غشاءهای الیاف توخالی یا هالوفایبرها

در دهه گذشته فناوری‌های غشاءی به طور گسترده توسعه یافته‌اند. واتک در این مقاله در میان فناوری‌های غشاءی مختلف، به بررسی فناوری غشاء الیاف توخالی به دلیل خواص و مزایای قابل توجه آن‌ها می‌پردازد.

غشاء الیاف توخالی

                                                                غشاء الیاف توخالی

غشاء الیاف توخالی

فیلتراسیون الیاف توخالی از هزاران رشته طولانی متخلخل به عرض ۵/۳-۱ میلی‌متر که در یک پوسته PVC قرار گرفته‌اند، استفاده می‌کند. رشته‌ها قطر بسیار باریکی دارند و انعطاف‌پذیرند. الیاف‌های توخالی در انواع مختلف تصفیه از میکروفیلتراسیون تا اسمز معکوس مورد استفاده قرار می‌گیرد. امروزه الیاف توخالی یکی از محبوب‌ترین غشاهایی است که در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

الیاف توخالی

                                          الیاف توخالی

غشاءهای الیاف توخالی با نسبت سطح به حجم آن‌ها شناخته می‌شوند، که نسبت بسیار بیشتری از غشاء مارپیچی دارد. نسبت سطح به حجم بیشتر آن‌ها سبب می‌شود که آهنگ تصفیه آب بسیار بیشتری داشته باشند. غشاء الیاف توخالی دارای قطر ۱- ۱/۰ میلی‌متر با یک فضای توخالی درون آن است. آب ورودی به درون و بیرون الیاف اعمال می‌گردد و از درون دیواره الیاف به دیگر بخش‌های الیاف نفوذ می‌کند. دیواره الیاف، لایه پوست فعال در تماس با آب، ساختار نامتقارن دارد. یک دسته الیاف توخالی در یک محفظه قرار می‌گیرند و انتهای باز الیاف به صورت U شکل به سمت صفحه سری برمی‌گردد.

مزایا و معایب غشاء الیاف توخالی

غشاء الیاف توخالی به دلیل قطر کم، تراکم بسته‌بندی بسیار بالایی دارند. به دلیل انعطاف‌پذیری رشته‌ها، تنظیمات و پیکربندی فیلتر خاصی امکان‌پذیر است که در سایر سیستم‌های تصفیه قابل دستیابی نیست. همچنین می‌توانند از بخش نفوذپذیر و هوا جدا شوند و جریان‌های خوراک با مقدار بالایی از مواد جامد معلق (TSS) را فرآوری کنند.

با وجود مزایای فراوان الیاف توخالی، عمده‌ترین معایب الیاف توخالی رسوب غیرقابل بازگشت و شکستن الیاف است.

غشاء الیاف تو خالی چگونه کار می‌کند؟

اساس فیلتراسیون الیاف توخالی همان اساس غشاءهای لوله‌ای و مویئنگی است اما در اینجا قطر لوله کوچکتر است که باعث می‌شود این الیاف منعطف باشند.

غشا‌ءهای الیاف توخالی معمولا در سیستم‌های MBR، پیش‌تصفیهRO ، تصفیه آب و فاضلاب‌های صنعتی، فرآوری آبمیوه، صنعت پزشکی و بیوتکنولوژی کاربرد دارند.

کاربرد غشاء الیاف توخالی

غشاءهای الیاف توخالی به دلیل نسبت سطح به حجم بالا (تراکم بسته‎بندی بالای غشا)، خواص انتقال جرم عالی و توانایی مقاومت در برابر فشار پشتی به طور گسترده برای کاربردهای مختلف مثل جداسازی از جمله تصفیه آب آشامیدنی، احیای آب و … مورد استفاده قرار می‌گیرند، که می‌توان آن‌ها را به چهار دسته اصلی تقسیم کرد:

  • تصفیه آب آشامیدنی
  • تصفیه فاضلاب
  • پیشتصفیه
  • پزشکی

کاربرد غشاء الیاف توخالی در تصفیه آب آشامیدنی

اندازه منافذ غشا الیاف توخالی ۱/۰ میکرون است، در حالیکه اندازه کوچک‌ترین باکتری‌ها بزرگ‌تر از ۲/۰میکرون است. بنابراین این غشاء در از بین بردن باکتری‌ها و تصفیه آب آشامیدنی بسیار موثر است.

فیلترهای الیاف توخالی برای تولید صنعتی آب آشامیدنی

فیلترهای الیاف توخالی برای تولید صنعتی آب آشامیدنی

کاربرد غشاء الیاف توخالی در تصفیه فاضلاب

غشاء الیاف توخالی برای شفاف‌سازی و جداسازی مواد مختلفی مثل مواد جامد غوطه‌ور، باکتری‌ها یا کاهش غلظت بالای ماکرومولکول‌ها استفاده می‌شود. این غشاها به طور گسترده در تصفیه آب و بازیافت فاضلاب کاربرد دارد.

فیلتراسیون غشاء فاضلاب با بیوراکتورهای غشائی

فیلتراسیون غشاء فاضلاب با بیوراکتورهای غشائی

 کاربرد غشاء الیاف توخالی در پیش تصفیه

از غشاء الیاف توخالی می‌توان برای پیش تصفیه فاضلاب استفاده کرد. این غشا‌ءها به صورت UF قبل از سامانه اسمز معکوس قرار می‌گیرند. منافذ این غشاها ۱۰۰۰۰ برابر نازک‌تر از موی انسان است. این غشاءها می‌توانند مواد جامد معلق، باکتری‌ها، ویروس‌ها، میکروارگانیسم‌ها و سایر مواد بیماری زا موجود در آب را حذف کنند. این عمل باعث کاهش TDS قبل از ورود به اسمز معکوس می‌شود که در نتیجه آن عمر غشاء اسمز معکوس افزایش می‌یابد.

سیستم اولترا فیلتراسیون

              سیستم اولترا فیلتراسیون

کاربرد غشاء الیاف توخالی در پزشکی

غشاء الیاف توخالی به طور گسترده برای تصفیه خون در خارج از بدن اعم از کلیه مصنوعی، پلاسمای مایع و اکسیژن‌ساز استفاده می‌شود.

در حال حاضر از کلیه مصنوعی به طور معمول برای درمان بیماری نارسایی کلیه استفاده می‌شود. هم اکنون غشاهای الیاف توخالی به طور گسترده توسعه یافته‌اند و به صورت تجاری قابل دسترس هستند. هر ساله تنها در ژاپن حدود ۱۵ میلیون بر متر مربع غشاء الیاف توخالی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

غشاء الیاف توخالی همچنین در پلاسما درمانی به منظور درمان بیماری‌های غیر قابل درمان با جدا کردن ماکرومولکول‌های بیماری‌زا کاربرد دارد. چندین روش بالینی برای حذف انتخابی مواد مضر از خون وجود دارد که از ترکیبی از غشاهای با اندازه حفره متفاوت استفاده می‌شود. اکسیژن‌سازهای غشاءی شامل الیاف‌های توخالی آبگریز میکرو حفره، معمولا به طور موقت به عنوان جایگزین ریه بیمار در عمل قلب باز مورد استفاده قرار می‌گیرند. روش غشاءی در مقایسه با اکسیژن‌سازهای حبابی به دلیل اثرات مخرب کمتر بر اجزای خون ترجیح داده می‌شوند. همچنین اکسیژن‌سازهای غشاءی خارج از عروق برای درمان طولانی مدت بیمارانی با نارسایی تنفسی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فیلتر دیالیز

                                   فیلتر دیالیز

ساخت غشاء الیاف توخالی

غشاهای الیاف توخالی معمولا از پلیمرهای مصنوعی ساخته می‌شوند. اساسا روش‌های تولید غشاء الیاف توخالی به پلیمر مورد استفاده و وزن مولکولی آن بستگی دارد. روش تولید غشاهای الیاف توخالی که معمولا ریسندگی نامیده می‌شوند، به چهار دسته کلی تقسیم می‌شوند:

  • ریسندگی ذوب melt Spinning: در این روش یک پلیمر ترموپلاستیک ذوب شده و از دورن یک اسپینرر به درون هوا اکسترود می‌شود و سپس سرد می‌شود.
  • ریسندگی خشکDry Spinning: در این روش یک پلیمر درون یک حلال مناسب حل شده و از درون یک اسپینرر به درون هوا اکسترود می‌شود.
  • Dry-Jet Wet Spinning: در این روش یک پلیمر در یک حلال مناسب حل شده و به درون هوا و متعاقبا یک منعقدساز (معمولا آب) اکسترود می‌شود.
  • ریسندگی تر Wet Spinning: در این روش یک پلیمر در یک حلال مناسب حل شده و مستقیما به درون یک منعقدساز (معمولا آب) اکسترود می‌شود.

معمولا برای ساخت غشاء الیاف توخالی از پلیمرهای استات سلولز، پلی‌سولفون، پلی‌اترسولفون و پلی‌وینیلیدن فلوراید استفاده می‌شود.

کنترل پارامترهای مختلف غلظت و ترکیب محلول پلیمر، ماهیت و سرعت جریان مایع، دما و رطوبت بر مورفولوژی ریزساختار غشا و خواص جداسازی آن موثر است.

شتابدهنده واتک، سعی دارد تا با ایجاد یک فضای فناورانه، مسیر شناسایی و توسعه فناوری‌های غشاءی را در راستای بهبود و ارتقا کیفیت آب و زندگی، هموار کند.