتری در مقابل نفوذشان مواجهند به گازهای سریع معروفند، درحالی که گازهای با مقاومت بالا در مقابل حرکت، گازهای کند نامیده میشوند. گازهای دی اکسیدکربن، هیدروژن، هلیم، سولفید هیدروژن و بخارآب به سرعت نفوذ میکنند به گازهای سریع مشهورند، ازطرف دیگر گازهای مونواکسیدکربن، نیتروژن، متان، اتان و دیگر هیدروکربنها که با سرعت کمتری نفوذ می کنند گازهای کند نام گرفتهاند. غشاءها اجازه حذف انتخابی گازهای سریع از گازهای کند را می دهند. بطور مثال هنگامی که دی اکسیدکربن از جریان گاز حذف میگردد همزمان سولفید هیدروژن و بخارآب نیز حذف میشوند، اما متان، اتان و هیدروکربنهای سنگین تر در زمان طولانی تری حذف میگردند[12, 13]
شکل 1- 1: گازهای سریع و کند بر اساس مقاومت در برابر حرکتشان [12]
1-2-3- تقسیم بندی غشاءها
به دلیل کاربردهای وسیع و جهت سهولت شناخت و استفاده از غشاءها، تقسیم بندی آنها ضروری به نظر میرسد که در این بخش تقسیم بندی غشاءها بر اساس معیارهای مختلف آورده شده است.
1-2-3-1- تقسیم بندی بر اساس جنس غشاء
غشاءها به دو صورت عمده غشاءهای بیولوژیکی( طبیعی ) و غشاءهای سنتزی هستند که غشاءهای سنتزی شامل غشاءهای پلیمری، سرامیکی، فلزی و مایع میباشند که در ادامه هرکدام از موارد به اختصار توضیح داده شده اند:
غشاءهای پلیمری
در حالت کلی، عبور مولکولهای گازی از طریق غشاءهای پلیمری با مکانیسم انحلال-نفوذ صورت میگیرد. دیگر مکانیزمهای موجود در این غشاء میتواند مکانیسمهای غربال ملکولی یا نفوذ نادسن باشد[14].
از جمله غشاءهای پلیمری میتوان به غشاءهای ساخته شده از جنس پلی پروپیلن، تفلون، پلی آمید، پلی ایمید و پلی سولفون و… اشاره کرد. هرکدام 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 غشاءهای پلیمری است.
غشاءهای پلیمری در بازیافت هیدروکربنها و گازهایی به کار میروند که در فرآیندهای مربوطه وارد اتمسفر شده و یا سوزانده میشوند، بنابراین از نظر کاهش آلایندههای محیطی می توانند بسیار با ارزش باشند. غشاءهای پلیمری که قابلیت عبور ذرات بزرگتر مانند هیدروکربن های سنگین گازی را در مقایسه با ذرات کوچکتر مانند متان و ازت دارند، به صورت پیوسته تهیه میشوند. قابلیت انتخاب پذیری معکوس و عبوردهی بالای این غشاءها، مزیت بسیار مهمی است که در کاربردهایی مانند خالص سازی گاز طبیعی که بخش عمده آن را متان تشکیل میدهد، نیاز به تقویت فشار مجدد گاز خالص شده را برطرف میکند.
نیاز به غشاءهایی با مجموعه خواص مطلوب شامل شار عبوری بالا، انتخاب پذیری بالا و پایداری شیمیایی، مکانیکی و حرارتی مناسب، محققین را به سمت توسعه غشاءهای هیبریدی نانوکامپوزیتی ( شامل مواد معدنی پخش شده در ماتریس پلیمری ) سوق داده است[15].
غشاءهای مایع
غشاء فازی است بین دو فاز دیگر که انتقال جرم بین آنها را کنترل می کند. اگر این فاز میانی یک مایع امتزاج ناپذیر با دو فاز دیگر باشد، نقش یک غشاء مایع را خواهد داشت. غشاءهای مایع به سه صورت غشاءهای امولسیونی،19 پایه ای20 و جریانی21 هستند. در غشاءهای امولسیونی از عوامل فعال کننده سطحی22 برای تولید امولسیون استفاده می کنند. در غشاء نوع دوم از مایعی در داخل یک جامد متخلخل با حفراتی در حد میکرون استفاده می کنند. در غشاء جریانی هم، جریان مایع- مایع به صورت پیوسته برقرار بوده و حفرات را همواره پر نگه میدارد[16].
شکل 1- 2: عملکرد غشاء مایع [16]
غشاءهای سرامیکی
این غشاءها 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 غشاءها، هیچ افزودنی مورد نیاز 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 غشاء نیز وجود دارد.
در غشاءهای سرامیکی جریان یا محیطی که باید تصفیه شود، از داخل کانالهای حامل غشاء عبور داده میشود. ذرات در صورتی که بزرگتر از شعاع حفرات غشاء باشند، باقی مانده و نشست میکنند و ماده تغلیظ شدهای را ایجاد میکنند. ماده صاف شده از درون حفرات نفوذ کرده و وارد مراحل مختلف فرآیند میشود.
پایه غشاءهای سرامیکی، متشکل از اکسید آلومینیوم یا سیلیکون با حفرات باز است. این ماده نه تنها میتواند نفوذپذیری را بالا ببرد، بلکه نیازهای مربوط به پایداری مکانیکی را نیز مرتفع می سازد. در ابتدا غشاءهای سرامیکی در تکنولوژی تصفیه فاضلاب به کار می رفت. اما امروزه کاربردهای آنها تمامی صنایع را پوشش میدهد که این صنایع میتواند صنایع شیمیایی مانند جداسازی پاک کنندهها و کاتالیستها، صنایع فلزی مانند بازیافت فلزات سنگین، صنایع نساجی و صنایع کاغذ و خمیر چوب مانند جداسازی، تغلیظ و آب زدایی بیومس و خزه ها، صنایع غذایی و آشامیدنی مانند تغلیظ آب میوه، استریلیزاسیون شیر و آب پنیر و صنایع بازیافتی و محیط زیستی مانند کاهش BOD/COD، بازیابی آب از استخرهای شنا و بازیافت داروها و آفت کشها را در بر بگیرد[17].
شکل 1- 3: غشاء سرامیکی [17]
غشاءهای فلزی
این غشاءها که در حال حاضر بیشتر در آزمایشگاههای تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً از جنس فولاد ضدزنگ، سیلیس، آلومینیوم، نقره، نیکل و برخی از آلیاژها هستند. خصوصیت برجستهای که در رابطه با این غشاءها مطرح است، مقاومت آنها در برابر خوردگی است.
در زمینه جداسازی گاز که بیشتر به تخلیص گاز هیدروژن برای پیلهای سوختی مربوط میشود، دستهای از غشاءهای فلزی توسعه یافتهاند. البته در تصفیه آب آشامیدنی و حذف مواد آلی طبیعی به روش لختهسازی و میکروفیلتراسیون نیز از غشاءهای فلزی همراه با هوا دهی یا تزریق گاز ازون به عنوان یک روش جدید برای حذف آلودگیهای آب باران استفاده شده و ثابت شده است که غشاء فلزی برای کاهش میکروبها و ذرات آلوده کننده از آب باران کافی است. برای حصول غشاء فلزی با خواص ویژه، جنس پایه و روش ساخت و پوشش دهی آن اهمیت بسیاری دارد. تقریباً اکثر روشهای ساخت، شامل ایجاد شرایط خاص دما و فشار و همچنین انجام برخی عملیات اصلاحی، بر روی پایه یا غشاء ساخته شده است. در این راستا خواص غشاءها نظیر نفوذپذیری، ظرفیت عبور سیال، مقاومت شیمیایی، مقاومت مکانیکی و حرارتی باید مد نظر قرار بگیرد.
در رابطه با عملکرد این غشاءها، مطالعات اخیر بر روی ساخت غشاءهای فلزی متراکم مرکب، با ضخامت حدود زیر میکرون تا چند ده میکرون و ویژگیها و کاربردهای آنها متمرکز شده است. توسعه غشاءهای فلزی پایدار یا مرکب بیشتر به دلیل کاهش هزینههای مواد، بهبود استحکام مکانیکی و امکان نفوذ بیشتر مواد میباشد. غشاءهای مرکب فلزی دارای پایههایی از جنس فلز، سرامیک یا پلیمر هستند. البته در اکثر موارد استفاده از فولاد ضدزنگ به عنوان پایه غشاء فلزی پیشنهاد شده است. ساخت غشاء با این فلز هزینه کم و استحکام مکانیکی بالایی داشته و اکثر فرآیندهای صنعتی تولید و خالص سازی هیدروژن، از لحاظ شیمیایی بی اثر است. از جمله روشهای متداول در ساخت غشاءهای فلزی، روش ترسیب شیمیایی، ترسیب الکتروشیمیایی، ترسیب شیمیایی و فیزیکی بخار، روش پاشش پودر خیس میباشند[17].
شکل 1- 4: غشاء فلزی [17]
1-2-3-2- تقسیم بندی بر اساس ساختار غشاء
بر اساس ساختمان غشاءها می توان آنها را به دو دسته متقارن و نامتقارن تقسیم کرد. در دو سمت غشاءهای متقارن ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان میباشد. ضخامت این نوع غشاءها بین 200-100 میکرون است. هرقدر ضخامت غشاءها زیادتر باشد، مقاومت در برابر انتقال جرم زیاد بوده و از طرف دیگر با کاهش ضخامت، مقاومت مکانیکی آن کاهش مییابد که برای حل این مشکلات، از غشاءهای نامتقارن که در آنها ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان نیست استفاده می کنند. این غشاءها از دولایه تشکیل یافتهاند در آن یک لایه فعال با ضخامت کمتر و متراکم تر وجود دارد که در آن جداسازی صورت میگیرد. لایه دیگر که به صورت پایه عمل میکند و حفرات بزرگتری دارد، بر مقاومت مکانیکی لایه اول میافزاید. البته در این نوع غشاءها هر دو لایه از یک ماده تشکیل میشوند. یکی دیگر از انواع غشاءهای نامتقارن که تحت عنوان غشاءهای مرکب یا کامپوزیتی هستند، دو لایه از دو جنس متفاوت بوده و روش ساخت و اتصال آنها نیز تفاوت هایی با یکدیگر دارند[17].
1-2-3-3- تقسیم بندی براساس شکل هندسی غشاء
غشاءها را میتوان بر اساس شکلشان به انواع غشاءهای صفحه ای، لوله ای، مارپیچی و الیاف توخالی تقسیم کرد. غشاءهای مارپیچی را می توان بر حسب نیاز، در دماها و فشارهای بالا مورد استفاده قرار داد. غشاءهای لوله ای در غلظت های بالایی از جامد مورد استفاده قرار می گیرند. در فرایند فیلتراسیون جریان متقاطع نیز، الیاف توخالی را میتوان تحت عملیات شستشوی معکوس قرار داد.
جدول 1- 5: مقایسه انواع مختلفی از غشاءها [17]
Hollow Fiber
Tubular
Spiral
Plate/Frame
500-9000
30-200
200-800
300-500
Packing Density (m2/m3)
Poor
Very Good
Moderate
Good
Fouling Resistance
Poor
Excellent
ِFair
Good
Ease of cleaning
Low
High
Low
High
Relative Costs
غشاءها در داخل محفظهای قرار میگیرند که تحت عنوان مدول اطلاق میشود. نوع جریان در سطح غشاء و نیز نحوه حرکت سیال بستگی به نوع مدول انتخابی دارد. در واقع مدول به منظور نگهداری غشاء، کنترل حرکت سیال و افزایش نسبت سطح به حجم به کار میرود. در هر مدول، غشاءها به همراه نگهدارندهها و پایههای خود در یک شکل هندسی خاص قرار می گیرند که دارای مجراهایی برای ورود خوراک، توزیع خوراک و همچنین جمع آوری مواد می باشد. انواع مدولهایی که به کار میرود شامل مدولهای لوله ای، صفحه و قاب، مارپیچی و موئینهای است که بر اساس ویژگیها و مزایایی که دارند میتوانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند.
شکل 1- 5: نمونه ای از مدولهای غشائی [17]

مطلب مرتبط :   منبع پایان نامه ارشد درموردافراد سالمند، سوء مصرف مواد، دختران نوجوان

دیدگاهتان را بنویسید