Membran filtrasyon teknolojisi son yıllarda kullanılan avantajlı su arıtma teknolojilerinden biridir. Son yirmi yılda geliştirilen membran prosesleri sayesinde düşük kalite suların güvenilir, emniyetli ve ekonomik olarak kullanımının mümkün olduğu kanıtlanmıştır (Malgorzata, 2005).
Mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF) ve ters osmoz gibi membran prosesler içme suyu arıtımında DOM ve partikül gideriminde kullanılmaktadır. NF ve ters osmoz membranlar yüksek bir giderim sağlarken, MF ve UF membranlar küçük boyutlarda (özellikle<8 kDa) düşük giderim oranı verirler (<%10) ancak koagülant ve adsorban eklenmesi bu mebranların giderim verimini artırmaktadır. NF ve ters osmoz membranlar daha fazla enerji tüketimi ve yüksek basınç gerektirirler ve membran kirliliğine elverişlidirler (Choo ve ark., 2008).
MF, UF ve düşük basınçlı membran teknolojileri doğal sulardan bakteri, bulanıklık ve partiküllerin gideriminde etkilidir. Ancak yalnız başına kullanıldıklarında DYÜ öncüleri olan DOM’ları gidermek için yeterli değildirler ayrıca yeteri kadar renk gideriminde etkili olmadığı ve organik kirlilik problemiyle karşı karşıya oldukları bilinmektedir.
Bu membranlarla, üretilen su kalitesi kadar membran performansını da artırmak, herhangi bir organik kirliliği azaltmak ve DOM’ları etkili bir şekilde gidermek için toz aktif karbon (TAK)-UF, koagülasyon-UF-MF, demir oksit adsorpsiyonu-UF ve membranlarla kombine edilmiş çeşitli fotokatalitik sistemler gibi çok çeşitli hibrit membran prosesleri içeren fiziksel ve kimyasal teknikler uygulanmaya başlanmıştır (Korbutowicz, 2005). Tomaszewska ve Mozia (2002), TAK-UF sistemin hem düşük hem de yüksek molekül ağırlıklı organik bileşikleri gidermede oldukça etkili olduğunu belirtmişlerdir ve düşük molekül ağırlıklı humik asit gibi UF ile yalnız başına giderilemeyen organiklerin giderilebilmesi için toz aktif karbon kullanılmıştır.
Demir oksit kaplı-UF membran sistemler de organik maddelerin gideriminde denenmiş bir diğer prosestir. Ultrafiltrasyona eklenen demir oksit hem DOM giderimi sağlamakta hem de membranı koruyarak demir oksit adsorpsiyonu ile membran akışına katkıda bulunmaktadır. DOM ve demir oksit partikülleri arasındaki bağlar geri yıkama ile kolaylıkla ayrılabilmekte ve alkali pH’da kolaylıkla rejenere edilebilmektedir. Demir oksit partiküllerinin çok fazla eklenmediği sürece membran yüzeyinde birikerek kalmak ya da sulu çözeltide askıda kalmak gibi problemlere yol açmadığı belirtilmektedir (Yaoa ve arkadaşları, 2009).
Membran filtrasyondan önce koagülant kullanmak partiküler DOM giderimi için iyi bir seçenektir. Koagülasyon ön arıtımı flok boyutunu azaltır dolayısıyla kek geçirgenliği artar. Bu etkiler tamamen koagülasyon koşullarına bağlı olmakla beraber adsorbent ve koagülantla birleşmiş membran sistemlerde harcanan adsorbentler, rejenerantlar ve kimyasal çamur gibi artık materyaller mevcuttur bu durum da ayrıca çözümlenmesi gereken bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır.
Membranlarla kombine edilmiş heterojenlenmiş fotokatalitik degredasyon prosesler de DOM gideriminde bir diğer alternatif olarak kullanılabilmektedir. TiO2 partikülleri yüksek fotokatalitik aktivitelerinden ve toksik olmayışından dolayı fotokatalizör olarak yaygın olarak kullanılmaktadır ve organik maddeler etkili bir şekilde CO2 ve H2O ‘ya mineralize olmaktadırlar.
Yaoa ve arkadaşları, (2009) çeşitli seviyelerde ÇOK ve kolloid içeren yüzey suları için yaptıkları bir çalışmada membran vasıtasıyla reaktörün içine yerleştirilmiş fotokatalitik membran reaktörleri başarılı bir şekilde kullanmışlardır. Yüksek adsorplama kapasitesine sahip demir oksitle kaplı MF membran ve TiO2 ile fotokataliz membran performanslarını ve membran kirliliğini karşılaştırmışlar, demir oksit kaplı membran sistemin nispeten büyük boyutlu partiküllerden kaynaklanan membran kirliliğini kontrol altına aldığını tespit etmişler ve küçük boyutlu kolloidlerin membran yüzeyinde yarattığı tabakalaşmanın da geri yıkamayla neredeyse tamamen geri çevrildiğini rapor etmişlerdir.
Fotokataliz arıtımdan önce bir ön arıtımla kolloidlerin giderilmesiyle demir oksit partikülleriyle kaplı katmanın özellikle ÇOK seviyesi çok yüksekken membran kirliliğini azaltmaya yardımcı olduğunu ve bu durumun demir oksit partikülleri katmanlarının sorpsiyonla organikleri gidermesinden ve fotokatalitik membran sistem boyunca sürekli olarak rejenere edilmesinden kaynaklandığını belirtmişlerdir.
Ancak kolloid içeren gerçek yüzey sularının arıtımında demir oksit kaplı membranların her zaman etkin olmayacağı, bu sistemlerin etkinliğinin tamamen kolloid partiküllerinin boyut dağılımı gibi karakteristiklere bağlı olarak değişim gösterebileceği not edilmiştir.
Choo ve ark. (2008), batık fotokatalitik membran reaktör kullanarak DOM giderimi ve membran kirliliği kontrolü çalışmaları yapmışlardır. Batık fotokatalitik membran reaktörde ferrihidrit (5Fe2O3.9H2O) ve TiO2 yüzeyindeki DOM ve humik asitlerin adsorpsiyon ve desorpsiyonu araştırılmıştır. Ferrihidrit partiküllerinin eklenmesinin TiO2’den salınan DOM’un sorpsiyon mekanizmasıyla giderilmesine yardımcı olduğu belirtilmiştir.
Herhangi bir fotokatalitik aktivite olmaksızın ferrihidritin UV ışığı ile dağılmasını engellemek için, ferrihidrit partikülleri batık mikro filtrasyona eklenmiştir. Batık fotokatalitik membran reaktördeki ferrihidritin ve TiO2’in sinerjik etkisinden dolayı DOM gideriminin arttığı belirtilmiştir. Fotokatalitik dekompozisyon olduğu sürece, 25 l/m2 saat’ten daha daha büyük akış hızlarında hiçbir membran kirliliği oluşmamıştır.
Rubai ve ark. (2008), tarafından yapılan bir çalışmada DOM ve trihalometan oluşum potansiyeli (THMOP) giderimi UF ve NF membranla değerlendirilerek farklı materyallerden oluşan beş tip membran ve on farklı doğal su kaynağı çalışılmış, ÇOK, UV254, ve THMOP ölçümleri yapılarak, analiz edilen suyun hidrofobisitesini değerlendirmek için de SUVA değerleri kullanılmıştır. DOM ve THMOP gideriminin boyut dışlama kromotografisi (SEC) ile belirlenen DOM’un molekül ağırlığı ile ilişkili olduğu, akış azalmasının ise katyon konsantrasyonu ile ilişkili olduğu belirtilmiştir.
SEC (ortalama 922 g/mol) ile belirlenen ortalama molekül ağırlığı ile ilişkili olduğu belirtilerek UF membranda farklı su kaynakalarında DOM giderimi (%30-85), NF90 ve NF270 membranlara kıyasla düşük bulunmuştur. Tüm su kaynakları için DOM gideriminin NF90 ve NF270 membran ile %70-95 civarında olduğu belirtilmiş ve THMOP gideriminin membranın geçirgenliği ve hidrofobisitesi ile ilişkili olduğu ve NFT50 membran ile çok daha hidrofobik suların THMOP gideriminin neredeyse %100’e ulaştığı rapor edilmiştir.
Lee ve Cho. (2004), doğal sulardan organik madde gideriminde seramik membranlarla polimerik membranları karşılaştırmışlardır. Seramik membranlar, polimerik membranlara göre daha yüksek geçirgenlik sergilemiş ve DYÜ öncülerini gidermede çok daha etkili oldukları belirtilmiştir.
NF membran teknolojisi de yeraltı ve yer üstü kaynaklarından içme suyu eldesinde, DOM gideriminde son on yılda artarak uygulanmaya başlanmıştır. UF membranlar bir süzme mekanizması ile DOM giderimi sağlarken bu prosesle beraber uygulanan ön koagülasyon arıtımı membran dayanımını ve DOM giderimini iyileştirmektedir.
NF membranlar adsorpsiyon ve elektrostatik itme gibi fiziksel-kimyasal etkileşim ve boyut farkı kombinasyonu ile DOM giderimini etkili bir şekilde gerçekleştirebilmektedir. Bu proses kaliteli ve sürekli içmesuyu elde etmek için kullanılabilir. Düşük kimyasal ihtiyacı, yüksek geri kazanım (85-90%) ve yaklaşık 300g/mol molekül ağırlığına kadar olan maddeleri tutan NF membranlar ile neredeyse (>%90) DOM giderimi/rejeksiyonu gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca NF membranlar sadece yüzey sularından DOM gidermekle kalmaz mikro boyutta tehlikeli kirleticileri (pestisitler, toksinler, endokrin kesiciler vb) ve çok değerlikli iyonları da tutarlar.
DOM; DOM’un yükünü etkileyen çeşitli fonksiyonel guruplara sahip makro moleküllerden oluşmaktadır. Sistemlerdeki olumsuz etkilerin azaltılması ve membranların optimizasyonu için sadece giderilen DOM’ların miktarı değil DOM’un karakteristiği (Molekül
Ağırlığı (MA) ve hidrofibisitesi) de göz önünde bulundurulmalıdır. MA ve MA dağılımı DOM’larda önemli bir faktördür, çünkü DYÜ oluşumuyla yakından ilişkilidir (Rubai ve ark. (2008). Kombine MF sistemler son zamanlarda gittikçe yaygınlaşmaktadır.
Ancak tüm membran prosesler akışın azalmasına ve proses maliyetinin artmasına sebep olan konsantrasyon polarizasyonu ve kirlilik gibi problemlerle karşı karşıya kalmaktadır. Bunları azaltmak için besleme çözeltisi ön arıtımı, hidrodinamik yöntemler, membran modifikasyonları, temizleme ve elektrik kuvveti uygulama gibi çeşitli metotlar önerilmektedir.
Besleme çözeltisinin ön arıtımı ya kum filtrasyonu gibi fiziksel ya da pH ayarlaması, koagülasyon ve aktif karbon adsorpsiyonu gibi kimyasal yöntemler uygulanarak gerçekleştirilmektedir. Hidrodinamik metotla membran yüzeyinde türbilans yaratarak geri taşınım hafifletilebilir ve kirilik önlenebilir.
Membrana elektrik gibi dış güçler uygulanarak çözelti ve membran yüzeyi arasında yük etkileşimi yaratıldığında konsantrasyon polarizasyonu ve kirliliği azaltmak mümkün olmaktadır. Yukarıdaki yaklaşımlar membran yüzeyine humik maddelerin bağlanmasını engelleyerek kirliliği azaltmak yönündedir.
Humik maddelerin yük özellikleri ve membran yüzeyi membran kirliliğinde anahtar rolü oynamaktadır. Sonuç olarak bir elektrik alanı uygulaması humik maddeler tarafından oluşturulan membran kirliliğini azaltmak için potansiyel bir çözüm sağlayabilmektedir.
Weng ve ark. (2006), labarotuvar ölçekli bir elektro-mikrofiltrasyon modülü kullanarak yaptıkları bir çalışmada humik madde giderimi sağlamışlar ve nükleer manyetik rezonans analizlerinde aromatik ve alifatik fonksiyonlu guruplarda önemli oranda azalma olduğunu belirlemişlerdir. MF ile elektrik kuvvetinin kombinasyonu hümik madde giderimini artırarak membran da akış azalmasını azaltmıştır.
Günümüzde içme suyu üretiminde membran teknolojiler arasında UF gittikçe cazip bir hal almaktadır ve daha güvenilir bir arıtma alternatifi olarak ilgi sürekli artmaktadır. UF’nin tam kapasiteli uygulamaları Avrupa’da ve Amerika’da çok yaygındır. Gelişmiş ülkelerin haricinde gelişmekte olan ülkelerde de içme suyu üretiminde UF önemli bir paya sahiptir.
NF, UF ile ters osmozun arasında molekül ağırlığı limitindedir. Daha az işletme basıncı gerektirdiği için ters osmozdan, çok değerlikli iyonları ve daha küçük organikleri tuttuğu için UF’dan daha etkilidir. NF teknolojisinin doğal organik maddelerin gideriminde oldukça etkili olduğu kanıtlanmıştır. NF membranla çeşitli mikrokirleticilerin tutulduğu araştırmacılar tarafından belirtilmiştir (Owen ve ark. 1995).
Daha düşük maliyet, nispeten daha az membran kirliliği ve basit işletme koşulları gibi avantajları nedeniyle NF çeşitli geleneksel yöntemlerin yerini almaktadır. Bazı araştırmacılar membran maliyetinin 20.000 m3/gün’den küçük kapasiteli tesisler için geleneksel yöntemlerden daha az olduğunu belirtmişlerdir.
Ancak halen günümüzde NF membranın giderim mekanizmasıyla ilgili bilinmeyen çok şey vardır. Hidrofobisite, membran yükü, membran gözenek boyutu, kirlilik potansiyeli ve sıcaklık dayanımı gibi birçok membran özellikleri filtrasyon prosesini etkileyen önemli faktörlerdendir. Dipol momenti, hidrofobisite gibi çözeltinin özellikleri de membran yüzeyindeki etkileşim ya da adsorplamayla ayrılma verimliliğinde etkilidir.
Çözeltide boyut ve yük gibi iki ana alıkonma mekanizmasının etkileri membran bilim ve teknolojisinde tartışılan en önemli konulardandır. Yüklü membran yüzeyi ve elektrostatik süzüntü arasındaki etkileşimle, yüksüz çözeltilerde membran gözenek boyutu ve süzüntü (permeate) gözenek boyutu arasındaki ilişkiye dayanan boyut farkına dayalı ayırma ana mekanizmadır.
Ancak bu iki mekanizmanın NF membran teknolojisine katkısı içerilen parametrelerin belirsizliği sebebiyle tam anlamıyla değerlendirilemez. NF ayırma performansı genellikle çoğu araştırmacı tarafından ancak çeşitli modellerle tanımlanarak değerlendirilir (Lin ve ark., 2007).
Lin ve ark. (2007), iki ticari nanofiltrasyon membranla çalışma yapmışlardır (NF70 ve NF270). Küçük THM öncüsü olarak resorcinol, phloroglucinol ve 3-hydroxybenzoik asit gibi üç model bileşik ve karşılaştırma yapabilmek amacıyla da DYÜ öncüsü olarak tannik asiti seçmişlerdir.
Farklı pH değerlerinde membran yüzey yükü değerlerini hesaplamak için akış potansiyelini ölçmüşlerdir. Genel olarak NF270 membranın NF70 membrana göre daha iyi akış oranına sahip olduğu görülmüştür.
Chang ve ark. (2009), NF membran performansını belirlemek için ham su, UF ile ön arıtımdan geçmiş su ve koagülasyon ve sedimentasyondan sonra kum filtresiyle arıtılmış su olmak üzere üç farklı numuneyle çalışma yapmışlardır. Kum filtrasyonu-NF kombinasyonu, arıtma prosesi olarak önerilmiştir, çünkü UF-NF kombinasyonundan daha az enerji tüketimi olduğu ve daha çok DOM giderimi gerçekleştirildiği rapor edilmiştir.
ÇOK giderim veriminin çapraz akış hızından etkilenmediği ancak, daha düşük çapraz akış hızında (0,15 ms-1) organik maddenin gideriminin, daha yüksek çapraz akış hızına (0,30 ms-1) göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Deneysel sonuçlar birleştirildiğinde, 690 kPa trans membran basıncında ve 0,30 ms-1 çapraz akış hızında %94 ile oldukça yüksek bir ÇOK giderimi gerçekleştirildiği belirtilmiştir.
Yorum yap