Katalog

SU ARITMA T E K N O L O J İ S İ Denizden içme suyu eldesi Denizler, içme suyu ve kullanım suyu kaynağına dönüştürülebilir.. Var olan teknolojiler arasında en uygunu ters osmos yöntemidir. Prof. Dr. Fikret Baykut İ.Ü. Çevre Sorunlan Araştırma ve Uyçjulama Merkezi I nsan nufusunun dengesız çoğalması, teknolojının gelışmesı ve şehırleşme, toplumları şımdıye kadar pek hıssetmedıklerı yenı bır sorun olan su sorunu çıkmazına ıtmıştır Bir yandan belırlı alanlar ıçınde ınsan yoğunlukları artarken suya olan gereksınım çoğalmış, buna karşın gerek ınsanların doğal atıkları ve gerekse teknoloıının getırdığı çevre kırletıcı maddeler, bölgesel su kaynaklarını tehdıt etmeye başlamıştır Sonuçta şehırlerde kullanma ve içme suyu temınınde buyuk guçlüklerle karşılaşılmıştır Şımdıye kadar içme ve kullanma suları kaynaklan olarak kullanılan göller, nehırler, barajlar ve yeraltı suları kırlenmış veya kırlenme tehlikesı ıle karşılaşınca cıddı bır durum ortaya çıkmış ve toplumların elınde bolgesel kırlenmelerın dışında, buyuk hacımlerden dolayı henuz tam kırlenmemış olarak deniz suları kalmıştır Bu nedenle gelışen teknolojı, deniz sularından İçme ve kullanma suyu yapma sorununa yonelmış, bunun ıçın de dığer bazı yöntemler yanında "baskılı membran filtrasyon yonteml" veya "ters osmos yönteml" adı verılen ve nıspeten ekonomık olan yenı bır teknolojı gelıştırmıştır Kımya muhendıslıgımn en onemlı gorevlerınden bırı de bırtakım molekuler veya lon karışımlarının konvansıyonel ayırma yöntemlerl arasında filtrasyon, destılasyon, krıstalızasyon, adsorpsıon ve adsorpsıona dayanan kromatografı ve lon değıstırme yöntemlerı sayılabılır Bunlar arasında filtrasyon, makro ölçulerde çok önemlı bır yer alır Işte son zamanlarda gelıştınlen membran fıltraler yardımı ıle çok kuçuk çaplı tanecıklerı, uygun fızıksel koşullar altında suzebılmesı çok ılgınç olmaya başlamıştır Bugun denız suyundan içme suyu elde etmek ıçın kullanılan dığer teknık yöntemler arasında en ekonomık olanı ters osmos yortemıdır Bu nedenle dunyada en çok kullanılan yöntem olmuştur verılen sayılara göre gunde yaklaşık 2 106 ton kadar içme suyu bu şekılde elde edılebılmektedır Amerıka'da ışletılmekte olan en buyuk tesıs 710' ton/gun olduğu ve yakında bunun 4 katı kapasıtede olan bır tesısın devreye gıreceğı bıldırılmektedır Halen bu proses ıçın ton başına 5 kw'lık enerjı sarfedılmektedır kı bu, destılasyonla denız suyundan içme suyu eldesi prosesınden 1/4 oranında daha ekonomıktır Denız kenarında oturup da susuz kalan ınsanlar ıçın şöyle bır benzetış yapmak yerın de olur Balıklar, denız suyunda çozunmuş olarak bulunan 58 mg /L'lık bır oksıjenden yararla narak yaşamaktadırlar Balıklar denizden <,..>tığı zaman havada, yanı yaklaşık yuzde 20 kadar bol oksıjen ıçeren ortamda, hava oksıjenınden yararlanabıleceğı bır bıoaparatı mevcut olmadığı ıçın oksıjensız kalırlar Işte ınsanlar da uç tarafı denızle çevrılı ve bulunduğu ortamın bınlerce katı H:O ıçeren bır ortamda uygun aparatı olmadığı ıçın susuz kalabılmektedırler Fakat genelde gelışen teknolojı ıle denız suyundan teknık ölçude ve nıspeten ekonomık olarak ıçıTte ve kullanma suyu elde edıl• mesı artık bır utopya olmaktan çıkmışken denizden su temını teknık bır becerı sorunu olmuştur Bu hususta halen İSKİ'nın de ılerı bır göruşle bazı duşunsel faalıyetlere başladığını bılmekteyız Kanımca, hem kısa vadede hem de uzun vadede ışe yarayacak bu teknolojı devletçe desteklenmelı, once seçılen pılot bolgelerde uygulamaya geçılerek bılgı ve becerı kazanılmalıdır Uygulanılacak yenı teknolojı ıçın uluslararası alandakı destek fonlarından da yararlanabılınır (x) Tuzluluk terımı ıçıne esasen dığer bazı tuzlar da gırer, bız burada yaklaşık değerler uzerınde duruyoruz Ters osmos ' reverse osmosıs olayının da yandığı prensıp basıt olarak şöyle özetlenebı lır Uçucu olmayan bır maddenın çözeltısl, çözucu ıle yalnız çözucuyu geçıren yarı geçırıcı "semı permeable" bır membranla ayrılacak olursa, çözucu, çözeltı ıçıne geçme meylı göstenr ve çözeltıyı seyreltır Burada Irafık bır yonludur Örneğın bır sıstem ıçınde tuzlu su ve saf su bır yarı geçırgen 'semı permeable" membranı ıle ayrılmış ıse o zaman saf su, bu mebrandan tuzlu su ıçınde belırlı bır baskı ıle geçmeye başlar Bu na "osmotlk baskı" denır Ancak sıstemde tuzlu suyun bulunduğu bolmeye osmotık baskıya eşıt bır baskı uygulanırsa bu geçış durdurula bılır Eğer bu baskı, çözeltı bulunan tarafta art tırılıp osmotık basıncın uzerıne çıkarılacak olur sa, bu defa tuzlu su ıçındekı su molekullerı aksıne çözucu tarafına suya geçmeye başlar Bu olaya "ters osmos" denır Burada en onemlı husus, uygun olan yarı geçırıcı membranların yapılması ve bu olay ıçın optımum basıncın uy gulanmasıdır Osmos olayı ılk defa 1847'de Able Nollet tarafından bulunmuştur 1866'da J H Van t Hoff çozeltıdekı madde molekullerının aynı koşullardakı gaz molekullerıne çok benzer davranışta olduğunu bularak kendı adı ıle bılınen Van't Hoff kanununu formule etmıştır 1867'de L Traube yaptığı bırçok denemeler ıle bakır ferrosıyanur fılmı hazırlayarak bunun mukemmel bır yapay yarı geçırıcı mebran olduğunu göstermıştır 1877'de W F Pfeffer gayet hassas denemelerle osmotık baskı ölçulerını yapmıştır Daha sonra seyreltık çozeltılerde osmotık baskı olçmelerı 19061909 da da Karl of Berkeley ve Hartley 19011923 de Morse ve Frazer tarafından gehştırılmıştır Osmos olayı ve dolayısıyla osmotık baskı, seyreltık çozeltıler ıçın Van t Hoff Kanunu'nu ıfade eden şu denklemle bulunabılır TV = n B RT Burada n A = Çözucunun mol fraksıyonu V m = Molar hacım " A = Y Çözucunun hacmı V m n B = Çözunen maddenin mol fraksıyonu R = Molar gaz sabıtı T = Mutlak temperatur J ^ = c = Çözunen maddenın molar V konsantrasyonu O halde T = CRT'dır Olay, termodınamık bakımdan aşağıdakı gıbı açıklanabılır Ters Osmos olayı nasıl oluyor? Çözucu/membran/çözeltı sıstemınde, çözucunun çozeltıdekı kımyasal potansıyelı^U(r), aynı baskı ve sıcaklıkta saf çözucununkınJen MA* (t) duşuktur, yanı^A (t)< )V]*A(f)'dır Kımyasal potansıyeller eşıtlenıp sıstemın den geye gelmesı ıçın çözucu membran arasından kımyasal potansıyelı duşuk olan çözeltı tarafı na geçecektır Dengeye varıldığı zaman, kımyasal potansıyeller membranın her ıkı tarafında aynı olacaktır Çözucunun kımyasal potansıyelı çozeltıde, çözunen madde varlığından dolayı duşuktur Bu, daha buyuk baskı uygulamakla yanı baskıyı arttırmakla yukseltılebılır Bu durumda denge, bır T sıcaklığında çözucu p baskısı altında ve çözeltı (p + T) baskısı altında ıken şöyle gosterılır j d A " (PP) = } A A (fXA,p+r) Çözunen madde varlığı goz önune alınarak JVIA (f XA,p+7D « jvlA* (f,p+7n + R"rfnXA Burada XA, çözucunun mol fraksıyonudur Baskı etkısı goz önune alındığında d P Yukarıdakı denklemlerden RTfnXA = P * V A *.m dP bulunur Bu denklem osmotık baskının çözunen maddenın mol fraksıyonu (XB = 1XA) ıle ılışkısını verır ve osmosun dığer bır koilıgatıf ozellığını boylece kanıtlamış olur Seyreltık çözeltı halınde In XA In (E XB) = XB yerıne konulabılır Aynı zamanda baskının da entegrasyonda çok kuçuk boyutta olması nedenı ıle çözucu molar hacmı sabıt kabul edılebılır Boylece V * A,m entegral dışına ahnjrak RTXB = JTV'Am olur Çözeltı seyreltık olduğundan çözunen maddenın mol fraksıyonu, na nB Şımdı denız suyu orneğıne dönelım Van't Hoff denklemıne gore Karadenız, Marmara ve Akdenız sularının osmotık baskılarını hesaplarsak Karadenız'ıntuz(NaCI)ıçerığı 16g/L olduğu ve sıcaklık 15°C olarak alınırsa osmotık basınç 165 bar olarak çıkar Akdenız'ın yuzde 35 tuz (NaCI) ıçerdığı kabul edılırse, sıcaklık yaklaşık 20°C olarak alın dığı takdırde 26 barlık btr osmotık baskısı olduğu görulur O halde en ekonomık, yanı ters osmos ıçın en en az baskı ısteyen denız suyu Karadenb suyudur Ters osmos ışlemının en onemlı materısı uy gun membranlardır Genelde seluloz asetattan yapılmış ve asımetrık karakterlı ozel membranlardan yararlanılır Bunların suzme verımı yuk sek mekanık, termık ve kımyasal bakımdan dayanıklılık surelerı uzun olmaları çok önemlıdır Bu membranların transport özellıklen ıtıbarıyla uydukları kural, Ohm Kanunu'nun elektron tran sportu esaslarına analogtur Yanı, membranların geçırgenlığı tıpkı elektrıksel geçırgenhkte olduğu gıbı geçırgenın madde ve geometrık yapı özellıklen ıle ıfade edılır Çözucu ıçın bu geçırgenlık, yuksek konsantrasyonda, çozunmuş tuz ıçın duşuk olmalıdır Ince membran kapılerlerde konvektıf bır sıvı transoptu ıçın HagenPoıseuılle formulu geçerlıdır ve eşıt porlu model membranlar ıçın aşağıdakı formül verılmıştır Jv 8nAx (APGA1Î) Dunyada ınsan toplumlarının önemlı bır bölumu denız kıyılarında oturmasına karşın içme ve kullanma suyu sıkıntısı ıçınde bulunmaktadırlar örneğın istanbul'da geçıcı ınsan topluluğu dışında 75 mılyon ınsan yaşamakta ve bu Turkıye'nın yaklaşık 1/7'sını oluşturmaktadır Doğal koşullardan beklenenden fazlası zorlanmakla beraber Istanbul susuz bır kışa yönelmektedır Sonuçta uç yanı denızlerle çevrılı olan Istanbul susuzluktan kıvranmaktadır nA + ne nA ye eşıt alınabılır O zaman nAV*M = V = çözucunun hacmı olarak denklem sadeleşır Van t Hoff denklemı TTV = nBRT QB „ ~ Çözunen maddenın molar • v konsantrasyonu 7T= CRT elde edılır }J\>}A' olduğu zaman sal su çözeltıyı bırakarak yarı geçırıcı membrandan çözucu tarafına gerı döner Ters osmosun çalışma prensıbı bu şekıldedır Burada Jv = Hacımsel akım yoğunluğu (Membrana bırım yuzey ve zamanda gıren toplam sıvı hacmı) r = por yarıçapı w = membranın toplam porozıtesı n çözeltı vıskosıtesı Ax = porların uzunluğu uP = uygulanan hıdrostatık baskı ATT = fıltrat ıle ham çözeltı arasındakı osmotık baskı G = refleksıyon katsayısı (her membranın ayırma ozellığı ıçın bır ölçu) Bu denklemden anlaşıldığı gıbı yuksek toplam porözıtede membranın gözenek yarıçapının transfoptta ayrılacak maddenın çapından mumkun olduğu kadar kuçuk olmalıdır Çözunen madde ne kadar kuvvetle çıkarılırsa por sıvısı ve fıltrat ıçınde konsantrasyonu o kadar azalır işte yukarıda açıklanan bu fizıksel kımya temellerıne göre lyonların süzulmesı gerçekleşır 13