Türkçe metni rahat izleyebilmeniz için, "browser" ýnýzýn "document encoding" ini "Turkish" olarak deðiþtirdiniz mi ? ...

Ýleri ( Üçüncül ) Arýtma Yöntemleri - 1...

Membran Prosesler...

Yazar : Hanife Efeoðlu...

Membran ayýrma süreçleri üçüncül arýtýmda önemli bir rol oynarlar. Elektrodializ ve ters osmoz süreçleri tuzlu sudan tuzun uzaklaþtýrýlmasýnda kullanýlýrlar. Ultrafiltrasyon diðer bir üçüncül arýtým yöntemidir. Bir membran ayýrdýðý fazlar arasýnda moleküler ya da iyonik türlerin akýþýna bir engel oluþturur. Bu kuru bir katý, bir jel ya da immobilize olmuþ bir sývýdýr. Bir ayýrýcý olarak kullanýlabilmesi için, bir membranýn bazý molekülleri diðerlerinden daha hýzlý geçirmesi gerekir. Membran ; bazý moleküller için yüksek geçirgenliðe, bazý moleküller için ise düþük geçirgenliðe sahiptir. Dönüþümsüz termodinamik yasalarý ile membran geçirgenliði ile ilgili matematiksel ifadeler yazýlabilir. Bu yaklaþým ile, membranýn bir " kara kutu " gibi davrandýðý kabul edilip entropi üretim hýzý incelenmiþtir. Entropi üretimi bir membran boyunca taþýným için bir " itici kuvvet "tir. Genel olarak bir membran boyunca bileþenlerin akýþý ;



þeklinde yazýlabilir. Burada, ilk terim " i " bileþeninin membran boyunca itici kuvvet teriminde akýþ hýzýný ifade etmektedir. ( PHI ) ( DELTA G _Ý ), bu membran boyunca serbest enerji deðiþiminin bir fonksiyonudur. L _ÝÝ ^O , " i " türleri için difüzyon akýþ katsayýsýdýr. Ýkinci terim diðer bileþenlerin serbest enerji itici kuvvet fonksiyon terimlerinde, " i " bileþeninin çift taraflý akýþýný ve ayný zamanda difüzyon akýþ katsayýlarýný ifade eder. L _ÝJ ^O katsayýlarý için iki koþulun saðlanmasý gerekir ; ( a ) L _ÝJ ^O = L _JÝ ^O ve ( b ) termodinamik yasalara göre, L _ÝÝ ^O - L _ÝJ ^O >= 0. Ýki taraflý akýþýn tanýmlanmasý termodinamik yasalar ile yaklaþýmýn büyük bir avantajý olmaktadýr. Örneðin, ters osmoz yolu ile bu geçiþ bir elektriksel yük toplanmasýna ( akýþ potansiyeline ) neden olur ve elektrodializdeki elektrik akýmýnýn akýþý su akýþýna neden olur. Aþaðýdaki çizelgede ayýrýcý membran süreçler ve temel itici kuvvetler sunulmuþtur.

Süreç	Membranýn fonksiyonu	Öncelikli itici kuvvet
Ters osmoz	Suyun seçici transferi	Basýnç
Ultrafiltrasyon	Moleküler boyut, biçim ve elastikiyet bazýnda seçicilik	Basýnç
Elektrodializ	Seçici iyon taþýnýmý	Elektriksel potansiyel gradyan
Dializ	Seçici çözelti taþýnýmý	Konsantrasyon
Jel geçirimliliði kromatografisi	Yüksek moleküllü çözelti geçiþinin engellenmesi	Konsantrasyon
Sývý geçirimliliði	Sývýlarýn seçici taþýnýmý	Konsantrasyon
Pil ayýrýcýda ayýrým	Kolloidler kalýrken seçici iyon taþýnýmý	Elektriksel potansiyel gradyan
Elektrod ile oksijen saptanmasý	Depolarizasyonun kontrol hýzý	Konsantrasyon kýsmi basýncý
Elektrod ile belirli iyon saptanmasý	Ýyon kompleksinin seçici taþýnýmý	Konsantrasyon ( aktivite )

Su ve atýksu arýtýmýnda genelde kullanýlan üç membran süreci vardýr ; ( a ) ters osmoz, ( b ) elektrodializ ve ( c ) ultrafiltrasyon. Elektrodializ tuzlu sulardan tuzun ayrýlmasýnda kullanýlýr. Ters osmoz da ayný amaç için kullanýlýr. Ultrafiltrasyon düþük moleküler aðýrlýklý tuzlarýn uzaklaþtýrýlmasýnda kullanýlamaz, ama su içindeki makromoleküllerin uzaklaþtýrýlmasýnda oldukça etkindir. Aþaðýdaki þekilde çeþitli ayýrma süreçlerinin kullanýlan aralýklarý verilmiþtir.

Ters Osmoz...

Osmoz süreci, iki farklý sývý veya iki deðiþik deriþimli sývý arasýna bir membran yerleþtirilerek sadece çözgen moleküllerinin geçmesine izin veren bir süreçtir. Membranýn her iki tarafýnda kimyasal potansiyel eþit olduðunda difüzyon durur. Böylece osmoz süreci sona erer. Osmoz sürecinin göstergesi " osmotik basýnç "týr. Aþaðýdaki þekilde gösterildiði gibi, uygulanan basýnç ile çözgen geçiþi saðlanabilir.



Osmotik basýnç sadece çözeltinin bir özelliðidir. Kullanýlan membran yarý geçirgendir. Bu nedenle osmotik basýnç, çözelti ve saf çözgenin yapýsý arasýnda gerçek farkýn bir ölçüsü olarak dikkate alýnmalýdýr. Membranýn bir kesimindeki çözeltideki osmotik basýnç arttýrýlýrsa akýþ ters çevrilir. O zaman saf çözgen çözelti içine geri dönecektir. Bu olay su ve atýksuyun arýtýlmasýnda " ters osmoz "un temelini oluþturur. Ters osmoz, filtrasyona bir dereceye kadar benzer. Süreç hiperfiltrasyon olarak da adlandýrýlmýþtýr. Fakat aralarýnda bazý önemli farklar vardýr ; ( a ) Adi filtrasyonda çok küçük olan osmotik basýnç ters osmozda aþýrý derecede önemli rol oynar, ( b ) Düþük su içeriðine sahip filtre keki, çözeltinin osmotik basýncý çözgen azalmasý ile arttýðýndan dolayý ters osmoza uygulanamaz ve ( c ) Ayýrýcý filtreler öncelikle hacim esasý üzerinde çalýþýr, fakat desalinasyonun yarý geçirgen ters osmoz membranlarý diðer faktörlere de önemli ölçüde baðlýdýr.

Osmoz ve Osmotik Basýnç...

Osmotik basýnç, konsantrasyon ve mutlak sýcaklýk ile orantýlýdýr.

P _OSMOTÝK = ( n / V _M ) ( R ) ( T )

Burada ; n : mol sayýsý, V _M : molar hacim, R : ideal gaz sabiti ve T : mutlak sýcaklýk.

Bu eþitlik sadece seyreltik çözeltiler için geçerlidir. Daha deriþik çözeltiler için, yukarýdaki denklem osmotik basýnç katsayýsý ( K_OSMOTÝK ) ile düzeltilmelidir.

P _OSMOTÝK = ( K _OSMOTÝK ) ( n / V _M ) ( R ) ( T )

" Robinson " ve " Stokes " pekçok elektrolit için osmotik basýç katsayýlarýný gösteren bir cetvel düzenlemiþlerdir. Pekçok elektrolit için 1'den küçüktür ve genellikle deriþim artýþý ile azalýr. Böylece, seyreltik çözeltiler için bulunan osmotik basýnç genellikle gözlenenden daha yüksek basýnç deðerleri verir. Osmotik basýnç doðrudan hesaplanabileceði gibi, donma noktasý alçalmasýndan veya buharlaþma basýncý düþüþünden de hesaplanabilir. " Van't Hoff "un " eriyik bombardýmaný " teorisi ideal gaz yasasý ve osmotik basýnç denklemi arasýndaki analog üzerine kurulmuþtur. " Van't Hoff "un yarý geçirgen membranla eriyik moleküllerinin çarpýþmasýndan oluþan osmotik basýncý dikkate almýþ ve çözgen moleküllerinin bir etkisi olmadýðýný kabul etmiþtir. Bu modele göre, çözeltinin osmotik basýncý, ideal gaz eðer çözelti ile ayný hacmi kaplýyorsa ideal gazýn basýncýna eþittir. Buna, çözgen moleküllerinin hiçbir etkisi olmadýðýna, membran ile sürekli olarak temas halinde olduklarýndan dolayý itiraz edilebilir. Osmoz olayýnýn deðiþik bir açýklamasý, çözgen moleküllerinin dikkate alýnmasý ile yapýlmýþtýr. Buna göre, osmoz ve osmotik basýnç çözgen molekülleri ile yarý geçirgen membranýn farklý bombardýmaný sonucu oluþur. Eriyik molekülleri, eþit olmayan bombardýmana neden olur ve çözgen basýncýndaki farklýlýk eriyik miktarýnýn artmasý ile artar. Ters osmoz membraný ultrafiltrasyonda olduðu gibi bir elek rolü oynamaktadýr. " Hassler ", temeli, membran karþýsýna çözgen damýtýlmasýna dayanarak çalýþan bir desalinasyon sistemi geliþtirmiþtir. Selüloz asetat desalinasyon membranlarý çözelti difüzyon mekanizmasý iþleyiþi ile görev görür. Bu membranlar arasýna akan su ve tuz basit baðýmsýz homojen difüzyon denklemleri ile açýklanýr. Günümüzde ters osmoz membranlarý için kuramsal geliþmeler bu modeller üzerine kurulmuþtur.

Su ve Eriyik Difüzyonu...

Eðer bir çözelti üzerinde herhangi bir dýþ etki ve çift yönlü akýþ yok ise ;

F _Ý ^O = ( L _ÝÝ ^O ) ( K _OSMOTÝK ) ( DELTA G _Ý ) + TOPLAM J ( L _ÝJ ^O ) ( K _OSMOTÝK ) ( DELTA G _J )

denklemi, basýnç ve deriþim faktörlerini içeren bir difüzyon denklemi ile sadeleþir. " Merten ", basýnç gradyanýnýn çözgen akýþý için önemli olduðunu gösterip, deriþim gradyanýnýn eriyik akýþý ile saptandýðýný ortaya koymuþtur. Homojen çözelti difüzyon modeline göre, membrandaki suyun difüzyon katsayýsý, D _{T - W} ^O , suyun deriþimi, C _W ve suyun molar hacmi, V _M , basýnçtan baðýmsýz olurlarsa, geçirgenlik akýsý aþaðýdaki denklem ile ifade edilebilir ;

F _W ^O = { [ ( D _{T - W} ^O ) ( C _W ) ( V _M ) ] / [ ( R ) ( T ) ( d _M ) ] } ( DELTA P - DELTA P _OSMOTÝK )

Böylece, birim membran alanýndaki debi, doðrudan " driving " basýncý ile orantýlýdýr.

[ ( D _{T - W} ^O ) ( C _W ) ( V _M ) ] / [ ( R ) ( T ) ( d _M ) ]

terimleri su geçirgenlik katsayýsý içine yerleþtirilirse ;

F _W ^O = ( W _P ) ( DELTA P - DELTA P _OSMOTÝK )

denklemi elde edilebilir. Membran arasýna eriyik akýþý çözelti difüzyon modeli ile ifade edilirse, " driving " kuvveti tamamen membran boyunca deriþim gradyanýna eþittir.

F _Ý ^O = ( D _{T - Ý} ^O ) ( dC _{Ý - M} / dx ) = ( D _{T - Ý} ^O ) ( DELTA C _{Ý - M} / d _M )

Burada ; C _{Ý - M} ve DELTA C _{Ý - M} : membran içindeki " i " türlerinin deriþimi ve d _M : membran kalýnlýðý.

Genellikle, selüloz asetat membranlarý için ilgili aralýkta sabit olan daðýlma katsayýsý, K _D , birleþtirilerek membranýn yanýndaki C _Ý , çözelti deriþim terimlerinde açýklanabilir. Buna göre ;

F _Ý ^O = ( D _{T - Ý} ^O ) ( K _D ) ( DELTA C _Ý / d _M ) = ( K _P ) ( DELTA C _Ý )

þeklinde yazýlabilir. Burada ; K _P , " i " türleri için geçirgenlik katsayýsýdýr. Suyun geçirgenlik katsayýsý, W _P ve eriyiðin geçirgenlik katsayýsý, K _P uygulanan yönteme ve membran tipine baðlýdýr. Eriyik akýþý sadece deriþime baðlý iken, su akýþý net basýnç farkýna baðlýdýr. Böylece, besleme suyu çözelti basýncý artarken, membran arasýna su akýþý artar ve eriyik akýþý esas olarak sabit kalýr. Temizlenen suyun miktarý ve kalitesi net " driving " basýncýn artmasý ile artar. Bu denklemler, uygulanan sabit basýnçta besleme suyu eriyik deriþimi artarken, üretilen suyun kalitesinin azaldýðýný da gösterir. Bu etki beslemedeki osmotik basýnç artmasý nedeniyledir. Verilen beslemeden gittikçe artan miktarlarda su ekstrakte edildikçe eriyik deriþimi daha düþük hale gelir ve su akýsý durur. Yüksek besleme deriþimleri nedeni ile yüksek su kazanýmý sonucunda sudaki eriyik de artar.



Yukarýdaki þekil, kazaným suyunun bir fonksiyonu olarak, sabit basýnç için su akýsýndaki deðiþimleri göstermektedir. Besleme tuzluluðu bir parametre olarak düþünülmüþtür. Su akýsý, besleme tuzluluðunun artmasý ile azalýr.



Tekrar edilecek olursa, ürün su kalitesi, besleme tuzluluðu ve kazaným hýzý artýþý ile azalýr. Ters osmoz olayýnda tuzun giderilmesi, R _Ý ^O ile gösterilirse ;

R _Ý ^O = ( C _{Ý - C} - C _{Ý - P} ) / ( C _{Ý - C} )

Burada ; C _{Ý - C} : gelen ayýrýlacak " i " türünün deriþimi ve C _{Ý - P} : üründeki " i " türünün deriþimi.

Bu atýlma ;

[ ( 1 - R _Ý ^O ) / ( R _Ý ^O ) ] = [ ( K _P ) ( C _{W - P} ) ] / [ ( W _P ) ( DELTA P - DELTA P _OSMOTÝK ) ]

þeklinde eriyik geçirgenliðinin su geçirgenliðine oraný olarak ifade edilebilir.

Selüloz Asetat Membranýnýn Özellikleri...

Membran " Loeb - Sourirrajan " tekniði ile üretilen asetat selüloz filmi olarak hazýrlanýr. Bu membran en dýþýnda ince bir kabuktan oluþup, iç kýsmýnda gözenekleri içeren kalýn bir tabaka ile çevrilidir. Tipik membran kalýnlýðý yani poroz tabakasý 100 mikrondur. Yüzeydeki ince tabakanýn kalýnlýðý ise 0.2 mikrondur. Membrana özel bir solvent emdirme iþlemi uygulanýr. Aðýrlýkça % 15 - 25 selüloz asetat, aseton, su ve magnezyum perkloratýn 0 derecede bulunduðu solvent sisteminde çözülür. Bu iþlem " casting " iþlemi olarak adlandýrýlýr. Bazen su ve magnezyum perklorat yerine formamid de kullanýlmaktadýr. Membran doygunluðu sýrasýnda aðýrlýkça % 60 - 70 su adsorplayýp bunu gözeneklerde tutundurur. " Casting " halindeki bu membranlar yüksek molekül aðýrlýklý organik maddeleri geçirmezler. Sodyum klorürün sadece çok az bir kýsmý geçer. Yarý geçirgenlik 60 - 70 derece sýcaklýklarda arttýrýlýr. Bu iþlem sýrasýnda membran seçimli olarak geçirgenlik görevi yapar. Bu yarý geçirgenlik birkaç faktörün oluþmasý ile kontrol edilir ; ( a ) kullanýlan selüloz asetat filminin asetil içeriði, ( b ) " casting " çözeltisine magnezyum perklorat, çinko, klor gibi maddelerin katýlmasý, ( c ) " casting " çözeltisinin eriyiklerinin oraný ve seçilmesi, ( d ) havayý kurutma hýzý ve ( e ) ýsýl arýtma sýcaklýðý. Isýl arýtma sýcaklýðý ve zaman suya ve tuz geçirgenliðine büyük ölçüde etki eder ve yüksek basýnçlarda membraný sýkýþtýrýp ýsýl iþleme özelliði arttýkça aký azalýr.

Besleme Sýcaklýðý ve pH...

Tuz ve su akýlarý sýcaklýða baðlýdýr. Su geçirgenlik katsayýsý ve eriyik geçirgenlik katsayýsý sýcaklýk artýþý ile artar. 15 - 30 derece sýcaklýk aralýðýnda su akýsý yaklaþýk her derecede % 3.5 artar. Besleme suyu sýcaklýðý membranýn sýkýþmasý ile de artar.

Sistem Tasarýmý...

Tasarýmda dikkat edilmesi gereken hususlar aþaðýda özetlenmiþtir.

( 1 ) Kýrýlabilir bir membranýn 300 - 1,500 psig basýnçlara dayanabilmesi.
( 2 ) Yüksek besleme basýncý ve düþük basýnçlý ürün suyu suyu ile temasýndan tuzlu akýþýn önlenmesi.
( 3 ) Basýncý azaltýlan ürün kabýnýn yüksek yoðunluða sahip olmasý.
( 4 ) Deriþim polarizasyonunun azalmasý ve besleme kanallarýnýn bozulabilmesi.
( 5 ) Tuzlu su ve ürün akýþýnýn besleme üzerine olumsuz etki yapmamasý.
( 6 ) Membran yerine konulan ürünlerin minimize olmasý.

Bu sorunlarý çözmek, ekonomik ve güvenilir kriterler elde etmek için dört farklý tip model tasarýmý geliþtirilmiþtir ; ( a ) tabak kafes, ( b ) tüpler, ( c ) spiral kývrýmlar ve ( d ) ince iplikler.

Modül elemaný	Paket yoðunluðu ( m2/m3 )	42 kg/cm2'de su akýsý ( m3/m2.gün )	Birim hacim su çýkýþý ( m3/m3.gün )	Sodyum klorür giderimi	Besleme kanalý basýnç kaybý ( kg/cm2 )	Ürün kanalý basýnç kaybý ( kg/cm2 )	pH sýnýrý	Temizleme kolaylýðý
Tabak kafes	492	0.4	0.161	Çok iyi	2.10	2.10	2 - 8	Zayýf
Tüpler	164	0.4	0.054	Çok iyi	3.5	0.7	2 - 8	Çok iyi
Spiral kývrýmlar	820	0.4	0.268	Çok iyi	0.7	3.5	2 - 8	Çok iyi
Poliamid ince iplikler	16,404	0.04 (28)	0.535	Zayýf	0.7	3.5	0 - 12	Zayýf
Selüloz asetat ince iplikler	8,202	0.12 (17.5)	0.803	Ýyi	0.7	3.5	3 - 7	Zayýf

Bir ters osmoz ünitesi paralel düzenlenmiþ bir seri modülden ibarettir. Önemli tasarým deðerleri ; kazaným, ürün su kalitesi, basýnç, tuzlu su akýþ hýzý, ön arýtma derecesi ve son arýtmadýr. Bir ters osmoz ünitesinin tasarýmý için ; besleme suyunun tipinin, bileþiminin, deðiþkenliðinin, sýcaklýðin ve osmotik basýncýn bilinmesi gerekir.

Ön Arýtma ve Aký Sürekliliði...

Beslemenin ön arýtýmý tüm desalinasyon yöntemlerinde geçerlidir. Genelde besleme ve tuzlu su arýtýmý þu amaçlar için yapýlýr ;

( 1 ) Fazla çamuru ya da süspanse katýlarý uzaklaþtýrmak.
( 2 ) Besleme pH ve sýcaklýðýný kontrol etmek ve düzeltmek.
( 3 ) Su yolunu ve membran tabakasýný çökelerek kaplayacak olan bileþiklerin birleþimini kontrol etmek ve engel olmak.
( 4 ) Ekipmanýn kirlenmesini önlemek ve dezenfekte etmek.
( 5 ) Emülsifiye edilen ve edilemeyen sývý ya da organikleri çýkarmak.

Artan bulanýklýk ve süspanse katýlar genellikle çökeltme ve filtrasyon ile belirlenir ve koagülasyon ve flokülasyon ile uzaklaþtýrýlýr. Membran yüzey alaný bakteri ve mantarlarýn büyümesi için iyi bir yüzey oluþturur. Membran yüzeyinde biyolojik büyüme hýzýný durdurmak için besleme suyunun klorlanmasý iyi bir yöntemdir.