Ters Ozmoz ve İyon Değiştirici Teknolojileri Kombinasyonu ile Su Arıtımı Tasarımı

Günümüzün modern dünyasında su arıtımı, istenen çok sıkı şartları sağlayan kalitede veya düşük maliyetle üretilen suya duyulan ihtiyacı karşılayabilmek amacıyla son derece teknik, yüksek performansa sahip arıtma ürünlerine ihtiyaç duymaktadır. Bununla birlikte, istenilen su kalitesini elde edebilmek için çoğunlukla birden fazla ayırma teknolojisi uygulanmaktadır. Bu gelişim, LANXESS’in Almanya Bitterfeld’deki yeni üretim tesisinde Lewabrane RO membran ve membran komponentleri üretimini başlatmasına neden oldu.

Ters Ozmoz Membranları

Ters ozmoz membranın ana yapısı, bir ince kompozit film membrandan ibarettir (Şekil 1). Bariyer (veya tutma) tabakası 0.1 μm kalınlıkta bir poliamid tabakası olup, polisülfondan yapılmış bir alt tabanla desteklenmektedir. Poliamid tabaka bir polimerizasyon prosesi ile oluşturulmuştur.

Bu prosesle üretilen ince film kompozit membranlar 30 yılı aşkın süredir kullanılır olmasına rağmen, en son teknoloji, şimdi polimerizasyon prosesinin daha doğru biçimde kontrolünü mümkün kılmaktadır. Membranı geliştiren ekibimiz buna uygun olarak yoğun bir şekilde poliamid tabakanın polimerizasyon derecesini artırmaya odaklandı. Daha yüksek bir polimerizasyon derecesi, daha fazla dayanıklılık sağlayarak ince film tabakanın mekanik ve kimyasal stabilitesini iyileştirmektedir. Buna ek olarak, membran yüzeyindeki negatif yük azaltılır. Böylece yüzeydeki katyonik adsorpsiyon, yani fouling miktarı da azaltılmış olur.

Bir poliamid membranın yüzeyi, kimyası gereği genel olarak negatif yüke sahiptir. Bu nedenle de giderilmesi son derece zor olan bir katyonik fouling ile karşı karşıya kalınır. Demir ile oluşan fouling, en tipik fouling örneğidir. Demir klorür (FeCl3), ön arıtma sistemlerinde sıklıkla kullanılan bir flokülasyon kimyasalıdır. Çok kısa bir süre boyunca yüksek dozlama yapıldığında bile RO membran yüzeyinde geri dönüşümsüz fouling ortaya çıkar. Demir klorür dozajının çok iyi bir şekilde ayarlanması dışında en iyi seçenek, foulingi azaltan daha düşük negatif yüzey yüküne sahip membran yüzeyidir.

Membrandaki kompozit ayırma tabakası, RO ile filtrasyon işleminin en önemli parçasıdır. Kullanılmadan önce, bu önemli bileşen bir cihaz içine monte edilir ve RO modülü olarak adlandırılır. Spiral sarım RO elemanları için sarım işlemi, dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gereken birçok adımdan oluşmaktadır. LANXESS üretim süreci, mekanik spesifikasyonlara tam uyum sağlaması için RO elemanları dikkatlice üreten son teknolojik düzeydeki robotik ekipmanlar tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu teknolojik gelişim, modern bilgisayar destekli tasarım (computer aided design) imkanları kullanan enstitülerin yardımıyla gerçekleşmiş, böylece mekanik dayanıklılık sağlanmış ve hidrodinamik dizayn optimize edilmiştir (Şekil 2). Bu kritik gelişim prosesi sayesinde, iyileştirilmiş membran kimyası modern bir RO modülü içine monte edilebilmiştir.

Saha Testleri

Yeni Lewabrane®RO B400HR modüllerinin sahadaki ilk testleri Ocak 2012’de başladı. Modüller, ultrafiltrasyon sisteminin arkasındaki 40 m3/saat debi ile Ren Nehri suyunu arıtan mevcut bir RO tesisine yerleştirildi. Altı adet modül, bir basınçlı dış kabın içine monte edildi. RO sistemi, başka bir tedarikçiden sağlanan RO modüllerini barındıran basınçlı dış kapları da içeriyordu. Bu modüller, bir yıl önce monte edilmişlerdi ve Lewabrane® modülleri bunlara paralel kuruldu. Tüm RO sistemi altı modüllü basınçlı kaplar kullanılarak 6:3 dizi ile iki kademeli bir sistem olarak işletildi. Diğer tedarikçiden sağlanan modüller ile kıyaslandığında, Lewabrane® modüller aynı büyüklükte akı değerleri gösterdiler. TOC ve silika tutulumu periyodik olarak ölçüldüğünde, TOC gideriminin yaklaşık % 95-96 ve silika gideriminin % 99,3 civarı olduğu görüldü. Sonuç olarak, yeni Lewabrane®RO modüllerinin aynı işletim şartlarında benzer şekilde davrandığı belirlenmiş oldu.

İyon Değişimi

LANXESS’in RO membran teknolojisini ürün paletine eklemesinin nedeni, ters ozmozun iyon değiştirici (IX) reçineleri tamamlayan bir teknoloji olmasıdır. LANXESS, 70 yıldan uzun süredir iyon değiştirici reçineleri Lewatit® markası adı altında üretmektedir. Genel kural olarak, ters ozmoz yüksek tuzluluğa sahip suları etkin bir biçimde desaline edebilmekte, ancak iyon değiştirici reçineler belirli iyonları seçici bir biçimde giderebilmektedir. Tablo 1’de istenilen permeat kalitesine bağlı olarak hangi filtrasyon tekniğinin uygulanabileceği gösterilmektedir.

Modern arıtım teknikleri olan RO ve IX prosesleri, sadece kazan besleme suyu desalinasyonu uygulamalarında değil, ayrıca deniz suyundan bor giderimi veya geleneksel olmayan gaz kaynaklarından üretilen suyun arıtımı gibi başka uygulamalar için de birarada kombine olarak kullanılabilir. Bu uygulamalar artan çevre bilinci uyarınca su kalitesi ve çevresel etkiler çerçevesinde tartışılmaktadır.

Geleneksel olmayan gaz kaynaklarından su üretimi, dünya çapında giderek artmaktadır. Gaz ile birlikte çıkan suyun arıtımı sadece güç olduğu gibi, aynı zamanda doğaya salınabilmesi için gerekli düzenleyici standartlara da uygun olmalıdır. Böyle düzenlemeler, su arıtma sistemleri tasarımcılarına güçlükler yaşatabilir. Önemli ölçüde farklılık gösterse de, su tipik olarak 2500-10000 mg/L arası TDS değerine, CaCO3 cinsinden 1000-3000 ppm toplam alkaliniteye ve 8-9 pH değerine sahip olabilir. İç bölgelerin çoğu tuz deşarjına hassas olduğundan, su arıtma işleminden gelen konsantre özel bir bertaraf gerektirir. Bu nedenle, atık konsantre miktarını minimuma indirmek, uygulamanın başarısı açısından büyük önem taşımaktadır. Yüksek oranda geri kazanım sağlayan ve düşük kimyasal kullanımı ile işletilen RO sistemleri bu durum için bir çözüm yoludur. Bu hedefe ulaşmak için iyon değiştiricilerle yumuşatmayı içeren bir ön arıtma ve ara aşamadaki arıtma ile oluşturulan üç aşamalı, tek geçişli RO ünitesi bir seçenektir.

Yumuşatma

Yüksek oranda geri kazanım elde etmek için su sertliğinin yumuşatma ile ppb seviyelerine indirilmesi gerekir. Özellikle tuzluluğu çok yüksek olan sularda bunu sağlayabilmek için seçici bir iyon değiştirici (IX) işlemi uygulanır. Bunun bir örneği, tipik olarak tuzlu suların (brackish water) arıtımında RO öncesi, zayıf asidik katyonik reçine (örneğin Lewatit® CNP80) kullanılmasıdır. Başka bir örnek ise doygun brine çözeltilerini bile ppb seviyelerine kadar etkin bir biçimde yumuşatabilen şelat (chelat) reçineleridir. Bu tip reçineler genelde RO’dan çıkan konsantrenin yumuşatılarak tekrar sonraki RO modüllerine aktarılmasında kullanılır. Stronsiyum ve baryum giderimi de önemli olduğu zaman genellikle bir iminodiasetik asit şelat reçinesi (örneğin Lewatit® MonoPlus TP208) seçilir, aksi takdirde ise bir aminofosfonik asit reçinesi (örneğin Lewatit® MonoPlus TP260) tercihen kullanılır.

Bir RO prosesinin ön arıtması olarak genellikle asitli veya antiskalantlı bir kimyasal arıtma uygulanır. Örnekte de verildiği gibi tuzun deşarjının zor olduğu ya da çözünürlük katsayısının (Ksp) doygunluk limitinin çok üstünde kaldığı ve de bu yüzden antiskalantın kullanılamadığı durumlarda iyon değiştiricilerle yapılan yumuşatmanın birçok avantajı vardır (Tablo 2).

Bor Giderimi

Yukarıdaki su arıtma örneğinin aksine bor gideriminde iyon değiştiriciler RO arıtımı sonrasında kullanılırlar. Sadece RO kullanılarak yapılan bor giderimi, pH 9’da gerçekleştirilir. Bu pH’da, bor kısmen negatif yüklüdür ve tutulma oranı, deniz suyu RO modülleri için % 90’a, çok tuzlu su (brackish) RO modülleri için de % 75’e kadar ulaşabilir. Permeatta 0.5 mg/L bor değerinin altına inebilmek için ilk permeatın ek bir RO ünitesinden geçirilmesi gerekir (iki kademeli ya da kısmi iki kademeli sistem). Böyle bir durumda pH ayarlaması ikinci kademe önünde yapılır.

Bu proses için alternatif, iyon değiştiricilerle arıtımdır. Bu teknikle sadece bir iki işletme kurulmuş olmasına rağmen bu prosesin özellikle düşük bor konsantrasyonu (0.3 mg/litre) talep edildiği durumlarda çok net bir takım avantajları vardır. Denizsuyu desalinasyonu yapan bir pilot tesiste, bor seviyesi 0.7 mg/litre’den (RO sonrası) 0.2 mg/litre’ye (iyon değişitiricinin işletme kapasitesi 2.6 g/L) düşürülebilmiştir. İyon değişimi yüksek seçicilikte bir ayırma prosesi olduğundan, esas olarak bor giderilmiş ve reçinenin kapasitesi diğer iyonlar tarafından bloke edilmemiştir. Arsenik ve ağır metal gibi diğer kritik elementleri, RO prosesi sonrasında seçici bir şekilde gidermek için de benzer prosesler kullanılabilir.

İlgili mühendisler iyon değişimi veya ters ozmoz sistemlerinin tasarımı için çoğunlukla üreticilerin özelleştirilmiş yazılımlarını kullanırlar. Temmuz 2012’den bu yana, yeni ve kapsamlı bir yazılım programı olan LewaPlus, Lanxess firmasından temin edilebilmektedir. Bu yazılım, ters ozmoz ve iyon değiştirici hatlarını aynı program içinde hesaplayabilmektedir.

Sonuç olarak, iki kademeli veya IX ardından RO kullanılarak yapılan hibrit sistemler içeren su arıtma tesisi dizaynları bu programla kolaylıkla karşılaştırılabilir; böylece dizaynı yapan mühendis hızlı bir şekilde su arıtma tesisini optimize edebilir. Ayrıca sıcaklık gibi proses değişkenlerinin etkileri hesaplanabilir ve tüm sistem için değerlendirilebilir. RO tesisi dizayn ederken, yazılım girilen bilgiler ışığında mümkün olan bir konfigürasyon önerisinde bulunabilir. Yakın zamanda iyon değiştiricilerle son arıtım, RO dizaynı için maliyet ve enerji hesaplaması gibi güncellemelerin de LewaPlus tasarım programına eklenmesi planlanmaktadır.

RO ve iyon değişimi proseslerinin ekonomik doğrulanmasında (validasyon), konsantre deşarjı genellikle önemlidir. Ancak daha çok besleme suyunun tuz konsantrasyonuyla ilgilenilir. İyon değiştitrici kullanılan demineralize su ünitelerinin spesifik maliyetleri besleme suyunun tuz konsantrasyonuna bağlı olmasına rağmen, RO tesislerin spesifik maliyetleri geniş bir tuz konsantrasyonu aralığında sabittir. Diğer taraftan, RO ile arıtılan suyun spesifik maliyeti çok daha yüksek bir noktadan başlar; böylece kesişim noktası, dizaynı yapan kişiye IX ve RO nun hangi tuzluluk değerlerinde aynı maliyete çıktığını gösterir. Ekonomik validasyon dışında bir proseste RO veya IX seçilmesinin başka nedenleri olabilir. Genel olarak, kritik öncelik kolay kullanım ise RO; yüksek seçicilik önemli ise IX tercih edilir.

Sonuçlar

LANXESS, yakın gelecekte hem IX hem de RO teknolojilerinin büyüme göstereceğine inanıyor. Deniz suyu desalinasyonu beklenen şekilde %12’lik bir artışla, çok tuzlu su (brackish) arıtımı ise daha yavaş bir büyüme gösteriyor. RO membran prosesi açık bir şekilde parlak bir geleceğe sahip. Ayrıca daha verimli ve seçici su arıtma proseslerine artan talep nedeniyle iyon değiştiricilerinin de parlak bir geleceği var. Modern su arıtma teknolojileri, birçok teknolojinin kombinasyonunu gerektirmektedir. Örneğin, UF ve RO gibi farklı membran proseslerinin integrasyonu, RO ve IX ya da RO ve EDI gibi farklı tekniklerin kombinasyonu gibi.

LANXESS, proses mühendisinin düşük maliyetli ve yüksek güvenilirliğe sahip su arıtma tesisi optimizasyonu yapmasına imkan verecek, son teknolojik noktadaki iki proses çözümünü (RO ve IX) öneriyor.