غشاء های سرامیکی

[zeinab68]

مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : سایت راسخون

مقدمه

عموماً یک غشاء سرامیکی را می توان به عنوان یک مرز نفوذگزین (pERMSELECTIVE BARRIER) یا یک غربال بسیار ریز تعریف کرد. قابلیت تراوایی و فاکتور تفکیک یک غشاء سرامیکی دوشاخص بسیار مهم در مورد یک غشاء سرامیکی است. این دو فاکتور به طور خاص تابع ضخامت، اندازه ی تخلخل ها و تخلخل های سطحی غشاء است و این در حالی است که در مورد غشاءهای سرامیکی با دانسیته ی بالا، قوانین نفوذ و تفکیک پیچیده تر است. کاربردها و مکانیزم های تفکیک در غشاءهای سرامیکی متخلخل به اندازه ی تخلخل های غشاء سرامیکی وابسته است. ( همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است.)

غشاءهای سرامیکی معمولاً از ترکیب چندین لایه ی یکسان یا متفاوت سرامیکی تشکیل شده اند. معمولاً این لایه ها بوسیله ی یک تکیه گاه با تخلخل های بسیار بزرگ حمایت می شوند. همچنین این لایه ها از چندین لایه ی مزوپورس میانی تشکیل شده اند که یک لایه ی میکروپورس در روی این لایه ها قرار دارد. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است.

لایه ی پایینی حالت تکیه گاه مکانیکی را دارد و این در حالی است که لایه های میانی دارای تخلخل های مناسب جهت تفکیک هستند. در واقع عمل جداسازی در این مکان اتفاق می افتد. عموماً مواد مورد استفاده برای تولید غشاءهای سرامیکی عبارتند از:Al2o3, Tio2،2, Zro2, SiO2و...همچنین می توان از ترکیبی از این مواد در ساخت غشاء استفاده نمود. به عنوان مثال ویژگی تخلخل های یک غشاء آلومینایی چهار لایه در شکل 2 نشان داده شده است.

این به نظر می رسد که اندازه ی تخلخل های لایه ی جداکننده ی بالایی، لایه های میانی و لایه ی تکیه گاه زیرین به ترتیب در گستره ی 6nm (مزوپورس)، 0.7-0.2 میکرون و 10 میکرون هستند. یک غشاء چند لایه ی پیچیده تر شامل تکیه گاه ماکروپورس از جنس α-〖Al〗_(2O_3 ) دولایه ی مزوپورس از جنس σ-〖Al〗_(2O_3 ) به عنوان لایه های میانی و یک لایه ی میکروپورس به عنوان لایه ی بالایی است.
همانگونه که در شکل 3 مشاهده می شود. (شکل یک میکروگراف از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) است.) یک لایه ی بسیار نازک از سیلیس به ضخامت تقریبی nm30 با قطر تخلخل 5A درجه به دست آمده است. این میکروگراف علاوه بر این مسئله نشان می دهد که لایه ی سیلیسی در بالای لایه ی σ-〖Al〗_(2O_3 )رسوب کرده است. یکی بخش روشن بین لایه ی سیلیسی σ-〖Al〗_(2O_3 ) قابل مشاهده است. مرز بین اولین و دومین لایه ی σ-〖Al〗_(2O_3 ) در فاصله ی nm25 از سطح قابل مشاهده است.

غشاءهای سرامیکی در بالا به آنها شاره شد را تنها می توان بوسیله ی مراحل چندگانه به دست آورد. همانگونه که در شکل 1 بیان شد، یک لایه ی تکیه گاه در ابتدا برای کاهش تنش های مکانیکی وارد بر لایه ها ایجاد می شود. پس از آنکه لایه ی تکیه گاه ایجاد شد می توان یک یا چند لایه میانی را بر روی لایه ی تکیه گاه پوشش داد و پس از آن لایه ی جداکننده ی پایانی را ایجادکرد. هر کدام از مراحل بالا در دمای بالا اتفاق می افتد. و نیازمند عملیات زینترینگ در دمای بالا می باشد. از این رو هزینه ی تولید غشاء بسیار بالاست. به طور واضح باید گفت ترکیب مراحل چندگانه ی بالا در یک مرحله باعث افزایش زمان ساخت و قمیت ساخت می شود. و از این رو قیمت غشاء بالا می رود. شکل 4 میکروگرافی از یک غشاء سرامیکی با دانسیته ی نامتقارن است که بوسیله ی میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) گرفته شده است. غشاء سرامیکی مشاهده شده در شکل 4 بوسیله ی تکنیک گفته شده در بالا تهیه شده است. همانگونه که می توان دید، یک لایه ی پوسته ماند نازک و متراکم بر روی تکیه گاه متخلخل تجمع یافته است. که جنس آن از همان ماده ی سرامیکی است و تأیید می کند که می توان یک غشاء سرامیکی لایه ای را در یک مرحله تهیه کرد.

اکثر غشاءهای سرامیکی تجاری در اشکال دیسکی، صفحه ای یا لوله ای مانند هستند. این غشاءها عموماً به صورت صفحه یا فرام در کنار هم قرار گرفته یا به صورت غشاء های صفحه ای یا لوله ای هستند (در حالت لوله ای از غشاءهای لوله مانند استفاده می شود). برای افزایش نسبت مساحت سطح به حجم و افزایش ناحیه ی جداکننده بر واحد حجم غشاء عناصر آلومینایی چندکانالی یکپارچه استفاده می شود. (شکل 5).

این عناصر یکپارچه می توانند به صورت اشکال مختلف ایجاد شوند. بنابر گزارشات انجام شده نسبت مساحت سطح به حجم برای اشکال لوله مانند بین 250-30m^(2m^(-3) ) است. این نسبت برای غشاءهای یکپارچه ی چندکانالی 400-130m^(2〖.m〗^(-3) ) و برای غشاءهای یکپارچه ی شانه عسلی (شش ضلعی) این نسبت بیش از 800 m^(2〖.m〗^(-3) ) است. اشکال مشابه که درشرکت ceramem تولید شده است در شکل 6 نشان داده شده است.

به طور مشابه، یک صفحه و یا فرام سرامیکی می تواند از تجمع تعداد زیادی سلول غشاء (ساخته شده از صفحات سرامیکی) ساخته شود. در این وسایل می توان با استفاده از غشاءهای صفحاتی و دیسکی میزان دانسیته ی تراکمی را بالا برد. این قاعده در شکل 7 دیده شده است همچنیتن در این شکل جریان مایع تغذیه شده به جداکننده ی متخلخل نشان داده شده است. این جداکننده از دو صفحه تشکیل شده است. جریان از میان غشاءها نفوذ کرده و این نفوذ از میان سلولهای جداکننده انجام می شود.

برای افزایش بیشتر میزان دانسیته می توان از اشکال توخالی فیبر مانند استفاده نمود با استفاده از این اشکال می توان میزان دانسیته را به 900m^(2〖.m〗^(-3) ) رساند که این عدد در مقایسه با دانسیته ی 30-500m^(2〖.m〗^(-3) ) که در صفحات و قطعات لوله ای دیده می شود، بسیار زیاد است. بزرگترین چالشی که در تهیه ی اجزای فیبری توخالی تولید شده از مواد سرامیکی روبروی ماست، تردی این مواد است. این مسأله مخصولاً در کاربردهای صنعتی دمابالا نمود می یابد. اجزای فیبری توخالی در فرم های متخلخل و متراکم تهیه می شوند که فرم آنها بستگی به کاربردشان دارد. این نوع غشاءهای سرامیکی را می توان در زمینه هایی همچون مجزاکننده های گازی، رآکتورهای غشائی (membrane reactor)، بازیافت حلال و... استفاده کرد.
منبع انگلیسی مقاله : ceramic membranes for sepavation and Reaction by: kang Li

 

[zeinab68]

فرآيندهاي غشائي

فرآيندهاي غشائي به عنوان يک واحد عملياتي براي گستره ي وسيعي از فرآيندهاي جداسازي صنعتي استفاده مي شود. اين فرآيندها بوسيله ي اختلاف فشار، غلظت و يا اعمال ميدان الکتريکي ميان غشاءها انجام مي شود. و از اين رو براساس نوع نيروي محرکه، اندازه ي مولکولي و يا نوع عمليات متفاوت هستند. برخي از فرآيندهاي غشائي معمولي در ادامه معرفي شده است:

جداسازي گازي

مخلوط هاي گازي را مي توان بوسيله ي غشاءهاي مولکولي متخلخل و متراکم جداسازي نمود. غشاءهاي سراميکي متراکم از مواد سراميکي کريستالي مانند پروسکايت (perovskites: مينرال معدني توليدي از اکسيد کلسيم و تيتانيم که به رنگ هاي زرد، قهوه اي يا خاکستري وجود دارد. برخي اوقات علاوه بر اين اکسيدها، اکسيد عناصر گروه خاک هاي کميابت مانند ايتريا و اسکانديم نيز در آن يافت مي شود) و فلئوريت (Fluorites) توليد مي شوند که اين نوع غشاءها تنها اجازه مي دهند اکسيژن يا هيدروژن از ميان شبکه ي کريستاليشان عبور کند. بنابراين اين غشاءها در برابر ساير گازها نفوذناپذيرند.
نفوذ اکسيژن از ميان غشاء سراميکي متراکم به خاطر وجود تعداد زيادي جاي خالي اکسيژن اتفاق مي افتد. اين جاهاي خالي اکسيژن بوسيله ي دپينگ (doping) و توليد حفره هاي الکتروني در دماي بالا پديد مي آيند. هنگامي که در دو طرف غشاء اختلاف فشار اکسيژن باشد، اکسيژن از قسمت با فشار بالاتر به سمت با فشار کمتر حرکت مي کند.

حرکت اکسيژن از ميان حفره ها در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر نفوذ بالک، نفوذ اکسيژن از ميان غشائي با رسانايي الکتروني و يوني نيز اتفاق مي افتد که در اين فرآيند واکنش هاي تبادل سطحي در دو سمت فقير و غني از اکسيژن رخ مي دهد. اين فرآيند داراي مراحلي همچون جذب سطحي اکسيژن، جدايش، جفت شدن و تبادل بار است. بنابراين فرآيند نفوذ از سمت با فشارجزئي اکسيژن بالاتر به سمت با فشار جزئي اکسيژن کمتر شامل مراحل زير است:
1) انتقال اکسيژن گازي از جريان گاز به سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
2) واکنش ميان اکسيژن ملکولي و جاهاي خالي اکسيژن در سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
3) نفوذ بالک اکسيژن از مقطع غشاء از جاهاي خالي
4) واکنش بين اکسيژن شبکه و حفره هاي الکتروني در سطح غشاء ( سمت با فشار پايين تر)
5) انتقال اکسيژن از سطح غشاء به داخل جريان گازي (در سمت با فشار پايين تر)
به هر حال مقاومت هاي موجود ميان فاز گازي و غشاء (در مراحل 5 گانه ي بالا) معمولاً اندک و بي اهميت است. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که در نفوذ اکسيژن تنها نفوذ بالک غشاء و واکنش سطحي بايد مد نظر قرار گيرد. به طور مشابه هنگامي که يک غشاء با رسانايي پروتني در معرض هيدروژن قرار گيرد و ميان دو سمت غشاء اختلاف فشار وجود داشته باشد، عمل انتقال اتفاق مي افتد. در اين فرآيند نيز نفوذ بالک غشاء و واکنش هاي سطحي مسائل مهمي هستند که بايد به آنها توجه خاصي کرد.
در غشاءهاي سراميکي ميکروپورس، رفتار نفوذي گاز ممکن است بواسطه ي نفوذ کندسن (Kundsen diffusion)، نفوذ سطحي، نفوذ چند لايه اي (diffusion multilayer)، نفوذ از ميان کانال هاي موئي و يا غربال هاي ملکولي اتفاق افتد. از اين رودر اين مواد نفوذ اتفاق افتاده به اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء، دماي کاربرد، فشار، طبيعت غشاء و نوع ملکول نفوذ کننده بستگي دارد. تسلسل رفتار نفوذي گاز که از نفوذ کندسن شروع و به غربا هاي ملکولي ختم مي شود با رويه ي افزايش نفوذگزيني ماده همراه است. براي تخلخل هايي که نسبت به اندازه ي ملکولي بزرگتر هستند. نفوذ بوسيله ي نفوذ کندسن کنترل مي گردد. در اين مورد گاز با توجه به سرعت ملکولي نفوذ مي کند و همچنين نفوذ با عکس ريشه ي دوم وزن ملکولي رابطه دارد. اگر جذب گازدرتخلخل هاي غشاء بالا باشد، نفوذ سطحي نسبت به نفوذ کندسن بيشتر مي شود. هنگامي که تخلخل ها داراي اندازه اي در حد قطر ملکولي باشند؛ در اين حالت غربال ملکولي بوجود مي آيد. مکانيزم غربال ملکولي وابستگي بيشتري به دما داشته و در هنگامي که اندازه ي ملکول گاز افزايش يابد، ميزان نفوذ بوسيله ي آن کاهش مي يابد.
پروپوراسيون ( Porevaporation )
پروپوراسيون يک فرآيند جداسازي است که در آن مخلوط مايع در تماس با يک سمت غشاء قرار دارد و سمت ديگر غشاء يک جريان بخار وجود دارد. (شکل 2).

به دليل وجود غشاء موازنه ي بين فاز بخار- مايع به صورت آسانتري مي باشد. (همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است). کاربرد اين روش در جداسازي مخلوط هاي مايع با دماي جوش يکسان و مخلوط هاي حساس به حرارت بيشتر ترجيح داده مي شود که در فرآيند پروپوراسيون از غشاءهاي سراميکي استفاده مي شود. زيرا اين نوع از غشاءها مزيت هايي مانند پايداري حرارتي و شيميايي بالاتر نسبت به نوع پليمري دارند. از اين رو غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماهاي بالاتر و در حضور حلال استفاده نمود. اين شرايط کاري ممکن است موجب شکسته شدن غشاءهاي پليمري گردد. غشاءهاي سراميکي پايداري مکانيکي بالاتري داشته و در مواجهه با حلال هاي مختلف متورم نمي شوند. از اين رو مي توان غلظت هاي متفاوتي از محلول ها را بواسطه ي اين غشاها جداسازي نمود. قابليت کاربرد غشاءهاي سراميکي در دماي بالا باعث مي شود ميزان سطح غشاء مورد نياز نسبت به غشاء پليمري کاهش يابد. عشاءهاي سراميکي تقويت شده محکم تر از غشاءهاي پليمري هستند. مزيت ديگر غشاءهاي سراميکي خنثي بودن آنهاست. از اين رو مي توان از آنها براي جداسازي ترکيبات بسيارواکنش پذير در شرايط اسيدي و بازي استفاده کرد.

با انجام کارهاي متنوعي که محققين انجام داده اند مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به غشاءهاي پليمري مشخص گشته است. مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به نوع پليمري عبارتند از:
1) دوام بالا در محيط کاري (اين دوام مي تواند تا چندين هفته باشد)
2) غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماي بالاتر نسبت به نوع پليمري استفاده نمود.(بيش از 300 درجه سانتيگراد)
3) سيا بيشتر محلول بر روي غشاءهاي سراميکي در حالي که خاصيت بهگزيني حفظ مي شود.

 

[zeinab68]

اسمز معکوس و نانو *****اسيون

فرآيندهاي اسمز معکوس (RO)، و نانو*****اسيون (NF) فرآيندهايي هستند که در طي آنها اجازه داده مي شود گونه اي از مواد (مانند حلال) به آساني عبور کند ولي اجازه ي عبور سايرگونه ها داده نمي شود. اين فرآيندها مي توانند به گونه اي باشند که عبور انتخابي به صورت کامل يا ناقص انجام شود. جداسازي و نفوذ حلال از ميان غشاء يک خاصيت منحصر به فرد اين غشاءهاست و به ساختار غشاء برمي گردد. تفاوت عمده ي ميان غشاءهاي اسمز معکوس و غشاءهاي نانو*****اسيون در اين است که رد فرآيند اسمز معکوس هر نوع ماده ي حل شده در حلال پس زده مي شود (يعني اجازه ي عبور هيچ گونه ماده ي حل شده داده نمي شود. حتي يون هاي تک ظرفيتي) در حالي که در غشاءهاي نانو*****اسيوني تنها امکان پس زدن يون هاي چندظرفيتي وجود دارد. (يون هاي تک ظرفيتي اجازه ي عبور از غشاء نانو*****اسيوني را دارند).

همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، فرآيند اسمزي يک پديده ي طبيعي است که در آن آب از ميان غشاء اسمزي و از مکان با غلظت مواد حل شونده ي کمتر است به جايي که غلظت بيشتر است، عبور مي کند تا جايي که موازنه ي اسمزي اتفاق افتد (شکل B . 4). براي ايجاد فرآيند اسمز معکوس بايد فشار مکانيکي به جريان اعمال گردد (شکل 4.c). اين فشار مکانيکي بايد از فشار اسمزي بيشتر باشد تا فرآيند اسمزي را در جهت عکس پيش ببرد. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که با استفاده از روش اسمز معکوس جداسازي آب از محلول امکان پذير است. اين فرآيند را اسمز معکوس مي گويند. کاربرد فرآيند اسمز معکوس عبارتست از: نمک زدائي از آب دريا، تصفيه ي فاضلاب، تصفيه و توليد آب با خلوص بسيار بالا.
اسمز معکوس (RO) يک تکنولوژي بسيار خوب براي تصفيه ي آب در بسياري از کاربردهاست امروزه، تنها غشاءهاي پليمري RO/NF براي اين فرآيند به صورت تجاري در دسترس است.
مشکلات عمده ي استفاده از غشاءهاي پليمري RO/NF عبارتست از:
1) جرم گرفتگي مفرط به دليل جريان آرام مايع موجود بر روي اين غشاءها.
2) مقاومت شيميايي پايين در برابر عوامل کلردار و ساير اکسيدان ها
3) اين فرآيند نياز به تعميرات و نگهداري فراواني دارد. و ضايعات فراواني نيز توليد مي کند.
4) نبود بار سطحي مناسب بر روي غشاء جهت کاهش احتمال جرم گرفتگي.
در اين زمينه استفاده از غشاءهاي سراميکي داراي مزاياي فراواني نسبت به نوع پليمري است. براي مثال غشاءهاي سراميکي مقاومت استثنائي در برابر عوامل کلردار، اکسيدان هاي داشته و در برابر تابش پرتو و حلال هاي مختلف نيز مقاوم اند. همچنين اين غشاءها داراي پايداري گرمايي و شيميايي بالاتري هستند و عمر مفيد آنها نيزبيشتر است. غشاءهاي سراميکي از بدو بوجود آمدن غشاءهاي پليمري وجود داشته اند ولي مسائلي همچون قيمت بالا، تراکم فشرده سازي (packing density) پايين و قابليت بهگزيني پايين انواع تجاري غشاءهاي سراميکي موجب گشته تا از آنها در کاربردهاي اسمز معکوس و نانو*****اسيون استفاده نشود و اين نوع غشاءها از لحاظ اقتصادي براي اين کاربرد مناسب نباشند. اخيراً تحقيقات فراواني در زمينه ي ساخت غشاءهاي نانو*****اسيوني سراميکي انجام شده است و غشاءهايي از جنس اکسيد تيتانيم، زيرکونيا، سيليسي- زيرکونيا، اکسيد هافنيوم و آلومينايي (نوع گاما) توليد شده است. بيشتراين غشاءها براي جداسازي حلال هاي غير آبي در فرآيندهاي سل ژل استفاده مي شوند. در اين فرآيندها يک تکيه گاه سراميکي مزوپورس با لايه اي از اکسيد فلزي پوشش دهي مي شود تا اندازه ي تخلخل هاي پاياني تعيين گردد. اين مسئله پيشرفت بزرگي در زمينه ي کنترل اندازه ي قطر تخلخل ها است که بواسطه ي انتخاب يک محلول کلوئيدي مناسب امکان پذيراست.
منبع انگلیسی مقاله : ceramic membranes for separation and Reaction by: kang Li

 

[zeinab68]

الترا*****اسيون و ميکرو*****اسيون

الترا*****اسيون فرايندي است که در آن غشاءهاي متخلخل براي جداسازي اجزاي کلوئيدي يا مواد حل شونده ي با وزن ملکولي بالا از حلال استفاده مي سود. در الترا*****اسيون ، مکانيزمي شبيه به اسمز معکوس و نانو*****اسيون براي جدا سازي حلال از ذرات کلوئيدي استفاده مي شود. بنابراين در اين فرايند پس زدن مواد حل شونده از محلول بر اساس اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء و واکنش هاي سطحي ميان غشاء و حلال / حل شونده تعيين مي گردد. انتقال کامل حلال در اغلب موارد بوسيله ي مقاومت هاي مربوط به انتقال جرم مخصوصاً در مرز محلول کنترل مي شود. بنابراين وجود حتي مواد حل شونده در غلظت پايين مي تواند موجب اثرات عميقي بر روي نفوذ حلال داشته باشد.
اگر چه توصيف دقيقي در مورد تفاوت و مرز ميان الترا*****اسيون و ميکروالترا*****اسيون وجود ندارد، همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، ميکروالترا*****اسيون فرآيند الترا*****اسيون سنتي است و براي جدا سازي ذرات مجزا از محلول استفاده مي شود. همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، خط جداسازي ميان *****اسيون درشت و ميکرو*****اسيون وجود ندارد اما حد بالاي اندازه ي تخلخل قابل قبول در حدود چند ميکرون مي باشد. حد اندازه ي پاييني در 0.1 ميکرون قرار دارد.

*****اسيون براي جدا سازي ذرات کوچک و غير قابل حل، باکتري ها و سلول هاي مخمر. از جريان هاي مايع استفاده مي شود. *****هاي عميق سنتي که به طور نمونه وار از ماتريکسي فيبري تشکيل شده اند را مي توان براي همين کار استفاده کرد اما مکانيزم جداسازي در اين *****ها به دام انداختن و جذب سطحي مي باشد. براي *****هاي عميق اندازه ي تخلخل تعريف نمي شود. اما سوراخ هاي ميان الياف از اندازه ي کوچکترين ذره بزرگتر است. بنابراين باقي ماندن ذرات بر روي *****هاي عميق يک مسئله ي آماري است . به عبارت ديگر، غشاءهاي ميکرو*****اسيوني داراي اندازه ي تخلخل معيني هستند و عمل جداسازي بر اساس اثر غربال گري انجام مي شود. به دليل آنکه اندازه ي تخلخل هاي موجود در اين غشاءها نسبتاً بزرگ هستند، انتقال حلال در آنها به وسيله ي همرفت انجام مي شود. سرعت انتقال حلال از ميان اين گونه غشاءها را مي توان بوسيله ي فشار ميان غشاء مقايسه کرد و بوسيله ي معادله ي hagen-Poiseuille آن را تعريف نمود. (اين مسئله در حالي صحيح است که تخلخل هاي غشاء را استوانه اي فرض کنيم.)
غشاءهاي الترا*****اسيوني و ميکرو*****اسيوني از انواع متنوعي از پليمرها مانند سلولز استات ، سلولز فيترات، پلي اکريلونيتريل، پلي اميد، پلي اترسولفون، پلي ايميد، پلي سولفون، پلي وينيل الکل، پلي وينيليدن فلورايد و...ساخته مي شوند. غشاءهاي سراميکي نيز براي اهداف الترا*****اسيوني و ميکروالترا*****اسيوني ساخته شده اند. توسعه ي اين غشاءهاي سراميکي عمدتاً به دليل نياز به داشتن غشاءهايي با تحمل حرارتي و شيميايي بالاتر، انجام شد زيرا غشاءهاي پليمري محدوديت دماي استفاده شدن دارند.(معمولاً از اين غشاءها تنها در دماهاي زير200 درجه سانتي گراد مي توان استفاده نمود). علاوه بر اين اکثر پليمرهايي که در بالا اشاره شد، نمي توانند در برابر حلال هايي مانند بنزن و تولوئن مقاومت کنند. غشاءهاي الترا*****اسيوني و ميکرو*****اسيوني سراميکي از موادي مانند اکسيد آلومينيوم، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيوم ساخته مي شوند. از اين رو اين مواد پايداري خوبي در برابر دماهاي بالا و محيط هاي شيميايي خورنده دارند. کاربردهاي ويژه ي فرايندهاي الترا*****اسيوني و ميکروالترا*****اسيوني که از غشاءهاي سراميکي استفاده مي کنند را مي توان در صنايعي همچون لبني، غذايي ، دارو سازي ، بيولوژيکي، رنگ، کاغذ و آب مشاهده کرد.
دو نوع عمليات در الترا*****اسيون و ميکرو*****اسيون وجود دارند که عبارتند از:
1) *****اسيون بن بستي (dead -end filtration)
2) *****اسيون کراس- فلو(cross-flow filtration)
همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است *****اسيون بن بستي تنها براي مخلوط هاي سوسپاپنسيوني با درصد جامد کم مناسب است. در حالي که *****اسيون کراس- فلو را مي توان براي مخلوط هاي با غلظت بسيار بالا استفاده کرد.

 

[zeinab68]

دياليز

دياليز در اصل يک فرايند نفوذ است که براي جدا سازي مواد موجود در محلول استفاده مي شود. در اين فرايند از عدم يکسان بودن غلظت در دو سمت غشاء متخلخل استفاده مي شود. بنابر اين دياليز بواسطه ي گراديان غلظت در مقط غشاء انجام مي شود. کاربرد خاص از اين فرايند در کليه ي مصنوعي است. که در شکل 3 شماتيک آن نشان داده شده است. واحد دياليز شامل يک قسمت غشائي است که اين بخش غشائي از الياف توخالي تشکيل شده است. خون از ميان فيبر توخالي حرکت مي کند و اين در حالي است که مايع دياليز از ميان پوسته ي بخش غشائي عبور مي کند. مايع دياليز با سرعت کافي در ميان پوسته جريان مي يابد به نحوي که حالت اشباع پيدا نکند. مواد سمي موجود در خون از ميان ديواره ي متخلخل نفوذ مي کند و بوسيله ي مايع دياليز خارج مي شود. قابليت نفوذ غشاء بوسيله ي خاصيت ذاتي غشاء و مواد حل شده در محلول تعيين مي گردد. به هر حال، طول، قطر داخلي و ضخامت غشاء در طراحي اين دستگاه مهم مي باشد. همچنين شرايط کارکرد مانند فشار تر غشائي (pressure teansmembrone) و سرعت جريان مايعات داخل فيبرها بايد بهينه باشد. اکثر موادي که براي ساخت غشاءهاي کليهي مصنوعي استفاده مي شوند، پليمري هستند(عمدتاً از مواد سلولزي هستند). اخيراًً غشاء هاي مصنوعي شامل پلي سولفون ، پلي متيل اکريلات و پلي اکريلو نيتريل نيز براي استفاده در دياليز توسعه يافته اند. اين پليمرها زيست سازگار پذيرتر هستند. اين غشاءهاي جديد همگي مصنوعي هستند و داراي قابليت سيلان بالايي هستند.

تاکنون گزارشي از استفاده از غشاءهاي سراميکي در آناليز داده نشده است. ولي دانشمندان پيشنهاد کردند که از غشاءهاي سراميکي براي زدايش اندوتوکسين (endotoxins) از آب دياليز (مايع دياليز) استفاده شود. علت اين پيشنهاد اين است که غشاءهاي سراميکي مقاومت بيشتري در برابر شرايط کاري سخت دارند.
الکترودياليز
الکترودياليز فرايندي است که در آن يون هاي حل شده بواسطه ي اعمال يک ميدان الکتريکي از ميان يک غشاء با خاصيت تبادل کنندگي يوني عبور مي کنند. اگر چه الکترودياليز در ابتدا با اصلاح فرايند دياليز (با استفاده از اضافه کردن دو الکترود به فرايند دياليز) شروع شد. اما اين فرايند ها به وضوح از هم متفاوت هستند. (جدول 1)

قوانين مربوط به الکترودياليز بواسطه ي آزمايشات strathmann بر روي يک نمونه ي آب شور انجام شد. همانگونه که در شکل 4 مشاهده مي شود، يک فرايند الکترودياليز متشکل از يک سري غشاء کاتيوني و آنيوني است که به صورت متفاوت قرار گرفته اند. و يک پتانسيل الکتريکي به انتهاي آنها متصل گشته است. اين سيستم براي نمک زدائي از آب شور استفاده شده است. هنگامي که آب شور شامل سديم کلرايد باشد و به داخل يک سلول معين وارد شود، کاتيون هاي با بار مثبت مانند يون هاي سديم بوسيله ي کاتد حرکت داده مي شوند. يون هاي سديم مي توانند از ميان غشاء کاتيوني با بار منفي نفوذ کرده اما بوسيله ي غشاء آنيوني با بار مثبت دفع مي گردند. به طور مشابه يون هاي با بار منفي مانند يون هاي کلر نيز به سمت آند حرکت کرده و از ميان غشاء آنودي عبور مي کنند اما بوسيله ي غشاء کاتدي دفع مي گردند. به عنوان يک نتيجه مي توان گفت که هر دو يون سديم و کلر از محفظه ي آبکي رقيق خارج شده و به محفظه ي کناري که داراي آب شور است مي روند. الکترودياليز مي تواند هم براي تغليظ نمک و هم براي توليد آب آشاميدنيي از آب شور استفاده شود.

غشاءهاي تبادل کننده ي يوني همچنين در صنعت سودسوزآور استفاده مي شود. اين غشاءها براي الکتروليز محلول سديم کلريد استفاده مي شود که محصول بدست آمده از اين فرايند سديم هيدورکسيد و کلر است. اين فرايند به صورت شماتيک در شکل 5 نشان داده شده است. همانگونه که ديده مي شود غشاء کاتدي از پليمر پرفلئورو کربن ساخته شده است. اين غشاء در مرکز محفظه ي الکتروليز قرار دارد. هنگامي که محلول سديم کلريد در سمت چپ غشاء کاتيوني اضافه شود، يون سديم به سمت کاتد جذب شده و به سمت راست غشاء منتقل مي شود. در سطح کاتد،آب به هيدورژن با بار مثبت و هيدروکسيد تجزيه مي شود. يون هاي پروتن (+ H) به سرعت به اتم هاي هيدوژن کاهش يافته که اين يون ها الکترون مورد نياز خود را از سطح کاتد دريافت مي کنند. دو هيدروژن اتمي ترکيب شده و يک ملکول هيدوژن پديد مي آيد. اين ملکول ها به صورت حباب تشکيل مي گردند. همچنين محلول هيدروکسيد سديم در قسمت کاتد تشکيل مي گردد. به عبارت ديگر ، يون هاي کلر به سمت آند حرکت کرده و به محض رسيدن به آند الکترون خود را به آند داده و به اتم هاي کلر تبديل مي گردند. دو اتم کلرنيز ترکيب شده و ملکول کلر تشکيل مي شود.

فرآيندهاي الکترودياليز در ابتدا بوسيله ي غشاءهاي با گزينش يوني پليمري انجام مي شد زيرا اين نوع غشاءها داراي ويژگي هاي مطلوبي مانند مقاومت الکتريکي پايين و انعطاف پذيري مکانيکي هستند. اشکال غشاءهاي با گزينش يوني پليمري ، بهگزيني نسبتاً پايين و پايداري گرمايي پايين آنهاست. غشاءهاي سراميکي با قابليت تباد ل سديم را مي توان در دماهاي بالا و بدون اينکه آسيبي به آنها وارد شود، استفاده کرد. به هر حال ، ضخامت غشاءهاي سراميکي باعث شده است تا اين غشاءها مقاومت بالايي داشته باشند و از اين رو مصرف انرژي در آنها افزايش مي يابد. در واقع ما به خاطر اين ضخامت اين غشاءها را بالا مي بريم که به آساني شکسته نشوند. مصرف زياد انرژي در اين نوع غشاءها مصرف آنها را با اشکال مواجه کرده است. البته گروهي از پژوهشگران غشاءهاي کامپوزيتي از جنس سراميک ساخته اند که اين کامپوزيت بر روي غشائي پليمري قرار داده مي شود . همچنين اين مسئله ثابت شده است که حضور اين فيلم کامپوزيتي -سراميکي باعث افزايش بازده گشته و از بوجود آمدن رسوب جلوگيري مي کند . اين گونه غشاءهاي کامپوزيتي هم داراي مزيت هاي مواد پليمري و هم مواد سراميکي هستند.
منبع انگلیسی مقاله : CERA MIC MEMBRANCES FOR SEPARATION AND REACTION BY:KINGLI

 

[zeinab68]

کنتاکتورهاي غشائي
در طي فرآيندهاي غشائي مرسوم حضور غشاء با خاصيت گزينشي باعث جداسازي مايع مي شود. ولي در کنتاکتورهاي غشائي اين مسئله وجود ندارد. غشاءهاي مورد استفاده در کنتاکتورهاي غشائي خاصيت گزينشي ندارند. بنابراين در اين غشاءها جدايش عمدتاً بر اساس قوانين موجود براي تماس مواد (مثلاً تعادل فازي) انجام مي شود. شکل 1 قوانين حاکم بر اين فرآيند را نشان مي دهد . همانگونه که ديده مي شود غشاءهاي متخلخل دو سيال (گاز يا مايع) را از همديگر جداسازي مي کنند که در اين فرآيند نفوذ بوسيله ي انتقال جرم اتفاق افتاده است. بر اساي نوع ماده ي مورد استفاده در ساخن غشاء، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار اعمالي در فرآيند، تخلخل هاي غشاء مي توانند بوسيله ي سيال پر شوند که اين مسئله باعث ايجاد تفاوت زيادي در مقاومت انتقال جرم و غشاء مورد استفاده مي شود.

کنتاکتورهاي غشائي يک تکنولوژي است که در آن غشاءهاي متخلخل به عنوان مواد بسته بندي در انتقال جرم بين فازها استفاده مي شود. بنابراين تمام فرآيندهاي جداسازي مرسوم گازي و فرآيندهاي جذبي ، تقطير ، عصاره گيري مايع- مايع ، امولسيون سازي ،کريستاليزاسيون و کاتاليزورهاي انتقال فاز (PHASE TRANSFER CATALYSIS) بوسيله ي کنتاکتورهاي غشائي انجام مي شود.
عملکرد کنتاکتورهاي غشائي به طور زيادي به خواص غشاء ، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار بکار برده شده در عمليات بستگي دارد. عموماً يک غشاء با اندازه ي تخلخل هاي نسبتاً يکسان که سطح آب گزيز دارند و براي اين فرآيند مناسب است. اين غشاء به خاطر اين بايد آبگريز باشد که از تر شدن و امتزاج ميان فازي جلوگيري شود. غشاءها با اندازه ي تخلخل بزرگ، تخلخل هاي زياد و ساختار نامتقارن باعث ايجاد جريان نفوذي بالايي مي شود اما ممکن است باعث تشکيل حباب هاي گازي در فرآيند گاز -مايع شوند. بنابراين فشارهاي عملياتي در فاز مايع بايد کاملاً کنترل شود. به خاطر آنکه از مشکلات بوجود آمده در انتخاب غشاء فرار کنيم و پيچيدگي هاي عملياتي را کاهش دهيم، بايد از کنتاکتورهاي غشائي در واحدهاي جداسازي استفاده کنيم. اين کنتاکتورهاي غشائي داراي مزيت هايي همچون، مسافت سطح بيشتر بر واحد حجم، کنترل مستقل سرعت جريان مايع و گاز بدون غرقه سازي، ايجاد کف و هواگرفتگي هستند . عيوب اين گونه کنتاکتورها عمدتاً مربوط مي شود به وجود مقاومت عبور در برابر ماده و محدوديت هاي فشاري موجود مي باشد. کنتاکتورهاي غشائي امروزي عمدتاً از غشاءهاي پليمري ساخته شده اند زيرا قيمت آنها نسبت به نوع سراميکي پايين تر است و اين مسئله يکي از مزاياي غشاءهاي پليمري است. به هرحال اخيراً غشاءهاي فيبري توخالي که از جنس سراميک ساخته مي شوند بر اي ساخت کنتاکتورهاي غشائي استفاده شده است. اين جايگزيني باعث افزايش طول عمر کنتاکتور غشائي مي شود که يکي از مزاياي غشاءهاي سراميکي است.

گروهي از محققين از کنتاکتورهاي غشائي فيبري توخالي استفاده کرده اند تا سرعت تقطير را بالا ببرند . براساس همين مسئله سيستمي براي تقطير ابداع شده است. که در شکل 2 ديده مي شود. همانگونه که ديده مي شود اين سيستم از يک ستون يک کمک گرم کن (REBOILER) و يک کنوانسور تشکيل شده است. تنها تفاوت اين کنتاکتور اين است که ستون بوسيله ي ماده اي پر نشده است بلکه از الياف توخالي ساخته شده است. اين مسئله کاملاً واضح است که يک ستون فيبري توخالي داراي چندين مزيت نسبت به ستون هاي تقطير سنتي است. اول آنکه اين نوع ستون ها داراي سطح تماس به حجم زيادي هستند. کل اين ناحيه به صورت فعال در انتقال جرم ميان بخار و مايع شرکت مي کند. به دليل اينکه سيال همواره الياف توخالي را پر کرده اند، اين سطح تماس پايدار باقي مي ماند (حتي در جريان بسيار کم) . سوماً به دليل آنکه فاز بخار و مايع در تماس با هم نيستند هيچ گونه غرقه سازي (FLOODING) ناشي از حضور دو فاز بخار و مايع در کنار هم رخ نمي دهد. البته هنوز استفاده از الياف سراميکي توخالي متداول نشده است ولي به خاطر مزاياي سراميک نسبت به پليمر احتمال رواج اين گونه الياف توخالي سراميکي زياد است.

 

[zeinab68]

رآکتورهاي غشائي
يک رآکتور غشائي وسيله اي است که از ترکيب يک جداساز غشائي به همراه يک رآکتور شيميايي تشکيل شده است. البته به جاي جدا ساز غشائي مي توان از يک فرآيند توزيع نيز استفاده کرد. به دليل آنکه در رآکتورهاي غشائي واکنش شيميايي و عمليات جداسازي /توزيع در يک بخش انجام مي شود ، قيمت فرآيند توليد بسيار کاهش مي يابد . علاوه بر اين، رآکتورهاي غشائي قابليت ارتقاء فرآيند شيميايي را بوسيله ي راه کارهاي زير دارند.
1) عبور گزينشي حداقل يکي از محصولات از نقطه ي واکنش و از طريق غشاء. اين مسئله باعث مي شود تا تعادل واکنش به سمت مورد نظر حرکت کند. ( اصل لوشاتليه )
2) رساندن تنها يک واکنش دهنده ي خاص به منطقه ي واکنش باعث بهينه سازي نسبت اشباع مي شود. در واقع فرآيند شيميايي بهينه سازي گشته و اين مسئله باعث مي شود مصرف مواد اوليه(مخصوصاً مواد خاص) کاهش يابد.
همچنين در اين نوع رآکتورها کنترل ميزان محصولات فرعي نيز آسانتر است. شکل 3 دو عملکرد عمده ي رآکتورهاي غشائي نشان داده شده است.

استفاده از رآکتورهاي غشائي باعث مي شود که واکنش به صورت مورد نظر حرکت کند. اين فرآيند برگشت پذير عمدتاً براي واکنش هاي هيدروژن زدائي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي مثال هنگامي که هيدروژن در يک واکنش هيدروژن زدائي توليد مي شود، به طور مداوم از ميان غشاء نفوذگزين خارج مي گردد. با خروج مداوم هيدروژن تعادل به سمت توليد هيدروژن حرکت مي کند. اين مسئله داراي مزاياي زيادي همچون استفاده از دماي پايين تر در واکنش و افزايش طول عمر کاتاليزورها است.
استفاده از غشاءها در کنترل افزودني هاي واکنش و توزيع مناسب واکنش دهنده ها در زمينه ي واکنش هاي اکسيداسيون جزئي هيدروکربن ها انجام شده است. در اين واکنش ها با کنترل ميزان اکسيژن بوسيله ي غشاء ، از حضور مستقيم فاز گازي (اکسيژن) در واکنش جلوگيري مي شود. همچنين از رآکتورهاي غشائي در کنترل ميزان حرارت واکنش هاي گرماده نيز مي توان استفاده نمود.

در رآکتورهاي غشائي -کاتاليستي، جفت شدگي غشاء با کاتاليزور بوسيله ي سه راه انجام مي شود. همانگونه که در شکل 4 ديده مي شود اين سه راه عبارتند از:
1) همانگونه که در شکل a. 4 ديده مي شود غشاء به همراه کاتاليت مرسوم جفت شده است. غشاء به عنوان ديواره ي خنثي رآکتور استوانه اي است. اين مسئله بايد مورد توجه قرار گيرد که لايه ي بالايي غشاء که باعث تسهيل فرآيند جداسازي مي شود تنها يک بخش کوچک از ضخامت غشاء را تشکيل مي دهد و لايه ي نگهدارنده بخش اعظم لايه را تشکيل مي دهد. اين پيکر بندي عمدتاً در رآکتورهاي هيدروژن زدائي استفاده مي شوند. برخي اوقات ، کاتاليزور به صورت خمير توليد شده و بر روي بخش بالايي غشاء پوشش داده مي شود. البته در صورتي که کاتاليزور کروي نيز مصرف شود عملکرد يکسان است.
2) در اين حالت از قرارگيري، غشاء خودش از لحاظ کاتاليزوري فعال است. (همانگونه که در شکل b.4ديده مي شود) کاتاليزور فعال يک لايه ي غشائي نازک و متراکم است که بر روي تکيه گاه متخلخل رسوب داده مي شود . يک مشکل بالقوه ي اين نوع قرار گيري اين است که همه ي بخش هاي سطحي اين کاتاليزور فعال نيستند.
3) آخرين نحوه ي قرارگيري در شکل 4.c نشان داده شده است. در اين قرارگيري کاتاليزور به صورت اشباع در داخل تخلخل هاي ماده ي ميکروپورس اضافه گشته است. (حالت کاتاليزور لايه ي يا ذره اي) اين روش يکي از روش هاي مرسوم براي اضافه کردن کاتاليزور به غشاء است و براي واکنش هاي هيدروژن زدائي استفاده مي شود.
منبع انگلیسی مقاله : CERA MIC MEMBRANCES FOR SEPARATION AND REACTION BY:KINGLI