सिंथेटिक झिल्ली

एक कृत्रिम झिल्ली, या सिंथेटिक झिल्ली, एक कृत्रिम रूप से बनाई गई झिल्ली है जो आमतौर पर प्रयोगशाला या उद्योग में अलग 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 एक विस्तृत विविधता ज्ञात है। वे कार्बनिक यौगिक सामग्री जैसे पॉलिमर और तरल पदार्थ, साथ ही अकार्बनिक सामग्री से उत्पादित किए जा सकते हैं। जुदाई उद्योग में अधिकांश व्यावसायिक रूप से उपयोग किए जाने वाले सिंथेटिक झिल्ली बहुलक संरचनाओं से बने होते हैं। उन्हें उनकी सतह रसायन विज्ञान, थोक संरचना, आकारिकी (जीव विज्ञान) और उत्पादन पद्धति के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है। सिंथेटिक झिल्लियों और अलग हुए कणों के रासायनिक और भौतिक गुणों के साथ-साथ ड्राइविंग बल का विकल्प एक विशेष झिल्ली पृथक्करण प्रक्रिया को परिभाषित करता है। उद्योग में एक झिल्ली प्रक्रिया का सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला ड्राइविंग बल दबाव और एकाग्रता ग्रेडियेंट हैं। संबंधित झिल्ली प्रक्रिया इसलिए निस्पंदन के रूप में जानी जाती है। एक पृथक्करण प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली सिंथेटिक झिल्ली विभिन्न ज्यामिति और संबंधित प्रवाह विन्यास की हो सकती है। उन्हें उनके आवेदन और पृथक्करण शासन के आधार पर भी वर्गीकृत किया जा सकता है। सबसे प्रसिद्ध सिंथेटिक झिल्ली जुदाई 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) शामिल हैं।

झिल्ली प्रकार और संरचना
सिंथेटिक झिल्ली को बड़ी संख्या में विभिन्न सामग्रियों से निर्मित किया जा सकता है। इसे कार्बनिक या अकार्बनिक सामग्री से बनाया जा सकता है जिसमें धातु, चीनी मिट्टी की चीज़ें, समरूपता और विषमता फिल्म, पॉलीमर, समरूपता और विषमता ठोस (बहुलक मिश्रण, मिश्रित ग्लास) शामिल हैं।), और तरल पदार्थ। सिरेमिक झिल्ली अकार्बनिक सामग्री जैसे अल्युमीनियम ऑक्साइड,  सिलिकन कार्बाइड  और  zirconium  ऑक्साइड से उत्पन्न होती हैं। सिरेमिक झिल्ली आक्रामक मीडिया (एसिड, मजबूत सॉल्वैंट्स) की कार्रवाई के लिए बहुत प्रतिरोधी हैं। वे रासायनिक, ऊष्मीय और यंत्रवत् और जैविक रूप से निष्क्रिय घटक बहुत स्थिर हैं। भले ही सिरेमिक झिल्लियों का वजन अधिक होता है और उत्पादन की पर्याप्त लागत होती है, लेकिन वे पारिस्थितिक रूप से अनुकूल हैं और लंबे समय तक काम करते हैं। सिरेमिक झिल्लियों को आमतौर पर ट्यूबलर केशिकाओं के अखंड आकार के रूप में बनाया जाता है।

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

बहुलक झिल्ली
पॉलिमर झिल्ली झिल्ली पृथक्करण उद्योग बाजार का नेतृत्व करते हैं क्योंकि वे प्रदर्शन और अर्थशास्त्र में बहुत प्रतिस्पर्धी हैं। कई पॉलिमर उपलब्ध हैं, लेकिन मेम्ब्रेन पॉलीमर का चुनाव कोई मामूली काम नहीं है। एक बहुलक में इच्छित अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त विशेषताएँ होनी चाहिए। बहुलक को कभी-कभी अलग-अलग अणुओं के लिए एक कम बाध्यकारी रासायनिक संबंध प्रदान करना पड़ता है (जैव प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के मामले में), और कठोर सफाई की स्थिति का सामना करना पड़ता है। इसे चुनी हुई झिल्ली निर्माण तकनीक के अनुकूल होना चाहिए। बहुलक को अपनी जंजीरों की कठोरता, श्रृंखला अंतःक्रियाओं, स्टीरियोरेग्युलरिटी और इसके कार्यात्मक समूहों की रासायनिक ध्रुवता के संदर्भ में एक उपयुक्त झिल्ली होना चाहिए। पॉलिमर झिल्ली प्रदर्शन विशेषताओं को प्रभावित करते हुए, अनाकार और अर्धक्रिस्टलीय संरचनाओं (विभिन्न ग्लास संक्रमण तापमान भी हो सकते हैं) बना सकते हैं। झिल्ली पृथक्करण प्रक्रिया के कम लागत मानदंड का पालन करने के लिए बहुलक को प्राप्य और उचित मूल्य पर होना चाहिए। कई मेम्ब्रेन पॉलिमर को ग्राफ्ट किया जाता है, कस्टम-संशोधित किया जाता है, या उनके गुणों को बेहतर बनाने के लिए सहपॉलिमरों के रूप में उत्पादित किया जाता है। झिल्ली संश्लेषण में सबसे आम पॉलिमर सेलूलोज एसीटेट, nitro[[cellulose]] और सेल्युलोज एस्टर (CA, CN, और CE), पॉलीसल्फोन (PS), पॉलिथर  सल्फोन (PES), पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (PAN), पॉलियामाइड,  polyimide, POLYETHYLENE और  polypropylene  (PE) हैं। और पीपी), पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई), पोलीविनीलीडेंस फ्लोराइड (पीवीडीएफ), पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी)।

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली
पॉलिमर झिल्लियों को अत्यधिक अम्लीय या बुनियादी कार्यात्मक समूहों के अतिरिक्त आयन-विनिमय झिल्लियों में क्रियाशील किया जा सकता है, उदा। सल्फोनिक एसिड और चतुर्धातुक अमोनियम, झिल्ली को क्रमशः जल चैनल बनाने और चुनिंदा परिवहन या आयनों को सक्षम करने में सक्षम बनाता है। इस श्रेणी की सबसे महत्वपूर्ण कार्यात्मक सामग्रियों में प्रोटॉन विनिमय झिल्ली और क्षारीय आयन आयन-विनिमय झिल्ली शामिल हैं, जो जल उपचार, ऊर्जा भंडारण, ऊर्जा उत्पादन में कई तकनीकों के केंद्र में हैं। जल उपचार के अनुप्रयोगों में रिवर्स ऑस्मोसिस, इलेक्ट्रोडायलिसिस और उलटा इलेक्ट्रोडायलिसिस शामिल हैं। ऊर्जा भंडारण के भीतर अनुप्रयोगों में रिचार्जेबल धातु-वायु विद्युत रासायनिक सेल  और विभिन्न प्रकार की  प्रवाह बैटरी  शामिल हैं। ऊर्जा उत्पादन के भीतर अनुप्रयोगों में प्रोटॉन विनिमय झिल्ली ईंधन सेल (PEMFCs), क्षारीय आयन एक्सचेंज झिल्ली ईंधन सेल (AEMFCs), और ऑस्मोटिक- और इलेक्ट्रोडायलिसिस-आधारित आसमाटिक शक्ति या ब्लू एनर्जी जनरेशन दोनों शामिल हैं।



सिरेमिक झिल्ली
सिरेमिक झिल्लियों को अकार्बनिक सामग्रियों (जैसे अल्युमिना, रंजातु डाइऑक्साइड, ज़िरकोनियम डाइऑक्साइड ऑक्साइड, पुन: क्रिस्टलीकृत सिलिकॉन कार्बाइड या कुछ कांच की सामग्री) से बनाया जाता है। बहुलक झिल्लियों के विपरीत, उनका उपयोग अलगाव में किया जा सकता है जहां आक्रामक मीडिया (एसिड, मजबूत सॉल्वैंट्स) मौजूद हैं। उनके पास उत्कृष्ट तापीय स्थिरता भी है जो उन्हें उच्च तापमान मेम्ब्रेन प्रौद्योगिकी में प्रयोग करने योग्य बनाती है।

भूतल रसायन
सिंथेटिक झिल्ली की महत्वपूर्ण विशेषताओं में से एक इसकी रसायन शास्त्र है। सिंथेटिक मेम्ब्रेन केमिस्ट्री आमतौर पर एक पृथक्करण प्रक्रिया धारा के संपर्क में सतह की रासायनिक प्रकृति और संरचना को संदर्भित करती है। झिल्ली की सतह की रासायनिक प्रकृति इसकी थोक संरचना से काफी भिन्न हो सकती है। यह अंतर झिल्ली के निर्माण के कुछ चरण में सामग्री के विभाजन से, या एक इच्छित सतह के बाद के संशोधन से हो सकता है। मेम्ब्रेन सरफेस केमिस्ट्री हाइड्रोफिलिसिटी या हाइड्रोफोबिसिटी (सतह मुक्त ऊर्जा से संबंधित), आयनिक आवेश की उपस्थिति, झिल्ली रासायनिक या थर्मल प्रतिरोध, एक समाधान में कणों के लिए बाध्यकारी रासायनिक आत्मीयता, और जैव (बायोसेपरेशन के मामले में) जैसे बहुत महत्वपूर्ण गुण बनाती है। झिल्ली सतहों की हाइड्रोफिलिसिटी और हाइड्रोफोबिसिटी को पानी (तरल) संपर्क कोण θ के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है। हाइड्रोफिलिक झिल्ली सतहों में 0°<θ<90° (0° के करीब) की सीमा में एक संपर्क कोण होता है, जहां  जल विरोधी  सामग्री 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 असंतुलित 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। झिल्ली सतह गीलापन की डिग्री संपर्क कोण द्वारा निर्धारित की जाती है। छोटे संपर्क कोण वाली सतह में बेहतर गीलापन गुण होते हैं (θ=0°-सही गीलापन)। कुछ मामलों में अल्कोहल या पृष्ठसक्रियकारक समाधान जैसे कम सतह तनाव तरल पदार्थ गैर-गीले झिल्ली सतहों के गीलेपन को बढ़ाने के लिए उपयोग किए जाते हैं। झिल्ली सतह थर्मोडायनामिक मुक्त ऊर्जा (और संबंधित हाइड्रोफिलिसिटी / हाइड्रोफोबिसिटी) झिल्ली कण सोखना या दूषण घटना को प्रभावित करती है। अधिकांश झिल्ली जुदाई प्रक्रियाओं (विशेष रूप से बायोसेपरेशन) में, उच्च सतह हाइड्रोफिलिसिटी निचले दूषण से मेल खाती है। सिंथेटिक मेम्ब्रेन फाउलिंग मेम्ब्रेन के प्रदर्शन को बाधित करता है। नतीजतन, झिल्ली सफाई तकनीकों की एक विस्तृत विविधता विकसित की गई है। कभी-कभी दूषण अपरिवर्तनीयता है, और झिल्ली को बदलने की जरूरत है। मेम्ब्रेन सरफेस केमिस्ट्री की एक अन्य विशेषता सरफेस चार्ज है। चार्ज की उपस्थिति झिल्ली-तरल इंटरफ़ेस के गुणों को बदल देती है। झिल्ली की सतह एक इलेक्ट्रोकाइनेटिक क्षमता विकसित कर सकती है और समाधान कणों की परतों के गठन को प्रेरित कर सकती है जो चार्ज को बेअसर करने की प्रवृत्ति रखते हैं।

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

घने झिल्लियों को अनाकार या विषम संरचनाओं के रूप में संश्लेषित किया जा सकता है। पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन और सेलूलोज़ एस्टर जैसे पॉलीमेरिक घने झिल्ली आमतौर पर संपीड़न मोल्डिंग, सॉल्वेंट कास्टिंग और पार्टिकुलेट लीचिंग, और एक बहुलक समाधान के स्प्रे (तरल ड्रॉप) द्वारा निर्मित होते हैं। एक सघन झिल्ली की झिल्ली संरचना एक दिए गए तापमान पर रबड़ जैसी या शीशे जैसी अवस्था में हो सकती है, जो इसके कांच संक्रमण तापमान पर निर्भर करता है। झरझरा झिल्लियों का उद्देश्य बड़े अणुओं जैसे कि ठोस कोलाइडल कण, बड़े बायोमोलेक्यूल्स (प्रोटीन, डीएनए, आरएनए) और फ़िल्टरिंग मीडिया से कोशिकाओं को अलग क शाही सेना है। झरझरा झिल्लियों का उपयोग माइक्रोफिल्ट्रेशन, अल्ट्राफिल्ट्रेशन और किडनी डायलिसिस अनुप्रयोगों में किया जाता है। झिल्ली छिद्र को परिभाषित करने में कुछ विवाद है। सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला सिद्धांत सादगी के लिए एक बेलनाकार छिद्र मानता है। यह मॉडल मानता है कि छिद्रों में समानांतर, गैर-अंतर्विभाजक बेलनाकार केशिकाओं का आकार होता है। लेकिन वास्तव में एक विशिष्ट ताकना विभिन्न आकारों की असमान आकार की संरचनाओं का एक यादृच्छिक नेटवर्क है। एक बहुलक समाधान में एक खराब विलायक में एक बेहतर विलायक के विघटन से एक ताकना के गठन को प्रेरित किया जा सकता है।  अन्य प्रकार की ताकना संरचना क्रिस्टलीय संरचना पॉलिमर को खींचकर बनाई जा सकती है। झरझरा झिल्ली 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 झरझरा झिल्लियां कभी-कभी पतली सघन झिल्ली परतों के लिए समर्थन प्रदान करती हैं, असममित झिल्ली संरचनाओं का निर्माण करती हैं। बाद वाले आमतौर पर घने और झरझरा झिल्लियों के फाड़ना द्वारा निर्मित होते हैं।

यह भी देखें

 * झिल्ली 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.