آشنایی با انواع غشاء و موارد کاربرد آن ها
در دنیای امروز انواع غشاء نقش تأثیر گذاری در صنعت و سادگی جداسازی ترکیبات مختلف در فاز های متفاوت دارند. غشاء به پلیمر های طبیعی یا سنتز شده ای اطلاق می گردد که در برابر ذراتی با مشخصات معلوم به صورت انتخابی عمل کرده و از عبور آن ها جلوگیری می کند.
نفوذ پذیری انتخابی غشاء در برابر ذراتی از جمله مولکول، یون و یا سایر ذرات کوچک بسته به نوع ساختار غشاء و از نظر اندازه حفره ها و منافذ موجود متفاوت می باشد. به همین دلیل نیز تنوع غشاء های مورد استفاده در صنعت و دنیای شیمی بسیار بالا بوده و انتخاب یک غشاء مناسب در فرآیند جداسازی بخش مهمی از کار به حساب می آید.
بنابراین با استفاده از فرآیند های جداسازی غشایی می توان اجزای سازنده یک مخلوط را در فاز های مختلف از یک دیگر جدا کرد و حتی به خالص سازی مواد پرداخت. استفاده از روش های جداسازی مبتنی بر انواع غشاء در اغلب صنایع از جمله داروسازی، تصفیه آب و فاضلاب، صنایع غذایی و حتی در پالایشگاه ها نیز به طور گسترده ای رایج می باشد.
در این مطلب قصد داریم شما را با انواع غشاء و همچنین مکانیسم عمل کلی آن ها آشنا کنیم؛ برای آشنایی بیشتر با این شیوه جداسازی ترکیبات شیمیایی تا انتهای این مطلب با نشریه جهان شیمی فیزیک همراه بمانید.
غشاء چیست؟
همانطور که پیش از این نیز اشاره کردیم، غشاء در حقیقت سدی است با نفوذ پذیری انتخابی و این قدرت انتخاب گری به غشاء امکان جداسازی و خالص سازی ترکیبات را می دهد. فرآیند های غشایی متناسب با نوع نیروی محرکه ای که از اختلاف فشار بین دو طرف غشاء بوجود آمده و همچنین ساختار غشاء به انواع مختلفی تقسیم می شوند که البته در بخش های بعدی به طور مفصل به توضیح هر یک از آن ها خواهیم پرداخت.
انواع غشاء اغلب با استفاده از پلیمر هایی چون پلی آمید ها، پرفلوروپلیمر ها، پلی سولفون و اتر سولفون، مواد سنتز شده بر پایه سلولز مثل سلولز استات، فلزات، سرامیک ها، فلزات و لاستیک های سیلیکونی تهیه می شوند. هر نوع غشاء بسته به مواد اولیه ای که در ساختش به کار رفته و شیوه طراحی آن، ساختار متفاوتی خواهد داشت و همین فاکتور نیز نوع کاربرد غشاء را تعیین خواهد کرد.
انواع غشاء از نظر میزان تخلخل
انواع غشاء از نظر ساختار و اندازه حفره ها به غشاء های متخلخل، غیر متخلخل و حامل تقسیم بندی می شوند. غشاء های متخلخل همانطور که از نام شان نیز پیداست با تمیز دادن ذرات مختلف بر حسب اندازه شان می توانند باعث جداسازی اجزای یک مخلوط شوند. اندازه حفره ها و منافذ موجود در این نوع غشاء ها فاکتوری است که باعث تنوع آن ها شده و هر یک را برای جداسازی مولکول هایی مشخص مناسب می کند. قطر این حفره ها معمولاً بین ۰.۱ تا حداکثر ۱۰ میکرون بوده و ذراتی که بزرگتر از این اندازه باشند، همراه جریان عبوری خارج نشده و در جریان پسماند باقی می مانند. بنابراین مهم ترین نکته و ضروری ترین شرط در فرآیند های جداسازی غشایی با غشاء متخلخل تفاوت بارز در اندازه اجزای سازنده می باشد.
با وجود آن که نوع دیگر غشاء ها از نظر ساختار با نام غیر متخلخل شناخته شده است اما این به آن معنا نیست که این غشاء هیچ گونه منفذ و راه عبوری برای ذرات قائل نمی شود. بلکه حفره ها و منافذ این نوع غشاء ها به حدی کوچک هستند که این بار میزان حلالیت و نفوذ آن ها از غشاء را به عنوان فاکتور جدا کننده ذرات خواهیم شناخت. چنین غشاء هایی عموماً در تفکیک گاز های مختلف و همچنین در فرآیند اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرند.
کاربرد انواع غشاء در فرایند جداسازی
به طور کلی فرآیند های جداسازی مبتنی بر غشاء انواع مختلفی دارند؛ از جمله آن های می توان به میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، الکترودیالیز، تبخیر غشایی و تقطیر غشایی اشاره نمود. در ادامه قصد داریم چند مورد از اصلی ترین کاربرد های انواع غشاء در روش های جداسازی ترکیبات در صنایع مختلف را مورد بررسی قرار دهیم.
میکروفیلتراسیون
این غشاء ها که با نام اختصاری MF نیز شناخته شده اند به صورت متخلخل و با منافذی بین ۰.۱ تا ۰.۲ میکرون طراحی شده اند. این نوع از غشاء ها دارای دو نوع فیلتر اصلی عمقی و غربالی هستند که هر کدام ساختار ویژه خود را دارند.
سطح رویی غشاء عمقی حفرات درشت تری داشته و قسمت میانی آن منافذ ریز تری دارد و ذرات درشت تر را در همین محل به دام می اندازد. در مقابل، فیلتر های غربالی وجود دارند که بخش سطحی آن ها با منافذ ریزی پوشیده شده و ماکرومولکول ها را از همان ابتدا جدا می سازد.
از جمله کاربرد های غشاء میکروفیلتراسیون می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- تصفیه آب
- استریلیزه کردن صنایع دارویی
- خالص سازی آنتی بیوتیک ها
- جداسازی باکتری ها
- تصفیه نفت خام
- فرآوری لبنیات
- شفاف سازی شیرین کننده دکستروز
- حذف فلزات سنگین از پساب ها
- جداسازی پلاسما از خون
الترافیلتراسیون
این نوع غشاء ها با نماد UF شناسایی شده و برای جداسازی ذراتی با قطر کمتر از ۰.۰۱ تا ۰.۰۰۵ میکرون یا در حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ آنگستروم مناسب می باشند. این نوع فیلتر ها همانند غشاء های میکروفیلتراسیون اغلب از پلیمر های آلی چون مشتقات سلولز، پلی سولفون ها، پلی پروپیلن ها و پلی وینیلیدین فلوراید یا همان PVDF ساخته می شوند.
از آن جایی که حفرات این فیلتر ها نسبت به نوع قبلی کوچک تر است، بنابراین گاهی اوقات صنعت گران برای جلوگیری از ایجاد گرفتگی در منافذ، ترکیب مورد نظر خود را ابتدا از غشاء های میکروفیلتراسیون عبور می دهند. البته آن دسته از غشاء های الترافیلتراسیون که بر پایه مواد سرامیکی ساخته شده اند، با میزان گرفتگی بسیار کمتری در منافذ خود رو به رو هستند.
کاربرد های این دسته از انواع غشاء عبارت اند از:
- تولید آب خالص مورد استفاده در داروسازی و پزشکی
- تولید فرآورده های پروتئینی کنسانتره و احیای پروتئین آب پنیر
- تصفیه آب آشامیدنی
- تولید پنیر و سایر محصولات لبنی
- خالص سازی آنزیم
- حذف برخی از باکتری از شیر
- تغلیظ و شفاف سازی آب میوه
اسمز معکوس
در فرآیند اسمز معکوس از غشایی نیمه نفوذ پذیر یا نیمه تراوا استفاده استفاده می شود تا یون ها، مولکول ها و هر ذره بزرگتر از آب به واسطه فشار اعمال شده جدا شوند. در طی این فرآیند حلال از طرفی که غلظت حل شونده کمتر است به طرف دیگر غشاء که محلول غلیظ تر است نفوذ می کند تا زمانی که پتانسیل شیمیایی دو طرف غشاء با یکدیگر برابر گردند. در این حالت فشار اسمزی ایجاد خواهد شد؛ حال اگر فشاری بیشتر از فشار اسمزی در طرف غلیظ تر محلول اعمال گردد، جریان آب معکوس شده و به این ترتیب آب از ذرات ناخالصی جدا خواهد شد.
از جمله کاربرد های اسمز معکوس می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- نمک زدایی از آب
- تصفیه آب و حذف آلاینده های چون فلزات سنگین و نیترات ها
- احیای پساب های صنعتی
- تولید هیدروژن
- تغلیظ فرآورده های خوراکی مایع
- فرآوری شیره درخت افرا
نانوفیلتراسیون
غشاء نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس از نظر عملکرد شباهت هایی دارند اما با این وجود اسمز معکوس کارایی بالاتری دارد. یکی از تفاوت های این دو شیوه جداسازی در آن است که یون های تک ظرفیتی از غشاء نانوفیلتراسیون عبور می کند و این در حالی است که غشاء اسمز معکوس به این یون ها اجازه عبور نمی دهد (یون های چند ظرفیتی از نانوفیلتراسیون عبور نمی کنند). ترکیباتی که برای جداسازی با این نوع غشاء انتخاب می شوند باید وزن مولکولی در محدوده ۱۰۰ تا ۴۰۰ گرم بر مول داشته باشند.
کاربرد های نانوفیلتراسیون در صنعت عبارت اند از:
- بازیافت یون های تک ظرفیتی چون یون سدیم، کلر و…
- جداسازی یون ها بر حسب ظرفیت شان
- نرم کردن آب های شور
- حذف آلاینده هایی چون آفت کش ها از آب
