|
[[ממברנה חדירה למחצה|ממברנות חדירות למחצה]], שמאפשרות מעבר [[מים]] בלבד או [[יון|יוני]] [[מלח (כימיה)|מלח]]ים בלבד, משמשות בתהליך אוסמוזה הפוכה או [[אלקטרודיאליזה]] לצורך [[התפלת מים]]. אותן ממברנות יכולות לשמש במתקני הפקת [[אנרגיה]] בשיטת [[אנרגיה כחולה]].
אפקטיביות של הממברנה נמדדת ביכולת שלה להעביר סוג מסוים של המולקולות ולמנוע חדירתן של המולקולות אחרות . באוסמוזה ישנו מעבר של הממס מתמיסה דלילה יותר לתמיסה מרוכזת . המעבר מתבצע דרך ממברנה חצי חדירה שהיא מהווה מחסום למולקולות של המומס. ממברנה בהגדרתה היא מחסום מאפשר מעבר סלקטיבי של מרכיבים שונים . כאשר מדובר בתמיסות , שאחת מהן היא מהולה ושניה מרוכזת , מולקולות של הממס יעברו לצד תמיסה מרוכזת . בכדי להבין מה גורם לכך חשוב להבין מהם הפוטנציאלים הכימים של כל אחת מהתמיסות וממה הוא מושפע . פוטנציאל הכימי מושפע מהריכוז , טמפ' והלחץ .בכדי להבין למה נוצר לחץ אוסמוטי נרה פוטנציאלים הכימים של כל אחת מהתמיסות . להלן ניתנת נוסחה כללית שמתארת פוטנציאל כימי .
מולקולות של הממס בתמיסה מולה בעלות פוטנציאל כימי יותר גבוה מאשר בתמיסה מרוכזת. ההפרש בין פוטנציאלים שנגרם מכך גורם למולקולות של המים לזרום לתמיסה מרוכזת ובמקרה הזה נוצר שינוי בלחצים הידרוסטאטיים . ההפרש הזה הוא – לחץ האוסמוטי .
הלחץ האוסמוטי מושפע מהריכוזים של התמיסות שמופרדות ע"י ממבראנה חצי חדירה. הלחץ האוסמוטי מונע זרימה ספונטאנית של הממס , ובמילים אחרות לחץ זה קיים כאשר פוטנציאלים הכימיים של שתי תמיסות משתווים .
משוואת Van`t Hoff המקורית מראה קשר דומה ללחץ בגז אידיאלי . להלן ניתן לראות דוגמה לתמיסות מהולות :
- מס' קילוגרם מול של המומס , - נפח של הממס טהור שקשור למולים של המומס. המשוואה משוואה זו היא נכונה כאשר מדובר בתמיסות מאוד מהולות .אם מדובר בתמיסה מרוכזת אז קיים פקטור תיקון , שנקרא מקדם אוסמוטי . מקדם זה מתאר יחס בין לחץ האוסמוטי הקיים לבין לחץ אוסמוטי האידיאלי. לתמיסות מהולות מקדם זה בעל ערך של יחידה וערכו קטן עם הגדלת ריכוז של התמיסה . משוואת Van`t Hoff מתארת יחס בין לחץ האוסמוטי לריכוז של המומס וטמפרטורה .
בכדי לאפשר זרימה בכיוון הפוך צריך להפעיל לחץ על תמיסה מלוחה , שהוא יותר גדול מהלחץ האוסמוטי . התופעה הזו נקראת אוסמוזה הפוכה . בRO משתמשים במס' תהליכים . אחד השימושים המסחרים הוא התפלת מי ים או מים מלוחים . דסיצילציה ( זקוק ) ותהליכי הקפאה משמשים להוצאת את הממס , RO מבוססת על אותו עיקרון רק שהיא מתבצעת בטמפ' של הסביבה וללא שינויי פאזות . תהליך RO מאד מתאים לטיפול בחומרים שרגישים בטיפול טרמי וכימי. ישנם שימושים רבים בRO בתעשיה . לדוגמה : תעשיית מחלבה
( הכנת גבינה ) , ריכוז מיצים , תעשיית אלקטרוניקה , התפלת מי ים ומים מלוחים וכו' .
סוגי ממברנות מבחינת מבנה
Flat sheets – אלו הן שכבות של ממברנה המונחות זו על גבי זו כמערכת פלטות.
בין כל שתי שכבות קיימת שכבה תומכת, דרכה זורם הממס ובה נאגר התסנין.
היחס בין שטח הפנים לנפח הממברנה מאוד נמוך, לכן קצב הסינון נמוך.
איור מס' 1 : Flat sheets
Spiral wound – זוהי ממברנה הבנויה מספירלות העוטפות את תעלת ההזנה המרכזית.
בין ספרלות קיים מרווח לשם יציאת התסנין. הממברנה שימושית עבור זורמים בלתי דחיסים. היחס בין שטח הפנים לנפח של הממברנה יחסית גבוה, לכן קצב הסינון גבוה.
איור מס' 2: Spiral wound
Hollow fibers- זוהי מערכת של סיבים דקים. דפנות הסיבים משמשים כממברנה. התמיסה זורמת דרך הסיבים עצמם ובחלל שבין כל סיב וסיב יוצא תסנין. היחס בין שטח הפנים לנפח של הממברנה גבוה מאוד, לכן קצב הסינון מאוד גבוה.
איור מס' 3: Hollow fibers
Shell & tube - זוהי מערכת של צינורות. גיאומטרית המערכת דומה לזו של Hollow fibers, אך קוטר הצינורות הינו כ- 1cm. היחס בין שטח הפנים לנפח קטן, ולכן קצב הסינון נמוך, כמו כן קשה לנקות מערכת זו. בניגוד ל- Hollow fibers הצינורות נסתמים לעיתים נדירות יותר.
ניתן למיין את הממברנות ע"פ גודל של הפורות:
מיקרו פילטרציה
כאשר מדובר ב-MF העובי של הממברנה תורם להתנגדות החדירה במקרה שבו הממברנה בעלת מבנה סימטרי . עובי של הממברנות האלו מ-10 עד יותר מ-150 מיקרומטר. ברוב תהליכים של מיקרופילטרציה משתמשים בממברנות הא-סימטריות , שבהם העובי של שכבה העליונה הוא 1 מיקרומטר. ממברנות בתהליכים UF , NF , RO הן בעלות מבנה אסימטרי עם שכבה עליונה דקה ויחסית צפופה וזוהי ממברנה סלקטיבית. עובי של שכבה זו נע בין והיא נתמחת ע"י שכבה התחתנה שהיא בעלת עובי של ,שהיא אינה סלקטיבית. ההתנגדות הידראולית ממוקמת בשכבה עליונה בזמן שתת שכבה רק תומכת בה. מבנה א-סימטרי של הממברנה מקנה לה הן תמיכה מכנית והן כושר חדירות .
אולטרה פילטרציה
בתהליכי UF ממברנה בעלת נקבוביות קטנות יותר ממברנת MF. אין לנקבוביות גודל ספציפי, אלא היא מיועדת עבור חלקיקים מרחפים בעלי משקל מולקולרי מסוים. הממברנה בעלת עמידות להפרשי לחצים גדולים יותר( 1-100 psi )
ננו פילטרציה
בתהליכי NF משתמשים בממברנה בעלת נקבוביות קטנות ביחס לממברנות הקודמות. הממברנה משמשת לחומרים כגון: ויטמינים, וירוסים ועוד. הממברנה עומדת בהפרשי לחצים גדולים יותר יחסית למתואר לפני כן.
אוסמוזה הפוכה
סוגי ממברנות מבחינת חומרי מבנה בתהליך RO
אחת מהממברנות החשובות בהתפלת מי ים ותהליכי RO אחרים היא cellulose acetate. זוהי ממברנה א-סימטרית , השכבה הצפופה והדקה בעלת עובי של והיא נתמכת בשכבה שעובי שלה הרבה יותר גדול עם מיקרו נקבוביות שמהות התנגדות קטנה לחדירה. שכבה דקה מסוגלת לחסום מעבר של המולקולות קטנות . בהתפלת מי ים ממברנה דוחה מלחים המומסים ומאפשרת למולקולות מים לעבור. מומסים שנדחים בצורה אפקטיבית ע"י ממברנות cellulose acetate הם : NaCl , NaBr , CaCl2 Na2SO4 , סוכרוז . הגבלה עיקרית בממברנות האלו היא שהן יכולות לשמש בתמיסות מימיות בלבד.
חומרים אחרים לבניית ממברנות ל RO הם aromatic polyamides . החומרים האילו גם מראים סלקטיביות גבוהה ביחס למלחים אבל גם כן גורמים שטף להקטנת שטף של המים . בפוליאמידים ניתן להשתמש בטחום Ph יותר רחב ( מ5-9 ) . בעיקר החיסרון של פוליאמידים או בפולימרים עם קבוצה NH-CO היא רגישות ל - .
חומרים אחרים שמשתמשים לבניית ממברנות הם polybenzimidazoles, polybenzimidazolones polyamidehydrazide ו polyimides.
תהליך RO מתבצע בלחצים מאד גבוהים .
משוואות העבודה ומודלים תאורטים
משוואת הדיפוזיה הממברנלית המייצגות שטף הממס דרך הממברנה במצב עמיד :
(3)
- מקדם העבירות של הממברנה , - עובי הממברנה , - הפרשי לחצים , - הפרשי לחצים אוסמוטים ע"ג הממברנה.
משוואה מס' 3 היא מתארת מודל תאורטי . להלן מיוצגת נוסחה למציאת ספיקת מסת המים לפי המדידות שבוצעו במהלך הניסוי :
(4)
-ספיקת מסת המים , - שטח חתך שדרכו עוברת המסה ( זהו סוד מסחרי ) , - ספיקה נפחית, - צפיפות.
משוואת הדיפוזיה הממברנלית המייצגת את שטף המומס דרך הממברנה במצב עמיד :
(5)
זהו מודל תאורטי לחישוב שטף המלח דרך ממברנה .
-מקדם הדיפוזיה של המומס , -שטף המלח , -מקדם החלוקה ( היחס בין ריכוז המומס בממברנה לבין ריכוז המומס בממס) , -מקדם מעבר המלח , -ריכוז המלח בתמיסת ההזנה ,
-ריכוז המלח בתמיסת התסנין.
לפי משוואה ( 5 ) ישנה השפעה של הריכוזים על שטף המלח .
להלן מיוצגת משוואה לחישוב שטף ספיקת המלח :
(6)
-ריכוז המלח בתמיסת התסנין.
ניתן להגדיר את הממברנה ע"י הגדרת מקדם דחייה Rשמהווה מדד לסלקטיביות הממברנה.
חישוב מקדם דחייה על פי תוצאות הניסוי :
(7)
-ריכוז המלח בתמיסת ההזנה , -ריכוז המלח בתמיסת התסנין.
ככל שערגו של מקדם דחיה מתקרב ל – 1 , כך יכולת של המלחים לעבור דרך הממברנה
יותר קטנה .
מודל תאורטי לחישוב מקדם דחייה ו חישוב למקדם B :
(8)
-מקדם
מתוך משוואה 8 ו 3 :
(9)
קיטוב ריכוזים
בתהליכי סינון מצטברת עוגה. זוהי תופעה של הצטברות מוצקים על גבי הממברנה, דבר הפוגע בחדירותה העוגה נוצרת בד"כ כתוצאה מקיטוב ריכוזים. קיטוב ריכוזים זהו תהליך בו המולקולות, שלא עוברות דרך הנקבוביות של הממברנה, נשארות בצד הרכז וחוסמות את נקבוביות הממברנה . אוסף של מולקולות אלו על גבי הממברנה יוצרות מעין שכבה נוספת שהופכת את הממברנה לסלקטיבית יותר.
לאחר זמן מסוים שטף המלח הולך ויורד וגם מקדם הדחייה. קיטוב ריכוזים רלוונטי עבור תמיסות מי ים (ריכוז מלח גבוה).
[[קטגוריה:תעשייה]]
| 