غشاء های سرامیکی (1)

مقدمه
 

عموماً یک غشاء سرامیکی را می توان به عنوان یک مرز نفوذگزین (pERMSELECTIVE BARRIER) یا یک غربال بسیار ریز تعریف کرد. قابلیت تراوایی و فاکتور تفکیک یک غشاء سرامیکی دوشاخص بسیار مهم در مورد یک غشاء سرامیکی است. این دو فاکتور به طور خاص تابع ضخامت، اندازه ی تخلخل ها و تخلخل های سطحی غشاء است و این در حالی است که در مورد غشاءهای سرامیکی با دانسیته ی بالا، قوانین نفوذ و تفکیک پیچیده تر است. کاربردها و مکانیزم های تفکیک در غشاءهای سرامیکی متخلخل به اندازه ی تخلخل های غشاء سرامیکی وابسته است. ( همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است.)

غشاءهای سرامیکی معمولاً از ترکیب چندین لایه ی یکسان یا متفاوت سرامیکی تشکیل شده اند. معمولاً این لایه ها بوسیله ی یک تکیه گاه با تخلخل های بسیار بزرگ حمایت می شوند. همچنین این لایه ها از چندین لایه ی مزوپورس میانی تشکیل شده اند که یک لایه ی میکروپورس در روی این لایه ها قرار دارد. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است.

لایه ی پایینی حالت تکیه گاه مکانیکی را دارد و این در حالی است که لایه های میانی دارای تخلخل های مناسب جهت تفکیک هستند. در واقع عمل جداسازی در این مکان اتفاق می افتد. عموماً مواد مورد استفاده برای تولید غشاءهای سرامیکی عبارتند از:Al2o3, Tio2،2, Zro2, SiO2و...همچنین می توان از ترکیبی از این مواد در ساخت غشاء استفاده نمود. به عنوان مثال ویژگی تخلخل های یک غشاء آلومینایی چهار لایه در شکل 2 نشان داده شده است.

این به نظر می رسد که اندازه ی تخلخل های لایه ی جداکننده ی بالایی، لایه های میانی و لایه ی تکیه گاه زیرین به ترتیب در گستره ی 6nm (مزوپورس)، 0.7-0.2 میکرون و 10 میکرون هستند. یک غشاء چند لایه ی پیچیده تر شامل تکیه گاه ماکروپورس از جنس α-〖Al〗_(2O_3 ) دولایه ی مزوپورس از جنس σ-〖Al〗_(2O_3 ) به عنوان لایه های میانی و یک لایه ی میکروپورس به عنوان لایه ی بالایی است.
همانگونه که در شکل 3 مشاهده می شود. (شکل یک میکروگراف از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) است.) یک لایه ی بسیار نازک از سیلیس به ضخامت تقریبی nm30 با قطر تخلخل 5A درجه به دست آمده است. این میکروگراف علاوه بر این مسئله نشان می دهد که لایه ی سیلیسی در بالای لایه ی σ-〖Al〗_(2O_3 )رسوب کرده است. یکی بخش روشن بین لایه ی سیلیسی σ-〖Al〗_(2O_3 ) قابل مشاهده است. مرز بین اولین و دومین لایه ی σ-〖Al〗_(2O_3 ) در فاصله ی nm25 از سطح قابل مشاهده است.

غشاءهای سرامیکی در بالا به آنها شاره شد را تنها می توان بوسیله ی مراحل چندگانه به دست آورد. همانگونه که در شکل 1 بیان شد، یک لایه ی تکیه گاه در ابتدا برای کاهش تنش های مکانیکی وارد بر لایه ها ایجاد می شود. پس از آنکه لایه ی تکیه گاه ایجاد شد می توان یک یا چند لایه میانی را بر روی لایه ی تکیه گاه پوشش داد و پس از آن لایه ی جداکننده ی پایانی را ایجادکرد. هر کدام از مراحل بالا در دمای بالا اتفاق می افتد. و نیازمند عملیات زینترینگ در دمای بالا می باشد. از این رو هزینه ی تولید غشاء بسیار بالاست. به طور واضح باید گفت ترکیب مراحل چندگانه ی بالا در یک مرحله باعث افزایش زمان ساخت و قمیت ساخت می شود. و از این رو قیمت غشاء بالا می رود. شکل 4 میکروگرافی از یک غشاء سرامیکی با دانسیته ی نامتقارن است که بوسیله ی میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) گرفته شده است. غشاء سرامیکی مشاهده شده در شکل 4 بوسیله ی تکنیک گفته شده در بالا تهیه شده است. همانگونه که می توان دید، یک لایه ی پوسته ماند نازک و متراکم بر روی تکیه گاه متخلخل تجمع یافته است. که جنس آن از همان ماده ی سرامیکی است و تأیید می کند که می توان یک غشاء سرامیکی لایه ای را در یک مرحله تهیه کرد.

اکثر غشاءهای سرامیکی تجاری در اشکال دیسکی، صفحه ای یا لوله ای مانند هستند. این غشاءها عموماً به صورت صفحه یا فرام در کنار هم قرار گرفته یا به صورت غشاء های صفحه ای یا لوله ای هستند (در حالت لوله ای از غشاءهای لوله مانند استفاده می شود). برای افزایش نسبت مساحت سطح به حجم و افزایش ناحیه ی جداکننده بر واحد حجم غشاء عناصر آلومینایی چندکانالی یکپارچه استفاده می شود. (شکل 5).

این عناصر یکپارچه می توانند به صورت اشکال مختلف ایجاد شوند. بنابر گزارشات انجام شده نسبت مساحت سطح به حجم برای اشکال لوله مانند بین 250-30m^(2m^(-3) ) است. این نسبت برای غشاءهای یکپارچه ی چندکانالی 400-130m^(2〖.m〗^(-3) ) و برای غشاءهای یکپارچه ی شانه عسلی (شش ضلعی) این نسبت بیش از 800 m^(2〖.m〗^(-3) ) است. اشکال مشابه که درشرکت ceramem تولید شده است در شکل 6 نشان داده شده است.

به طور مشابه، یک صفحه و یا فرام سرامیکی می تواند از تجمع تعداد زیادی سلول غشاء (ساخته شده از صفحات سرامیکی) ساخته شود. در این وسایل می توان با استفاده از غشاءهای صفحاتی و دیسکی میزان دانسیته ی تراکمی را بالا برد. این قاعده در شکل 7 دیده شده است همچنیتن در این شکل جریان مایع تغذیه شده به جداکننده ی متخلخل نشان داده شده است. این جداکننده از دو صفحه تشکیل شده است. جریان از میان غشاءها نفوذ کرده و این نفوذ از میان سلولهای جداکننده انجام می شود.

برای افزایش بیشتر میزان دانسیته می توان از اشکال توخالی فیبر مانند استفاده نمود با استفاده از این اشکال می توان میزان دانسیته را به 900m^(2〖.m〗^(-3) ) رساند که این عدد در مقایسه با دانسیته ی 30-500m^(2〖.m〗^(-3) ) که در صفحات و قطعات لوله ای دیده می شود، بسیار زیاد است. بزرگترین چالشی که در تهیه ی اجزای فیبری توخالی تولید شده از مواد سرامیکی روبروی ماست، تردی این مواد است. این مسأله مخصولاً در کاربردهای صنعتی دمابالا نمود می یابد. اجزای فیبری توخالی در فرم های متخلخل و متراکم تهیه می شوند که فرم آنها بستگی به کاربردشان دارد. این نوع غشاءهای سرامیکی را می توان در زمینه هایی همچون مجزاکننده های گازی، رآکتورهای غشائی (membrane reactor)، بازیافت حلال و... استفاده کرد.
منبع انگلیسی مقاله : ceramic membranes for sepavation and Reaction by: kang Li
ادامه دارد...