SIVI MEMBRANLAR

Emulsiyon Tipi Sıvı Membranlar

Emülsiyon sıvı membran prosesleri, diğer membran proseslerinden farklıdırlar. Membran, emülsiyon konfigürasyonunu içeren sıvı fazdır. Yüzey Aktif Sıvı Membran veya Sıvı Yüzey Aktif Membran olarak da adlandırılır. Emülsiyon sıvı membranlar esas itibariyle Su (water) / Yağ (oil) / Su (water) (W/O/W) sistemleri veya Yağ / Su / Yağ (O/W/O) sistemlerinden oluşan çift emülsiyondurlar. W/O/W sistemleri için, iki sucul fazı ayıran yağ fazı sıvı membrandır. O/W/O sistemlerinde, sıvı membran iki yağ fazı arasında bulunan su fazıdır.

Sıvı membran ayırma tekniğinin Li tarafından 1968 yılında ilk keşfinden sonra bu teknik bir çok farklı bileşenin ayrılmasında kullanılmıştır.

Emülsiyon sıvı membran teknolojisinde madde veya kirleticiler giderilmekle kalmaz aynı zamanda konsantre edilirler. Toksik maddeleri çok düşük seviyelere indirme potansiyeline sahip olduğundan ideal bir biçimde atıksu arıtımına uygundur.

Bir ayırma tekniği olarak emülsiyon sıvı membran prosesi: Hidrokarbonların fraksiyonlanmasında, Çevre mühendisliğinde, Hidrometalurji, İlaç mühendisliğinde, Biyoloji ile ilgili mühendisliklerde yaygın bir şekilde kullanılır.

UYGULAMALARI 1-Metallerin ekstraksiyonu Bakırın ekstraksiyonu Uranyum ekstraksiyonu Nadir toprak metallerin geriye kazanilmasi ve zenginleştirilmesi Ağır metallerin geriye kazanılması 2- Atıksu Arıtımı Toksik organiklerin giderilmesi (Fenol, krezoller...) Ağır metallerin giderilmesi(Pb, Cr,Zn, Hg,....) Anyonların giderilmesi

3. Biyokimyasal ve Biyotıp uygulamaları Antibiyotiklerin ayrılması ve zenginleştirilmesi Proteinlerin ayrılması ve zenginleştirilmesi Organik asitlerin ayrılması ve zenginleştirilmesi Aşırı dozda alınan ilaçlara karşı acil tedavi (Aspirin, Barbituratlar,...) Kronik ürenin tedavisi Biyolojik sıvı membran reaktörleri

4. Kimyasal reaksiyonlarda 5. Hidrokarbonların ayrılmasında Olefinler, alkanlar Aromatik-alifatik Lineer-dallanmış hidrokarbonlar 6. Gaz karışımlarının ayrılmasında Hava Asit gazlar Hidrojen/Metan 7. Kimyasal sensör

Değişik tür ayırmalar şu şekilde özetlenebilir:   Viskoz fiber endüstrisi atıksularından ve sulardan çinko giderimi Su ve atıksulardan fenol giderimi Eloktro kaplama solüsyonlarından ve sulardan nikel geri kazanımı Metalurji tesisleri atıksularından çinko, kadmiyum, bakır, kurşun gibi ağır metallerin giderimi Katı atık yakma tesislerinde meydana gelen çinko, kadmiyum, bakır, kurşun ve civa gibi ağır metallerin giderimi Atıksulardan çinko, kurşun, kobalt, nikel, krom, kadmiyum, bakır ve civa gibi ağır metallerin giderimi

Atıksulardan amonyak ve hidrojen sülfür giderimi Maden yıkama suyu ve sıvı solüsyonlarından uranyum ve gümüş geri kazanımını içeren hidrometalurjik ekstraksiyon uygulamaları; bakır, krom ve kobalt ekstraksiyonu, toprak metallerinin geri kazanımı Atıksulardan sodyum, potasyum, lityum ve sezyum gibi alkali metal katyonlarının giderimi Su ve atıksulardan asetik ve propiyonik asitler, krezoller ve hidrosiyanik asit gibi organik ve inorganik asitlerin giderimi Atıksulardan fosfat, kromat, klorür ve sülfat gibi anyonların giderimi Fermantasyon besiyerinden amino asitler, antibiyotikler ve fosfolipitlerin ayırımı ve laktik, sitrik, akrilik ve asetik asit gibi organik asitlerin geri kazanımını içeren biyokimyasal proses uygulamaları Hidrokarbonların fraksiyonlanması Lantanoidlerin ekstraksiyonu

Potansiyel Avantajları Yüksek ayırma Faktörleri Yüksek Kütle Akısı Çok yüksek selektivite Pahalı ekstraktantların kullanılabilmesi Yüksek besleme/sıyırma hacim oranları Konsantrasyon gradyentine karşı ayırma ve zenginleştirme Düşük yatırım ve işletme maliyetleri

EMÜLSİYON SIVI MEMBRANLAR Karışımların ayrılması sıvı membran içerisinden daha düşük konsantrasyondaki sıvı bir komponentin selektif difüzyonu gerçekleştirilir. Tek bir kimyasal komponent daha sonra giderilme veya geriye kazanmak için iç faz içerisinde tutuklanarak konsantre hale getirilebilir .

Bir ELM prosesi, iki birbirine karışmaz faz arasında bir emülsiyon oluşturulması ve ekstraksiyon için bu emülsiyonun üçüncü bir faza (sürekli faz) disperse edilmesiyle hazırlanır.

Atıksu ve emulsiyon arasındaki temas esnasında, çözünmüş madde taşınımı membran fazdan konsantre edildiği iç alıcı faza doğru meydana gelir. Böylece ekstraksiyon ve tekrar ekstraksiyon (sıyırma) tek bir adımda yürütülmüş olur. Emulsiyondan Çikan suyun yerçekimi etkisiyle çöktürülmesinden sonra çözünmüş maddenin geri kazanımı için emulsiyonun kırılması işlemi yürütülür. Emulsiyonu kırmak suretiyle iç fazda konsantre edilen madde geri kazanılmaktadır. Sistemin işleyişi Şekil 6 da gösterilmektedir.

EMÜLSİYON SIVI MEMBRANLARIN GENEL TANIMI Emülsiyon sıvı membranlar (ELM) genelde; DIŞ MEMBRAN ve İÇ olmak üzere üç fazdan meydana gelir. Dış faz ekstrakte edilecek maddeyi içerir. Membran faz fiziksel olarak dış ve iç fazı birbirinden ayırır. İç faz veya alıcı faz ise dış fazdan alınmış olan maddeyi geri difüze olamayan formlarına çevirir.

YÖNTEM: EMÜLSİYONUN HAZIRLANMASI BESLEME FAZINDAN İÇ FAZA KÜTLE TRANSFERİ EMÜLSİYONUN PARÇALANMASI

Membran faz Taşıyıcı Çözücü Yüzey aktif madde

Emülsifikasyon, iç faz ve membran fazın yüksek hızla karıştırılmasıyla gerçekleştirilir. Dış faz ve emülsiyon arasındaki temas esnasında (dispersiyon) kirletici, konsantre edildiği iç faza membran fazdan geçerek transfer olur (ekstraksiyon). Emülsiyonun yoğunluk farkından kaynaklanan ayrımından sonra (çökeltme) emülsiyonun çeşitli yöntemlerle parçalanması (demülsifikasyon) gerçekleştirilir. Proses sonunda membran faz tekrar kullanılır ve alıcı faz - arıtılan madde ile zenginleşmiş - geri kazanılır.

ELM ekstraksiyonunda iyi bir emülsiyon stabilitesi sağlamak için emülsiyon fazdaki kürecik çaplarının 1µm-3µm arasında olması gerekir. Ekstraksiyon işlemi esnasında sürekli faz ile emülsiyon fazın karıştırılmasıyla çok sayıda küçük küreler oluşur. Kürelerin boyutu, emülsiyon fazdaki yüzey aktif madde özelliği ve konsantrasyonuna emülsiyon faz viskozitesine, karışma şiddetine bağlıdır. Genellikle küre çapları 100 µm-2000 µm aralığında tutulur. Böylece çok sayıda emülsiyon küresi sürekli fazda çok büyük kütle transfer alanı meydana getirir. Her bir emülsiyon küresi içinde bir çok kürecik bulunur dolayısıyla iç faz kütle transfer alanı (106 m2/m3) dış faz kütle transfer alanından daha büyüktür. Böylece, ELM prosesinde, hem dış fazdan iç faza hem tam tersi hızlı bir kütle transferi gerçekleşir. 

Atıksu ve emülsiyon arasındaki temas esnasında, çözünmüş madde taşınımı membran fazdan, konsantre edildiği iç alıcı faza doğru meydana gelir. Böylece ekstraksiyon ve tekrar ekstraksiyon (sıyırma) tek bir adımda yürütülmüş olur. Emülsiyondan çıkan suyun yerçekimi etkisiyle çöktürülmesinden sonra, çözünmüş maddenin geri kazanımı için emülsiyonun kırılması (demülsifikasyon) işlemi yürütülür [9]. Emülsiyonu kırmak suretiyle iç fazda konsantre edilen madde geri kazanılabilmektedir.

ÖNEMLİ PARAMETRELER BESLEME / İÇ FAZ HACİM ORANLARI BESLEME KONSANTRASYONU BESLEME VE İÇ FAZLARIN pH ‘LARI YÜZEY AKTİF MADDE KONSANTRASYONU EKSTRAKTANT KONSANTRASYONU KARIŞTIRMA HIZI

Selektivite ve kütle akısı bir membran işleminde en önemli iki parametredir. Selektif bir ayırma için bir bileşenin membran içerisinden diğerlerinden daha hızlı hareket etmesi gerekir. Bileşenin kütle akısı bu suretle geçirgenliğine bağlıdır. Geçirgenlik (permeabilite) Pi, ile verilir. Burada Di ve Ci sırasıyla i bileşeninin difüzyon katsayısı ve membran içerisindeki çözünürlüğüdür. Selektif ayırma işleminin seçiminde Ci’ lerin farklı olması önemli rol oynar. İ bileşeninin j bileşenine göre selektivitesi αi,j ile verilir.

Destekli Sıvı Membranlar Destekli sıvı membran sistemlerinde; sıvı membran faz, gözenekli bir membran (örneğin mikro gözenekli polipropilen boşluklu fiber) gözenekleri içerisinde yerleştirilmiş organik sıvıdır. Boşluklu membran; sıvı film için bir destek veya çerçeve olarak görev yapar. Bu tip sıvı membranlar hareketsizleştirilmiş destekli membranlar (Immobilised Liquid Membrane, ILM) veya destekli sıvı membranlar (Supported Liquid Membrane, SLM) olarak adlandırılırlar. Sözü edilen membranlar hidrofobik, mikro gözenekli bir membranın uygun organik çözücü ile doyurulması ile kolaylıkla hazırlanabilir.

Sıvı membran faz aynı zamanda taşıyıcı (kompleksleştirici) türleri de içermelidir. Yöntemde mikro gözenekli desteğin kalınlığı, taşıyıcı-madde kompleksinin geçişinin kolaylığını büyük ölçüde etkiler.

Sıvı membran destekleri seçilirken birkaç unsur göz önünde tutulmalıdır. Destek maddesinin yüzey kimyası, boşluk boyutu, boşluğun geçirgenliği ve kalınlığı oldukça önemlidir. Bu yüzden destek maddesi, uygulanan periyot boyunca şişmeyen ve bozunmayan bir madde olmalıdır. Membran hazırlanırken, destek maddesinin boşlukları çözücü (solvent) ve taşıyıcı içeren sıvı membran ile tamamen doldurulur. Kullanılan çözücünün (solventin) yüzey geriliminin, destek materyalinin kritik yüzey geriliminin altında olması daha iyi bir ıslanmayı sağlar. Destek malzemesi olarak genellikle polietilen, propilen, polisülfon ve mikro gözenekli teflon kullanılır [85].

Çeşitli konfigürasyonlarda membran destekleri bulunmaktadır: levha ve çerçeve, spiral sarımlı, borusal ve hallow fiberler. Hallow fiber destekli sıvı membranlar çok yüksek kapasitelerdeki membran modüllerinin çalıştırılabilmesine çok cazip bir çözüm sunarlar. Bu tip modüllerle 1000 m2/m3 kadar yüksek yığma yoğunluklarına erişebilir.

Çapraz faz akışlı hallow fiber iletkeni

Düz levha destekli sıvı membranlarda taşınım mekanizması genel olarak aşağıdaki basamaklar dizisinden ibarettir: Metal iyonu ve herhangi bir çözünen madde sulu fazdaki difüzyon tabakası boyunca kitlesel (bulk) fazdan membran ara yüzeyine difüzlenir. Taşıyıcı, besleme ara yüzeyindeki çözünen madde ile reaksiyona girer. Çözünen madde ile kompleks yapan taşıyıcı, membran boyunca difüzlenir. Çözünen madde ve taşıyıcı sıyırma ara yüzeyinde serbest hale geçer. Serbest hale geçen çözünen madde (metal iyonu gibi) sıyırma ara yüzeyinden sulu fazdaki difüzyon tabakası boyunca kitlesel faza difüzlenir. Taşıyıcı, ara yüzeyden membran boyunca geriye difüzlenir.

Destekli sıvı membranlarda emülsiyon hazırlanması ve parçalanması olayları olmadığından, destekli sıvı membranlar emülsiyon tipi sıvı membranlara göre üstünlük sağlar. Destekli sıvı membranların avantajları; düşük işletme maliyeti, tek adımda gerçekleşmesi, sistemin seçiciliği ve esnekliği sayılabilir. Buna karşılık birim hacimdeki membran yüzey alanının daha az olmasıyla birlikte, gözenekler içerisindeki taşıyıcı ile çözücünün belirli zaman içerisinde boşalarak membranın etkinliğini kaybetmesi en önemli problemi oluşturur .

Dezavantajları arasında çözücü (solvent) kaybı meydana gelebilmesi, basınç farkıyla desteğin boşluk yapısının bozulması, yine basınçtan dolayı taşıyıcının boşluklu yapıdan geçebilmesi, taşıyıcının kaybı olarak sayılabilir. Son yıllarda tüm dezavantajların giderilebilmesi ve tekniğin geliştirilmesi amacıyla yapılan çalışmalar hızla artmaktadır.

Destekli sıvı membran