غشاء الزيوليت

غشاء الزيوليت هو غشاء اصطناعي مصنوع من مواد ألومينوسيليكاتية بلورية، عادةً من الألومنيوم والسيليكون والأكسجين ، مع وجود أيونات معاكسة موجبة مثل Na ⁺ وCa2 ⁺ ضمن بنيته. تُستخدم أغشية الزيوليت كطريقة فصل منخفضة الطاقة. وقد حظيت باهتمام متزايد مؤخرًا نظرًا لاستقرارها الكيميائي والحراري العالي، ^{[ 1 ]} وانتقائيتها العالية. وتُستخدم الزيوليت حاليًا في فصل الغازات ، ومفاعلات الأغشية ، وتحلية المياه ، وبطاريات الحالة الصلبة . ^{[ 2 ]} إلا أن أغشية الزيوليت لم تُطبّق تجاريًا على نطاق واسع حتى الآن بسبب بعض المشكلات الرئيسية، بما في ذلك انخفاض التدفق، وارتفاع تكلفة الإنتاج، وعيوب البنية البلورية.

توجد عدة طرق مستخدمة لتكوين أغشية الزيوليت.

تعتمد طريقة التكوين الموضعي على تشكيل أغشية الزيوليت على دعامات دقيقة المسام مصنوعة من مواد مختلفة، عادةً أكسيد الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ . تُغمر هذه الدعامات بعد ذلك في محلول من الألومنيوم والسيليكون بنسبة قياسية محددة . تؤثر ظروف هذا المحلول، بما في ذلك الرقم الهيدروجيني، والقوة الأيونية ، ودرجة الحرارة، وإضافة الكواشف المحددة للبنية، على تكوين غشاء الزيوليت. عند تسخين المحلول، تبدأ بلورات الغشاء بالنمو على الدعامات.

في عام 2012، طُوِّرت "طريقة التلقيح" لإنتاج أغشية الزيوليت. في هذه الطريقة، تُلقَّح الدعامة ببلورات الزيوليت المُشكَّلة مسبقًا قبل غمرها في المحلول. تسمح هذه البلورات بتكوين أغشية أرقّ تحتوي عادةً على عيوب أقل، وذلك عن طريق نمو الأغشية على هياكل موجودة. ^{[ 3 ]}

حظيت أغشية الزيوليت باهتمام مبدئي كطريقة فصل نظرًا لثباتها الحراري والكيميائي العالي. كما أن البنية البلورية لهذه الأغشية تُنتج مسامًا متجانسة الحجم  بقطر يتراوح بين 0.3 و1.3 نانومتر تقريبًا. إلا أن هذه البنية البلورية تؤدي أيضًا إلى وجود العديد من العيوب، التي قد تُحدث فجوات في البنية أكبر من هذه المسام. وجود هذه العيوب يُقلل من فعالية هذه الأغشية بشكل كبير، ويصعب إنتاج أغشية زيوليت خالية من العيوب. ^{[ 4 ]}

توجد عدة آليات نقل تتحكم في فصل الجزيئات بواسطة أغشية الزيوليت. وتتمثل الآليات الرئيسية للفصل بواسطة هذه الأغشية في الغربلة الجزيئية، والانتشار، والامتزاز. تتضمن الغربلة الجزيئية رفض أي جزيئات يزيد حجمها عن حجم مسام الغشاء. تُعد هذه عملية غربلة بسيطة نسبيًا، لكنها قادرة على فصل جزيئات كبيرة جدًا. أما الامتزاز، فيتضمن مرور الجزيئات عبر مسام الغشاء وامتزازها على سطحه. ويمكن تغيير خصائص الامتزاز للأغشية عن طريق تعديل خصائصها البنيوية المختلفة. ^{[ 5 ]}

الانتشار السطحي هو عملية يتم فيها امتصاص الجزيئات على جدار مسام الغشاء، ثم تنتقل ببطء عبر هذه المسام. خلال هذه العملية، قد تبدأ الجزيئات التي تُمتص بمعدل أعلى في سد مسام الغشاء أمام الجزيئات الأخرى الأقل امتصاصًا. يُفسر الانتشار السطحي الانتقائية العالية لبعض الجزيئات، مثل الهيدروجين، بواسطة أغشية الزيوليت. ^{[ 6 ]} عادةً ما يلعب الانتشار السطحي دورًا أكبر في نقل الجزيئات عند درجات الحرارة المنخفضة.

يُساهم انتشار كنودسن أيضًا في اختلاف انتقائية أغشية الزيوليت تجاه الجزيئات المختلفة. يحدث انتشار كنودسن عندما تُمتص الجزيئات مؤقتًا على جدار المسام، ثم تنعكس عن السطح في اتجاه عشوائي. تسمح هذه الحركة العشوائية بفصل الجزيئات بناءً على سرعاتها. ينص قانون غراهام للانتشار على أن الجزيئات الأخف وزنًا لها متوسط ​​سرعة أعلى من الجزيئات الأثقل، مما يؤدي إلى زيادة التدفق بالنسبة للجزيئات الأخف. يمكن استخدام هذه الاختلافات في التدفق لفصل الجزيئات المختلفة باستخدام أغشية الزيوليت. ^{[ 3 ]}