التبخير الغشائي

التبخير عبر الغشاء (أو الفصل بالتبخير عبر الغشاء) هو طريقة معالجة لفصل مخاليط السوائل عن طريق التبخير الجزئي من خلال غشاء غير مسامي أو مسامي . ^{[ 1 ]}

مصطلح "التبخير عبر الغشاء" هو مصطلح مُركّب من خطوتين أساسيتين في هذه العملية: (أ) نفاذ المادة المُنفذة عبر الغشاء، ثم (ب) تبخرها إلى الحالة البخارية. تُستخدم هذه العملية في العديد من الصناعات لأغراض متنوعة، بما في ذلك التنقية والتحليل ، وذلك لبساطتها وسهولة تنفيذها ضمن خط الإنتاج .

يعمل الغشاء كحاجز انتقائي بين الطورين: المحلول المغذي السائل والمحلول المُنفذ البخاري. يسمح الغشاء بمرور المكونات المطلوبة من المحلول المغذي السائل عبره عن طريق التبخر . ويعتمد فصل المكونات على اختلاف معدل انتقال كل مكون عبر الغشاء.

عادةً، يكون الجانب العلوي للغشاء تحت ضغط جوي، بينما يكون الجانب السفلي تحت فراغ للسماح بتبخر المكون المراد فصله بعد مروره عبر الغشاء. وتعتمد قوة الفصل على الفرق في الضغوط الجزئية للمكونات على الجانبين، وليس على اختلاف تطاير المكونات في المادة المغذية.

تُوفّر قوة الدفع لنقل المكونات المختلفة فرق الجهد الكيميائي بين السائل المغذي/المُركّز والبخار المُنفذ على جانبي الغشاء. المُركّز هو ما تبقى من السائل المغذي الخارج من حجرة تغذية الغشاء، والذي لم يُنفذ عبر الغشاء. يُمكن التعبير عن الجهد الكيميائي بدلالة الفعالية ، المُعطاة بقانون راؤول للسوائل وبقانون دالتون للغاز (المثالي). أثناء التشغيل، ونظرًا لإزالة البخار المُنفذ، تكون الفعالية الفعلية للبخار أقل من المُتوقع بناءً على البخار المُجمع (المُكثف).

يعتمد فصل المكونات ( مثل الماء والإيثانول) على اختلاف معدل انتقال كل مكون عبر الغشاء. ويمكن وصف آلية الانتقال هذه باستخدام نموذج الذوبان والانتشار، الذي يعتمد على معدل/درجة ذوبان المكون في الغشاء وسرعة انتقاله (المعبر عنها بمعامل الانتشار) عبر الغشاء، والتي تختلف باختلاف كل مكون ونوع الغشاء المؤدي إلى الفصل.

تُعدّ عملية التبخير عبر الغشاء فعّالة للمحاليل المخففة التي تحتوي على آثار أو كميات ضئيلة من المكوّن المراد إزالته. وبناءً على ذلك، تُستخدم الأغشية المحبة للماء لتجفيف الكحولات التي تحتوي على كميات قليلة من الماء، بينما تُستخدم الأغشية الكارهة للماء لإزالة/استخلاص آثار المواد العضوية من المحاليل المائية .

^{يُعد التبخير عبر الغشاء بديلاً فعالاً وموفراً} للطاقة لعمليات مثل التقطير والتبخير . فهو يسمح بتبادل طورين دون تلامس مباشر. [ ^{2 ]}

وتشمل الأمثلة تجفيف المذيبات: تجفيف مزيج الإيثانول/الماء والإيزوبروبانول/الماء، والإزالة المستمرة للإيثانول من مخمرات الخميرة ، والإزالة المستمرة للماء من تفاعلات التكثيف مثل الأسترة لتعزيز التحويل ومعدل التفاعل، وقياس الطيف الكتلي باستخدام الأغشية ، وإزالة المذيبات العضوية من مياه الصرف الصناعي، والجمع بين التقطير والتبخير عبر الغشاء/نفاذية البخار، وتركيز مركبات النكهة الكارهة للماء في المحاليل المائية (باستخدام الأغشية الكارهة للماء).

في الآونة الأخيرة، طُرحت في الأسواق مجموعة من أغشية التبخير العضوي. ويمكن استخدام هذه الأغشية لفصل المخاليط العضوية، على سبيل المثال: تقليل محتوى المركبات العطرية في تيارات التكرير، وكسر الأيزوتروب ، وتنقية وسائط الاستخلاص، وتنقية تيار المنتج بعد الاستخلاص، وتنقية المذيبات العضوية.

غالباً ما تكون الأغشية الكارهة للماء مصنوعة من مادة البولي ثنائي ميثيل سيلوكسان، حيث تعتمد آلية الفصل الفعلية على نموذج الانتشار المحلول الموصوف أعلاه.

تتوفر الأغشية المحبة للماء على نطاق أوسع. ويعتمد نظام أغشية التبخير الغشائي الأكثر نجاحًا تجاريًا حتى الآن على كحول البولي فينيل . ومؤخرًا، أصبحت الأغشية القائمة على البولي إيميد متاحة أيضًا. وللتغلب على العيوب المتأصلة في أنظمة الأغشية البوليمرية، طُوّرت الأغشية الخزفية خلال العقد الماضي. تتكون هذه الأغشية الخزفية من طبقات نانوية المسام فوق دعامة ماكروية المسام. يجب أن تكون المسام كبيرة بما يكفي للسماح لجزيئات الماء بالمرور واحتجاز أي مذيبات أخرى ذات حجم جزيئي أكبر، مثل الإيثانول. ونتيجة لذلك، نحصل على منخل جزيئي بحجم مسام يبلغ حوالي 4 أنغستروم . وأكثر أنواع هذه الأغشية شيوعًا هو ذلك القائم على الزيوليت A.

كبديل لهذه المواد البلورية، يمكن تعديل البنية المسامية لطبقات السيليكا غير المتبلورة لتحقيق انتقائية جزيئية. تُصنع هذه الأغشية باستخدام عمليات كيميائية تعتمد على طريقة سول-جل . وقد ركزت الأبحاث في مجال الأغشية الخزفية المحبة للماء على ثاني أكسيد التيتانيوم أو الزركونيا . ومؤخرًا، تم تحقيق طفرة نوعية في الاستقرار الحراري المائي من خلال تطوير مادة هجينة عضوية-غير عضوية.

• انتقال الكتلة

• فونتالفو الزاتي، خافيير (2006). تصميم وأداء عملية التبخير الجرياني ثنائي الطور وعملية التقطير الهجين . الجامعة التقنية في أيندهوفن، هولندا: JWL boekproducties. رقم ISBN 978-90-386-3007-6.
• ماتوشيفسكي، هايك (2008). MSE - الأغشية المعدلة في التبخير العضوي لفصل المركبات العطرية/الأليفاتية . www.desline.com: التحلية.
• إسلامي، شهاب الدين؛ أروجليان، عبد الرضا؛ بوناكداربور، بابك؛ رئيسي، أحمد رضا (2008). "ربط نظام التبخير الغشائي بعملية التخمير" (ملف PDF) . المؤتمر الدولي للأغشية وتكنولوجيا الأغشية (ICOM2008)، هونولولو، هاواي، الولايات المتحدة الأمريكية .