غشاء هاي سراميکي (4)

در طي فرآيندهاي غشائي مرسوم حضور غشاء با خاصيت گزينشي باعث جداسازي مايع مي شود. ولي در کنتاکتورهاي غشائي اين مسئله وجود ندارد. غشاءهاي مورد استفاده در کنتاکتورهاي غشائي خاصيت گزينشي ندارند. بنابراين در اين غشاءها جدايش عمدتاً بر اساس قوانين موجود براي تماس مواد (مثلاً تعادل فازي) انجام مي شود. شکل 1 قوانين حاکم بر اين فرآيند را نشان مي دهد . همانگونه که ديده مي شود غشاءهاي متخلخل دو سيال (گاز يا مايع) را از همديگر جداسازي مي کنند که در اين فرآيند نفوذ بوسيله ي انتقال جرم اتفاق افتاده است. بر اساي نوع ماده ي مورد استفاده در ساخن غشاء، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار اعمالي در فرآيند، تخلخل هاي غشاء مي توانند بوسيله ي سيال پر شوند که اين مسئله باعث ايجاد تفاوت زيادي در مقاومت انتقال جرم و غشاء مورد استفاده مي شود.

کنتاکتورهاي غشائي يک تکنولوژي است که در آن غشاءهاي متخلخل به عنوان مواد بسته بندي در انتقال جرم بين فازها استفاده مي شود. بنابراين تمام فرآيندهاي جداسازي مرسوم گازي و فرآيندهاي جذبي ، تقطير ، عصاره گيري مايع- مايع ، امولسيون سازي ،کريستاليزاسيون و کاتاليزورهاي انتقال فاز (PHASE TRANSFER CATALYSIS) بوسيله ي کنتاکتورهاي غشائي انجام مي شود.
عملکرد کنتاکتورهاي غشائي به طور زيادي به خواص غشاء ، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار بکار برده شده در عمليات بستگي دارد. عموماً يک غشاء با اندازه ي تخلخل هاي نسبتاً يکسان که سطح آب گزيز دارند و براي اين فرآيند مناسب است. اين غشاء به خاطر اين بايد آبگريز باشد که از تر شدن و امتزاج ميان فازي جلوگيري شود. غشاءها با اندازه ي تخلخل بزرگ، تخلخل هاي زياد و ساختار نامتقارن باعث ايجاد جريان نفوذي بالايي مي شود اما ممکن است باعث تشکيل حباب هاي گازي در فرآيند گاز -مايع شوند. بنابراين فشارهاي عملياتي در فاز مايع بايد کاملاً کنترل شود. به خاطر آنکه از مشکلات بوجود آمده در انتخاب غشاء فرار کنيم و پيچيدگي هاي عملياتي را کاهش دهيم، بايد از کنتاکتورهاي غشائي در واحدهاي جداسازي استفاده کنيم. اين کنتاکتورهاي غشائي داراي مزيت هايي همچون، مسافت سطح بيشتر بر واحد حجم، کنترل مستقل سرعت جريان مايع و گاز بدون غرقه سازي، ايجاد کف و هواگرفتگي هستند . عيوب اين گونه کنتاکتورها عمدتاً مربوط مي شود به وجود مقاومت عبور در برابر ماده و محدوديت هاي فشاري موجود مي باشد. کنتاکتورهاي غشائي امروزي عمدتاً از غشاءهاي پليمري ساخته شده اند زيرا قيمت آنها نسبت به نوع سراميکي پايين تر است و اين مسئله يکي از مزاياي غشاءهاي پليمري است. به هرحال اخيراً غشاءهاي فيبري توخالي که از جنس سراميک ساخته مي شوند بر اي ساخت کنتاکتورهاي غشائي استفاده شده است. اين جايگزيني باعث افزايش طول عمر کنتاکتور غشائي مي شود که يکي از مزاياي غشاءهاي سراميکي است.

گروهي از محققين از کنتاکتورهاي غشائي فيبري توخالي استفاده کرده اند تا سرعت تقطير را بالا ببرند . براساس همين مسئله سيستمي براي تقطير ابداع شده است. که در شکل 2 ديده مي شود. همانگونه که ديده مي شود اين سيستم از يک ستون يک کمک گرم کن (REBOILER) و يک کنوانسور تشکيل شده است. تنها تفاوت اين کنتاکتور اين است که ستون بوسيله ي ماده اي پر نشده است بلکه از الياف توخالي ساخته شده است. اين مسئله کاملاً واضح است که يک ستون فيبري توخالي داراي چندين مزيت نسبت به ستون هاي تقطير سنتي است. اول آنکه اين نوع ستون ها داراي سطح تماس به حجم زيادي هستند. کل اين ناحيه به صورت فعال در انتقال جرم ميان بخار و مايع شرکت مي کند. به دليل اينکه سيال همواره الياف توخالي را پر کرده اند، اين سطح تماس پايدار باقي مي ماند (حتي در جريان بسيار کم) . سوماً به دليل آنکه فاز بخار و مايع در تماس با هم نيستند هيچ گونه غرقه سازي (FLOODING) ناشي از حضور دو فاز بخار و مايع در کنار هم رخ نمي دهد. البته هنوز استفاده از الياف سراميکي توخالي متداول نشده است ولي به خاطر مزاياي سراميک نسبت به پليمر احتمال رواج اين گونه الياف توخالي سراميکي زياد است.
يک رآکتور غشائي وسيله اي است که از ترکيب يک جداساز غشائي به همراه يک رآکتور شيميايي تشکيل شده است. البته به جاي جدا ساز غشائي مي توان از يک فرآيند توزيع نيز استفاده کرد. به دليل آنکه در رآکتورهاي غشائي واکنش شيميايي و عمليات جداسازي /توزيع در يک بخش انجام مي شود ، قيمت فرآيند توليد بسيار کاهش مي يابد . علاوه بر اين، رآکتورهاي غشائي قابليت ارتقاء فرآيند شيميايي را بوسيله ي راه کارهاي زير دارند.
1) عبور گزينشي حداقل يکي از محصولات از نقطه ي واکنش و از طريق غشاء. اين مسئله باعث مي شود تا تعادل واکنش به سمت مورد نظر حرکت کند. ( اصل لوشاتليه )
2) رساندن تنها يک واکنش دهنده ي خاص به منطقه ي واکنش باعث بهينه سازي نسبت اشباع مي شود. در واقع فرآيند شيميايي بهينه سازي گشته و اين مسئله باعث مي شود مصرف مواد اوليه(مخصوصاً مواد خاص) کاهش يابد.
همچنين در اين نوع رآکتورها کنترل ميزان محصولات فرعي نيز آسانتر است. شکل 3 دو عملکرد عمده ي رآکتورهاي غشائي نشان داده شده است.

استفاده از رآکتورهاي غشائي باعث مي شود که واکنش به صورت مورد نظر حرکت کند. اين فرآيند برگشت پذير عمدتاً براي واکنش هاي هيدروژن زدائي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي مثال هنگامي که هيدروژن در يک واکنش هيدروژن زدائي توليد مي شود، به طور مداوم از ميان غشاء نفوذگزين خارج مي گردد. با خروج مداوم هيدروژن تعادل به سمت توليد هيدروژن حرکت مي کند. اين مسئله داراي مزاياي زيادي همچون استفاده از دماي پايين تر در واکنش و افزايش طول عمر کاتاليزورها است.
استفاده از غشاءها در کنترل افزودني هاي واکنش و توزيع مناسب واکنش دهنده ها در زمينه ي واکنش هاي اکسيداسيون جزئي هيدروکربن ها انجام شده است. در اين واکنش ها با کنترل ميزان اکسيژن بوسيله ي غشاء ، از حضور مستقيم فاز گازي (اکسيژن) در واکنش جلوگيري مي شود. همچنين از رآکتورهاي غشائي در کنترل ميزان حرارت واکنش هاي گرماده نيز مي توان استفاده نمود.

در رآکتورهاي غشائي -کاتاليستي، جفت شدگي غشاء با کاتاليزور بوسيله ي سه راه انجام مي شود. همانگونه که در شکل 4 ديده مي شود اين سه راه عبارتند از:
1) همانگونه که در شکل a. 4 ديده مي شود غشاء به همراه کاتاليت مرسوم جفت شده است. غشاء به عنوان ديواره ي خنثي رآکتور استوانه اي است. اين مسئله بايد مورد توجه قرار گيرد که لايه ي بالايي غشاء که باعث تسهيل فرآيند جداسازي مي شود تنها يک بخش کوچک از ضخامت غشاء را تشکيل مي دهد و لايه ي نگهدارنده بخش اعظم لايه را تشکيل مي دهد. اين پيکر بندي عمدتاً در رآکتورهاي هيدروژن زدائي استفاده مي شوند. برخي اوقات ، کاتاليزور به صورت خمير توليد شده و بر روي بخش بالايي غشاء پوشش داده مي شود. البته در صورتي که کاتاليزور کروي نيز مصرف شود عملکرد يکسان است.
2) در اين حالت از قرارگيري، غشاء خودش از لحاظ کاتاليزوري فعال است. (همانگونه که در شکل b.4ديده مي شود) کاتاليزور فعال يک لايه ي غشائي نازک و متراکم است که بر روي تکيه گاه متخلخل رسوب داده مي شود . يک مشکل بالقوه ي اين نوع قرار گيري اين است که همه ي بخش هاي سطحي اين کاتاليزور فعال نيستند.
3) آخرين نحوه ي قرارگيري در شکل 4.c نشان داده شده است. در اين قرارگيري کاتاليزور به صورت اشباع در داخل تخلخل هاي ماده ي ميکروپورس اضافه گشته است. (حالت کاتاليزور لايه ي يا ذره اي) اين روش يکي از روش هاي مرسوم براي اضافه کردن کاتاليزور به غشاء است و براي واکنش هاي هيدروژن زدائي استفاده مي شود.
منبع انگلیسی مقاله : CERA MIC MEMBRANCES FOR SEPARATION AND REACTION BY:KINGLI