بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تقطیر غشایی بعنوان یک فرایند نوین جداسازی
چکیده:
تقطیر غشایی بعنوان یک فرایند نوین جداسازی غشایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این فرایند از یک غشاﺀ آب گریز در تماس با محلول خوراک ورودی استفاده می شود. اساس کار بر تعادل گاز‐ مایع استوار است وابتدا مایع در طرف غشاﺀ تبخیر شده و با عبور از غشاﺀ در طرف دیگر چگالیده می شود. این فرایند در دمای٧٠‐٤٠ درجه سانتیگراد و فشار اتمسفریک انجام می شود. مهمترین مزیت این روش استفاده از منبع انرﮊی پایین و بدست آوردن خلوص بالا می باشد. تقطیر غشایی بر اساس روش چگالش بخار نفوذی از غشاﺀ به انواع مختلف تقسیم بندی می شود. در این مقاله عوامل موثر بر کارایی فرایند تقطیر غشایی مانند تاثیر دما ، غلظت و سرعت خوراک ورودی، قطر و اندازه حفره های غشاﺀ، ضخامت و جنس غشاﺀ بررسی می شود. همچنین مزایا و معایب تقطیر غشایی در مقایسه با دیگر روشهای غشایی مورد تحلیل قرار می گیرد.
کلمات کلیدی:
جداسازی، تقطیر غشایی، غشاﺀ آب گریز، بخار نفوذی
مقدمه
در تقطیر معمولی بدلیل وجود آزئوتروﭖ، انتخابگری پایین و هزینه عملیاتی بالا در بعضی فرایندها با اشکال همراه است بدین منظور استفاده از غشاﺀ برای جداسازی از دهه ٦٠ قرن گذشته آغاز شد و بتدریج قوت گرفت بطوریکه امروزه بعلت کارایی بالا و هزینه عملیاتی پایین بسیار مورد توجه قرار گرفته است. از غشاﺀ برای جداسازی ذرات با اندازه های متفاوت بصورت میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانو فیلتراسیون، اسمز معکوس بمنظور حذف مواد معلق، مواد کلوئیدی، باکتریها و ویروسها، حذف مواد رنگی و یونهای یک ظرفیتی و دو ظرفیتی در صنایع دارویی و غذایی و همچنین تولید آب آشامیدنی استفاده می شود.
در میان فرایندهای جداسازی غشایی، تقطیر غشایی توجه محققان را اخیرا به خود جلب کرده است. در تقطیر غشایی از یک غشاﺀ متخلخل آب گریز استفاده می شود که غشاﺀ مورد استفاده در تقطیر غشایی از موادی مانند پلی پروپیلن(polypropylene(PP ، پلی تترافلورواتیلن (PTFE) poly tetra fluoro ethylene ,پلی ونیل دی ان فلوراید poly vinylidene fluoride(PVF) دارای خصوصیات مکانیکی و فیزیکی بالایی است که در بعضی اوقات برای جلوگیری از خیس شدن حفره ها با لایه ای نازک از سیلیکون فلوروپلیمر silicon fluoropolymerplasmapolymerized روی سطح حفره ها را می پوشانند]١٥.[غشاﺀ دارای حفره های با قطر ١‐ ١/٠ میکرون می باشد که این اندازه شبیه به اندازه حفره های غشاﺀ مورد استفاده در میکروفیلتراسیون است. این فرایند در دمای ٧٠‐ ٤٠ درجه سانتیگراد و فشار اتمسفریک کار می کند بنابراین به انرﮊی پایین و نگهداری آسانی نیاز دارد. ارجحیت این روش بخصوص در مقیاس کوچک قابل ملاحظه می باشد جایی که می توان از انرﮊیهای زائد و کم اهمیت مانند انرﮊی گازهای خروجی استفاده کرد.
در این مقاله مکانیزم تقطیر غشایی ومزایا و معایب آن و همچنین موارد کاربرد آن مورد بررسی قرار می گیرد و با توجه داده های منتشر شده عوامل موثر بر تقطیر غشایی بحث و تحلیل می شود.
مکانیزم تقطیر غشایی
فرایند تقطیر غشایی بر اساس تعادل گاز‐ مایع و نفوذ استوار است. در این فرایند ابتدا مایع در طرف خوراک گرم تبخیر می شود سپس بخار از طریق غشاﺀ عبور می کند ودر طرف دیگر غشاﺀ این بخار نفوذی چگالش می یابد. خوراک ورودی در دمای ٧٠‐٤٠ درجه سانتیگراد در تماس با غشاﺀ قرار می گیرد و بدلیل تفاوت فشار بخاردر دو طرف غشاﺀ که منتج از گرادیان دماست نفوذ بخار از غشاﺀ صورت می گیرد. انتقال جرم در مرزها با تئوری فیلمی ودر غشاﺀ با مدل Dusty gas آنالیزمی شود]١. [ تئوری Dusty gas انتقال جرم در غشاﺀ را با چهار مکانیزم توضیح می دهدکه عبارتند از: نفوذ مولکولی، نفوذ نادسن، جریان ویسکوز و نفوذ ساختاری. که در این فرایند جریان ویسکوز و نفوذ ساختاری ناچیز و قابل صرفنظر می باشند. چنانچه برخورد بین مولکولها و دیواره تعیین کننده باشد یا به عبارت دیگر قطر حفره ها کوچک باشد انتقال جرم با نفوذ نادسن بصورت زیر داده می شود]١: [
و اگر برخورد بین مولکولها نقش اصلی را ایفا کند انتقال جرم از غشاﺀ توسط نفوذ مولکولی بصورت زیر بیان می شود]١: [
وچنانچه هر دو نفوذ اهمیت داشته باشند مدل انتقال نفوذ نادسن‐ مولکولی با رابطه زیر محاسبه می گردد]١: [
فرایند تقطیر غشایی را با توجه به مکانیزم چگالش به چهار دسته طبقه بندی می کنند که در زیر بطور اختصار توضیح داده می شود:
١‐ تقطیر غشایی تماس مستقیم ( ( Direct contact membrane distillation( DCMD)
در این روش سیال گرم و سرد بطور مستقیم با غشاﺀ در ارتباطند و ساده ترین و ابتدایی ترین نوع متصور برای تقطیر غشایی می باشد که روشی مناسب برای تغلیظ و نمک زدایی بحساب می آید] ٢.[
٢‐ تقطیر غشایی با فضای هوایی ( ( Air gap membrane distillation(AGMD)
در این روش یک فاصله ما بین غشاﺀ و سطح چگالش وجود دارد که بخار نفوذی از این فاصله عبور کرده و با تماس با سطح سرد که با مایع سرد کننده در ارتباط است چگالش می یابد. استفاده از این فضای هوایی این مزیت را دارد که انتقال گرما از قسمت خوراک به قسمت چگالش کمتر صورت می گیرد و در نتیجه گرادیان دما با گذشت زمان حفظ می شود و کارایی غشاﺀ دچار اختلال نمی شود ]٣.[
٣‐ تقطیر غشایی تحت گاز جاروب کننده ( ( Sweep gas membrane distillation(SGMD)
در SGMD گاز بی اثر، بخار نفوذ کرده را با خود همراه می کند و در یک ظرف کندانسور به مایع تبدیل می کند. وجود جریان گاز سبب می شود که مقاومت لایه مرزی کاهش یابد و در نتیجه فلاکس جرمی افزایش یابد. این روش برای حذف یک مایع فرار از سیستم مناسب می باشد ]١٦.[
٤‐ تقطیر غشایی تحت خلاﺀ ( (Vacuum membrane distillation(VMD)
همانطور که از نام این روش بر می آید از خلاﺀ به منظور افزایش کارایی تقطیر غشایی استفاده می شود. وجود خلاﺀ باعث می شود که گاز محبوس در حفره ها خارج شود و در نتیجه مقاومت در مقابل نفوذ کاهش یابد. هر چند که ایجاد خلاﺀ هزینه بالایی در بر دارد ولی با وجود این تمایل به استفاده از این روش رو برشد است ]٤.[
در زیر نمایی شماتیک از روشهای مختلف تقطیر غشایی را مشاهده می کنید:
کاربردهای تقطیر غشایی
از تقطیر غشایی برای نمک زدایی و تصفیه آب استفاده می شود ]٥.[ آب بدست آمده از تقطیر غشایی بدلیل خلوص بالا ( تقریبا %١٠٠ ) برای بویلرها، آب آشامیدنی، کارواش، نوشابه سازی، صنایع غذایی و داروسازی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
از فرایند تغلیظ آبمیوه به منظور آسان سازی در انبارکردن و حمل و نقل آبمیوه استفاده می شود. در این میان تقطیر غشایی بدلیل دمای پایین، قابلیت خودکارسازی و حفظ رنگ، بو، طعم و ویتامین های آبمیوه گزینه ای مناسب برای تغلیظ بشمار می آید]٦.[ بعنوان مثال توسط محققین تاثیر عوامل مختلف بر تغلیظ آبمیوه های انگور، پرتغال، سیب توسط فرایند تقطیر غشایی بررسی شده است]٩‐٧.[
از دیگر کاربردهای تقطیر غشایی جداسازی اسیدهای آلی( (organic acid و اسیدهای معدنی( (inorganic acid می باشد. بعنوان مثال در بسیاری از کشورها coolant liquid یا آب رادیاتور حاوی ethylene glycol را بعلت منع قانونی نمی توان دفع کرد و بخاطر آب زیاد امکان سوزاندن آن میسر نمی باشد در نتیجه با استفاده از تقطیر غشایی ابتدا آنرا تغلیظ و سپس بازیافت می کنند]١٠.[
مزایای تقطیر غشایی
١‐ دستیابی به محصول خالص(تقریبا١٠٠%): در اینجا منظور از محصول در واقع بخار نفوذی چگالش یافته است و در تقطیرغشایی در مقایسه با روشهای جداسازی مشابه مانند اسمز معکوس که حداکثر خلوص %٩٨ است به خلوص %١٠٠ نیز می توان دست پیدا کرد.
٢‐ احتیاج به منبع انرﮊی کم(دمای پایین و فشار اتمسفریک): بدلیل اینکه فرایند تقطیر غشایی در دمای پایین(٧٠‐٤٠ درجه سانتیگراد) و فشار اتمسفریک عمل می کند احتیاج به انرﮊی کمی در مقایسه با روشهای مشابه غشایی و همچنین تقطیر معمولی دارد ومی توان از انرﮊیهای زائد (مانند انرﮊی موجود در گاز خروجی) یا انرﮊی خورشیدی استفاده نمود.
٣‐ هزینه پایین برای جلوگیری از گرفتگی: بدلیل بزرگی حفره های غشاﺀ در تقطیر غشایی در مقایسه با روشهای مشابهی چون اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون و همچنین کار در فشار پایین گرفتگی((fouling و در نتیجه کاهش کارایی غشاﺀ کمتر رخ می دهد.
٤‐ استفاده برای محلولهای آزئوتروﭖ: مکانیزم عمل تقطیر غشایی شامل دو قسمت تبخیر مایع و نفوذ بخار از غشاﺀ می باشد و در محلولهای آزئوتروﭖ با توجه به تفاوت نفوذ و ضریب نفوذ مولکولهای مختلف از غشاﺀ باعث شکستن آزئوتروﭖ می شود]١٤.[ Fawzi A. Banat و همکارانش گزارش داده اند که با گازهای بی اثر متفاوت می توان درصد خلوص محصول بدست آمده از محلول خوراک آزئوتروﭖ را افزایش داد]١٤.[
٥‐ از دیگر مزایای تقطیر غشایی می توان به سادگی و راحتی نگهداری، قابلیت اتوماسیون آسان، استفاده نکردن از مواد شیمیایی بخصوص برای صنایع غذایی اشاره نمود.
معایب تقطیر غشایی
١‐ هزینه اولیه بالا: شاید بتوان مهمترین عیب تقطیر غشایی را هزینه اولیه بالا آن در مقایسه با دیگر روشهای جداسازی عنوان نمود هر چند که با گسترش روزافزون استفاده از این روش و روشهای ساخت ارزانتر علاقه به استفاده از این روش قوت گرفته است.
٢‐ پایین آمدن کارایی با گذشت زمان: بدلیل خیس شدن حفره ها و همچنین انتقال گرما از قسمت خوراک به ناحیه نفوذی و در نتیجه کاهش گرادیان دما و نیرومحرکه، با گذشت زمان کارایی تقطیر غشایی پایین می آید.
٣‐ از دیگر معایب تقطیر غشایی میتوان به کنترل مشکلتر میزان تولید و احتیاج به فضای بیشتر نسبت به دیگر روشهای غشایی اشاره کرد.
بررسی پارامترهای موثر بر کارائی تقطیر غشایی
١‐ اثردمای خوراک: با بالا بردن دمای خوراک طبق معادله آنتوان فلاکس نفوذ نیز زیاد می شود. تاثیر افزایش دما در دماهای بالا بیشتر است چون فشار بخار بصورت نمایی با دما متناسب است]١١.[
٢‐ اثر غلظت خوراک: افزایش غلظت خوراک باعث کاهش اندکی در شار نفوذی می شود]١١.[
٣‐ اثر سرعت خوراک: هر چه سرعت خوراک بیشتر شود میزان جریان عبوری نیز بیشتر می شود و دلیل این امر کاهش
