غشای فلزی

پیشرفت‌های امروزی در صنایع شیمیایی و صنایع مشابه بیشتر به سمت افزایش سرعت انجام فرایندها و کاهش مصرف انرژی در طول فرایند معطوف است. یکی از فرایندهای مهم و پرکاربرد در چنین صنایعی، جداسازی مواد مختلف می‌باشد. برای انجام فرایندهای صنعتی اغلب باید اجزا ماده خام اولیه را از هم جدا کرد و محصول به دست آمده از این فرایندها نیز نیازمند تفکیک و تخلیص هستند. از طرفی در اکثر صنایع، آب و هوا مصرف شده در تولید آلوده می‌گردند، با در نظر گرفتن ممانعت‌های محیط زیستی، لزوم فرایندهای جداسازی بیش از پیش مشخص می‌گردد. روش‌های معمول جداسازی نظیر تقطیر و استخراج مایع-مایع انرژی زیادی مصرف کرده و جایگزینی روشهایی با مصرف انرژی کمتر برای این فرایند از فعالیت‌های مهم دستاندرکاران در این زمینه به‌شمار می‌رود. در این راستا غشا‌ها توسعه یافته‌اند که عملکرد ویژه آنها جداسازی گونه‌های مختلف در حالات مختلف ماده یعنی گاز، مایع و جامد است.

 مواد سازنده غشاهای فلزی 
اغلب این غشاها از جنس فلزات مقاومی مانند پلاتین و پالادیم هستند که در اندازه‌های صنعتی مقرون به صرفه نیست. فلزات دیگر مانند نیکل و عناصر فلزی در گروه VIII واسطه در جدول تناوبی، عناصری هستند که به دلیل انتقال دهندگی هیدروژن بکار گرفته می‌شوند. البته فلزات دیگر هم عموماً به صورت آلیاژ با پالادیم مورد استفاده قرار می‌گیرند.
بندانگشتی|حفره‌های غشای فلزی

 غشاهای پالادیمی 
پیشتر گفته شد که از عناصر مختلفی برای ساخت غشاهای فلزی استفاده می‌شود اما در میان این فلزات تمایل جذب هیدروژن در پالادیم بسیار بیشتر از دیگر فلزات است و عمده غشاهای فلزی به کار رفته در خالص سازی هیدروژن نیز بر پایه فلز پالادیم و آلیاژهای آن ساخته می‌شوند.

در استفاده از غشاهای پالادیمی باید به این نکته توجه داشت که اگر پالادیم خالص در اتمسفر غنی از هیدروژن قرار گیرد، شکنندگی در آن اتفاق می‌افتد از این رو پالادیم نباید در دماهای پایین‌تر از دمای بحرانی (۳۰۰ درجه سلسیوس) و فشار بحرانی (۲۰bar) در معرض هیدروژن قرار گیرد مگر اینکه به صورت آلیاژ با فلزات دیگر به کار رود که در این صورت در دماهای پایین نیز قابل استفاده خواهد بود. آلیاژهای پالادیم عمدتاً با فلزاتی مانند نقره، مس، نیکل، پلاتین و روتنیم می‌باشد که در این بین تعداد مقالات منتشر شده از آلیاژ پالادیم-نقره بسیار بیشتر بوده است. غشاهای پالادیمی انتخاب پذیری بسیار بالایی را در مقابل هیدروژن از خود نشان می‌دهند. مقاومت حرارتی این غشاها نیز بسیار بالا می‌باشد به طوری که نتایج ارزیابی عملکرد این غشاها حتی تا دمای ۶۰۰ درجه (سلسیوس) نیز در مقالات آمده است. نتایج آزمون‌های عبوردهی هیدروژن از این غشاها نیز بسیار بالا بوده است اما غشاهای پالادیمی بسیار گران‌قیمت هستند و سخت و شکننده می‌باشند. طول عمر این غشاها کم است و امکان مسمومیت شیمیایی خصوصاً در برابر مونوکسیدکربن در این غشاها بسیار بالاست.

 غشاهای فلزی مرکب 
غشاهای مرکب فلزی دارای پایه‌هایی از جنس فلز، سرامیک یا پلیمر هستند.

البته در اکثر موارد استفاده از فولاد ضدزنگ به عنوان پایه غشای فلزی پیشنهاد شده است چراکه ساخت غشا با این فلز هزینه کمتری داشته، استحکام مکانیکی بالایی دارد و از لحاظ شیمیایی تا حد زیادی در اکثر فرایندهای صنعتی برای تولید و خالص سازی هیدروژن بی اثر است.

مطالعات اخیر بر ساخت غشاهای فلزی متراکم مرکب، با ضخامت حدود زیر میکرون تا چند ده میکرون و ویژگی‌ها و کاربردهای آنها متمرکز شده است.

 اشکال غشاهای فلزی 
اشکال مختلفی برای غشاهای فلزی با توجه به کاربردشان در نظر گرفته شده است که اکثراً به شکل دیسکی، صفحه ایی و لوله ای هستند.

 مزایا و معایب 
 مزایا 
 غشاهای فلزی بهترین عبور دهنده هیدروژن هستند و به‌طور خارق‌العاده ای نسبت به هیدروژن نفوذپذیر بوده و نسبت به سایر گازها نفوذ ناپذیرند.
 غشاهای فلزی نسبت به پلیمری از مقاومت حرارتی، مکانیکی و شیمیایی (خورندگی) خوبی برخوردارند و بنابراین عمر مفید بیشتری دارند.
 امکان کنترل مطلوب اندازه حفره‌ها در هنگام ساخت
 تمایل کمتر به انسداد و گرفتگی

بندانگشتی|نحوه عملکرد غشای فلزی

 معایب 
 شکنندگی بالا
 نسبت به غشاهای پلیمری گرانتر اند

 کاربرد غشاهای فلزی 
صنایع شیمیایی: جهت تصفیه سیالات با دمای بالا و خورندگی زیاد

صنایع دارویی: جهت کاربرد در استریلیزاسیون حرارتی

صنایع لبنی: جهت کاربرد در استریلیزاسیون حرارتی

جداسازی گازی: اگرچه در تمام فرایندهای جداسازی صنعتی گاز، از غشاهای پلیمری استفاده می‌کنند ولی استفاده از غشاهای فلزی نیز ادامه دارد، که بیشتر کاربرد آن در راکتورهای غشایی دما بالا و تهیه هیدروژن خالص برای پیل‌های سوختی می‌باشد. غشاهای فلزی باید در دماهای بالا عمل کنند تا به نرخ نفوذ مناسب دست پیدا کنند و از شکافته شدن فلز بر اثر جذب شدن هیدروژن جلوگیری به عمل آورند.

نفوذ هیدروژن به غشای فلزی، از یک فرایند چند مرحله‌ای تشکیل شده است. مولکول‌های هیدروژن موجود در گاز خوراک، بر روی سطح غشا جذب شده، و به اتم‌های هیدروژن تجزیه می‌شوند. هر اتم هیدروژن، الکترون خود را به شبکه فلزی می‌دهد و به مانند یک یون به شبکه نفوذ می‌کند. اتم‌های هیدروژن، در سمت جریان عبوری غشا خارج شده و به منظور تشکیل مجدد مولکول هیدروژن، به هم می‌پیوندند و سپس دفع می‌شوند. تنها هیدروژن، از طریق این مکانیزم به غشا نفوذ می‌کند و سایر گازها پس زده می‌شوند.

البته در زمینه تصفیه آب آشامیدنی و حذف مواد آلی طبیعی به روش لختهسازی و میکروفیلتراسیون از غشاهای فلزی همراه با هوادهی یا تزریق گاز ازون به عنوان یک روش جدید برای حذف آلودگی‌های آب باران مورد تحقیق قرار گرفته و ثابت شده که غشای فلزی برای کاهش میکروب‌ها و ذرات آلوده کننده از آب باران، کافی است.

 روش ساخت غشاهای فلزی 
روش‌های ساخت غشاهای فلزی شامل روش‌های نشاندن بخار شیمیایی (CVD)، نشاندن بخار فیزیکی (PVD)، روش رسوب گذاری الکتریکی (ED)، اکسیداسیون حرارتی، روش رشد بلورها و حکاکی با اتم‌های با انرژی بالا هستند. روش نشاندن بخار شیمیایی نیاز به تجهیزات پیچیده و گران‌قیمت دارد ولی روش لایهگذاری الکتریکی سادهتر بوده و به عنوان پرکاربردترین و متداولترین روش در ساخت غشاهای فلزی مطرح است.

 منابع 

 غشاهای پلیمری: کاربرد، روشهای ساخت و اصلاح آنها، مؤلفان: دکتر احمد رحیم پور، دکتر سید سیاوش مدائنی، مهندس کسری پیرزاده
 R. Sharma, "Membrane Filtration", pp1-95, 2008, Available from: http://www.ozscientific.com
 J. Bombe," Membrane Separation", SRI Consulting Business Intelligence, 2008
 G. Srikanth, "Membrane Separation Processes" Technology and Business Opportunities, Water Conditioning & Purification, pp1- 4, 2008
 سرمه حیدری، غشاهای فلزی، باشگاه مهندسان ایران، مقاله‌های مهندسی ایران ۲۰۰۸
رده:فناوری غشایی
رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر