تکنولوژی غشایی آخرین تکنولوژی گاززدایی روز دنیا است که معایب و مشکلات روش های قدیمی را ندارد و مزیت های زیادی به آن اضافه شده است. تکنولوژی غشایی بکار رفته در دستگاه گاززدای غشایی، بستری برای تماس دو فاز متفاوت از سیالات، بدون اختلاط، به منظور انتقال هدفمند گاز فراهم می کند. دستگاه گاززدای غشایی یک روش فیزیکی برای جداسازی گاز از مایعات است. این روش بدون استفاده از انرژی های فسیلی، کم حجم تر، پربازده تر و دقیق تر نسبت به روش های قدیمی مانند دی آریتور است.
در صنعت عظيم پتروشيمى، طراحى هاى خلاقانه و روش هاى توسعه فرآيند با هدف كاهش اندازه تجهيزات، مصرف كمتر مواد اوليه و انرژى و توليد پسماند حداقلى بايستى مد نظر قرار گيرند. همچنين، در حال حاضر كشور ما و دنيا در برهه زمانى خاصى از لحاظ بهينه سازى فرآيندهاى استفاده از منابع انرژى، پيشگيرى از هدررفت اين منابع و حفظ آن براى نسل هاى آينده و تامين منابع انرژى جديد، مقرون به صرفه و پاك قرار دارد. يكى از موثرترين روش ها براى نيل به اين اهداف، استفاده از فرآيندهاى مدرن غشايى است.
فرآيندهاى غشايى مزيت هاى فراوانى نسبت به بسياری از روش هاى مرسوم جداسازى (نظير تقطير، استخراج، جذب و جذب سطحى) دارند. در فرآيندهاى غشايى هيچ گونه تغيير فازى، كه معمولاً بسيار انرژى بر هستند، رخ نمی دهد، از جاذب هاى گران قيمت استفاده نمی شود، و لزوم استفاده از حلال هايى كه كار كردن با آنها آسان نيست نيز وجود ندارد. اين در حالى است كه اين فرآيندها بسيار فشرده بوده و به راحتى قابليت افزايش مقياس دارند، كاملاً خودكار بوده و داراى هيچ جزء متحركى نمی باشند.
يكى از اصلی ترين و مهم ترين انواع غشاهاى پليمرى، غشاهاى الياف توخالى (Hollow Fiber) می باشند. براي زدايش گازهاي صنعتي از تجهيزاتى مانند برج هاي پر شده (Packed Tower)، برج هاي پاششي (Spray Tower)، تميزكننده هاي اسكروبر (Venture Scrubbers) و ستون هاي حبابى (Bubble Column) استفاده مي شود. در اين تجهيزات با پراكنده كردن فاز گاز در يك فاز مايع سطح تماس و در نتيجه نرخ انتقال جرم افزايش مي يابد. اگرچه اين روش ها بسيار رايج هستند، اما تخمين دقيقي از سطح انتقال جرم در آنها وجود ندارد. به علت محدوديت هاي فرايندي در سرعت مايع و گاز معمولاً براي جداسازي گازها از غشاهاي پليمري غير متخلخل استفاده مي شود. استفاده از غشاهاي جامد براي زدايش گازها به علت پايين بودن ضريب جداسازي و تراوايى پايين داراي محدوديت مي باشد. براي رفع اين مشكل، غشاهايي با انتخاب پذيري بالا و مقاومت گرمايى بالاتر توسعه يافته اند. در سال هاي اخير، غشاهايى با حفره هاي ريز براي رفع اين مشكلات مورد استفاده قرار گرفته اند.
با استفاده از يك ساختار غشايی مناسب مانند الياف توخالي، دو سيال مي توانند در دو طرف غشا تماس داشته باشند و سطح تماس گاز-مايع در دهانه هر حفره غشا شكل گيرد. مزيت هاي تماس دهنده های غشاهايی گاز-مايع نسبت به دستگاه هاي تماس دهنده رايج عبارتند از:
گاززدایی
گاززدایی غشایی می تواند CO2 و O2 را تقریبا بطور کامل حذف کند. اگر این کار را با هوای استریپ کننده (Stripping) خالص انجام بدهیم تا 2 ppm غلظت شان کاهش می یابد و اگر این کار را با پمپ خلا انجام بدهیم تا 1 ppm غلظت شان کاهش می یابد. اگر از گاز نیتروژن صنعتی و پمپ خلا توامان استفاده شود میتواند غلظت O2 را تا 1 ppb کاهش داد. گاززدایی غشایی یک روش بسیار کارآمد برای حذف گازها و بخارات محلول و نامحلول در آب است.
همانطور در تصویر مشاهده میکنید آب حاوی گازهای محلول و نامحلول وارد سیستم می شود. با بوجود آمدن یک گرادیان فشار جرئی بوسیله استریپ کردن هوا یا گاز و یا پمپ خلا، گازها محلول در آب از منافذ میکرونی غشاهای هیدروفوب ماژول هالوفایبر عبور کرده و با گاز استریپ کننده که در جهت مخالف جریان اصلی آب ورودی جریان پیدا کرده است همراه می شود و از آب ورودی جدا می شوند.
یک سیستم گاززدایی غشایی از اجرای زیر تشکیل شده است:
برای کاربردهای خاص و تهیه آب فوق خالص، بهتر است سیستم گاززدایی غشایی بین سیستم اسمزمعکوس و الکترودیونیزاسیون قرار بگیرد. چرا که CO2 توسط سیستم اسمزمعکوس حذف نمی شود و بهم خوردن تعادل بین آهک و کربنیک اسید باعث بوجود آمدن CO2 می شود که این موضوع برای جریان پایین دستی الکترودیونیزاسیون مشکل ساز است. به سیستم گاززدایی غشایی میتوان به چشم یک سیستم قابل اعتماد در حذف CO2 نگاه کرد.
شرایط آب ورودی به سیستم واحد گاززدایی
آب ورودی به سیستم هوازدایی غشایی باید حداقل در حد آب شیرین سازی کربن دی اکسید آن گرفته باشد و یا سختی گیری شده باشد در غیر این صورت در حین گاززدایی باعث گرفتگی حفرات غشا می شود. پس آب ورودی کاملا باید تحت فیلتراسیون قرار گرفته شده باشد. برای فرآیند استریپ کردن بوسیله گاز برای حذف CO2 بالاترین دما 30 درجه سانتی گراد است البته میتوان دما را بالاتر (بالاتر از60 درجه سانتی گراد) هم برد که آن برای زمانی است که از نیتروژن برای استریپ کردن استفاده شود و برای حذف O2 استفاده می شود.
الزامات مربوط به کیفیت آب ورودی و آب بویلر در مولد بخار در استانداردهای DIN EN 12953-10 و DIN EN 12952-12 آمده است.
تماس دهنده غشایی در واحد گاززدایی
غشا به عنوان يك مانع گزينشي است، و به يك جز اجازه عبور آزاد را می هد و به اجزا ديگر اجازه نمي دهد. در غشا تماسي، عملكرد غشا اين است كه حد فاصل (واسطه) بين دو فاز باشد اما ميزان عبور مواد از غشا را كنترل نمي كند. اكسيژن زدايي از آب با يك غشا تماسي در شكل زیر نشان داده شده است. به طور معمول اين نوع غشا، يك نوع فيبر با منافذ ميكروسكوپي ميباشد كه آب حاوي اكسيژن را اکسیژن زدایی مي كند. اكسيژن محلول در آب به سمت گاز نيتروژن نفوذ می كند. اگرچه غلظت اكسيژن محلول در آب بسيار كم است، اما تعادل آن در فاز گاز هنگام تماس با آب چند هزار بار بيشتر است. اين بدان معناست كه نفوذ اكسيژن از طريق غشا به سمت گاز نيتروژن بالاست. غشا تماسي بر برج فشرده بطور سودمندي برتري دارد غشا تماسي معمولا وسايل پوسته-لوله با غشا فيبري داراي منافذ در ابعاد مويينه است. منافذ غشا به اندازه كافي كوچك هستند تا نيروهاي مويينه در هر دو سوي غشا از تركيب فازها بطور مستقيم جلوگيري كند. غشا تماسي در شکل زیر نشان داده شده يك مايع را از فاز گاز جدا مي كند و يك نوع تماس گاز با مايع مي باشد.
سطح تماس غشا تماسی نسبت به ستون های سنتی در جدول زیر آمده است. سطح تماس در غشا تماسی در مقایسه با برج های معادل بیش از 10 برابر است.
| Surface area per volume (cm2/cm3) | Contactors |
| 1-10 | Free dispersion columns |
| 100-800 | Packed/trayed columns |
| 50-150 | Mechanically agitated columns |
| 1500-3000 | Membrane contactors |
در نتيجه ابعاد غشا تماسي كوچك و سبك مي شود. اين امر سبب مي شود، كه گاهي اوقات يك مزيت مهم به شمار رود. انتقال گاز از مايعات در حال حاضر بزرگترين کاربرد تماس دهنده های غشایی است. اكسيژن رساننده ها به خون يكي از اين مصارف است. كاربرد اين وسايل در صنعت عبارتند از: اكسيژن زدايي از آب بسيار خالص براي صنعت الكترونيك و يا ديگر صنایع، گاززدایی از آب خوراك دیگ بخار و تنظيم اندازه كربناسيون درصنعت نوشابه سازی مي باشد.
غشاها
غشاهاي رايج موجود در تماس دهنده هاى غشایی معمولا از پليمرهاى آبگريزى تهيه شده كه تراوايى بالايي دارند. ضخامت این غشاها بین 10-300 میکرومتر بوده و دارای حفراتی بین 1-0.1 میکرومتر هستند. پارامتر مهم دیگر در جذب گاز، پایداری گرمایی غشا می باشد. غشاهاي الياف توخالي به طور سنتزي از مواد مختلفي كه به دو گروه آلي (پليمري) و غير آلي (غالبا شيشه و سراميك) طبقه بندي مي شود، ساخته مي شوند. مواد آلي پليمري مهم ترين گروه مواد غشايي به خصوص در فناوري الياف توخالي مي باشند. جنس اين غشاها معمولاً از مواد پلي اترسولفون، پلي سولفون، پلي پروپيلن، پلي وینیلیدین فلوراید، مخلوط سلولزاستات و مواد ترموپلاستيك، پلياكريلونيتريل، پليوينيلكلرايد، پلی یورتان است. پليمر مناسب براي ساخت غشا بايد تراوش پذيري بالا براي افزايش عملكرد دوجزيي كه از هم جدا مي شوند. اگرچه در اين صنعت مواد پليمري زيادي در بازار مورد استفاده قرار مي گيرد، اما پلي پروپيلن، پلي اتيلن، پلي اترسولفون، پلي وينيليدينفلورايد، پلي وينيل پيروليدين رايج ترين مواد مورد استفاده در ساخت غشاهاي الياف توخالي مي باشند.
ماژول های غشاهای الیاف توخالی
غشاهای لوله ای را میتوان به 3 دسته پوسته لوله (Shell and Tube)، مویینه (Capillary) و الیاف توخالی تقسیم بندی کرد. انتخاب شكل غشا و چيدن آن در يك سيستم بر پايه پارامترهاي دقيق مهندسي براي رسيدن به هدفي خاص و نيز ملاحظات اقتصادي صورت می گيرد. برخي از مهم ترين اين پارامترها شامل موارد زیر است:
اخيرا غشاهاى الياف توخالي بر پايه مواد آلياژي ساده (پلی اتر سولفون، پلی وینیل پیرولیدین) و گاهى پيچيده (پلي اترآميد، پلی بنزوميدازول) مورد پژوهش و بررسي قرار گرفته اند. در غشاهاي متخلخل، ساختار دروني، به سه گروه متقارن، نامتقارن و كامپوزيت تقسيم مي شود. در عمليات تماس دهنده هاي غشايى گاز-مايع، عملكرد غشا كمتر توسط غشا محدود مي شود. بدين معنا كه ماژول غشا بايد نه تنها به لحاظ ساختار شيميايى غشا طراحی شود، بلكه بايد موقعيت جريان و هندسه ماژول غشا نيز در طراحی در نظر گرفته شود.
