غشاء هاي سراميکي

[shadmehrbaz 24,772]

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.

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