مقاله کامل فرايندهاي جداسازي واكنشي مبتني بر غشاء

فرایندهای جداسازی واكنشی مبتنی بر غشاء
مقدمه
فرایندهای جداسازی واكنشی مبتنی بر غشاء (همچنین راكتور غشاء)، كه موضوع اصلی این كتاب را تشكیل می دهند، گروهی خاص از حوزه گسترده فرایندهای جدایش مبتنی بر غشاء هستند. در این مقدمه، ابتدا مروری عمومی از غشاء ها و فرایندهای جداسازی مبتنی بر غشاء ارائه می كنیم. هدف آشنایی خوانندگان مبتدی در زمینه غشاء با اصول و تعاریف اولیه است. توضیح دقیق تر در این مورد، شامل جنبه های مختلف سنتز غشاء از تعدادی در كتاب های منتشر شده در این زمینه یافت می شود. سپس، خلاصه ای از جنبه های حوزه جداسازی واكنشی مبتنی بر غشاء ارائه می شود، كه برای خوانندگان در ادامه این كتاب مفید خواهد بود.
اصول فرایندهای جداسازی غشاء
فرایندهای جداسازی مبتنی بر غشاء امروزه كاربرد گسترده و افزاینده ای در صنایع پتروشیمی، غذا و دارویی، بیوتكنولوژی و كاربردهای محیطی مختلف از جمله تصفیه هوا و آبهای آلوده پیدا كرده اند. اصلی ترین مزایای فرایندهای جداسازی غشاء بر همتایان آنها (جذب سطحی، جذب، تقطیر و …) صرفه جویی در انرژی، و كاهش در سرمایه گذاری اولیه می باشد.
یك غشاء یك فاز نفوذ پذیر یا نیمه نفوذ پذیر به شكلیك لایه نازك است، كه از مواد مختلفی از جمله جامدات غیر آلی تا پلیمرها ساخته شده است. مطابق شكل 1-1، نقش اصلی لایه غشاء كنترل تبادل مواد بین دو فاز مجاور سیال است. بدین منظور، غشاء باید بتواند به عنوان مانع عمل كند، كه گونه های مختلف را یا توسط غربالگرییا كنترل نرخ نسبی تبادل جدا می كند. مطابق شكل 1-1، عمل غشاء موجب جریان سیالی (retentate) می شود كه از برخی از اجزای اصلی خود فقیر شده، و سیالی (permeate) كه از این اجزا غنی می شود. فرایندهای تبادل در غشاء ناشی از نیروی پیش رانه ای هستند، كه مرتبط با گرادیان غلظت، فشار، دما، پتانسیل الكتریكی و … است. توانایی غشاء برای جداسازی مخلوط توسط دو پارامتر، نفوذ پذیری و انتخاب پذیری تعیین می شود. نفوذ پذیری به عنوان جریان (جریان مولار یا حجمی در هر واحد مساحت غشاء) گذر كرده از غشاء به نسبت ضخامت غشاء و نیروی محركه آن تعریف می شود؛ برای موردی كه تبادل به دلیل گرادیان فشار جزئی رخ می دهد، واحد نفوذپذیریmol (m3).m.m-2.Pa-1.s-1 است. ضخامت واقعی غشاء اغلب مشخص نیست، و نفوذ، كه به عنوان جریان ورودی با توجه به نیروی محركه (با واحد mol (m3).m.m-2.Pa-1.s-1) تعریف می شود، به جای آن استفاده می شود. پارامتر مهم دوم انتخاب پذیری غشاء است، كه نشان دهنده قابلیت غشاء برای جداسازی دو گونه مولكولی مشخص است، و معمولا به شكل نسبت نفوذ پذیری ها برای دو گونه تعریف می شود.
شکل 1.1. نقشه برداری از اصل جداسازی غشاء اساسی.
غشاء بر این اساس طبقه بندی شده اند که آیا لایه نازک نفوذ پذیر متخلخل یا متراکم است، و با نوع موادی (آلی، پلیمر، غیر معدنی، فلز، و غیره) که این فیلم غشا را ساخته است. انتخاب یک فیلم متخلخل نسبت به یک فیلم متراکم و نوع مواد مورد استفاده برای تولید بستگی به روند جداسازی مورد نظر، درجه حرارت کار و نیروی محرک مورد استفاده برای جداسازی دارد. انتخاب ماده بستگی به نفوذ و انتخابی مورد نظر و نیازهای پایداری حرارتی و مکانیکی دارد. برای برنامه های راکتور غشایی، که در آن واکنش با فرآیند جداسازی همراه است، فیلم نازک نیز باید تحت شرایط واکنش پایدار باشد.
غشاء های متخلخل از پلیمرها ساخته می شوند (شامل آنهایی هستند که برای غشاهای متراکم استفاده می شوند و علاوه بر این بسیاری از دیگران از جمله پلی سولفون، پلی آریلونیتریل، پلی پروپیلن و غیره)، سرامیک (آلومینا، سیلیس، تیتانیوم، زیرکونیا، زئولیت و غیره) و میکروپروس کربن غشاهای آلی و پلیمری ضعیف معمولا برای جداسازی مقیاس مولکولی شامل مخلوط گاز و بخار استفاده می شود. انواع مختلفی از پلیمرهای مصنوعی وجود دارد، از جمله سیلیکون ها، پرفیوپروپلیمرها، پلی آمید ها، پلی آمید ها و غیره، که تا کنون کاربرد در زمینه غشا را پیدا کرده اند. در ناحیه راکتور غشاء، علاوه بر غشای پلیمری، استفاده از غشاهای متراکم و اکسید جامد است. غشاء فلزی از فلزات گرانبها مانند پلاتین، پالادیوم یا نقره و آلیاژهای مختلف حاوی حداقل یکی از این فلزات ساخته شده است. این غشا به طور خاص برای جداسازی هیدروژن (Pd، Pt و آلیاژهای آنها) و یا اکسیژن (Ag) استفاده می شود. غشاء اکسید جامد ضخیم برای جداسازی اکسیژن و هیدروژن استفاده می شود و قوس ساخته شده توسط انواع مختلف مواد هدایت یونی، مانند زیرکونیا اصلاح شده و پرویسیت ها و استفاده از این غشاهای متراکم در راکتورهای غشایی کاتالیستی بیشتر در فصل های بعدی این کتاب شرح داده خواهد شد.
غشاء قوس نیز بر اساس اینکه آیا آنها متقارن (همگن) و یا ساختار نامتقارن هستند طبقه بندی شده است. غشاهای همگن یا متقارن هنگامی که مواد غشایی دارای ثبات مکانیکی لازم برای خودکاری هستند آماده می شوند. با این حال، در بسیاری از موارد، لایه نازک و مجذور کننده قدرت مکانیکی کافی برای خودپنداره ندارد. در چنین مواردی، لایه غشایی بر روی یک حفر متخلخل قرار می گیرد که احتمالا می تواند از یک ماده متفاوت ساخته شود که منجر به غشاهای نامتقارن می شود. این پشتیبانی، بدون ایجاد مانع در حمل و نقل جمعی، به ثبات مکانیکی لازم برای غشاء می دهد. در شکل 1.2، دو میکروگرافی الکترونی مختلف نشان داده می شود که یکی از آنها نماینده متقارن،
غشای پلیمری خودستایی است و دیگری نشان دهنده یک غشاء ترکیبی نامتقارن است که شامل یک لایه پلیمری نازک و واضح بر روی یک پشتیبانی سرامیکی بزرگ است. غشاء نامتقارن کامپوزیتی می تواند از طریق تکنیک های مختلف، از جمله افزودن به لایه جدایی ناپذیر خود از نانوذرات ساخته شده از مواد مختلف، تهیه شود. تکنیک های دیگر شامل رسوب یک پلیمر یا لایه نازک فلزی [1.6، 1.7، 1.8] بر روی یک متقارن متخلخل سرامیکی (شکل 1.2a)، و همچنین نفوذ یا سنتز مواد مختلف به ساختار متخلخل پشتیبانی میشود f 1.9، 1.10]
غشاها انواع هندسی متنوعی دارند. آن ها به صورت مسطح، لوله ای و چند لوله ای، فیبرهای توخالی، و غشا مارپیچ هستند. نوع هندسه ای که غشا در آن تولید شده به نوع موادی که از آن ساخته شده بستگی دارد. غشاهای سرامیکی عموماً هندسه ای به صورت لوله ای، چند لوله ای و مسطح دارند، در حالیکه غشاهای به صورت مارپیچ و فیبر توخالی، برای بیشتر بخش ها (با چند مثال قابل توجه) به نظر از پلیمر ساخته شده اند.
برای غشاهای متخلخل اندازه مولکولی گونه ها باید جداسازی شود و نقش مهمی را در تعیین اندازه منافذ غشا مورد نظر و فرایند غشایی متناظر بازی می کند. بر اساس طبقه بندی IUPAC، غشاهای متخلخل با قطر میانگین بین 2 تا 50 نانومتر به عنوان غشاهای میزوپروس و میکروپروس دارای منافذی با قطر میانگین کمتر از 2 نانومتر هستند. فرایندهای غشایی حاضر شامل میکروفیلتریشن (MF)، اولترافیلتریشن (UF)، نانوفیلتریشن (NF)، جداسازی گاز و بخار (GS)، و پرورپوریشن (PV) است. شکل 1.3 نوع اندازه مولکول نمونه ها به ویژه مواردی که توسط این نوع فرایندهای مختلف جدا شده اند را نشان می دهد.
شکل 1.3 فرایندهای غشایی مختلف و انواع مختلف غشاها و مولکول ها درگیر (a) چگالی و اولترا نیکروپوس، (b) میکروپروس، (c) مسوپروس، (d) ماکروپروس. مکانیزم انتقال جرم از میان جرم بسته به مواردی بسیاری از جمله ساختار غشا، تعاملات ویژه میان غشا و مایع، و شرایط عملیاتی کلی متفاوت می باشد. انتقال جرم از میان غشاهای پلیمریک با چگالی زیاد به عنوان مثال در سوابق مهندسی توسط مکانیزم انتشار محلول شرح داده شده است. [1.1، 1.12، 1.13]. بر اساس این مکانیزم، نمونه های مولکولی ابتدا باید بر روی سطج جذب شده و در حجم پلیمر حل شوند، که در آن انتقال به وسیله انتشار از میان حجم آزاد در ساختار پلیمر انجام می شود. مکانیزم های مشابه عکس العمل سطحی (اکسیداسیون و یا ترکیب هیدریدها) و انتشار (هیدرید یا یون) را در در حجم غشا را مورد استفاده برای توضیح انتشار از میان غشا اکسید فلزی و یا جامد را در نظر گرفته اند.
درک انتقال از میان چنین غشاهایی نیازمند اندازه گیری هم ویژگی های جذب سطحی و هم انتقال این مواد است. روش های ریاضی برای تحلیل اطلاعات تجربی، که اثر هندسه غشا را در نظر گرفته اند، چند سال پیش توسط کرنک ایجاد شدند [1.14].
برای غشاهای متخلخل، مکانیزم انتقال غالب به طور عمده به اندازه متوسط غشا (1.1 و 1.3] و اندازه و نوع مولکول های منتشر شده بستگی دارد. برای غشاهای مسوپروس و ماکروپروس انتشار مولکولی و نادسن، و جریان انتقالی ابزارهای غالب برای انتقال هستند [1.15 و 1.16]. شرح انتقال در چنین غشاهایی یا از توصیف فیکیان برای انتشار استفاده می کند [1.16] و یا از روش های مدل داستی گس (DGM) [1.17] استفاده می کند. برای غشاهای میکروپروس تعامل میان مولکول های منتشر شده و سطح منفذ غشا بسیار برای تعیین ویژگی های انتقالی حائز اهمیت است. توضیح انتقال از میان چنین غشایی یا از فرمول اتفان مکس ول [1.18، 1.19، 1.20] و یا روش های شبیه سازی دینامیکی مولکولی دیگر [1.20] استفاده می کند.
برای فرایندهای غشایی شامل مایعات، مکانیزم های حمل و نقل جرم می توانند بیشتر درگیر شوند. این به دلیل ماهیت ترکیب مایع است که در حال حاضر توسط غشا جدا شده و به صورت قابل توجهی پیچیدگی بیشتری دارد. آن ها شامل امولوسیون، تعلیق ذرات جامد، پروتئین ها، میکروارگانیسم ها و محلول های چند جزئی پلیمرها، نمک ها، اسیدها و پایه ها هستند. تعاملات میان نمونه های ارائه شده در چنین ترکیبات مایع و مواد غشایی می تواند نه تنها پدیده جذب بلکه همچنین اثرات الکتریکی، الکترواستاتیکی، قطبی شدن و اثرات دونان را شامل گردد. زمانیکه حالت محلول/ معلق توسط فرایندهای UF و یا MP ترمیم می شود به صورت کلی مورد پذیرش قرار می گیرد. به عنوان مثال، پدیده های جابجایی و ذوب شدن با یک یا چند لایه که قبلاً ذکر شده اند همراه است. در فرایندهای بدون فیلتراسیون، که معمولاً از غشاهای میکروپروس استفاده می کند، تعاملات با سطوح غشایی بیشتر شایع هستند، و اهمیت اثرات الکترواستاتیکی و دیگر موارد قابل توجه تر است. مدل های متعارف که تاکنون برای شرح فیلتراسیون حالت مایع مورد استفاده قرار گرفته اند بر اساس ترمودینامیک برگشت ناپذیر هستند. بررسی های خوبی در رابطه با این مدل ها در سوابق پژوهشی فنی گزارش شده است [1.1، 1.3، 1.4].
1.2 اتصال فرایند جداسازی غشا با یک واکنش کاتالیزوی
فرایندهای جداسازی واکنش مبتنی بر غشا، که هدف آن ها ترکیب دو عملکرد متمایز است، به عنوان مثال، واکنش و جداسازی، از مراحل اولیه غشا به عنوان مفاهیمی حضور داشته اند، اما تنها در طی یک یا دو دهه گذشته به لحاظ فنی مورد توجه بوده اند [1.22]. در این فرایندها منابع صنعتی قابل توجهی وجود دارد، به این دلیل که فشرده سازی و سرمایه کمتر را وعده داده اند، و به صورت قابل
توجهی در هزینه های پردازش صرفه جویی می کنند. [1.23]. فرایندهای واکنش مبتنی بر غشا ( که به عنوان فرایندهای راکتور غشایی نیز شناخته می شوند) در زمینه کاربردهای کاتالیزورها توجهات را به سوی خود جذب کرده اند. در این سیستم های راکتور، فرایند جداسازی غشا با واکنش کاتالیزوری همراه است. زمانیکه فرایندهای جداسازی و واکنش در یک واحد منفرد غشا ترکیب می شوند، علاوه بر عملکرد جداسازی، اغلب منجر به نتایج انتخابی و / یا عملکرد نیز می شوند. جداسازی واکنشی بر پایه غشا ابتدا همراه با واکنش ها مورد استفاده قرار گرفت، که در آن خروجی پیوسته محصولات با افزایش تعادل افزایش خواهد یافت. تا به اینجای کار، واکنش های از این نوع که تاکنون مورد بررسی قرار گرفته اند، شامل انحلال هیدروژنه و ترمیم هستند. جداسازی واکنشی همچنین به نظر برای کاربردهایی به غیر از انواع واکنش ها، از جمله هیدروژناسیون، و اکسیداسیون کلی و جزئی کاربرد دارند.
در بسیاری از تحقیقاتی که شامل این واکنش ها هستند، کاربرد غشا به منظور افزایش عملکرد و حسایست مشاهده شده است. حساب های منتشر شده در رابطه با کاربردهای واکنش جداسازی مبتنی بر غشا در فرایندهای کاتالیزوری استفاده از غشاهای فعال و غیرفعال از انواع مختلف، و با شکل ها و پیکربندی ها مختلف را گزارش کرده است [1.24، 1.25، 1.26]. مشاهده شده است که عملکرد راکتور و انتخابی بودن واکنش ها به شدت به ویژگی های غشایی، علاوه بر پارامترهای فرایندهای متعارف بیشتر بستگی دارند.
بیوتکنولوژی، رشته دیگری است که در زمینهی جداسازی متبنی بر غشا، توجهات زیادی را به خود جلب کرده است. فرآیندهایی غشایی، با واکنشهای بیولوژیکی که از نظر صنعتی مهم هستند، همراه شده است. این موارد شامل گروههای گستردهای از فرآیندهای نوع تخمیر است که در صنعت بیوفناوری در تولید آمینو اسیدها، آنتی بیوتیکها و مواد شیمیایی دیگر استفاده شده است. فرآیندهای جداسازی مبتنی بر غشا، برای حذف پیوستهی متابولیک (که برای حفظ بهره وری بالای راکتو لازم است) جالب میباشد. غشاها نیز به عنوان میزبانی برای تثبیت باکتری، آنزیمها یا سلولهای حیوانی در تولید بسیاری از مواد شیمیایی با ارزش افزوده بالا استفاده میشوند. فرآیندهای جداسازی مشابهی نیز در عملیات بیولوژیکی سیستمهای آب و هوای آلوده به کار گرفته شده اند. بسیاری از این کاربردها در فصل 4 از این کتاب مورد بررسی و ارزیابی قرار گفته است.
مدلسازی راکتور، برای درک رفتار این سیستمها، امری ارزشمند است. این مورد ادامه خواهد یافت تا در آینده به عنوان ابزار مهمی برای پیش بینی و بهینه سازی رفتار و بهبود بازدهی این فرآیندها ادامه یابد. مدلسازی راکتور غشا در فصل 5 بحث شده است. در این فصل، جنبههای کلیدی مدلسازی

فایل : 6 صفحه

فرمت : Word