GAMBARAN MEMBRAN ILMU DAN TEKNOLOGI

Pendahuluan

Membran telah mendapatkan tempat yang penting dalam teknologi kimia dan digunakan dalam berbagai aplikasi. Properti kunci yang dimanfaatkan adalah kemampuan membran untuk mengontrol tingkat perembesan dari spesies kimia melalui membran. Dalam pemberian obat dikendalikan, tujuannya adalah untuk memoderasi laju permeasi obat dari reservoir ke tubuh. Dalam aplikasi pemisahan, tujuannya adalah untuk memungkinkan satu komponen dari campuran untuk menyerap membran bebas, sementara menghambat perembesan komponen lainnya. Ini tomembranescienceandtechnology bookprovidesa generalintroduction. Bab 2 sampai 4 penutup ilmu membran, yaitu, topik yang dasar untuk semua proses membran, seperti mekanisme transportasi, persiapan membran, dan efek lapisan batas. Enam bab berikutnya mencakup proses pemisahan membran industri, yang merupakan jantung dari teknologi membran saat ini. Pembawa difasilitasi transportasi ditutupi berikutnya, diikuti dengan bab meninjau aplikasi medis membran. Buku ini ditutup dengan bab yang menggambarkan berbagai proses membran kecil atau belum-to-be-dikembangkan, termasuk reaktor membran, kontaktor membran dan piezodialysis.

Pengembangan sejarah Membran

studi sistematis dari fenomena membran dapat ditelusuri ke abad ilmuwan filsuf kedelapan belas. Misalnya, Abb'e Nolet menciptakan kata 'osmosis' untuk menggambarkan perembesan air melalui diafragma di 1748. Melalui kesembilan belas dan awal abad kedua puluh, membran tidak memiliki kegunaan industri atau komersial, tetapi digunakan sebagai alat laboratorium untuk mengembangkan fisik / teori kimia. Sebagai contoh, pengukuran larutan tekanan osmotik dibuat dengan membran oleh Traube dan Pfeffer digunakan oleh van't Hoff pada tahun 1887 untuk mengembangkan hukum batas, yang menjelaskan perilaku solusi encer ideal; pekerjaan ini dipimpin langsung kepada

persamaan van't Hoff. Pada waktu yang sama, konsep membran semipermeabel sempurna selektif digunakan oleh Maxwell dan lain-lain dalam mengembangkan teori kinetik gas. Peneliti membran awal bereksperimen dengan setiap jenis diafragma yang tersedia bagi mereka, seperti kandung kemih babi, sapi atau ikan dan casing sosis yang terbuat dari usus binatang. Kemudian, collodion (nitroselulosa) membran lebih disukai, karena mereka dapat dibuat reproducibly. Pada tahun 1907, Bechhold merancang teknik untuk mempersiapkan membran nitroselulosa dari ukuran pori dinilai, yang ditentukan oleh tes bubble [1]. Pekerja awal lainnya, khususnya Elford [2], Zsigmondy dan Bachmann [3] dan Ferry [4] ditingkatkan pada teknik Bechhold ini, dan oleh 1930-an membran collodion mikro yang tersedia secara komersial. Selama 20 tahun ke depan, teknologi membran infiltrasi mikro ini awal diperluas untuk polimer lain, terutama selulosa asetat. Membran menemukan aplikasi yang signifikan pertama mereka dalam pengujian air minum pada akhir

Perang Dunia II. Pasokan air minum yang melayani komunitas besar di Jerman dan di tempat lain di Eropa telah rusak, dan tapis untuk menguji keamanan air yang dibutuhkan. Upaya penelitian untuk

mengembangkan tapis ini, yang disponsori oleh Angkatan Darat AS, kemudian dieksploitasi oleh Millipore Corporation, yang pertama dan masih AS mikro fi produsen membran filtrasi terbesar.

Pada tahun 1960, unsur-unsur ilmu membran modern yang telah dikembangkan, namun membran yang digunakan dalam hanya beberapa laboratorium dan kecil, aplikasi industri khusus. Tidak ada signi fi industri membran tidak bisa ada, dan total penjualan tahunan membran untuk semua aplikasi industri mungkin tidak melebihi US $ 20 juta pada tahun 2003 dolar. Membran menderita empat masalah yang dilarang penggunaannya luas sebagai proses pemisahan: Mereka terlalu bisa diandalkan, terlalu lambat, terlalu kurang benar, dan terlalu mahal. Solusi untuk setiap masalah ini telah dikembangkan selama 30 tahun terakhir, dan proses pemisahan berbasis membran sekarang biasa. Penemuan mani yang mengubah membran dari laboratorium untuk suatu proses industri adalah pengembangan, di awal 1960-an, dari proses Loeb-Sourirajan untuk membuat bebas

cacat, tinggi fluks, anisotropic membran reverse osmosis [5]. Membran ini terdiri dari ultrathin, permukaan selektif fi lm pada dukungan mikro lebih tebal tapi jauh lebih permeabel, yang menyediakan kekuatan mekanik. Fluks dari pertama Loeb-Sourirajan membalikkan membran osmosis adalah 10 kali lebih tinggi dari membran apapun maka tersedia dan membuat reverse osmosis metode berpotensi praktis air desalting. Karya Loeb dan Sourirajan, dan infus tepat waktu dalam jumlah besar penelitian dan pengembangan dolar dari US Department of Interior, Deplu dari Saline Air (OSW),

mengakibatkan komersialisasi reverse osmosis dan merupakan faktor utama dalam pengembangan Ultra infiltrasi dan mikro infiltrasi. Pengembangan elektrodialisis juga dibantu oleh dana OSW. Bersamaan dengan perkembangan ini aplikasi industri membran adalah pengembangan independen membran untuk pemisahan medis

proses, khususnya, arti fi ginjal resmi. WJ Kolf [6] telah menunjukkan pertama sukses arti fi ginjal resmi di Belanda pada tahun 1945. Butuh waktu hampir 20 tahun untuk kembali mendefinisikan teknologi untuk digunakan dalam skala besar, tetapi perkembangan ini adalah lengkap dengan awal 1960-an. Sejak itu, penggunaan membran dalam arti fi organ resmi telah menjadi prosedur yang menyelamatkan jiwa besar. Lebih dari 800.000 orang kini ditopang oleh arti fi ginjal resmi dan lebih jauh juta orang menjalani operasi jantung terbuka setiap tahun, prosedur dimungkinkan oleh perkembangan oxygenator darah membran. Penjualan perangkat ini nyaman melebihi total membran industri pasar pemisahan. Aplikasi medis lain yang penting dari membran adalah untuk sistem pengiriman obat dikontrol. Kunci Figur di daerah ini adalah Alex Zaffaroni, yang mendirikan Alza, perusahaan yang didedikasikan untuk mengembangkan produk-produk ini pada tahun 1966. Teknik-teknik membran yang dikembangkan oleh Alza dan pesaingnya yang banyak digunakan dalam industri farmasi untuk meningkatkan efisiensi dan keselamatan pengiriman obat.

Periode 1960-1980 menghasilkan perubahan yang signifikan dalam status teknologi membran. Membangun asli teknik Loeb-Sourirajan, proses pembentukan membran lainnya, termasuk antarmuka polimerisasi dan multilayer komposit casting dan coating, dikembangkan untuk membuat membran highperformance. Menggunakan proses ini, membran dengan lapisan selektif setipis 0,1 mm atau kurang sekarang sedang diproduksi oleh sejumlah perusahaan. Metode membran kemasan menjadi besar-membran-daerah spiral-luka, hollow- fi ne- serat, kapiler, dan modul piring-dan-frame juga dikembangkan, dan kemajuan yang dibuat dalam meningkatkan stabilitas membran. Pada tahun

1980, infiltrasi mikro, ultra infiltrasi, reverse osmosis dan elektrodialisis semua proses didirikan dengan tanaman besar terpasang di seluruh dunia. Pengembangan utama pada

tahun 1980 adalah munculnya membran industri proses pemisahan gas. Yang pertama pembangunan utama adalah membran Monsanto Prism untuk pemisahan hidrogen, diperkenalkan pada tahun 1980 [7]. Dalam beberapa tahun, Dow memproduksi sistem untuk memisahkan nitrogen dari udara, dan Cynara dan Separex yang memproduksi sistem untuk memisahkan karbon dioksida dari gas alam. Teknologi pemisahan gas berkembang dan berkembang pesat; pertumbuhan substansial lebih lanjut akan terlihat di tahun-tahun mendatang. Perkembangan fi nal dari tahun 1980-an adalah pengenalan oleh GFT, sebuah perusahaan teknik Jerman kecil, dari pertama sistem pervaporasi komersial untuk dehidrasi alkohol. Lebih dari 100 etanol dan isopropanol pervaporasi tanaman dehidrasi kini telah diinstal. Aplikasi pervaporasi lain pada tahap komersial awal.

Jenis Membran Buku ini terbatas pada membran sintetik, tidak termasuk semua struktur biologis, tetapi topik ini masih cukup besar untuk memasukkan berbagai membran yang berbeda dalam komposisi kimia dan fisik dan dalam cara mereka beroperasi. Pada intinya, membran tidak lebih dari diskrit, tipis antarmuka yang moderat

perembesan spesies kimia dalam kontak dengan itu. Interface ini mungkin molekuler homogen, yaitu, benar-benar seragam dalam komposisi dan struktur, atau mungkin kimia atau heterogen secara fisik, misalnya, mengandung lubang atau pori-pori dimensi nite fi atau terdiri dari beberapa bentuk struktur berlapis. Sebuah tapis yang normal memenuhi fi ini definisi de membran, tetapi, dengan konvensi, istilah tapis biasanya terbatas pada struktur yang memisahkan partikel suspensi lebih besar dari 1 untuk 10ìm. Jenis utama dari membran ditunjukkan secara skematis pada Gambar 1.1 dan dijelaskan secara singkat di bawah ini.

Isotropik Membran mikroporous Membran Membran mikro sangat mirip dalam struktur dan fungsi ke tapis konvensional. Memiliki kaku, struktur yang sangat voided dengan didistribusikan secara acak, pori-pori yang saling berhubungan. Namun, pori-pori ini berbeda dari yang di fi lter konvensional dengan menjadi sangat kecil, pada urutan 0,01 sampai 10 pM diameter. Semua partikel lebih besar dari pori-pori terbesar benar-benar ditolak oleh membran.

GAMBARAN MEMBRAN ILMU DAN TEKNOLOGI 5 Partikel kecil dari pori-pori terbesar, tetapi lebih besar dari pori-pori terkecil yang sebagian ditolak, sesuai dengan distribusi ukuran pori membran. Partikel yang lebih kecil dari pori-pori terkecil akan melewati membran. Dengan demikian, pemisahan zat terlarut oleh membran mikro terutama fungsi dari ukuran molekul dan distribusi ukuran pori. Secara umum, hanya molekul yang berbeda dalam ukuran dapat dipisahkan secara efektif oleh membran berpori, misalnya, dalam ultra infiltrasi dan mikro infiltrasi.

Tidak keropos, padat Membran tidak keropos, membran padat terdiri dari fi lm padat melalui mana permeants diangkut oleh difusi bawah kekuatan pendorong dari tekanan, konsentrasi, atau gradien potensial listrik. Pemisahan berbagai komponen dari campuran terkait langsung dengan tingkat transportasi relatif mereka dalam membran, yang ditentukan oleh difusivitas dan kelarutannya dalam bahan membran. Dengan demikian, tidak keropos, membran padat dapat memisahkan permeants ukuran yang sama jika konsentrasi mereka dalam bahan membran (yaitu, kelarutannya) berbeda secara signifikan. Kebanyakan pemisahan gas, pervaporasi, dan membran reverse osmosis

menggunakan membran padat untuk melakukan pemisahan. Biasanya membran ini memiliki struktur anisotropik untuk

meningkatkan fluks.

Elektrik Dibebankan Membran listrik dibebankan membran dapat padat atau mikro, tetapi paling sering sangat fi nely mikro, dengan dinding pori yang tetap membawa ion positif atau negatif. Sebuah membran dengan yang tetap ion bermuatan positif disebut sebagai membran pertukaran anion karena mengikat anion dalam fluida sekitarnya. Demikian pula, membran yang mengandung yang tetap bermuatan negatif ion disebut membran kation-tukar. Pemisahan dengan membran dibebankan dicapai terutama oleh pengecualian ion muatan yang sama dengan fi xed ion dari struktur membran, dan untuk tingkat yang jauh lebih rendah dengan ukuran pori. Pemisahan dipengaruhi oleh biaya dan konsentrasi ion dalam larutan. Misalnya, ion monovalen dikecualikan kurang efektif daripada ion divalen dan, dalam solusi dari kekuatan ion yang tinggi, selektivitas menurun. Membran bermuatan listrik yang digunakan untuk pengolahan solusi elektrolit di elektrodialisis. Anisotropic Membran Tingkat transportasi dari spesies melalui membran berbanding terbalik dengan ketebalan membran. Tarif transportasi yang tinggi yang diinginkan dalam membran proses pemisahan karena alasan ekonomi; Oleh karena itu, membran harus setipis mungkin. Konvensional fi lm batas teknologi fabrikasi pembuatan mekanis yang kuat, bebas cacat film-film untuk sekitar 20 pM ketebalan. Perkembangan

sotropik Membran

mikroporous Membran

Membran mikro sangat mirip dalam struktur dan fungsi ke tapis konvensional. Memiliki kaku, struktur yang sangat voided dengan didistribusikan secara acak, pori-pori yang saling berhubungan. Namun, pori-pori ini berbeda dari yang di fi lter konvensional dengan menjadi sangat kecil, pada urutan 0,01 sampai 10 pM diameter. Semua partikel lebih besar dari pori-pori terbesar benar-benar ditolak oleh membran.

gas membran pemisahan adalah pemisahan hidrogen dari nitrogen, argon dan metana pada tanaman amonia; produksi nitrogen dari udara; dan pemisahan karbon dioksida dari metana dalam operasi gas alam. Pemisahan gas membran adalah bidang minat penelitian yang cukup saat ini, dan jumlah aplikasi yang berkembang dengan cepat. Pervaporasi merupakan proses yang relatif baru yang memiliki unsur-unsur kesamaan dengan reverse osmosis dan pemisahan gas. Dalam pervaporasi, sebuah kontak campuran cairan satu sisi membran, dan permeat akan dihapus sebagai uap dari yang lain. Kekuatan pendorong untuk proses ini adalah tekanan uap yang rendah di sisi permeat membran yang dihasilkan oleh pendinginan dan kondensasi uap meresap. Tarik pervaporasi adalah bahwa pemisahan diperoleh sebanding dengan tingkat perembesan komponen campuran cairan melalui membran selektif. Oleh karena itu, pervaporasi menawarkan kemungkinan memisahkan erat mendidih campuran atau azeotrop yang sulit untuk memisahkan dengan distilasi atau cara lain. Skema dari proses pervaporasi sederhana menggunakan kondensor untuk menghasilkan vakum permeat ditunjukkan pada Gambar 1.5. Saat ini, aplikasi industri utama

pervaporasi adalah dehidrasi pelarut organik, khususnya, dehidrasi solusi etanol 90-95%, sebuah dif fi masalah pemisahan kultus karena azeotrop etanol-air di 95% etanol. Membran pervaporasi yang selektif menyerap air dapat menghasilkan lebih dari 99,9% solusi ethanolfromthese. Pervaporationprocessesarealsobeingdeveloped untuk menghilangkan organik terlarut dari air dan untuk pemisahan campuran organik.

Sejumlah proses membran industri lainnya ditempatkan dalam kategori to-be-mengembangkan teknologi pada Tabel 1.1. Mungkin yang paling penting dari ini adalah pembawa difasilitasi transportasi (Bab 11), yang sering menggunakan membran cair yang mengandung pengompleks atau pembawa agen. Agen pembawa bereaksi dengan salah satu komponen dari campuran di sisi umpan membran dan kemudian berdifusi melintasi membran untuk melepaskan permeant di sisi produk membran. Agen pembawa direformasi kemudian berdifusi kembali ke sisi umpan membran. Dengan demikian, agen pembawa bertindak sebagai pesawat ulang-alik untuk selektif mengangkut satu komponen dari umpan ke sisi produk membran.

Membran transportasi yang difasilitasi dapat digunakan untuk memisahkan gas; transportasi membran kemudian didorong oleh perbedaan dalam gas tekanan parsial melintasi membran. Ion logam juga dapat selektif diangkut melintasi membran, didorong oleh fl ow sebuah ion hidrogen atau hidroksil ke arah lain. Proses ini kadang-kadang disebut ditambah transportasi. Contoh pembawa difasilitasi proses transportasi untuk gas dan transportasi ion ditunjukkan pada Gambar 1.6. Karena pembawa difasilitasi proses transportasi mempekerjakan spesies pembawa reaktif, selektifitas membran sangat tinggi dapat dicapai. Selektifitas ini sering jauh lebih besar dari selektivitas dicapai dengan proses membran lainnya. Satu fakta ini telah mempertahankan minat transportasi difasilitasi selama 30 tahun terakhir, tetapi tidak ada aplikasi komersial telah dikembangkan. Masalah utama adalah ketidakstabilan fisik membran cair dan ketidakstabilan kimia agen pembawa. Dalam beberapa tahun terakhir sejumlah solusi potensial untuk masalah ini telah dikembangkan, yang belum dapat membuat pembawa difasilitasi transportasi proses yang layak.

Proses pemisahan membran yang dijelaskan di atas merupakan sebagian besar industri pemisahan membran industri. Proses lain, dialisis, tidak digunakan industri tapi digunakan dalam skala besar dalam pengobatan untuk menghilangkan metabolit beracun dari darah pada pasien yang menderita gagal ginjal. Yang pertama sukses arti fi ginjal resmi didasarkan pada plastik (diregenerasi selulosa) membran dialisis dan dikembangkan pada tahun 1945. Selama 50 tahun terakhir, banyak perubahan yang telah dibuat. Saat ini, sebagian besar arti fi ginjal resmi didasarkan pada hollow- fi membran ber dibentuk menjadi modul memiliki luas membran sekitar 1 m2; Proses ini diilustrasikan pada Gambar 1.7. Darah beredar melalui pusat serat, sementara isotonik (hal11)

Gambar 1.6 contoh Skema pembawa difasilitasi transportasi gas dan ion. Contoh transportasi gas menunjukkan transportasi oksigen di seluruh membran menggunakan hemoglobin sebagai agen pembawa. Contoh transpor ion menunjukkan pengangkutan ion tembaga di membran menggunakan pertukaran ion reagen cair sebagai agen pembawa

Gambar 1.7 Skema dari serat arti fi dialyser ginjal resmi berongga digunakan untuk menghilangkan urea dan metabolit beracun lainnya dari darah. Sekitar 100 juta perangkat ini digunakan setiap tahun

garam, dialisat, dipompa berlawanan sekitar bagian luar serat-serat. Urea, kreatinin, dan metabolit rendah berat molekul lainnya dalam difus darah di dinding ber fi dan dihilangkan dengan larutan garam. Proses ini sangat lambat, biasanya memerlukan beberapa jam untuk menghapus jumlah yang diperlukan metabolit dari pasien, dan harus diulang satu atau dua kali per minggu. Dalam hal luas membran yang digunakan dan nilai dolar dari membran yang dihasilkan, arti fi ginjal resmi adalah aplikasi tunggal terbesar dari membran. Setelah successof yang arti fi cialkidney, deviceswere serupa developedto menghilangkan karbon dioksida dan memberikan oksigen ke darah. Ini disebut arti fi paru resmi digunakan dalam prosedur pembedahan di mana paru-paru pasien tidak bisa berfungsi. Uid dialisat fl ditunjukkan pada Gambar 1.7 diganti dengan hati-hati dikendalikan gas menyapu mengandung oksigen, yang dikirim ke darah, dan karbon dioksida, yang dihapus. Kedua aplikasi medis dari membran dijelaskan dalam Bab 12. penggunaan medis lain utama membran adalah dalam pemberian obat terkontrol (Bab 12). Pemberian obat dikendalikan dapat dicapai dengan berbagai teknik, yang sebagian besar melibatkan membran; contoh sederhana diilustrasikan pada Gambar 1.8. Dalam perangkat ini, dirancang untuk memberikan obat melalui kulit, obat yang terkandung dalam reservoir dikelilingi oleh membran. Dengan sistem seperti itu,

pelepasan obat konstan selama konsentrasi konstan obat dipertahankan dalam perangkat. Sebuah konsentrasi konstan dipertahankan jika reservoir berisi solusi dan mencukupi kelebihan jenuh obat padat. Sistem yang beroperasi menggunakan prinsip ini digunakan untuk moderat pengiriman obat sebagai nitrogliserin (untuk angina), nikotin (untuk berhenti merokok), dan estradiol (hormon replacement therapy) seperti melalui kulit. Perangkat lain menggunakan osmosis atau biodegradasi sebagai mekanisme tingkat pengendalian juga diproduksi sebagai implan dan tablet. Total pasar farmasi pelepasan terkontrol adalah nyaman di atas US $ 3 miliar per tahun.