Ters osmoz - Reverse osmosis

Ters ozmoz ( RO ), iyonları , istenmeyen molekülleri ve daha büyük parçacıkları içme suyundan ayırmak için kısmen geçirgen bir zar kullanan bir su arıtma işlemidir . Ters ozmozda, ozmotik basıncın üstesinden gelmek için uygulanan bir basınç kullanılır , bu , bir termodinamik parametre olan solventin kimyasal potansiyel farklılıkları tarafından yönlendirilen bir koligatif özelliktir . Ters ozmoz, biyolojik türlerin (esas olarak bakteriler) yanı sıra birçok çözünmüş ve askıda kimyasal türü sudan çıkarabilir ve hem endüstriyel işlemlerde hem de içme suyu üretiminde kullanılır . Sonuç olarak, çözünen membranın basınçlı tarafında tutulur ve saf solventin diğer tarafa geçmesine izin verilir. "Seçici" olması için, bu membran büyük moleküllerin veya iyonların gözeneklerden (delikler) geçmesine izin vermemeli, ancak çözeltinin daha küçük bileşenlerinin (örneğin çözücü molekülleri, örneğin su, H ₂ O) serbestçe geçmesine izin vermelidir .

Normal ozmoz işleminde, çözücü doğal olarak düşük çözünen konsantrasyonlu bir alandan (yüksek su potansiyeli ), bir zardan yüksek çözünen konsantrasyonlu bir alana (düşük su potansiyeli) hareket eder. Çözücünün hareketi için itici güç , bir zarın her iki tarafındaki çözücü konsantrasyonundaki fark azaltıldığında, sistemin Gibbs serbest enerjisindeki azalmadır ve çözücünün daha konsantre çözeltiye geçmesi nedeniyle ozmotik basınç oluşturur. Saf çözücünün doğal akışını tersine çevirmek için harici bir basınç uygulamak, bu nedenle ters ozmozdur. İşlem, diğer membran teknolojisi uygulamalarına benzer.

Ters ozmoz, filtrasyondan farklıdır, çünkü sıvı akış mekanizması bir zardan ozmoz yoluyla gerçekleşir. Membran filtrasyonunda baskın çıkarma mekanizması, gözeneklerin 0,01 mikrometre veya daha büyük olduğu durumlarda süzme veya boyut dışlamadır , bu nedenle proses, çözeltinin basıncı ve konsantrasyonu gibi parametrelerden bağımsız olarak teorik olarak mükemmel verimliliğe ulaşabilir. Bunun yerine ters ozmoz, gözeneksiz olan veya 0,001 mikrometre boyutunda gözenekli nanofiltrasyon kullanan bir zar boyunca solvent difüzyonunu içerir. Baskın uzaklaştırma mekanizması, çözünürlük veya yayılmadaki farklılıklardan kaynaklanmaktadır ve süreç, basınca, çözünen konsantrasyonuna ve diğer koşullara bağlıdır.

Ters ozmoz en yaygın olarak deniz suyundan içme suyunun arıtılmasında , su moleküllerinden tuz ve diğer atık maddelerin uzaklaştırılmasında kullanımıyla bilinir .

Tarih

Yarı geçirgen zarlardan geçen bir ozmoz süreci ilk olarak 1748'de Jean-Antoine Nollet tarafından gözlemlendi . Sonraki 200 yıl boyunca ozmoz sadece laboratuvarda gözlemlenen bir olguydu. 1950'de Los Angeles'taki California Üniversitesi, ilk olarak yarı geçirgen zarlar kullanarak deniz suyunun tuzdan arındırılmasını araştırdı . Hem Los Angeles'taki California Üniversitesi'nden hem de Florida Üniversitesi'nden araştırmacılar, 1950'lerin ortalarında deniz suyundan başarılı bir şekilde tatlı su ürettiler, ancak akış , Sidney Loeb ve Sidney Loeb tarafından Los Angeles'taki California Üniversitesi'nde keşfedilene kadar ticari olarak uygulanabilir olamayacak kadar düşüktü. Ottawa, Kanada Ulusal Araştırma Konseyi'nden Srinivasa Sourirajan, zarın oldukça gözenekli ve çok daha kalın bir substrat bölgesi üzerinde desteklenen etkili bir şekilde ince "deri" tabakası ile karakterize edilen asimetrik zarlar yapmak için teknikler. FilmTec Corporation'dan John Cadotte, özellikle yüksek akışlı ve düşük tuz geçişli membranların , m- fenilen diamin ve trimesoil klorürün arayüzey polimerizasyonuyla yapılabileceğini keşfetti. Cadotte'nin bu süreçle ilgili patenti dava konusuydu ve o zamandan beri süresi doldu. Hemen hemen tüm ticari ters ozmoz membranları artık bu yöntemle yapılmaktadır. 2019 itibariyle, dünya çapında faaliyet gösteren yaklaşık 16.000 tuzdan arındırma tesisi vardı ve insan kullanımı için günde yaklaşık 95 milyon metreküp (günde 25 milyar ABD galon) tuzdan arındırılmış su üretiyordu. Bu kapasitenin yaklaşık yarısı Orta Doğu ve Kuzey Afrika bölgesindeydi.

Ters ozmoz üretim treni, North Cape Coral Ters Ozmoz Tesisi

1977'de Cape Coral , Florida, günde 11,35 milyon litre (3 milyon ABD galonu) başlangıç ​​işletme kapasitesiyle RO sürecini büyük ölçekte kullanan ABD'deki ilk belediye oldu. 1985 yılına gelindiğinde, Cape Coral'ın nüfusundaki hızlı artış nedeniyle, şehir, günde 56.8 milyon litre (15 milyon ABD galonu) (MGD) üretebilen dünyanın en büyük düşük basınçlı ters ozmoz tesisine sahipti.

Resmen, ters ozmoz, ozmotik basıncı aşan bir basınç uygulayarak bir çözücüyü, yarı geçirgen bir zardan yüksek çözünen konsantrasyonlu bir bölgeden düşük çözünen konsantrasyonlu bir bölgeye zorlama işlemidir. Ters ozmozun en büyük ve en önemli uygulaması, saf suyun deniz suyu ve acı sulardan ayrılmasıdır ; deniz suyu veya acı su, zarın bir yüzeyine karşı basınçlandırılır, bu da tuzu tükenmiş suyun zar boyunca taşınmasına ve düşük basınçlı taraftan içilebilir içme suyunun ortaya çıkmasına neden olur.

Ters ozmoz için kullanılan membranlar, ayırmanın meydana geldiği polimer matrisinde yoğun bir katmana sahiptir - ya asimetrik bir zarın derisi ya da ince film-kompozit bir zar içinde arayüzey olarak polimerize edilmiş bir katman. Çoğu durumda, zar, çözünen maddelerin (tuz iyonları gibi) geçişini engellerken, bu yoğun tabakadan yalnızca suyun geçmesine izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu işlem, membranın yüksek konsantrasyonlu tarafına tatlı ve acı su için genellikle 2-17 bar (30-250 psi ) ve deniz suyu için 40-82 bar (600-1200 psi) olmak üzere yüksek bir basınç uygulanmasını gerektirir. üstesinden gelinmesi gereken yaklaşık 27 bar (390 psi) doğal ozmotik basınca sahiptir. Bu işlem en çok tuzdan arındırmada ( tatlı su üretmek için deniz suyundan tuzu ve diğer mineralleri uzaklaştırma) kullanımıyla bilinir , ancak 1970'lerin başından beri tıbbi, endüstriyel ve evsel uygulamalar için tatlı suyu arıtmak için de kullanılmıştır.

Tatlı su uygulamaları

Tezgah ters ozmoz sistemi

İçme suyu arıtma

Dünya çapında, ters ozmoz adımı da dahil olmak üzere ev tipi içme suyu arıtma sistemleri, içme ve yemek pişirmek için suyu iyileştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bu tür sistemler tipik olarak bir dizi adımı içerir:

• pas ve kalsiyum karbonat dahil olmak üzere parçacıkları yakalamak için bir tortu filtresi
• isteğe bağlı olarak daha küçük gözenekli ikinci bir tortu filtresi
• belirli türdeki ince film kompozit membranlara saldıracak ve bozacak organik kimyasalları ve kloru hapsetmek için aktif karbon filtresi
• ince film kompozit bir membran olan bir ters ozmoz filtresi
• isteğe bağlı olarak, ters ozmoz membranı tarafından filtrelemeden kaçabilecek mikropları sterilize etmek için bir ultraviyole lambası
• isteğe bağlı olarak, ters ozmoz membranı tarafından uzaklaştırılmayan kimyasalları yakalamak için ikinci bir karbon filtre

Bazı sistemlerde karbon ön filtresi kullanılmaz ve bir selüloz triasetat membran kullanılır. CTA (selüloz triasetat), sentetik bir katmana bağlı bir kağıt yan ürün membrandır ve sudaki klor ile temasa izin verecek şekilde yapılmıştır. Bunlar, üzerinde bakteri oluşmasını önlemek için su kaynağında az miktarda klor gerektirir. CTA membranları için tipik reddetme oranı %85-95'tir.

Selüloz triasetat membran, klorlu su ile korunmadıkça çürümeye eğilimliyken, ince film kompozit membran klorun etkisi altında parçalanmaya eğilimlidir. İnce film kompozit (TFC) membran sentetik malzemeden yapılmıştır ve su membrana girmeden önce klorun çıkarılmasını gerektirir. TFC membran elemanlarını klor hasarından korumak için, tüm konut ters ozmoz sistemlerinde ön arıtma olarak karbon filtreler kullanılır. TFC membranları, CTA membranlarından %95-98 daha yüksek bir reddetme oranına ve daha uzun bir ömre sahiptir.

Taşınabilir ters ozmoz su işlemcileri , çeşitli yerlerde kişisel su arıtma için satılmaktadır. Etkili bir şekilde çalışmak için, bu ünitelere su beslemesi bir miktar basınç altında olmalıdır (normalde 280 kPa (40 psi) veya üzeri). Portatif ters osmoz su işlemcileri, şehrin su borularından uzakta, temiz suyu olmayan kırsal alanlarda yaşayan kişiler tarafından kullanılabilir. Cihazın kullanımı kolay olduğundan (tuzlu su özel membranlara ihtiyaç duyabilir) kırsal kesimdeki insanlar nehir veya okyanus suyunu kendileri filtreler. Uzun tekne gezintisi, balık tutma veya ada kamp gezileri yapan ya da yerel su kaynağının kirli veya standartların altında olduğu ülkelerdeki bazı gezginler, bir veya daha fazla ultraviyole sterilizatörle birlikte ters ozmoz su işlemcileri kullanır.

Olarak şişe suyu üretimi , su kirliliği ve mikroorganizmaların uzaklaştırılması için bir ters ozmoz su işlemci geçer. Ancak Avrupa ülkelerinde, doğal maden suyunun (bir Avrupa direktifinde tanımlandığı gibi) bu şekilde işlenmesine Avrupa hukuku kapsamında izin verilmemektedir. Pratikte, canlı bakterilerin bir kısmı ters ozmoz zarlarından küçük kusurlar yoluyla geçebilir veya geçebilir veya çevreleyen contalardaki küçük sızıntılar yoluyla zarı tamamen atlayabilir. Bu nedenle, tam ters ozmoz sistemleri, mikrobiyolojik kontaminasyonu önlemek için ultraviyole ışık veya ozon kullanan ek su arıtma aşamaları içerebilir .

Membran gözenek boyutları, filtre tipine bağlı olarak 0.1 ile 5.000 nm arasında değişebilir. Partikül filtrasyonu, 1 µm veya daha büyük partikülleri uzaklaştırır . Mikrofiltrasyon , 50 nm veya daha büyük partikülleri uzaklaştırır. Ultrafiltrasyon , kabaca 3 nm veya daha büyük partikülleri uzaklaştırır. Nanofiltrasyon, 1 nm veya daha büyük partikülleri uzaklaştırır. Ters ozmoz, membran filtrasyonu, hiperfiltrasyonun son kategorisindedir ve 0.1 nm'den büyük partikülleri uzaklaştırır.

Merkezi olmayan kullanım: güneş enerjili ters ozmoz

Bir güneş enerjili bir tuzdan arındırma birimi üreten içme suyu gelen tuzlu su , bir kullanarak fotovoltaik sistem bu, ters osmoz için gerekli olan enerjiye dönüştürür güneş enerjisi. Güneş ışığının farklı coğrafyalarda yaygın olarak bulunması nedeniyle, güneş enerjisiyle çalışan ters ozmoz, elektrik şebekesi olmayan uzak ortamlarda içme suyu arıtımı için kendisini iyi bir şekilde ödünç verir. Ayrıca, güneş enerjisi , geleneksel ters ozmoz sistemlerinin sera gazı emisyonlarının yanı sıra genellikle yüksek enerjili işletme maliyetlerinin de üstesinden gelir ve bu da onu gelişmekte olan bağlamlarla uyumlu sürdürülebilir bir tatlı su çözümü haline getirir. Örneğin, uzak topluluklar için tasarlanmış güneş enerjisiyle çalışan bir tuzdan arındırma ünitesi , Avustralya'nın Kuzey Bölgesi'nde başarıyla test edilmiştir .

Güneş ışığının aralıklı doğası ve gün boyunca değişken yoğunluğu, PV verimlilik tahminini zorlaştırır ve gece boyunca tuzdan arındırmayı zorlaştırırken, çeşitli çözümler mevcuttur. Örneğin, güneş ışığı olmayan saatlerde tuzdan arındırma için gerekli enerjiyi sağlayan piller, gündüz güneş enerjisini depolamak için kullanılabilir. Geleneksel pillerin kullanımı dışında, güneş enerjisi depolamak için alternatif yöntemler mevcuttur. Örneğin, termal enerji depolama sistemleri bu depolama sorununu çözer ve güneş ışığının olmadığı saatlerde ve bulutlu günlerde bile sabit performans sağlayarak genel verimliliği artırır.

Askeri kullanım: ters ozmoz su arıtma ünitesi

Ters ozmoz su arıtma ünitesi (ROWPU), portatif, bağımsız bir su arıtma tesisidir. Askeri kullanım için tasarlanmış olup , neredeyse her su kaynağından içme suyu sağlayabilir . Amerika Birleşik Devletleri silahlı kuvvetleri ve Kanada Kuvvetleri tarafından kullanılan birçok model var . Bazı modeller konteynerli , bazıları treyler ve bazıları da kendi başına araç.

Amerika Birleşik Devletleri silahlı kuvvetlerinin her şubesinin kendi ters ozmoz su arıtma ünitesi modelleri serisi vardır, ancak hepsi benzerdir. Su, ham kaynağından ters ozmoz su arıtma ünitesi modülüne pompalanır ve burada pıhtılaşmayı başlatmak için bir polimer ile işlenir . Ardından, bulanıklığı gidererek birincil işleme tabi tutulduğu bir çoklu ortam filtresinden geçirilir. Daha sonra, genellikle spiral sargılı pamuk olan bir kartuş filtreden pompalanır. Bu işlem, 5 µm'den büyük partiküllerin suyunu berraklaştırır ve neredeyse tüm bulanıklığı ortadan kaldırır .

Arıtılmış su daha sonra yüksek basınçlı bir pistonlu pompa aracılığıyla ters ozmoza maruz kalacağı bir dizi kap içine beslenir. Ürün suyu, ham suyun toplam çözünmüş katılarının %90.00–99.98'ini içermez ve askeri standartlara göre, elektriksel iletkenlik ölçüsüne göre milyonda 1000–1500 parçadan fazla olmamalıdır . Daha sonra klor ile dezenfekte edilir ve daha sonra kullanılmak üzere saklanır.

Su ve atık su arıtma

Fırtına kanalizasyonlarından toplanan yağmur suları, ters ozmozlu su işlemcileri ile arıtılarak, su kıtlığı sorununa çözüm olarak Los Angeles ve diğer şehirlerde peyzaj sulama ve endüstriyel soğutma için kullanılmaktadır.

Sanayide, ters ozmoz , enerji santrallerinde kazan suyundan mineralleri uzaklaştırır . Su defalarca damıtılır . Mümkün olduğu kadar saf olmalıdır, böylece makinelerde tortu bırakmaz veya korozyona neden olmaz. Kazan borularının içindeki veya dışındaki birikintiler, kazanın performansının düşmesine, verimliliğinin düşmesine ve zayıf buhar üretimine, dolayısıyla türbinde zayıf güç üretimine neden olabilir.

Ayrıca atık ve acı yer altı sularını temizlemek için de kullanılır . Daha büyük hacim (500 m, çıkış ³ / gün) önce, atık su arıtma tesisinde muamele edilmesi, ve daha sonra açık bir çıkış maddesi ters osmoz sistemine tabi tutulur. Ters ozmoz sisteminin arıtma maliyeti önemli ölçüde azalır ve membran ömrü artar.

Deiyonize su üretimi için ters ozmoz işlemi kullanılabilir .

Su arıtma için ters ozmoz işlemi termal enerji gerektirmez. Akışlı ters ozmoz sistemleri, yüksek basınçlı pompalar tarafından düzenlenebilir. Arıtılmış suyun geri kazanılması, membran boyutları, membran gözenek boyutu, sıcaklık, çalışma basıncı ve membran yüzey alanı dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlıdır.

2002'de Singapur , NEWater adlı bir sürecin gelecekteki su planlarının önemli bir parçası olacağını duyurdu . NEWater'ı tekrar rezervuarlara boşaltmadan önce evsel atık suyu arıtmak için ters ozmoz kullanmayı içerir.

Gıda endüstrisi

Tuzdan arındırmaya ek olarak, ters ozmoz, gıda sıvılarının (meyve suları gibi) konsantre edilmesi için geleneksel ısıl işlem süreçlerine göre daha ekonomik bir işlemdir. Portakal suyu ve domates suyu konsantrasyonu üzerine araştırmalar yapılmıştır. Avantajları arasında daha düşük işletme maliyeti ve çoğu gıda ürününde bulunan protein ve enzimler gibi ısıya duyarlı maddeler için uygun hale getiren ısıl işlem süreçlerinden kaçınma yeteneği yer alır .

Ters ozmoz, süt endüstrisinde peynir altı suyu protein tozlarının üretimi ve nakliye maliyetlerini azaltmak için sütün konsantrasyonu için yaygın olarak kullanılmaktadır. Peynir altı suyu uygulamalarında, peynir altı suyu (peynir üretiminden sonra kalan sıvı), ultrafiltrasyon işleminden önce %6 toplam katıdan %10-20 toplam katıya ters ozmoz ile konsantre edilir . Ultrafiltrasyon filtre edilmeyen kısım daha sonra peynir altı suyu proteini izolatı dahil olmak üzere çeşitli peynir altı suyu tozları yapmak için kullanılabilir . Ek olarak, laktoz içeren ultrafiltrasyon permeatı, laktoz tozunun kristalizasyon ve kurutma maliyetlerini azaltmak için ters ozmoz ile %5 toplam katıdan %18-22 toplam katıya konsantre edilir.

Sürecin şarap endüstrisinde kullanımından kaçınılmasına rağmen, şimdi yaygın olarak anlaşılmakta ve kullanılmaktadır. 2002'de Fransa'nın Bordeaux kentinde tahminen 60 ters ozmoz makinesi kullanılıyordu . Bilinen kullanıcılar arasında Bordeaux'daki Château Léoville-Las Cases gibi seçkin sınıftaki büyümelerin (Kramer) çoğu yer alıyor .

Akçaağaç şurubu üretimi

1946'da, bazı akçaağaç şurubu üreticileri , özsu kaynatılarak şurup haline gelmeden önce özsudan suyu çıkarmak için ters ozmoz kullanmaya başladı . Ters ozmoz kullanımı, suyun yaklaşık %75-90'ının özsudan uzaklaştırılmasını sağlayarak enerji tüketimini ve şurubun yüksek sıcaklıklara maruz kalmasını azaltır. Membranların mikrobiyal kontaminasyonu ve bozulması izlenmelidir.

Düşük alkollü bira

Normal alkol konsantrasyonundaki bira ters ozmoza maruz kaldığında, hem su hem de alkol zardan diğer bileşenlere göre daha kolay geçerek bir "bira konsantresi" bırakır. Konsantre daha sonra uçucu olmayan bileşenleri orijinal yoğunluklarına geri döndürmek için tatlı su ile seyreltilir.

hidrojen üretimi

Küçük ölçekli hidrojen üretimi için , elektrotların yüzeyinde mineral birikintilerinin oluşumunu önlemek için bazen ters ozmoz kullanılır .

Akvaryumlar

Birçok resif akvaryumu sahibi, yapay deniz suyu karışımı için ters ozmoz sistemleri kullanır. Sıradan musluk suyu aşırı klor, kloraminler, bakır, nitratlar, nitritler, fosfatlar, silikatlar veya resif ortamındaki hassas organizmalara zarar veren diğer birçok kimyasal içerebilir. Azot bileşikleri ve fosfatlar gibi kirleticiler aşırı ve istenmeyen alg büyümesine neden olabilir. Hem ters ozmoz hem de deiyonizasyonun etkili bir kombinasyonu, resif akvaryumu sahipleri arasında en popüler olanıdır ve düşük sahip olma maliyeti ve minimum işletme maliyetleri nedeniyle diğer su arıtma işlemlerinden daha çok tercih edilir. Suda klor ve kloraminlerin bulunduğu durumlarda , resif bekçileri tarafından kullanılan yaygın konut membranı bu bileşiklerle başa çıkmadığından, membrandan önce karbon filtrasyonu gerekir.

Tatlı su akvaryumcuları, birçok tropik su kütlesinde bulunan çok yumuşak suları çoğaltmak için ters ozmoz sistemlerini de kullanır. Birçok tropikal balık uygun şekilde arıtılmış musluk suyunda hayatta kalabilse de üreme imkansız olabilir. Birçok su dükkânı bu amaçla ters ozmozlu su kapları satar.

Temiz pencere

Pencereleri temizlemenin giderek daha popüler bir yöntemi, "su beslemeli direk" sistemidir. Pencereleri geleneksel şekilde deterjanla yıkamak yerine, zemin seviyesinden kullanılan uzun bir direğin ucunda bir fırça kullanılarak, tipik olarak 10 ppm'den daha az çözünmüş katı içeren yüksek derecede saf su ile ovulur. Ters ozmoz, suyu arıtmak için yaygın olarak kullanılır.

Çöp sızıntı suyu arıtma

Ters ozmoz ile tedavi sınırlıdır, bu da yüksek konsantrasyonda ( elektriksel iletkenlik ile ölçülen) düşük geri kazanımlara ve RO membranlarının kirlenmesine neden olur. Ters ozmoz uygulanabilirliği, iletkenlik, organikler ve CaSO4, Si, Fe ve Ba gibi inorganik elementlerin ölçeklenmesi ile sınırlıdır. Düşük organik ölçekleme iki farklı teknoloji kullanabilir, biri spiral sargılı membran tipi modül kullanır ve yüksek organik ölçekleme için yüksek iletkenlik ve daha yüksek basınç (90 bara kadar) ters ozmoz membranlı disk tüp modülleri kullanılabilir. Disk tüp modülleri, genellikle yüksek seviyelerde organik malzeme ile kirlenmiş olan çöp sızıntı suyu arıtması için yeniden tasarlandı. Yüksek hızlı çapraz akış nedeniyle, konsantre olarak serbest bırakılmadan önce akışı aynı membran yüzeyi üzerinde 1,5 ila 3 kez yeniden dolaştıran bir akış takviye pompası verilir. Yüksek hız, membran kireçlenmesine karşı da iyidir ve başarılı membran temizliğine olanak tanır.

Disk tüp modül sistemi için güç tüketimi

RO membran yastıklı disk tüp modülü ve RO membranlı Spiral sargılı modül

tuzdan arındırma

Yüzey suyu veya yeraltı suyu olmayan veya sınırlı olan alanlar tuzdan arındırmayı seçebilir . Ters ozmoz, nispeten düşük enerji tüketimi nedeniyle giderek yaygınlaşan bir tuzdan arındırma yöntemidir.

Son yıllarda, daha verimli enerji geri kazanım cihazlarının ve geliştirilmiş membran malzemelerinin geliştirilmesiyle enerji tüketimi yaklaşık 3 kWh/m ^3'e düştü . Uluslararası Tuzdan Arındırma Derneği'ne göre, 2011 için, kurulu tuzdan arındırma kapasitesinin %66'sında (0,0445 / 0,0674 km³/gün) ve neredeyse tüm yeni tesislerde ters ozmoz kullanıldı. Diğer tesisler esas olarak termal damıtma yöntemlerini kullanır: çok etkili damıtma ve çok aşamalı flaş .

Bir membran prosesi olan deniz suyu ters ozmoz (SWRO) tuzdan arındırma, 1970'lerin başından beri ticari olarak kullanılmaktadır. İlk pratik kullanımı Coalinga, California'daki Los Angeles'taki California Üniversitesi'nden Sidney Loeb ve Kanada Ulusal Araştırma Konseyi'nden Srinivasa Sourirajan tarafından gösterildi. Isıtma veya faz değişimi gerekli olduğundan, enerji gereksinimi yaklaşık 3 kWh / m, düşük ^3'e tuz giderme diğer işlemleri ile karşılaştırıldığında, ama çok daha yüksek atık suyun ters osmoz tedavisi dahil olmak üzere su, diğer formları için gerekli olan daha hala , 0.1 ila 1 kWh / m ³ . Deniz suyu girdisinin %50'ye kadarı tatlı su olarak geri kazanılabilir, ancak daha düşük geri kazanımlar membran kirlenmesini ve enerji tüketimini azaltabilir.

Acı su ters ozmozu, genellikle nehir haliçlerinden veya tuzlu kuyulardan gelen deniz suyundan daha düşük tuz içeriğine sahip suyun tuzdan arındırılması anlamına gelir. İşlem, büyük ölçüde deniz suyu ters ozmozu ile aynıdır, ancak daha düşük basınçlar ve dolayısıyla daha az enerji gerektirir. Yem tuzluluğuna bağlı olarak, besleme suyu girişinin %80'e kadarı tatlı su olarak geri kazanılabilir.

Aşkelon İsrail deniz suyu ters osmoz deniz suyu arıtma tesisi dünyanın en büyüğüdür. Proje, üç uluslararası şirketten oluşan bir konsorsiyum tarafından yap-işlet-devret olarak geliştirildi : Veolia water, IDE Technologies ve Elran.

Tipik tek geçişli deniz suyu ters ozmoz sistemi şunlardan oluşur:

• alım
• ön arıtma
• Yüksek basınç pompası (enerji geri kazanımı ile birleştirilmemişse)
• Membran montajı
• Enerji geri kazanımı (kullanılıyorsa)
• Remineralizasyon ve pH ayarı
• dezenfeksiyon
• Alarm/kontrol paneli

ön arıtma

Spiral sargılı tasarımlarının doğası gereği ters ozmoz ve nanofiltrasyon membranları ile çalışırken ön arıtma önemlidir. Malzeme, sistem boyunca yalnızca tek yönlü akışa izin verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle, spiral sargılı tasarım, yüzeyini temizlemek ve katıları çıkarmak için su veya hava ile çalkalama ile geri tepmeye izin vermez. Birikmiş malzeme membran yüzey sistemlerinden uzaklaştırılamadığı için kirlenmeye (üretim kapasitesi kaybı) karşı oldukça hassastır. Bu nedenle, herhangi bir ters ozmoz veya nanofiltrasyon sistemi için ön arıtma bir zorunluluktur. Deniz suyu ters ozmoz sistemlerinde ön arıtmanın dört ana bileşeni vardır:

• Katıların taranması: İnce partikül veya biyolojik büyüme ile membranların kirlenmesini önlemek ve yüksek basınçlı pompa bileşenlerine zarar verme riskini azaltmak için su içindeki katılar çıkarılmalı ve su arıtılmalıdır.
• Kartuş filtrasyonu: Genellikle, 1-5 µm çapındaki partikülleri çıkarmak için ip sargılı polipropilen filtreler kullanılır  .
• Dozlama: Bakterileri öldürmek için klor gibi oksitleyici biyositler eklenir, ardından ince film kompozit membranı tahrip edebilen kloru devre dışı bırakmak için bisülfit dozlaması yapılır. Bakterileri öldürmeyen, ancak zar yüzeyinde ve bitki duvarlarında sümük oluşumunu engelleyen biyolojik kirlilik önleyiciler de vardır .
• Ön filtreleme pH ayarı: Besleme suyundaki pH, sertlik ve alkalilik, reddetme akışında konsantre olduklarında bir ölçekleme eğilimine neden oluyorsa, karbonatları çözünür karbonik asit formlarında tutmak için asit dozlanır.

CO ₃ ²⁻ + H ₃ O ⁺ = HCO ₃ ⁻ + H ₂ O

HCO ₃ ⁻ + H ₃ O ⁺ = H ₂ CO ₃ + H ₂ O

• Karbonik asit, kalsiyum karbonat ölçeği oluşturmak için kalsiyum ile birleşemez . Kalsiyum karbonat ölçekleme eğilimi, Langelier doygunluk indeksi kullanılarak tahmin edilir. Karbonat tortularını kontrol etmek için çok fazla sülfürik asit eklemek, ters ozmoz membranında kalsiyum sülfat, baryum sülfat veya stronsiyum sülfat tortusu oluşumuna neden olabilir.
• Ön filtreleme antiskalantları: Kireç önleyiciler (antiskalantlar olarak da bilinirler), asitle karşılaştırıldığında tüm tortuların oluşumunu engeller, bu da yalnızca kalsiyum karbonat ve kalsiyum fosfat tortularının oluşumunu önleyebilir . Antiskalantlar, karbonat ve fosfat tortularını engellemeye ek olarak, sülfat ve florür tortularını engeller ve kolloidleri ve metal oksitleri dağıtır. Antiskalantların silika oluşumunu engelleyebileceği iddialarına rağmen, silika polimerizasyonunun antiskalantlar tarafından engellenebileceğini kanıtlayan hiçbir somut kanıt yoktur. Antiskalantlar, sülfürik asit kullanarak aynı ölçeği kontrol etmek için gereken dozajın bir kısmında asitte çözünür tortuları kontrol edebilir.
• Bazı küçük ölçekli tuzdan arındırma üniteleri 'plaj kuyuları' kullanır; genellikle okyanusa yakın deniz kıyısında delinirler. Bu alım tesislerinin inşası nispeten basittir ve topladıkları deniz suyu, kaynak suyu çıkarma alanındaki yüzey altı kum/deniz yatağı oluşumlarından yavaş filtrasyon yoluyla ön arıtılır. Sahil kuyuları kullanılarak toplanan ham deniz suyu, açık deniz suyu alımlarına kıyasla katılar, silt, yağ ve gres, doğal organik kirlilik ve sudaki mikroorganizmalar açısından genellikle daha iyi kalitededir. Bazen, kumsal alımları da daha düşük tuzlulukta kaynak suyu verebilir.

Yüksek basınç pompası

Yüksek basınç pompası , membran tuzun geçişini reddetse bile, suyu membrandan geçirmek için gereken basıncı sağlar. Acı su için tipik basınçlar 1,6 ila 2,6 MPa (225 ila 376 psi) arasındadır. Deniz suyu durumunda, bunlar 5,5 ila 8 MPa (800 ila 1,180 psi) aralığındadır. Bu büyük miktarda enerji gerektirir. Enerji geri kazanımının kullanıldığı yerlerde, yüksek basınç pompasının işinin bir kısmı enerji geri kazanım cihazı tarafından yapılır ve sistem enerji girdilerini azaltır.

Membran montajı

Bir zarın katmanları

Membran tertibatı, besleme suyunun kendisine karşı bastırılmasına izin veren bir membrana sahip bir basınçlı kaptan oluşur. Membran, kendisine uygulanan her türlü basınca dayanacak kadar güçlü olmalıdır. Ters ozmoz membranları, en yaygın iki konfigürasyon spiral sargılı ve içi boş fiber olmak üzere çeşitli konfigürasyonlarda yapılır.

Membran tertibatına pompalanan tuzlu su besleme suyunun yalnızca bir kısmı, tuzu çıkarılmış halde zardan geçer. Kalan "konsantre" akışı, konsantre tuz çözeltisini yıkamak için zarın tuzlu tarafı boyunca geçer. Tuzlu su besleme akışına karşı üretilen tuzdan arındırılmış su yüzdesi "geri kazanım oranı" olarak bilinir. Bu, besleme suyunun tuzluluğuna ve sistem tasarım parametrelerine göre değişir: tipik olarak küçük deniz suyu sistemleri için %20, daha büyük deniz suyu sistemleri için %40 - %50 ve acı su için %80 - %85. Konsantre akış tipik olarak besleme basıncından sadece 3 bar / 50 psi daha azdır ve bu nedenle yüksek basınçlı pompa giriş enerjisinin çoğunu hala taşır.

Tuzdan arındırılmış su saflığı, besleme suyu tuzluluğunun, membran seçiminin ve geri kazanım oranının bir fonksiyonudur. Daha yüksek saflık elde etmek için genellikle yeniden pompalama gerektiren ikinci bir geçiş eklenebilir. Toplam çözünmüş katılar olarak ifade edilen saflık , bir deniz suyu beslemesinde tipik olarak milyonda 100 ila 400 kısım (ppm veya mg/litre) arasında değişir. 500 ppm'lik bir seviye genellikle içme suyu için üst sınır olarak kabul edilirken, ABD Gıda ve İlaç Dairesi maden suyunu en az 250 ppm içeren su olarak sınıflandırır .

Enerji geri kazanımı

Basınç eşanjörü kullanan bir ters ozmoz tuzdan arındırma sisteminin şemaları .
1 : Deniz suyu girişi,
2 : Tatlı su akışı (%40),
3 : Konsantre akışı (%60),
4 : Deniz suyu akışı (%60),
5 : Konsantre (tahliye),
A: Pompa akışı (%40) ,
B : Sirkülasyon pompası,
C : Membranlı ozmoz ünitesi,
D : Basınç eşanjörü

Bir enerji geri kazanım pompası kullanan bir ters ozmoz tuzdan arındırma sisteminin şeması.
1 : Deniz suyu girişi (%100, 1 bar),
2 : Deniz suyu akışı (%100, 50 bar),
3 : Konsantre akışı (%60, 48 bar),
4 : Tatlı su akışı (%40, 1 bar) ,
5 : Tahliye için konsantre (%60,1 bar),
A: Basınç geri kazanım pompası,
B : Membranlı ozmoz ünitesi

Enerji geri kazanımı, enerji tüketimini %50 veya daha fazla azaltabilir. Yüksek basınçlı pompa giriş enerjisinin çoğu, konsantre akışından geri kazanılabilir ve enerji geri kazanım cihazlarının artan verimliliği, ters ozmoz tuzdan arındırma enerji ihtiyaçlarını büyük ölçüde azaltmıştır. Buluş sırasına göre kullanılan cihazlar şunlardır:

• Türbin veya Pelton çarkı : Giriş gücünün bir kısmını sağlamak için yüksek basınçlı pompa tahrik miline bağlı, konsantre akış tarafından tahrik edilen bir su türbini. Daha küçük sistemlerde türbinlerin yerine pozitif deplasmanlı eksenel pistonlu motorlar da kullanılmıştır.
• Turboşarj: Konsantre akış tarafından tahrik edilen, doğrudan yüksek basınç pompası çıkış basıncını artıran, yüksek basınç pompasından ihtiyaç duyulan basıncı ve dolayısıyla enerji girişini azaltan bir santrifüj pompaya bağlı , yapı prensibinde araba motoru turboşarjlarına benzer bir su türbini .
• Basınç eşanjörü : membran besleme akışının bir kısmını konsantre akış basıncına yakın basınçlandırmak için doğrudan temas halinde veya bir piston aracılığıyla basınçlı konsantre akışının kullanılması. Bir takviye pompası daha sonra bu basıncı tipik olarak 3 bar / 50 psi kadar membran besleme basıncına yükseltir. Bu, yüksek basınçlı pompadan ihtiyaç duyulan akışı, konsantre akışa eşit bir miktarda, tipik olarak %60 oranında ve dolayısıyla enerji girdisini azaltır. Bunlar daha büyük düşük enerjili sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. 3 kWh/m ³ veya daha az enerji tüketimine sahiptirler.
• Enerji geri kazanım pompası: Membran besleme akışını karşı taraftan yönlendirmeye yardımcı olmak için her pistonun bir tarafına uygulanan basınçlı konsantre akışa sahip bir pistonlu pistonlu pompa. Bunlar, yüksek basınç pompası ve enerji geri kazanımını tek bir kendi kendini düzenleyen ünitede birleştiren, uygulanması en basit enerji geri kazanım cihazlarıdır. Bunlar daha küçük düşük enerjili sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. 3 kWh/m ³ veya daha az enerji tüketimine sahiptirler.
• Parti çalışması: Sabit hacimde akışkanla (termodinamik olarak kapalı bir sistem ) çalışan ters ozmoz sistemleri , neredeyse sıkıştırılamaz bir akışkanı (su) basınçlandırma enerjisi ihmal edilebilir olduğundan, tuzlu su akışında boşa harcanan enerjiden zarar görmez. Bu tür sistemler, %60'lık ikinci yasa verimliliğine ulaşma potansiyeline sahiptir.

Remineralizasyon ve pH ayarı

Tuzdan arındırılmış su, alt boru hatlarını ve depolamayı korumak için, genellikle beton kaplı yüzeylerin korozyonunu önlemek için kireç veya kostik soda eklenerek stabilize edilir . Kireç malzemesi, öncelikle etkili dezenfeksiyon ve korozyon kontrolü için, içme suyu özelliklerini karşılamak üzere pH'ı 6,8 ile 8,1 arasında ayarlamak için kullanılır. Tuzdan arındırma yoluyla sudan uzaklaştırılan mineralleri değiştirmek için yeniden mineralizasyon gerekebilir. Her ne kadar bu işlemin maliyetli olduğu ve insanlar ve bitkiler tarafından mineral talebini karşılaması amaçlanıyorsa çok uygun olmadığı kanıtlanmıştır. Daha önce tatlı su kaynaklarının sağladığı mineral talebinin aynısı. Örneğin, İsrail'in ulusal su taşıyıcısından gelen su tipik olarak 20 ila 25 mg/litre arasında çözünmüş magnezyum seviyeleri içerirken, Aşkelon tesisinden gelen suda magnezyum yoktur. Çiftçiler bu suyu kullandıktan sonra, domates, fesleğen ve çiçekler de dahil olmak üzere mahsullerde magnezyum eksikliği belirtileri ortaya çıktı ve gübreleme ile giderilmesi gerekiyordu. Mevcut İsrail içme suyu standartları, minimum 20 mg/litre kalsiyum seviyesi belirler. Aşkelon tesisindeki tuzdan arındırma sonrası arıtma, kalsiti (kireçtaşı) çözmek için sülfürik asit kullanır ve bu da kalsiyum konsantrasyonunun 40 ila 46 mg/litre olmasını sağlar. Bu, tipik İsrail tatlı suyunda bulunan 45 ila 60 mg/litre değerinden daha düşüktür.

dezenfeksiyon

Arıtma sonrası, suyun filtrasyondan sonra dağıtım için hazırlanmasından oluşur. Ters ozmoz, patojenlere karşı etkili bir bariyerdir, ancak tedavi sonrası, tehlike altındaki membranlara ve aşağı akış sorunlarına karşı ikincil koruma sağlar. Ultraviyole (UV) lambalarıyla (bazen mikrop öldürücü veya bakteri öldürücü olarak adlandırılır) dezenfeksiyon , ters ozmoz sürecini atlayan patojenleri sterilize etmek için kullanılabilir. Klorlama veya kloraminasyon (klor ve amonyak), yeni inşaat, geri yıkama, bozulmuş borular vb. gibi dağıtım sisteminde aşağı akışta yerleşmiş olabilecek patojenlere karşı koruma sağlar.

Dezavantajları

Ev tipi ters ozmoz üniteleri, düşük geri basınca sahip oldukları için çok su kullanır. Daha önce sisteme giren suyun sadece %5 ila %15'ini geri kazanabiliyorlardı. Bununla birlikte, en yeni RO su arıtıcıları suyun %40 ila 55'ini geri kazanabilir. Geri kalan kısım ise atık su olarak deşarj edilmektedir. Atık su, reddedilen kirleticileri de beraberinde taşıdığından, bu suyu geri kazanma yöntemleri ev sistemleri için pratik değildir. Atık su tipik olarak evin kanalizasyonlarına bağlanır ve evdeki septik sistem üzerindeki yüke katkıda bulunur. Günde 20 litre (5.3 US gal) arıtılmış su sağlayan bir ters ozmoz ünitesi, günde 50 ila 80 litre (13 ve 21 US gal) atık su boşaltabilir. Hindistan'da Ulusal Yeşil Mahkemesi toplam çözünmüş katı maddeler (TDS) su ölçer Bu gibi kentleşmelerle bir felaket sonucu vardır litre / en fazla 500 mg olduğu alanlarda RO su arıtma sistemleri yasağı önerilen bu sebeple olan Delhi burada ev tipi RO cihazlarının büyük ölçekli kullanımı, halihazırda suyla kavrulmuş Hindistan Ulusal Başkent Bölgesi'nin toplam su talebini artırdı.

Büyük ölçekli endüstriyel/belediye sistemleri tipik olarak besleme suyunun %75 ila %80'ini veya %90 kadar yüksek bir kısmını geri kazanır, çünkü daha yüksek geri kazanımlı ters ozmoz filtrasyonu için gereken yüksek basıncı üretebilirler. Öte yandan, ticari işlemlerde atık suyun geri kazanılması arttıkça, ürün suyunun toplam çözünmüş katı düzeylerinin gösterdiği gibi, etkin kirletici uzaklaştırma oranları düşme eğilimindedir .

Ters ozmoz yapısı gereği hem suda bulunan zararlı kirleticileri hem de arzu edilen bazı mineralleri ortadan kaldırır. Bu konudaki modern çalışmalar, insan sağlığı yönüne girmeden boru hattı korozyonunu önlemek için günümüzde arıtma tesislerinde yeniden mineralizasyon yapıldığından, bu tür çalışmalara fon ve ilgi eksikliğinden dolayı oldukça sığ olmuştur. Bununla birlikte, bir yandan uzun vadeli sağlık etkileri ile kalsiyum ve magnezyum oranı düşük su tüketimi arasında bir ilişki olduğunu gösteren daha eski, daha kapsamlı çalışmalarla bağlantı kurarlar, diğer yandan bu eski çalışmaların hiçbirinin modern araştırma standartlarına uymadığını itiraf ederler. .

Atık akışı hususları

İstenen ürüne bağlı olarak, ters ozmozun çözücü veya çözünen akışı atık olacaktır. Gıda konsantrasyonu uygulamaları için, konsantre çözünen akışı ürün, solvent akışı ise atıktır. Su arıtma uygulamaları için, çözücü akımı arıtılmış sudur ve çözünen madde akımı konsantre atıktır. Gıda işlemeden kaynaklanan solvent atık akışı geri kazanılmış su olarak kullanılabilir , ancak konsantre atık çözünen akışının bertarafı için daha az seçenek olabilir. Gemiler deniz boşaltımını kullanabilir ve kıyıdaki tuzdan arındırma tesisleri tipik olarak deniz deşarjlarını kullanır . Kara ile çevrili ters ozmoz tesisleri, yeraltı suyunu veya yüzey akışını kirletmekten kaçınmak için buharlaşma havuzları veya enjeksiyon kuyuları gerektirebilir .

Yeni gelişmeler

1970'lerden bu yana, daha az hidrolik enerji gereksinimi olan daha büyük gözenekli başka bir membran ile yüksek kirlilik içeren suların ön filtrasyonu değerlendirilmiş ve bazen kullanılmıştır. Ancak bu, suyun iki zardan geçtiği ve genellikle yeniden basınçlandırıldığı anlamına gelir, bu da sisteme daha fazla enerji verilmesini gerektirir ve dolayısıyla maliyeti artırır.

Son zamanlardaki diğer geliştirme çalışmaları, değerli deiyonize ürünlerin geri kazanımını iyileştirmek veya deşarj veya bertaraf gerektiren konsantre hacmini en aza indirmek için ters ozmozu elektrodiyaliz ile entegre etmeye odaklanmıştır .

Son birkaç yılda, birçok yerli RO su arıtma şirketi bu soruna çözüm bulmaya başladı. Bunlar arasında en umut verici çözüm LPHR gibi görünüyor. LPHR veya düşük basınçlı yüksek geri kazanımlı çok aşamalı TO işlemi, aynı anda çok konsantre tuzlu su ve tatlı su üretir. Daha da önemlisi, 35.000 ppm TDS'li bir deniz suyu beslemesinden en fazla 350 ppm TDS içeren bir tatlı su ürünü üretmek için 58 ile 65 bar arasında bir OPD ile %70'den fazla su geri kazanımının ekonomik olarak uygun olduğu bulunmuştur.

Kent RO Sistemleri , reddedilen suyu üst tanka geri iten ve böylece israfı sıfıra indiren basit bir 'Sıfır Su İsrafı' Teknolojisi ile geldi.

İçme suyu üretiminde son gelişmeler nano ölçekli ve grafen membranları içermektedir.

Dünyanın en büyük RO tuzdan arındırma tesisi 2013 yılında İsrail'in Sorek kentinde inşa edildi. Günde 624 bin metreküp (günde 165 milyon ABD galonu) üretime sahip.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Kaynaklar

• Metcalf; Eddy (1972). Atıksu Mühendisliği . New York: McGraw-Hill Kitap Şirketi.