فناوری غشایی

فناوری غشایی (به انگلیسی: Membrane technology) شامل فرایندهای علمی است که در ساخت و کاربرد غشاها استفاده می‌شود. غشاها برای تسهیل انتقال یا دفع مواد بین محیط‌ها و جداسازی مکانیکی جریان‌های گاز و مایع به کار می‌روند. در ساده‌ترین حالت، فیلتراسیون زمانی حاصل می‌شود که منافذ غشا کوچک‌تر از قطر ماده ناخواسته، مانند یک میکروارگانیسم مضر باشد. فناوری غشایی معمولاً در صنایعی مانند تصفیه آب، پردازش شیمیایی و فلزی، صنایع داروسازی، زیست‌فناوری، فناوری غذا و همچنین حذف آلودگی‌های محیطی استفاده می‌شود.

پس از ساخت غشا، نیاز است که غشای تهیه‌شده برای شناخت بیشتر پارامترهای آن مانند اندازه منافذ، گروه عاملی، ویژگی‌های نهادین و بیرونی و غیره که تعیین آن‌ها از پیش دشوار است، مشخصه‌یابی شود. در این فرایند، از ابزارهایی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری، طیف‌سنجی تبدیل فوریه فروسرخ، پراش پرتو ایکس و تخلخل‌سنجی مایع استفاده می‌شود.

مقدمه

فناوری غشایی تمامی رویکردهای مهندسی فرایند برای انتقال مواد بین دو بخش را با کمک غشاهای نیمه‌تراوا پوشش می‌دهد. به‌طور کلی، فرایندهای جداسازی مکانیکی برای جداسازی جریان‌های گازی یا مایع از فناوری غشایی استفاده می‌کنند. در سال‌های اخیر، روش‌های مختلفی برای حذف آلودگی‌ها مانند جذب سطحی، اکسایش-کاهش و جداسازی غشایی استفاده‌شده است. آلودگی‌های مختلفی در محیط زیست مانند آلودگی هوا، آلودگی آب و غیره رخ می‌دهد. طبق نیاز صنعت برای جلوگیری از آلودگی، از آنجا که بیش از ۷۰٪ آلودگی‌های محیطی ناشی از صنایع است، مسئولیت آن‌هاست که از قوانین دولتی «قانون کنترل و پیشگیری از آلودگی هوا ۱۹۸۱» برای حفظ و جلوگیری از انتشار مواد شیمیایی مضر به محیط زیست پیروی کنند. اطمینان حاصل کنید که فرایندهای پیشگیری و ایمنی پس از آن انجام شود تا صنایع قادر به تخلیه پسماند خود در محیط زیست باشند.

فناوری غشایی مبتنی بر زیست‌توده یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای استفاده به عنوان سلاحی برای حذف آلودگی‌ها است، زیرا هزینه کم، کارایی بیشتر و عدم تولید آلودگی هوا (آلاینده‌های ثانویه) را به همراه دارد.

به‌طور معمول پلی‌سولفون، پلی‌وینیلیدین فلورید و پلی‌پروپیلن در فرایند آماده‌سازی غشا استفاده می‌شوند. این مواد غشایی از منابع تجدیدناپذیر بوده و پسماند زیست‌تجزیه‌پذیر نیستند که باعث ایجاد آلودگی‌های محیطی مضر می‌شوند. پژوهشگران در تلاش برای یافتن راه حلی برای سنتز یک غشای سازگار با محیط زیست هستند که از آلودگی محیط زیست جلوگیری کند. سنتز مواد زیست‌تجزیه‌پذیر با کمک مواد موجود در طبیعت مانند سنتز غشای مبتنی بر زیست‌توده می‌تواند برای حذف آلودگی‌ها استفاده شود.

نمای کلی غشا

فراپالایش برای یک استخر شنا

طرحواره اکسیژناسیون غشایی برون‌پیکری وریدی-شریانی

فرایندهای جداسازی غشایی بدون گرمایش عمل می‌کنند و بنابراین انرژی کمتری نسبت به فرایندهای جداسازی حرارتی مرسوم مانند تقطیر، تصعید یا بلورش مصرف می‌کنند. فرایند جداسازی کاملاً فیزیکی است و هر دو بخش (فروروی و پس‌ماند) می‌توانند به عنوان محصولات مفید به دست آیند. جداسازی سرد با استفاده از فناوری غشایی به‌طور گسترده در صنایع فناوری غذا، زیست‌فناوری و داروی تجویزی استفاده می‌شود. علاوه بر این، استفاده از غشاها امکان جداسازی‌هایی را فراهم می‌کند که با روش‌های جداسازی حرارتی غیرممکن است. برای مثال، جداسازی اجزای مایعات آزئوتروپ یا محلول‌هایی که بلورهای هم‌ریختی (بلورنگاری) تشکیل می‌دهند، با تقطیر یا تبلور مجدد (شیمی) غیرممکن است، اما چنین جداسازی‌هایی با استفاده از فناوری غشایی قابل دستیابی است. بسته به نوع غشا، جداسازی انتخابی برخی مواد خاص یا مخلوط‌های مواد امکان‌پذیر است. کاربردهای فنی مهم شامل تولید آب آشامیدنی توسط اسمز معکوس است. در تصفیه فاضلاب، فناوری غشایی اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. فراپالایش/میکروفیلتراسیون می‌تواند در حذف کلوئیدها و درشت‌مولکول‌ها از فاضلاب بسیار موثر باشد. این امر در صورتی ضروری است که فاضلاب به آب‌های حساس، به‌ویژه آن‌هایی که برای ورزش‌های آبی و تفریحی تعیین شده‌اند، تخلیه شود.

حدود نیمی از بازار در کاربردهای پزشکی مانند کلیه‌های مصنوعی برای حذف مواد سمی توسط همودیالیز و به عنوان ریه مصنوعی برای تأمین بدون حباب اکسیژن در خون است.

اهمیت فناوری غشایی در زمینه حفاظت از محیط زیست در حال رشد است. حتی در تکنیک‌های مدرن بازیابی انرژی، غشاها به‌طور فزاینده‌ای استفاده می‌شوند، برای مثال در پیل سوختی و در توان اسمزی.

انتقال جرم

دو مدل اساسی برای انتقال جرم از طریق غشا قابل تشخیص است:

• مدل محلول-انتشار و
• مدل هیدرودینامیکی.

در غشاهای واقعی، این دو مکانیسم انتقال قطعاً در کنار هم رخ می‌دهند، به‌ویژه در طول فراپالایش.

مدل محلول-انتشار

در مدل محلول-انتشار، انتقال تنها توسط پدیده انتشار رخ می‌دهد. مولفه‌ای که باید منتقل شود ابتدا باید در غشا حل شود. رویکرد کلی مدل محلول-انتشار این است که فرض کنیم پتانسیل شیمیایی سیالات خوراک و فروروی در تعادل با سطوح مجاور غشا هستند، به‌طوری که عبارات مناسب برای پتانسیل شیمیایی در فازهای سیال و غشا می‌توانند در فصل مشترک محلول-غشا برابر قرار گیرند. این اصل برای غشاهای «چگال» بدون منافذ طبیعی، مانند مواردی که برای اسمز معکوس و در پیل سوختی استفاده می‌شوند، اهمیت بیشتری دارد. در طول فرایند فیلتراسیون، یک لایه مرزی روی غشا تشکیل می‌شود. این گرادیان توسط مولکول‌هایی ایجاد می‌شود که نمی‌توانند از غشا عبور کنند. این اثر به عنوان پلاریزاسیون غلظتی شناخته می‌شود و در طول فیلتراسیون رخ می‌دهد که منجر به کاهش جریان از طریق غشا (شار) می‌شود. پلاریزاسیون غلظتی در اصل با تمیز کردن غشا قابل برگشت است که منجر به بازیابی تقریباً کامل شار اولیه می‌شود. استفاده از جریان مماس بر غشا (فیلتراسیون با جریان متقاطع) نیز می‌تواند پلاریزاسیون غلظتی را به حداقل برساند.

مدل هیدرودینامیکی

انتقال از طریق منافذ – در ساده‌ترین حالت – به صورت همرفتی انجام می‌شود. این امر مستلزم آن است که اندازه منافذ کوچک‌تر از قطر دو جزء مجزا باشد. غشاهایی که بر اساس این اصل عمل می‌کنند، عمدتاً در میکروفیلتراسیون و فراپالایش استفاده می‌شوند. از آن‌ها برای جداسازی درشت‌مولکول‌ها از محلول‌ها، کلوئید‌ها از یک پراکندگی، یا حذف باکتری‌ها استفاده می‌شود. در طی این فرایند، ذرات یا مولکول‌های باقی‌مانده، توده‌ای خمیری (فیلتر کیک) روی غشا تشکیل می‌دهند و این گرفتگی غشا مانع از فیلتراسیون می‌شود. این گرفتگی را می‌توان با استفاده از روش جریان متقاطع (فیلتراسیون با جریان متقاطع) کاهش داد. در اینجا، مایعی که باید فیلتر شود در امتداد جلوی غشا جریان می‌یابد و توسط اختلاف فشار بین جلو و پشت غشا به فروروی (کنسانتره جاری) در جلو و فروروی (فیلترات) در پشت غشا جدا می‌شود. جریان مماسی در جلو، یک تنش برشی ایجاد می‌کند که فیلتر کیک را می‌شکند و رسوب‌گذاری روی غشا را کاهش می‌دهد.

عملیات غشایی

با توجه به نیروی محرکه عملیات، می‌توان موارد زیر را متمایز کرد:

• عملیات‌های تحت فشار
  • میکروفیلتراسیون
  • فراپالایش
  • نانوفیلتراسیون
  • اسمز معکوس
  • جداسازی گاز
• عملیات‌های تحت گرادیان غلظت
  • دیالیز
  • تراوش تبخیری
  • اسمز مستقیم
  • ریه مصنوعی
• عملیات‌های تحت گرادیان پتانسیل الکتریکی
  • الکترودیالیز
  • برق‌کافت غشایی، برای مثال فرایند کلر-آلکالی
  • الکترودیونیزاسیون
  • الکتروفیلتراسیون
  • پیل سوختی
• عملیات‌های تحت گرادیان دما
  • تقطیر غشایی

شکل‌های غشا و هندسه‌های جریان

هندسه جریان متقاطع

هندسه بن‌بست

دو پیکربندی اصلی جریان برای فرایندهای غشایی وجود دارد: فیلتراسیون جریان متقاطع (یا جریان مماسی) و فیلتراسیون بن‌بست. در فیلتراسیون جریان متقاطع، جریان خوراک نسبت به سطح غشا مماس است، فروروی از همان سمت در پایین‌دست حذف می‌شود، در حالی که جریان فروروی در سمت دیگر ردیابی می‌شود. در فیلتراسیون بن‌بست، جهت جریان سیال عمود بر سطح غشا است. هر دو هندسه جریان مزایا و معایبی دارند. به طور کلی، فیلتراسیون بن‌بست برای مطالعات امکان‌سنجی در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می‌شود. ساخت غشاهای بن‌بست نسبتاً آسان است که هزینه فرایند جداسازی را کاهش می‌دهد. فرایند جداسازی غشایی بن‌بست به راحتی قابل اجرا است و معمولاً ارزان‌تر از فیلتراسیون غشایی جریان متقاطع است. فرایند فیلتراسیون بن‌بست معمولاً یک فرایند تولید دسته‌ای است که در آن محلول فیلترکننده به دستگاه غشایی بارگذاری (یا به آرامی تغذیه) می‌شود و سپس اجازه عبور برخی ذرات تحت نیروی محرکه داده می‌شود. عیب اصلی فیلتراسیون بن‌بست، رسوب‌گذاری گسترده غشا و پلاریزاسیون غلظتی است. رسوب‌گذاری معمولاً در نیروهای محرکه بالاتر سریع‌تر القا می‌شود. رسوب غشا و باقی‌ماندن ذرات در محلول خوراک نیز باعث ایجاد گرادیان غلظت و بازگشت ذرات (پلاریزاسیون غلظتی) می‌شود. دستگاه‌های جریان مماسی از نظر هزینه و نیروی کار فشرده‌تر هستند، اما به دلیل اثرات جارویی و نرخ‌های برشی بالای جریان عبوری، کمتر در معرض رسوب‌گذاری قرار دارند. رایج‌ترین دستگاه‌های غشایی مصنوعی (ماژول‌ها) مورد استفاده عبارتند از: ورق‌های تخت/صفحات، مارپیچی و فیبرهای توخالی. غشاهای تخت مورد استفاده در فرایندهای فیلتراسیون و جداسازی را می‌توان با الگوسازی سطحی بهبود بخشید، جایی که ساختارهای میکروسکوپی برای بهبود عملکرد معرفی می‌شوند. این الگوها سطح را افزایش می‌دهند، جریان آب را بهینه می‌کنند و رسوب‌گذاری را کاهش می‌دهند که منجر به نفوذپذیری بالاتر و طول عمر بیشتر غشا می‌شود. تحقیقات نشان داده است که چنین اصلاحاتی می‌تواند کارایی در تصفیه آب، کاربردهای انرژی و جداسازی‌های صنعتی را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

صفحات تخت معمولاً به عنوان سطوح غشایی تخت نازک و دایره‌ای برای استفاده در ماژول‌های هندسه بن‌بست ساخته می‌شوند. ماژول‌های مارپیچی از غشاهای تخت مشابه ساخته می‌شوند، اما به شکل یک «پاکت» حاوی دو ورق غشایی که توسط یک صفحه پشتیبان بسیار متخلخل جدا شده‌اند. چندین پاکت از این دست سپس به دور یک لوله پیچیده می‌شوند تا هندسه جریان مماسی ایجاد شود و رسوب غشا کاهش یابد. ماژول‌های فیبر توخالی شامل مجموعه‌ای از فیبرهای خودنگهدار با لایه‌های جداسازی پوستی متراکم و یک ماتریس بازتر هستند که به تحمل گرادیان‌های فشار و حفظ یکپارچگی ساختاری کمک می‌کند. ماژول‌های فیبر توخالی می‌توانند تا ۱۰٬۰۰۰ فیبر با قطر ۲۰۰ تا ۲۵۰۰ میکرومتر داشته باشند؛ مزیت اصلی ماژول‌های فیبر توخالی، سطح بسیار بزرگ در یک حجم محصور است که کارایی فرایند جداسازی را افزایش می‌دهد.

ماژول غشایی مارپیچی

• 
  ماژول غشایی فیبر توخالی
• 
  جداسازی هوا به اکسیژن و نیتروژن از طریق یک غشا

ماژول لوله دیسکی از هندسه جریان متقاطع استفاده می‌کند و شامل یک لوله فشار و دیسک‌های هیدرولیکی است که توسط یک میله کششی مرکزی نگه داشته می‌شوند و بالشتک‌های غشایی که بین دو دیسک قرار دارند.

عملکرد غشا و معادلات حاکم

انتخاب غشاهای مصنوعی برای یک فرایند جداسازی هدفمند معمولاً بر اساس چند نیاز است. غشاها باید سطح انتقال جرم کافی برای پردازش مقادیر زیادی از جریان خوراک را فراهم کنند. غشای انتخاب‌شده باید دارای ویژگی‌های گزینش‌پذیری (دفع) بالا برای ذرات خاص باشد؛ باید در برابر رسوب‌گذاری مقاوم باشد و پایداری مکانیکی بالایی‌داشته باشد. همچنین باید قابل بازتولید باشد و هزینه‌های تولید پایینی‌داشته باشد. معادله مدل‌سازی اصلی برای فیلتراسیون بن‌بست در افت فشار ثابت توسط قانون دارسی نشان داده می‌شود:

${\frac {dV_{p}}{dt}}=Q={\frac {\Delta p}{\mu }}\ A\left({\frac {1}{R_{m}+R}}\right)$

که در آن V_p و Q به ترتیب حجم فروروی و دبی حجمی آن هستند (متناسب با ویژگی‌های مشابه جریان خوراک)، μ گران‌روی دینامیکی سیال نفوذکننده، A سطح غشا، R_m و R به ترتیب مقاومت‌های غشا و رسوب در حال رشد مواد رسوبی هستند. R_m را می‌توان به عنوان مقاومت غشا در برابر نفوذ حلال (آب) تفسیر کرد. این مقاومت یک ویژگی نهادین غشا است و انتظار می‌رود نسبتاً ثابت و مستقل از نیروی محرکه، Δp باشد. R با نوع ماده رسوبی غشا، غلظت آن در محلول فیلترکننده و ماهیت برهم‌کنش‌های ماده رسوبی-غشا مرتبط است. قانون دارسی امکان محاسبه سطح غشا برای یک جداسازی هدفمند در شرایط معین را فراهم می‌کند. ضریب الک محلول توسط معادله زیر تعریف می‌شود:

$S={\frac {C_{p}}{C_{f}}}$

که در آن C_f و C_p به ترتیب غلظت‌های محلول در خوراک و فروروی هستند. نفوذپذیری هیدرولیکی به عنوان معکوس مقاومت تعریف می‌شود و توسط معادله زیر نشان داده می‌شود:

$L_{p}={\frac {J}{\Delta p}}$

که در آن J شار فروروی است که دبی حجمی در واحد سطح غشا می‌باشد. ضریب الک محلول و نفوذپذیری هیدرولیکی امکان ارزیابی سریع عملکرد غشای مصنوعی را فراهم می‌کنند.

فرایندهای جداسازی غشایی

فرایندهای جداسازی غشایی نقش بسیار مهمی در صنعت جداسازی دارند. با این وجود، تا اواسط دهه ۱۹۷۰ از نظر فنی مهم تلقی نمی‌شدند. فرایندهای جداسازی غشایی بر اساس مکانیسم‌های جداسازی و اندازه ذرات جدا شده متفاوت هستند. فرایندهای غشایی پرکاربرد شامل میکروفیلتراسیون، فراپالایش، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، برق‌کافت، دیالیز، الکترودیالیز، جداسازی گاز، تراوش بخار، تراوش تبخیری، تقطیر غشایی و تماس‌دهنده‌های غشایی هستند. تمام فرایندها به جز تراوش تبخیری شامل تغییر فاز نمی‌شوند. تمام فرایندها به جز الکترودیالیز تحت فشار هستند. میکروفیلتراسیون و فراپالایش به طور گسترده در پردازش مواد غذایی و آشامیدنی (میکروفیلتراسیون آبجو، فراپالایش آب سیب)، کاربردهای زیست‌فناوری و صنایع داروسازی (تولید آنتی‌بیوتیک، خالص‌سازی پروتئین)، تصفیه آب و تصفیه پساب، صنعت میکروالکترونیک و غیره استفاده می‌شوند. غشاهای نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس عمدتاً برای اهداف تصفیه آب استفاده می‌شوند. غشاهای متراکم برای جداسازی گاز (حذف کربن دی‌اکسید از گاز طبیعی، جداسازی نیتروژن از هوا، حذف بخار آلی از هوا یا جریان نیتروژن) و گاهی در تقطیر غشایی استفاده می‌شوند. فرایند اخیر به جداسازی ترکیبات آزئوتروپیک کمک می‌کند و هزینه‌های فرایندهای تقطیر را کاهش می‌دهد.

محدوده جداسازی‌های مبتنی بر غشا

اندازه منافذ و گزینش‌پذیری

توزیع منافذ یک غشای فراپالایش فرضی با اندازه منافذ اسمی و D₉₀

اندازه منافذ غشاهای فنی بسته به تولیدکننده به روش‌های متفاوتی مشخص می‌شود. یک تمایز رایج بر اساس «اندازه منافذ اسمی» است. این معیار توزیع حداکثری اندازه منافذ را توصیف می‌کند و تنها اطلاعات مبهمی درباره ظرفیت نگهداری یک غشا ارائه می‌دهد. حد حذف یا «کات‌آف» غشا معمولاً به شکل «NMWC» (حد وزن مولکولی اسمی، یا «MWCO»، حد وزن مولکولی کات‌آف، با یکای دالتون) مشخص می‌شود. این مقدار به عنوان حداقل جرم مولی یک مولکول کروی تعریف می‌شود که ۹۰٪ آن توسط غشا حفظ می‌شود. کات‌آف، بسته به روش، می‌تواند به اصطلاح «D₉₀» تبدیل شود که سپس با یکای متریک بیان می‌گردد. در عمل، MWCO غشا باید حداقل ۲۰٪ کمتر از جرم مولی مولکولی باشد که قرار است جداسازی شود.

با استفاده از غشاهای میکای حکاکی‌شده با مسیر، بک و شولتز نشان دادند که انتشار مانع‌دار مولکول‌ها در منافذ را می‌توان با معادله رانکین توصیف کرد.

غشاهای فیلتر بر اساس اندازه منافذ به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

> 10		فیلتر «کلاسیک»
> 0.1 μm	> 5000 kDa	میکروفیلتراسیون	< 2 bar	باکتری‌های بزرگ‌تر، مخمر، ذرات
100–2 nm	5–5000 kDa	فراپالایش	1–10 bar	باکتری‌ها، درشت‌مولکول‌ها، پروتئین‌ها، ویروس‌های بزرگ‌تر
2-1 nm	0.1–5 kDa	نانوفیلتراسیون	3–20 bar	ویروس‌ها، یون‌های دو ظرفیتی
< 1 nm	< 100 Da	اسمز معکوس	10–80 bar	نمک‌ها، مولکول‌های آلی کوچک

شکل و فرم منافذ غشا به شدت به فرایند تولید وابسته است و اغلب تعیین دقیق آن دشوار است. بنابراین، برای مشخصه‌یابی، فیلتراسیون‌های آزمایشی انجام می‌شود و قطر منافذ به قطر کوچک‌ترین ذراتی اشاره دارد که نمی‌توانند از غشا عبور کنند.

میزان دفع را می‌توان به روش‌های مختلفی تعیین کرد که اندازه‌گیری غیرمستقیمی از اندازه منافذ ارائه می‌دهد. یک امکان، فیلتراسیون درشت‌مولکول‌ها (اغلب دکستران، پلی‌اتیلن گلیکول یا آلبومین) و دیگری اندازه‌گیری کات‌آف توسط کروماتوگرافی ژل‌تراوشی است. این روش‌ها عمدتاً برای اندازه‌گیری غشاها در کاربردهای فراپالایش استفاده می‌شوند. روش آزمایشی دیگر، فیلتراسیون ذرات با اندازه مشخص و اندازه‌گیری آن‌ها با دستگاه اندازه‌گیری ذرات یا توسط طیف‌بینی فروشکست القایی لیزری (LIBS) است. یک مشخصه‌یابی ملموس، اندازه‌گیری دفع دکستران آبی یا سایر مولکول‌های رنگی است. نگهداری فاژ و باکتری، که به آن «آزمون چالش باکتری» می‌گویند، نیز می‌تواند اطلاعاتی درباره اندازه منافذ ارائه دهد.

0.1 μm	Acholeplasma laidlawii	23206
0.3 μm	اسپورهای باسیلوس سوبتیلیس	82
0.5 μm	Pseudomonas diminuta	19146
0.45 μm	سراشیا	14756
0.65 μm	Lactobacillus brevis

برای تعیین قطر منافذ، از روش‌های فیزیکی مانند تخلخل‌سنج (جیوه، تخلخل‌سنج مایع-مایع و آزمون نقطه حباب) نیز استفاده می‌شود، اما شکل خاصی از منافذ (مانند سوراخ‌های استوانه‌ای یا کروی متصل به هم) فرض می‌شود. چنین روش‌هایی برای غشاهایی استفاده می‌شود که هندسه منافذ آن‌ها با حالت ایده‌آل مطابقت ندارد و ما به قطر منافذ «اسمی» می‌رسیم که غشا را مشخص می‌کند، اما لزوماً رفتار فیلتراسیون و گزینش‌پذیری واقعی آن را منعکس نمی‌کند.

گزینش‌پذیری علاوه بر اندازه منافذ، به شدت به فرایند جداسازی، ترکیب غشا و ویژگی‌های الکتروشیمیایی آن وابسته است. با گزینش‌پذیری بالا، ایزوتوپ‌ها را می‌توان در مهندسی هسته‌ای (غنی‌سازی اورانیوم) غنی کرد یا گازهای صنعتی مانند نیتروژن را می‌توان بازیابی کرد (جداسازی گاز). در حالت ایده‌آل، حتی راسمیک‌ها را می‌توان با یک غشای مناسب غنی کرد.

هنگام انتخاب غشاها، گزینش‌پذیری بر نفوذپذیری بالا اولویت دارد، زیرا جریان‌های کم را می‌توان به راحتی با افزایش سطح فیلتر با یک ساختار ماژولار جبران کرد. در فیلتراسیون فاز گازی، مکانیسم‌های رسوب‌گذاری متفاوتی عمل می‌کنند، به طوری که ذراتی که اندازه‌هایی کمتر از اندازه منافذ غشا دارند نیز می‌توانند حفظ شوند.

طبقه‌بندی غشا

غشای زیستی در دو دسته طبقه‌بندی می‌شود: غشای مصنوعی و غشای طبیعی. غشاهای مصنوعی بیشتر به غشاهای آلی و معدنی طبقه‌بندی می‌شوند. غشای آلی به غشاهای پلیمری و غشای معدنی به پلیمرهای سرامیکی زیرطبقه‌بندی می‌شوند.

سنتز غشای زیست‌توده

غشای زیست‌توده کامپوزیتی

سنتز غشای سبز یا غشای زیستی، راهکاری برای محیط‌های حفاظت‌شده است که عملکردی بسیار جامع دارند. زیست‌توده به شکل نانوذرات کربن فعال استفاده می‌شود، مانند استفاده از زیست‌توده مبتنی بر سلولز پوسته نارگیل، پوسته فندق، پوسته گردو، پسماندهای کشاورزی ساقه‌های ذرت و غیره که آب‌دوستی سطح، اندازه منافذ بزرگ‌تر، و زبری سطح کمتر را بهبود می‌بخشند؛ بنابراین، عملکرد جداسازی و ضد رسوب غشاها نیز به طور همزمان بهبود می‌یابد.

ساخت غشای مبتنی بر زیست‌توده خالص

غشای مبتنی بر زیست‌توده، غشایی است که از مواد آلی مانند الیاف گیاهی ساخته‌شده است. این غشاها اغلب در کاربردهای تصفیه آب و تصفیه پساب استفاده می‌شوند. ساخت یک غشای مبتنی بر زیست‌توده خالص، فرایندی پیچیده است که شامل چندین مرحله می‌شود. اولین مرحله، ایجاد یک دوغاب از مواد آلی است. این دوغاب سپس بر روی یک بستر، مانند صفحه شیشه‌ای یا فلزی، ریخته‌گری می‌شود. لایه ریخته‌گری‌شده سپس خشک می‌شود و غشای حاصل برای بهبود ویژگی‌هایش تحت چندین عملیات، مانند عملیات شیمیایی یا حرارتی، قرار می‌گیرد. یکی از چالش‌ها در ساخت غشاهای مبتنی بر زیست‌توده، ایجاد غشایی با ویژگی‌های مطلوب است.

تجهیزات و ابزارهای مورد استفاده در فرایند

فهرست ابزارهای مورد استفاده در روش‌های سنتز غشا:

• سانتریفوژ
• دستگاه قالب‌گیری
• شیشه تخت قالب‌گیری
• همزن مغناطیسی
• ظروف شیشه‌ای: بشر، استوانه مدرج، بالن و غیره.
• فر
• هاون

شناسایی غشا

پس از قالب‌گیری و سنتز غشا، نیاز است که غشای تهیه‌شده برای آگاهی از جزئیات بیشتر درباره پارامترهای غشا، مانند اندازه حفرات، گروه‌های عاملی، ترشوندگی، بار سطحی و غیره، شناسایی شود. آگاهی از ویژگی‌های غشا مهم است تا بتوانیم آلاینده‌های ذره‌ای را که باعث آلودگی در محیط زیست می‌شوند، حذف و تصفیه کنیم. برای شناسایی، از ابزارهای مختلف زیر استفاده می‌شود:

• میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
• میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
• طیف‌سنجی تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR)
• میکروسکوپ نیروی اتمی
• دستگاه اندازه‌گیری زاویه تماس
• پتانسیل زتا (پتانسیل جریانی)
• پراش پرتو ایکس (XRD)
• تخلخل‌سنجی مایع-مایع (LLDP)

کاربردهای غشای زیست‌توده

تصفیه آب

تصفیه آب هر فرایندی است که کیفیت آب را بهبود می‌بخشد تا برای یک کاربرد نهایی خاص، پذیرفتنی‌تر شود. غشاها می‌توانند برای حذف ذرات از آب، چه از طریق الک کردن (اندازه) و چه از طریق جداسازی بار، استفاده شوند. در الک کردن، حفرات موجود در غشا به گونه‌ای اندازه‌گیری می‌شوند که تنها ذرات کوچک‌تر از حفرات بتوانند از آن عبور کنند. حفرات غشا به اندازه‌ای هستند که تنها مولکول‌های آب می‌توانند از آن عبور کنند و آلاینده‌های محلول در پشت غشا باقی می‌مانند.

جداسازی گاز

استفاده از غشاها در جداسازی گاز، مانند کربن دی‌اکسید (CO
2)، نیتروژن اکسیدها (NO
x)، اکسیدهای گوگرد (SO
x)، می‌تواند گازهای مضر را برای حفاظت از محیط زیست حذف کند. جداسازی گاز با غشای زیست‌توده موثرتر از غشاهای تجاری است.

همودیالیز

کاربرد غشا در همودیالیز، فرایندی است که در آن از یک غشای نیمه‌تراوا برای حذف مواد زائد و مایعات اضافی از خون استفاده می‌شود.

جستارهای وابسته

• رسوب ذرات
• غشای مصنوعی

منابع

• Osada, Y. , Nakagawa, T. , Membrane Science and Technology, New York: Marcel Dekker, Inc,1992.
• Zeman, Leos J. , Zydney, Andrew L. , Microfiltration and Ultrafitration, Principles and Applications. , New York: Marcel Dekker, Inc,1996.
• Mulder M. , Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1996.
• Jornitz, Maik W. , Sterile Filtration, Springer, Germany, 2006
• Van Reis R. , Zydney A. Bioprocess membrane technology. J Mem Sci. 297(2007): 16-50.
• Templin T. , Johnston D. , Singh V. , Tumbleson M.E. , Belyea R.L. Rausch K.D. Membrane separation of solids from corn processing streams. Biores Tech. 97(2006): 1536-1545.
• Ripperger S. , Schulz G. Microporous membranes in biotechnical applications. Bioprocess Eng. 1(1986): 43-49.
• Thomas Melin, Robert Rautenbach, Membranverfahren, Springer, Germany, 2007, شابک ‎۳−۵۴۰−۰۰۰۷۱−۲.
• Munir Cheryan, Handbuch Ultrafiltration, Behr, 1990, شابک ‎۳−۹۲۵۶۷۳−۸۷−۳.
• Eberhard Staude, Membranen und Membranprozesse, VCH, 1992, شابک ‎۳−۵۲۷−۲۸۰۴۱−۳.