सिंथेटिक झिल्ली

कृत्रिम मेम्ब्रेन, या सिंथेटिक मेम्ब्रेन , कृत्रिम रूप से बनाई गई मेम्ब्रेन है जो सामान्यतः प्रयोगशाला या उद्योग में पृथक करने के उद्देश्य से होती है। बीसवीं शताब्दी के मध्य से छोटे और बड़े पैमाने की औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए सिंथेटिक झिल्लियों का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। सिंथेटिक झिल्लियों की विस्तृत विविधता ज्ञात है। वे कार्बनिक पदार्थों जैसे बहुलक और तरल पदार्थ, साथ ही अकार्बनिक पदार्थ से उत्पादित किए जा सकते हैं। पृथक्करण उद्योग में अधिकांश व्यावसायिक रूप से उपयोग किए जाने वाले सिंथेटिक मेम्ब्रेन बहुलक संरचनाओं से बने होते हैं। उन्हें उनकी सतह रसायन विज्ञान, थोक संरचना, आकृति विज्ञान (जीव विज्ञान) और उत्पादन पद्धति के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है। सिंथेटिक झिल्लियों और पृथक हुए कणों के रासायनिक और भौतिक गुणों के साथ-साथ ड्राइविंग बल का विकल्प विशेष मेम्ब्रेन पृथक्करण प्रक्रिया को परिभाषित करता है। उद्योग में मेम्ब्रेन प्रक्रिया का सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला ड्राइविंग बल दबाव और एकाग्रता ग्रेडियेंट हैं। संबंधित मेम्ब्रेन प्रक्रिया इसलिए निस्पंदन के रूप में जानी जाती है। पृथक्करण प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली सिंथेटिक मेम्ब्रेन विभिन्न ज्यामिति और संबंधित प्रवाह विन्यास की हो सकती है। उन्हें उनके अनुप्रयोग और पृथक्करण शासन के आधार पर भी वर्गीकृत किया जा सकता है। सबसे प्रसिद्ध सिंथेटिक मेम्ब्रेन पृथक्करण प्रक्रियाओं में जल शोधन, विपरीत परासरण, प्राकृतिक गैस का डीहाइड्रोजनीकरण, माइक्रोफिल्ट्रेशन और अल्ट्राफिल्ट्रेशन द्वारा सेल कणों को हटाना, डेयरी उत्पादों से सूक्ष्मजीवों को हटाना और डायलिसिस (जैव रसायन) सम्मिलित हैं।

मेम्ब्रेन प्रकार और संरचना
सिंथेटिक मेम्ब्रेन को बड़ी संख्या में विभिन्न पदार्थों से निर्मित किया जा सकता है। इसे कार्बनिक या अकार्बनिक पदार्थ से बनाया जा सकता है जिसमें धातु, चीनी मिट्टी की चीज़ें, सजातीय फिल्म, बहुलक, विषम ठोस (बहुलक मिश्रण, मिश्रित काँच) और तरल पदार्थ सम्मिलित हैं। सिरेमिक मेम्ब्रेन अकार्बनिक पदार्थ जैसे एल्यूमीनियम ऑक्साइड, सिलिकन कार्बाइड और ज़िरकोनियम ऑक्साइड से उत्पन्न होती हैं। सिरेमिक मेम्ब्रेन आक्रामक मीडिया (अम्ल, कठोर सॉल्वैंट्स) की कार्रवाई के लिए बहुत प्रतिरोधी हैं। वे रासायनिक, ऊष्मीय और यंत्रवत् और जैविक रूप से बहुत स्थिर हैं। तथापि सिरेमिक झिल्लियों का वजन अधिक होता है और उत्पादन की पर्याप्त व्यय होती है, किन्तु वे पारिस्थितिक रूप से अनुकूल हैं और लंबे समय तक कार्य करते हैं। सिरेमिक झिल्लियों को सामान्यतः ट्यूबलर केशिकाओं के अखंड आकार के रूप में बनाया जाता है।

तरल मेम्ब्रेन
तरल झिल्लियां गैर-कठोर पदार्थ से बने सिंथेटिक झिल्लियों को संदर्भित करती हैं। उद्योग में कई प्रकार की तरल झिल्लियों जैसे इमल्शन तरल झिल्लियों, स्थिर (समर्थित) तरल झिल्लियों, पिघले हुए लवण और खोखले-फाइबर युक्त तरल झिल्लियों का सामना किया जा सकता है। तरल झिल्लियों का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है किन्तु अभी तक सीमित व्यावसायिक अनुप्रयोग हैं। मेम्ब्रेन दार तरल पदार्थों की उनके संपर्क में चरणों में वाष्पित होने या घुलने की प्रवृत्ति के कारण पर्याप्त दीर्घकालिक स्थिरता बनाए रखना समस्या है।

बहुलक मेम्ब्रेन
बहुलक मेम्ब्रेन, मेम्ब्रेन पृथक्करण उद्योग व्यापार का नेतृत्व करती हैं, क्योंकि वे प्रदर्शन और अर्थशास्त्र में बहुत प्रतिस्पर्धी हैं। कई बहुलक उपलब्ध हैं, किन्तु मेम्ब्रेन बहुलक का चुनाव कोई सामान्य कार्य नहीं है। बहुलक में इच्छित अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त विशेषताएँ होनी चाहिए। बहुलक को कभी-कभी अलग-अलग अणुओं के लिए कम बाध्यकारी रासायनिक संबंध प्रदान करना पड़ता है (जैव प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के स्थिति में), और अधिक सफाई की स्थिति का सामना करना पड़ता है। इससे चुनी हुई मेम्ब्रेन निर्माण विधि के अनुकूल होनी चाहिए। बहुलक को अपनी जंजीरों की कठोरता, श्रृंखला अंतःक्रियाओं, स्टीरियोरेग्युलरिटी और इसके कार्यात्मक समूहों की रासायनिक ध्रुवता के संदर्भ में उपयुक्त मेम्ब्रेन होना चाहिए। बहुलक मेम्ब्रेन प्रदर्शन विशेषताओं को प्रभावित करते हुए, अनाकार और अर्धक्रिस्टलीय संरचनाओं (विभिन्न काँच संक्रमण तापमान भी हो सकते हैं) को बना सकते हैं। मेम्ब्रेन पृथक्करण प्रक्रिया के कम व्यय मानदंड का पालन करने के लिए बहुलक को प्राप्य और उचित मूल्य पर होना चाहिए। कई मेम्ब्रेन बहुलक को ग्राफ्ट तथा कस्टम-संशोधित किया जाता है, या उनके गुणों को उत्तम बनाने के लिए सहबहुलकों के रूप में उत्पादित किया जाता है। मेम्ब्रेन संश्लेषण में सबसे सामान्य बहुलक सेल्युलोज एसीटेट, नाइट्रोसेल्युलोज और सेल्युलोज एस्टर (CA, CN, और CE), पॉलीसल्फोन (PS), पॉलिथर सल्फोन (PES), पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (PAN), पॉलियामाइड, पॉलीमाइड, पॉलीइथाइलीन और पॉलीप्रोपाइलीन (PE और PP)पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (PTFE), पोलीविनीलीडेंस फ्लोराइड (PVDF), पॉलीविनाइल क्लोराइड (PVC) हैं।

बहुलक इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन
बहुलक झिल्लियों को अत्यधिक अम्लीय या मूलभूत कार्यात्मक समूहों के अतिरिक्त आयन-विनिमय झिल्लियों में क्रियाशील किया जा सकता है, उदहारण: सल्फोनिक एसिड और चतुर्धातुक अमोनियम, मेम्ब्रेन को क्रमशः जल चैनल बनाने और चुनिंदा परिवहन या आयनों को सक्षम करने में सक्षम बनाता है। इस श्रेणी की सबसे महत्वपूर्ण कार्यात्मक पदार्थों में प्रोटॉन विनिमय मेम्ब्रेन और क्षारीय आयन-विनिमय मेम्ब्रेन सम्मिलित हैं, जो जल उपचार, ऊर्जा भंडारण, ऊर्जा उत्पादन में कई विधियों के केंद्र में हैं। जल उपचार के अनुप्रयोगों में रिवर्स ऑस्मोसिस, इलेक्ट्रोडायलिसिस और रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस सम्मिलित हैं। ऊर्जा भंडारण के अन्दर अनुप्रयोगों में रिचार्जेबल मेटल-एयर इलेक्ट्रोकेमिकल सेल और विभिन्न प्रकार की प्रवाह बैटरी सम्मिलित हैं। ऊर्जा उत्पादन के अन्दर अनुप्रयोगों में प्रोटॉन विनिमय मेम्ब्रेन ईंधन सेल (पीईएमएफसी), क्षारीय आयन विनिमय मेम्ब्रेन ईंधन सेल (एईएमएफसी), और ऑस्मोटिक तथा इलेक्ट्रोडायलिसिस-आधारित ऑस्मोटिक शक्ति या ब्लू ऊर्जा जनरेशन दोनों सम्मिलित हैं।



सिरेमिक मेम्ब्रेन
सिरेमिक झिल्लियों को अकार्बनिक पदार्थों (जैसे एल्यूमिना, टिटानिया, ज़िरकोनिया ऑक्साइड, पुन: क्रिस्टलीकृत सिलिकॉन कार्बाइड या कुछ कांच के पदार्थ) से बनाया जाता है। बहुलक झिल्लियों के विपरीत, उनका उपयोग अलगाव में किया जा सकता है, जहां आक्रामक मीडिया (अम्ल, कठोर सॉल्वैंट्स) उपस्थित हैं। उनके पास उत्कृष्ट तापीय स्थिरता भी होती है, जो उन्हें उच्च तापमान मेम्ब्रेन प्रौद्योगिकी में प्रयोग करने योग्य बनाती है।

भूतल रसायन
सिंथेटिक मेम्ब्रेन की महत्वपूर्ण विशेषताओं में से एक इसकी रसायन विज्ञान है। सिंथेटिक मेम्ब्रेन रसायन विज्ञान सामान्यतः पृथक्करण प्रक्रिया धारा के संपर्क में सतह की रासायनिक प्रकृति और संरचना को संदर्भित करती है। मेम्ब्रेन की सतह की रासायनिक प्रकृति इसकी थोक संरचना से अत्यधिक भिन्न हो सकती है। यह अंतर मेम्ब्रेन के निर्माण के कुछ चरण में पदार्थ के विभाजन से, या इच्छित सतह के बाद के संशोधन से हो सकता है। मेम्ब्रेन सतह रसायन विज्ञान हाइड्रोफिलिसिटी या हाइड्रोफोबिसिटी (सतह मुक्त ऊर्जा से संबंधित), आयनिक आवेश की उपस्थिति, मेम्ब्रेन रासायनिक या थर्मल प्रतिरोध, समाधान में कणों के लिए बाध्यकारी रासायनिक आत्मीयता, और जैव (बायोसेपरेशन की स्थिति में) जैसे बहुत महत्वपूर्ण गुण बनाती है। मेम्ब्रेन सतहों की हाइड्रोफिलिसिटी और हाइड्रोफोबिसिटी को पानी (तरल) संपर्क कोण θ के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है। हाइड्रोफिलिक मेम्ब्रेन सतहों में 0°<θ<90° (0° के निकट) की सीमा में संपर्क कोण होता है, जहां हाइड्रोफोबिक पदार्थ में 90°<θ<180° की सीमा में θ होता है।

संपर्क कोण इंटरफेसियल बल संतुलन के लिए यंग के समीकरण को हल करके निर्धारित किया जाता है। संतुलन पर ठोस/गैस (γSG), ठोस/तरल (γSL), और तरल/गैस (γLG) इंटरफेस के अनुरूप तीन इंटरफेसियल तनाव प्रतिसंतुलित होते हैं। संपर्क कोण के परिमाण के परिणाम को गीला करने वाली घटना के रूप में जाना जाता है, जो केशिका (छिद्र) घुसपैठ व्यवहार को चिह्नित करने के लिए महत्वपूर्ण है। मेम्ब्रेन सतह गीलेपन की डिग्री संपर्क कोण द्वारा निर्धारित की जाती है। छोटे संपर्क कोण वाली सतह में उत्तम गीलापन (θ=0°-उत्तम गीलापन) गुण होते हैं। कुछ स्थितियों में अल्कोहल या सर्फैक्टेंट समाधान जैसे कम सतह तनाव तरल पदार्थ गैर-गीले मेम्ब्रेन सतहों के गीलेपन को बढ़ाने के लिए उपयोग किए जाते हैं। मेम्ब्रेन सतह मुक्त ऊर्जा (और संबंधित हाइड्रोफिलिसिटी / हाइड्रोफोबिसिटी) मेम्ब्रेन कण अवशोषण या दूषण घटना को प्रभावित करती है। अधिकांश मेम्ब्रेन पृथक्करण प्रक्रियाओं (विशेष रूप से बायोपृथक्करण) में, उच्च सतह हाइड्रोफिलिसिटी निचले दूषण से मेल खाती है। सिंथेटिक मेम्ब्रेन फाउलिंग मेम्ब्रेन के प्रदर्शन को बाधित करती है। परिणामस्वरूप, मेम्ब्रेन सफाई विधियों की विस्तृत विविधता विकसित की गई है। कभी-कभी दूषण अपरिवर्तनीय है, और मेम्ब्रेन को बदलने की आवश्यकता होती है। मेम्ब्रेन सतह रसायन विज्ञान की अन्य विशेषता सतह आवेश है। आवेश की उपस्थिति मेम्ब्रेन -तरल इंटरफ़ेस के गुणों को बदल देती है। मेम्ब्रेन की सतह इलेक्ट्रोकाइनेटिक क्षमता विकसित कर सकती है और समाधान कणों की परतों के गठन को प्रेरित कर सकती है जो आवेश को प्रभावहीन करने की प्रवृत्ति रखते हैं।

मेम्ब्रेन आकारिकी
सिंथेटिक झिल्लियों को उनकी संरचना (आकृति विज्ञान) के आधार पर भी वर्गीकृत किया जा सकता है। पृथक्करण उद्योग में सामान्यतः तीन प्रकार की सिंथेटिक झिल्लियां जैसे सघन झिल्लियां, झरझरी झिल्लियां और असममित झिल्लियां उपयोग की जाती है । अलग-अलग अणुओं के आकार के आधार पर घनी और झरझरी मेम्ब्रेन एक दूसरे से अलग होती हैं। घने मेम्ब्रेन सामान्यतः छोटे अणुओं (सामान्यतः गैस या तरल चरण में) की पृथक्करण प्रक्रियाओं में उपयोग किये जाने वाले घने पदार्थ की पतली परत होती है। गैस पृथक्करण और रिवर्स ऑस्मोसिस अनुप्रयोगों के लिए उद्योग में घनी झिल्लियों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

घनी झिल्लियों को अनाकार या विषम संरचनाओं के रूप में संश्लेषित किया जा सकता है। पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन और सेल्युलोज एस्टर जैसे पॉलीमेरिक घनी मेम्ब्रेन सामान्यतः संपीड़न मोल्डिंग, सॉल्वेंट कास्टिंग और पार्टिकुलेट लीचिंग, और बहुलक समाधान के स्प्रे (तरल ड्रॉप) द्वारा निर्मित होती हैं। सघन मेम्ब्रेन की मेम्ब्रेन संरचना दिए गए तापमान पर रबड़ जैसी या शीशे जैसी अवस्था में हो सकती है, जो इसके कांच संक्रमण तापमान पर निर्भर करती है। झरझरी झिल्लियों का उद्देश्य बड़े अणुओं जैसे कि ठोस कोलाइडल कण, बड़े बायोमोलेक्यूल्स (प्रोटीन, डीएनए, आरएनए) और फ़िल्टरिंग मीडिया से कोशिकाओं को अलग करना है। झरझरी झिल्लियों का उपयोग माइक्रोफिल्ट्रेशन, अल्ट्राफिल्ट्रेशन और डायलिसिस अनुप्रयोगों में किया जाता है। "मेम्ब्रेन छिद्र" को परिभाषित करने में कुछ विवाद है। सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला सिद्धांत सरलता के लिए बेलनाकार छिद्र माना जाता है। यह मॉडल मानता है कि छिद्रों में समानांतर, गैर-अंतर्विभाजक बेलनाकार केशिकाओं का आकार होता है। किन्तु वास्तव में विशिष्ट छिद्र विभिन्न आकारों की असमान आकार की संरचनाओं का यादृच्छिक नेटवर्क है। बहुलक समाधान में "बेहतर" विलायक को "खराब" विलायक में भंग करके छिद्र के गठन को प्रेरित किया जा सकता है। अन्य प्रकार की छिद्र संरचना क्रिस्टलीय संरचना बहुलक को खींचकर बनाई जा सकती है। झरझरी मेम्ब्रेन की संरचना परस्पर क्रिया करने वाले बहुलक और विलायक, घटकों की एकाग्रता, आणविक भार, तापमान और समाधान में भंडारण समय की विशेषताओं से संबंधित है। मोटी झरझरी झिल्लियां कभी-कभी पतली सघन मेम्ब्रेन परतों के लिए सहायता प्रदान करती हैं, जिससे असममित मेम्ब्रेन संरचनाएं बनती हैं। उत्तरार्द्ध सामान्यतः घनी और झरझरी झिल्लियों के लेमिनेशन द्वारा निर्मित होते हैं।

यह भी देखें

 * मेम्ब्रेन प्रौद्योगिकी

संदर्भ

 * Pinnau, I., Freeman, B.D., Membrane Formation and Modification, ACS, 1999.
 * Osada, Y., Nakagawa, T., Membrane Science and Technology, New York: Marcel Dekker, Inc,1992.
 * Perry, R.H., Green D.H., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook,7th edition, McGraw-Hill, 1997.
 * Zeman, Leos J., Zydney, Andrew L., Microfiltration and Ultrafitration, Principles and Applications., New York: Marcel Dekker, Inc,1996.
 * Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1996.
 * Jornitz, Maik W., Sterile Filtration, Springer, Germany, 2006
 * Jacob J., Pradanos P., Calvo J.I, Hernandez A., Jonsson G. Fouling kinetics and associated dynamics of structural modifications. J. Coll and Surf. 138(1997): 173–183.
 * Van Reis R., Zydney A. Bioprocess membrane technology. J Mem Sci. 297(2007): 16–50.
 * Madaeni S.S. The effect of large particles on microfiltration of small particles J. Por Mat. 8(2001): 143–148.
 * Martinez F., Martin A., Pradanos P., Calvo J.I., Palacio L.., Hernandez A. Protein adsorption and deposition onto microfiltration membranes: the role of solute-solid interactions. J. Coll Interf Sci. 221(2000): 254–261.
 * Palacio L., Ho C., Pradanos P., Calvo J.I, Kherif G., Larbot A., Hernandez A. Fouling, structure and charges of composite inorganic microfiltration membrane. J. Coll and Surf. 138(1998): 291–299.
 * Templin T., Johnston D., Singh V., Tumbleson M.E., Belyea R.L. Rausch K.D. Membrane separation of solids from corn processing streams. Biores Tech. 97(2006): 1536–1545.
 * Zydney A. L., Ho C. Effect of Membrane Morphology on System Capacity During Normal Flow Microfiltration. Biotechnol, Bioeng. 83(2003): 537–543.
 * Ripperger S., Schulz G. Microporous membranes in biotechnical applications. Bioprocess Eng. 1(1986): 43–49.
 * Ho C., Zydney A. Protein fouling of asymmetric and composite microfiltration membranes. Ind Eng Chem Res. 40(2001): 1412–1421.