İleri Arıtma Sistemleri Membran Teknolojisi Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon

İçindekiler 1.Membran Teknolojisi 2.Membran Sistemler   1.Membran Teknolojisi 2.Membran Sistemler 2.1.Belli Başlı Membran Prosesi Uygulama Alanları 2.2.Membran Çeşitleri 3.Membranların sınıflandırılması 4.Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon 4.1.Mikrofiltrasyon 4.1.Mikrofiltrasyon Membran Tipleri 4.1.1. Kıvrımlı Gözenek Membranlar 4.1.2 Kılcal Gözenek Membranlar 4.2.Ultrafiltrasyon 4.2.1.Ultrafiltrasyon Kullanım Alanları 5.Kaynaklar

Membran arıtım prosesleri, 1.Membran Teknolojisi   Membran arıtım prosesleri, sulardan çözünmüş ve kolloidal bileşenlerin ayrılmasında kullanılır. Membran arıtımında, sudaki bileşenler membranın bir tarafından diğer tarafına basınç, elektriksel potansiyel ve konsantrasyon gradiyentinden kaynaklanan sürücü kuvvetler vasıtasıyla geçirilir. İster istemez partiküller membranların mikroskobik gözeneklerinde tutulurlar.

olmak üzere temel dört sınıfta toplanabilirler. Ayrı bir tanımlama yapmak gerekirse; su ve atıksu arıtma uygulamalarında membran prosesi, suyun ince bir sentetik membrandan geçirilerek içindeki kirleticilerden ayrılması işlemidir. Bütün uygulamalarda su molekülleri membran porlarından geçerken kirleticiler membranda tutulur ve konsantre bir atık çözeltisi olarak tahliye edilirler. Membranlar molekül ağırlık sınırı veya por büyüklüğüne göre sınıflandırılabilirler. En büyük por büyüklüğünden küçüğe doğru; mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmoz olmak üzere temel dört sınıfta toplanabilirler.

2.Membran Sistemler   Son yıllarda geliştirilen bazı arıtma teknolojileri ile atıksuyun tekrar kullanımı ekonomik olarak mümkün olmaktadır. Özellikle suyun kıt olduğu yörelerde ve çok su kullanan endüstrilerde önemli altyapı yatırımları yapılmadan önce evsel atıksuların ve kötü kalitedeki yüzey sularının tekrar kullanımı ekonomik bir alternatif olarak dikkate alınmalıdır. Membran prosesleri; atıksuların tekrar kullanımını mümkün kılarak onların alternatif su kaynağı olarak değerlendirilmelerini gündeme getirmiştir.

Membran, iki farklı fazı veya ortamı birbirinden ayıran ve bir tarafından diğer tarafa maddelerin seçici bir şekilde taşınmasını sağlayan geçirgen bir tabakadır. Tüm membranla ayırma teknolojilerinde membrandan geçme yönünde akış sağlamak üzere itici bir kuvvet ve bazı maddelerin geçişini engelleyen ayırma faktörü, temel iki prensiptir. Kütle transferi, konsantrasyon farkı, basınç farkı ve elektriksel potansiyel farkı gibi itici güçler yardımıyla gerçekleşmektedir. Membran proseslerinde en yaygın itici kuvvet basınçtır. 

Membran Proseslerinin Özellikleri İtici güç Süzüntü Tutulan Osmoz Kimyasal potansiyel Çözünenler, su Su Diyaliz Konsantrasyon farkı Büyük moleküller, su Küçük moleküller, su Mikrofiltrasyon Basınç Asılı parçacıklar, su Çözünmüş sıvılar, su Ultrafiltrasyon Nanofiltrasyon Küçük moleküller,Divalent tuzlar,Çözünmüş asitler, su Monovalent iyonlar,Çözünmemiş asitler,su Ters osmoz Tüm çözünenler, su Elektrodializ Voltaj/akım İyonik olmayan çözünenler,su İyonik çözünenler, su Pervaporasyon Uçucu olmayan moleküller,su Uçucu küçük Moleküller, su

2.1.Belli Başlı Membran Prosesi Uygulama Alanları Son yirmi yılda geliştirilen membran prosesleri  sayesinde kötü kalite suların güvenilir, emniyetli ve ekonomik olarak kullanımının mümkün olduğu kanıtlanmıştır. Membran proseslerinin belli başlı kullanım alanları; • Yeraltı suyunun tuzlu su geçişini önlemek üzere tekrar yüklenmesi, • Dolaylı içilebilir su olarak, • Doğrudan içilebilir su olarak,  • Sulama suyu olarak, • Endüstrinin tekrar kullanımı,

Membranların performansını; geçirimsizlik derecesi, 2.2.Membran Çeşitleri   Membranların performansını; geçirimsizlik derecesi, çözünen madde akımını reddetme derecesi, geçirim derecesi çözücünün membrandan geçme kolaylığı gibi kriterler belirler.

En yaygın membran çeşitleri; Selüloz asetat membranlar  bu kriterlerin kombinasyonunu sağladığından yaygın olarak kullanılırlar. Günümüzde kullanılmakta olan değişik membran tipleri ve bunların değişik biçimlerde bir araya getirildiği değişik modüller vardır. En yaygın membran çeşitleri; borulu, hollow fiber, spiral kıvrılmış plaka ve çerçeve şeklindeki membranlardır.

2.2.Membran Çeşitleri Membran yüzeyinde tutunan ve çöken maddelerin membran deliklerini tıkamasını önlemek için türbülanslı akış şartlarının sağlanması gerekmektedir (Reynolds sayısının 2000 in üstünde olması gerekir). Bu da genellikle çıkış akımının geri devri ile sağlanır. Membranlarda tıkanmayı önlemek için askıda madde, bakteri ve çökebilen iyonların ön arıtımla giderilmesi gereklidir.

3.Membranların sınıflandırılması   Membran filtrasyonu; filtrasyon uygulamasını sıvı içinde çözünen katıların ve gaz karışımlarının ayrılmasını da kapsayan daha ileri bir aşamaya taşır. Bir membranın öncelikli rolü seçici bir bariyer gibi davranmasıdır. Membranlar bir karışımın belirli bileşenlerinin geçişine izin verirken diğer bileşenleri alıkoyar. Böylelikle ya süzüntü ya da tutulan faz bir veya birkaç bileşence zenginleştirilmiş olur.

3.Membranların sınıflandırılması   En genel anlamıyla membran ‘iki faz arasındaki devamsızlık rejimi’ veya ‘yığın hareketine karşı bariyer gibi davranan fakat bir veya daha fazla türün kısıtlı ve/veya düzenli geçişine izin veren fazdır.’ Bu tanımlara göre bir membran gaz, sıvı katı veya bunların birleşimlerinden oluşabilir.

3.Membranların sınıflandırılması a)      Özelliklerine göre • doğal • sentetik b)      Yapılarına göre • gözenekli • gözeneksiz c)      Uygulanmalarına göre • gaz-faz ayırma • gaz-sıvı ayırma d)      Membran davranış mekanizmasına göre • adsorpsiyon-yayınım • iyon değiştirici • ozmotik • seçici olmayan membranlar

4.Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon   Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon fiziksel bir eleme ayırma sürecidir. Askıda Katı maddelerin çıkarılması konusunda en iyi seçeneklerdendir. Ayrıca deniz suyu arıtma teknolojileri nanofiltrasyon ve ters osmoz gibi teknolojiler için bir ön arıtma olarak kullanılmaktadır. Fakat yaygın olarak endüstride kullanılmaktadır.

4.Mikrofiltrasyon ve Ultrafiltrasyon   Membran ayırma tekniğine göre membran malzemelerinin dağılımı aşağıda verilmiştir. Mikrofiltrasyon: Polipropilen (PP), Polietilen (PE), Polikarbonat (PC) Seramik (CC) Ultrafiltrasyon: Polisülfon (PES), Dynel ve Selüloz asetat (CA)

Çoğunlukla borusal ve kapiler membran modülleri tercih edilir. 4.1.Mikrofiltrasyon MF’de boyutu 0.1’den 20 μm’ye kadar olan moleküller membran tarafından tutulurlar. Çoğunlukla borusal ve kapiler membran modülleri tercih edilir. Ayırma mekanizması boyut farklılığına dayanır.

4.1.Mikrofiltrasyon MF, fermentasyon ürünlerinden mikroorganizmaları uzaklaştırmak için kullanılabildiği gibi, kolloidler, yağ molekülleri ve hücreler gibi heterojen dağılmış parçacıkları da ayrıştırabilir. MF genelde permeat akımının ürün olarak elde edildiği bir saflaştırma işlemi olmakla birlikte süspansiyonların derişiklendirilmesinde kullanılmaktadır.

(a) Sonlu ve (b) Çapraz akisli membranin çalisma prensipleri

4.1.Mikrofiltrasyon Membran Tipleri Yapilari ve üretimleri bakimindan farkli iki temel membran tipi vardir. Bunlar kivrimli gözenek membranlar ve kilcal-gözenek membranlardir. Bunlarin farklari kullanildiklari uygulamalardan kaynaklanir.

4.1.1. Kıvrımlı Gözenek Membranlar Membran boyunca dolambaçlı yollar oluşmasına neden olan membran polimer yapısı çevresinde birbirine bağlı bir çok bosluktan olusurlar. Kivrimli gözenek üretiminde en çok kullanilan teknik polimer yapisindaki bosluk sayisini ve boyutunu belirlemek amaciyla farkli miktarlarda polimer, çözücü ve farkli kuruma hizlarinin kullanildigi ters faz döküm metodudur.

4.1.1. Kıvrımlı Gözenek Membranlar Bu membran dökümünün en önemli sonucu birbirine bagli bosluklardan ayrilan kanallarin yapisidir. Herhangi bir kanalin genisligi düzenli degildir. Kanal boyunca herhangi bir noktada daralmalar olusur. Kanalin bu daralma noktalarindaki çapi membrandan geçecek materyalin boyutunu belirler. Birbirine bagli ve dolambaçli yapidaki bu kanallar membrana adini verirler.

4.1.2 Kılcal Gözenek Membranlar Yeni bir teknik olarak dielektrik film içinde düz kanalli sabit çapli silindirik gözeneklerin üretimi 1960’larin ortalarinda gelistirildi. Bu membranlar iki asamali iz oyma (track-etch) prosesiyle üretilmistir. Bu iki asama membranin yapisinin yüksek oranda kontrol edilmesini saglar. Birçok uygulama için bu iki membran tipinin istenen benzer özellikleri vardir.

4.1.2 Kılcal Gözenek Membranlar Her iki membranda belirtilen gözenek çapindan daha büyük partiküller için kesin bir tutulma gösterirler. Bu sebeple sterilizasyon gibi partiküllerin veya organizmalarin tamamen uzaklastirilmasini gerektiren uygulamalar için son derece uygundur. Bu amaçla her iki membran tipi de en azindan bir kez otoklavlanmalidir.

4.2.Ultrafiltrasyon Ultrafiltrasyon (UF) terimi 1907 yılında Bechhold tarafından, bu prosesin daha büyük partiküllerin (>1 mm) ayrıştırıldığı klasik filtrasyon tekniğinden ayırt edilmesi amacıyla kullanılmıştır. UF yüksek molekül ağırlıklı bileşenleri ısı uygulaması ve faz değişimine uğratmadan konsantre etme imkanı sunar.  Süzüntü; gıdada bulunan küçük molekül ağırlıklı bileşenleri beslemedeki konsantrasyonuna yakın bir oranda içerirken büyük molekül ağırlıklı bileşenler membran tarafından tutulur. Bu da yüksek molekül ağırlıklı bileşenlerin çözeltideki hem yaş hem de kuru ağırlıklarında artışa neden olur.

UF uygulamalarında basınç 1-15 bar arasındadır UF uygulamalarında basınç 1-15 bar arasındadır. Bu basınç değerleri ters osmoz (TO) uygulamalarına göre oldukça küçüktür. Protein ve nişasta gibi ısıya duyarlı moleküller için UF tekniğiyle ortam sıcaklığında yapılan konsantre etme işlemi bunların çözünebilirlik, köpük ve jel oluşturma kapasitesi, emülsifiye olma, su ve yağ bağlama gibi fonksiyonel özelliklerini olumsuz etkileyen ısıl reaksiyonları en aza indirger.

Bu amaçla en çok süt ürünleri endüstrisinde yararlanılır. Ayrıca UF gıda proses ve fermantasyon atıklarındaki yararlı bileşenleri geri kazanmak amacıyla da kullanılır. Bu amaçla en çok süt ürünleri endüstrisinde yararlanılır. UF uygulamasında çözeltideki bileşenleri ayırmak için seçici moleküler ağırlık ve yapısal özelliklere göre ayırım yapan yarı geçirgen membranlar kullanılır. Ultrafiltrasyonda çözelti belli bir basınç altında membranla temas halindedir.

Uygulanan basınç çözücü ve küçük moleküllerin membrandan geçmesini sağlar. Membran daha büyük molekülleri tutar. Membrandan geçen çözelti ürün tutulan molekülleri içeren çözelti süzüntü olarak adlandırılır. İki membran arasına bir ürün taşıyıcı (permeate carrier) yerleştirilmiştir. İki membran ve ürün taşıyıcı üç kenarından birbirine yapıştırılarak yaprak olarak adlandırılan yapıyı oluşturur.

Çoklu yaprak tasarımları ürün akışındaki düşüşü minimize eder. Yapıştırılmayan kenar da merkezdeki delikli toplama tüpüne bağlanmıştır. Membran yaprağı boyunca bir ağ yapılı besleme tutucu (mesh spacer), merkezi toplama tüpü üzerine spiral sarılmıştır. Yaprak uzunluğunu azaltmak için birçok membran yaprağı aynı anda merkezi tüp üzerine sarılmıştır. Çoklu yaprak tasarımları ürün akışındaki düşüşü minimize eder. Sarmal modül bir basınç kabı içerisine yerleştirilmiştir.

Ultrafiltrasyon membranlarının çoğu asimetrik yapıdadır ve üst tabakaları gözeneklidir. Membranların hazırlanmasında polimerik ve inorganik materyaller kullanılır. Polimerik UF membranlar sıklıkla daldırarak çökeltme prosesiyle hazırlanır. Bu amaçla bir polimer solüsyonu ince bir film halinde dökülür ve polimer için çözücü olmayan bir madde içeren koagülasyon banyosuna daldırılır.

Çözücü homojen sıvı polimer filmin dışına doğru difüze olmaya başlarken çözücü olmayan madde içine difüze olur. Faz ayırımı polimer film içinde gerçekleşir ve polimer gözenekli asimetrik membran yapısını oluşturmak üzere katı faz olarak çöker.

Membran Tip ve Özellikleri Membran Teknolojisi Çalışma Aralığı (μm) İşletme Basıncı (bar) Akı Değeri (I/m2* g) Tip Geometri Mikrofiltrasyon 0,08-2,0 0,5-1 405-1600 Polipropilen, akrilonitril, naylon ve politetrafloroetilen Spiral Sarımlı, Boşluklu elyaf, Plaka ve Çerçeve Ultrafiltrasyon 0,005-0,2 0,7 -7 405-815 Selüloz Asetat, Aromatik Poliyamid Spiral Sarımlı, boşluklu elyaf, Plaka ve Çerçeve Nanofiltrasyon 0,001-0,01 5-10 200-815 Spiral Sarımlı, BoĢluklu Elyaf Ters Osmoz 0,0001 -0,001 8,5-70 320-490 Spiral Sarımlı, Boşluklu Elyaf

4.2.1.Ultrafiltrasyon Kullanım Alanları  Gıda Endüstrisi - Peynir üretiminde protein ve yağların konsantre edilmesinde - Peynir altı suyu proteinlerini konsantre etmek için peynir altı suyunu fraksiyonlanmasında - Meyve sularının (elma, kayısı, turunçgiller, kızılcık, üzüm, şeftali, armut, ananas) arıtılmasında - Jelatin konsantre edilmesinde

4.2.1.Ultrafiltrasyon Kullanım Alanları  Gıda Endüstrisi - Glikoz azaltımında - Soya fasülyesi proteini konsantre etmede ve saflaştırmada - Protein hidrolizatlarının arıtılmasında - Bitkisel yağlar (Asitliğinin giderilmesinde, ağartmasında, metallerin uzaklaştırılmasında) - Şeker rafinasyonunda - Alkollü içeceklerde (içkilerin alkol derecesini azaltmada)  

Kimyasallar ve Atık Sular - Elektrokaplama boya - Yağlı atık suların arıtımı - Kostik ve asit geri kazanımında - Salamura geri kazanımında - Matbaa mürekkebi üretiminde - Çamaşır atık sularının arıtımında - Tekstil endüstrisinde - Kağıt hamuru ve kağıt endüstrisinde - Deri tabaklama ve deri endüstrisinde - Balık işlemede - Kümes hayvanları endüstrisinde  

- Mikrobiyal hücrelerin ayrıştırılmasında - Enzim geri kazanımında Biyoteknoloji - Mikrobiyal hücrelerin ayrıştırılmasında - Enzim geri kazanımında - Membran biyoreaktörlerde

Örnek: İlaç Endüstrisi Atıksuyu İle Yapılan Çalışmalar İlaç Endüstrisi Atıksuyunun Özellikleri pH 8,75   Renk 10 m-1(436 nm) 2 m-1(525 nm) 0,4 m-1(620 nm) KOİ 678 mg/L İletkenlik 4540 μS/cm AKM 293 mg/L Biyolojik atıksu arıtma tesisi çıkışı MF (mikrofitrasyonçıkışı) UF (ultrafitrasyon) KOİ: 678 mg/lt AKM: 293 mg/lt İletkenlik: 4,53 ms/cm KOİ: 217 mg/lt AKM: 23 mg/ İletkenlik: 4,35 ms/cm KOİ: 156 mg/lt AKM: 16 mg/lt İletkenlik: 3,78 ms/cm

Hamsu Mikrofitrasyon Ultrafitrasyon Nanofitrasyon İndigo Boyama Atık Suları Hamsu KOİ (mg/l): 929 Renk (Pt-Co): 5120 İletkenlik (ms/cm): 5,9 Mikrofitrasyon Ultrafitrasyon Nanofitrasyon KOİ (mg/l): 660 Renk (Pt-Co): 1331 İletkenlik (ms/cm): 5,2 KOİ (mg/l): 634 Renk (Pt-Co): 410 İletkenlik (ms/cm): 5,2 KOİ (mg/l): 13 Renk (Pt-Co): 20 İletkenlik (ms/cm): 1,6

Mikrofiltrasyon Ultrafiltrasyon Nanofiltrasyon Çalışmada Kullanılan Membran Tipleri ve Özellikleri Mikrofiltrasyon Membran tipi Poliamid İnce Film kompozit membran Maks. Çalışma sıcaklığı 450C pH aralığı 2 -11 Por Boyutu 0,84 nm Ultrafiltrasyon Membran tipi Selülozester Por boyutu (μm) 0,45 Akı (L/s/m2) 0,6 -1,5 Basınç (bar) 3 Nanofiltrasyon Membran tipi Polietersülfon Por boyutu (μm) 0,45 Basınç (bar) 4 MWCO 100 kDa

5.Kaynaklar   (Stephenson vd., 2000; Gunder, 2001; Anonim I, 2001; Judd, 2001, 2006; Van der Roest vd., 2002; Daigger vd., 2005). (Adham ve Gagliardo, 1998; Buisson vd., 1998; Cicek, 1998; Crawford vd., 2000; Liu vd., 2000; Stephenson vd., 2000). (Invited Review Paper / Çağrılı Derleme Makalesi An Optıon For Specıal Separatıon Operatıons: Membrane Processes Yavuz Salt, Salih DİNÇER) (http://www.usbr.gov/pmts/water/publications/primer.html) (Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Atıksu Prof. Dr. Yılmaz Yıldırım Geri Kazanımı: Membran Prosesler) (İ.T.Ü Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Membran Prosesler Dersi Sunum Ι) (web.deu.edu.tr/atiksu/ana58/bolum06.pdf) ( Case Study Solution - Facility Design for Antigenic Co-proteins (2003). CHE 451. NCSU)  ( Grandison, A. S. & Lewis, M. J. (Eds.). (1996) Separation Processes in the Food and Biotechnology Industries. Woodhead Publishing. Retrieved November 30, 2003 from Knovel Chemistry and Chemical Engineering Database.) (Zeman, L. J. & Zydney, A. L. (1996) Microfiltration and Ultrafiltration: Principles and Applications. New York: Marcel Dekker, Inc. Available via NCSU libraries as an eBook)