Sintetik membrana - Synthetic membrane

Ushbu maqola ajratish uchun sintetik membranalar haqida. Tabiiy tuzilmalar uchun qarang Biologik membrana. Membrana atamasining boshqa ishlatilishi uchun qarang Membran (ajralish).

An sun'iy membrana, yoki sintetik membrana, bu odatda laboratoriyada yoki sanoatda ajratish uchun mo'ljallangan sintetik ravishda yaratilgan membranadir. Sintetik membranalar yigirmanchi asrning o'rtalaridan boshlab kichik va yirik sanoat jarayonlari uchun muvaffaqiyatli ishlatilgan.[1] Sintetik membranalarning xilma-xilligi ma'lum.[2] Ular ishlab chiqarilishi mumkin organik polimerlar va suyuqliklar kabi materiallar, shuningdek noorganik materiallar. Ajratish sanoatida tijorat maqsadlarida ishlatiladigan sintetik membranalarning ko'pi ishlab chiqarilgan polimer tuzilmalar. Ular asosida tasniflanishi mumkin sirt kimyosi, ommaviy tuzilish, morfologiya va ishlab chiqarish usuli. Sintetik membranalar va ajratilgan zarralarning kimyoviy va fizik xususiyatlari, shuningdek, harakatlantiruvchi kuchni tanlash muayyan membranani ajratish jarayonini belgilaydi. Sanoatdagi membrana jarayonining harakatlantiruvchi kuchlari eng ko'p qo'llaniladi bosim va konsentratsiya gradyanlari. Shuning uchun tegishli membrana jarayoni quyidagicha tanilgan filtrlash. Ajratish jarayonida ishlatiladigan sintetik membranalar har xil geometriyada va tegishli oqim konfiguratsiyasida bo'lishi mumkin. Shuningdek, ularni qo'llash va ajratish rejimiga qarab tasniflash mumkin.[2] Eng yaxshi ma'lum bo'lgan sintetik membranani ajratish jarayonlari suvni tozalash, teskari osmoz, degidrogenatsiya tabiiy gazni, hujayra zarralarini tozalash mikrofiltratsiya va ultrafiltratsiya, sut mahsulotlaridan mikroorganizmlarni olib tashlash va Dializ.

Membrananing turlari va tuzilishi

Sintetik membranani ko'plab turli xil materiallardan tayyorlash mumkin. Organik yoki noorganik materiallardan, shu jumladan qattiq moddalardan tayyorlanishi mumkin metall yoki seramika, bir hil filmlar (polimerlar), heterojen qattiq moddalar (polimer aralashmalari, aralash stakan) va suyuqliklar.[3] Seramika membranalari kabi noorganik materiallardan ishlab chiqariladi alyuminiy oksidlar, kremniy karbid va zirkonyum oksid. Seramika membranalari agressiv muhit ta'siriga juda chidamli (kislotalar, kuchli erituvchilar). Ular kimyoviy, termal va mexanik va biologik jihatdan juda barqaror inert. Keramika membranalari yuqori og'irlik va ishlab chiqarish xarajatlariga ega bo'lishiga qaramay, ular ekologik jihatdan qulay va uzoq umr ko'rishadi. Seramika membranalari odatda quvur shaklidagi monolitik shakllar sifatida ishlab chiqariladi mayda tomirlar.[3]

Suyuq membranalar

Suyuq membranalar qattiq bo'lmagan materiallardan tayyorlangan sintetik membranalarni nazarda tutadi. Sanoatda bir nechta suyuq membranalarni uchratish mumkin: emulsiya suyuq membranalari, immobilizatsiya qilingan (qo'llab-quvvatlanadigan) suyuq membranalar, eritilgan tuzlar va ichi bo'sh tolalar tarkibida suyuq membranalar mavjud.[3] Suyuq membranalar keng o'rganilgan, ammo shu paytgacha tijorat maqsadlarida qo'llanilishi cheklangan. Membranadagi suyuqliklarning ular bilan aloqa qilish fazalarida bug'lanishi yoki erishi tendentsiyasi tufayli etarlicha uzoq muddatli barqarorlikni saqlash muammo hisoblanadi.

Polimer membranalar

Polimer membranalar membranani ajratish sanoatining bozorini boshqaradi, chunki ular ishlash va iqtisodiy jihatdan juda raqobatdosh.[3] Ko'pgina polimerlar mavjud, ammo membranali polimerni tanlash ahamiyatsiz ish emas. Polimer mo'ljallangan dastur uchun mos xususiyatlarga ega bo'lishi kerak.[4] Polimer ba'zida past bog'lanishni taklif qilishi kerak qarindoshlik ajratilgan molekulalar uchun (biotexnologiyalarda bo'lgani kabi) va qattiq tozalash sharoitlariga bardosh berishi kerak. U tanlangan membranani tayyorlash texnologiyasiga mos kelishi kerak.[4] Polimer zanjirning qat'iyligi, zanjirning o'zaro ta'siri jihatidan avval mos membrana bo'lishi kerak. stereoregularlik va kutupluluk uning funktsional guruhlari.[4] Polimerlar har xil shaklda bo'lishi mumkin amorf va yarim kristalli tuzilmalar (har xil bo'lishi mumkin shisha o'tish harorat), membrananing ishlash xususiyatlariga ta'sir qiladi. Membranani ajratish jarayonining arzon mezonlariga mos kelish uchun polimer olinishi va o'rtacha narxga ega bo'lishi kerak. Ko'pgina membranali polimerlar payvand qilinadi, buyurtma asosida o'zgartiriladi yoki ishlab chiqariladi kopolimerlar ularning xususiyatlarini yaxshilash uchun.[4] Membranani sintez qilishda eng keng tarqalgan polimerlar tsellyuloza atsetat, Nitroselüloz va tsellyuloza Esterlar (CA, CN va CE), polisülfon (PS), polieter sulfon (PES), poliakrilonitril (PAN), poliamid, polimid, polietilen va polipropilen (PE va PP), polietetrafloroetilen (PTFE), poliviniliden ftorid (PVDF), polivinilxlorid (PVX).

  • Polisulfon (PS)

  • Polietilen (pe)

  • Polietetrafloroetilen (PTFE)

  • Polipropilen (PP)

Polimer elektrolitlar membranalari

Polimer membranalar funktsional bo'lishi mumkin ion almashinadigan membranalar yuqori kislotali yoki asosiy funktsional guruhlarning qo'shilishi bilan, masalan. sulfan kislotasi va to'rtinchi ammoniy, bu membranani suv kanallarini hosil qilishiga va navbati bilan kationlar yoki anionlarni tanlab tashishiga imkon beradi. Ushbu toifadagi eng muhim funktsional materiallar quyidagilarni o'z ichiga oladi proton almashinadigan membranalar va ishqorli anion almashinadigan membranalar, bu suvni tozalash, energiya yig'ish, energiya ishlab chiqarish kabi ko'plab texnologiyalarning asosidir. Suvni tozalash dasturlariga quyidagilar kiradi teskari osmoz, elektrodializ va teskari elektrodializ. Energiya zaxirasidagi dasturlarga qayta zaryadlanuvchi kiradi metall-havo elektrokimyoviy hujayralari va har xil turlari oqim batareyasi. Energiya ishlab chiqarish doirasidagi dasturlarga quyidagilar kiradi proton almashinadigan membrana yonilg'i xujayralari (PEMFC), gidroksidi anion almashinadigan membrana yonilg'i xujayralari (AEMFCs) va ikkala ozmotik va elektrodializga asoslangan ozmotik kuch yoki ko'k energiya avlod.

Seramika ko'p kanalli elementlar

Seramika membranalari

Seramika membranalari dan qilingan noorganik materiallar (masalan alumina, titaniya, zirkoniya qayta kristallangan oksidlar kremniy karbid yoki ba'zi bir shisha materiallar). Polimer membranalardan farqli o'laroq, ular agressiv muhit (kislotalar, kuchli erituvchilar) mavjud bo'lgan ajralishlarda ishlatilishi mumkin. Ular shuningdek yuqori haroratda foydalanishga yaroqli bo'lgan mukammal termal barqarorlikka ega membrana operatsiyalari.

Yuzaki kimyo

Qattiq qattiq yuzaga namlangan suyuqlik tomchisining aloqa burchagi.Yoshning tenglamasi: γLG ∙ cosθ + γSL= γSG.

Sintetik membrananing muhim xususiyatlaridan biri bu uning kimyosi. Sintetik membrana kimyosi odatda ajratish jarayonining oqimi bilan aloqa qiladigan sirtning kimyoviy tabiati va tarkibiga ishora qiladi.[4] Membrana sirtining kimyoviy tabiati uning asosiy tarkibidan ancha farq qilishi mumkin. Ushbu farq membranani ishlab chiqarishning biron bir bosqichida moddiy qismlarga bo'linishi yoki postformatsiya qilingan sirtni o'zgartirishdan kelib chiqishi mumkin. Membran sirt kimyosi kabi juda muhim xususiyatlarni yaratadi hidrofillik yoki hidrofobiklik (sirt erkin energiyasi bilan bog'liq), mavjudligi ion zaryadi, membrana kimyoviy yoki termal qarshilik, bog'lash qarindoshlik eritmadagi zarralar uchun va biokompatibillik (bioseparatsiyada).[4] Membrana yuzalarining gidrofilligi va hidrofobligi suv (suyuqlik) bilan ifodalanishi mumkin. aloqa burchagi θ. Gidrofil membrana sirtlari 0 ° <θ <90 ° (0 ° ga yaqin) oralig'ida aloqa burchagiga ega, bu erda hidrofob materiallar 90 ° <θ <180 ° oralig'ida θ ga ega.

Bargni namlash.

Aloqa burchagi interfeys kuchlari balansi uchun Young tenglamasini echish yo'li bilan aniqlanadi. Muvozanat holatida qattiq / gazga (γ) mos keladigan uchta interfeys tarangligiSG), qattiq / suyuqlik (γSL) va suyuqlik / gaz (γLG) interfeyslar muvozanatlashgan.[4] Aloqa burchagi kattaliklarining natijasi quyidagicha ma'lum namlash xarakterlash uchun muhim bo'lgan hodisalar kapillyar (teshik) kirib kelish harakati. Membrana sirtini namlash darajasi aloqa burchagi bilan aniqlanadi. Kichkina aloqa burchagi bo'lgan sirt namlash xususiyatlariga ega (θ = 0 ° - mukammal namlash). Ba'zi hollarda past sirt tarangligi spirtli ichimliklar yoki kabi suyuqliklar sirt faol moddasi eritmalar namlanmaydigan membrana yuzalarini namlashni kuchaytirish uchun ishlatiladi.[4] Membrananing yuzasi erkin energiya (va shu bilan bog'liq bo'lgan hidrofillik / hidrofobiklik) membrana zarrachalariga ta'sir qiladi adsorbsiya yoki ifloslanish hodisalar. Ko'pgina membranalarni ajratish jarayonlarida (ayniqsa bioseparatsiyalar) yuqori sirt gidrofilligi pastki ifloslanishga to'g'ri keladi.[4] Sintetik membranani ifloslanishi membrananing ishlashini yomonlashtiradi. Natijada, membranani tozalashning turli xil usullari ishlab chiqildi. Ba'zan ifloslanish qaytarib bo'lmaydigan va membranani almashtirish kerak. Membranalar yuzasi kimyosining yana bir xususiyati sirt zaryadidir. Zaryadning mavjudligi membrana-suyuqlik interfeysining xususiyatlarini o'zgartiradi. Membrananing yuzasi an rivojlanishi mumkin elektrokinetik potentsial va zaryadni neytrallashga moyil bo'lgan eritma zarralari qatlamlarini hosil bo'lishiga olib keladi.

Membrana morfologiyasi

Sintetik membranalarni tuzilishiga (morfologiyasiga) qarab ham turkumlash mumkin. Sintetik membranalarning uchta turi odatda ajratish sanoatida qo'llaniladi: zich membranalar, gözenekli membranalar va assimetrik membranalar. Zich va g'ovakli membranalar ajratilgan molekulalarning kattaligiga qarab bir-biridan ajralib turadi. Zich membrana odatda kichik molekulalarni ajratish jarayonida (odatda gaz yoki suyuq fazada) ishlatiladigan zich materialning ingichka qatlamidir. Zich membranalar sanoatda gazni ajratish va teskari osmosni qo'llash uchun keng qo'llaniladi.

Zich membranalar sifatida sintez qilinishi mumkin amorf yoki heterojen tuzilmalar. Kabi polimerik zich membranalar polietetrafloroetilen va tsellyuloza Esterlar odatda tomonidan ishlab chiqarilgan siqishni kalıplama, erituvchini quyish va purkash polimer eritmasidan iborat. Zich membrananing membrana tuzilishi, unga bog'liq ravishda ma'lum bir haroratda rezinali yoki shishasimon holatda bo'lishi mumkin shisha o'tish harorati .[2] G'ovakli membranalar kattaroq molekulalarni, masalan, qattiq kolloid zarralar, yirik biomolekulalarni (oqsillar, DNK, RNK ) va filtrlaydigan muhitdan hujayralar. G'ovakli membranalar mikrofiltratsiya, ultrafiltratsiya va diyaliz ilovalar. "Membrana teshigi" ni aniqlashda ba'zi tortishuvlar mavjud. Eng ko'p ishlatiladigan nazariya soddaligi uchun silindrsimon teshikni nazarda tutadi. Ushbu model teshiklarning parallel, noaniq silindrsimon kapillyarlar shakliga ega bo'lishini taxmin qiladi. Ammo aslida odatdagi teshik - bu turli o'lchamdagi notekis shaklli tuzilmalarning tasodifiy tarmog'i. Teshik hosil bo'lishiga "yaxshiroq" ning erishi sabab bo'lishi mumkin hal qiluvchi polimer eritmasidagi "kambag'al" erituvchiga.[2] Teshikning boshqa turlarini cho'zish yo'li bilan ishlab chiqarish mumkin kristalli polimerlarning tuzilishi. G'ovakli membrananing tuzilishi o'zaro ta'sir qiluvchi polimer va erituvchining xususiyatlari, komponentlarning konsentratsiyasi, molekulyar og'irlik, harorat va eritmada saqlash vaqti.[2] Qalinroq g'ovakli membranalar ba'zan ingichka zich membrana qatlamlarini qo'llab-quvvatlaydi va assimetrik membrana tuzilmalarini hosil qiladi. Ikkinchisi odatda a tomonidan ishlab chiqariladi laminatsiya zich va g'ovakli membranalardan iborat.

Shuningdek qarang

Izohlar

  1. ^ Pinnau, I., Freeman, B.D., Membrananing shakllanishi va modifikatsiyasi, ACS, 1999 yil.
  2. ^ a b v d e Osada, Y., Nakagava, T., Membrana fanlari va texnologiyalari, Nyu-York: Marsel Dekker, Inc, 1992 yil.
  3. ^ a b v d Perri, RH, Yashil D.H., Perrining kimyo muhandislari uchun qo'llanma, 7-nashr, McGraw-Hill, 1997 yil.
  4. ^ a b v d e f g h men Zeaman, Leos J., Zidney, Endryu L., Mikrofiltratsiya va ultrafitratsiya, Printsiplar va qo'llanmalar., Nyu-York: Marcel Dekker, Inc, 1996 y.

Adabiyotlar

  • Pinnau, I., Freeman, B.D., Membrananing shakllanishi va modifikatsiyasi, ACS, 1999 yil.
  • Osada, Y., Nakagava, T., Membrana fanlari va texnologiyalari, Nyu-York: Marsel Dekker, Inc, 1992 yil.
  • Perri, RH, Yashil D.H., Perrining kimyo muhandislari uchun qo'llanma, 7-nashr, McGraw-Hill, 1997 yil.
  • Zeman, Leos J., Zidney, Endryu L., Mikrofiltratsiya va ultrafitratsiya, Printsiplar va qo'llanmalar., Nyu-York: Marcel Dekker, Inc, 1996 y.
  • Mulder M., Membran texnologiyasining asosiy tamoyillari, Kluwer Academic Publishers, Niderlandiya, 1996 y.
  • Jornits, Mayk V., Steril filtrlash, Springer, Germaniya, 2006 yil
  • Jeykob J., Pradanos P., Kalvo JI, Ernandes A., Jonsson G. Fauling kinetikasi va tarkibiy modifikatsiyalarning tegishli dinamikasi. J. Koll va Surf. 138(1997): 173-183.
  • Van Reis R., Zidney A. Bioprocess membranasi texnologiyasi. J Mem Sci. 297(2007): 16-50.
  • Madaeni S.S. Katta zarrachalarning kichik zarrachalar mikrofiltratsiyasiga J. Mat mat. 8(2001): 143-148.
  • Martinez F., Martin A., Pradanos P., Calvo JI, Palacio L .., Ernandes A. Proteinlarning adsorbsiyalanishi va mikrofiltratsiya membranalarida cho'kishi: eruvchan va qattiq moddalar ta'sirining roli. J. Coll Interf Sci. 221(2000): 254-261.
  • Palacio L., Ho C., Pradanos P., Calvo JI, Kherif G., Larbot A., Hernandez A. Fouling, tarkibi va noorganik mikrofiltratsiya membranasining zaryadlari. J. Coll va Surf. 138(1998): 291-299.
  • Templin T., Johnston D., Singh V., Tumbleson ME, Belyea RL Rausch K.D. Makkajo'xori ishlov berish oqimlaridan qattiq moddalarni membrana bilan ajratish. Biores Tech. 97(2006): 1536-1545.
  • Zidney A. L., X C. Oddiy oqim mikrofiltratsiyasi paytida membrana morfologiyasining tizim sig'imiga ta'siri. Biotexnol, Bioeng. 83(2003): 537-543.
  • Ripperger S., Schulz G. Biotexnik qo'llanmalardagi mikroporozli membranalar. Bioprocess Eng. 1(1986): 43-49.
  • Ho C., Zidney A. Asimmetrik va kompozit mikrofiltratsiya membranalarining oqsil bilan ifloslanishi. Ind Eng Chem Res. 40(2001): 1412-1421.