بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مروری بر گرفتگی غشاهای پلیمری:انواع، مکانیزمها و روشهای شستوشو
خلاصه
در دهه های گذشته استفاده از فرآیندهای غشایی در صنعت روند روبه رشدی داشته است.با این حال مشکل عمده،که استفاده از این فناوری را در معرض محدودیت قرار میدهد،پدیده گرفتگی غشا است که متعاقباً منجر به افزایش هزینه های عملیاتی میشود. بنابراین شناخت بیشتر و بهتر این پدیده نه تنها به حل این مشکل کمک میکند بلکه در پیشرفت هرچه بیشتر صنعت غشا موثر است.در این مقاله سعی شده است ابتدا درمورد گرفتگی غشا و مکانیزم های آن توضیحاتی داده شود،سپس روشهای تمیز کردن آن مورد بررسی قرار میگیرد.
کلمات کلیدی: غشاهای پلیمری،گرفتگی،مکانیزمهای گرفتگی،انواع گرفتگی،روشهای شستوشو
.1 مقدمه
در حال حاضر غشاها جایگاه ویژهای در صنایع جداسازی مختلف پیدا کردهاند و کاربردهای وسیعی در زمینه های گوناگون جداسازی اعم از محلولهای مایع و گازهای مختلف یافتهاند که از آن جمله می توان به کاربرد در صنایع غذایی و لبنی برای جداسازی پروتئینها و تغلیظ شیر، صنایع شیمیایی و پالایشگاهی برای جداسازی گازها، داروسازی برای تخلیص در فرآیندهای مختلف نام برد.[1] غشا یک فاز نیمه تراوا است که در برابر عبور بعضی از ذرات به صورت انتخابی ممانعت ایجاد میکند و یا به عبارتی دیگر بطور انتخابی اجازه عبور ذرات را میدهد.فرآیندهای غشایی، فرآیندهایی هستند که در آنها با استفاده از یک غشا، خوراکی که مخلوطی از دو یا چند جزء میباشد به دو جریان پسماند و عبوری تقسیم میگردند.[1]در شکل1شماتیک فرآیند غشایی را مشاهده میکنید.
شکل-1 شماتیک فرآیند غشایی
از مزایای فرآیندهای غشایی میتوان به کاهش مصرف انرژی به دلیل عدم تغییر فاز،حجم کم،تنوع در شکل و اندازه،افت فشار کم و انتفال جرم بالا، نیاز کم به مواد افزودنی و حلالها، بالابودن راندمان جداسازی برای محلولهای رقیق و سهولت کار نام برد.
.2 گرفتگی
یکی از بزرگ ترین مشکلات فناوری پیشرفته غشایی،گرفتگی زودهنگام غشاها به دلیل تجمع و رسوب مواد روی سطح غشا و یا نفوذ ذرات به داخل منافذ غشا میباشد؟میزان گرفتگی را میتوان با طراحی سیستم و مدول و همچنین با استفاده از پروتکل های شستوشوی شیمیایی منظم کنترل کرد اما نمیتوان به طور کامل حذف کرد.گرفتگی معمولا به دوسته برگشت پذبر و برگشت ناپذیر تقسیم میشود.گرفتگی برگشت پذیر توسط شستوشو با آب برطرف میشود اما در گرفتگی برگشت ناپذیر ترکیبات لایه ژلی روی سطح غشا با یکدیگر واکنش داده و تشکیل یک لایه متراکم روی سطح غشا میدهند.این نوع گرفتگی به راحتی قابل رفع نیست. [2-3-4 ]
برای فهم بهتر پدیده گرفتگی ابتداً باید به دو مفهوم شار بحرانی و قطبش غلظتی پرداخته شود.شار بحرانی، شار کمینهای است که در یک فرآیند غشایی،پس از رسیدن به آن،کاهشی در شار جریان عبوری از غشا مشاهده نمیشود.در این حالت قطبش غلظتی در نزدیکی سطح غشا رخ میدهد بدیم معنا که که غلظت ذرات در نزدیکی سطح غشا بیشتر از غلظت در توده است.شکل2 شماتیک فرآیند غشایی با شار بحرانی را نشان میدهد که منجر به قطبش غلظتی در نزدیکی سطح غشا شده است.
شکل-2 شماتیک فرآیند غشایی با شار بحرانی و پدیده قطبش غلظتی[4]
اما زمانیکه شار عملیاتی بیشتر از شار بحرانی شود،گرفتگی ایجاد شده و منجر به تشکیل لایه کیک روی سطح غشا میشود.شکل3 شماتیک این فرآیند را نشان میدهد. باتوجه به اینکه در صنعت به دلیل مسائل اقتصادی و زمان، شار عملیاتی بیشتر از شار بحرانی است، معمولا با پدیده گرفتگی مواجه میشویم.
شکل-3 شماتیک فرآیند غشایی با شار عملیاتی بیشتر از شار بحرانی و تشکیل کیک[4]
.3 مکانیزمهای گرفتگی
در سال1982دانشمندی به نام هرمیا1 چهار نوع مدل گرفتگی که منجر به کاهش شار در فشار ثابت میشود را پیشنهاد داد.[5]این مدلها به فرم معمول ریاضی زیر نوشته میشوند:
با قرار دادن معادله فلاکس(به صورت رابطه(2 در معادله 1، رابطه کاهش فلاکس به صورت رابطه3 بدست میآید.
که A مساحت سطح غشا،K پارامتر ثابت سنتیکی است.برای هر مقدارK وm یک مکانیزم گرفتگی تعریف میشود. در حالت تشکیل کیک((m=1،لایهای از ذرات روی سطح غشا ایجاد میشود.در مکانیزم گرفتگی متوسط( (m=1 قسمتی از ذرات ورودی حفرات را بسته و بقیه روی هم انباشته میشود.در حالت گرفتگی استاندارد((m=1/5، ذرات روی دیواره حفرات تجمع کرده و باعث کاهش شعاع حفرات میشوند.در گرفتگی کامل((m=2 ورودی حفرات توسط ذرات بسته میشود.گرفتگیهای متوسط و تشکیل کیک جز گرفتگی های برگشت پذیر و گرفتگی کامل و استاندارد جز گرفتگی برگشت ناپذیر است. خلاصه ای از معادلات و شکل شماتیک هر کدام از مکانیزمها در جدول1 آورده شده است.با رسم دادههای آزمایشگاهی و مقایسه آن با معادلات مربوط به مکانیزمها، هر معادلهی خطی که با دادههای آزمایشگاهی تطابق بیشتری داشت، به عنوان مکانیزم اصلی گرفتگی شناخته میشود.[5]
جدول-1 مکانیزمهای گرفتگی ، معادلات و شماتیک هر یک[5]
.4 انواع گرفتگی
گرفتگی براساس عوامل گرفتگیزا به چهار دسته کلوئیدی،آلی،غیرآلی(رسوبی) و بیولوژیکی تقسیم میشود. [4 ]
.1,4 گرفتگی کلوئیدی: ذرات حاصل از خوردگی،گل و لای، خاک و لجن، کریستالهای رسوب کرده، ترکیبات رسوب کرده آلومینیوم و آهن، سیلیس و گوگرد کلوئیدی و... منجر به این نوع گرفتگی میشود.ساختار و جرم لایه کیک رسوب کرده تحت تاثیر نیروی ذره- ذره و شرایط هیدرودینامیکی است.
.2,4 گرفتگی آلی:این نوع گرفتگی ناشی از جذب ترکیبات حل شده است.پروتئین ها، آمینواسیدها، اسیدهای آبدوست کوچک، فلویک اسید و هیومیک اسید از جمله این ترکیبات هستند.هرچه اندازه این ذرات بزرگتر، بار الکتریکی آنها کمتر و آبگریزتر باشند احتمال گرفتگی برگشت ناپذیر بیشتر است.در این مواقع شست و شوی شیمیایی برای بهبود عملکرد فرآیند ضروری است.
.3,4 گرفتگی غیرآلی(رسوبی):این نوع گرفتگی بر اثر رسوب یونهای حل شده برسطح غشا به علت اکسایش یا تغییرpH ایجاد میشود.این رسوب دهی به دنبال فرآیند کریستالیزاسیون و رشد کریستالها صورت میگیرد.کلسیم کربنات، باریم سولفات، سیلیکا و کلسیم سولفات ازجمله موادی هستند که منجر به ایجاد گرفتگی میشوند.
.4,4 گرفتگی بیولوژیکی:وجود باکتریها و قارچها چسبیده به سطح غشا منجر به ایجاد لایه زیستی روی سطح غشا میشود.گرفتگی بیولوژیکی ناشی از تجمع این ارگانیسمهای بیولوژیکی، رشد و متابولیسم آنها روی سطح غشا
