د) اختلاف غلظت
در فرایندهای غشایی میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس نیروی رانش اختلاف فشار است اما در سایر فرایندهای غشایی همان‌گونه که اشاره شد، این نیروی رانشی می‌تواند متفاوت باشد. دامنه کاربرد و ابعاد انواع غشاهای میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس متفاوت است.
در یک فرایند فیلتراسیون، دوفازی که با یکدیگر در تعادل ترمودینامیکی نیستند توسط یک غشا نیمه‌تراوا جدا می شوند. غشای یاد شده مانند یک سد یا مانع فیزیکی عمل کرده و عبور یا عدم عبور مواد از یک فاز به ‌فاز دیگر را کنترل می‌کند. اسمز معکوس برای نمک‌زدایی محلول‌های آبکی، تولید آب بسیار خالص و در صنایع غذایی و شیر مورد استفاده قرار می گیرد. از آن جایی که ذرات بسیار ریز به طور اجباری طی فرایند اسمز معکوس حبس می‌شوند، روزنه‌های بسیار کوچک (کم تر از یک نانومتر) و فشارهای بالا (بیش از ۴۰ بار) برای انجام این فرایند لازم است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

به منظور جداسازی ذرات بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر (پلیمرها، پروتئین‌ها ، ویروس‌ها و….) از فرایند اولترافیلتراسیون استفاده می شود. در اولترافیلتراسیون، روزنه‌های غشا بزرگ‌تر از روزنه غشاهای اسمز معکوس بوده و فشارهای پایین(کم تر از ۲۰ بار) نیاز است. در دو دهه اخیر، تلاش‌های قابل توجهی برای دستیابی به پیشرفت‌هایی در زمینه تولید غشاهایی که دارای خواص بین دو فرایند یاد شده یعنی فشار بالا(مشابه فرایند اسمز معکوس) و فشارهای پایین (همچون فرایند اولترافیلتراسیون) باشد، انجام شده که نتیجه آن، تولید نانوفیلتراسیون می‌باشد. امروزه نانوفیلتراسیون جایگاه مهمی در صنایع مختلف پیدا کرده و شکاف بین اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون را پر کرده است. اندازه روزنه‌ها در نانوغشاها بین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون(در محدوده ۲ نانومتر یا کوچک تر) بوده و بنابراین ذرات با قطر حد واسط بین اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون با یک مکانیسم غربالی جدا می‌شوند. علاوه بر این مواد مورد استفاده، در ساخت نانوغشاها باردار بوده و ذرات تحت یک مکانیسم دافعه الکتروستاتیکی نیز جدا می‌شوند[6].
1-2- نانوفیلتراسیون^[1]
این تصفیه مربوط به فرایند تخصصی غشا می باشد که ذرات را در حدود اندازه‌های nm¹ یا A⁰10 دفع می کند و به همین علت نانوفیلتر نامیده می شود[7]. نانوفیلتراسیون در محدودۀ بین اولترافیلتراسیون^[2] و اسمز معکوس^[3] عمل می کند. مولکول‌های آلی با وزن مولکولی بیش از 200 تا 400 را دفع می‌کند. نمک‌های محلول نیز در اندازه های 20 تا 98 درصد پس زده می شوند. نمک‌هایی که آنیون های تک ظرفیتی دارند(مانند کلرید سدیم یا کلرید کلسیم) حدوداً در اندازۀ 20 تا 80 درصد دفع می شوند. در صورتی‌که نمک‌هایی با آنیون‌های چندظرفیتی(مانند سولفات منیزیم) بیش از 90 تا 98 درصد دفع می شوند.
به طور معمول جداسازی نمک‌های تک ظرفیتی، دو ظرفیتی و حل‌شده‌های غیریونی با وزن مولکولی کم تر از 2000 گرم بر مول، عامل اصلی در انتخاب غشاهای جدید با خواص و ویژگی‌های بین غشاهای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می‌باشد. امروزه نانوفیلتراسیون به صورت یک فرایند به طور کامل مجزا با خواص کاربردی ویژه به کار گرفته می‌شود و با دو فرایند اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون اختلاف‌های اساسی دارد. به عبارتی غشاهای به کار رفته در فرایند نانوفیلتراسیون دارای ساختار متخلخل از نوع میکرو با قطر روزنه های کم تر از ۲ نانومتر بوده و از مواد پلیمری، که در بیش تر حالت‌ها دارای بار یونی می‌باشند، ساخته شدهاند.
شهرت تجاری نانوفیلتراسیون از اوایل سال های ۱۹۸۰ آغاز شده و در سال ۱۹۸۸ اولین نانوغشاها از جنس مواد سرامیکی به صورت تجاری و کاربردی مورد استفاده قرار گرفت. بعدها نانوغشاهایی از جنس مواد پلیمری آلی جهت کاربردهای خاص به بازار عرضه شد.در حال حاضر غشاهای نانو در بخش های مختلف صنایع مثل بیوتکنولوژی، صنایع غذایی و کشاورزی، تولید آب آشامیدنی و حفاظت محیط زیست به طور گستردهای مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال، می توان به جداسازی مواد معدنی از لاکتوز در صنایع شیر، بازیابی و استفاده مجدد از آب مصرفی در پساب‌های رنگی و تصفیه آب شرب در یک مقیاس بزرگ اشاره کرد[16- 12].
1-2-1- ویژگی ها و مشخصات اصلی و اساسی فرایند نانوفیلتراسیون
الف) جرم مولکولی ذرات و مولکول‌های جدا شده بر اساس وزن مولکولی توسط این غشا بین ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ گرم بر مول (دالتون) قرار می‌گیرد.
ب) میزان جداسازی ذرات باردار تابع بار یونی آن‌ ها می باشد (نه جرم مولکولی آن‌ ها)
ج) محدوده فشار اعمال شده در این فرایند در مقایسه با فرایند اسمز معکوس کم تر و بالعکس دبی جریان عبوری از غشا به مراتب بیش تر از دبی به دست آمده از فرایند اسمز معکوس در یک فشار ثابت می‌باشد. دبی جریان خروجی و عبوری از غشاهای نانو براساس آنالیز تئوری‌های دو پدیده نفوذ و جابجایی قابل توصیف است.
به دلیل استفاده از پلیمرهای یونی در ساخت غشاهای نانو، جداسازی ذرات یونی از مکانیزم اثر دافعه دونان^[4] تبعیت می‌کند. بررسی جزییات مکانیزم‌های انتقال مواد در غشا نشان می‌دهد که این نوع مکانیزم از ویژگی‌های خاص غشاهای نانو در مقایسه با دو نوع غشای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون می‌باشد[ 18 ،17].
در نانوغشاها یک انتخاب بین یون‌های تک‌ظرفیتی و دوظرفیتی وجود دارد. به عبارت دیگر توسط فرایند نانوفیلتراسیون امکان جداسازی یون‌های یک‌ظرفیتی از دوظرفیتی وجود دارد. در حالی که علیرغم جداسازی خیلی زیاد فرایند اسمز معکوس، این نوع جداسازی به وسیله غشاهای اسمز معکوس وجود ندارد.
همچنین در غشاهای نوع نانو اختلاف بسیار مهمی در نفوذپذیری بین دو ذرهای که از نظر جرم مولکولی یکسان ولیکن دارای بارهای یونی مخالف (مثل یک ذره یونی مثبت یا منفی، و یک ذره خنثی) هستند، وجود دارد. در حالی که چنین اختلافی در دو نوع غشای اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون دیده نمی‌شود.
1-2-2- ساختار نانوفیلتراسیون
غشاهای استفاده شده در فرایند نانوفیلتراسیون، برحسب ماهیت آلی یا معدنی، از پلیمرها و یا اکسیدهای فلزی ساخته شده و دارای یک ساختار نامتقارن هستند[21-19]. یک نانوغشا از سه لایه، که هر یک نقش ویژهای دارد تشکیل شده است:
الف) لایه اولیه با قطر روزنه‌های بزرگتر از ۵۰ نانومتر به منظور دادن مقاومت مکانیکی خوب به غشا و امکان کسب دبی جریان عبوری بالا.
ب) لایه میانی با قطر منافذ بین ۲ و ۵۰ نانومتر که ارتباط بین لایه حفاظتی و لایه فعال را مطمئن می‌سازد.
ج) یک لایه فعال که توسط آن عمل جداسازی توسط فرایند نانوفیلتراسیون انجام می‌شود. ضخامت این لایه به نسبت کم بوده و اغلب در حدود کم تر از میکرون با قطر روزنه‌هایی در مقیاس نانومتر می‌باشد. توزیع اندازه این روزنه‌ها خیلی باریک می‌باشد. این لایه ضمن داشتن دبی جریان عبوری بالا، دارای ویژگی خاص در انتخاب فرایند جداسازی بین ذرات یونی و غیریونی، که جرم مولکولی آن ها کم تر از ۲۰۰۰ گرم بر مول است، می‌باشد.
این پایان‌نامه جهت مدل سازی غشاهای نانوفیلتراسیون جهت بهره گیری از آن‌ ها به منظور جداسازی یون کلر موجود در میعانات گاز پیشنهاد گردیده است. چون وجود این یون، علاوه بر کاهش کیفیت میعانات گازی باعث ایجاد مشکلاتی در فرآیندهای پایین‌دست می‌شود. از این‌رو جداسازی آن به منظور ایجاد ارزش افزوده و جلوگیری از بروز مشکلات ضروری است. با توجه به مقادیر اندک یون کلر، استفاده از فرآیندهای متداول که برای جداسازی ذرات از یکدیگر و یا جداسازی یون‌های نمکی به منظور تهیه آب شیرین و یا جهت اهداف خاصی در صنایع غذائی به کار می روند، مقرون به‌صرفه نیست. لذا باید فرایند‌هایی متکی بر فناوری‌های نو، نظیر نانوفیلتراسیون مدنظر قرار گیرند.
1-2-3- کاربرد نانوفیلتراسیون
نانوفیلتراسیون برای شیرین سازی آب دریا در یک نمونه نیمه صنعتی استفاده شده است. نانوفیلتراسیون به سیستم اسمز معکوس هم متصل بوده که در این سیستم با ترکیب عملیات تبخیر ناگهانی، اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون شیرین سازی انجام می شده است[22]. سیستم نانوفیلتراسیون برای کارکرد در دماهای بالاتر از 120 درجه سانتیگراد هم مورد طراحی، استفاده و آزمایش قرار گرفته است[23]. مطالعات نشان داده که این سیستم ترکیبی تصفیه آب دریا جهت تولید آب شیرین، در مقایسه با روش رایج اسمز معکوس باعث حدود 30 درصد صرفه جویی در هزینه می شود. این نمونه نیمه صنعتی بعدها به مقیاس صنعتی هم تعمیم داده شد[24]. مطالعات انجام شده حاکی از به صرفه بودن استفاده از سیستم ترکیبی جدید از جنبه های مختلف نظیر مصرف انرژی و هزینه نسبت به نمونه های صنعتی و رایج اسمز معکوس می باشد[27-25]. کاربردهای نانوفیلتراسیون در صنایع مختلف رو به گسترش بوده که در جدول 2-1 به پاره ای از این کاربردها اشاره شده است.
جدول 2-1- کاربرد نانوفیلتراسیون در صنایع مختلف