غشاء اصطناعي

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

الغشاء الاصطناعي ، أو الغشاء التركيبي ، هو غشاء مُصنّع يُستخدم عادةً لأغراض الفصل في المختبرات أو الصناعة. وقد استُخدمت الأغشية التركيبية بنجاح في العمليات الصناعية الصغيرة والكبيرة منذ منتصف القرن العشرين. [ 1 ] وتتوفر أنواع عديدة من الأغشية التركيبية. [ 2 ] ويمكن إنتاجها من مواد عضوية ، مثل البوليمرات والسوائل، بالإضافة إلى مواد غير عضوية . وتُصنع معظم الأغشية التركيبية المستخدمة تجاريًا في الصناعة من هياكل بوليمرية . ويمكن تصنيفها بناءً على كيمياء سطحها ، وبنيتها الداخلية، وشكلها ، وطريقة إنتاجها. وتُحدد الخصائص الكيميائية والفيزيائية للأغشية التركيبية والجسيمات المفصولة، بالإضافة إلى قوة الفصل، عملية فصل غشائية معينة. وتُعد قوة الضغط وتدرج التركيز من أكثر قوى الفصل الغشائية شيوعًا في الصناعة . ولذلك، تُعرف عملية الفصل الغشائية باسم الترشيح . ويمكن أن تكون الأغشية التركيبية المستخدمة في عملية الفصل ذات أشكال هندسية وتكوينات تدفق مختلفة. كما يمكن تصنيفها بناءً على تطبيقها ونظام الفصل. [ 2 ] تشمل أفضل عمليات فصل الأغشية الاصطناعية المعروفة تنقية المياه ، والتناضح العكسي ، وإزالة الهيدروجين من الغاز الطبيعي، وإزالة جزيئات الخلايا عن طريق الترشيح الدقيق والترشيح الفائق ، وإزالة الكائنات الحية الدقيقة من منتجات الألبان، وغسيل الكلى .

أنواع الأغشية وبنيتها

يمكن تصنيع الأغشية الاصطناعية من عدد كبير من المواد المختلفة. يمكن تصنيعها من مواد عضوية أو غير عضوية، بما في ذلك المواد الصلبة مثل المعادن ، والسيراميك ، والأغشية المتجانسة ، والبوليمرات ، والمواد الصلبة غير المتجانسة (مثل الخلائط البوليمرية والزجاج المختلط )، والسوائل. [ 3 ] تُصنع الأغشية السيراميكية من مواد غير عضوية مثل أكاسيد الألومنيوم ، وكربيد السيليكون ، وأكسيد الزركونيوم . تتميز الأغشية السيراميكية بمقاومتها العالية للمواد الكيميائية القوية (الأحماض والمذيبات القوية). كما أنها تتمتع بثبات كيميائي وحراري وميكانيكي عالٍ، وخمول بيولوجي . على الرغم من وزنها الثقيل وتكاليف إنتاجها المرتفعة، إلا أن الأغشية السيراميكية صديقة للبيئة وتتمتع بعمر تشغيلي طويل. تُصنع الأغشية السيراميكية عادةً على شكل أنابيب شعرية متجانسة . [ 3 ]

الأغشية السائلة

تشير الأغشية السائلة إلى الأغشية الاصطناعية المصنوعة من مواد غير صلبة. وتوجد أنواع عديدة من الأغشية السائلة في الصناعة، منها: أغشية المستحلبات السائلة، والأغشية السائلة المثبتة (المدعومة)، [ 4 ] وأغشية الأملاح المنصهرة المدعومة ، [ 5 ] والأغشية السائلة المحتوية على ألياف مجوفة. [ 3 ] وقد خضعت الأغشية السائلة لدراسات مستفيضة، إلا أن تطبيقاتها التجارية لا تزال محدودة. ويُعدّ الحفاظ على استقرارها على المدى الطويل مشكلة رئيسية، نظرًا لميل السوائل الموجودة في الأغشية إلى التبخر، أو الذوبان في المواد الملامسة لها، أو التسرب من دعامة الغشاء.

الأغشية البوليمرية

تتصدر الأغشية البوليمرية سوق صناعة فصل الأغشية نظرًا لتنافسيتها العالية من حيث الأداء والتكلفة. [ 3 ] تتوفر العديد من البوليمرات، لكن اختيار بوليمر الغشاء ليس بالأمر الهين. يجب أن يتمتع البوليمر بخصائص مناسبة للتطبيق المقصود. [ 6 ] في بعض الأحيان، يجب أن يتميز البوليمر بانخفاض ألفة الارتباط بالجزيئات المفصولة (كما هو الحال في تطبيقات التقنية الحيوية)، وأن يتحمل ظروف التنظيف القاسية. كما يجب أن يكون متوافقًا مع تقنية تصنيع الغشاء المختارة. [ 6 ] يجب أن يكون البوليمر مناسبًا لتكوين الغشاء من حيث صلابة سلاسله، وتفاعلاتها، وانتظامها الفراغي ، وقطبية مجموعاته الوظيفية. [ 6 ] تتراوح البوليمرات بين هياكل غير متبلورة وشبه متبلورة (وقد تختلف أيضًا في درجات حرارة التحول الزجاجي )، مما يؤثر على خصائص أداء الغشاء. يجب أن يكون البوليمر متوفرًا وبسعر معقول ليتوافق مع معايير التكلفة المنخفضة لعملية فصل الأغشية. يتم تطعيم العديد من بوليمرات الأغشية، أو تعديلها حسب الطلب، أو إنتاجها كبوليمرات مشتركة لتحسين خصائصها. [ 6 ] أكثر البوليمرات شيوعًا في تصنيع الأغشية هي أسيتات السليلوز ، والنيتروسليلوز ، وإسترات السليلوز (CA، CN، وCE)، والبولي سلفون (PS)، والبولي إيثر سلفون (PES)، والبولي أكريلونيتريل (PAN)، والبولي أميد ، والبولي إيميد ، والبولي إيثيلين والبولي بروبيلين (PE وPP)، والبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)، والبولي فينيليدين فلورايد (PVDF)، والبولي فينيل كلوريد (PVC).

أغشية البوليمر الإلكتروليتية

يمكن تحويل أغشية البوليمر إلى أغشية تبادل أيوني بإضافة مجموعات وظيفية حمضية أو قاعدية قوية، مثل حمض السلفونيك والأمونيوم الرباعي، مما يُمكّن الغشاء من تكوين قنوات مائية ونقل الكاتيونات أو الأنيونات بشكل انتقائي، على التوالي. تشمل أهم المواد الوظيفية في هذه الفئة أغشية تبادل البروتونات وأغشية تبادل الأنيونات القلوية ، والتي تُعدّ أساسية في العديد من تقنيات معالجة المياه وتخزين الطاقة وتوليدها. تشمل تطبيقات معالجة المياه التناضح العكسي ، والتحليل الكهربائي ، والتحليل الكهربائي العكسي . أما تطبيقات تخزين الطاقة فتشمل الخلايا الكهروكيميائية المعدنية الهوائية القابلة لإعادة الشحن وأنواعًا مختلفة من بطاريات التدفق . وتشمل تطبيقات توليد الطاقة خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFCs)، وخلايا وقود غشاء تبادل الأنيونات القلوية (AEMFCs)، بالإضافة إلى توليد الطاقة التناضحية أو الطاقة الزرقاء ، سواءً باستخدام التناضح أو التحليل الكهربائي .

عناصر خزفية متعددة القنوات

الأغشية الخزفية

تُصنع الأغشية الخزفية من مواد غير عضوية (مثل أكاسيد الألومينا ، والتيتانيا ، والزركونيا ، وكربيد السيليكون المُعاد بلورته، أو بعض المواد الزجاجية). وعلى عكس الأغشية البوليمرية، يمكن استخدامها في عمليات الفصل التي تتضمن بيئات قاسية (أحماض، ومذيبات قوية). كما أنها تتمتع بثبات حراري ممتاز، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في عمليات الأغشية ذات درجات الحرارة العالية .

الكيمياء السطحية

زاوية التلامس لقطرة سائلة مبللة بسطح صلب. معادلة يونغ: γ LG ∙cos  θ+ γ SL = γ SG .

تُعدّ التركيبة الكيميائية للغشاء الاصطناعي من أهم خصائصه. ويُقصد بالتركيبة الكيميائية للغشاء الاصطناعي عادةً طبيعة وتركيب السطح المُلامس لتيار عملية الفصل. [ 6 ] قد تختلف التركيبة الكيميائية لسطح الغشاء اختلافًا كبيرًا عن تركيبه الداخلي. وينتج هذا الاختلاف عن توزيع المواد في مرحلة ما من مراحل تصنيع الغشاء، أو عن تعديل مُتعمّد للسطح بعد تشكيله. تُحدد التركيبة الكيميائية لسطح الغشاء خصائص بالغة الأهمية، مثل محبة الماء أو كرهه (المرتبطة بطاقة السطح الحرة)، ووجود الشحنة الأيونية ، ومقاومة الغشاء الكيميائية أو الحرارية، وقدرته على الارتباط بالجسيمات في المحلول، وتوافقه الحيوي (في حالة عمليات الفصل الحيوي). [ 6 ] ويمكن التعبير عن محبة الماء وكرهه لأسطح الأغشية بدلالة زاوية التلامس θ للماء (السائل). تتميز أسطح الأغشية المحبة للماء بزاوية تلامس في نطاق 0°<θ<90° (أقرب إلى 0°)، بينما تتميز المواد الكارهة للماء بزاوية تلامس θ في نطاق 90°<θ<180°.

تبليل ورقة شجر.

تُحدد زاوية التلامس بحل معادلة يونغ لتوازن القوى البينية. عند الاتزان، تتوازن ثلاثة قوى توتر بينية تُقابل أسطح التلامس بين المادة الصلبة والغاز (γSG ) ، والمادة الصلبة والسائلة (γSL ) ، والسائلة والغازية (γLG ) . [ 6 ] تُعرف نتيجة قيم زاوية التلامس بظاهرة التبلل ، وهي مهمة لتوصيف سلوك اختراق المسام الشعرية . تُحدد زاوية التلامس درجة تبلل سطح الغشاء. يتميز السطح ذو زاوية التلامس الأصغر بخصائص تبلل أفضل (θ=0° - تبلل مثالي). في بعض الحالات، تُستخدم سوائل ذات توتر سطحي منخفض ، مثل الكحولات أو محاليل المواد الفعالة سطحيًا، لتعزيز تبلل أسطح الأغشية غير المبللة. [ 6 ] تؤثر الطاقة الحرة لسطح الغشاء (وما يرتبط بها من محبة للماء/كراهية للماء) على امتزاز جزيئات الغشاء أو ظاهرة التلوث . في معظم عمليات الفصل الغشائي (وخاصةً عمليات الفصل الحيوي)، تتناسب زيادة محبة الماء للسطح عكسيًا مع انخفاض التلوث. [ 6 ] يُضعف التلوث الغشائي الاصطناعي أداء الغشاء، مما أدى إلى تطوير العديد من تقنيات تنظيف الأغشية. في بعض الأحيان، يكون التلوث غير قابل للعكس ، مما يستدعي استبدال الغشاء. ومن خصائص كيمياء سطح الغشاء الأخرى الشحنة السطحية، حيث يُغير وجود هذه الشحنة خصائص سطح التماس بين الغشاء والسائل. قد يُولد سطح الغشاء جهدًا كهروكينيتيكيًا ، مما يُحفز تكوين طبقات من جزيئات المحلول التي تعمل على معادلة الشحنة.

مورفولوجيا الغشاء

يمكن تصنيف الأغشية الاصطناعية أيضًا بناءً على بنيتها (شكلها). تُستخدم ثلاثة أنواع من الأغشية الاصطناعية بشكل شائع في صناعة الفصل: الأغشية الكثيفة، والأغشية المسامية، والأغشية غير المتناظرة. ويختلف الغشاء الكثيف عن الغشاء المسامي في حجم الجزيئات المفصولة. عادةً ما يكون الغشاء الكثيف طبقة رقيقة من مادة كثيفة تُستخدم في عمليات فصل الجزيئات الصغيرة (عادةً في الحالة الغازية أو السائلة). وتُستخدم الأغشية الكثيفة على نطاق واسع في الصناعة لفصل الغازات وتطبيقات التناضح العكسي.

يمكن تصنيع الأغشية الكثيفة على هيئة هياكل غير متبلورة أو غير متجانسة . تُصنع الأغشية البوليمرية الكثيفة، مثل أغشية البولي تترافلوروإيثيلين وإسترات السليلوز ، عادةً عن طريق التشكيل بالضغط ، أو الصب بالمذيبات ، أو رش محلول البوليمر. قد تكون بنية الغشاء الكثيف مطاطية أو زجاجية عند درجة حرارة معينة، وذلك تبعًا لدرجة حرارة التحول الزجاجي . [ 2 ] تُستخدم الأغشية المسامية لفصل الجزيئات الكبيرة، مثل الجسيمات الغروية الصلبة، والجزيئات الحيوية الكبيرة ( البروتينات ، والحمض النووي DNA ، والحمض النووي RNA )، والخلايا، عن وسائط الترشيح. وتُستخدم هذه الأغشية في تطبيقات الترشيح الدقيق ، والترشيح الفائق ، وغسيل الكلى . ثمة جدل قائم حول تعريف "مسام الغشاء". تفترض النظرية الأكثر شيوعًا وجود مسام أسطوانية الشكل، وذلك لتبسيط الأمر. يفترض هذا النموذج أن المسام لها شكل شعيرات أسطوانية متوازية وغير متقاطعة. لكن في الواقع، المسام النموذجية عبارة عن شبكة عشوائية من تراكيب غير منتظمة الشكل ومختلفة الأحجام. يمكن تحفيز تكوين المسام عن طريق إذابة مذيب "أفضل" في مذيب "أقل كفاءة" ضمن محلول بوليمري. [ 2 ] يمكن إنتاج أنواع أخرى من بنية المسام عن طريق شد البوليمرات ذات البنية البلورية . ترتبط بنية الغشاء المسامي بخصائص البوليمر والمذيب المتفاعلين، وتركيز المكونات، والوزن الجزيئي ، ودرجة الحرارة، ومدة التخزين في المحلول. [ 2 ] توفر الأغشية المسامية السميكة أحيانًا دعمًا لطبقات الأغشية الرقيقة الكثيفة، مما يُشكل هياكل غشائية غير متماثلة. عادةً ما تُنتج هذه الهياكل الأخيرة عن طريق ترقيق الأغشية الكثيفة والمسامية.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ بيناو، آي.، فريمان، بي دي، تكوين وتعديل الأغشية ، الجمعية الكيميائية الأمريكية، 1999.
  2. 1 2 3 4 5 أوسادا، واي.، ناكاغاوا، تي.، علم وتكنولوجيا الأغشية ، نيويورك: مارسيل ديكر، إنك، 1992.
  3. 1 2 3 4 بيري، آر إتش، جرين دي إتش، دليل مهندسي الكيمياء لبيري ، الطبعة السابعة، ماكجرو هيل، 1997.
  4. ↑ سان رومان، إم إف؛ برينغاس، إي؛ إيبانيز، آر؛ أورتيز، آي. (يناير 2010). "تقنية الأغشية السائلة: أساسياتها ومراجعة لتطبيقاتها". مجلة التكنولوجيا الكيميائية والتكنولوجيا الحيوية . 85 (1): 2-10 . Bibcode : 2010JCTB...85....2S . doi : 10.1002/jctb.2252 .
  5. ↑ موتش، جريج أ.؛ كو، ليو؛ تريانتافيلو، جورجيوس؛ شينغ، وين؛ فونتين، ماري لور؛ ميتكالف، إيان س. (28 مايو 2019). "أغشية الملح المنصهر المدعومة لنفاذية ثاني أكسيد الكربون". مجلة كيمياء المواد أ . 7 (21): 12951-12973 . doi : 10.1039/C9TA01979K .
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 زيمان، ليوس جيه، زيدني، أندرو إل، الترشيح الدقيق والترشيح الفائق ، المبادئ والتطبيقات، نيويورك: مارسيل ديكر، إنك، 1996.

مراجع

  • بيناو، آي.، فريمان، بي دي، تكوين وتعديل الأغشية ، الجمعية الكيميائية الأمريكية، 1999.
  • أوسادا، واي.، ناكاغاوا، تي.، علم وتكنولوجيا الأغشية ، نيويورك: مارسيل ديكر، إنك، 1992.
  • بيري، آر إتش، جرين دي إتش، دليل بيري لمهندسي الكيمياء ، الطبعة السابعة، ماكجرو هيل، 1997.
  • زيمان، ليوس جيه، زيدني، أندرو إل، الترشيح الدقيق والترشيح الفائق ، المبادئ والتطبيقات، نيويورك: مارسيل ديكر، 1996.
  • مولدر م.، المبادئ الأساسية لتكنولوجيا الأغشية ، دار نشر كلوير الأكاديمية، هولندا، 1996.
  • جورنيتز، مايك دبليو، الترشيح المعقم ، سبرينغر، ألمانيا، 2006
  • جاكوب جيه، برادانوس بي، كالف جي آي، هيرنانديز إيه، جونسون جي. حركية التلوث وديناميكيات التعديلات الهيكلية المرتبطة بها. مجلة كول آند سيرف . 138 (1997): 173-183.
  • فان ريس ر.، زيدني أ. تكنولوجيا أغشية العمليات الحيوية. مجلة علوم الأغشية . 297 (2007): 16-50.
  • ماديني إس إس تأثير الجسيمات الكبيرة على الترشيح الدقيق للجسيمات الصغيرة مجلة المواد المسامية 8 (2001): 143-148.
  • مارتينيز ف.، مارتن أ.، برادانوس ب.، كالف ج.إ.، بالاسيو ل.، هيرنانديز أ. امتزاز البروتين وترسيبه على أغشية الترشيح الدقيق: دور تفاعلات المذاب مع المادة الصلبة. مجلة علوم الغرويات والأسطح البينية . 221 (2000): 254-261.
  • Palacio L.، Ho C.، Pradanos P.، Calvo JI، Kherif G.، Larbot A.، Hernandez A. Fouling، هيكل وشحنات غشاء الترشيح الدقيق غير العضوي المركب. جيه كول وتصفح . 138 (1998): 291-299.
  • تيمبلين تي، جونستون دي، سينغ في، تمبلسون إم إي، بيليا آر إل، راوش كيه دي. فصل المواد الصلبة من تيارات معالجة الذرة باستخدام الأغشية. مجلة التكنولوجيا الحيوية . 97 (2006): 1536-1545.
  • زيدني إيه إل، هو سي. تأثير مورفولوجيا الغشاء على سعة النظام أثناء الترشيح الدقيق ذي التدفق الطبيعي. التكنولوجيا الحيوية، الهندسة الحيوية . 83 (2003): 537-543.
  • ريبيرجر إس، شولز جي. الأغشية المسامية الدقيقة في التطبيقات البيوتكنولوجية. هندسة العمليات الحيوية . 1 (1986): 43-49.
  • هو سي، زيدني أ. التلوث البروتيني لأغشية الترشيح الدقيق غير المتماثلة والمركبة. مجلة الهندسة الكيميائية والبحوث الصناعية . 40 (2001): 1412-1421.