غشاهای پلیمری با عملکرد پیشرفته

غشاهای پلیمری با عملکرد پیشرفته

این مقاله مروری جامع بر توسعه غشاهای پلیمری با عملکرد پیشرفته یا مدرن در فرایندهای مختلف جداسازی غشاء برای مخلوط های گازی (جداسازی گاز، اسمز معکوس، تراوش تبخیری، نانو فیلتراسیون، اولترا فیلتراسیون، میکرو فیلتراسیون) و سایر کاربردهای مهم غشایی دیگر من جمله مواد بیولوژیکی، کاتالیست (همچون سیستم های سلول سوختی) یا فناوری های آزمایشگاه روی تراشه ارائه میدهد. در این راستا رویکردهای مهمی همچون فناوری پردازش مدرن پلیمرها برای غشاء، سنتز پلیمرهای جدید با ساختاری کاملآ مشخص بعنوان مواد غشایی طراحی شده، عملکردهای سطحی پیشرفته در غشاء، استفاده از الگوها به منظور ایجاد موانع متناسب یا ساختارهای سطحی در غشاها یا حتی تهیه غشاهای کامپوزیتی به منظور ترکیب هم افزایی عملکردهای مختلف توسط مواد مختلف (اساسآ پلیمری) نیز مورد بررسی قرار می گیرند. خود مونتاژ بودن سازه های ماکرومولکولی ارائه دهندۀ مفهوم مهمی در تمامی موارد ذکر شده در بالا است. این رویکردهای نسبتآ متنوع با ارائۀ نمونه های فراوان در مقالات و با تأکید خاص بر تحقیقات گروه نویسندگان بطور سیستماتیک سازمان یافته و تفسیر شده اند. ساختارها و عملکردها در این غشاهای پلیمری پیشرفته با توجه به عملکرد بهتر یا جدید ارزیابی شده و پیامدهای بالقوۀ آنها نیز برای فناوری های غشایی در آینده مورد بحث قرار گرفته است.

غشاء یک اینترفاز بین دو فاز مجاور است که بعنوان یک مانع انتخابی عمل کرده و انتقال مواد بین دو محفظه را تنظیم می کند. مزایای مهم فناوری غشاء در مقایسه با سایر عملکردهای واحد در مهندسی زیست شیمی به اصل جداسازی یا همان انتخابِ انتقال غشاء مربوط میشود. برای جداسازی غشاء نیازی به مواد افزودنی نیست و میتوان آنها را درمقایسه با سایر فرایند های جداسازی حرارتی، در دمای پایین بصورت ایزوترومال با مصرف انرژی پایین انجام داد. همچنین افزایش و کاهش مقیاس فرایندهای غشایی و ادغام آنها در سایر فرایندهای جداسازی یا واکنش بسیار آسان است. پس از یک دوره طولانی از غشاهای بیولوژیکی و تردید در امکان نهایی فنی، اکنون فناوری های غشایی بطور صنعتی در مقیاس چشمگیری ایجاد شده اند. بازارها نسبتآ متنوع هستند؛ از دارو گرفته تا صنایع شیمیایی و "تجهیزات پزشکی" و "دمای آب" را میتوان بعنوان مهمترین بخشهای بازار صنعتی دانست. فروش غشاء مصنوعی در سراسر جهان بیش از دو میلیارد دلار امریکا (در سال 2003) تخمین زده شده است؛ باتوجه به اینکه غشاء فقط حدود 40 درصد از کل سرمایه گذاری برای سیستم  جداسازی غشاء را تشکیل میدهد، کل گردش مالی سالانه صنعت مبنی بر غشاء را میتوان بیش از 5 میلیارد دلار در نظر گرفت. نرخ رشد سالانه برای اکثر تولیدات غشایی بیش از 5 درصد و در برخی دیگر بیش از 12 تا 15 درصد است. بعنوان مثال بازار "کلیه مصنوعی" (همو دیالیز) بعنوان بزرگترین فرایند غشاء تجاری گردش مالی یک میلیارد دلار را نشان داده و سالانه سطح غشاء بیش از 230 Mio m² به همین منظور تولید میشود. درعین حال، استانداردهای کیفیت بسیار بالا در کاهش قیمت ها فقط با میزان بسیار بالایی از اتوماسیون فرایند تولید، ادغام آماده سازی غشاء کانتیموس (الیاف هالو)، تمام مراحل پس از تصفیه و مونتاژ ماژول های غشایی در یک خط تولید امکان پذیر است. در کاربردهای صنعتی برخی از غشاهای مصنوعی پیشرفته عملکرد کلی بهتری نسبت به نمونه های بیولوژیکی شان دارند. دفع بسیار زیاد نمک و فلاکس آب ازطریق غشاهای اسمزی معکوس بدست آمده با استفاده از فشارهای غشایی تا 100 با ممکن است نمونه ای از سازگاری مفهوم غشاء با نیازهای فنی محسوب شود. با این حال، تعداد اندکی از اصول و فرایندهای جداسازی مورد بررسی قرار گرفته است. در نتیجه، انگیزه ای قوی برای بهبود مواد و فرایندهای غشایی تثبیت شده همچنان تحقیقات فعلی را در این زمینه پیش می برند. امروزه این امر بر مبنای فنی و اقتصادی به هدف توسعه و اجرای فنی مواد و فرایندهای غشایی جدید امکان پذیر است. شرایط فرایند غشاء بایستی بطور دقیق مهندسی شود اما محدودیت های عملکرد به وضوح توسط خود غشاء تعیین میشوند. حتی زمانی که غشاهای سرامیکی، فلزی و مایع از اهمیت بالایی برخوردار باشند، اکثر غشاها از پلیمرهای جامد ساخته شده و خواهند شد. درکل، علت این کار را میتوان تنوع گستردۀ ساختارها و خواص مانع دانست که میتوانند توسط مواد پلیمری طراحی شوند. پلیمرهای غشایی فعلی (نسل اول) بیوپلیمرها (عمدتآ مشتقات سلولز) یا (کمتر از 20 ماژور) پلیمرهای مهندسی مصنوعی هستند که در اصل برای اهداف مختلف تولید شده اند. ساختارهای غشایی و فناوری های تولید بطور خلاصه ارائه شده اند. توسعه غشاهای مصنوعی همیشه از این واقعیت الهام گرفته است که انتقال انتخابی ازطریق غشاهای بیولوژیکی توسط مونتاژهای ماکرومولکولی و فرامولکولی براساس شناخت مولکولی کاملآ امکان پذیر است. در واقع این مقاله بر غشاهای پلیمری عملکردی بهبود یافته یا جدید (نسل بعدی از مواد غشایی) متمرکز است و ازطرفی گرایشات مهم در این زمینه نیز شامل این موارد میشوند:

- سنتز پلیمرهای جدید با ساختار خوب تعریف شده بعنوان مواد غشایی "متناسب"

- کاربردی سازی سطح پیشرفته؛ با هدف تولید ساختارهای جدید مانع یا امکان ترکیب ساختار مانع موجود با حالتهای "متناسب" در برهمکنش ها (از آفین تا اینرت)

- استفاده از الگوها برای ایجاد مانع متناسب یا ساختارهای سطحی غشاها

- تهیه غشاهای ماتریس یا کامپوزیت مخلوط برای ترکیب هم افزایی در توابع مختلف توسط مواد مختلف (پلیمری)

- پردازش جدید یا بهبود یافتۀ پلیمرها برای غشاها؛ بویژه فناوری های لایه نازک یا کوچک سازی تولید غشاء

از همان ابتدا، حوزۀ غشاها کاملآ میان رشته ای بوده است که علاوه بر مسائل اقتصادی، زیست محیطی و ایمنی شامل الهام گرفتن از بیولوژی، مدل سازی انتقال غشاء، سنتز شیمیایی و خواص ساختاری برای مواد غشایی، علوم و مهندسی مواد غشایی، تشکیل و اصلاح غشاء، خواص غشاء، طراحی ماژول، مهندسی فرایند، ادغام فرایندهای غشایی در فرایندهای صنعتی میشود. این "لقاح متقابل" بسیار مثمر ثمر بوده و طی دهه های گذشته جامعۀ "ممبرانولوژیست" در سراسر جهان تأسیس شده است. امروزه مبنای اصلیِ رشد فناوری غشاء بر دستاوردهای چشمگیر فنی، پذیرش در صنایع مختلف، ادغام دوره ها و برنامه های مربوط به غشاء در آموزش آکادمیک مبتنی است. مهمتر از همه اینکه صنعت غشاء و فرایندهای غشایی خود دارای چشم انداز عمیقی هستند زیرا با کمک نرخ رشد، تنوع مداوم در حال افزایش برنامه ها و تعداد فزایندۀ فرایندهای غشایی از لحاظ فنی امکان پذیر است. حوزه های شیمی پلیمر، فیزیک و مهندسی با وجود غشاء انتخابی بعنوان عنصر اصلی بسیار موفق بوده اند و نقش بالقوه ای در پیشرفت بیشتر این حوزه ایفا کردند. یکی از نتایج مهم بدست آمده از این تحلیل این است که غشاهای پلیمری پیشرفته اغلب بجای خواص "پلیمر فله"، بر ساختارهای ماکرو مولکولی عملکردی متناسب مبتنی هستند. نمونه ها شامل بسته بندی طراحی شدۀ بخشهای زنجیره ای در حالت جامد انتخابی با حجم آزاد بهم پیوسته، مورفولوژی های منظم "نانو منفذ" از بلوک فازی جداشده یا کوپلیمرهای پیوند، هیدروژل های پلیمری با ساختار مش کنترل شده، ساختارهای میکرو یا ماکرومنافذ ایجاد شده با استفاده از الگوها در طی سنتز یا تشکیل غشاء، لایه های ماکرو مولکولی پیوند یافته عملکردی برای تسهیل اتصال به دیوارۀ منافذ یا محافظت از مانع غشاء در برابر برهمکنش های ناخواسته، محل های میل اتصالات در غشاها با بی حرکتی ازطریق پیوند دهنده های ماکرومولکولی یا سنتز درجا ازطریق چاپ مولکولی پلیمرها میشوند. برای غشاهایی که درنهایت مختص به کاربردهای مقیاس بزرگ هستند، بایستی در نظر داشته باشید که فرایندهای تشکیل غشای فعلی ازطریق جداسازی فاز قبلآ با هزینه های کلان بهینه شده اند؛ بطوری که بدون جریمه اقتصادی قابل توجه نمیتوان به راحتی از آن کنار گرفت. ازطرف دیگر، فرایندهای موجود کاملآ انعطاف پذیر بوده و فضای قابل توجهی برای سازگاری نوآورانه دارند.

مسیرهای مهم در دستیابی به این امر ترکیبی از پلیمرها با عملکردهای مختلف یا طراحی پلیمرها برای پس از تصفیۀ آسان و کارآمد خواهند بود. با این حال میتوان گفت که غشاهای کامپوزیتی میتوانند پیامدهای بسیار اثربخشی را ارائه دهند زیرا نیاز کمتری به پلیمر خاص خواهند داشت و یا اینکه ممکن است از پلیمر در برابر تنش ناشی از شرایط فرایند محافظت شود. تهیه غشاهای ماتریس مخلوط متشکل از پلیمرهای آلی و مواد معدنی غیرآلی میتواند بُعد دیگری به بهبود عملکرد غشاء اضافه کند. غشاهای پیشرفته نسل بعدی عملکردی بیشتر از داشتن خواص مانع با عملکرد بالا خواهند داشت. ترکیب غشاها با کاتالیست بشدت مورد مطالعه قرار گرفته و اغلب در مقیاس فنی نیز مورد استفاده قرار گرفته است. غشاهای "هوشمند" با تغییر انتخابگرها یا سطوح سازگار را میتوان با استفاده از رویکردهایی که در حال حاضر در لابراتوارهای تحقیقاتی بررسی میشوند، ایجاد کرد. نمونه های بدست آمده از این غشاهای پاسخ دهندۀ محرک نشان میدهد که برای ایجاد غشای "بیو میمتیک" میتوان از همکاری متقابل بین ساختار منافذ و سیستم های ماکرو مولکولی عملکردی متناسب استفاده کرد. زمانی که این امر بعنوان یک غشاء کامپوزیت مبنی بر غشاء (فنی) قبلآ بوجود آمده تحقق یابد، مواد جدید برای کاربردهای آینده دارای پتانسیل قوی هستند چرا که قبلآ سازگاری شان با یک محیط فنی آزمایش شده است. در این مقاله به بحث درمورد غشاهای بیومیتیک فوق العاده نازک (به تقلید از غشاء سلول) همچون نمونه های ارائه شده در کارهای بصری اولیۀ رینگزدورف و همکاران، پرداخته نشده است. برای مثال سیستم هایی برای انتقال فعال ازطریق غشاء قبلآ مورد مطالعه قرار گرفته بودند؛ مفهومی که دور از هرگونه امکان فنی است. در دهه گذشته فعالیت های علمی چندان مورد توجه جامعه غشاء شناسان نبودند؛ البته دلیل اصلی آن را احتمالآ میتوان موفقیت در اجرای پیشرفته ترین فناوری غشاء در بسیاری از فرایندهای صنعتی دانست. با این حال، "احیاء" این تحقیق یا همان توسعه سیستم های پیچیده غشاء مولکولی بیومیمتیک به احتمال زیاد در حال انجام است. این کار همچنین تا حدود زیادی توسعۀ غشاء جدید و پیشرفته را از لحاظ فنی تسهیل خواهد کرد.