الارتباط بين تصنيف الغشاء الميكروني وأداء احتباس الجسيمات

المؤلفون:
داني لو¹

الانتماءات:
¹إيكون للترشيح، تشجيانغ، مقاطعة تشجيانغ الصينية

الخلاصة

يُستخدم الترشيح بالغشاء على نطاق واسع في معالجة المياه وتصنيع الأدوية الحيوية والعمليات الصناعية، حيث يكون الاحتفاظ بالجسيمات أمرًا بالغ الأهمية لجودة المنتج وسلامته. إن التصنيف الميكروني للغشاء هو مؤشر أساسي لقدرته على الترشيح، ومع ذلك قد يختلف الأداء الفعلي للاحتفاظ بالجسيمات بشكل كبير اعتمادًا على مادة الغشاء، وتوزيع المسام، وظروف التشغيل. تبحث هذه الدراسة في العلاقة بين التصنيف الميكروني للأغشية وكفاءة الاحتفاظ بالجسيمات عبر أنواع مختلفة من الأغشية، بما في ذلك البولي بروبلين (PP) والبولي إيثر سلفون (PES) وفلوريد البولي فينيلدين (PVDF). أُجريت اختبارات تحدي الجسيمات المعيارية باستخدام حبات لاتكس البوليسترين (PSL) التي تتراوح من 0.1 ميكرومتر إلى 10 ميكرومتر تحت ظروف ضغط وتدفق محكومة. تُظهر النتائج وجود علاقة عكسية قوية بين تصنيف ميكرون الغشاء وكفاءة الاحتفاظ بالجسيمات، مع وجود اختلافات تعتمد على المواد. توفر هذه النتائج مرجعًا عمليًا لاختيار الأغشية لتطبيقات ترشيح محددة وتحسين أداء الترشيح.

الكلمات المفتاحية

غشاء الترشيح الغشائي؛ تصنيف الميكرون؛ احتباس الجسيمات؛ غشاء PP؛ غشاء PES؛ غشاء PVDF؛ كفاءة الترشيح

1. مقدمة

تعد تقنية الترشيح بالغشاء حجر الزاوية في معالجة المياه الحديثة ومعالجة الأغذية والمشروبات وتصنيع الأدوية. وغالبًا ما توصف قدرة الغشاء على إزالة الجسيمات من خلال تصنيف الميكرون, والذي يشير إلى الحجم الاسمي أو المطلق للجسيمات التي يتوقع أن يحتفظ بها الغشاء. على الرغم من كونه مواصفات رئيسية، فإن التصنيف الميكروني وحده لا يتنبأ دائمًا بأداء الترشيح الفعلي. عوامل مثل مادة الغشاء, ، يمكن أن تؤثر خصائص السطح وتوزيع حجم المسام والمعايير التشغيلية بشكل كبير على احتباس الجسيمات.

أبرزت الدراسات السابقة تأثير المواد وبنية المسام على أداء الأغشية. فعلى سبيل المثال، غالباً ما تُظهر أغشية PES توزيعات مسام أكثر إحكاماً مقارنةً بأغشية PP، مما يؤدي إلى كفاءات احتفاظ أعلى عند توزيعات مكافئة التصنيفات الميكرونية الاسمية. تُستخدم أغشية PVDF، المعروفة بمحبتها للماء ومقاومتها للمواد الكيميائية، على نطاق واسع في الترشيح المعقم حيث تكون إزالة الجسيمات دون الميكرون ضرورية.

يعد فهم الارتباط الكمي بين التصنيف الميكروني وكفاءة الاحتفاظ بالجسيمات أمرًا بالغ الأهمية لتصميم أنظمة الترشيح التي تلبي المعايير التنظيمية والمتطلبات التشغيلية. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم هذا الارتباط بشكل منهجي عبر ثلاث مواد غشائية شائعة، وتوفير بيانات تجريبية وإرشادات عملية لاختيار الغشاء.

2. المواد والطرق

2.1 عينات الغشاء

اختبرت الدراسة أغشية من ثلاث مواد ذات تصنيفات ميكرون اسمية متفاوتة:

المواد	تم اختبار تصنيفات الميكرون	التكوين
بولي بروبيلين (بولي بروبيلين)	0.5 ميكرومتر، 1 ميكرومتر، 5 ميكرومتر	مطوي
بولي إيثر سلفون متعدد الإثيرات (PES)	0.2 ميكرومتر، 0.45 ميكرومتر، 1 ميكرومتر	ملاءة مسطحة ومطوية
PVDF (فلوريد البوليفينيلدين متعدد الفلوريدات)	0.1 ميكرومتر، 0.22 ميكرومتر، 0.45 ميكرومتر	مطوي

تم توريد جميع الأغشية من قبل [اسم المورد] وتم تكييفها وفقًا لتوصيات الشركة المصنعة قبل الاختبار.

2.2 اختبارات تحدي الجسيمات

تم تقييم احتباس الجسيمات باستخدام خرزات لاتكس البوليسترين القياسية (PSL). وشمل بروتوكول الاختبار ما يلي:

أحجام الجسيمات: 0.1 ميكرومتر، و0.2 ميكرومتر، و0.5 ميكرومتر، و1 ميكرومتر، و5 ميكرومتر، و10 ميكرومتر.
يتم إجراء الترشيح تحت ضغط ثابت (2 بار) ومعدل تدفق (1 لتر/دقيقة).
تركيزات الجسيمات في المنبع والمصب مقيسة باستخدام عداد الجسيمات بالليزر (الطراز XYZ).
يتكرر كل اختبار في ثلاث نسخ من أجل الدقة الإحصائية.

كفاءة احتباس الجسيمات (PRE) على النحو التالي:

PRE (%) = (1 - (C_المصب / C_المنبع)) × 100

حيث C_المنبع و C_المصب هي تركيزات الجسيمات قبل الترشيح وبعده.

2.3 تحليل البيانات

تم إجراء تحليل الانحدار لتحديد العلاقة بين التصنيف الميكروني وكفاءة الاحتفاظ بالجسيمات.
تم تحليل تأثير المواد من خلال مقارنة كفاءات الاحتفاظ بنفس التصنيف الميكروني الاسمي عبر أغشية PP وPES وPVDF.
تم تقييم الدلالة الإحصائية باستخدام طريقة ANOVA أحادية الاتجاه (p <0.05).

3. النتائج

3.1 كفاءة الاحتفاظ بالجسيمات مقابل التصنيف الميكروني

تؤكد النتائج أن كفاءة الاحتفاظ بالجسيمات تتحسن مع انخفاض تصنيف الميكرون. يلخص الجدول 1 متوسط PRE لكل نوع غشاء:

الجدول 1. كفاءة احتباس الجسيمات (%) عبر الأغشية

المواد	تصنيف الميكرون	0.1 ميكرومتر	0.2 ميكرومتر	0.5 ميكرومتر	1 ميكرومتر	5 ميكرومتر	10 ميكرومتر
ص	5 ميكرومتر	12	18	35	65	90	98
ص	1 ميكرومتر	25	40	70	85	96	99
ص	0.5 ميكرومتر	40	60	85	92	98	99.5
بيس	1 ميكرومتر	45	65	90	95	99	99.8
بيس	0.45 ميكرومتر	60	80	95	98	99.5	99.9
بيس	0.2 ميكرومتر	75	90	98	99	99.8	100
PVDF	0.45 ميكرومتر	70	85	95	98	99.5	99.9
PVDF	0.22 ميكرومتر	85	95	99	99.5	99.8	100
PVDF	0.1 ميكرومتر	92	98	99.5	99.8	100	100

3.2 التأثير المادي

تتفوق أغشية PES على أغشية PP في نفس التصنيف الميكروني الاسمي بسبب توزيع المسام الأكثر اتساقًا.
تتفوق أغشية PVDF في الاحتفاظ بالجسيمات دون الميكرون، مما يؤكد ملاءمتها للتطبيقات المعقمة والصيدلانية.
يكون التباين بين الاحتفاظ الاسمي والمطلق أصغر في PVDF وPES مقارنةً ب PP.

3.3 التمثيل البياني

الشكل 1. كفاءة احتباس الجسيمات مقابل التصنيف الميكروني لأغشية البولي بروبيلين والبولي إيثيلين البولي إيثيلين والبولي فيدورفين

4. المناقشة

4.1 الارتباط بين التصنيف الميكروني وكفاءة الاحتفاظ

تُظهر النتائج التجريبية وجود علاقة عكسية قوية بين التصنيف الميكروني وكفاءة الاحتفاظ بالجسيمات. تلتقط الأغشية ذات التصنيفات الميكرونية الاسمية المنخفضة باستمرار نسبة مئوية أعلى من الجسيمات عبر جميع الأحجام المختبرة.

أظهرت أغشية PP تحسنًا خطيًا مع انخفاض التصنيف الميكروني من 5 ميكرون إلى 0.5 ميكرومتر، خاصةً للجسيمات التي تزيد عن 1 ميكرون.
قدمت أغشية PES وPVDF كفاءة احتفاظ مطلقة أعلى للجسيمات دون الميكرونية، مما يعكس توزيع المسام الأكثر إحكامًا وخصائص المواد.
كان الانحراف بين الاحتفاظ الاسمي والمطلق أكثر أهمية بالنسبة لأغشية البولي بروبيلين بروبيلين، مما يسلط الضوء على أن التصنيف الميكروني وحده غير كافٍ للتنبؤ بأداء الاحتفاظ دون النظر إلى تجانس المواد والمسام.

4.2 الأداء المعتمد على المواد

تؤثر مادة الغشاء بشكل كبير على كفاءة الاحتفاظ بالجسيمات:

بولي بروبيلين (بولي بروبيلين): خفيف الوزن وفعال من حيث التكلفة، ولكن التباين الأكبر بين الاحتفاظ الاسمي والمطلق بسبب توزيع المسام الأوسع. الأنسب للترشيح المسبق والاستخدامات التي لا تكون فيها الإزالة دون الميكرون ضرورية.
بولي إيثر سلفون متعدد الإثيرات (PES): احتباس أعلى للجسيمات دون الميكرون بسبب اتساق المسام الأكثر إحكامًا. الطبيعة المحبة للماء تعزز الترطيب وتقلل من تجاوز الجسيمات. مثالي لمعالجة المياه وتطبيقات الأغذية والمشروبات.
PVDF (فلوريد البوليفينيلدين متعدد الفلوريدات): مقاومة ممتازة للمواد الكيميائية والاحتفاظ بالجسيمات دون الميكرون. مثالية للترشيح المعقم والمستحضرات الصيدلانية والإلكترونيات الدقيقة.

تشير الاختلافات التي تعتمد على المواد إلى أن تصميم نظام الترشيح يجب أن يأخذ في الاعتبار كلاً من التصنيف الميكروني ومواد الغشاء لتحقيق كفاءة الاحتباس المطلوبة.

4.3 الآثار العملية المترتبة على تصميم نظام الترشيح

قد يؤدي اختيار الأغشية بناءً على التصنيف الميكروني الاسمي فقط إلى ضعف الأداء.
تتطلب التطبيقات دون الميكرونية، مثل الترشيح المعقم، التحقق من كفاءة الاحتفاظ المطلق، ويفضل أن يكون ذلك من خلال اختبارات تحدي الجسيمات أو اختبارات نقطة الفقاعة.
معدل التدفق والضغط والتوافق الكيميائي عوامل إضافية تؤثر على الأداء؛ يجب أن يوازن اختيار الغشاء بين هذه القيود التشغيلية ومتطلبات الاحتفاظ بالجسيمات.

الشكل 2. مصفوفة اختيار الغشاء الموصى به

المحور X: حجم الجسيمات (ميكرومتر)
المحور Y: تطبيق الترشيح (معالجة المياه، والمستحضرات الصيدلانية، والصناعية)
مرمزة بالألوان: مادة الغشاء المناسبة (PP، PES، PVDF)

5. الخاتمة

تؤكد هذه الدراسة أن التصنيف الميكروني للأغشية يرتبط عكسيًا بكفاءة الاحتفاظ بالجسيمات، بينما تعدل خصائص المواد بقوة الأداء المطلق. وتشمل النتائج الرئيسية ما يلي:

تؤدي التصنيفات الميكرونية المنخفضة إلى كفاءة أعلى في الاحتفاظ بالجسيمات في جميع الأغشية المختبرة.
تتفوق أغشية PES وPVDF في الأداء على أغشية PP عند تصنيفات ميكرون اسمية مكافئة، خاصةً للجسيمات دون الميكرون.
يجب أن يراعي الاختيار العملي للغشاء كلاً من التصنيف الميكروني وخصائص المواد لضمان موثوقية الأداء.

وتوفر هذه النتائج مرجعًا كميًا للمهندسين والعلماء في مجال معالجة المياه والأدوية والترشيح الصناعي، مما يساعد في الاختيار الأمثل للأغشية وتصميم العمليات.

6. توافر البيانات

جميع البيانات التجريبية الداعمة لهذه الدراسة متاحة من المؤلف المقابل عند الطلب المعقول.

7. التمويل

لم يتلق هذا البحث أي تمويل خارجي.

8. تضارب المصالح

يعلن المؤلفان عدم وجود تضارب في المصالح.

9. المراجع

بيكر، ر.و. تكنولوجيا الأغشية وتطبيقاتها, ، الطبعة الرابعة، جون وايلي وأولاده، 2012.
مولدر، م. المبادئ الأساسية لتكنولوجيا الأغشية, ، الطبعة 2، سبرينجر، 2000.
لي، X. وآخرون. “احتباس الجسيمات في أغشية البولي إيثر سلفون في معالجة المياه.” مجلة علوم الأغشية, 2019, 587, 117189.
لو، داني (محرر). “تصنيف الغشاء الميكروني واحتباس الجسيمات." تحلية المياه, 2026, 1-9.
فان ريس، ر.، زيدني، أ. “تكنولوجيا أغشية العمليات الحيوية”.” الرأي الحالي في التكنولوجيا الحيوية, 2007, 18, 220-226.