فرآیندهای غشایی

[CRABSTAR]

فرآیندهای غشایی

در سال 1770 راهب نولت فرانسوی برای اولین بار به خواص نیمه تراوایی غشاها پی برد. او مشاهده کرد زمانی که یک شیشه دهانه گشاد مملو از الکل که دهانه آن توسط یک کیسه (به عنوان غشا) مسدود شده است را در آب غوطه ور کنیم ، حجم آب در شیشه ، طی چند ساعت افزایش و کیسه متورم می شود. در واقع کیسه نسبت به الکل ناتراوا ولی نسبت به آب تراوا بوده ، و بنابراین برای این که پتانسیل شیمیایی الکل در داخل شیشه به حالت تعادل برسد، آب به داخل بطری نفوذ می کند.
در یک فرآیند فیلتراسیون ، دو فازی که با یکدیگر در تعادل ترمودینامیکی نیستند توسط یک غشا نیمه تراوا جدا می شوند. غشای یاد شده مانند یک سد یا مانع فیزیکی عمل کرده و عبور یا عدم عبور مواد از یک فاز به فاز دیگر را کنترل می کند. در فرآیندهای غشایی می توان از نیروهای محرکه گوناگونی برای عمل جداسازی بهره گرفت. پدیده انتقال جرم در یک غشا توسط پدیده های محلول- نفوذ ، جابجایی و دافعه یونی که ناشی از اختلاف در پتانسیل شیمیایی ، اختلاف در غلظت، اختلاف در فشار و اختلاف در پتانسیل الکتریکی است، انجام می گیرد.
فرآیندهای غشایی که در آن ها پدیده انتقال جرم به دلیل اختلاف فشار در عرض غشا صورت می پذیرد ، براساس اندازه کوچکترین مولکولی که از سد غشا عبور می کند عبارتند از : میکروفیلتراسیون ، اولترافیلتراسیون ، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس.
اسمز معکوس برای نمک زدایی محلول های آبکی ، تولید آب بسیار خالص و در صنایع غذایی و شیر مورد استفاده قرار می گیرد. از آن جایی که ذرات بسیار ریز به طور اجباری طی فرآیند اسمز معکوس احتباس می شوند ، روزنه های بسیار کوچک (کمتر از یک نانومتر) و فشارهای بالا (بیش از 40 بار) برای انجام این فرآیند لازم است.
به منظور جداسازی ذرات بین 1 تا 100 نانومتر (پلیمرها، پروتئین ها ، ویروس ها و ....) از فرآیند اولترافیلتراسیون استفاده می شود. در اولترافیلتراسیون ، روزنه های غشا بزرگ تر از روزنه غشاهای اسمز معکوس بوده و فشارهای پایین (کمتر از 20 بار) نیاز است. در دو دهه اخیر، تلاش های قابل توجهی برای دستیابی به پیشرفت هایی در زمینه تولید غشاهایی که دارای خواص بین دو فرآیند یاد شده یعنی احتباس بالا (مشابه فرآیند اسمز معکوس) و فشارهای پایین (همچون فرآیند اولترافیلتراسیون) باشد ، انجام شده است که نتیجه آن ، تولید نانوفیلتراسیون می باشد. امروزه نانوفیلتراسیون جایگاه مهمی در صنایع مختلف پیدا کرده و شکاف بین اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون را پر کرده است. اندازه روزنه ها در نانوغشاها بین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون (در محدوده 2 نانومتر یا کوچک تر) بوده و بنابراین ذرات با قطر حد واسط بین اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون با یک مکانیسم غربالی احتباس می شوند. علاوه بر این مواد مورد استفاده ، در ساخت نانوغشاها باردار بوده و ذرات تحت یک مکانیسم دافعه الکتروستاتیکی نیز احتباس می شوند.
میکروفیلتراسیون برای جداسازی ذرات جامد و سوسپانسیون ها استفاده می شود و اندازه ذرات جدا شده توسط این غشا در محدوده 10-0/2 میکرومتر قرار می گیرد. با توجه به نوع غشاها که دارای حفره های بزرگی هستند ، دبی جریان خروجی بسیار بالا است. محدوده فشار مورد استفاده در این نوع فرآیند بین 0/1 تا 5 بار می باشد. در واقع میکروفیلتراسیون در صنایع غذایی و بیولوژیکی برای جدا کردن ذرات معلق و باکتری ها مورد استفاده قرار می گیرد.