بخشی از مقاله
چکیده
جداسازي مواد توسط غشاء، با توجه به کارایی هایی که در صنایع مختلف دارد می تواند به عنوان یکی از فرایندهاي کارآمد جداسازي در ده هاي اخیر مورد توجه قرار گیرد. فرآیندهاي غشایی با داشتن مزایاي فراوان مانند کاهش مصرف انرژي به دلیل عدم تغییر فاز ، تنوع در شکل، انتقال جرم زیاد و کاربرد براي انواع صنایع و نیز سهولت کاربرد مقیاس هاي صنعتی و همچنین به دلیل ویژگی دار محیط زیست بودن آنها، از سایر روش هاي جداسازي همانند تقطیر متمایز شده اند. با این حال این روش معایبی از قبیل پلاریزاسیون غلظتی و کاهش شار عبوري دارند که این دو باعث بوجود آمدن پدیدة گرفتگی در غشاها می شوند و با توجه به اینکه گرفتگی در تمام غشاها رخ می دهد لذا باید جهت حفظ کارایی غشاء در فواصل زمانی معین آن را تمیز کرد. اگر چه در طی فرآیند جداسازي ترفند هایی جهت کاهش میزان گرفتگی اتخاذ می شود، اما این پدیده به طور کامل قابل حذف نیست و نهایتاً پس از یک دوره زمانی، شار جریان عبوري از غشاء تا حدي کاهش می یابد که احیاي مجدد غشاء توسط روش هاي تمیز کردن را ضروري می گرداند. فواصل زمانی مورد نیاز براي انجام عملیات احیا متغیر بوده و به نوع فرآیند بستگی دارد. روش هاي تمیز کردن غشاء را می توان به چهار دسته که عبارتند از: روش هاي فیزیکی، روشهاي شیمیایی، روش هاي بیولوژیکی (زیستی)، روش ترکیبی (فیزیکی – شیمیایی) تقسیم نمود. در این مقاله، مروري کلی بر گرفتگی غشاء و عوامل ایجاد کنندة آن و همچنین روشهاي تمیز کردن غشاء صورت گرفته است.
واژههاي کلیدي: پلاریزاسیون غلظتی- شار جریان عبوري- گرفتگی غشاء- روش هاي تمیزکردن
-1 مقدمه
تکنولوژي جداسازي توسط غشاء، با بهره گیري از توانایی هاي خاص خود جایگاه ویژه اي در فرآیندهاي جداسازي پیدا کرده است. غشا یک فاز میانی می باشد که اجزا مختلف با شدت تراوش پذیري متفاوت از آن عبور می کنند و در آن ذرات از یک سمت به سمت دیگر انتقال می یابند. به طور کلی فاز هایی که در دو طرف غشا قرار می گیرند در سه حالت مایع-مایع، گاز–گاز و گاز– مایع می باشند. در هر حالت شرایط مرزي فازهاي درگیر با غشاء اثر بسیار مهمی بر رفتار تراوش پذیري جزء مورد نظر دارد. با توجه به اینکه کاربرد تجاري غشاها وابسته به کارایی آنها می باشد، یک مشکل اساسی در کاربرد آنها وجود دارد که از مهمترین عوامل محدود کنندة کاربرد گستردة این فناوري محسوب می شود و آن مشکل پدیدة گرفتگی غشاء می باشد. گرفتگی غشاء شامل جوانب اقتصادي مانند کاهش طول عمر مفید غشاء، هزینه هاي مربوط به تمیز کردن و همچنین جوانب تکنولوژي مانند کاهش میزان شار می باشد. پدیدة گرفتگی غشاء بیشتر در فرآیندهایی اتفاق می افتد که خوراك مایع حاوي ذرات معلق زیادي می باشد. در این فرآیندها هر چه اندازه حفره هاي غشاء کمتر می شود، نیروي محرکه ي بیشتري براي جداسازي مورد نیاز می باشد. دو پارامتر نیروي محرکه ي جداسازي و شار جریان عبوري کاملاً بهم وابسته اند. شار جریان عبوري از غشاء توسط پدیدة پلاریزاسیون غلظتی کاهش یافته و ادامه یافتن روند ماندگاري پلاریزاسیون غلظتی منجر به جذب ذرات ریز و درشت روي سطح غشاء و در نتیجه گرفتگی آن می شود. در اثر این پدیده لایه ژل روي سطح غشاء ایجاد می شود که برگشت ناپذیر است و تنها راه بر طرف کردن آن استفاده از روش هاي رفع گرفتگی و تمیز کردن غشاء می باشد که هدف اصلی ارائه این مقاله بررسی گرفتگی غشاء و تمیز کردن آن می باشد که در ادامه به آن پرداخت خواهد شد.
-2 بحث و نتایج
-2-1 شار جریان عبوري از غشاء
در فرآیندهاي جداسازي غشایی اولین مرحله، انتخاب غشاء مناسب می باشد. به هر حال در طی جداسازي واقعی بعنوان مثال فرآیندي که نیروي محرکه ي آن اختلاف فشار باشد عملکرد غشاء یا بهتر بگوییم عملکرد سیستم می تواند با گذشت زمان تغییر کند، یکی از فاکتورهایی که با گذشت زمان تغییر می کند شار جریان عبوري از غشاء می باشد در واقع تعریفی که می توان براي شار بیان کرد به این صورت است که حجم ماده اي که در واحد زمان از واحد سطح غشاء عبور می کند، پس اغلب رفتار شار– زمان باید مشاهده شود: شار با گذشت زمان کاهش می یابد. این رفتار در شکل 1 نشان داده شده است. که منجر به پلاریزاسیون غلظتی و بدنبال آن گرفتگی غشاء می شود.
در غشاء الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون کاهش شار خیلی شدید می باشد، بطوریکه شار فرآیند اغلب کمتر از %5 در شار آب خالص می شود. در مقابل این مسئله در جداسازي گازي و تراوش تبخیري کمتر می باشد. کاهش شار توسط چند فاکتور می تواند ایجاد شود، بعنوان مثال پلاریزاسیون غلظتی، جذب، تشکیل لایه اي از ژل و مسدود شدن حفره ها، تمام این عوامل سبب افزایش مقاومت در انتقال خوراك از میان غشاء می شود. مقدار این پدیده ها شدیداً وابسته به نوع فرآیندهاي غشاء و خوراك محلول بکار برده شده می باشد. شکل 2 بیانگر این مسئله می باشد.
فرمول شار را براي غشاء می توان به صورت زیر نوشت:
چنانچه در فرآیندهایی که نیروي محرکه ي آنها اختلاف فشار می باشد مانند الترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس فرمول شار می شود:
لازم است که بین فرآیندهاي پلاریزاسیون غلظتی و گرفتگی غشاء تفاوتی قائل شویم و بیان کنیم که گرفتگی غشاء بدنبال پلاریزاسیون غلظتی ایجاد می شود.[1]
-2-2 شار حدي تراوش پذیري
شار حدي، شار کمینه اي است که در یک فرآیند غشایی، پس از رسیدن به آن کاهشی در شار جریان عبوري از غشاء مشاهده نمی شود. در این حالت، گرفتگی غشاء به حداکثر مقدار خود می رسد و ذراتی که از آن به بعد روي لایه هاي قبلی قرار می گیرند، در اثر هیدرودینامیک جریان از سطح لایه آلاینده جدا شده و مجدداً وارد توده جریان خوراك می شوند. از این رو، پس از رسیدن به شار حدي ضخامت این لایه تقریباً ثابت می ماند. معمولاً غشاها را باید پیش از رسیدن به شار حدي تمیز کرد، زیرا هنگام برقراري شار حدي لایه آلاینده غشاء تثبیت شده و در این حالت، از بین بردن آن به مراتب مشکل تر از هنگامی است که این لایه در حال تشکیل شدن است.
