غشاهای پلیمری چه هستند و چه کاربردهایی دارند؟

در این زمینه می‌توان به موضوعاتی مانند جداسازی مخلوط گازها و بخارات، مایعات امتزاج پذیر، استخراج حلال از یک محلول اشاره کرد. این گستره وسیع کاربرد موجب می‌شود مواد و روش‌های مختلفی برای ساخت غشا به کار روند.

غشاهای پلیمری پرکاربردترین غشاهای موجود

استفاده از پلیمرها به عنوان ماده تشکیل دهنده غشا و تولید غشاهای پلیمری بسیار رواج دارد و امروز در تمام کاربردهای شناخته شده برای غشاها، غشاهای پلیمری بیشترین حجم کاربرد را دارند.

این به دلیل فرآیند پذیری بهتر و امکان بهینه سازی خواص غشا در غشاهای پلیمری برای کاربردهای گوناگون است. انواع پلیمرهای مورد استفاده در ساخت غشا پلیمرهای طبیعی اصلاح شده یکی از مهمترین و پرکاربردترین مواد این گروه محصولات تولید شده بر پایه سلولز می‌باشد مانند سلولز استات، سلولز نیترات، سلولز سولفانات و… پلیمرهای سنتزی در این گروه جمع کثیری از پلیمرها قرار دارد مانند پلی اتیلن، پلی پرپیلن، پلیمرهای فلوئوره شده، الاستومرها و پلی آمیدها.

خواص مطلوب یک غشای سنتزی از نظر ماده مصرفی و ساختار عبارتند از: قابلیت عملکرد انتخابی مطلوب نفوذپذیری بالا استحکام فیریکی-مکانیکی خوب مقاومت دمایی مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی قابلیت عملکرد انتخابی کم باعث می‌شود مراحل متعددی به فرآیند جداسازی افزوده شوند.

همچنین قابلیت نفوذپذیری از لحاظ تئوری با افزایش سطح موثر غشا قابل جبران است ولی از لحاظ دستگاهی افزایش حجم تجهیزات را به دنبال خواهد داشت.

مقاومت شیمیایی در برابر خوراک ورودی، و به خصوص مایعات تمیز کننده از دیگر شرایط لازم برای ماده مصرفی دو غشاست. مقاومت شیمیایی به مدت زمان سرویس دهی مربوط است.

به عنوان مثال، غشاهای مصنوعی معدنی به طور متوسط ده برابر غشاهای پلیمری قیمت دارند اما عمر مفید آن‌ها حدود پنج سال بیشتر از سیستم‌های پلیمری است. در نتیجه بسته به نوع کاربرد، خواص لازم و بودجه موجود دامنه این عوامل تغییر خواهد کرد.

مواد پلیمری ویژه مصرفی در تکنولوژی تولید غشاهای پلیمری مشخصه‌ها و عوامل خاص ساختار زنجیر پلیمر خواص فیزیکی و مقاومت شیمیایی آن را کنترل می‌کنند. همان طور که اشاره شد این خواص نقش ویژه‌ای در عملکرد نهایی غشا دارند.

از جمله مهمترین ویژگی این مشخصات می‌توان به اختصار به موارد زیر اشاره کرد: وزن مولکولی پلیمر و درجه پلیمریزاسیون چگونگی اتصال واحدهای منومری و وضعیت فضایی زنجیره پلیمر ساختار زنجیره پلیمر ایزومری فضایی انعطاف پذیری زنجیره پلیمر انواع نیروهای موجود بین زنجیره‌های پلیمر و شدت و ضعف آن‌ها همچنین حالت پلیمر در دمای کاربردی در تعیین خواص فیزیکی- مکانیکی آن نقش مهمی دارد. دو عامل دمای انتقال شیشه‌ای و درصد بلورینگی در تعیین خواص پلیمر در هر دما موثراند.

در پلیمرهای آمورف، عموما در دمای بالای دمای انتقال شیشه‌ای (به ویژه در الاستومرها) نفوذپذیری بالا در برابر گازهایی چون O2 و N2 مشاهده می‌شود.

علاوه بر نفوذپذیری، عبور انتخابی نیز نقش موثری در عملکرد بهینه غشا دارد. با توجه به این موضوع از پلیمرهای آمورف شیشه‌ای برای جدا کردن گازهایی مانند N2 از هوا استفاده می‌شود.

غشاهای الاستومری (بیشتر در حالت پخت شده) برای جداسازی بخارات آلی از هوا استفاده می‌شوند. همچنین پلیمرهای شیشه‌ای برای جدا کردن (فیلتراسیون) نیز بسیار استفاده می‌شوند. هر چند انتخاب مطلوب پلیمر برای غشا ماده‌ای با دمای انتقال شیشه‌ای و نقطه ذوب بالاست اما باید توجه داشت با افزایش پایداری دمایی و سختی زنجیره‌های پلیمر فرآیند کردن آن‌ها نیز دشوارتر می‌شود.

به طور کلی انتخاب پلیمر برای غشاهای متخلخل نسبت به غشاهای متراکم آسان‌تر است و به در نظر گرفتن ملاحظات کمتری نیاز دارد.

در میکروفیلتراسیون¹ بیشتر از پلیمرهای بلوری، که مقاومت بسیار بالای مکانیکی-حرارتی و شیمیایی دارند، استفاده می‌شود. پلیمرهایی با دمای انتقال شیشه‌ای بالا به خصوص پلی سولفون‌ها نیز بیشتر در غشاهای اولترافیلتراسیون ² استفاده می‌شوند.

در نهایت وجود مدول، مقاومت کششی و مقاومت ضربه بالا برای غشاهایی که بدون حمایت کننده خارجی استفاده خواهند شد ضروری است. به عنوان مثال می‌توان به سلولز استرها و پلی کربنات‌ها به عنوان پلیمرهای بسیار چقرمه اشاره کرد.

غشاهای پلیمری

پاورقی:

۱- میکروفیلتراسیون : یکی از فرایندهای مهم غشایی می‌باشد که نیروی محرکه آن اختلاف فشار است. این روش برای جداسازی ذرات ۲/۰ الی ۲۰ میکرون به کار می‌رود.

دراین روش معمولاً مواد معلق کلوئیدی جدا می‌شود و مواد حل شده و ذرات ماکرو مولکول عبور می‌کند. از این روش برای جداسازی باکتریها، مواد معلق و مواد پلیمری استفاده می‌شود.

۲- اولترافیلتراسیون : تراوش از فیلتری که قادر است ذرات بسیار ریز (اولترامیکروسکوپیک) را از خود عبور دهد را فراپالایش یا اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration) می‌نامند.

فراپالایش با بهره‌گیری از غشاها انجام می‌شود و از این نوع غشا برای جداسازی ماکروملکول‌هایی با اندازه ۲۰ تا ۱۰۰۰ انگستروم استفاده می‌شود.

تمام نمک‌های حل شده و مولکول‌های کوچکتر از این محدوده از غشا عبور می‌کنند. در این روش جداسازی کلوئیدها، پروتئین‌ها، مواد میکروبی بیماری زاو مولکول‌های آلی بزرگ که وزن مولکولی آن بین ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ است انجام می‌شود.

بطور کلی محلول‌هایی که در پشت غشاها جریان می‌یابند، مواد برگشتی یا “فاز ماندگار” نامیده می‌شوند. آنچه از آن عبور می‌نماید، تراویده یا “فاز عبوری” به‌شمار می‌آید.

منبع: پلی اتیلن نوین