فرایند جداسازی غشایی، گروهی از فناوری های جداسازی هستند که بر اساس استفاده از غشاهای نیمه تراوا برای جداسازی اجزای مختلف یک سیال عمل می‌کنند. این فرایندها، بدون نیاز به تغییر فاز (مانند تقطیر)، امکان جداسازی مواد را بر اساس اندازه، شکل، بار الکتریکی و یا سایر خواص فیزیکی و شیمیایی فراهم می‌کنند.
طیف وسیعی از کاربردها، از تصفیه آب و فاضلاب گرفته تا صنایع غذایی و دارویی، گستره‌ی استفاده از این فناوری‌ها را نشان می‌دهد. فرایندهای غشایی به دلیل مصرف انرژی پایین، راندمان بالا، و قابلیت تولید جریان‌های پیوسته، به طور فزاینده ای در مقایسه با روش‌های جداسازی سنتی مورد توجه قرار گرفته اند. انواع مختلفی از فرایندهای غشایی وجود دارد، از جمله میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس و تراوش گاز، که هر کدام برای جداسازی مواد با اندازه و خواص خاص طراحی شده اند.
فرآیند جداسازی غشایی چیست؟
فرایند های جداسازی غشایی مجموعه ای از تکنیک های جداسازی هستند که بر اساس استفاده از غشایی نیمه تراوا برای جداسازی اجزای مختلف یک مخلوط صورت می‌گیرند. این غشا به صورت انتخابی به برخی از مواد اجازه عبور می‌دهد در حالی که از عبور مواد دیگر جلوگیری می‌کند.
نیروی محرکه برای این جداسازی می‌تواند اختلاف فشار (مانند اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون)، اختلاف غلظت (مانند دیالیز)، یا پتانسیل الکتریکی (مانند الکترودیالیز) باشد.
انواع مختلفی از غشاها با خواص متفاوت برای کاربردهای گوناگون موجود است که شامل میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، گاز جداسازی و تراوش بخار می‌شوند. این فرایندها به دلیل مصرف انرژی پایین، سادگی عملیات و عدم نیاز به مواد شیمیایی اضافی، در صنایع مختلفی از جمله تصفیه آب، صنایع غذایی و دارویی، و صنایع پتروشیمی کاربرد گسترده ای دارند.
مزایای فرآیند جداسازی غشایی
فرآیند غشایی در مقایسه با فرآیند های دیگر جداسازی مواد دارای چندین مزیت مهم و قابل توجه است که ارزش و اهمیت آن را در حوزه‌های مختلف تصفیه و جداسازی نشان می‌دهد. در ادامه به برخی از این مزایا اشاره می‌شود که نشان می‌دهد چرا استفاده از فناوری غشایی در بسیاری از زمینه‌ها رو به رشد و توسعه است. مزایای مهم عبارتند از:
- صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی
- سازگاری با محیط زیست
- فناوری پاک و آسان سازی فرآیند ها
- قابلیت جایگزینی با فرآیند های متداول مانند فیلتراسیون و تقطیر
- تولید محصول با کیفیت
- انعطاف پذیری بالا در طراحی سیستم های فرآیندی
انواع غشا
غشاها عمدتاً از نظر نوع و ماهیت به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند که یکی غشاهای آلی و دیگری غشاهای غیرآلی نام دارند. غشاهای آلی در مقایسه با غشاهای غیرآلی، از نظر قیمت تمام شده بسیار مقرون به صرفه تر هستند و در عین حال کارایی بالاتری نیز دارند، اما می‌توان با اصلاح و بهبود غشاهای غیرآلی، تا حدودی نزدیک به کارایی غشاهای آلی شد، در حالی که هزینه ساخت و عملیاتی آن‌ها تقریباً نصف است.
غشاهای آلی به دلیل مقاومت مکانیکی و حرارتی بسیار بالا، در فرآیندهای غشایی که نیازمند تحمل تنش‌های حرارتی و مکانیکی شدید هستند، تنها گزینه مناسب محسوب می‌شوند.
با وجود این، غشاهای غیر آلی، به دلیل هزینه ساخت و هزینه‌های عملیاتی بسیار پایین، توانایی عبور جریان بالا و گستره عملیاتی وسیع تر، امروزه به عنوان گزینه ای مناسب و رایج در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، به ویژه در تصفیه آب، مورد استقبال قرار گرفته اند. این عوامل باعث شده است که تصمیم گیری در مورد نوع غشا، بسته به نیازهای خاص فرآیند، کاربرد و محدودیت‌های اقتصادی، بسیار اهمیت یابد.
کاربرد انواع غشاء در فرآیند جداسازی
روش های جداسازی مبتنی بر غشاء شامل انواع مختلفی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون، الکترودیالیز، تبخیر غشایی و تقطیر غشایی است. در ادامه، به بررسی مهم ترین کاربردهای غشاها در جداسازی مواد در صنایع مختلف می‌پردازیم.
میکروفیلتراسیون
میکروفیلتراسیون (MF) غشایی متخلخل با منافذ ۰.۱ تا ۰.۲ میکرون است، که شامل دو نوع فیلتر عمقی و غربالی می‌شود. غشای عمقی دارای لایه سطحی حفرات درشت و بخش میانی با منافذ ریز است که ذرات بزرگ تر را در خود نگه می دارد، در حالی که فیلتر غربالی سطحی با منافذ ریز، ماکرومولکول‌ها را از ابتدا جدا می‌کند.
کاربردهای آن عبارتند از: تصفیه آب، استریلیزه کردن صنایع دارویی، خالص سازی آنتی بیوتیک ها، جداسازی باکتری‌ها، تصفیه نفت، تولید لبنیات، شفاف سازی شیرین کننده دکستروز، حذف فلزات سنگین از پساب‌ها و جداسازی پلاسما از خون.
الترافیلتراسیون
الترافیلتراسیون (UF) غشایی با قطر منافذ ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۱ میکرون است، مناسب برای جداسازی ذرات کوچک تر و در حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ آنگستروم. این غشاها معمولاً از پلیمرهای آلی مانند مشتقات سلولز، پلی سولفون، پلی پروپیلن و PVDF ساخته می‌شوند.
چون حفرات این غشاها کوچک تر است، اغلب از آن ها پس از عبور از غشای میکروفیلتراسیون برای جلوگیری از گرفتگی استفاده می‌شود، هرچند غشای سرامیکی در برابر گرفتگی مقاومت بیشتری دارد. کاربردهای آن شامل تولید آب خالص پزشکی، فرآورده‌های پروتئینی و آب میوه، تصفیه آب آشامیدنی، تولید پنیر و محصولات لبنی، خالص سازی آنزیم‌ها، حذف باکتری‌ها و فرآیندهای تغلیظ و شفاف سازی است.
نانو فیلتراسیون
نانو فیلتراسیون و اسمز معکوس شباهت‌هایی در عملکرد دارند، اما اسمز معکوس کارایی بالاتری دارد. تفاوت اصلی این است که یون‌های تک ظرفیتی از غشاء نانوفیلتراسیون عبور می‌کنند، در حالی که غشاء اسمز معکوس اجازه عبور آن ها را نمی‌دهد؛ و یون‌های چند ظرفیتی نیز از نانوفیلتراسیون عبور نمی‌کنند.
مواد جداسازی شده باید وزن مولکولی بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ گرم بر مول داشته باشند. کاربردهای نانوفیلتراسیون شامل بازیافت یون‌های تک ظرفیتی مانند سدیم و کلر، جداسازی یون‌ها بر اساس ظرفیت، نرم کردن آب‌های شور و حذف آلاینده‌هایی چون آفت کش ها است.
اسمز معکوس
اسمز معکوس از غشای نیمه نفوذ پذیر برای جداسازی یون‌ها، مولکول‌ها و ذرات بزرگ تر از آب با اعمال فشار استفاده می‌کند. در این فرآیند، حلال از سمت غلیظ تر به سمت رقیق تر نفوذ می‌کند تا تعادل شیمیایی برقرار شود، که به ایجاد فشار اسمزی منجر می‌شود.
با افزودن فشاری بیشتر از فشار اسمزی، جریان آب معکوس شده و ناخالصی ها جدا می‌شوند. کاربردهای آن شامل نمک زدایی آب، تصفیه و حذف آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین و نیترات، احیای پساب صنعتی، تولید هیدروژن، تغلیظ محصولات مایع و فرآوری شیره درخت افرا است.
