28 İyon değişimi ve yumuşatma

28.1 Reçine ve iyon değişimi ilkeleri

İyon değişiminde sudan alınan yüklü türün yerini başka bir iyon alır. Reçine, bu alışverişi sağlayan bağlı işlevsel grupları taşıyan katı fazdır; su ise değişebilen iyonları yatağa getirir ve ayrılan iyonları götürür. Katyon değiştirici pozitif, anyon değiştirici negatif yüklü türler için kullanılır. Bu nedenle bir cihazı yalnızca “reçineli filtre” diye tanımlamak yeterli değildir. Hangi iyonun tutulduğu, karşılığında hangisinin suya geçtiği ve reçinenin hangi iyonik biçimde çalıştığı açıklanmalıdır.

Bu alışveriş elektriksel yük dengesini korur. Sodyum çevrimindeki bir yatakta bir kalsiyum iyonunun tutulmasına karşılık iki sodyum iyonu suya geçebilir; sayılar yüklerin eşleşmesini anlatır. Buradan çıkarılacak sonuç, sudaki bütün iyonların azaldığı değildir. Arıtmanın başarısı hedef iyonun azalmasıyla değerlendiriliyorsa, yer değiştiren iyon da çıkış bileşiminin parçası olarak hesaba katılır. Aynı nedenle giriş ve çıkış iletkenliğinin birbirine yakın olması, yumuşatmanın hiç çalışmadığını tek başına göstermez.

Reçinenin üzerindeki değişim yerleri sınırsız değildir. Su yatağın içinden geçtikçe kullanılabilir kapasite azalır ve hedef iyon çıkışta görünmeye başlayabilir. Bu, reçinenin bütünüyle yok olmasıyla aynı olay değildir; uygun rejenerasyon, çalışma biçimine bağlı olarak değişim yerlerini yeniden kullanılabilir duruma getirir. Yatağın giriş bileşimi, geçirdiği su miktarı ve çıkış kalitesi birlikte izlendiğinde kapasite kavramı anlaşılır. Tek başına reçine hacmi, bir suyun ne kadar süre başarıyla arıtılacağını söylemez.

28.2 Sodyum çevrimli yumuşatma

Sodyum çevrimli yumuşatma, 11. bölümde ele alınan kalsiyum ve magnezyum sertliğini azaltmanın bir yoludur. Su, uygun katyon değiştirici yataktan geçerken bu iyonların bir bölümü reçineye alınır ve karşılığında sodyum suya bırakılır. İşlemin doğrudan hedefi sertliktir. Bu tanımdan nitrat, çözünmüş organik madde veya bütün mikroorganizmalar için giderim sonucu çıkarılamaz. Arıtma ihtiyacı birden fazla sorun içeriyorsa yumuşatıcı, her sorunu çözen tek cihaz olarak değil, hedefi belirli bir süreç olarak değerlendirilir.

Yumuşamış su ile tuzları büyük ölçüde uzaklaştırılmış su aynı şey değildir. Kalsiyum ve magnezyumun yerine sodyum geçmesi, çözünmüş maddeyi başka bir bileşime dönüştürür. Bu yüzden yumuşatma sonrası düşük sertlik bulmakla düşük toplam çözünmüş madde bulmak birbirinden ayrı sonuçlardır. İletkenlik, sertlik ve sodyum ölçümleri farklı sorulara yanıt verir. Özellikle cihazın başarısını yalnız bir TDS ekranından okumak, gerçekten hedeflenen iyon değişimini gözden kaçırabilir. Değerlendirmede seçilen gösterge, sürecin yaptığı işe uymalıdır.

Yumuşatma seçimi kullanım amacıyla ilişkilendirilir. Bir membran önünde sertlik oluşturan iyonların azaltılması, o iyonların sonraki konsantre akışındaki birikimini sınırlamak için düşünülebilir. Ancak bunun gerekliliği ham suyun bütün bileşimi ve sonraki işlemin koşullarıyla incelenir. Yumuşatma bütün çökelme türlerini ortadan kaldırmaz; farklı bileşenler için başka önlemler gerekebilir. Benzer biçimde, çıkış suyunun borular ve depolarla ilişkisi ayrıca değerlendirilir. Yalnız sertlik değerini düşürmek, 11. bölümde açıklanan çok etkenli korozyon değerlendirmesinin yerine geçmez.

Özgün ölçüm ve yorum karşılaştırması. Başarı, yumuşatıcının tanımlanmış hedefiyle değerlendirilir.

28.3 Sertlik yükü hesabı ve kapasiteyi belirleyen veriler

Kapasite hesabında önce reçineye gelecek iyon yükü belirlenir. Giriş sertliği ile hedeflenen çıkış sertliği arasındaki fark, aynı birim ve aynı ifade temeli kullanılarak su hacmiyle çarpılır. Böylece uzaklaştırılması istenen sertlik miktarı bulunur. Buradaki “CaCO₃ olarak” ifadesi, suda o miktarda katı kalsiyum karbonat bulunduğunu söylemez; sertliğin ortak eşdeğer üzerinden yazıldığını belirtir. Giriş ve çıkış için farklı sertlik birimleri kullanılması, daha reçine seçilmeden hesabı bozabilir.

Bulunan yükü reçine hacmine çevirmek için belirli koşullarda doğrulanmış kullanılabilir işletme kapasitesi gerekir. Katalogdaki toplam kapasite, seçilen rejenerasyon düzeninde ve çıkış sertliği hedefinde kullanılabilecek kapasiteyle özdeş kabul edilmemelidir. Reçinenin türü, rejenerasyon koşulları, giriş suyu ve kabul edilen çıkış kalitesi birlikte tanımlanır. Toplam yük ile debi de ayrı denetlenir: aynı hacim daha kısa sürede işlendiğinde saatlik yük artar; toplam kapasitenin yeterliliği o debide hedef çıkış kalitesini ayrıca doğrulamaz.

Rejenerasyon aralığını değerlendirmek için giriş ve çıkış sertliğinin yanında işlenen su hacmi izlenir. Kaynak sertliği veya tüketim değiştiğinde aynı takvim farklı yükle karşılaşır. Aşağıdaki örnek yalnız hedef sertlik yükünü hesaplar; reçine hacmi, tuz tüketimi ve rejenerasyon aralığı için gereken ürün ve işletme verileri verilmemiştir.

Örnek hesap 22 — Reçine performansı varsaymadan sertlik yükü

Bütünüyle varsayımsal birim ve yük hesabı; reçine boyutlandırması değildir.

Debi Q = 2 m³/h; çalışma süresi t = 4 h.

Giriş sertliği Hg = 250 mg/L CaCO₃ olarak.

Hedef çıkış sertliği Hç = 50 mg/L CaCO₃ olarak; bu bir mevzuat değeri değildir.

Debi ve giriş sertliği süre boyunca sabit kabul ediliyor. Hedef çıkış değeri yalnız hesap hedefidir; herhangi bir reçinenin bunu sağlayacağı varsayılmıyor. 1 m³ = 1000 L; 1 kg = 1000000 mg.

İşlenecek su hacmi:

$\text{V = Q × t = 2 }\text{m}^{\text{3}}\text{/h × 4 h = 8 }\text{m}^{\text{3}}\text{ = 8000 L}$

Uzaklaştırılması istenen sertlik farkı:

$\text{ΔH = 250 − 50 = 200 mg/L CaCO₃ olarak}$

Toplam hedef yük:

$\text{M = 8000 L × 200 mg/L = 1600000 mg = 1,6 kg CaCO₃ eşdeğeri}$

Sonuç, bu dönem boyunca reçineye aktarılması istenen eşdeğer sertlik yüküdür. Aynı hedefle daha çok su işlendiğinde toplam yük de artar.

Reçinenin kullanılabilir kapasitesi, izinli debisi, rejenerasyon koşulları ve suyun tam bileşimi verilmediğinden reçine hacmi, tuz dozu veya rejenerasyon aralığı hesaplanamaz.

Yük ve kapasite ayrımının dayanağı:. Sayılar ve aritmetik özgün öğretici varsayımdır.

28.4 Seçici reçineler ve farklı uygulamalar

İyon değişimi, yumuşatmadan daha geniş bir uygulama ailesidir. Uygun anyon değiştiriciler nitrat gibi hedefler için kullanılabilir; bazı reçineler belirli arsenik veya selenyum türlerinin uzaklaştırılmasına yönelik değerlendirilir. Bu örneklerde iyonun yalnız element adı değil, sudaki kimyasal biçimi önem taşır. “Arsenik gideren reçine” sözü, her arsenik türünün aynı koşullarda aynı ölçüde tutulacağını göstermez. Hedefin türleşmesi ve reçinenin hangi biçime yönelik olduğu, seçimden önce açıklaştırılmalıdır.

Seçicilik, bir malzemenin istenen iyonla ilişkisini tanımlar; suyun geri kalanını değerlendirme dışına çıkarmaz. Gerçek su tek iyonlu bir çözelti olmadığından, yalnız hedefin başlangıç derişimini bilmek işletme sonucunu belirlemeye yetmez. Reçineye gelen diğer iyonlar ve hedefin kimyasal biçimi de değerlendirilir. Bu çerçevede tedarikçiden istenecek bilgi, yalnız giderim yüzdesi değildir: verinin hangi besleme bileşiminde, hangi debide ve hangi hizmet sonu ölçütünde elde edildiği de açıklanmalıdır.

Bir reçinenin belirli hedef için başarılı olması, çıkış suyuna ilişkin bütün soruların yanıtlandığı anlamına gelmez. Karşı iyonun suya geçişi, hizmet boyunca hedef derişiminin değişmesi ve rejenerasyon sonrası yeniden işletmeye alma birlikte ele alınır. Uygun değerlendirme, başlangıçtaki kısa gösterimden daha uzun bir gözlem gerektirebilir; kaynak suyu mevsimsel değişiyorsa bu değişim de kapsama girer. WHO'nun gerçek ham suyla laboratuvar veya pilot çalışma önerisi, seçici reçineyi yalnız ürün etiketi üzerinden seçmemenin gerekçesini verir.

28.5 Rejenerant atık ve işletme kontrolü

Rejenerasyon, hizmet sırasında reçineye alınan iyonların yeni bir sıvı akışına aktarılmasıdır. Sodyum çevriminde kullanılan tuzlu çözelti, yatağın yeniden sodyum biçimine dönmesine yardım eder; çıkan akışta yerinden edilen iyonlar ve rejenerantın bileşenleri bulunur. Dolayısıyla hedef iyon su üretiminden kaybolmuş olsa bile sistemin toplam madde hesabından kaybolmaz. Ürün suyuyla atık akışını birlikte düşünmek, yumuşatıcının yalnız giriş ve temiz su bağlantısından ibaret olmadığını gösterir.

İşletme kontrolü, suyun doğru yoldan geçtiğini ve yatağın gerçekten görev yaptığını göstermelidir. Giriş ve çıkış sertliği, işlenen hacim, debi ve rejenerasyon kayıtları birlikte okunur. Çıkış sertliği beklenenden yüksek olduğunda yalnız “reçine eskidi” sonucuna atlamak yerine, giriş yükünün değişip değişmediği ve rejenerasyonun planlandığı gibi gerçekleşip gerçekleşmediği araştırılır. Bu bir arıza teşhisi reçetesi değildir; ölçümün, işletme geçmişiyle ilişkilendirilmesi gerektiğini gösteren bir inceleme sırasıdır.

Atık yönetiminde ilk ihtiyaç, hangi akışın ne taşıdığının bilinmesidir. Rejenerantın miktarı ve bileşimi kaydedilmeden gider hattının yalnız görünüşüne bakarak uygunluk kararı verilemez. Aynı tesis içinde farklı hedefler için çalışan reçinelerin atıkları da aynı kabul edilmez. Basınçlı kaplar, vana düzenleri ve kimyasal besleme ekipmanları için işletme sınırları ilgili tasarım ve üretici talimatına bağlıdır. Bu nedenle atık akışının yönetimi, malzeme dengesiyle birlikte ayrıca planlanır.

28.6 Demineralizasyon ve elektrodeiyonizasyon

Demineralizasyon hedefi, sodyum çevrimli yumuşatmadan farklı olarak hem katyon hem anyon yükünün azaltılmasıdır. Hidrojen biçimindeki katyon değişimi ile hidroksit biçimindeki anyon değişimi bu amaçla bir araya getirilebilir; farklı yatak düzenleri aynı genel hedefe hizmet eder. Reçinelerin işlevleri ve rejenerasyon gereksinimleri birbirinden ayrılır. Bu nedenle bir yumuşatıcıya bakıp aynı ekipmanın kendiliğinden demineralizasyon sağlayacağını varsayamayız.

Elektrodeiyonizasyon, iyon değiştirici reçinelerle iyon seçici membranları ve doğru akımı birleştirir. DuPont EDI-310 kılavuzunda iyonların ürün akışından konsantre bölmelere taşınması ve reçinenin elektriksel süreçle sürekli yenilenmesi açıklanır. Üretici, besleme suyu kalitesini ayrıca sınırlar; bu cihaz öncesindeki arıtma ihtiyacı ortadan kalkmaz. Buradaki örnek, yöntem ilkesini gösterir ve kılavuzdaki belirli modülün performansını başka EDI sistemlerine taşımayı amaçlamaz.

Yüksek saflık hedefi ile içme suyu hedefi arasındaki fark korunmalıdır. İyon içeriğini çok düşürmek, belirli bir endüstriyel kullanım için yararlı olabilir; içme suyu üretiminde ise dağıtım malzemeleriyle uyum, mikrobiyolojik kontrol ve sonraki işlemler de önem taşır. Tuz giderimi sonrası düzenleme gereksinimi 30. bölümde ele alınacaktır. Bir iletkenlik veya özdirenç sayısı, bütün organik maddeler, mikroorganizmalar ve kullanım uygunluğu hakkında tek başına kapsamlı hüküm vermez. Kalite hedefi, ölçülen özelliğin yanında kullanımın gerçek gerekleriyle tanımlanır.