براساس ساختمان غشاها می توان آنها را به دو دسته متقارن و نامتقارن تقسیم کرد. در دو سمت غشاهای متقارن، ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان می باشد. ضخامت این نوع غشاها بین ۱۰۰تا ۲۰۰ میکرون است. هرقدر ضخامت غشاها زیادتر باشد مقاومت در برابر انتقال جرم زیاد بوده و از طرف دیگر با کاهش ضخامت مقاومت مکانیکی آن کاهش می باید که برای حل این مشکلات از غشاهای نامتقارن که در آنها ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان نیست استفاده می کنند. این غشاها از دو لایه تشکیل یافته اند، در آن یک لایه فعال با ضخامت کمتر و متراکم تر وجود دارد که در آن جداسازی صورت میگیرد. لایه دیگر که به صورت پایه عمل می کند و حفرات بزرگتری دارد بر مقاومت مکانیکی لایه اول می افزاید. البته در این نوع غشاها هر دو لایه از یک ماده تشکیل می شوند. یکی دیگر از انواع غشاهای نامتقارن که تحت عنوان غشاهای مرکب یا کامپوزیتی هستند دو لایه از دو جنس متفاوت بوده و روش ساخت و اتصال آنها نیز تفاوتهایی با یکدیگر دارند. علاوه بر این مواد، غشا را از لحاظ تخلخل می توان به دو دسته متخلخل و غیر متخلخل تقسیم کرد. کارایی سیستم موفق تا حدود زیادی به تخلخل محیط بستگی دارد. بنابراین تخلخل انواع غشاها برحسب محیط کاربرد شامل: فیلترهای لیفی، غشاهای متخلخل پلیمری، مواد متخلخل سرامیک مواد موبینه و …. می باشد [۴].
۱-۵- ویژگیهای غشاها
به منظور پیش بینی چگونگی انجام فرایندهای جداسازی باید ویژگی های مختلف غشاها را مورد بررسی قرار داد. خواص غشاها را می توان به دو دسته فیزیکی و شیمیایی تقسیم بندی نمود. خواص فیزیکی غشا شامل اندزه حفرات، تعداد حفرات، ضخامت، تخلخل و چروک خوردگی غشا می باشد خواص شیمیایی غشا نیز شامل بار سطحی، هدایت الکتریکی، قابلیت جذب، واکنش پذیری و آبدوستی آنها است که با توجه به نوع فرایند باید تأثیر این عوامل را مورد بررسی قرار داد [۱۰].
۱-۶- کاربردهای غشا
امروزه جداسازی غشایی در بسیاری از صنایع مانند: دارویی، بیوتکنولوژی، صنایع غذایی، پتروشیمی، پالایش، نساجی، کاغذسازی، اتومبیل سازی، تصفیه آب و فاضلاب و…. مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به اینکه با بالا بودن ریسک سرمایه گذاری یکی از موانع اصلی برای صنعتی کردن و تولید انبوه غشاها در ایران است. سرمایه گذاری برای این امر منوط به وجود بازارهای داخلی است. استفاده از غشاها در بعضی از فرایندهای جداسازی مانند: شیرین سازی آب که در سطح وسیعی انجام می شود ممکن است توجیه اقتصادی برای سرمایه گذار در این حوزه داشته باشد. این تکنولوژی در برخی از حوزه ها در دنیا هنوز در مقیاس آزمایشگاهی است و به مرحله صنعتی نرسیده است، در این زمینه دستیابی به تکنولوژی فرایند در زمینه های تصفیه پساب های صنعت نفت، شیرین سازی گازهای ترش و ارتقای کیفیت حلالها و برشهای نفتی با بهره گرفتن از غشاها در حال انجام است [۱].
۱-۷- فرآیندهای غشایی
غشاهای سنتزی با داشتن بازارهای در حال رشد و فراهم کردن قابلیتهای جداسازی بالا در بسیاری از صنایع توانسته اند پیشرفت های زیادی داشته باشند. صنایع و کارخانجات سرمایه گذار خود را در فرایندهای جداسازی برروی غشاها متمرکز کرده اند تا معایب سایر روشها مانند: تبخیر، تقطیر و یا استخراج را مرتفع سازند. هفت فرایند جداسازی عمده شامل: میکروفیلتراسیون، الترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس، الکترودیالیز، جداسازی گازی و تراوش تبخیری، در بسیاری از زمینه های مورد استفاده قرار می گیرند که توجه و تمایل بیشتر به حفاظت از محیط زیست، تقاضا برای آب تمیز و بازده انرژی بالا استفاده از این فرایندهای غشایی را افزایش داده است [۱۱].
۱-۷-۱- اسمز معکوس(RO)
فرایند اسمز معکوس، قادر به حذف جامدات حل شده، باکتری، ویروس و سایر مواد میکروبی داخل آب می باشد. اسمز معکوس اساساً یک فرایند غشایی نفوذی است که بر اساس نیروی محرکه فشاری عمل می کند. این فرایند عمداً برای شیرین سازی آب دریا مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی برجسته روش اسمز معکوس این است که هیچ تغییر فازی در آن وجود نداشته و مصرف انرژی نسبتاً پایینی دارد. تقریباً تمامی غشاهای اسمز معکوس از جنس پلیمرهایی با ترکیبات پلی آمید و استات سلولز می باشد غشاهای فرایند اسمز معکوس معمولاً در دو نوع غشاهای نامتقارن و غشاهای کامپوزیتی نازک فیلمی هستند. این غشاها کوچکترین ساختار حفرات با اندازه قطر حفرات در محدوده ی ۰.۵ الی ۱.۵ نانومتر را دارا هستند. در این غشاها بیشتر ۹۵ تا ۹۹ درصد از نمکهای معدنی و ترکیبات عالی باردار شده بدلیل دافعه بارالکتریکی سطح غشا دفع می شود. کاربرد این روش در صنایع آب آشامیدنی، صنایع غذایی، صنایع الکترونیکی، کاغذسازی و بسیاری از موارد دیگر است [۱].
۱-۷-۲- نانو فیلتراسیون(NF)
نانوفیلتراسیون شکلی از فیلتراسیون است که غشاها را به منظور جداسازی سیالات یا یونهای گوناگون بکار می گیرد. نانوفیلتراسیون یه صورت اسمز معکوس ملایم تری عنوان می گردد، چرا که حفرات غشایی بزرگتری در مقایسه با غشاهای اسمز معکوس دارد. بدلیل اینکه این غشاها در فشارهای بسیار پایین تری کار کرده و برخی از مواد معدنی را از خود عبور می دهند، نانو فیلتراسیون می تواند در مواردی که حذف بالای مواد آلی مورد نیاز است و همچنین در حذف متوسط مواد معدنی کاربرد داشته باشد. این روش قادر به تغلیظ شکر، نمکهای دو ظرفیتی و پروتیینها می باشد. مزیت این روش بر اسمز معکوس این است که نانوفیلتراسیون معمولاً در بازیافتهای بالاتری کار میکند در نتیجه در آب کل مصرفی صرفه جویی خواهد شد که ناشی از سرعت جریان با غلظت پایین تر است ولی این روش در مورد ترکیبات آلی با جرم ملکولی پایین مانند متانول موثر نیست. نانوفیلتراسیون از نظر هزینه انرژی و دفع یون و ابعاد حفرات در بین روش های دیگر شرایط بهینه ای را ایجادکرده است. با یک نانوفیلتر می توان میزان غلظت یک باکتری را در یک محصول غذایی محلول به صفر رساند [۱].
شکل۱-۴– فرایند جداسازی نانوفیلتراسیون
۱-۷-۳- اولترا فیلتراسیون(UF)
تکنولوژی جداسازی توسط غشا، با بهره گیری از توانایی های خاص خود جایگاه ویژه ای در فرآیندهای جداسازی پیدا کرده است. اولترافیلتراسیون یکی از مهمترین فرآیندهای این تکنولوژی است که در زمینه جداسازی ذرات، بویژه پروتئین ها قابلیت فراوانی دارد. غشاهای مورد استفاده در این فرایند از نوع غشاهای متخلخل بوده و عمدتا پلیمری می باشند. نیروی محرکه لازم برای انتقال جرم، اختلاف فشار بوده که در محدوده بین ۲ تا ۱۰ بار اعمال می شود. در مصارف صنعتی غشاها در بسته های خاصی که مدول نامیده می شود مورد استفاده قرار می گیرند. در استفاده از این غشاها یک سری محدودیت هایی وجود دارد که مهمترین آنها پدیده گرفتگی است. بروز این پدیده موجب کاهش راندمان و عمر مفید غشا می گردد. از اولترافیلتراسیون برای جداسازی ماکرومولکول ها، کلوئیدها و مواد جامد سوسپانسیونی با اندازه ۱۰-۱۰۰۰ آنگستروم استفاده می گردد. اساس کار غشاهای اولترافیلتراسیون تحت فشار، برطبق اندازه مولکولی استوار است معمولا مواد کوچکتر از غشا عبور نموده در حالیکه قطعات بزرگتر محلول باقی می مانند و تغلیظ می شوند. مهمترین عامل محدودیت استفاده از غشاهای اولترافیلتراسیون پدیده گرفتگی است. بطوریکه این پدیده بیشترین حجم تحقیقات را به خود اختصاص داده است. پدیده گرفتگی غشا ناشی از تجمع رسوب برگشت پذیر مواد از جمله کلوئیدها، ماکرومولکول ها و نمک برروی سطح غشا و یا درون ساختار آن است، این پدیده تابع خواص شیمی-فیزیکی خود غشا و اجزای موجود در سیال است. نتایج حاصل از وقوع گرفتگی عبارتند از: کاهش عمر غشا، افزایش فشار لازم برای فرایند، تغییر قدرت نگهدارندگی غشا برای اجزاء و در نهایت کاهش شار تراوه فرایند جداسازی. اولترافیلتراسیون بیشتر در جداسازی محلولی که بصورت مخلوطی از مواد مطلوب و نامطلوب است بکار می رود. اولترافیلتراسیون تا حدی بستگی به عواملی چون بار و اندازه ذره دارد. انواع گونه هایی که از این غشاها برگشت داده می شوند شامل: بیوملکولها، پلیمرها و ذرات کلوئیدی است. نیروی محرکه برای انتقال از غشا اختلاف فشار می باشد، فرآیندهای الترافیلتراسیون در ۲-۱۰ بار کار می کند که البته در بعضی از موارد امکان کار در فشارهای بالای ۲۰-۳۰ بار نیز وجود دارد. در این فرایندها زلال سازی خوراک، تغلیظ حل شونده برگشت داده شده و جز به جز کردن حل شونده انجام می شود. این روش در جداسازی جریانهای آلی روش چندان موثری نیست و غشاهای اولترا فیلتراسیون قادر به نگهداری گونه هایی هستند که دارای وزن مولکولی در محدوده ۳۰۰-۵۰۰۰۰۰ دالتون و اندازه حفرات از ۱۰-۱۰۰۰ آنگستروم باشد. این روش معمولاً در جداسازی ماکرومولکولهایی نظیر: پروتیئنها از حلالهایی با جرم ملکولی پایین کاربرد دارند. حفرات لایه پایینی غشا به طور نسبی بزرگتر از لایه سطحی بوده و هنگامی که حلال در درون غشا جریان می یابد گونه های باقی مانده برروی سطح غشا متمرکز شده و مقاومتی در برابر جریان ایجاد می کنند. در فرایند سوسپانسیونی نیز به صورت رویه متخلخل برروی سطح غشا جمع می شوند. فرایند اولترا فیلتراسیون بستگی به خواص فیزیکی غشا مانند: نفوذ پذیری، ضخامت، متغیرهای فرآیندی مانند: مصرف خوراک، غلظت خوراک، فشار سیستم، سرعت و دما دارد. محدوده کاربردی این روش در تصفیه زایدات امولسیونی نفت، تغلیظ ماکرومولکولی بیولوژیکی و تغلیظ پروتیئنهای حساس به حرارت برای افزودنیهای غذایی است [۱].
شکل۱-۵– جداسازی اولترا فیلتراسیون
۱-۷-۴- میکروفیلتراسیون(MF)
میکروفیلتراسیون فرایندی است که در آن اندازه حفرات بین ۱-۱۰ میکرون بوده و میکرو ارگانیزم ها نمی توانند از آن عبور کنند. این فرایند برای جداسازی موادی با سایز ملکولی می باشد که از مکانیسم غربالی برای باقی ماندن ذرات بزرگتر از اندازه قطر حفرات استفاده می کند. در این فرایند از پلیمرهای طبیعی و سنتزی مانند: نیترات یا استات سلولز، پلی آمیدها و پلی سولفون ها استفاده می شود. علاوه بر آن مواد معدنی مانند اکسیدهای فلزی، شیشه و کربن با پوشش زیرکوین نیز برای تولید این غشاها بکار می روند. این غشاها در صنایع دارویی و غذایی کاربرد وسیعی دارند.
شکل۱-۶– جداسازی میکروفیلتراسیون
۱-۸- کامپوزیت
کامپوزیت ها موادی که حاصل هوش و فراست و پژوهشهای هزاران دانشگرند که هرروز بیشتر مایه شگفتی می شوند: سبکترند و در برابر ضربه،خوردگی و دماهای بسیار بالا مقاومت بیشتری دارند، یعنی همان موادی هستند که انسان همیشه آرزوی آنرا داشته است.
در آغاز کامپوزیت ها را برای بهبود کیفیت کار موشکهای نظامی می ساختند و بعد در تسخیر فضا به کارگرفته شد و امروزه همه عرصه های صنعت و زندگی روزمره را فتح کرده است. از اتومیبل سازی تا پل و ساختمان سازی، هلیکوپتر، جلیقه ضدگلوله، وان حمام، کپسول هوای فشرده آتش نشانی، زندگی امروزه بدون استفاده از کامپوزیت ها نا ممکن است.
۱-۸-۱- کامپوزیت چیست؟
واژه کامپوزیت کامپوزیت را می توان چنین معنی کرد: مرکب، مخلوط، آمیزه یا چند سازه .
اما همین جا باید تأکید کرد که کامپوزیت ها گرچه ترکیبی از چند ماده هستند اما ترکیب شیمیایی نیستند بلکه در واقع مخلوط و آمیزه ای از چند ماده هستند. می دانیم که در دانش شیمی “ترکیب” و"مخلوط” دو مفهوم جداگانه هستند و تفاوتهای بنیادی با هم دارند از جمله اینکه اجزای تشکیل دهنده مخلوط ماهیت خود را حفظ می کنند و مولکولهایی از انواع گوناگون هستند اما اجزای تشکیل دهنده ترکیب خواص اولیه خود را از دست می دهند و ترکیب ها و مولکولهایی یکسان دارند.
بطور کلی مواد (در علم مواد) به سه دسته تقسیم می شوند: ۱- فلزات ۲- سرامیک ۳- مواد مصنوعی(پلیمرها) چهارمین گروهی که می توان به این سه اضافه کرد کامپوزیتها هستند.کامپوزیتها موادی هستند که از دو یا چند ماده یاد شده در بالا تشکیل شده اند و دارای خواص جدیدی هستند که منحصر به خود آنهاست [۱۲].
آن چرا که در مورد تقسیم بندی مواد گفتیم در شکل مقابل می توان خلاصه کرد
فلزات نیم رساناها سرامیکها سیلکونها پلیمرها
شکل ۱-۷-تقسیم بندی مواد
۱-۸-۲- از کاهگل تا کامپوزیتهای پیشرفته:
در فرهنگ متالورژی کامپوزیت را مواد مرکب و مواد چندسازه معنی کرده اند یعنی موادی که از اتصال دو یا چند ماده ساخته شده اند مثل: سرامیک و فلز، فیبر و فلز، پلاستیک و الیاف شیشه، الیاف کربن و پلاستیک و ….. ماده جدیدی که در این اتصال بوجود می آید (یعنی کامپوزیت) معمولاً از چند جنبه کیفیت بهتری نسبت به اجزای سازنده خود دارد. مثلاً مقاومتش در برابر ضربه یا حرارت بیشتر است. اولین کامپوزیت ساخت بشر کاهگل است که مخلوطی از کاه و گل برای اندود بام و دیوار به کار رفته است. در نواحی مختلف ایران تنورهای یافت شده اند که در ساختن آنها گل را با پودر شیشه و پشم بز در آمیخته اند تا مقاومت تنور در برابر گرما و ضربه افزایش یابد. در معماری خشتی ایران (که ارگ بم نمونه ای از شاهکار آن است) نیز برای افزایش مقاومت خشتها خاک رس را با کاه، خرده سنگ، خاکستر، موی بز، پوست برنج، الیاف خرما و حتی فضولات چهارپایان در می آمیختند. اینها در واقع کامپوزیتهای ابتدایی بوده اند اما کامپوزیتهای پیشرفته جدید ثمره نیازهای پیشرفته جدید هستند. سازندگان اتومیبل، موشک یا سفینه های فضایی همواره می کوشند استحکام را با سبکی آشتی دهند و کامپوزیتها هم مقاومت زیادی در برابر فشار دارند و هم سبکترند .ابتدا از کامپوزیتها فقط در ساختن هواپیما ، موشک و ماهواره استفاده می کردند اما امروزه نقش کامپوزیتها در زمینه های ساختمان سازی ، حمل و نقل، الکترونیک، صنایع دریایی و دهها زمینه دیگر بسیار افزایش یافته است و هر سال در جهان ۶/۴ میلیون تن کامپوزیت تولید می شود. کامپوزیتها را معمولاً به سه دسته تقسیم می کنند:
۱- کامپوزیت های پایه پلیمری(ترکیبی از الیاف شیشه و رزین) پیش از ۹۰% کامپوزیتهایی که در صنایع و موارد مختلف مصرف می شوند از کامپوزیتهای پایه پلیمری هستند.
۲- کامپوزیتهایی پایه فلزی: که در آنها یک فلز با فلز دیگری همراه می شوند. مثلاً الیاف تنگستن را بصورت تور می بافند و با آلومینیوم اندود می کنند، حاصل کار کامپوزیتی است که نه مانند تنگستن سنگین است و نه مانند آلومینیوم شکننده.
۳- کامپوزیتهایی پایه سرامیکی: از این کامپوزیت ها بیشتر در صنایع نظامی استفاده می شود اگر چه در صنعت خودرو نیز مصارفی دارند ولی هنوز چندان تجاری نشده اند و عمده ترین مشتری این کامپوزیتها به شرح زیر می باشند:
صنعت ساختمان : ۴۲%
صنعت حمل و نقل: ۳۰%
صنعت برق: ۱۷%
سایر صنایع: ۱۰%
صنعت هوا و فضا (گرچه خود بنیانگذار کامپوزیت است): ۱% [۱۲].
۱-۸-۳- کاربردهای دیگر کامپوزیت ها:
صنایع دریایی: کامپوزیت ها بدلیل پایداری بسیار خوب آنها در محیط های خوردنده کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده اند از جمله: ساخت بدنه قایق ها، کشتی ها، تأسیسات فراساحلی، لوله ها و نرده های کامپوزیتی [۱۲].
تجهیزات ورزشی: تولید وسایل و تجهیزات ورزشی از جمله راکت تنیس، چوب اسکی، کلاه ایمنی برای موتور سواران.
انواع لوله ها برای انتقال آب، فاضلاب، نفت و مواد شیمیایی، مخازن تحت فشار
۱-۸-۴- ساخت کامپوزیت
مشخصات استثنایی کامپوزیت های خوب،ناشی از شیوه ی ساخت شدن آنهاست. مثلاً برای ساختن یک کامپوزیت کربن + کربن نخست یک پایه یا زمینه می سازند، پایه ممکن است از هزاران میله کربن درست شده باشد، این میله ها را به اشکال مختلف لایه چینی می کنند. طرز قرار گرفتن میله ها و زاویه آنها با یکدیگر بر حسب موارد استفاده از کامپوزیت فرق می کند. حداکثر مقاومت در راستای طولی میله هاست پس برحسب مقاومتی که از کامپوزیت انتظار داریم می توان میله ها یا الیاف را در چند جهت روی هم قرار داد:
۱- در یک جهت
۲- در دو جهت متقاطع
۳- در سه جهت
آنگاه باید این مجموعه را بصورت یک قالب در آورند برای اینکار فواصل میان میله ها را با کربن پر می کنند، بعد نوبت چگال کردن یا متراکم کردن کامپوزیت می رسد. برای اینکار قالبی که به دست آمده در چندین نوبت و مدت ده ها ساعت به کوره می رود و پخته و متراکم می شود. دمای کوره به ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد می رسد بعد از این مرحله کامپوزیت کربن + کربن بصورت یک قطعه در می آید که چگالی آن یک و نیم تا دو گرم بر سانتیمتر مکعب است، حالا از این قطعه می توانیم آن چرا مورد نظر ماست بسازیم. در کامپوزیت های دیگری ممکن است قالب را از رزین اپوکسی انتخاب کنند اگر بخواهیم کامپوزیتی بسازیم که در دماهای بالا کمتر اکسیده شود می توانیم در مرحله چگال کردن از کربور سیلسیوم استفاده کنیم برای ساختن پایه و قالب از مواد دیگر گداز مثل کربن و سرامیک استفاده می شود به این ترتیب کامپوزیت هایی بدست می آید که پایداری مکانیکی خوبی دارند و هم در برابر دماهای بالا مقاومت می کنند [۱۲].
۱-۸-۵-روش های ساخت نانوکامپوزیت
روش های زیادی در تولید نانوکامپوزیتها استفاده شده، ولی سه روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافتهاند عباراند از: پلیمریزاسیون in situ ، ترکیب محلول القاشدن و فرایند ذوبی .
روش اینسیتو عبارت است از وارد نمودن یک پیش ماده پلیمری بین لایههای رسی و آنگاه پهن کردن و سپس پاشیدن لایههای رسی درون ماده زمینه (matrix) با پلیمریزاسیون. ابتکار این روش بوسیله گروه تحقیقاتی شرکت تویوتا بود و زمانی رخ داد که میخواستند نانوکامپوزیتهای خاک رس / پلیمر۶ را بسازند. این روش قابلیت و توانایی تولید نانوکامپوزیتهایی با لایه لایه شدگی خوب را دارد و در محدوده وسیعی از سیستم های پلیمری، کاربرد دارد. این روش برای کارخانههای پلیمر خام مناسب است تا در فرآیندهای سنتزی پلیمر، نانوکامپوزیتهای رسی / پلیمر بسازند و مخصوصاً برای پلیمرهای ترموستینگ (پلیمرهایی که در برابر گرما مستحکمتر میشوند) بسیار مفید است.
