بخشی از مقاله
خلاصه
دراین تحقیق اثر اعمال فراصوت در بازیابی شارتراوه ومقاومت هیدرودینامیکی در سه مدول مختلف غشا درحین فرایند میکروفیلتراسیون مورد مطالعه قرار گرفته است. ابتدا سه مدول مختلف غشای فیبر توخالی،تخت و حلزونی را در طی فرایندمیکرو و اولترافیلتراسیون دو نوع خوراک آب مقطر میلی Q وشیرچربی گرفته %1 به مدت 30 دقیقه تحت تأثیر فراصوت درفرکانس های 28، 45و 100 کیلوهرتز باشدت 300 وات قرارداده ومیزان شار تراوه - جریان پرمیئت - و مقاومت هیدرولیکی هرغشا بطور جداگانه محاسبه گردیدند. کلیه داده ها درطرح بلوک کامل تصادفی و بااستفاده ازجدول ANOVA تجزیه وتحلیل آماری شده و میزان 2 Rآنها نیز تعیین ومنحنی های همبستگی بین تیمارها درطول فرایند ترسیم گردیدند. نتایج حاصل نشان داد که کلیه فرکانس های فراصوت بخصوص 28 کیلوهرتز سبب بازگشت کامل شارتراوه و مقاومت هیدرولیکی مشابه غشای نودر همان پنج دقیقه اول گردید و گرفتگی کاملاً برطرف گردید.
اما درغشای تخت به دلیل اثر ممانعت کنندگی مدول قاب و صفحه فلزی و آکریلیک فقط فراصوت در فرکانس 28 کیلوهرتز اثر قابل ملاحظه ای در بهبود شار تراوه و مقاومت هیدرولیکی غشا پس از سی دقیقه نسبت به تیمار شاهد در حین فرایند داشته و فرکانس های 45 و 100 کیلوهرتز نتوانسته اند تأثیر معنی داری در بازیابی شار تراوه و کاهش مقاومت هیدرولیکی داشته باشند.اعمال فراصوت در هیچ یک از فرکانس های مورد آزمایش تأثیری بر شارتراوه و مقاومت هیدرولیکی غشای حلزونی درطول فرایند ندارند.عدم تأثیراثرپاک کنندگی امواج فراصوت در غشای حلزونی به دلیل ساختار مخصوص مدول آن است که از رسیدن امواج فراصوت و اثرات ناشی از آن بر سطوح ومنافذ غشا جلوگیری نموده و لذا قادر به جلوگیری از گرفتگی نمی باشند.
مقدمه:یکی از بزرگترین مشکلات فناوری پیشرفته اولترا- میکروفیلتراسیون - - Ultra- Microfiltration مورد استفاده در صنایع گرفتگی زود هنگام غشاهای پلیمری - - Polymeric Membrane توسط رسوب مواد وترکیبات آلی و معدنی موجود در خوراک برسطوح ومنافذ آنها می باشد. پدیده گرفتگی - - Fouling سبب کندی جریان ، توقف خط تولید برای شستشو وتمیز کردن ،تخریب غشاها و دستگاهها توسط شوینده های شیمیایی ،تهدید سلامت مصرف کنندگان ناشی ازباقیمانده مواد شوینده درمحصول ،آسیبهای زیست محیطی و بالاخره کاهش بهره وری و افزایش هزینه های تولید می گردد.
به کارگیری امواج فراصوت قوی یا اولتراسوند برای رفع گرفتگی غشاهای اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون در حقیقت ادغام دو فناوری پیشرفته اولتراسوند و اولترا - میکرو - فیلتراسیون ویکی از موضوعاتی است که درکمتر از یک دهه توجه محققان را به خود جلب نموده است. اولین استفاده این فناوری به عنوان پاک کننده سطوح دقیقاَ مشخص نیست. رفع آلودگی میکروبی سطوح و جدارههای دستگاهها و وسایل توسط فراصوت به عنوان یکی از روشهای استریلزاسیون و پاستوریزاسیون برای اولین بار درسال 1980 گزارش گردید[1]ودر سال 1983 دو دانشمند ژاپنی در مقالهای استفاده ازفراصوت را برای رفع گرفتگی های غشاها پیشنهاد نمودند2] .[درسال 1997 گروه تحقیقات و مهندسی تصفیه آب در مرکز فنی خدمات آمریکا راهکارهای اجرائی برای افزایش مقاومت
غشاهای مورد استفاده در مقابل گرفتگی و روشهای تمیز کردن آنها پیشنهاد داده و استفاده از فرصوت را به عنوان یکی از روشهای عملی و کاربردی برشمردند.[3]
در فنلاندبا بررسی جریان عبور بحرانی در هنگام فیلتراسیون پروتئین توسط غشاهای اولترافیلتراسیون استفاده از جریان فراصوت به عنوان یکی از روشهای تمیز کردن غشا ذکر گردید.[ 4 ] چای وکوبایاشی در دانشگاه ناگائوکا در ژاپن تحقیقات وسیعی روی اثرفراصوت بر جریان عرضی در غشاهای پلی آکریلو نیتریل در حین اولترفیلتراسیون انجام دادند. آنها با استناد به خواص پاک کنندگی سطوح توسط فراصوت نشان دادند چنانچه غشاهای اولترافیلتراسیون از جنس پلی اکریلونیتریل در حین فرآیند تحت تأثیرفراصوت با فرکانس 45KHz قرار گیرد.
شار تراوه Permeate flux - - بطور قابل ملاحظهای افزایش خواهد یافت.[ 5 ] این دو دانشمند همچنین در ادامه تحقیقات خود در سال 1998 استفاده از این روش را برای رفع گرفتگی سایر غشاهای پلیمری نظیر پلی سولفون و پلی وینیلیدین فلوراید نیز گزارش نموده واستفاده ازفراصوت قوی را به عنوان یک روش جدید و بیضرر برای جلوگیری از گرفتگی غشاهای پلیمری مورد استفاده در تصفیه آب و سایر صنایع پیشنهاد دارند.[ 6 ]درخصوص اثر امواج فراصوت بر جنس غشاها نیز تحقیقات زیادی انجام شده و اثر فرکانس های قوی در شدت های مختلف نیز مورد بررسی قرار گرفته اند.
[13-7]علیرغم این تحقیقات اثرپاک کنندگی فراصوت دررفع گرفتگی غشاهای پلیمری بسته فرکانس و توان دستگاه فراصوت ، زمان اعمال موج صوتی، نوع وترکیب مواد موجوددرخوراک، جنس غشا ، دستگاههای مورد استفاده وطرح وساختار مدول متفاوت است[14]برای جایگزینی این روش به جای شوینده های شیمیایی و روشهای مکانیکی معمول و به کارگیری آن درصنعت راه زیادی درپیش است15]و[16 و یکی از بزرگترین مشکلات آن ساختار مدول و نگهدارنده های غشاها است که ممکن است از رسیدن امواج فراصوت واثرات پاک کنندگی آنها ممانعت به عمل آورند .
در این خصوص تابحال تحقیقات جداگانه ای انجام نشده و فقط به صورت پراکنده در بعضی تحقیقات به آنها اشاره شده است17]و.[18 در این تحقیق با تکیه براین موضوع اثرامواج فراصوت در فرکانس های متفاوت دربازیابی جریان درحین فرایند میکروفیلتراسیون در مدولهای مختلف غشا مورد بررسی قرار گرفته است مواد وروشها:غشای فیبر توخالی - - Hollowfiber membrane میکروفیلتراسیون از جنس پلیاتیلن ساخت شرکت میتسوبیشی ریون ژاپن - Mitsubishi Rayon - انتخاب گردید.
هر غشا متشکل از یک دسته فیبر توخالی با ابعاد 8 سانتیمتر طول، 0/8 میلیمتر قطر خارجی و 0/4 میلیمتر قطر داخلی در گروه 8 رشتهای که مجموعاً 512 رشته ایجاد میگردد و سطح مؤثر غشا برای انجام آزمایشات میکروفیلتراسیون معادل 0/1 مترمربع بود و مبنای محاسبه سطح غشا برای این نوع مدول 0/1 مترمربع بود.غشاهای تخت - - Flat sheet membrane میکروفیلتراسیون از جنس پلی وینیلیدین فلوراید - PVDF - ساخت شرکت میلیپور آمریکا دارای سطح مؤثر 30cm2 و قطر منافذ 0/2 میکرون به نام غشای فیلتراسیون دوراپور - Dorapore - که در بستهبندیهای ده عددی مخصوص دستگاه آزمایشگاهی اولترا و میکروفیلتراسیون مینی تان- اس - - Minitan-s ساخته شده بود.
غشای حلزونی - - Spiral wound پلیاترسولفونات - - PES با ابعاد مدول 5/8cm قطر و 23cm طول ساخت شرکت میلیپور - - Millipore امریکا به نام TFF2 و سطح مؤثر غشا 0/23 cm2 و جنس مدول پلیپروپیلن - - PP بود. برای بررسی جریان خوراک و ایجاد گرفتگی در غشاها از شیر خشک1 درصد بدون چربی ساخت کارخانه نستله سویس استفاده شد. هم چنین برای بررسی جریان خوراک آب مقطر و به منظور اطمینان از اندازهگیری صحیح میزان شار در غشا، آب مقطر توسط دستگاه میلی کیو - - Milli-Q ساخت شرکت میلیپور امریکا آب فراپاک - - Ultrapure یا کاملا عاری از ترکیبات وناخالصی هاتهیه و استفاده شدند. برای ایجاد امواج فراصوت از دستگاه فراصوت مدل هندا - Honda,W-115 - ساخت ژاپن به نام مولتیکلینر - - Multicleaner دارای 7 مبدل صوتی - - Transducer هر کدام دارای قطر 3 سانتیمتر که قادر بود در سه فرکانس متفاوت 28KHz، 45KHz، 100KHz و توان 100W تا300W موج فراصوت قوی تولید نماید.
برای کلیه آزمایشات از سه فرکانس 28، 45 و 100 کیلوهرتز از شدت یا توان 300 وات استفاده شد.بطوریکه برحسب توان اعمال شده درطول فرایند، موج صوتی با شدت2/73 w/cm2 درمحیط تولید مینمود . دستگاه فراصوت به یک حمام یا تانک استیل با ابعاد 30×30×30 و ظرفیت 25 لیتر و دارای جداره شیشهای متصل بود. برای انجام تحقیقات آزمایشگاهی غشای تخت از دستگاه اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون مینی تان- اس ساخت شرکت میلیپور امریکا استفاده گردید. دستگاه شامل دو صفحه از جنس آکریلیک هر کدام به قطر 2/3 سانتیمتر که توسط دو صفحه فلز استیل ضدزنگ به عنوان محافظ نگهداشته می شوندد و غشا میکروفیلتراسیون در بین دو جداکننده شیاردار از جنس سیلیکون به اندازه ابعاد غشا قرار گرفته و درداخل دو صفحه اکریلیک قرار داده می شوندد.
صفحه اکریلیک زیرین دارای شیار های درشت مخصوص عبور خوراک و صفحه بالای اکریلیک دارای شیار های ریز مخصوص عبور تراوه بود. برای اندازهگیری میزان شار تراوه نیز از روش وزنی/حجمی - - Volumetric توسط ترازوی O-house مدلScout SD 2020 با دقت 0/01 گرم استفاده گردید روش ها: دستگاه اولترافیلتراسیون نیز در داخل حمام فراصوت غوطهور شده و تحت تأثیر امواج فراصوت در فرکانسهای مختلف قرار داده می شد. بر سر راه مایع ورودی خوراک وخروجی خوراک خروجی فشارسنج متصل است تا از اختلاف فشار دو طرف فشار تراوه محاسبه و نیز فشار عبور کرده از غشا - Trans membrane pressure=TMP - محاسبه میگردد.
