غشاء نیمه تراوا اسمز معکوس

غشاء نیمه تراوا

غشای نیمه تراوا یا ممبران، لایه نازک پلمیری است که برای انتقال جرم میان دو محلول با غلظتهای مختلف بر مبنای پدیده اسمز معکوس استفاده می شود. امروزه ممبرانها به صورت تجاری و عمده توسط تولیدکنندگان مختلف در سایزهای متفاوت در کاربردهای خانگی و صنعتی ساخته می شوند. 

غشای نیمه تراوا، لایه نازکی است که قابلیت انتقال جرم یا تبادل یون را در طرفین خود دارد. اگر دو محلول با غلظتهای مختلف توسط یک غشای نیمه تراوا جدا شده باشند، امکان انتقال یونها از محلول غلیظ به سمت محلول رقیق از طریق غشا وجود دارد. این انتقال یون براساس پدیده فیزیکی اسمز انجام می شود. تغییر جهت حرکت یونها از سمت محلول رقیق به سمت محلول غلیظ تنها با اعمال فشار میسر می شود. انتقال معکوس یونها از محلول با غلظت پایین به سمت محلول با غلظت بالا از طریق غشای نیمه تراوا با اعمال فشار را اسمز معکوس می نامند. بنابراین غشای نیمه تراوا یکی از ملزومات اصلی شکل گیری هر دو فرایند اسمز و اسمز معکوس در کاربردهای مختلف است. 

شرکت مهندسی فران طراح و تولید کننده آب شیرین کن های صنعتی و تأمین کننده انواع غشاء یا ممبران اسمز معکوس با برند Filmtec است. 


تاریخچه غشاء نیمه تراوای اسمز معکوس

اولین غشاء نیمه تراوا فرایند اسمز معکوس توسط Loeb-Sourirajan ابداع شده که در قالب یک صفحه تخت به عنوان ماژول صفحه و قاب ساخته شده است. غشاء ایجاد شده با یکپارچگی مکانیکی کم برای آزمایش در یک واحد عملیاتی در سال ۱۹۷۰ بر روی صفحات نصب شده است. با بررسی های نتایج آزمایشهای صورت گرفته شده بر روی این محصول، طرح صفحه و قاب گران قیمت و دارای نواقص طراحی بوده است. به عنوان مثال تثبیت غشاء مذکور در محل دشوار بوده و جریان عبوری از نواحی فاقد غشاء و تجهیزات به سختی قابل کنترل بوده است. پس از آن محققان دانشگاه UCLA برای اطمینان از موفقیت در آزمایشات بعدی تحقیقاتشان در مورد ساخت این غشاء ها آغاز کردند. ماژول های لوله ای از لوله های غشایی تا قطر ۱ اینچ درون یک لوله مرکزی بزرگ تر تشکیل شده است که در شکل زیر نمایان است. برای اطمینان از تاثیر گذاری غشاء ها به صورت طرح لوله شکل، UCLA فرمولاسیون خود را بر اساس اصل طرح Loeb-Sourirajan قرار داد تا دو عامل یکپارچگی مکانیکی و کاهش میزان نمک محلول، افزایش یابد. در حالیکه طرح ساخت غشاء ها به صورت لوله ای امیدوار کننده بود و امروزه نیز در برخی از کاربرد ها به کار گرفته می شود اما با انجام آزمایشات متعدد بر روی سیستم های RO مشخص شد که باید بیشترین سطح غشاء ممکن در دسترس باشد تا جریان هرچه بیشتر تحت کنترل قرار گیرد. به همین ترتیب غشاهای الیاف توخالی و مویرگی برای افزایش تراکم بسته بندی در عناصر غشایی ایجاد شده و در نتیجه سطح غشاء در داخل هر عنصر افزایش می یابد. غشاء های مویرگی دارای قطر کمتری نسبت به غشاء های لوله ای هستند و غشاء های الیاف توخالی کمترین قطر غشاء تا کنون می باشند. در حال حاضر از غشاء های الیاف تو خالی به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد اما آن ها عناصر اصلی برای غشاء های فرایند اسمز معکوس نیستند. شکستگی و هزینه بر بودن این فیبر ها از جمله عوامل سمت گیری صنعت RO به سمت طراحی بهتر از عناصر غشایی دیگر است.

انواع غشاء نیمه تراوا

غشای نیمه تراوای استوانه ای(SPIRAL-WOUND ELEMENT DESIGN)

غشاهای امروزی اسمز معکوس که برای شیرین سازی آبهای شور عمدتاً استفاده می شوند، به صورت استوانه ای هستند. این نوع طراحی با هدف دستیابی به حداکثر واحد سطح غشا در حجم اشغالی انجام شده است. این دسته از غشاء ها از لایه های تشکیل شده اند که به دور یک لوله نفوذ پذیر در مرکز این المان قرار گرفته است؛ لایه های اشاره شده حاوی دو صفحه مسطح غشایی می باشند که قسمت فعال آن رو به بیرون قرار دارد و همچنین این لایه ها از سه قسمت به یکدیگر متصل می شوند تا در نهایت آب تصفیه شده از سمت غشاء نیمه تراوا نفوذ پیدا کند و در بین آنها جدا می شود و به سمت مرکز المان جریان پیدا می کند. سرانجام لایه ها به دور لوله در هم تنیده می شود و برای حفظ شکل استوانه ای عنصر با یک لایه از جنس فایبر گلاس پوشانده می شود اما سایر بسته بندی های خارجی این محصول بر اساس کاربرد آن ها متفاوت می شود.

در واقع در پیکر بندی SPIRAL-WOUND ، غشاء ها به صورت دو صفحه تخت مستطیل شکل پشت به پشت هم قرار می گیرند و از سه سمت کاملا به هم چسبیده می شوند تا به صورت یک پاکت ظاهر شود سرانجام یک و یا چندین از این پاکت های ایجاد شده را به دور لوله جمع کننده جریان آب تصفیه شده به ضلع چهارم تابانده می شود در ادامه جریان آب ورودی (Feed water) وارد غشاء می شود و جریان آب تصفیه شده با عبور از لایه های نام برده شده به صورت عمود در لوله جمع کننده جریان می یابد.

غشای نیمه تراوای استوانه ای

 

جنس غشاء نیمه تراوا اسمز معکوس

جنس غشاء نیمه تراوا

اکثرا غشاء های اسمز معکوس بر پایه غشاهای پلی آمید کامپوزیتی فیلم نازک (TFC) می باشد؛ که به صورت کلی شامل یک شبکه پلی استر با ضخامت ۱۲۰ الی ۱۵۰ میکرومتر جهت تقویت این غشاء و یک لایه میانی متخلخل که معمولا از جنس پلیمری به نام پلی سولفونیک با ضخامت ۴۰ الی ۵۰ میکرومتر تشکیل شده است همچنین یک لایه ممانعت کننده بسیار نازک با خصلت انتخاب پذیری و مقاومت کم در برابر انتقال جرم جریان تصفیه شده با ضخامت ۰٫۲ میکرومتر از جمله اجزای تشکل دهنده این ماژول می باشد. لایه دارای خصلت انتخاب پذیری به طور کلی قادر به حذف نمک (NaCl) به میزان ۹۹٫۵% است و معمولا از ۱,۳-phenylenediamine (که با عنوان ۱,۳-benzenediamine  هم شناخته می شود) به همراه عامل (tri-acid chloride of benzene) تشکیل یافته است که در شکل روبه رو مشخص شده است.

در گذشته غشاء هایی از جنس استات سلولز نیز ساخته شده است. مقاومت در برابر کلر و گرفتگی های بیولوژیکی مهمترین ویژگی این جنس از ممبران است. ولی امروزه از غشاء های فیبر توخالی نامتقارن استات سلولز و یا تری استات به دلیل توانایی کمتر در میزان حذف نمک محلول کمتر در فرایند اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرند.

 غشاهای اسمز معکوس با پیکر بندی spiral-wound  سطح موثر بسیار بیشتری نسبت به ماژول های دیگر دارند.(تراکم آنها در حدود ۵۰۰ الی ۸۰۰ مترمربع بر مترمکعب است) و البته هزینه کم جهت جایگزین سازی آنها نیز حایز اهمیت است. 

پیشرفت در زمینه غشاء های نیمه تروا اسمز معکوس (نوآوری در مواد مورد استفاده جهت ساخت این غشاء ها، بهینه سازی مدل دینامیکی جریان و همچنین بهبود در طراحی فرایند، پیش تصفیه و بازیابی انرژی سیستم) منجر به افزایش حذف ذرات جامد محلول و کاهش مصرف کل انرژی در سیستم می شود؛ در حال حاضر برخی از تامین کنندگان مطرح غشاء های نیمه تروا فرایند اسمز معکوس عبارتند از: شرکت های Dow (Filmtec)، Toray، Hydranautics (Nitto Group) و Koch Membrane Systems که در سطح اول بازار های جهانی بخش عمده ای از تولید و فروش را بر عهده گرفته اند. لازم به ذکر است به طور معمول ماژول های استاندارد جهت بهره برداری در فرایند شیرین سازی آب دریا به روش اسمز معکوس با قطر هشت اینچ تولید می شود. با این حال تحولات به وجود آمده در این صنعت جهت بهینه سازی هیدرودینامیک غشاء های نیمه تراوا، زمینه طراحی آن ها به سمت ماژول های بزرگ تر سوق پیدا کرده است. 

 

کاربرد غشاء نیمه تراوا اسمز معکوس

 امروزه از غشاء های نیمه تراوا مارپیچ یا استوانه ای(Spiral wound) اسمز معکوس در کاربردهای متنوع تجاری استفاده می شود:

  •  نمک زدایی جهت تامین آب آشامیدنی و صنعتی
  • احیاء و بازچرخانی آب های صنعتی و فاضلاب که شامل آب خروجی (blow down) برج های خنک کننده و جریان آب ورودی (feed) به بویلر ها است.
  • تولید آب با خلوص بالا جهت استفاده در صنایع داروسازی و میکروالکترونیک
  • صنایع غذایی و نوشیدنی 

ولی کاربرد اصلی غشای نیمه تراوا، تصفیه یا شیرین سازی آبهای سطحی و زیرزمینی نظیر چاه، رودخانه، دریاچه و اقیانوس ها می باشد. کم آبی و کاهش منابع آب شیرین مهمترین عامل گسترش واحدهای شیرین سازی آبهای شور در سه دهه گذشنه بوده است. بر اساس اعلام سازمان جهانی (WHO) با روند کاهش شدید منابع آب شیرین تجدید پذیر در هرنقطه جهان، به ازای هر سه انسان یک فرد تحت تاثیر کمبود این منبع حیاتی قرار می گیرد. آمار جمع آوری شده بیان کننده این مسئله می باشد که یک پنچم جمعیت جهان در مناطقی سکونت دارند که از لحاظ فیزیکی منابع آبی کمی را دارا می باشد و در آینده نزدیک این بحران به شدت فراگیر می شود اما در صورت سرمایه گذاری اصولی جهت تامین آب شیرین با بهره گیری از فرایند اسمز معکوس می توان در برابر بروز این بحران حاشیه امنیت نسبی را ایجاد کرد.

با اینکه امکان آلودگی برخی منابع آب شیرین با ترکیبات مضر برای سلامتی انسان وجود دارد. ولی فرایند اسمز معکوس و غشای نیمه تراوا یک فرایند ایمن برای تولید آب آشامیدنی است. ترکیبات شامل کلر (که در بعضی از موارد جهت از بین بردن باکتری ها در منابع آبی تزریق می شود)، فلزات سنگین (محصولات جانبی حاصل از فرایند های صنعتی، زباله و ضایعات ایجاد شده به واسطه تولیدات صنایع مختلف)، سموم دفع آفات (حاصل از بهره برداری غیر استاندارد زمین های کشاورزی) برخی از ترکیبات مضر در مابع آبی هستند. با انجام آزمایشات متعدد و بررسی های صورت گرفته شده ثابت شده است که غشاء نیمه تروا (ممبران) فرایند اسمز معکوس یک فناوری اثر بخش و بهینه جهت حذف فلزات سنگین مضر، مواد آلی، سختی، ذرات جامد محلول در آب (TDS) و رنگ برای تامین نیاز های مصرفی آب شیرین مورد بهره برداری قرار می گیرد.

شرکت مهندسی فران طراح و تولید کننده آب شیرین کن های صنعتی، آب شیرین کن های دریایی و تأمین کننده انواع غشاء نیمه تراوا اسمز معکوس (Filmtec) برای واحدهای شیرین سازی آبهای شور، آماده ارائه خدمات در این زمینه به مشتریان محترم است.

 

Prepared by: Seyed Ahmad Mohamadi