پایان نامه ارشد رایگان درمورد غشاها، فرآیند، 99/99

هیدروفیلیکی به گروه‌های موجود در زنجیر پلیمر بر میگردد که قادرند بر مولکولهای آب اثر بگذارند، آب در غشاهایی که با این پلیمرها ساخته شده اند بهتر نفوذ میکند و این غشاها بهترین کاندید برای مصارف آب زدایی می‌باشند. پلیمرهای یونی، پلی وینیل الکل، پلی اکریلید اسید و پلی وینیل پیرولیدین و پلی‌اکریلونیتریل نمونه‌هایی از آن می‌باشند. غشاهای هیدروفیلیک قابلیت بسیار زیادی برای متورم شدن دارند. متورم شدن پلیمرها باعث کاهش گزینش پذیری آنها نسبت به حالت خاص میگردد و در غشاهای متورم قابلیت نفوذ به حلالیت ترکیبات آلی افزایش مییابد.
ب)غشاهای آب گریز :
پلیمرهایی که دافع آب میباشند هیدروفوبیک نامیده میشوند که پلی اتیلن، پلی‌پروپیلن، و پلی تترافلئورواتیلن نمونه هایی از آن میباشند. نکته مثبت این غشاها این است که پلیمرهای هیدروفوبیک مقاومت حرارتی و شیمیایی بالایی دارند و به این دلیل به عنوان یک ماده پایه انتخاب میشوند و سعی میشود که خاصیت جداسازی آن به وسیله اصلاحات شیمیایی بالا برود ]22[.
1-7-5 انواع فرآیندهای جداسازی غشایی
میکروفیلتراسیون
یکی دیگر از فرآیندهای فیلتراسیون غشایی میباشد که نیروی محرکه آن اختلاف فشار است. این روش برای جداسازی ذرات2 الی 20 میکرون به کار میرود. در این روش معمولا مواد معلق کلوئیدی جدا میشود و مواد حل شده و ذرات ماکرو مولکول عبور میکند.از این روش برای جداسازی باکتریها نیز استفاده میگردد.
اولترافیلتراسیون
از این نوع غشا برای جداسازی ماکرومولکول هایی با اندازه بین 20 تا 1000 انگستروم به کار میرود در این روش کلوئیدها، پروتئین ها، مواد میکروبی بیماری زا و مولکول های آلی بزرگ که وزن مولکولی آن بین 1000 تا 10000 (گرم بر مول) است، جداسازی میشوند .همچنین از این فرآیند در عملیات تصفیه، تغلیظ و تفکیک میتوان استفاده کرد.
نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون یکی دیگراز روش های جداسازی با نیروی محرکه فشاری میباشد.در این روش آب و موادی با وزن مولکولی بین 200 تا 1000 (گرم بر مول( اجازه عبور از غشا را خواهند داشت. این فرآیند که نام دیگر آن اسمزمعکوس کم فشار میباشد امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم میکند.آب تصفیه شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب معدنی تصفیه شده ارزش دارد .این فرآیندکه قابلیت حذف سختی آب (یونهای کلسیم ومنیزیم) را دارد به غشاهای نرم سازی نیز معروف هستند. با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف میشود.لایه فعال این غشاها اغلب به طور منفی باردار شده و ساختاری با میانگین منافذ دو نانومتر را دارا می‌باشد. در این فرآیند دو مکانیسم موجود میباشد. علاوه بر مکانیسم حذف فیزیکی بر مبنای دفع اندازه ذرات بر مبنای قطر بسیار ریز حفرات غشا (درحد نانومتر( مکانیسم دیگری غالب بوده که دفع الکتروستاتیک نامیده می‌شود که نمکها بر مبنای دفع الکتروستاتیکی )بار مشابه بر روی سطح غشا( دفع میگردند. این غشاها که در اوائل 1980 به صورت تجاری درآمده به طوری که امروزه با استفاده از نانوفیلترها میتوان به ازای هر متر مربع فیلتر 375 لیتر آب را با سرعت4 تا 6 لیتر بر دقیقه تولید کند . در ادامه به کاربردهای این فرآیند اشاره میگردد :
– صنایع غذایی )نمک زدایی از محلول پنیر ومحلول شکر –خالص سازی اسیدهای آلی).
– صنایع نساجی )جداسازی اسیدهای آمینه- بازیابی رنگینه ها از پساب- بازیابی و استفاده مجدد از یون‌های کروم).
– صنایع شیمیایی )بازیابی محلول سفیدگری-حذف گاز دی اکسیدکربن در فرآیند گازی- بازیابی قلیا در فرآیند تولید سلولز و ویسکوز).
– صنایع الکترونیک )جداسازی فلزات سنگین از محلول اسیدها- حذف سولفات های فلزی از
پساب).
-تولید آب آشامیدنی )حذف سختی آب- حذف مواد آلی- حذف فلزات سنگین –تصفیه
آبهای شور).
– صنایع کشاورزی )حذف فسفات سولفات نیترات و فلوراید-حذف سلنیوم از آب زه کشی (
– تصفیه پساب های صنعتی
اسمزمعکوس
اسمز پدیده ای است که به طور طبیعی در فرآیندهای بیولوژیکی رخ میدهد. به طور مثال دیواره سلول، در بدن انسان مواد مغذی را از خود عبور داده و مواد زائد را دفع میکند. اما در اسمز معکوس عبور مواد برخلاف پدیده اسمز بوده به طوری که جریان از سمت غلیظ‌تر به سمت رقیقتر در حرکت میباشد. فرآیند اسمز معکوس(RO ( آب خالص موجود در محلول شور فشرده شده، در حین عبور از غشا از مواد جامد معلق، نمک ها و املاح جدا میگردد. هیچ نوع تغییر فاز و انرژی حرارتی برای این روش مورد نیاز نمیباشد و اکثر انرژی مورد نیاز برای این فرآیند به منظور فشرده سازی محلول آب شور مورد استفاده قرار میگیرد. غشاهای فرآیند RO عموماً به صورت غشاهای مسطح چند لایه ای ساخته می شوند. در این فرآیند آب با فشار از یک سری غشا نیمه تراوا عبور داده میشود و در نتیجه مولکول های کوچکتر )آب بدون املاح( از منافذ غشا عبور میکنند در حالی که مولکول های بزرگتر قادر به عبور از غشا نیستند و طی جریانی جانبی از کنار غشا عبور و دفع میگردند. در زیر نمایی از فرآیند اسمز معکوس نشان داده شده است.
شکل 1-12: نمایی از فرآیند اسمزمعکوس ]26[
1-7-6 مقایسه روش های فیلتراسیون
در ذیل جدولهای1-1 و 1-2 به منظور مقایسه کامل این فرآیندها و اختلاف آنها در زمینه عملکرد جداسازی و همچنین میزان پس زنی انواع مولکول‌ها به همراه سایز حفرات آن ها آورده شده است.
محصول جداشده
فشار عملیاتی(بار)
آستانه شکست(KDa)
سایز حفرات (نانومتر)
فرآیندهای غشایی
کلوئیدها
2-5/0
500
500-50
MF
ماکروملکول‌ها
10-3
500-2
50-50
UF
یون های دو و یک ظرفیتی
30-10
2-2/0
5-6/0
NF
آب
70-10
<2/0 >6/0
RO
جدول1-1: تفاوت در فرآیندهای فیلتراسیون
جدول1-2: پسزنی گونهها در فرآیندهای فیلتراسیون
RO%
%NF
%UF
گونه هایی از مواد
99/99
70-0
کلرید سدیم
99/99
99
سولفات سدیم
99
90-0
سولفات کلسیم
99
99
سولفات منیزیم
98
5-0
اسید سولفوریک
90
5-0
اسید هیدروکلریک
99
99
ساکارز
99/99
99/99
99
ویروس
99/99
99/99
99
پروتئین
99/99
99/99
99
باکتری
در شکل ذیل طرحی از چگونگی عملکرد فرآیندهای فیلتراسیون در برابر مواد عبوری از آن ها آورده شده است.
شکل1-13: انواع روشهای فیلتراسیون با نوع مواد عبوری از آنها ]26[
1-7-7 مکانیسمهای جداسازی
غربال مولکولی
در این حالت جداسازی مولکولها بر اساس اندازه آنها صورت میگیرد. به این معنی که مولکول که اندازه آنها کوچکتر اندازه حفرههاست از غشا عبور کرده و آنهایی که اندازه آنها بزرگتر است از غشا عبور نمیکنند. این غشاها با وجود اینکه دارای انتخابپذیری بالایی هستند به خاطر هزینه بالای ساخت و روشهای پیچیده ساخت،کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مکانیسم در مورد غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون قابل مشاهده است.
شکل1-14: نمایی از مکانیسم غربال مولکولی
نفوذ مولکولی
این مکانیسم که در فرآیندهایی نظیر اسمزمعکوس و جداسازی دیده میشوند که در آنجا غشاها بدون حفره میباشند. در اینجا انتقال مولکول به برهمکنش حلال-پلیمر و حلشونده-پلیمر بستگی داشته بهطوریکه آب و مولکولهای با جرم مولکولی کمتر با ایجاد پیوند با بخشی از ساختمان شیمیایی پلیمر قادر به عبور از غشای پلیمری میباشند اما نمکها و مواد با جرم مولکولی سنگینتر، قادر به عبور از غشا نمیباشند.
حلالیت-نفوذ
در غشاهای پلیمری متراکم مکانیسم حلالیت-نفوذ به عنوان مکانیسم اصلی انتقال مولکولهای گاز از میان غشا پذیرفته شده است. این مکانیسم عمدتاً شامل سه مرحله است. در مرحله اول، مولکولهای گاز توسط سطح غشا جذب میشوند و به دنبال آن مولکولهای گاز در ماتریس پلیمری نفوذ میکنند و در نهایت مولکولهای جذبشده در سمت دیگر غشا تبخیر میشوند. جداسازی گازها با غشاهای پلیمری متراکم در واقع نتیجه اختلاف در حلالیت گازهای مختلف در میان غشاها است که این اختلاف حلالیت ناشی از اختلاف در میزان اثرات متقابل و برهمکنش بین غشا و اجزاء نفوذکننده است.
اختلاف باریونی
این نوع مکانیسم که در نانوفیلتراسیون نیز وجود دارد بر مبنای بار یونی ملکول و همچنین بار سطح غشا عمل جداسازی صورت میگیرد. بدین ترتیب هر چه بار آنیونی سطح غشا بیشتر باشد، دفع نمک نیز افزایش مییابد]22[.
1-7-8 روشهای عملکرد فرآیندهای غشایی
به طور کلی دو روش عملیاتی وجود دارد که در روش اول جهت جریان محلول عمود بر سطح غشا بوده و ذرات پسزده شده روی سطح غشا یا درون منافذ آن باقی میمانند. روش دوم سیال بهطور موازی با سطح غشا تماس دارد وفقط بخش کوچکی از سیال از سطح غشا عبور میکند.
روش بیشتر در کارهای تحقیقاتی و آزمایشگاهی استفاده میشود.در روش دوم تشکیل کیک به علت حرکت موازی خوراک بعد از مدتی به یک ضخامت ثابت می رسد و فلاکس نیز بعد از مدتی تقریباً ثابت میشود. این روش در تمامی فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
شکل1-15: شماتیکی از دو فرآیند عملکرد غشایی ]26[
1-7-9 انسداد در غشاها
افت دبی میتواند به خاطر چندین عامل مثل پلاریزاسیون غلظت، جذب (گونهها روی غشا)، تشکیل لایه ژل15 اطراف غشا و گرفتن منافذ غشاها باشد ]27[. معمولاً گرفتن منافذ غشاها از بقیه شدیدتر است. همه موارد یاد شده باعث ایجاد یک مقاومت اضافی در برابر خوراک میشوند. مقدار این پدیده بسیار به نوع فرآیند غشایی و نوع خوراک وابسته است. در شکل 1-17 نمونهای از گرفتگی در سطح یک غشا تهیه شده از پلی وینیلیدن فلوراید (PVDF) آمده است]28[. در شکل 1-18 هم به بررسی انواع پارامترهای تأثیرگذار (مقاومتهای غشایی)، در برابر عبور خوراک از غشا پرداخته شده است ]29[.
شکل 1-16: نمونهای از یک گرفتگی غشایی بر روی غشای پلی وینیلیدن فلوراید (PVDF) ]28[
شکل 1-17: شماتیکی از انواع گرفتگی در فرآیند غشایی ]29[
هریک از این مقاومتها تأثیر متفاوتی روی مقاومت کل دارند. در یک حالت ایده آل فقط مقاومت غشایی16 (Rm) وجود دارد. اما چون غشا باعث نگاهداشتن گونهها در سطح می‌شود و باعث تجمع آنها نزدیک سطح غشا، یک لایه با غلظت بالای گونه در اطراف سطح غشا وجود دارد و مقاومتی در برابر انتقال جرم گونهها به وجود میآورد (Rcp)17 و اگر این لایه آن قدر از گونههای محلول خوراک پر باشد یک لایه ژل در سطح غشا تشکیل میشود و باعث ایجاد مقاومت لایه ژل (Rg)18 میشود. این مقاومت بهخصوص در مورد گونههایی که میل جذبی بسیاری به غشاها دارند، مثل پروتئینها، نمود بیشتری دارد. در غشاهای متخلخل19، امکان گرفتگی منافذ وجود دارد که منجر به ایجاد مقاومت در برابر عبور خوراک میشود (Rp)20 و سرانجام مقاومتی که در برابر پدیده جذب به وجود میآید (Ra)21. جذب میتواند روی سطح غشا یا درون منافذ آن رخ دهد. همه عوامل یاد شده باعث یک افت دبی محلول خوراک میشوند و از طرفی میتوانند روی ساختار شیمیایی مواد سازنده غشا هم تأثیر گذاشته، طول عمر غشا را کاهش دهند. توجه داشته باشید که مقاومت کلی غشا از جمع همه مقاومتها به دست میآید ]29[.
پلاریزاسیون غلظت از تجمع مولکولها در سطح غشا حاصل میشود. معمولاً برای کاهش این پدیده و در نتیجه کاهش افت دبی محلول خوراک، از غلظتهای کمتر خوراک، اعمال فشارهای بالاتر و مدول مناسب استفاده میشود ]30[.
گرفتگی غشا بر خلاف پدیده پلاریزاسیون غلظت برگشتناپذیر است و خواص

مطلب مشابه :  دانلود پایان نامه ارشد دربارهاسباب بازی، دانش آموز، معنی داری

دیدگاهتان را بنویسید