مقدمه
 

عموماً يک غشاء سراميکي را مي توان به عنوان يک مرز نفوذگزين (pERMSELECTIVE BARRIER) يا يک غربال بسيار ريز تعريف کرد. قابليت تراوايي و فاکتور تفکيک يک غشاء سراميکي دوشاخص بسيار مهم در مورد يک غشاء سراميکي است. اين دو فاکتور به طور خاص تابع ضخامت، اندازه ي تخلخل ها و تخلخل هاي سطحي غشاء است و اين در حالي است که در مورد غشاءهاي سراميکي با دانسيته ي بالا، قوانين نفوذ و تفکيک پيچيده تر است. کاربردها و مکانيزم هاي تفکيک در غشاءهاي سراميکي متخلخل به اندازه ي تخلخل هاي غشاء سراميکي وابسته است. ( همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است.)

غشاءهاي سراميکي معمولاً از ترکيب چندين لايه ي يکسان يا متفاوت سراميکي تشکيل شده اند. معمولاً اين لايه ها بوسيله ي يک تکيه گاه با تخلخل هاي بسيار بزرگ حمايت مي شوند. همچنين اين لايه ها از چندين لايه ي مزوپورس مياني تشکيل شده اند که يک لايه ي ميکروپورس در روي اين لايه ها قرار دارد. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است.

لايه ي پاييني حالت تکيه گاه مکانيکي را دارد و اين در حالي است که لايه هاي مياني داراي تخلخل هاي مناسب جهت تفکيک هستند. در واقع عمل جداسازي در اين مکان اتفاق مي افتد. عموماً مواد مورد استفاده براي توليد غشاءهاي سراميکي عبارتند از:Al2o3, Tio2،2, Zro2, SiO2و...همچنين مي توان از ترکيبي از اين مواد در ساخت غشاء استفاده نمود. به عنوان مثال ويژگي تخلخل هاي يک غشاء آلومينايي چهار لايه در شکل 2 نشان داده شده است.

اين به نظر مي رسد که اندازه ي تخلخل هاي لايه ي جداکننده ي بالايي، لايه هاي مياني و لايه ي تکيه گاه زيرين به ترتيب در گستره ي 6nm (مزوپورس)، 0.7-0.2 ميکرون و 10 ميکرون هستند. يک غشاء چند لايه ي پيچيده تر شامل تکيه گاه ماکروپورس از جنس α-?Al?_(2O_3 ) دولايه ي مزوپورس از جنس σ-?Al?_(2O_3 ) به عنوان لايه هاي مياني و يک لايه ي ميکروپورس به عنوان لايه ي بالايي است.
همانگونه که در شکل 3 مشاهده مي شود. (شکل يک ميکروگراف از ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) است.) يک لايه ي بسيار نازک از سيليس به ضخامت تقريبي nm30 با قطر تخلخل 5A درجه به دست آمده است. اين ميکروگراف علاوه بر اين مسئله نشان مي دهد که لايه ي سيليسي در بالاي لايه ي σ-?Al?_(2O_3 )رسوب کرده است. يکي بخش روشن بين لايه ي سيليسي σ-?Al?_(2O_3 ) قابل مشاهده است. مرز بين اولين و دومين لايه ي σ-?Al?_(2O_3 ) در فاصله ي nm25 از سطح قابل مشاهده است.

غشاءهاي سراميکي در بالا به آنها شاره شد را تنها مي توان بوسيله ي مراحل چندگانه به دست آورد. همانگونه که در شکل 1 بيان شد، يک لايه ي تکيه گاه در ابتدا براي کاهش تنش هاي مکانيکي وارد بر لايه ها ايجاد مي شود. پس از آنکه لايه ي تکيه گاه ايجاد شد مي توان يک يا چند لايه مياني را بر روي لايه ي تکيه گاه پوشش داد و پس از آن لايه ي جداکننده ي پاياني را ايجادکرد. هر کدام از مراحل بالا در دماي بالا اتفاق مي افتد. و نيازمند عمليات زينترينگ در دماي بالا مي باشد. از اين رو هزينه ي توليد غشاء بسيار بالاست. به طور واضح بايد گفت ترکيب مراحل چندگانه ي بالا در يک مرحله باعث افزايش زمان ساخت و قميت ساخت مي شود. و از اين رو قيمت غشاء بالا مي رود. شکل 4 ميکروگرافي از يک غشاء سراميکي با دانسيته ي نامتقارن است که بوسيله ي ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) گرفته شده است. غشاء سراميکي مشاهده شده در شکل 4 بوسيله ي تکنيک گفته شده در بالا تهيه شده است. همانگونه که مي توان ديد، يک لايه ي پوسته ماند نازک و متراکم بر روي تکيه گاه متخلخل تجمع يافته است. که جنس آن از همان ماده ي سراميکي است و تأييد مي کند که مي توان يک غشاء سراميکي لايه اي را در يک مرحله تهيه کرد.

اکثر غشاءهاي سراميکي تجاري در اشکال ديسکي، صفحه اي يا لوله اي مانند هستند. اين غشاءها عموماً به صورت صفحه يا فرام در کنار هم قرار گرفته يا به صورت غشاء هاي صفحه اي يا لوله اي هستند (در حالت لوله اي از غشاءهاي لوله مانند استفاده مي شود). براي افزايش نسبت مساحت سطح به حجم و افزايش ناحيه ي جداکننده بر واحد حجم غشاء عناصر آلومينايي چندکانالي يکپارچه استفاده مي شود. (شکل 5).

اين عناصر يکپارچه مي توانند به صورت اشکال مختلف ايجاد شوند. بنابر گزارشات انجام شده نسبت مساحت سطح به حجم براي اشکال لوله مانند بين 250-30m^(2m^(-3) ) است. اين نسبت براي غشاءهاي يکپارچه ي چندکانالي 400-130m^(2?.m?^(-3) ) و براي غشاءهاي يکپارچه ي شانه عسلي (شش ضلعي) اين نسبت بيش از 800 m^(2?.m?^(-3) ) است. اشکال مشابه که درشرکت ceramem توليد شده است در شکل 6 نشان داده شده است.

به طور مشابه، يک صفحه و يا فرام سراميکي مي تواند از تجمع تعداد زيادي سلول غشاء (ساخته شده از صفحات سراميکي) ساخته شود. در اين وسايل مي توان با استفاده از غشاءهاي صفحاتي و ديسکي ميزان دانسيته ي تراکمي را بالا برد. اين قاعده در شکل 7 ديده شده است همچنيتن در اين شکل جريان مايع تغذيه شده به جداکننده ي متخلخل نشان داده شده است. اين جداکننده از دو صفحه تشکيل شده است. جريان از ميان غشاءها نفوذ کرده و اين نفوذ از ميان سلولهاي جداکننده انجام مي شود.

براي افزايش بيشتر ميزان دانسيته مي توان از اشکال توخالي فيبر مانند استفاده نمود با استفاده از اين اشکال مي توان ميزان دانسيته را به 900m^(2?.m?^(-3) ) رساند که اين عدد در مقايسه با دانسيته ي 30-500m^(2?.m?^(-3) ) که در صفحات و قطعات لوله اي ديده مي شود، بسيار زياد است. بزرگترين چالشي که در تهيه ي اجزاي فيبري توخالي توليد شده از مواد سراميکي روبروي ماست، تردي اين مواد است. اين مسأله مخصولاً در کاربردهاي صنعتي دمابالا نمود مي يابد. اجزاي فيبري توخالي در فرم هاي متخلخل و متراکم تهيه مي شوند که فرم آنها بستگي به کاربردشان دارد. اين نوع غشاءهاي سراميکي را مي توان در زمينه هايي همچون مجزاکننده هاي گازي، رآکتورهاي غشائي (membrane reactor)، بازيافت حلال و... استفاده کرد.
منبع انگليسي مقاله : ceramic membranes for sepavation and Reaction by: kang Li
ادامه دارد...