مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقدمه :

فرایندهای غشایی با دارا بودن مزایایی مانند كاهش مصرف انرژی ، انتقال جرم و راندمان بالا و سهولت كاربرد، از اهمیت بسزایی برخوردارند. در فرایندهای غشایی ، جداسازی اجزا مختلف از یکدیگر به دلیل مکانیسم غربالی ، انتقال ممانعتی از درون حفرات باریک غشا و سایر تقابل های بین اجزا و مواد غشا (از قبیل جذب سطحی و تقابل هابی الکتریکی) صورت می گیرد . برخی از موارد کاربرد این سیستم ها در صنایع غذایی ، تصفیه آب ، تغلیظ  و شفاف سازی اب میوه ها ، فراورده های شیر ، نوشابه های الکلی و پساب می باشد . در سیستم های جداسازی غشایی در مقایسه با یک تبخیر کننده ، آب بدون آن که تغییر فاز دهد از محلول جدا می شود . در یک سیستم جداسازی غشایی سیالی با دو جز یا بیشتر در تماس با غشا قرار گرفته که غشا اجازه می دهد ، اجزای خاصی از سیال (آب موجود در سیال) راحت تر از دیگر اجزا از آن عبور کنند . ماهیت فیزیکی و شیمیایی غشا (اندازه منافذ و توزیع اندازه منافذ در ان) روی جداسازی مایع تاثیر می گذارد .

غشا :

غشا به عنوان یك فاز كه اجزای خوراك به صورت انتخابی از آن عبور می كنند، تعریف می گردد به عبارت بهتر، غشا به صورت فازی كه اجزای جداشونده خوراك با سرعت های متفاوت از آن عبور می كنند عمل می كند در این روش، معمولاً تغییر فازی صورت نمی گیرد و محصولات نیز در همدیگر قابل امتزاج هستند


در فرایندهای غشایی، جزئی از خوراك كه از غشا عبور می كند به نام تراوش كرده((Permeate  و بخشی كه نتواند از غشا عبور كند، نگه داشته شده (Retentate)  نامیده می شود كه بر اساس هدف جداسازی ، هركدام از آنها می توانند به عنوان محصول در نظر گرفته شوند.  در حالت كلی ، روشهای غشایی در مواقعی كه غلظت مواد كم باشد كارایی بسیار زیادی دارند .

نیروی محركه لازم در فرایندهای غشایی می تواند به صورت اختلاف غلظت ، فشار ، دما و پتانسیل الكتریكی باشد. ساده ترین نوع غشاها بر اساس اختلاف اندازه ذرات عمل می كنند كه از این نظر مشابه فیلترها هستند ولی غشاها از لحاظ اندازه منافذ و توزیع اندازه آنها و نیز نحوه جریان با فیلترها تفاوت دارند كارایی غشاها با دو پارامتر تعیین می گردند كه شامل دبی عبور كرده از غشا و گزینش پذیری غشاها است .

فرایندهای غشایی با داشتن مزایایی چون كاهش مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز، حجم كم و عدم نیاز به فضای زیاد، تنوع در شكل و اندازه، افت فشار كم و انتقال جرم زیاد، بالا بودن راندمان جداسازی برای محلول های رقیق ، نیاز كم به مواد افزودنی و حلا لها، ساده بودن طراحی غشاها و سهولت كاربرد آنها در مقیا سهای صنعتی و همچنین به دلیل اینكه دوست دار محیط زیست هستند، از سایر روشهای جداسازی متمایز شده اند . با این حال این روش معایبی از قبیل قطبش غلظتی (تفاوت در قابلیت تراوش پذیری ذرات با اندازه های مختلف سبب می شود که ذراتی که نسبتا کندتر عبور می کنند در مجاورت غشا تجمع یابند و بدین ترتیب توزیع غلظت در جریان خوراک تغییر یابد . این پدیده قطبش غلظتی نام دارد که در صورت تداوم ، یکی از مهم ترین دلایل گرفتن غشاهاست ) و گرفتگی غشاها ، طول عمر كوتاه غشا ، انتخاب پذیری و دبی كم عبوری ازغشاها و هزینه بالای ساخت را دارد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تعريف غشاء

غشاء لايه‌اي است نازك، كه مي‌تواند اجزاي يك سيال را به طور انتخابي از آن جدا كند. به عبارت ديگر غشاء وسيله‌اي است كه جداسازي مواد را عمدتاً بر اساس اندازه‌‌‌هاي مولكولي آنها ممكن ﻣﻲسازد. البته در اين فرآيند علاوه بر اندازه، عوامل ديگري نيز دخالت دارند.

در يك فرآيند غشايي عموﻣﴼ دو فاز وجود دارند كه به وسيله فاز سوم (غشاء) به طور فيزيكي از يكديگر جدا شده‌اند. غشاء انتقال جرم بين دو فاز را كنترل ﻣﻲنمايد. فازها به صورت مخلوطي از اجزاء ﻣﻲباشند. در اين حالت يكي از اجزاء موجود در مخلوط بيش از سايرين از غشاء عبور مي‌کند. به عبارت ديگر غشاء نسبت به يكي از اجزاء انتخاب‌گر‌‌‌(1) است. در اين صورت انتقال آن جزء از يك فاز به فاز ديگر توسط غشاء انجام خواهد شد. به اين ترتيب يكي از فازها غني از آن جزء و ديگري از آن تهي ﻣﻲگردد.

به طور خلاصه عملکرد يک غشاء توسط دو خاصيت به نام‌هاي تراوش‌پذيري[2]  و انتخابگري يا انتخاب‌پذيري [3] ارزيابي مي‌شود. بسياري از مواد كه تصور نمي‌شود غشاء باشند (به عنوان مثال پوشش‌‌هاي محافظ يا مواد بسته‌‌بندي)، داراي خواصي هستند كه منطبق بر خاصيت غشاء است و در واقع غشاء ﻣﻲباشند. بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت که تمام موادي كه به عنوان غشاء عمل ﻣﻲكنند يك خاصيت كلي دارند و آن اين است كه مواد مختلف را به طور انتخابي از خود عبور ﻣﻲدهند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

شايد بتوان از تحقيقي که در دانشگاه بوفالو روي نانومواد انجام شده است، براي حل قديمي‌ترين مشکل سلامتي بشر، يعني جدا کردن باکتري ها از آب نوشيدني بهره برد.

اندازه مولکول‌هاي آب و ميکروب‌ها در حد نانومتري بوده و در نتيجه نمي‌توان آنها را با چشم غيرمسلح مشاهده کرد. اما در مقياس ميکروسکوپي اندازه اين دو کاملاً باهم فرق دارد. يک مولکول آب اندازه‌اي کمتر از يک نانومتر دارد، در حالي که اندازه برخي از کوچک‌ترين باکتري‌ها به دويست نانومتر مي‌رسد.

حال گروهي از محققان دانشگاه بوفالو با استفاده از پليمر خاصي به نام کوپليمر بلاک، نانوغشاي جديدي توليد کرده‌اند که حاوي حفراتي به قطر 55 نانومتر است. بدين ترتيب مولکول هاي آب مي‌توانند از اين غشا عبور کنند، اما باکتري‌ها اين امکان را پيدا نمي‌کنند.

جاويد رضايف، استاد شيمي دانشگاه بوفالو که رهبري اين گروه را بر عهده داشته است، مي‌گويد اينها بزرگ‌ترين حفراتي هستند که تاکنون با استفاده از کوپليمر بلاک توليد شده‌اند. کوپليمرهاي بلاک ويژگي‌هاي خاصي دارند که موجب مي‌شود اندازه حفرات يکسان باشد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

قدمت استفاده از فرایند الکترودیالیز نزدیک به ربع قرن می‌رسد. این فرایند در کنار اسمز معکوس به عنوان فرایندهای غشایی تصفیة آب بصورت صنعتی استفاده می‌شود. درفرایندهای غشایی نیرویی محرکه حرکت یونهای در اثر اختلاف فشار، اختلاف غلظت یا اختلاف پتانسیل می‌باشد. نحوة جداسازی در فرایند غشایی یا بر اساس سایز ذرات یا اثر پدیدة نفوذ - دفع یا دراثر اولویت‌بندی عبور ذرات بوسیله غشاءها می‌باشد.
الف- جداسازی در فرایند غشایی بر اساس سایز ذرات: غشای (ممبران) دارای حفره‌ها و سوراخ‌هایی است که برخی از اجزای می‌توانند از آن عبور کرده و برخی دیگر نمی‌توانند عبور کنند در اصل می‌توان گفت ممبران مانند یک غربال یا الک عمل می‌نماید.
ب- پدیدة نفوذ - دفع: در این حالت غشاء دارای حفره و سوراخ نبوده بلکه ذرات در غشا حل شده بوسیلة پدیده نفوذ (diffusion ) به آن طرف غشا راه پیدا می‌کنند و سپس در آن طرف غشا بوسیله پدیدة دفع (desorption ) وارد فاز دیگر می‌شود.
ج- اولویت‌بندی عبور ذرات بوسیله غشاء: در این حالت بسته به ابعاد حفره‌ها و سوراخ‌های غشاء و ابعاد و نوع ملکول‌ها و ناخالصی‌ها غشاء برای برخی از ذرات ایجاد مقاومت کرده و عبور آنها را با مشکل مواجه می‌کند.
فرایندهای غشایی بر اساس اندازه جداسازی ذرات از 02/.- 10 میکرومتر (100000- 200 انگستروم) تا 0001/.-001/. میکرومتر (10-1 انگستروم) به چهار نوع تقسیم می‌کنند:
1- میکرو فیلتراسیون 2- اولترا فیلتراسیون 3- نانو فیلتراسیون 4- اسمز معکوس
اسمز معکوس (REVERCE OSMOSIS ): اسمز معکوس فرایندی فیزیکی است که می‌توان از محلولی (حلال + ناخالصی) به کمک یک غشاء نیمه‌تراوا حلال تقریباً خالصی تهیه کرد. اسمز معکوس می‌تواند 99% مواد معدنی حل شده را از آب حذف کند. اگر یک غشاء نیمه‌تراوا بین دو محلول با غلظت‌های متفاوت قرارگیرد، مقداری از حلال از یک طرف غشا به طرف دیگر منتقل می‌شود، جهت حرکت به گونه‌ای است که محلول غلیظ‌تر را رقیق نماید که این پدیده را اسمز گویند. این عمل باعث می‌شود سطح محلول در آب غلیظ‌تر بالا رود، اختلاف سطح ایجادشده در حالت تعادل بین دو محلول، از نظر غلظت نمک، را فشار اسمزی گویند. حال اگر فشاری بیش از فشار اسمزی به محلول غلیظ وارد کنیم، جهت حرکت آب برعکس شده آب از غشاء نیمه‌تراوا عبور کرده وارد محیط رقیق‌تر می‌شود؛ در حالی که ناخالصی‌ها نمی‌توانند از غشاء عبور کنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مزایا استفاده ازغشاءها:

1-تبعات زیست محیطی کم استفاده از غشاءها

2-کاهش مصرف انرژی

3-اقتصادی بودن نسبت به سایر روشها

4-منحصر بودن برخی از جداسازی صرفا"توسط غشاء

5-تغییر فاز

6-کاهش مواد شیمیایی مصرفی نسبت به سایر روشها جهت احیاء

7-امکان استفاده از این روش جهت محلولهای قابل اشتعال در دمای پایین

8-کارایی بالا جهت محلولهای بسیار رقیق در عملیات جداسازی

9-ساده بودن عملیات کاربردی و قیمت ارزان نسبت به سایر روشها

10-استفاده از روش جدا سازی غشاءبعنوان پیش تصفیه جهت بالا بردن راندمان فرآیندهای بالا دست

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقدمه :

فرایندهای غشایی با دارا بودن مزایایی مانند كاهش مصرف انرژی ، انتقال جرم و راندمان بالا و سهولت كاربرد، از اهمیت بسزایی برخوردارند. در فرایندهای غشایی ، جداسازی اجزا مختلف از یکدیگر به دلیل مکانیسم غربالی ، انتقال ممانعتی از درون حفرات باریک غشا و سایر تقابل های بین اجزا و مواد غشا (از قبیل جذب سطحی و تقابل هابی الکتریکی) صورت می گیرد . برخی از موارد کاربرد این سیستم ها در صنایع غذایی ، تصفیه آب ، تغلیظ  و شفاف سازی اب میوه ها ، فراورده های شیر ، نوشابه های الکلی و پساب می باشد . در سیستم های جداسازی غشایی در مقایسه با یک تبخیر کننده ، آب بدون آن که تغییر فاز دهد از محلول جدا می شود . در یک سیستم جداسازی غشایی سیالی با دو جز یا بیشتر در تماس با غشا قرار گرفته که غشا اجازه می دهد ، اجزای خاصی از سیال (آب موجود در سیال) راحت تر از دیگر اجزا از آن عبور کنند . ماهیت فیزیکی و شیمیایی غشا (اندازه منافذ و توزیع اندازه منافذ در ان) روی جداسازی مایع تاثیر می گذارد .

غشا :

غشا به عنوان یك فاز كه اجزای خوراك به صورت انتخابی از آن عبور می كنند، تعریف می گردد به عبارت بهتر، غشا به صورت فازی كه اجزای جداشونده خوراك با سرعت های متفاوت از آن عبور می كنند عمل می كند در این روش، معمولاً تغییر فازی صورت نمی گیرد و محصولات نیز در همدیگر قابل امتزاج هستند

نمونه ای از یک غشاء

در فرایندهای غشایی، جزئی از خوراك كه از غشا عبور می كند به نام تراوش كرده((Permeate  و بخشی كه نتواند از غشا عبور كند، نگه داشته شده (Retentate)  نامیده می شود كه بر اساس هدف جداسازی ، هركدام از آنها می توانند به عنوان محصول در نظر گرفته شوند.  در حالت كلی ، روشهای غشایی در مواقعی كه غلظت مواد كم باشد كارایی بسیار زیادی دارند .

نیروی محركه لازم در فرایندهای غشایی می تواند به صورت اختلاف غلظت ، فشار ، دما و پتانسیل الكتریكی باشد. ساده ترین نوع غشاها بر اساس اختلاف اندازه ذرات عمل می كنند كه از این نظر مشابه فیلترها هستند ولی غشاها از لحاظ اندازه منافذ و توزیع اندازه آنها و نیز نحوه جریان با فیلترها تفاوت دارند كارایی غشاها با دو پارامتر تعیین می گردند كه شامل دبی عبور كرده از غشا و گزینش پذیری غشاها است .

فرایندهای غشایی با داشتن مزایایی چون كاهش مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز، حجم كم و عدم نیاز به فضای زیاد، تنوع در شكل و اندازه، افت فشار كم و انتقال جرم زیاد، بالا بودن راندمان جداسازی برای محلول های رقیق ، نیاز كم به مواد افزودنی و حلا لها، ساده بودن طراحی غشاها و سهولت كاربرد آنها در مقیا سهای صنعتی و همچنین به دلیل اینكه دوست دار محیط زیست هستند، از سایر روشهای جداسازی متمایز شده اند . با این حال این روش معایبی از قبیل قطبش غلظتی (تفاوت در قابلیت تراوش پذیری ذرات با اندازه های مختلف سبب می شود که ذراتی که نسبتا کندتر عبور می کنند در مجاورت غشا تجمع یابند و بدین ترتیب توزیع غلظت در جریان خوراک تغییر یابد . این پدیده قطبش غلظتی نام دارد که در صورت تداوم ، یکی از مهم ترین دلایل گرفتن غشاهاست ) و گرفتگی غشاها ، طول عمر كوتاه غشا ، انتخاب پذیری و دبی كم عبوری ازغشاها و هزینه بالای ساخت را دارد .

خواص غشا :

بررسی خواص غشا از لحاظ پیش بینی چگونگی انجام فرایند جداسازی توسط آنها مفید است . این خواص با توجه به موادی که در ساخت غشا به کار گرفته شده است ، روش ساخت و اصلاحات بعدی حاصل می گردد .

خواص غشا را می توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی نمود :

1 . خواص فیزیکی :

الف : اندازه حفره های غشا :

ذراتی که بزرگتر از اندازه حفرات غشا باشند نمی توانند از غشا عبور نمایند . به طور کلی اندازه منافذ غشا به دو صورت قطر منافذ و یا (Molecular weight cut-off) بیان می شود . (این فاکتور معمولا از طریق اندازه گیری میزان عبور یک پلیمر خاص از درون حفره های غشا بدست می اید . اندیس (MWCO) برابر وزن مولکولی پلیمری است که بیش از 90 درصد ان توسط غشا دفع شود) .

ب : توزیع اندازه حفرات :

اندازه حفرات یک غشا یکسان نیست . هر غشایی یک اندازه اسمی دارد که نشان گر متوسط اندازه حفره هاست . حفره های کوچکتر و بزرگتر از اندازه اسمی نیز در غشا وجود دارند . توزیع اندازه حفره های غشا نشان دهنده محدوده تغییر اندازه حفره ها و تعداد نسبی آنهاست . هر چه توزیع اندازه حفرات یکنواخت تر باشد جداسازی در عمل با انتظارات ما نزدیکتر خواهد بود .

ج : تعداد حفرات :

تعداد حفرات در واحد سطح ، دانسیته حفره نامیده می شود که حدود 108 تا 109 حفره در سانتی متر مربع است تعداد حفرات بیانگر سهولت اجزایی است که می توانند از غشا عبور کنند .

د: شکل حفره ها :

حفره های غشا به ندرت به صورت استوانه ای هستند و در اغلب موارد به شکل معابر پر پیچ و خم می باشند . مسلما هر چه حفره پیچ و خم کمتری داشته باشد ، عبور اجزا از ان ساده تر خواهد بود .

و: ضخامت غشا :

ضخامت کمتر غشا بیانگر مقاومت کمتر در مقابل انتقال جرم است . غشاهای بسیار نازک دارای یک نگهدارنده هستند که مقاومت مکانیکی لازم را فراهم می اورد .

ه: تخلخل :

که نشان دهنده فضای آزاد موجود در غشا است . در بسیاری از غشاها حدود 60 تا 80 درصد غشا باز است که باعث عبور سیال می شود .

ن: چروک خوردگی :

سطح غشا می تواند صاف یا دارای چین و چروک باشد . این مسئله تاثیر مهمی در جذب یا دفع مواد بر روی سطح غشا دارد

2 . خواص شیمیایی :

الف : بار سطحی :

اجزای شیمیایی موجود در سطح غشا ممکن است دارای گروههای عامل خنثی یا باردار (مثبت ومنفی) باشند . بار سطحی غشا از این جهت اهمیت دارد که عامل جاذبه یا دافعه الکترواستاتیکی بین غشا و ذرات موجود در محلول است . بار سطحی غشا به قدرت یونی محلول مجاور آن بستگی دارد .

ب: هدایت الکتریکی :

اکثر غشاهای پلیمری هادی الکتریسیته نیستند ولی غشاهای هادی نیز ساخته شده اند .

ج: جذب کنندگی :

با توجه به عوامل موجود در سطح غشا و بار ، انها امکان جذب یا دفع ذرات توسط سطح غشا وجود دارد . به علاوه بسیاری از ذراتی که داخل حفره های غشا می گردند جذب سطح داخلی حفره ها شده و امکان عبور از آنها را نمی یابند .

و: آبدوست یا آبگریز بودن غشا :

غشا ممکن است ابدوست یا آبگریز باشد . این موضوع با توجه به ساختار مولکولی سطح غشا حاصل می شود . با تغییر و اصلاح سطح غشا می توان این خاصیت را تغییر داد . آبدوستی یا ابگریزی می تواند در جداسازی تاثیر بگذارد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

افزايش كيفيت فرايند تصفيه آب با نانوغشاها چندلايه‌اي
محققان دانشگاه علم و صنعت، موفق به ساخت نانوغشاهاي چندلايه‌اي تيتانيايي شدند كه استفاده از اين نانوغشاها ، راندمان و كيفيت فرايند تصفيه آبها و پساب‌هاي صنعتي را افزايش مي‌دهد.
به گزارش فارس، علي عالم مجري اين طرح گفت: ساخت نانوغشاهاي چندلايه‌اي تيتانيايي به‌منظور تصفيه آب را به‌عنوان هدف اين پژوهش ذكر كرد و گفت: با بكارگيري همزمان فرايندهاي فيلتراسيون فيزيكي و فتوكاتاليستي در ساخت نانوغشا‌هاي تيتانيايي توانستيم راندمان و كيفيت آب تصفيه شده را افزايش داده و نياز صنايع مرتبط با تصفيه آب‌ و پساب‌ها را برطرف كنيم.
عالم افزود: غشا يك سد نيمه‌تراوا است كه به يك يا چند جزء، از مخلوط‌هاي گازي يا مايع اجازه عبور مي‌دهد. به‌دليل افزايش بهاي انرژي مصرفي در چند دهه گذشته، تمايل به فرآيندهاي جداسازي غشايي در مقايسه با انواع سنتي و مرسوم آن به‌طور روز افزوني افزايش يافته و امروزه غشاهاي سراميكي به‌دليل پايداري حرارتي، شيميايي و مكانيكي و همچنين طول عمر بالا، از اهميت بيشتري نسبت به انواع ديگر برخوردارند.
عالم و همكارانش براي ساخت نانوغشا، ابتدا زيرپايه آلومينايي را به روش پرس تك محور تهيه كرده، سپس به‌كمك روش سل- ژل و بكارگيري هر دو روش سل- ژل كلوئيدي و پليمري، لايه‌نشاني تيتانيا را بر روي زيرپايه انجام داده‌اند. پس از ساخت غشا، روي نمونه‌ها، آزمايش‌هاي مختلفي انجام داده و توانسته‌اند غشاي نانوساختار و چند لايه‌اي تيتانياي عاري از ترك، روي زيرپايه آلومينا را بسازند و ساختار فازي، سطح مخصوص و اندازه كريستاليت لايه‌ها را بهينه كنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

هندبوک CRC جداسازی های غشایی_Handbook of Membrane Separations
 
 

Handbook of Membrane Separations: Chemical, Pharmaceutical, Food, and Biotechnological Applications
Publisher: CRC | Edition 2008 | PDF | 1210 pages | 25,9 mb

مرجع تخصصی آب و فاضلاب