تكنولوجيا الأغشية

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة

تشمل تقنية الأغشية العمليات العلمية المستخدمة في تصنيع الأغشية وتطبيقها. تُستخدم الأغشية لتسهيل نقل المواد أو فصلها بين الأوساط المختلفة، وللفصل الميكانيكي بين الغازات والسوائل. في أبسط الحالات، تتحقق عملية الترشيح عندما تكون مسام الغشاء أصغر من قطر المادة غير المرغوب فيها، مثل الكائنات الدقيقة الضارة. تُستخدم تقنية الأغشية على نطاق واسع في صناعات متنوعة، مثل معالجة المياه، والمعالجة الكيميائية والمعدنية، والصناعات الدوائية، والتكنولوجيا الحيوية، والصناعات الغذائية، بالإضافة إلى إزالة الملوثات البيئية.

بعد تصنيع الغشاء، تبرز الحاجة إلى توصيف الغشاء المُجهز لمعرفة المزيد عن خصائصه، مثل حجم المسام، والمجموعات الوظيفية، وخواص المواد، وغيرها، والتي يصعب تحديدها مسبقًا. في هذه العملية، تُستخدم أجهزة مثل المجهر الإلكتروني الماسح ، والمجهر الإلكتروني النافذ ، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه ، وحيود الأشعة السينية ، وقياس المسامية بإزاحة السائل-السائل.

مقدمة

تشمل تقنية الأغشية جميع الأساليب الهندسية لنقل المواد بين جزأين باستخدام أغشية شبه نفاذة . وبشكل عام، تستخدم عمليات الفصل الميكانيكي لفصل التيارات الغازية أو السائلة تقنية الأغشية. في السنوات الأخيرة، استُخدمت طرق مختلفة لإزالة الملوثات البيئية، مثل الامتزاز والأكسدة والفصل الغشائي. تحدث أنواع مختلفة من التلوث في البيئة ، مثل تلوث الهواء وتلوث مياه الصرف الصحي، إلخ . [ 1 ] وبناءً على متطلبات الصناعة، يجب منع التلوث الصناعي لأن أكثر من 70% من التلوث البيئي ناتج عن الصناعات. ومن مسؤوليتها اتباع القواعد الحكومية لقانون مكافحة تلوث الهواء والوقاية منه لعام 1981 للحفاظ على البيئة ومنع إطلاق المواد الكيميائية الضارة فيها. [ 2 ] يجب التأكد من تطبيق إجراءات الوقاية والسلامة قبل أن تتمكن الصناعات من التخلص من نفاياتها في البيئة. [ 3 ]

تُعد تقنية الأغشية القائمة على الكتلة الحيوية واحدة من أكثر التقنيات الواعدة لاستخدامها كسلاح لإزالة الملوثات نظرًا لانخفاض تكلفتها وكفاءتها العالية وعدم انبعاث ملوثات ثانوية منها . [ 1 ]

تُستخدم عادةً مواد البولي سلفون ، وبولي فينيليدين فلورايد ، والبولي بروبيلين في عملية تحضير الأغشية. هذه المواد غير متجددة وغير قابلة للتحلل الحيوي ، مما يُسبب تلوثًا بيئيًا ضارًا. [ 4 ] [ 5 ] يسعى الباحثون لإيجاد حلول لتصنيع أغشية صديقة للبيئة تُجنّب التلوث البيئي. يُمكن استخدام تصنيع مواد قابلة للتحلل الحيوي، بالاستعانة بمواد متوفرة طبيعيًا، مثل تصنيع الأغشية القائمة على الكتلة الحيوية، لإزالة الملوثات. [ 6 ]

نظرة عامة على الغشاء

الترشيح الفائق لحمامات السباحة
مخطط الأكسجة الغشائية خارج الجسم الوريدية الشريانية

تعمل عمليات الفصل الغشائي دون تسخين ، وبالتالي تستهلك طاقة أقل من عمليات الفصل الحراري التقليدية مثل التقطير والتسامي والتبلور . عملية الفصل فيزيائية بحتة، ويمكن الحصول على كلا الجزأين ( الراشح والمتبقي ) كمنتجات مفيدة. يُستخدم الفصل البارد باستخدام تقنية الأغشية على نطاق واسع في صناعات تكنولوجيا الأغذية والتكنولوجيا الحيوية والأدوية . علاوة على ذلك، يُمكّن استخدام الأغشية من إجراء عمليات فصل يستحيل تحقيقها باستخدام طرق الفصل الحراري. على سبيل المثال، يستحيل فصل مكونات السوائل الأيزوتروبية أو المواد المذابة التي تُشكّل بلورات متماثلة الشكل عن طريق التقطير أو إعادة التبلور ، ولكن يمكن تحقيق مثل هذه العمليات باستخدام تقنية الأغشية. اعتمادًا على نوع الغشاء، يُمكن الفصل الانتقائي لمواد فردية أو مخاليط مواد معينة. تشمل التطبيقات التقنية الهامة إنتاج مياه الشرب عن طريق التناضح العكسي . في معالجة مياه الصرف الصحي ، تزداد أهمية تقنية الأغشية. يُمكن أن تكون الترشيح الفائق / الدقيق فعالًا للغاية في إزالة الغرويات والجزيئات الكبيرة من مياه الصرف الصحي. هذا ضروري إذا تم تصريف مياه الصرف الصحي في المياه الحساسة، وخاصة تلك المخصصة للرياضات المائية والأنشطة الترفيهية.

حوالي نصف السوق مخصص للتطبيقات الطبية مثل الكلى الاصطناعية لإزالة المواد السامة عن طريق غسيل الكلى والرئة الاصطناعية لتوفير الأكسجين في الدم بدون فقاعات .

تتزايد أهمية تقنية الأغشية في مجال حماية البيئة ( قاعدة بيانات Nano-Mem-Pro IPPC ). حتى في تقنيات استعادة الطاقة الحديثة ، تُستخدم الأغشية بشكل متزايد، على سبيل المثال في خلايا الوقود ومحطات الطاقة الأسموزية .

انتقال الكتلة

يمكن تمييز نموذجين أساسيين لانتقال الكتلة عبر الغشاء:

  • نموذج المحلول والانتشار و
  • النموذج الهيدروديناميكي .

في الأغشية الحقيقية، تحدث آليتا النقل هاتان جنبًا إلى جنب بالتأكيد، وخاصة أثناء الترشيح الفائق.

نموذج الذوبان والانتشار

في نموذج الذوبان والانتشار، يحدث النقل فقط عن طريق الانتشار . يجب أولاً إذابة المكون المراد نقله في الغشاء. يقوم هذا النموذج على افتراض أن الجهد الكيميائي لسوائل التغذية والنفاذية في حالة توازن مع أسطح الغشاء المجاورة، بحيث يمكن مساواة التعبيرات المناسبة للجهد الكيميائي في طوري السائل والغشاء عند سطح التماس بينهما. يكتسب هذا المبدأ أهمية خاصة للأغشية الكثيفة الخالية من المسام الطبيعية، مثل تلك المستخدمة في التناضح العكسي وخلايا الوقود. أثناء عملية الترشيح، تتشكل طبقة حدية على الغشاء. ينشأ تدرج التركيز هذا بفعل جزيئات لا تستطيع المرور عبر الغشاء. يُعرف هذا التأثير باستقطاب التركيز ، ويؤدي، أثناء الترشيح، إلى انخفاض التدفق عبر الغشاء . من حيث المبدأ، يمكن عكس استقطاب التركيز بتنظيف الغشاء، مما يؤدي إلى استعادة التدفق الأولي بشكل شبه كامل. يمكن أيضًا استخدام التدفق المماسي للغشاء (الترشيح بالتدفق المتقاطع) لتقليل استقطاب التركيز.

نموذج ديناميكي مائي

يتم النقل عبر المسام  - في أبسط الحالات - عن طريق الحمل الحراري . ويتطلب ذلك أن يكون حجم المسام أصغر من قطر المكونين المنفصلين. تُستخدم الأغشية التي تعمل وفقًا لهذا المبدأ بشكل أساسي في الترشيح الدقيق والترشيح الفائق. وتُستخدم لفصل الجزيئات الكبيرة من المحاليل ، والغرويات من المعلقات ، أو لإزالة البكتيريا. خلال هذه العملية، تُشكل الجزيئات أو الجسيمات المحتجزة كتلة لُبية ( كعكة الترشيح ) على الغشاء، ويُعيق هذا الانسداد عملية الترشيح. يُمكن تقليل هذا الانسداد باستخدام طريقة التدفق المتقاطع ( الترشيح بالتدفق المتقاطع ). في هذه الطريقة، يتدفق السائل المراد ترشيحه على طول الجزء الأمامي من الغشاء، ويتم فصله بواسطة فرق الضغط بين الجزء الأمامي والخلفي للغشاء إلى مُركّز (السائل المُركّز المتدفق) على الجزء الأمامي، ومُرشّح (السائل المُرشّح) ​​على الجزء الخلفي. يُولّد التدفق المماسي على الجزء الأمامي إجهاد قص يُفتّت كعكة الترشيح ويُقلل من التلوث . 

عمليات الأغشية

بحسب القوة الدافعة للعملية، يمكن التمييز بين:

أشكال الأغشية وهندسة التدفق

هندسة التدفق المتقاطع
هندسة الطريق المسدود

توجد طريقتان رئيسيتان لتدفق السوائل في عمليات الترشيح الغشائي: الترشيح المتقاطع (أو التدفق المماسي) والترشيح النهائي. في الترشيح المتقاطع، يكون تدفق المحلول المغذي مماسًا لسطح الغشاء، ويُزال المُركّز من نفس الجانب في اتجاه المصب، بينما يُتابع تدفق المُرشّح على الجانب الآخر. أما في الترشيح النهائي، فيكون اتجاه تدفق السائل عموديًا على سطح الغشاء. ولكلتا الطريقتين مزايا وعيوب. يُستخدم الترشيح النهائي عادةً في دراسات الجدوى على نطاق المختبر. وتتميز أغشية الترشيح النهائي بسهولة تصنيعها نسبيًا، مما يُقلل من تكلفة عملية الفصل. كما أن عملية فصل الأغشية النهائية سهلة التنفيذ، وعادةً ما تكون أرخص من الترشيح المتقاطع. وتكون عملية الترشيح النهائي عادةً من النوع الدفعي ، حيث يُحمّل محلول الترشيح (أو يُغذّى ببطء) في جهاز الغشاء، مما يسمح بمرور بعض الجزيئات بفعل قوة الدفع. أما العيب الرئيسي للترشيح النهائي فهو التلوث الشديد للغشاء واستقطاب التركيز . يحدث التلوث عادةً بشكل أسرع عند قوى الدفع العالية. كما يؤدي تلوث الغشاء واحتجاز الجسيمات في محلول التغذية إلى تكوين تدرجات تركيز وتدفق عكسي للجسيمات (استقطاب التركيز). تُعد أجهزة التدفق المماسي أكثر تكلفةً وتتطلب عمالةً أكثر، لكنها أقل عرضةً للتلوث نظرًا لتأثيرات الكنس ومعدلات القص العالية للتدفق المار. أكثر أجهزة الأغشية الاصطناعية (الوحدات) شيوعًا هي الصفائح/الألواح المسطحة، واللفائف الحلزونية، والألياف المجوفة . يمكن تحسين الأغشية المسطحة المستخدمة في عمليات الترشيح والفصل من خلال تشكيل سطحها، حيث تُضاف إليها هياكل مجهرية لتحسين الأداء. تزيد هذه الأنماط من مساحة السطح، وتُحسّن تدفق الماء، وتقلل من التلوث، مما يؤدي إلى زيادة النفاذية وإطالة عمر الغشاء. وقد أظهرت الأبحاث أن هذه التعديلات يمكن أن تُحسّن بشكل كبير الكفاءة في تنقية المياه، وتطبيقات الطاقة، وعمليات الفصل الصناعية. [ 7 ]

تُصنع الألواح المسطحة عادةً على شكل أغشية دائرية رقيقة مسطحة لاستخدامها في وحدات ذات هندسة مغلقة. أما اللفائف الحلزونية فتُصنع من أغشية مسطحة مماثلة، ولكن على شكل "جيب" يحتوي على طبقتين غشائيتين يفصل بينهما لوح داعم عالي المسامية. [ 8 ] ثم تُلف عدة جيوب من هذا النوع حول أنبوب لإنشاء هندسة تدفق مماسية وتقليل تلوث الأغشية. تتكون وحدات الألياف المجوفة من مجموعة من الألياف ذاتية الدعم ذات طبقات فصل كثيفة، ومصفوفة أكثر انفتاحًا تساعد على تحمل تدرجات الضغط والحفاظ على السلامة الهيكلية. [ 8 ] يمكن أن تحتوي وحدات الألياف المجوفة على ما يصل إلى 10000 ليف يتراوح قطرها بين 200 و2500 ميكرومتر. وتتمثل الميزة الرئيسية لوحدات الألياف المجوفة في مساحة السطح الكبيرة جدًا داخل حجم مغلق، مما يزيد من كفاءة عملية الفصل.

وحدة غشاء حلزوني ملتف

تستخدم وحدة أنبوب القرص هندسة التدفق المتقاطع وتتكون من أنبوب ضغط وأقراص هيدروليكية، يتم تثبيتها بواسطة قضيب شد مركزي، ووسائد غشائية تقع بين قرصين. [ 9 ]

أداء الغشاء والمعادلات الحاكمة

يعتمد اختيار الأغشية الاصطناعية لعملية فصل محددة عادةً على عدد قليل من المتطلبات. يجب أن توفر الأغشية مساحة كافية لنقل الكتلة لمعالجة كميات كبيرة من تيار التغذية. كما يجب أن يتمتع الغشاء المختار بخصائص انتقائية عالية ( رفض ) لجزيئات معينة، وأن يكون مقاومًا للتلوث ، وأن يتمتع بثبات ميكانيكي عالٍ. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون قابلاً للتكرار ومنخفض التكلفة التصنيعية. معادلة النمذجة الرئيسية للترشيح النهائي عند انخفاض ضغط ثابت هي قانون دارسي : [ 8 ]

دVصدت=سؤال=Δصμ أ(1Rم+R){\displaystyle {\frac {dV_{p}}{dt}}=Q={\frac {\Delta p}{\mu }}\ A\left({\frac {1}{R_{m}+R}}\right)}

حيث Vp و Q هما حجم المُرشَّح ومعدل تدفقه الحجمي على التوالي (ويتناسبان مع خصائص تدفق التغذية)، وμ هي اللزوجة الديناميكية للسائل المُرشَّح، وA هي مساحة الغشاء، وRm و R هما مقاومة الغشاء ومقاومة ترسب الملوثات المتنامية على التوالي. يمكن تفسير Rm على أنها مقاومة الغشاء لنفاذية المذيب (الماء). هذه المقاومة خاصية جوهرية للغشاء ، ومن المتوقع أن تكون ثابتة نسبيًا ومستقلة عن القوة الدافعة Δp. ترتبط R بنوع ملوث الغشاء، وتركيزه في محلول الترشيح، وطبيعة تفاعلات الملوث مع الغشاء. يسمح قانون دارسي بحساب مساحة الغشاء لفصل مُستهدف في ظروف مُحددة. يُعرَّف معامل غربلة المذاب بالمعادلة: [ 8 ]

S=جصجو{\displaystyle S={\frac {C_{p}}{C_{f}}}}

حيث يمثل C f و C p تركيز المذاب في المحلول المغذي والمنفذ على التوالي. تُعرَّف النفاذية الهيدروليكية بأنها مقلوب المقاومة، ويتم تمثيلها بالمعادلة: [ 8 ]

لص=جΔص{\displaystyle L_{p}={\frac {J}{\Delta p}}}

حيث يمثل J تدفق المُرشَّح، وهو معدل التدفق الحجمي لكل وحدة مساحة من الغشاء. يسمح معامل غربلة المذاب والنفاذية الهيدروليكية بالتقييم السريع لأداء الغشاء الاصطناعي.

عمليات فصل الأغشية

تُعدّ عمليات الفصل الغشائي ذات أهمية بالغة في صناعة الفصل. ومع ذلك، لم تُعتبر ذات أهمية تقنية حتى منتصف سبعينيات القرن الماضي. وتختلف عمليات الفصل الغشائي باختلاف آليات الفصل وحجم الجسيمات المفصولة. تشمل عمليات الفصل الغشائي الشائعة الاستخدام: الترشيح الدقيق ، والترشيح الفائق ، والترشيح النانوي ، والتناضح العكسي، والتحليل الكهربائي ، والغسيل الكلوي ، والغسيل الكلوي الكهربائي ، وفصل الغازات ، ونفاذية البخار، والتبخير عبر الغشاء، والتقطير الغشائي، وأجهزة التلامس الغشائية. [ 10 ] لا تتضمن جميع العمليات، باستثناء التبخير عبر الغشاء، أي تغيير في الطور. وتعتمد جميع العمليات، باستثناء الغسيل الكلوي الكهربائي، على الضغط. يُستخدم الترشيح الدقيق والترشيح الفائق على نطاق واسع في معالجة الأغذية والمشروبات (مثل ترشيح البيرة الدقيق، وترشيح عصير التفاح الفائق)، والتطبيقات البيوتكنولوجية، والصناعات الدوائية ( مثل إنتاج المضادات الحيوية ، وتنقية البروتينات)، وتنقية المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي ، وصناعة الإلكترونيات الدقيقة، وغيرها. أما أغشية الترشيح النانوي والتناضح العكسي فتُستخدم بشكل أساسي لأغراض تنقية المياه. تُستخدم الأغشية الكثيفة في فصل الغازات (إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغاز الطبيعي، وفصل النيتروجين من الهواء، وإزالة الأبخرة العضوية من الهواء أو تيار النيتروجين)، وأحيانًا في التقطير الغشائي. تُسهم هذه العملية الأخيرة في فصل المركبات الأيزوتروبية، مما يُقلل من تكاليف عمليات التقطير.

نطاقات الفصل القائمة على الأغشية

حجم المسام والانتقائية

توزيع المسام لغشاء ترشيح فائق وهمي ذي حجم مسام اسمي و D 90

تختلف أحجام مسام الأغشية التقنية باختلاف الشركة المصنعة. أحد الفروق الشائعة هو الحجم الاسمي للمسام ، الذي يصف أقصى توزيع لأحجام المسام [ 11 ]، ولكنه لا يُعطي سوى معلومات عامة حول قدرة الغشاء على الاحتفاظ. عادةً ما يُحدد حد الاستبعاد أو "القطع" للغشاء بصيغة NMWC (الوزن الجزيئي الاسمي للقطع، أو MWCO ، الوزن الجزيئي للقطع ، بوحدة دالتون ). يُعرَّف حد الاستبعاد بأنه الحد الأدنى للوزن الجزيئي لجزيء كروي يُحتفظ به بنسبة 90% بواسطة الغشاء. يمكن تحويل حد الاستبعاد، بحسب الطريقة، إلى ما يُسمى D90 ، والذي يُعبَّر عنه بوحدة مترية. عمليًا، يجب أن يكون MWCO للغشاء أقل بنسبة 20% على الأقل من الوزن الجزيئي للجزيء المراد فصله.

باستخدام أغشية الميكا المحفورة بالمسارات [ 12 ] أثبت بيك وشولتز [ 13 ] أن الانتشار المعاق للجزيئات في المسام يمكن وصفه بواسطة معادلة رانكين [ 14 ] .

تُقسم أغشية الترشيح إلى أربع فئات حسب حجم المسام:

حجم المسامالكتلة الجزيئيةعمليةالترشيحإزالة
>  10 فلتر "كلاسيكي"
>  0.1  ميكرومتر> 5000  كيلو دالتونالترشيح الدقيقأقل من  2  باربكتيريا أكبر حجما، خميرة، جزيئات
100-2  نانومتر5-5000  كيلو دالتونالترشيح الفائق1-10  بارالبكتيريا، والجزيئات الكبيرة، والبروتينات، والفيروسات الأكبر حجماً
2-1  نانومتر0.1–5  كيلو دالتونالترشيح النانوي3-20  بارالفيروسات، أيونات ثنائية التكافؤ [ 15 ]
<  1  نانومتر<  100  دالتونالتناضح العكسي10-80  بارالأملاح، جزيئات عضوية صغيرة

يعتمد شكل مسام الغشاء وبنيتها بشكل كبير على عملية التصنيع، وغالبًا ما يصعب تحديدها. لذلك، ولغرض التوصيف، تُجرى اختبارات ترشيح، ويُقصد بقطر المسام قطر أصغر الجسيمات التي لا تستطيع المرور عبر الغشاء.

يمكن تحديد نسبة الرفض بطرقٍ متعددة، مما يوفر قياسًا غير مباشر لحجم المسام. إحدى هذه الطرق هي ترشيح الجزيئات الكبيرة (غالبًا الدكستران ، أو بولي إيثيلين جليكول ، أو الألبومين )، وطريقة أخرى هي قياس حد القطع باستخدام كروماتوغرافيا نفاذية الهلام . تُستخدم هذه الطرق بشكل أساسي لقياس الأغشية المستخدمة في تطبيقات الترشيح الفائق. طريقة اختبار أخرى هي ترشيح الجسيمات ذات الحجم المحدد وقياسها باستخدام جهاز قياس حجم الجسيمات أو باستخدام مطيافية الانهيار المستحث بالليزر (LIBS). يُعد قياس نسبة رفض أزرق الدكستران أو الجزيئات الملونة الأخرى طريقةً فعالةً لتوصيف الأغشية . كما يُمكن أن يوفر اختبار احتجاز العاثيات والبكتيريا ، والذي يُعرف باسم "اختبار تحدي البكتيريا"، معلوماتٍ حول حجم المسام.

حجم المسام الاسميالكائنات الدقيقةرقم جذر ATCC
0.1  ميكرومترأكولبلازما لايدلاوي23206
0.3  ميكرومترأبواغ بكتيريا العصوية الرقيقة82
0.5  ميكرومترالزائفة الصغيرة19146
0.45  ميكرومترSerratia marcescens14756
0.65  ميكرومترلاكتوباسيلوس بريفيس

لتحديد قطر المسام، تُستخدم طرق فيزيائية مثل مقياس المسامية (الزئبقي، ومقياس المسامية السائل-السائل، واختبار نقطة الفقاعة)، ولكن يُفترض شكل معين للمسام (مثل الثقوب الأسطوانية أو الكروية المتصلة ). تُستخدم هذه الطرق للأغشية التي لا يتطابق شكل مسامها مع الشكل المثالي، فنحصل على قطر مسام "اسمي" يُميز الغشاء، ولكنه لا يعكس بالضرورة سلوكه الفعلي في الترشيح وانتقائيته.

تعتمد الانتقائية بشكل كبير على عملية الفصل، وتركيب الغشاء، وخصائصه الكهروكيميائية، بالإضافة إلى حجم المسام. وبفضل الانتقائية العالية، يمكن إثراء النظائر (إثراء اليورانيوم) في الهندسة النووية، أو استخلاص الغازات الصناعية مثل النيتروجين ( فصل الغازات ). ومن الناحية المثالية، يمكن إثراء حتى المواد الراسيمية باستخدام غشاء مناسب.

عند اختيار الأغشية، تُعطى الأولوية للانتقائية على النفاذية العالية، إذ يمكن تعويض التدفقات المنخفضة بسهولة بزيادة مساحة سطح المرشح باستخدام بنية معيارية. في ترشيح الطور الغازي، تعمل آليات ترسيب مختلفة، بحيث يمكن احتجاز الجسيمات التي يقل حجمها عن حجم مسام الغشاء أيضًا.

تصنيف الأغشية

تُصنّف الأغشية الحيوية إلى فئتين: الأغشية الاصطناعية والأغشية الطبيعية. وتُصنّف الأغشية الاصطناعية بدورها إلى أغشية عضوية وأغشية غير عضوية. وتُصنّف الأغشية العضوية إلى أغشية بوليمرية، بينما تُصنّف الأغشية غير العضوية إلى بوليمرات خزفية. [ 16 ]

تركيب غشاء الكتلة الحيوية

غشاء الكتلة الحيوية المركب

يُعدّ تصنيع الأغشية الخضراء أو الأغشية الحيوية حلاً فعالاً للبيئات المحمية، إذ يتميز بأداء شامل واسع النطاق. تُستخدم الكتلة الحيوية على شكل جزيئات نانوية من الكربون المنشط ، مثل قشور جوز الهند ، وقشور البندق، وقشور الجوز، ومخلفات سيقان الذرة الزراعية ، وغيرها من المواد الحيوية القائمة على السليلوز [ 5 ]. تُحسّن هذه المواد من خاصية استرطاب السطح ، وتزيد من حجم المسام، وتُقلل من خشونة السطح، وبالتالي، تتحسن كفاءة الفصل ومقاومة التلوث للأغشية في آنٍ واحد. [ 17 ]

تصنيع غشاء قائم على الكتلة الحيوية النقية

الغشاء الحيوي هو غشاء مصنوع من مواد عضوية مثل الألياف النباتية. [ 5 ] تُستخدم هذه الأغشية غالبًا في ترشيح المياه ومعالجة مياه الصرف الصحي . يُعدّ تصنيع غشاء حيوي نقي عملية معقدة تتضمن عدة خطوات. الخطوة الأولى هي تحضير معلق من المواد العضوية ، ثم يُصبّ هذا المعلق على ركيزة، مثل لوح زجاجي أو معدني. [ 18 ] بعد ذلك، يُجفف القالب، ويُخضع الغشاء الناتج لعدد من المعالجات، مثل المعالجة الكيميائية أو الحرارية، لتحسين خصائصه. يُعدّ الحصول على غشاء بالخصائص المطلوبة أحد التحديات في تصنيع الأغشية الحيوية. [ 19 ]

المعدات والأجهزة المستخدمة في العملية

قائمة الأدوات المستخدمة في إجراءات تصنيع الأغشية:

توصيف الغشاء

بعد صبّ وتصنيع الغشاء، يلزم توصيف الغشاء المُحضّر لمعرفة المزيد من التفاصيل حول خصائصه، مثل حجم المسام، والمجموعات الوظيفية، وقابلية التبلل، والشحنة السطحية، وما إلى ذلك. من المهم معرفة خصائص الغشاء لكي نتمكن من إزالة ومعالجة الملوثات الجسيمية التي تُسبب تلوث البيئة. [ 20 ] تُستخدم الأدوات التالية للتوصيف:

تطبيقات أغشية الكتلة الحيوية

معالجة المياه

معالجة المياه هي أي عملية تُحسّن جودة المياه لجعلها أكثر ملاءمةً لاستخدام نهائي مُحدد. يمكن استخدام الأغشية لإزالة الجسيمات من الماء إما عن طريق الفصل الحجمي أو الفصل الشحني. [ 21 ] في الفصل الحجمي ، تُصمّم مسام الغشاء بحيث لا تسمح إلا للجسيمات الأصغر من حجم المسام بالمرور. [ 22 ]

فصل الغازات

استخدام الأغشية في فصل الغازات، مثل ثاني أكسيد الكربون ( CO2 ) وأكاسيد النيتروجين ( NOx).x )،  أكاسيد الكبريت(SOيمكن إزالة الغازات الضارة لحماية البيئة. [ 23 ] فصل الغازات باستخدام أغشية الكتلة الحيويةأكثر فعالية من الأغشية التجارية. [ 24 ]

غسيل الكلى

يُعد استخدام الأغشية في غسيل الكلى عملية تستخدم غشاءً شبه منفذ لإزالة الفضلات والسوائل الزائدة من الدم. [ 25 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. 1 2 سوناوين، شري رام؛ ثاكور، باراغ؛ سوناوين، شيريش هـ.؛ بهانفاس، بهارات أ. (2021). "المواد النانوية لتصنيع الأغشية: مقدمة، وآلية، وتحديات معالجة مياه الصرف الصحي". دليل المواد النانوية لمعالجة مياه الصرف الصحي . إلسيفير. ص 537-553 . doi : 10.1016/b978-0-12-821496-1.00009-x . ISBN  978-0-12-821496-1. S2CID 236721397 . 
  2. ↑ البيئة، الولايات المتحدة. الكونغرس. مجلس النواب. لجنة الطاقة والتجارة. اللجنة الفرعية للصحة والبيئة (1982). قانون الهواء النظيف: جلسات استماع أمام اللجنة الفرعية للصحة والبيئة التابعة للجنة الطاقة والتجارة، مجلس النواب، الكونغرس السابع والتسعون، الدورة الأولى... USGPO OCLC 8547707 . 
  3. ↑ بيتس، دينيس (يوليو 1981). "حلقة نقاش: أثر قانون الموارد والاسترداد على توليد الطاقة وحرق النفايات" . مجلة جمعية مكافحة تلوث الهواء . 31 (7): 747-751 . doi : 10.1080/00022470.1981.10465270 . ISSN 0002-2470 . 
  4. ↑ جون، لوك (2025-08-26). "مقارنة بين مواد أغشية مرشحات الخراطيش المختلفة" . تم الاسترجاع في 2026-01-21 .
  5. 1 2 3 شينغ، ويندونغ؛ وو، ييلين؛ لو، جيان؛ لين، شينيو؛ يو، تشاو؛ دونغ، زيكينغ؛ يان، يونغشنغ؛ لي، تشونشيانغ (يناير 2020). "تخليق أغشية خضراء قابلة للتحلل الحيوي مطبوعة جزيئياً باستخدام الكتلة الحيوية للتعرف الانتقائي على التتراسيكلين وفصله". نانو . 15 (1): 2050004. doi : 10.1142/s1793292020500046 . ISSN 1793-2920 . S2CID 214180993 .  
  6. ^ موخيرجي ، ديباراتي. بهاتاشاريا، بريانكاري؛ جانا، أنيمش؛ بهاتاشاريا، سانديبان؛ ساركار، سوبهندو؛ غوش، صورجا؛ ماجومدار، سواتشها؛ سوارناكار ، سنيهاسيكتا (مايو 2018). "توليف غشاء الترشيح الفائق الخزفي وتطبيقه في عملية المفاعل الحيوي الغشائي لمعالجة المبيدات الحشرية من مياه الصرف الصحي". سلامة العمليات وحماية البيئة . 116 : 22 – 33. بيب كود : 2018PSEP..116...22M . دوى : 10.1016/j.psep.2018.01.010 . ISSN 0957-5820 . 
  7. ↑ إبراهيم، يزن؛ أحمد، فرح؛ هلال، نضال (2025). "جدوى وإمكانات تشكيل سطح الغشاء في تكنولوجيا الأغشية" . الرأي الحالي في الهندسة الكيميائية . 47 101095. doi : 10.1016/j.coche.2025.101095 .
  8. 1 2 3 4 5 أوسادا، واي.، ناكاغاوا، تي.، علم وتكنولوجيا الأغشية ، نيويورك: مارسيل ديكر، إنك، 1992.
  9. ↑ "وحدة RCDT - وحدة أنبوب القرص ذو القناة الشعاعية (RCDT)" . وحدة أنبوب القرص ذو القناة الشعاعية (RCDT) . تم الاسترجاع بتاريخ 11-05-2016 .
  10. ↑ بيناو، آي.، فريمان، بي دي، تكوين وتعديل الأغشية ، الجمعية الكيميائية الأمريكية، 1999.
  11. ↑ "مبدآن لعمليات الأغشية" (ملف PDF) . نص جامعة برلين التقنية (بالألمانية). صفحة 6. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 16 أبريل 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 سبتمبر 2013 . 
  12. ↑ فليشر، آر إل؛ برايس، بي بي؛ ووكر، آر إم (مايو 1963). "طريقة لتشكيل ثقوب دقيقة بأبعاد قريبة من الأبعاد الذرية". مراجعة الأدوات العلمية . 34 (5): 510-512 . رمز Bibcode : 1963RScI...34..510F . doi : 10.1063/1.1718419 . ISSN 0034-6748 . 
  13. ↑ بيك، ر. إي.؛ شولتز، ج . س. (18 ديسمبر 1970). "الانتشار المعاق في الأغشية المسامية الدقيقة ذات هندسة المسام المعروفة". مجلة ساينس . 170 (3964): 1302-1305 . رمز Bibcode : 1970Sci...170.1302B . doi : 10.1126/science.170.3964.1302 . ISSN 0036-8075 . PMID 17829429. S2CID 43124555 .   
  14. ↑ رينكين، يوجين م. (20 نوفمبر 1954). "الترشيح والانتشار والغربلة الجزيئية عبر أغشية السليلوز المسامية" . مجلة علم وظائف الأعضاء العامة . 38 (2): 225-243 . ISSN 0022-1295 . PMC 2147404. PMID 13211998 .   
  15. ↑ الخبرة والتطبيق المحتمل للترشيح النانوي - جامعة لينز (ألمانية) ( ملف PDF مؤرشف بتاريخ 2013-04-05 على موقع Wayback Machine )
  16. ↑ باراني، سونداراراجان؛ أولوفيمي، أولواتوبي صموئيل (26-11-2021). "التقطير الغشائي: التكوينات الحديثة، وهندسة سطح الغشاء، والتطبيقات" . الأغشية . 11 ( 12): 934. doi : 10.3390/membranes11120934 . ISSN 2077-0375 . PMC 8708938. PMID 34940435 .   
  17. ↑Zheng, Zhiyu; Chen, Jingwen; Wu, Jiamin; Feng, Min; Xu, Lei; Yan, Nina; Xie, Hongde (2021-09-04). "Incorporation of Biomass-Based Carbon Nanoparticles into Polysulfone Ultrafiltration Membranes for Enhanced Separation and Anti-Fouling Performance". Nanomaterials. 11 (9): 2303. doi:10.3390/nano11092303. ISSN 2079-4991. PMC 8469414. PMID 34578619.
  18. ↑Li, Youjing; Li, Fen; Yang, Ying; Ge, Baocai; Meng, Fanzhu (2021-03-09). "Research and application progress of lignin-based composite membrane". Journal of Polymer Engineering. 41 (4): 245–258. doi:10.1515/polyeng-2020-0268. ISSN 2191-0340. S2CID 232144492.
  19. ↑Yaqoob, Asim Ali; Serrà, Albert; Bhawani, Showkat Ahmad; Ibrahim, Mohamad Nasir Mohamad; Khan, Anish; Alorfi, Hajer S.; Asiri, Abdullah M.; Hussein, Mahmoud Ali; Khan, Imran; Umar, Khalid (2022-02-21). "Utilizing Biomass-Based Graphene Oxide–Polyaniline–Ag Electrodes in Microbial Fuel Cells to Boost Energy Generation and Heavy Metal Removal". Polymers. 14 (4): 845. doi:10.3390/polym14040845. ISSN 2073-4360. PMC 8963014. PMID 35215758.
  20. ↑Nidal Hilal; Ahmad Fauzi Ismail; Takeshi Matsuura; Darren Oatley-Radcliffe, eds. (18 February 2017). Membrane characterization. Elsevier. ISBN 978-0-444-63791-8. OCLC 1296133285.
  21. ↑Visakh, P.M.; Nazarenko, Olga (2016-08-29). Nanostructured Polymer Membranes: Applications. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. doi:10.1002/9781118831823. ISBN 978-1-118-83182-3.
  22. ↑Vivek V. Ranade; Vinay M Bhandari (2014). Industrial wastewater treatment, recycling and reuse. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-444-63403-0. OCLC 884647664.
  23. ↑Arthur L Kohl; Richard Nielsen (1997). Gas purification. Gulf Pub. ISBN 978-0-08-050720-0. OCLC 154316990.
  24. ↑ "إزالة الغازات الحمضية". تكنولوجيا الأغشية . 1997 (89): 14. سبتمبر 1997. doi : 10.1016/s0958-2118(00)89231-9 . ISSN 0958-2118 . 
  25. ↑ "إزالة الفيروسات من منتجات الدم". تكنولوجيا الأغشية . 1991 (11): 13. مارس 1991. doi : 10.1016/0958-2118(91)90133-f . ISSN 0958-2118 . 

مراجع

  • أوسادا، واي.، ناكاغاوا، تي.، علم وتكنولوجيا الأغشية ، نيويورك: مارسيل ديكر، إنك، 1992.
  • 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
  • فان ريس ر.، زيدني أ. تكنولوجيا أغشية العمليات الحيوية. مجلة علوم الأغشية . 297 (2007): 16-50.
  • 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.
  • ريبيرجر إس، شولز جي. الأغشية المسامية الدقيقة في التطبيقات البيوتكنولوجية. هندسة العمليات الحيوية . 1 (1986): 43-49.
  • توماس ميلين، روبرت راوتنباخ، Membranverfahren ، سبرينغر، ألمانيا، 2007، ISBN 3-540-00071-2.
  • منير تشيريان، Handbuch الترشيح الفائق ، بهر، 1990، ISBN 3-925673-87-3.
  • إبرهارد ستود، Membranen und Membranprozesse ، VCH، 1992، ISBN 3-527-28041-3.