به گزارش اتاق خبر، غشا میتواند با ضخامتهای مختلف و ساختارهای همگن یا ناهمگن به منظور استفاده در یک فرآیند خاص تهیه شود. غشای همگن یک لایه دارد که میتواند متخلخل یا غیرمتخلخل باشد اما غشای غیرهمگن دارای یک لایه محافظ متخلخل است و لایه دوم که میتواند متخلخل یا غیرمتخلخل باشد روی آن قرار میگیرد. غشاها میتوانند در ساختارهای مختلف ازجمله لولهای، فیبر توخالی مارپیچی و صفحهای ساخته شوند.
غشاها را میتوان بهطورکلی به دو نوع غشای مصنوعی و غشاهای بیولوژیکی طبقهبندی کرد. از نگاهی دیگر میتوان غشاها را به دو دسته کلی غشاهای پلیمری و غیرپلیمری تقسیمبندی کرد.
ساختار، کاربرد و ویژگیهای غشاهای پلیمری
۱) بهصورت ورقهای سنتز میشوند.
۲) دارای ساختار نامتقارن هستند.
۳) شامل یک لایه متخلخل بهعنوان پایه است که در زیر یک لایه صفحهای نازک با جنس مشابه قرار میگیرد.
۴) کاربرد گستردهتری نسبت به غشای غیرپلیمری دارد.
۵) به نسبت ارزانقیمت است.
ساختار، کاربرد و ویژگیهای غشاهای غیرپلیمری
۱) از سرامیکها ساخته میشوند و به غشاهای سرامیکی هم معروفاند.
۲) ساختاری نامتقارن با ناحیه متراکم بالایی روی یک پایه متخلخل دارند.
۳) بیشتر برای تصفیه آب استفاده میشوند.
۴) بهدلیل قیمت زیاد برای استفاده در مقیاس صنعتی مناسب نیستند.
غشاهای مصنوعی غشاهایی هستند که در آزمایشگاه سنتز میشوند.
انتخابپذیری و نفوذپذیری بهعنوان پارامترهای اصلی فناوری غشایی شناخته میشود. غشاهایی که با نیرو محرکه فشاری کار میکنند انرژی بسیار زیادی مصرف میکنند که همین امر یکی از محدودیتهای استفاده از این غشاهاست. عملکرد فرآیند غشایی تا حدود زیادی تابع جنس غشا و مواد به کار رفته در ساخت آن است. بکارگیری نانومواد در غشاها باعث بهبود نفوذپذیری، بهبود پایداری شیمیایی و حرارتی و خودتمیزشوندگی غشا میشود.
انواع فرآیندهای غشایی:
۱. میکرو فیلتراسیون
۲. اولترا فیلتراسیون
۳. نانوفیلتراسیون
۴. اسمز معکوس
تفاوت اصلی انواع فرآیندهای غشایی در اندازه ذراتی است که غشا توانایی جداسازی آنها را دارد. ذرات قابل جداسازی در مراحل بالا از ذرات ریز ماسهها با ابعادی حدود یک میلیمتر (یکهزارم متر) تا ذراتی با ابعاد حدود یک نانومتر (یک میلیاردیم متر) را شامل میشود.
کاربرد فناوری نانو در غشا و فرآیندهای غشایی
با گسترش علوم، فناوریهای پیشرفته ازجمله نانوفناوری آثار مفید و موثری بر فرآیندهای غشایی و کارآیی آنها داشته و روشهای جدید و نوینی را جایگزین روشهای قدیمی کرده است. از نتایج این آثار میتوان به این موارد اشاره کرد:
۱. غشاهای نانوفیبری:
غشاهای نانوفیبری اغلب با استفاده از روش ساده، ارزان و پربازده الکترواسپینینگ ساخته میشوند. این نوع غشاها از مواد مختلفی مانند پلیمرها، سرامیکها و حتی فلزات تهیه میشوند.
غشاهای نانوفیبری اغلب در تصفیه هوا و تصفیه آب کاربرد دارند. این نوع غشاها میتوانند موادی با اندازه میکرو را بدون ایجاد آلودگی و با سرعت زیادی از فاز آبی جدا کنند. غشاهای نانوفیبری ظرفیت استفاده بهعنوان پیشتصفیه در فرآیند اسمز معکوس را نیز دارند. با اصلاحاتی روی این نوع غشاها میتوان عملکرد و قابلیت آنها را بهبود بخشید. بهعنوانمثال با بکارگیری نانومواد سرامیکی یا به دام انداختن عاملهای مشخصی بر ساختمان نانوفیبرها یک طراحی جدید از غشای نانوفیبری بهدست میآید که برای حذف مواد سنگین و آلودگیهای فلزی و معدنی در طول عملیات فیلتراسیون قابل استفاده است.
۲. غشاهای نانوکامپوزیتی:
تعداد قابلتوجهی از مطالعات انجامشده روی بهبود عملکرد غشاها با استفاده از فناوری نانو بر طراحی غشاهای چندکاره و با عملکرد فزاینده با اضافه کردن نانومواد در غشاهای پلیمری و غیرمعدنی متمرکز شده است. نانوساختارهای استفاده شده برای چنین مصارفی شامل نانوذرات فلزی آبدوست (مانند Al۲O۳، TiO۲ و زئولیت)، نانوذرات ضدمیکروبی (مانند نانوذرات طلا و نقره) و نانوذرات فوتوکاتالیستی (مانند نانوذرات دو ذرهای فلزی و TiO۲) است. هدف اصلی اضافه کردن نانوذرات فلزی آبدوست کاهش آلودگی و خرابشدن غشا با افزایش میل آبدوستی آن است. اضافه کردن نانوذراتی مانند آلومینا، سیلیکا، زئولیت و TiO۲ به غشاهای پلیمری باعث افزایش سطح آبدوستی غشا، نفوذپذیری آب یا مقاومت در برابر تخریب میشود. این نانوذرات معدنی باعث بهبود پایداری حرارتی و مکانیکی غشا شده و همچنین اثرات منفی فشردهسازی و گرما را بر غشا کاهش میدهد. نانوذرات ضدمیکروبی مانند نانوذرات طلا و نقره و نانولولههای کربنی میتوانند آلودگی بیولوژیک غشا را کاهش دهند. نانوذرات نقره با به دام افتادن روی سطوح غشاهای پلیمری مانع از چسبیدن مواد باکتریایی مانند ویروسهای غیرفعال بر سطوح غشا میشوند. نانولولههای کربنی نیز باعث غیرفعال شدن باکتریهای چسبیده شده بر سطح غشا میشوند. به دلیل اینکه نانولولههای کربنی در آب غیرقابل حل است نیازی به پر کردن دوباره آن نیست هرچند با توجه به غیرفعالسازی مواد باکتریایی توسط این ماده، در طول یک فرآیند طولانیمدت بازده و کارآیی آن کاهش مییابد. اضافه کردن نانوذرات (فوتو) کاتالیستی باعث ترکیب خصوصیات جداسازی فیزیکی و واکنشپذیری کاتالیستی در غشاها در خلال تجزیه آلودگیها میشود. تاکنون تلاشهای زیادی برای توسعه غشاهای معدنی فوتوکاتالیستی شامل نانوذرات TiO۲ شده است.
۳. غشاهای نانوکامپوزیت فیلم نازک
توسعه غشاهای نانوکامپوزیت فیلم نازک روی بکارگیری نانومواد درون لایه فعال کامپوزیت فیلم نازک متمرکز شده است. نانوموادی که برای این کاربرد مورد تحقیق واقع شدهاند شامل نانوزئولیتها، نانوذرات نقره، نانوذرات TiO۲ و نانولولههای کربنی است. تاثیر نانوذرات بر انتخابپذیری و نفوذپذیری غشا به اندازه، مقدار و نوع نانوذرات اضافه شده بستگی دارد. نانوزئولیتها بیشتر در این نوع غشاها استفاده میشوند و ظرفیت خوبی برای بهبود نفوذپذیری غشا از خود نشان میدهند. اضافه کردن زئولیت باعث بهبود نفوذپذیری، ایجاد بار منفی که خاصیت ذاتی زئولیت میباشد و افزایش ضخامت لایه فعال پلیآمید میشود. دلیل این ویژگی نیز وجود حفرههای کوچک و آبدوست نانوزئولیتهاست که مسیر مناسبی برای عبور آب ایجاد میکند. بهعلاوه نانوزئولیت میتواند حامل مناسبی برای ذرات غیرمیکروبی مانند Ag+ باشد که باعث ایجاد خاصیت ضد باکتریایی غشا میشود.
اضافه کردن نانوذرات TiO۲ به غشا باعث بهبود خاصیت پذیرش نیافتن غشا در هنگام حفظ نفوذپذیری آن میشود. نانوذرات TiO۲ باعث کاهش آلودگیهای معدنی و غیرفعالسازی میکروارگانیسمها میشود. نانولولههای کربنی نیز به سبب خواص ضدمیکروبی که دارند به غشا اضافه میشوند. غشای حاصل خواص ضد باکتریایی متوسطی از خود نشان میدهد و موجب کاهش آلودگیهای زیستی بر غشا میشود.
۴. غشاهای مورد استفاده در فرآیندهای زیستی
غشاهای زیستی باید انتخابپذیری و نفوذپذیری بالایی از خود نشان دهند. غشاهای پلیمری که نفوذپذیری و انتخابپذیری بالایی دارند در این مصارف به کار میروند. اضافه کردن نانولولههای کربنی به غشاهای پلیمری باعث بهبود نفوذپذیری آب به سبب هدایت آب درون نانولولهها در غشا میشود اما اضافه کردن این نانولولهها موجب حذف بیش از حد نمکها و مولکولهای کوچک به سبب کوچک بودن قطر نانولولهها میشود. برای رفع این مشکل از یکسری گروههای عاملی (مانند گروه کربوکسیل) برای قسمت ابتدایی نانولولهها به منظور بهبود خاصیت انتخابپذیری غشا استفاده میشود.
۵. غشای مورد استفاده در فرآیند اسمز
فرآیند اسمز با استفاده از نیروی اسمزی، آب را از نقطهای با فشار اسمزی پایین به نقطهای با فشار اسمزی بالا منتقل میکند. سپس محلول رقیق دوباره توسط فرآیند اسمز معکوس یا با استفاده از فرآیندهای حرارتی برای رسیدن به آب خالص تصفیه میشود. برای انجام این فرآیند اغلب از مواد شیمیایی مختلف مانند NaCl و بیکربنات آمونیوم استفاده میشود. به تازگی از نانوذرات مغناطیسی (Fe۳O۴@Sio۲) برای سهولت جداسازی و باز مصرف در این فرآیند استفاده میشود. از یک پوشش آبدوست نیز برای کمک به تصفیه و افزایش فشار اسمزی استفاده میشود.
سرمایهگذاریها و سایر فعالیتهای علمی و فنی شرکتها
با توجه به اهمیت فناوری نانوو مزایای آن در فرآیندهای غشایی که در بخش قبل به آنها اشاره شد، شرکتهای مختلف سرمایهگذاریهای بزرگی در این حوزه انجام دادهاند و از توانایی دانشگاهها و موسسات علمی و تحقیقاتی معتبر جهانی برای رسیدن به اهداف خود بهره بردهاند.
منبع: صمت
95102
