MEMBRAN VE MEMBRAN PROSESLERİ

Membran tipleri Membranlar farklı kimyasal yapılara sahip olsalar da aşağıdaki gruplara ayrılırlar: 1- Mikrogözenekli 2- Homojen 3- İyon değiştirici 4- Asimetrik

Başlıca membran tiplerinin şematik gösterimi

Endüstride kullanılan bazı polimerik membran türleri ve kullanıldığı prosesler

1- Mikro gözenekli membranlar Yapısal ve fonksiyonel olarak geleneksel filtrelere benzerler. 0.01-10 um çap aralığındaki küçük gözenek boyutlarıyla filtrelerden ayrılırlar. Elde ediliş yöntemlerine bağlı olarak farklı mikrogözenekli yapılar mevcuttur. Sinterleşmiş membranlar Gerdirilmiş membranlar Faz dönüşüm membranlar Kapiler gözenekli membran

Membranların genel olarak üretim metodları: 1. Sinterleşme veya gerilme (streching) : mikrogözenekli membranların üretimi için kullanılmaktadırlar. 2. Casting (döküm): iyon değişim membranları 3. Faz dönüşümü ve etching (asitle yakma): Gözenekli membran üretimi 4. Ekstrüzyon: gaz geçirimi için difüzyon membranları 5. Leaching (sıyırma) 6. Sol-gel 7. Kimyasal Buhar Tortulaştırması (CVD)

1. Streching •Strech malzeme ile gözenek yapısı oluşturulan membranları üretmek için termoplastik malzemeler bir kalıp içine yerleştirilir •Kalıbın yönüne göre düşey yerleştirilir •Mekanik gerilim altında uzun yarık gibi küçük kopuk ve kesikler meydana gelir. Değişen gözenek boyutları oluşur •Üretilen membranların gözenekliliği yüksektir ve bazı durumlarda %90 ulaşabilir •En yaygın kullanılan malzeme polipropilendir

Sinterleşme 1. Bu yöntem istenilen boyutta preslemeyi ve daha sonra belirlenmiş sıcaklıklarda ısıtmayı içermektedir 2. Doğru seçilmiş sinterleşme sıcaklığı ile partiküller arası boşluklar gözenekli yapıyı oluşturmak için yok olur

3. Üretilen gözenek boyutu partikül boyutu ve partiküllerin gözenek boyut dağılımına bağlıdır. 4. Bu metod seramik, metal, karbon ve cam dan üretilen membranları üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. 5. Metal membranların üretiminde gözeneklilik %90 ın üzerine çıkabilir. Sıyırma 1. Gözenekli cam membran hazırlama tekniğidir. 2. Prosedür üç bileşenin (Na2O-B2O3-SiO2) homojen erimesini, ve iki faza ayırmak için eriyen fazın soğumasını içermektedir. 3. Bir faz çözünmez bir fazda çözünür SiO2 içermektedir. 4. Çözünür fazın gözenekli fazın oluşmasını sağlamak için asit yada baz ile süzülerek ayrılması sağlanır.

Faz dönüşümü 1. Polimerik membranları üretmek için en önemli tekniktir. 2. Proseste polimer çözelti kabarmış halde üç boyutlu makromoleküler kompleks yada jel haline dönüşür. 3. Gözenekli membranlar iki, üç yada dört bileşen katkılı çözücü ve çözücü olmayan karışımlarda üretilmektedir. 4. Jel çözelti içine daldırma ve çöktürme basamakları vardır.

5. Döküm çözeltisi destek üzerine doğrudan yayılır 6. Destek cam olabilir 7. Döküm kalınlığı 50-500 mikrometre arasında değişmektedir 8. Dökülmüş film daha sonra çözücü olmayan (jelatin) yatağa transfer edilir 9. Burada çözücü olmayan faz ile çözücü faz arasında değişim meydana gelerek polimer çöker

En büyük gözenekten daha büyük olan parçacıklar membrandan geçemezler. En küçük gözenekten daha küçük olanlar ise membrandan tamamen geçerler. Sonuç olarak, mikrogözenekli bir membrandan çözünen maddelerin ayrılması moleküler boyut ve gözenek boyut dağılımının bir fonksiyonudur.  

Mikro veya ultragözenekli membran hazırlamak için kullanılan yöntemler

2- Homojen membranlar   Homojen membranlar yoğun membranlar olarak tanımlanır. Bu tip membranlarda taşınım difüzyon ve kimyasal türlerin membran içindeki çözünürlükleriyle ilgilidir.  Geçirgenliği belirleyen parametreler: Membranın kimyasal doğası Membranın tipi Kalınlık Yoğun membranlar permeantların: Basınç Derişim Elektriksel potansiyel farkı gibi itici kuvvet altında difüzyonla taşındığı yoğun bir filmden oluşur.

Karışımı oluşturan bileşenlerin ayrılması; Membran içindeki Difüzivite Çözünürlük ile belirlenen geçiş hızlarıyla ilişkilidir.  

Yoğun membranlar: Bir çok gaz ayırma Pervaporasyon Ters ozmoz

Yoğun membranlar: Film hazırlamak için kullanılan yöntemlerden herhangi biriyle hazırlanabilir. Bunlar, eriyik ekstrüzyonu, basınçla kalıplama ve çözelti dökümüdür. Çoğunlukla polimer çözeltisinin cam tabaka veya sıvı yüzeyi üzerine yayıldıktan sonra çözücünün buharlaştırılmasıyla elde edilirler. Bu membranların makroskopik tipi düz bir film şeklinde, ince duvarlı ama geniş çaplı tüp şeklinde olabilir.

3- İyon Değiştirici Membranlar Bu tip membranlar yoğun veya mikrogözenekli olabilir, ancak çoğunlukla çok ince mikrogözeneklere sahiptir ve gözenek duvarları pozitif veya negatif yüklü iyonlar taşır. Sabit yükün işaretine bağlı olarak anyonik, ya da katyonik olarak adlandırılırlar. Katyon değiştirici membranlar, katyonların geçişine izin verip, gibi anyonları geri iten sabit negatif yüklü gruplar içerir.

Anyon değiştirici membranlar ise anyonları geçirip gibi katyonları geri iten sabit pozitif yüklü gruplar içerir. Ayırma işlemi çözeltideki iyonların yük ve derişiminden etkilenir. Yüklü membranlarla ayırma işlemi, membran yapısındaki sabit iyonlarla aynı yüke sahip iyonların dışarıda tutulmasıyla gerçekleştirilir. Elektrik yüklü membranlar elektrolitik çözeltilerin işlenmesinde kullanılır.

4- Asimetrik Membranlar    Asimetrik terimi membran yapısının çapraz kesitinde önemli değişimler olduğunu göstermektedir. İntegral asimetrik veya kompozit asimetrik membran olmak üzere iki tür hazırlanabilir. İntegral asimetrik membran faz dönüşüm yöntemiyle hazırlanır.

Bir membranda taşınım hızı membran kalınlığıyla ters orantılıdır. Ekonomik nedenlerden dolayı yüksek taşınım hızı istendiği için membran mümkün olduğunca ince olmalıdır. Geleneksel film imalat teknolojisi yaklaşık 20 um kalınlığa kadar mekanik açıdan güçlü ve hatasız film üretimi gerçekleştirilebilir. Çok daha ince film tabakası kullanabilmek için hazırlanan kompozit asimetrik membranlar çok daha fazla kalın gözenekli bir yapıyla desteklenmiş son derece ince bir yüzey tabakasından oluşur. Yüzey tabakası ve alt destek yapısı tek bir işlemle veya ayrı olarak gerçekleştirilebilir.

Şekilde kesit görünümü verilen kompozit bir membranda tabakalar genellikle farklı polimerlerden yapılır. Ayırma özellikleri ve permeasyon hızları yüzey tabakasında belirlenir. Alt tabaka mekanik destek işlevi görür. Hemen hemen bütün ticari proseslerde bu tip membranlar kullanılır.

Kompozit bir membranın kesit görünümü

Bu tip membranlar, ince yoğun bir tabaka ve kalın bir makrogözenekli substrat üreten faz dönüşüm yöntemiyle hazırlanabilir. Asimetrik membranların faz dönüşümü prensibine göre hazırlanabileceği yöntemler: Kuru Yaş Isıl Polimer katkılı yöntemler

Bu yöntemlerin tümü ortalama derişimdeki polimer çözeltisinin faz ayırımını Içerir, ortam, polimerin sürekli fazı ve çözücünün ise bir araya toplanarak küçük kümeler oluşturduğu jel biçimindedir. Bu küçük kümelerden çözücünün uzaklaştırılması asimetrik membranın makrogözenekli yapısını oluşturan boşluklar meydana getirir. Faz dönüşümü, membran çözeltisinin termodinamik olarak kararsız hale gelmesine ve sonuçta faz ayırımına gitmesine neden olan, ya su gibi çözücü olmayan bileşenin hareketi, ya sıcaklık değişimiyle (ısıl katkı) sağlanır.

Seramik, metal ve sıvı membranlar Ticari olarak kullanılan membranların çok büyük kısmı polimerlerden imal edilir. Bununla beraber son yıllarda diğer malzemelerin kullanımında artış görülmektedir.

İnorganik membranlar mikrogözenekli veya gözeneksiz olabilir İnorganik membranlar mikrogözenekli veya gözeneksiz olabilir. Mikrogözenekli inorganik membranlar amorf ve kristalin seramik membranları içerir. Yoğun inorganik membranlar polikristalin seramik veya metalden imal edilirler. Mikrogözenekli membranlar daima, gözenekli bir inorganik destek üzerine desteklenmiş ince bir film olarak hazırlanır. Bazı yoğun metalik membranlar da bu şekilde hazırlanabilirler. Seramik membranlar, çözücü direnci ve ısıl kararlılığın gerekli olduğu UF ve MF uygulamalarında, yoğun metal membranlar ise, özellikle palladyum membranlar gaz karışımından hidrojenin ayrılmasında tercih edilmektedir.