امروزه استفاده از غشاهای متخلخل، یکی از فناوری‌های بسیار کارآمد در تصفیه آب و فاضلاب به‌شمار می‎رود. این غشاها براساس اندازه حفره‌ها، به چند دسته اصلی غشاهای اولترافیلتراسیون، غشاهای اسمز معکوس، غشاهای میکروفیلتراسیون و غشاهای نانوفیلتراسیون تقسیم‌بندی می‌شوند. بسته به اندازه تخلخل‌ها و میزان عبوردهی آب، می‌توان از این غشاها در حذف یون‌های فلزی، میکروارگانیسم‌ها و ذرات معلق در آب استفاده کرد. البته جنس غشا نیز می‌تواند معیار دیگری برای دسته‌بندی آن باشد. از این حیث، غشاها به سه دسته کلی غشاهای آلی، غشاهای غیرآلی و غشاهای هیبریدی تقسیم‌بندی می‌شوند. مقاله حاضر، به مرور اجمالی انواع غشاها، خواص منحصربه فرد، و ساختار شیمیایی- فیزیکی آن‎ها می‌پردازد و کاربرد دقیق و چشم‌انداز صنعتی هر کدام را مورد ارزیابی قرار می‌دهد.

مقدمه

طبق تعریف، " غشا  (membrane)  " لایه فیزیکی نازکی است که تنها به برخی از گونه‌های خاص با ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد اجازه عبور از خود می‌دهد. در حالت کلی، دو نوع غشا از نظر ترکیب شیمیایی و ساختاری وجود دارد: (الف) غشای ایزوتروپ؛ و (ب) غشای انیزوتروپ. شمایی از ساختار این غشاها در شکل 1 آورده شده است. غشاهای ایزوتروپ از نظر ترکیب شیمیایی همگن هستند. از متداول‌ترین این ساختارها می‌توان به «غشاهای میکرومتخلخل»، «فیلم‌های متراکم نانومتخلخل» و «غشاهای باردار» اشاره کرد. غشاهای متخلخل عموماً مواد محلول را بر اساس اندازه ذرات معلق و حفره‌های خود غربال می‌کنند. غشاهای میکرومتخلخل مشابه با فیلترهای متداول هستند اما قطر حفرات آن‎ها در محدوده 0.1-5 µm قرار دارد (قطر حفرات فیلترهای معمولی حدود 1 تا 10 میکرومتر است). یکی از مرسوم‌ترین روش‌ها برای ساخت این غشاها، ion track etching  است که در آن، فیلم پلیمری توسط یون‌های سنگین فلزی بمباران می‌شود و کانال‌هایی با قطر کنترل‌شده به‌وجود می‌آید. در نقطه مقابل، فیلم‌های متراکم نانومتخلخل، عوامل نفوذکننده را با مکانیزم نفوذ ملکولی از خود عبور می‌دهند و نیروی محرکه این کار، 5 فشار، غلظت یا میدان الکتریکی است. غشاهای باردار هم می‌توانند به‌صورت میکرومتخلخل و هم نانومتخلخل ساخته شوند. در این ساختارهای متخلخل، بسته به اینکه یون‌هایی با بار مثبت یا منفی بر روی دیواره حفرات قرار گیرند، به‌ترتیب غشاهای تبادل آنیونی (anion-exchange membranes) یا غشاهای تبادل کاتیونی   (cation-exchange membranes)   به‌وجود می‌آیند. شکل 2 شمایی از ساختار این دو نوع از غشاها را نشان می‎دهد. اساس جدایش جزء محلول (solute) در غشای کاتیونی به این صورت است که هرگاه یون‌های منفی محلول موردنظر بخواهند از داخل تخلخل‌های غشا عبور کنند، توسط یون‌های منفی که در ساختار غشا تعبیه شده‌اند دفع می‌شوند و اجازه ورود پیدا نمی‌کنند. همین سناریو برای غشاهای آنیونی نیز صادق است.

شکل 1- شمایی از انواع غشاهای مورد استفاده در تصفیه آب. غشاهای ایزوتروپ از نظر ترکیب شیمیایی همگن هستند، اما غشاهای انیزوتروپ هم از نظر شیمیایی و هم ساختاری، بافت غیرهمگنی دارند.

شکل 2- شمایی از ساختار غشاهای تبادل آنیونی و کاتیونی و مکانیزم عبوردهی یا انسداد یون‌های محلول.

دو نوع غشای انیزوتروپیک وجود دارد: غشاهای جداسازی فازی

 (phase-separation membranes or Loeb-Sourirajan membranes) و غشاهای کامپوزیتی (مانند لایه‌های نازک و ساختارهای خودآرا). مشابه با غشاهای ایزوتروپ، غشاهای جداسازی فازی از نظر ترکیب شیمیایی یکنواخت هستند اما اندازه حفرات و درصد تخلخل آن‎ها در ضخامت غشا تغییر می‌کند. در مقابل، غشاهای کامپوزیتی مانند غشاهای لایه‌نازک، هم از نظر ترکیب شیمیایی و هم از نظر ساختاری کاملاً غیریکنواخت هستند. روش ساخت اکثر این غشاها، لایه‌نشانی پلیمرهای خاص بر روی یک زیرلایه متراکم است. برای این کار، اغلب از روش پلیمریزاسیون سطحی، پوشش‌دهی محلولی و پلیمریزاسیون پلاسمایی استفاده می‌شود.

برای دانلود کامل مقاله کلیک کنید:

دانلود