30 Nanofiltrasyon ve ters ozmoz

30.1 Ozmotik basınç ve membranla ayırma

Ozmoz, seçici bir membranın iki yanındaki çözeltiler arasında suyun kendiliğinden hareket etmesiyle ilişkilidir. Basit bir düzenekte su, daha seyreltik taraftan daha derişik tarafa geçer. Bu hareketi dengelemek için gereken basınç farkı ozmotik basınç kavramını açıklar. Ters ozmozda daha derişik tarafta yeterli basınç uygulanarak suyun net geçişi ters yönde sağlanır. Bu yüzden RO'da pompanın işi yalnız suyu boruda ilerletmek değildir; çözeltinin oluşturduğu karşı etkiyi de aşmak gerekir.

Membrandaki su geçişini anlamak için uygulanan hidrolik fark ile iki tarafın ozmotik basınç farkı birlikte düşünülür. Diğer koşullar aynı tutulduğunda ozmotik fark büyürse suyu geçirmeye kalan net itici etki azalır. Aynı pompa basıncının farklı tuzluluktaki sularda aynı ürün debisini sağlamaması bu ilişkinin sonucudur. Ürün tarafındaki basınç da hesaba girer; yalnız giriş manometresini okuyarak membranın gördüğü gerçek itici fark belirlenemez. Ayrıca girişten çıkışa ilerleyen suyun bileşimi değiştiği için tek nokta bütün modülü temsil etmeyebilir.

RO'yu yalnız çok küçük delikleri olan bir süzgeç olarak resmetmek, ayırmanın önemli bir bölümünü örter. Yoğun polimer tabakalar için su ve çözünen türlerin malzemeyle etkileşimi ve tabaka içinden geçişleri açıklamanın parçasıdır. Farklı maddeler aynı hızla taşınmaz; ancak bu farklılık her maddenin tamamen dışarıda kalacağı anlamına gelmez. Membranın seçiciliği ile sağladığı su debisi birlikte değerlendirilir. Berrak bir permeatın bile hangi çözünmüş bileşenleri içerdiği, ilgili bileşen analiziyle anlaşılır. Ayırma mekanizmasının bu biçimde açıklanması, testin neden belirli bileşenlerle yapıldığını da anlaşılır kılar. Malzeme adı tek başına geçişin niceliğini vermez; sonuç, tanımlanmış çözeltinin çalışma koşullarıyla birlikte ortaya çıkar.

30.2 NF ile RO arasındaki pratik farklar

Nanofiltrasyon ile ters ozmoz aynı basınçlı ayırma ailesinde yer alır, fakat hedefleri her uygulamada örtüşmez. NF, çok değerlikli iyonları ve bazı organik bileşenleri azaltırken tek değerlikli iyonların daha büyük bölümünün geçmesine izin verebilir. RO ise daha geniş bir tuz azaltma hedefi için değerlendirilir. Bunlar yöntemleri anlamaya yarayan genel ayrımlardır; iki ayrı ürünün ayrıntılı performansını isimlerinden hesaplamak mümkün değildir. Suyun bileşimi ve istenen çıkış kalitesi, hangi yöntemin uygun olduğunun başlangıç noktasıdır.

Sertlik azaltılması istenen bir suda her iyonun aynı ölçüde düşürülmesi gerekli olmayabilir. Bu durumda NF'nin seçici davranışı yararlı bir özellik olarak incelenebilir. Buna karşılık toplam tuzluluğun veya belirli tek değerlikli iyonların daha güçlü azaltılması hedefleniyorsa RO değerlendirmesi öne çıkabilir. Buradaki karar, yöntemler arasında soyut bir üstünlük sıralaması değildir. Ürün suyunun bileşimi, konsantrenin taşıdığı yük, basınç ihtiyacı ve sonraki düzenleme aynı kullanım hedefi içinde karşılaştırılır; en düşük iletkenlik her görev için tek başarı ölçütü olmaz. Böyle bir karşılaştırmada başlangıç suyunda korunması istenen özellikler de yazılır. Hedefin açıklığı, gereksiz bir ayırma basamağı eklemekle yetersiz işlem seçmek arasındaki farkı görünür hale getirir.

Bir NF denemesinde görülen yüksek sülfat giderimi, aynı membranın klorürü de aynı oranda tutacağı anlamına gelmez. Benzer şekilde bir RO ürününün tek bir test tuzuyla tanımlanan reddi, bütün organik maddeler için ortak performans sayısı değildir. Karşılaştırma çizelgesinde hedef analitlerin ayrı gösterilmesi ve deney koşullarının yan yana yazılması gerekir. Su bileşimi farklıysa bu farkın sonuç üzerindeki etkisi açıklanır. Hedeflerin yalnız bir toplam sayı içinde eritilmemesi, uygun ayırma yöntemini seçmeyi kolaylaştırır.

Özgün seçim çerçevesi. Satırlar her NF veya RO ürününe sabit performans atamaz.

30.3 Tuz reddi su geçişi ve seçicilik

Ret veya reddetme oranı, seçilen bileşenin besleme ve permeat derişimleri arasındaki karşılaştırmadır. Sık kullanılan ifade R = 1 − Cp/Cf biçimindedir; yüzde yazılacaksa sonuç yüzle çarpılır. Burada Cp permeat, Cf besleme derişimidir ve ikisi aynı birimle ifade edilmelidir. Bu sayı akışların hacmini içermez. Dolayısıyla yüksek ret ile yüksek su geri kazanımı farklı özelliklerdir: biri derişim karşılaştırması, diğeri besleme suyunun ne kadarının ürün olarak alındığının hesabıdır.

Ret hesabındaki beslemenin nereden alındığı açıkça belirtilmelidir. Bütün tesisin ham suyu, bir membran kademesinin girişi ve devridaimle karışmış modül beslemesi aynı derişimde olmayabilir. Bu noktalardan birini kullanıp diğerini ima etmek, sayısal olarak düzgün görünen fakat anlamı değişmiş sonuç üretir. Permeat numunesinin de aynı işletme durumunu temsil etmesi gerekir. 31. bölümdeki madde dengesi, akış ve derişim noktalarını birlikte yazarak bu karışıklığı önlemenin yolunu gösterecektir. Aynı ölçüm sınırını korumak, zaman içindeki değişimi izlerken de gereklidir. Bir ayda ham suyun, sonraki ayda devridaimli beslemenin kullanılması, gerçek performans değişimi olmadan hesaplanan reddi değiştirebilir.

Seçicilik hedef bileşene bağlıdır. WHO, tuz gideriminde kullanılan membranların bor ve bazı küçük organik maddeler için ayrıca değerlendirilmesi gerektiğini belirtir. Bu nedenle iletkenlik düşüşü yararlı bir toplu gösterge olsa da, özel bir sağlık veya kullanım hedefi için ilgili bileşenin ölçümünü ikame etmez. Hedefin çok düşük çıkış derişimi gerektirdiği uygulamalarda, ölçüm yönteminin yeterliliği de önem taşır. 15. bölümde tartışılan raporlama ve belirsizlik sınırları, membran sonrası düşük sonuçlar yorumlanırken de geçerliliğini korur.

30.4 Sıcaklık basınç ve besleme bileşimi

Sıcaklık değişimi, aynı membranın farklı günlerde farklı miktarda su üretmesine yol açabilir. Malzeme ve çözeltinin davranışları birlikte değiştiğinden yalnız debi düşüşünü görerek hemen kirlenme sonucu çıkarılmaz. Soğuyan beslemede ürün debisinin azalması, başka koşullar da benzerse fiziksel çalışma koşullarının bir etkisi olabilir. Bunun ne kadarının beklenen değişim olduğunu değerlendirmek için uygun sıcaklık düzeltmesi ve aynı referansa göre karşılaştırma gerekir. Evrensel bir sıcaklık katsayısı bütün membranlara uygulanmaz; kullanılan model ve referans koşulu belirtilir.

Basıncı artırmak bazı koşullarda su geçişini artırabilir, fakat bütün işletme sorunlarını çözen bağımsız bir ayar değildir. Membran, modül ve muhafazanın sınırları yanında besleme kanallarının basınç kaybı da dikkate alınır. Daha yüksek basınçla başlangıç debisini yakalamak, altta yatan birikimi görünmez kılabilir; aynı üretim için harcanan itici etki değişmiş olur. Bu yüzden debiyle birlikte basınç ve ürün bileşimi kaydedilir. Performansı yorumlamak için bir göstergenin düzelmesi yeterli değildir; ilişkinin bütünü izlenir.

Besleme bileşimi yalnız toplam tuz miktarı değildir. Aynı toplam derişime sahip iki suda çökelmeye yatkın bileşenler, organik madde veya iyon dağılımı farklı olabilir. Membran suyu ayırdıkça besleme tarafındaki bileşenler yoğunlaşır; bu nedenle başlangıç suyunda sorun görünmemesi, konsantre tarafında da sorun oluşmayacağını kanıtlamaz. pH ve sıcaklık hem ayırmayı hem de çökelme eğilimlerini etkileyebilir. Tasarımın yalnız tek bir TDS girdisinden kurulamayışı, bu farklı ilişkilerin aynı anda değerlendirilmesi gereğinden kaynaklanır. Analizdeki her değer aynı amaçla kullanılmaz: bir kısmı ürün hedefini, bir kısmı birikim riskini, bir kısmı işletme izlemesini destekler. Bu roller belirtilirse eksik bir bileşen bilgisinin hangi kararı sınırladığı daha kolay anlaşılır.

30.5 Ürün suyunun sonraki düzenlenmesi

Tuzların azaltılmasıyla ürün suyu elde edilir, fakat dağıtıma hazırlanması ayrı bir adımdır. WHO, tuz giderimi sonrası düşük mineralli suyun temas ettiği malzemeler açısından dengelenmesini veya yeniden minerallendirilmesini ele alır. Amaç yalnız tada mineral eklemek değildir; suyun pH'ı, alkalinitesi, ilgili iyonları ve tesisat malzemeleri arasındaki ilişki de gözetilir. Gerekli işlem kaynak suya, seçilen ayırma düzeyine ve dağıtım sistemine bağlıdır. Bu yüzden her RO çıkışına aynı maddeyi aynı miktarda ekleyen tek bir düzen tanımlanamaz.

Karışım yoluyla düzenleme düşünülüyorsa eklenen suyun yalnız mineral içeriğiyle ilgilenmek yeterli değildir. Karışım suyu, giderilmek istenen kimyasalları veya mikroorganizmaları yeniden ürüne taşıyabilir. WHO bu nedenle karışım suyunun mikrobiyolojik güvenliğini özellikle vurgular. Her hedef bileşen için son derişimin yeniden değerlendirilmesi gerekir; toplam tuzluluk açısından uygun görünen bir karışım, başka bir bileşen yönünden uygun olmayabilir. Arıtılmış suyla kaynak suyunu birleştiren hat, sistemin madde dengesi ve kontrol planında görünür olmalıdır. Karışım oranının değişmesi halinde önceki son ürün analizi de aynı bileşimi temsil etmeyebilir. Bu nedenle karıştırma, ayırma işleminden bağımsız ve izlenmeyen küçük bir düzeltme olarak görülmez.

Sonraki düzenleme, depolama ve dağıtımda mikrobiyolojik kontrolle birlikte ele alınır. Membranla ayırma, suda kalıcı dezenfektan etkisi bırakmadığından ürün tarafındaki hijyen ve gerekli koruma ayrıca planlanır. Membran çıkışından alınan uygun bir analiz, son kullanıcıya kadar geçen bütün yolu temsil etmez. Bu yaklaşım, 7. bölümdeki depo ve tesisat ilişkisini ileri arıtma sonrasına da taşır. Son ürünün değerlendirilmesi, yalnız membranı geçen suya değil, düzenleme ve dağıtım adımlarından sonra gerçekten sağlanan suya yönelir.

30.6 Damıtma ve elektrodiyalizle karşılaştırma

Damıtmada ayırmanın belirleyici adımı suyun buharlaştırılması ve ardından yoğunlaştırılmasıdır. Suyun sıvı fazdan ayrılıp yeniden sıvı olarak toplanması, basınçla membran geçişinden farklı bir işlem yoludur. Isıtma ve soğutma koşulları bu yolun temel parçalarıdır. Yöntem karşılaştırılırken yalnız elde edilen su miktarı değil, gerekli enerji biçimi ve sistem düzeni de açıklanır. USGS'nin damıtma anlatımı bu faz değişimi ilişkisini gösterir; buradan her uçucu bileşenin aynı şekilde giderileceği veya bütün arıtma görevlerinin tamamlandığı sonucu çıkarılmaz.

Elektrodiyalizde ise elektrik alanı, iyonların seçici membranlar arasından taşınmasını sağlar. Uygun bölme düzeninde bir akışın iyon içeriği azalırken komşu akış yoğunlaşır. RO ile karşılaştırmanın anahtarı, taşınan bileşenin farklı olmasıdır: RO'da basınçla su geçişi öne çıkarken elektrodiyalizde iyon hareketi kullanılır. Bu fark, yüksüz bileşenler için aynı giderim beklentisinin kurulmasını engeller. 28. bölümde anlatılan EDI, iyon değiştirici reçineyi de bu elektriksel ayırma ailesiyle birleştiren ayrı bir uygulama olarak düşünülmelidir.

Bu yöntemler arasında seçim, giriş ve çıkış suyunun tanımıyla başlar. Hangi bileşenin ne kadar azaltılacağı, hangi akışta yoğunlaşacağı ve sonraki su kullanımının ne gerektirdiği açıklaştırılır. Enerji, konsantre yönetimi, ön arıtma ve işletme yeterliliği aynı değerlendirmeye katılır. Bir teknolojinin belirli bir suda başarılı olması, farklı bileşim ve kapasitede aynı sonucu vereceğini göstermez. Karşılaştırma ancak aynı kullanım hedefine göre yapıldığında anlam kazanır; farklı ürün kalitelerinin maliyetlerini tek bir fiyat satırında yan yana koymak yeterli değildir.