MEMBRAN VE MEMBRAN PROSESLERİ

Son yıllarda gelişen teknoloji ve artan nüfusla birlikte artan su ihtiyacına bağlı olarak sınırlı miktarda bulunan kaynakların tüketimi hızlanmış ve bu kaynakları kısmen de olsa geri kazanmak için konvansiyonel arıtım yöntemleri yetersiz kalmaya başlamıştır.

Bu yüzden hem ekonomik açıdan uygun olan hem de mevcut kaynakların yitip gitmesine imkan vermeyecek sistemlerin geliştirilmesi kaçınılmaz bir hal almıştır. Çevre koruma yasalarının getirdiği sınırlamaların giderek daralmasıyla birlikte ağır metallerin ve organik maddelerin ayrılması atıksu üreticileri için de çok daha önemli bir hale gelmiştir. Gün geçtikçe yenilenen ve ileri arıtım sistemleri olarak ele alınan membran proseslerinin kullanımı önem kazanmıştır. Günümüzde katı membranların kullanımı yaygınlaşmaya başlamış bunun yanı sıra sıvı membranların kullanımı pilot ölçekli çalışmaların ardından seyrekte olsa bazı endüstrilerce büyük ölçekli olarak uygulama alanı bulmuştur.

Membran prosesler, filtrasyon, konsantre etme ve saflaştırma maksatları ile kullanılırlar. Teknolojinin gelişmesi ile birlikte bu sistemlerde gelişmiş ve büyük ölçekli uygulamalarda çekici hale gelmişlerdir. Bunda son zamanlarda geliştirilen membranların düşük enerjiye ve ilk yatırım maliyetine ihtiyaç göstermesi etkili olmuştur. Membran proses teknolojisinde en büyük maliyet, sistemin çalıştırılması için gerekli mühendislik hizmetleri ve gelişmelerin izlenmesi için yapılan test çalışmalarıdır. Ekipman maliyeti ikinci sırada gelmektedir. Membranlar tüm sistem maliyetinin %10’unu oluşturmaktadır. Bunun yanında membranlar peryodik olarak yenilenir ve buda işletme maliyetini etkiler.

Membran teknoloji giderek artan bir şekilde kullanılmaya başlamıştır. Bugüne kadar kullanılmamasının nedenleri ise; -Geri devir ve geri kazanmaya fazla önem verilmemesi -Risk alma korkusu -Yerinde çok dikkatli test yapma ihtiyacı -İlk yatırım maliyetinin fazla olması -Yeni teknolojilere olan antisempati -Teknik zorluklar -Mevcut başarılı uygulamaların tanıtımının yetersiz olmasıdır.

Membran Uygulamaları Membranlar günümüzün bir çok kamu sağlığı ve kirlilik kontrolü gereklerine teknolojik bir çözüm getirmektedir. Giderek artan bir şekilde membran teknolojisi aşağıdaki gibi bir çok su arıtma probleminde uygulanmaktadır.   -MF veya UF ile yüzey sularının arıtılması -MF veya UF ardından RO ile su geri kazanılması -RO ile deniz suyundan su elde edilmesi -NF veya RO ile su yumuşatma -RO ile nitrat giderimi -RO veya NF ile renk, TOC, dezenfeksiyon yan ürünleri(DBP) reaktif ara ürünleri giderimi -Ultrasaf su ve yeniden kullanma için endüstriyel arıtma

Membran prosesi özellikle gelişmiş ülkelerde giderek artan bir seviyede kamu sağlığı gerekleri nedeniyle tercih edilmektedir. Organik maddeler içeren suların klorlanmasıyla oluşan trihalometanlar, ozon uygulanan tesislerde bromidin oksidasyonu ile oluşan bromatlar ve klorlamaya dirençli cryptosporidium ve giardia organizmaları, son yıllarda içme suyu kalitesi ve kamu sağlığı koruması ile ilgili gündemin önemli maddeleri arasındadır. Mikron boyutundaki organizmalar ve partiküller için fiziksel bir engel oluşturan MF ve UF membranlar özellikle yeni çevre yönetmeliklerinin devreye girmesiyle yaygınlaşmaya başlamıştır.

Arıtma hedefi sadece partikül giderimi ise ilave bir proses olmadan membranlar direkt filtrasyon işlemi ile yüksek kalitede çıkış suyu sağlarlar. Ancak birçok durumda tat ve koku problemlerine yol açan bileşikler, klorla reaksiyona girip THM oluşumuna neden olan organik maddeler gibi birçok çözünmüş kirleticilerin giderilmesinde gereklidir. Bir çok çözünmüş madde MF ve UF filtrelerde tutulamamakla birlikte membran tesisleri ilave diğer proseslerle birlikte birden fazla arıtma hedefi için dizayn edilebilirler.

Membranlar özellikle alanın kısıtlı ve pahalı olduğu atıksu arıtma uygulamalarında bio-reaktör (MBR) olarak kullanılmakta ve son çöktürme tankları ve çamur geri dönüş pompalama sistemlerine ihtiyacı ortadan kaldırmaktadır. Membran prosesi arıtılmış sudaki virüs, bakteri ve askıda katı maddeleri konvansiyonel arıtma prosesleriyle elde edilemeyecek kadar düşük seviyelere indirebilmektedir. Bu nedenle tersiyer arıtma işlemine gerek kalmamaktadır. Ayrıca geri kazanma ve yeniden kullanma uygulamalarında membranlar büyük önem kazanmıştır.

Geçmişte membran üniteleri yaklaşık 20 cm çapında basınçlı tankların içine monte olarak imal edilirken, son yıllarda su ve atık su uygulamaları için beton tankların içine monte edilebilen su içinde çalışan (submerged) MF sistemleri yaygınlaşmaya başlamış ve bu sayede yüksek kapasiteli uygulamalar için büyük maliyet avantajları doğmuştur. Membran proseslerinin performansı çok sayıda proje ile kanıtlanmıştır ve uygulamaların artan bir hızla yaygınlaşması beklenmektedir

Membran: İki yığın faz arasında yer alan yarı geçirgen özellikteki ara fazdır. Bu bariyer moleküllerin membran içindeki hareketlerini sınırlandırabilir. Yarı geçirgen yapı, bir ayırma işleminin gerçekleşmesini sağlamak için gereklidir.

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

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.  

Membran ya homojen, ya da fazların heterojen olarak toplanmasından meydana gelir. Membran faz aşağıdakilerden birisi veya bunların kombinasyonu olabilir. Gözeneksiz katı Gözeneklerinde bir akışkan (sıvı veya gaz) taşıyan mikro veya makro gözenekli katı İkinci bir fazlı veya fazsız bir sıvı faz Jel

MEMBRANLAR Seçici bir şekilde ayırmanın ve taşınımın gerçekleştirildiği engeller olarak tanımlanabilir. Ayırma işlemi, Membranın kimyasal ve fiziksel doğasıyla belirlenmekte Basınç farkı Derişim (Kimyasal potansiyel) farkı Elektriksel potansiyel farkı Sıcaklık farkı parametrelerinden biri veya kombinasyonlarıyla oluşturulan itici kuvvetlerle gerçekleştirilmektedir.

Ayırma işlemini: Gözenekli membranlar: boyut, şekil ve yük ayırımına Gözeneksiz membranlar: sorpsiyon ve difüzyon modeline göre kontrol ederler Membran performansı: Seçicilik Akı parametreleriyle belirlenir.

Membran prosesleri Destilasyon gibi geleneksel ayırma prosesleriyle yarışabilen veya onlarla birlikte hibrit olarak kullanılabilen, genellkle düşük enerji gerektiren ayırma prosesleridir.

Membran kullanımının amaçları: Saflaştırma Derişiklendirme Fraksiyonlara ayırma Bir membran ayırma sisteminde: Girdi akımını permeate ve retentat olarak adlandırılan iki akım mevcuttur. Permeate: Yarı geçirgen membrandan geçen akışkan kısım Retentat: Akımı membrandan geçemeyen kısım.

Kullanılan membranın kalınlığı mikron seviyesinden birkaç milimetreye kadar değişebilir.

Gelişimini tamamlamış ve endüstriyelleşmiş membran prosesleri Mikrofiltrasyon (MF) Ultrafiltrasyon (UF) Nanofiltrasyon (NF) Ters Ozmoz (RO) Dializ/Elektrodiyaliz (ED)

Endüstriyel uygulamalarının yanısıra, laboratuar ve pilot ölçekte gelişimine devam edenler Pervaporasyon (PV) Gaz karışımlarının ayrılması, kolaylaştırılmış taşınım, Membran kontaktörler (sıvılardan gazları ayırma)

Ayırma mekanizmaları Molekülsel eleme prensibi (MF, UF, NF) Gözenek boyutu çok küçük olduğundan membranı oluşturan zincirlerin ısıl hareketine (RO) Sulu çözeltilerden iyonların ayrılması için itici kuvvet elektriksel potansiyel farkı (ED)

Şekil 1. RO, NF, UF ve MF proseslerinin parçacık çapları ve basıncına göre karşılaştırılması

MF dan RO a gidildikçe ayırmada yük ve kimyasal benzeşme gibi kriterler öne çıkmakta ve dolayısıyla işletme parametrelerinde değişme meydana gelmektedir. MF düşük basınçlarda yüksek geri kazanım sunduğu halde RO yüksek basınçlarda dahi düşük geri kazanım göstermektedir.

Şekil 2. Bazı membran ayırma prosesleri

Ters osmoz: Membran prosesleriyle meyve sularının berraklaştırılması ve derişikleştirilmesi Deniz suyundan içme suyu eldesi Endüstriyel atık suların arıtılması Elektrodiyaliz: Acı su tuz giderme Protein çözeltilerinin derişikleştirilmesi (Ultrafiltrasyon-UF) Su ve atık su işlemleri (UF ve mikrofiltrasyon MF) Kolloid süspansiyonların saflaştırılması, protein üretiminde fermentasyon besiyerinden hücre geri kazanımı, substrattan bakteri ayırma, Şarap berraklaştırma (MF)

Şekil 3. Membran ayırma proseslerinin endüstrideki uygulamaları