Ters Ozmoz Sistemleri

Ters ozmoz ya da dünyada ve endüstride genel kabul gören ismi ile reverse osmosis arıtma tekniği su içerisindeki iyonları sudan ayrıştırmakta kullanılan membran tabanlı bir su saflaştırma tekniğidir. Bu teknik en basit hali ile içerisinde çözünmüş iyonların bulunduğu suyun yüksek basınç ile özel seçici membranlardan geçirilerek süzülmesi esasına dayanır. Membranlar suyun geçmesine izin verirken diğer iyonlara karşı bir bariyer görevi görerek onların geçişini engeller ve böylece saflaştırma işlemi sağlanır. Günümüz teknolojisinde şu an için fayda/maliyet açısından incelendiğinde özellikle endüstride en ileri arıtma tekniğinin endüstriyel ters ozmoz olduğu rahatlıkla söyleyebiliriz.

Endüstriyel ters ozmoz sistemleri özellikle endüstriyel su arıtma proseslerinde pek çok farklı alanda farklı amaçlarla kullanılıyor. Bu sistemlerinin en çok tercih edildiği alanlar ve prosesler:

• Deniz veya içime elverişli olmayan diğer kaynaklardan içme suyu temini
• Kazanlarda kazan besi suyu arıtma
• Mikroelektronik sektöründe ultra saf su üretimi
• İlaç endüstrisi için yüksek saflıkta su üretimi
• İçecek üretiminde proses suyu arıtımı
• Gıda sektöründe süt ürünleri ve diğer pek çok gıda ürününün üretim proseslerinde
• Endüstriyel atıkların geri kazanımı veya ıslah edilerek doğaya verilmesi uygulamaları

Sanayinin geri kalan tüm alanlarında farklı tasarım özelliklerine sahip sanayi tipi ters ozmoz sistemleri kullanılmaktadır.

Bir ters ozmoz cihazı sadece membran ve pompa bileşenlerinden oluşmaz. Tasarıma göre bir sanayi tipi arıtma cihazı aşağıdaki ekipmanlardan bazılarını veya hepsini içerebilir.

• Kartuş Filtreler
• Yüksek Basınç Pompaları
• Membranlar
• Membran Kılıfları
• Ölçüm Cihazları
• Kontrol Vanaları

Ayrıca çoğu proses bir ön arıtma sistemine ihtiyaç duyabilirsiniz. Genel olarak bir arıtma sisteminde kum filtresi ile birlikte ham su koşulları ve tasarıma göre karbon filtre, su yumuşatma gibi farklı şartlandırma uygulamalarını de kullanmanız gerekebilir.

Kartuş Filtreler

Ters ozmoz uygulamasında sistem genelini ve membran dizilerini kirlilikten korumak için kartuş filtreler kullanırız. Ön arıtma aşamasında oluşabilecek bir hasardan kaynaklı olarak sisteme ulaşabilecek, kum, çakıl, karbon, reçine taneciklerinin pompa ve membranlara ulaşmasını engellemekte ve ön filtrelerden geçen çok daha küçük parçacıkları filtrelemekte en basit ve verimli çözümdür. Ayrıca yine kirliliğe sebep olan makro partiküllerin de membran dizilerine ulaşmasına engel olur. Reverse osmosis cihazlarında kullanılan bu ekipmanlar suda bulunan askıda katı madde, bulanıklık, SDI gibi kirleticileri engellemek amacıyla tasarlanmamıştır. Her ne kadar ozmoz cihazlarında 5 mikron filtrasyon yeteneğine sahip filtreler kullanılsa da bunun amacı sistemin geri kalanını korumaktadır. Bu sebeple yüksek miktarda kirleticilere maruz kalan filtreler hızlıca tıkanacak, bu da işletme şartlarında ek maliyetlere sebep olacaktır.

Uygulamada kullanılacak kartuş filtrelerin sayısı ve boyutları ihtiyaç duyulan akış kapasitesine göre belirlenmektedir. Sanayi tipi ters ozmoz cihazlarında 10inch, 20inch, 30inch ve 40inch boyutlarında çeşitleri bulunmaktadır. Her bir filtre tipi ürün dökümanlarında belirlenen bir maksimum kapasiteye sahiptir. Genel kabul, sistemin ihtiyaç duyduğu akış kapasitesinin filtre nominal kapasitesine bölümünün yukarı yuvarlanması üzerinedir.

Basınç Pompaları

Bir ters ozmoz su arıtma sisteminin en önemli parçalarından biri yüksek basınç pompasıdır. Bu pompa vasıtasıyla su membran içerisinde basınçlandırılarak arıtma fonksiyonu yerine getirilir. Sistem tasarımına göre pek çok farklı debi ve basınçta olabilmektedir. Bazı durumlarda yedekli olarak da projelendirilebilmektedir.

Yüksek basınç pompası, sistem üzerinde en çok güç tüketen ekipmandır. Bu sebeple seçim kriterleri tamamen projeye göre ve hassas olmalıdır. Reverse osmosis sisteminin ihtiyacından küçük pompa seçmek, sistemin işlevini yerine getirmesini engellediği gibi, olması gerekenden büyük pompa seçmek ise enerji tüketimini büyük ölçüde arttırır. Öyle ki, bazı durumlarda enerji tüketimindeki bu fark bile birkaç yıllık vadede sistem maliyetini katlayabilmektedir.

Membranlar

Membranlar, arıtma sisteminin ana bileşenidir. Bütün sistem bu membranlarda işlenecek suyu membranlara iletmek ve membranın görevini yapmasını sağlamak üzere kurulmaktadır. Membran seçimi projeye göre özel olarak yapılmakla birlikte, dizilimi ve hangi sırada kaç tane hangi tipte membran olması gerektiği özel olarak tasarlanır. Bu sebeple reverse osmosis cihazının başarısının birinci öncelikli kriterinin membran tasarımı olduğunu varsaymamız yanlış olmaz.

Ölçüm Enstrümanları

Ne sistemi olduğundan bağımsız olarak her sistem bir ölçüme ihtiyaç duyar. Özellikle otomatik sistemler ölçüm cihazları olmadan herhangi bir görev yerine getiremezler. Ters ozmoz cihazları da farklı tipte ölçüm ekipmanlarını üzerinde barındırmaktadır. En basit kurulumlar bile basınç ölçerler, debimetreler ve su kalitesi ölçüm cihazlarını(iletkenlik ölçer, ph ölçer vb.) barındırırlar. Bu ölçüm cihazları sayesinde hem sistem sağlığı hem de su kalitesini sürekli takip edebilirsiniz.

Ters Osmoz (RO), çözünmüş katıları (yani iyonları) çözeltiden ayırmak için kullanılan zar bazlı bir demineralizasyon tekniğidir. Membranlar genel olarak yarı geçirgen bir bariyer olarak bazı iyonların geçmesine izin verirken bazıları için bir bariyer görevi görür.

Şekil 1, bir ters ozmoz membranının içerisinde gerçekleşen akış mekanizmasını göstermektedir. Şekilde gösterildiği gibi, RO şu anda mevcut olan en iyi filtrelemeyi sunar ve askıda katı maddelerin yanı sıra çözünmüş katıların çoğunu filtreler. RO membranları askıda katı maddelerin geçişine izin vermese de uzun membran ömrü ve kirliliğin önüne geçmek amacıyla filtrelenecek suyun ozmoz arıtma sistemine girmeden öncesinde bir ön arıtma prosesinden geçirilmesi önerilir.

Ters ozmoz sistemlerinin en yaygın uygulaması endüstriyel proseslerde su şartlandırma uygulamasıdır. Özellikle kazan besi suyu olarak kullanılan proses sularında su yumuşatma cihazlarıyla birlikte kullanıldığında yüksek kalitede su elde edilmesini sağlar. Daha yüksek saflıkta su ihtiyacı olan proseslerde ters ozmoz sistemi ile birlikte ek bir deiyonizasyon ünitesi de kurularak tamamen saflaştırılmış su elde edilebilir. İleri saflaştırma uygulamalarında genellikle karışık yataklı iyon değiştiriciler veya elektrodeiyonizasyon sistemleri kullanılır. Ayrıntılı bilgi için saf su sistemleri sayfasına göz atabilirsiniz. Endüstriyel prosesler dışında içme suyu temininde de bu sistemler kullanılmaktadır. Hem evsel kullanım hem de yüksek yoğunluklu kullanımlarda içme suyu için ro sistemleri verimlilik ve maliyet etkinliği açısından ön plana çıkmaktadır.

1. Deniz suyundan veya artezyen kuyularından içme suyu temini uygulamalarında kullanılır. Özellikle ortadoğuda bu amaçla oldukça yaygın şekilde kullanılmaktadır.
2. Elektronik ve mikroelektronik alanlarında ultra saf su üretim proseslerinde kullanılmaktadır.
3. İlaç üretimi ve diğer farmasötik uygulamalarda yüksek saflıkta, Amerikan ve Avrupa farmakopesine uygun su temin uygulamalarında kullanılır.
4. Gıda ve içecek uygulamalarında proses suyu olarak ters ozmoz kullanılmaktadır.
5. Süt ürünlerinin işlenmesi
6. Metal endüstrisinde özellikle yüzey işlem uygulamalarında
7. Evsel ve endüstriyel suların arıtılmasında kullanılmaktadır.

1970’lerden bu yana, membran endüstrisi, suda çözünmüş maddelerin filtrasyonunda daha başarılı ve daha düşük basınç gereksinimi ile daha yüksek kapasitede su arıtılmasını sağlayan membran teknolojilerine odaklandır. Zamana yayılan tüm bu gelişmeler neticesinde farklı filtrasyon metodları ile ihtiyaca uygun saflıkta su temin edilebilmesini sağlayan farklı membran teknolojileri ortaya çıktı. Bununla birlikte maliyetler önemli ölçüde düştü ve ters ozmoz tekniği endüstriyel su arıtma ihtiyaçlarına uygun maliyetle çözüm üretebilir hale geldi. Aşağıdaki tabloda 1970’lerden günümüze membran teknolojisinin gelişimi gösterilmektedir.

Ters ozmoz, çözünmüş katıların bir sıvıdan ayrılmasını sağlamak için sıvının basınç uygulayarak yarı geçirgen bir zardan geçmeye zorlanması ilkesine dayanan bir demineralizasyon işlemidir. Yarı geçirgen zar, sıvının ve bazı iyonların geçmesine izin verir, ancak çözünmüş katıların (iyonların) büyük kısmını tutar. Ters ozmoz sisteminin nasıl çalıştığını anlamanın en iyi yolu ozmoz tekniğini irdelemekten geçmektedir.

Ozmoz, suyun yarı geçirgen bir zardan düşük konsantrasyonda çözünmüş katı içeren bir çözeltiden yüksek konsantrasyonda çözünmüş katı içeren bir çözeltiye aktığı doğal bir süreçtir. Yarı geçirgen bir zarla 2 bölmeye bölünmüş bir hücreyi hayal edin. Bu zar, suyun ve bazı iyonların içinden geçmesine izin verir, ancak çözünmüş katıların çoğuna karşı geçirimsizdir. Hücredeki bir bölmede yüksek konsantrasyonda çözünmüş katı içeren bir çözelti bulunurken, diğer bölmede düşük konsantrasyonda çözünmüş katı içeren bir çözelti bulunur. Ozmoz, suyun çözünmüş katıların düşük konsantrasyonda olduğu bölmeden yüksek çözünmüş katı konsantrasyonunun bulunduğu bölmeye aktığı doğal süreçtir. Su, membranın her iki tarafında konsantrasyon eşitlenene kadar bu yönde membrandan akmaya devam edecektir. Sistem dengeye ulaştığında, çözünmüş katıların konsantrasyonu her iki bölmede de aynıdır.

Ters ozmoz, yüksek konsantrasyonlu su içeren bölmeye ozmotik basınçtan daha yüksek bir basıncın uygulandığı süreçtir. Bu basınç, suyu ters ozmoz membranından ters yönde geçmeye zorlar. Su yüksek konsantrasyonlu bölümden düşük konsantrasyonlu bölüme doğru geçerken içerisindeki çözünmüş iyonlar yüksek konsantrasyonlu bölgede kalır. Böylece düşük konsantrasyonlu bölgede demineralize su elde edilip saflaştırılırken diğer bölümde başlangıçtan çok daha yüksek konsantrasyonlu su kalır.

Ters ozmoz sistemleri tasarım ve işletimi sırasında duyabileceğiniz birçok terim bulunmaktadır. Bu terimleri ve neyi ifade ettiğini bilmek sistemi sağlıklı şekilde işletebilmek ve olası sorunları önceden öngörebilmek için önemlidir.

Ters ozmoz sistemlerinde % ile ifade edilen bir verimlilik oranı bulunmaktadır. Bu oran %50 ile %85 arasında değişmekle birlikte giriş suyu kalitesine ve sistem tasarımına göre değişmektedir. Ortalamada %70’lik bir sistem verimi ortaya çıksa da bu oran uygun koşullarda (akı limitleri içinde) %85’lere kadar çıkarılabilir. Ancak yüksek verimlilik oranı atık miktarını azaltsa da su saflığında bozulmalara sebep olacaktır. Aynı zamanda atık sudaki konsantrasyonu da arttıracağından bu suyun doğrudan bertaraf edilmesi tesislerin atık su mevzuat limitlerini aşabilir. Tüm bunlara ek olarak yüksek verimlilik yüksek basınç gerektirdiğinden enerji tüketimini de arttırabilir. Bu tür durumlarda atık su konsantrasyonu, süzüntü suyu kalitesi ve sistem verimi arasında doğru noktayı belirlemek gerekmektedir.

Ters ozmoz sistemlerinde % ile ifade edilen bir verimlilik oranı bulunmaktadır. Bu oran %50 ile %85 arasında değişmekle birlikte giriş suyu kalitesine ve sistem tasarımına göre değişmektedir. Ortalamada %70’lik bir sistem verimi ortaya çıksa da bu oran uygun koşullarda (akı limitleri içinde) %85’lere kadar çıkarılabilir. Ancak yüksek verimlilik oranı atık miktarını azaltsa da su saflığında bozulmalara sebep olacaktır. Aynı zamanda atık sudaki konsantrasyonu da arttıracağından bu suyun doğrudan bertaraf edilmesi tesislerin atık su mevzuat limitlerini aşabilir. Tüm bunlara ek olarak yüksek verimlilik yüksek basınç gerektirdiğinden enerji tüketimini de arttırabilir. Bu tür durumlarda atık su konsantrasyonu, süzüntü suyu kalitesi ve sistem verimi arasında doğru noktayı belirlemek gerekmektedir.

Membran yüzeylerinde zamanla biriken iyonlar yüzey üzerinde birikerek bir katman oluşturmaya başlar. Kalsiyum, karbonat, sülfat, florid ve fosfat Türkiye sularında ana kirleticilerdir. Ayrıca kabuklaşma olayı sistemin yüksek akı değerleriyla çalıştırıldığı durumlarda da gerçekleşir.  Özellikle kalsiyum, karbonat sertliğinin yoğun olarak görüldüğü Türkiye sularında ters ozmoz sisteminden önce bir su yumuşatma sistemi gerekebilir.

Membran yüzeyinde kabuklaşma (scaling) oluşumu sistemin çalışma verileri incelenerek farkedilebilir. Özellikle artan basınçlar, düşen debiler ve düşen ürün kalitesi ile kendisini göstermektedir. Ayrıca membranlar arasındaki fark basıncın artması da kabuklaşmaya bir işarettir.