Su arıtma teknolojisi
Yakın zamana kadar ultra saf su üretiminin ana yöntemi distilasyondu. Bu yöntem özellikle enjeksiyonluk su (WFI) üretiminde faydalı olmuş, ancak çeşitli dezavantajlar da taşımıştır.
İlk dezavantaj, buharlaştırma için yüksek miktarda elektrik enerjisi tüketilmesi ve ardından yoğuşturma için soğutma suyuna ihtiyaç duyulması nedeniyle üretilen suyun maliyetinin çok yüksek olmasıdır.
İkinci dezavantaj ise kaliteyle ilgilidir. Çoklu distilasyon uygulansa bile distilasyon yöntemiyle ultra saf su elde etmek mümkün değildir. Bugüne kadar ulaşılabilen sınır, 42 ardışık distilasyonla elde edilen ve 25 °C’de 16,4 MΩ·cm özdirence sahip olan sözde “Kohlrausch suyu”dur.
Yüksek saflıkta su üretimine yönelik modern yaklaşım, birden fazla fiziksel ve kimyasal prosesin birlikte kullanılmasına dayanmaktadır. Bu prosesler, suyun faz durumunu değiştirmeden, farklı faz-dağılmış hâllerde bulunan safsızlıkları adım adım uzaklaştırır. Sonuç olarak, arıtma maliyeti distilasyona kıyasla önemli ölçüde azalır ve elde edilen saflık, teorik sınıra yaklaşacak şekilde bir büyüklük mertebesi daha yüksek olur.
Mechanical purification or filtration
Mekanik filtrasyon, uygulamanın amacına bağlı olarak su arıtımının farklı aşamalarında kullanılabilir. Mekanik filtrasyonun prensibi basittir: filtre gözenek boyutundan daha büyük parçacıklar, filtrasyon malzemesinin yüzeyinde veya tabakası içinde tutulur. Bu yöntem, arıtmanın ilk aşamalarında çözünmeyen maddelerin, son aşamalarında ise mikroorganizmaların uzaklaştırılmasına yardımcı olur.
Mekanik filtrasyon cihazlarına en basit örnek, granüler yataklı filtredir. Filtre ortamını oluşturan granüller gözenekli bir tabaka meydana getirir. Su bu yataktan geçerken parçacıklar granül yüzeyinde tutulur ve daha önce tutulmuş parçacıklara tutunur. Bu tür mekanik filtrasyon, CFC granüler yataklı filtre kartuşlarında kullanılmaktadır.
Mikrofiltrasyon ise, gözenekli polimerik bir membran üzerinden sıvının filtre edilmesini esas alan bir membran ayırma prosesidir. Bu yöntem aynı zamanda mekanik filtrasyon olarak da adlandırılabilir. Filtrelerin yüksek kapasite ve debi sağlaması için filtrasyon yüzeyinin geniş olması gerekir. Filtre tabakasının “konçertina (concertino)” şeklinde katlandığı plili filtreler, filtre elemanının kompaktlığını korurken filtrasyon yüzeyini önemli ölçüde artırmaya olanak tanır.
Derinlik filtrasyonu prensibiyle çalışan filtreler de kullanılabilir. Su filtreden geçerken gözenek boyutu kademeli olarak küçülür. Bu sayede daha büyük parçacıklar yüzeye yakın bölgelerde tutulurken, daha küçük parçacıklar filtre tabakasının içinde yakalanır. Bu teknoloji, MFC mikrofiltrasyon kartuşlarında kullanılmaktadır.
Mekanik filtrasyon cihazlarına en basit örnek, granüler yataklı filtredir. Filtre ortamını oluşturan granüller gözenekli bir tabaka meydana getirir. Su bu yataktan geçerken parçacıklar granül yüzeyinde tutulur ve daha önce tutulmuş parçacıklara tutunur. Bu tür mekanik filtrasyon, CFC granüler yataklı filtre kartuşlarında kullanılmaktadır.
Mikrofiltrasyon ise, gözenekli polimerik bir membran üzerinden sıvının filtre edilmesini esas alan bir membran ayırma prosesidir. Bu yöntem aynı zamanda mekanik filtrasyon olarak da adlandırılabilir. Filtrelerin yüksek kapasite ve debi sağlaması için filtrasyon yüzeyinin geniş olması gerekir. Filtre tabakasının “konçertina (concertino)” şeklinde katlandığı plili filtreler, filtre elemanının kompaktlığını korurken filtrasyon yüzeyini önemli ölçüde artırmaya olanak tanır.
Derinlik filtrasyonu prensibiyle çalışan filtreler de kullanılabilir. Su filtreden geçerken gözenek boyutu kademeli olarak küçülür. Bu sayede daha büyük parçacıklar yüzeye yakın bölgelerde tutulurken, daha küçük parçacıklar filtre tabakasının içinde yakalanır. Bu teknoloji, MFC mikrofiltrasyon kartuşlarında kullanılmaktadır.
Sorpsiyon, sudaki organik maddelerin ve aktif klorun uzaklaştırılmasına yardımcı olur. En yaygın kullanılan sorbentler aktif karbonlardır.
Aktif karbon, gözenek geometrisi ve boyutu geniş bir aralıkta değişen, yüksek derecede gözenekli bir malzemedir. Organik maddeler ve bazı gazlar, dallanmış gözeneklerin içinde adsorbe edilir ve moleküller arası etkileşimler sayesinde burada tutulur. Ayrıca sorbent yüzeyinde kimyasal reaksiyonlar (kimyasal adsorpsiyon / kemisorpsiyon) da gerçekleşebilir. Özellikle aktif klorun aktif karbon ile giderilmesi, kemisorpsiyon mekanizmasına dayanır.
Aktif karbonla sorpsiyon yöntemi, ACC aktif karbon sorpsiyon kartuşlarında kullanılmaktadır.
Filtrenin belirli bir sorpsiyon kapasitesi vardır. Doygunluğa ulaşıldığında, desorpsiyon süreci nedeniyle filtrenin çıkışındaki suda kirletici konsantrasyonunda artış görülebilir.
Ayrıca aktif karbonun, yüksek gözenekliliği ve gözeneklerde adsorbe edilmiş organik maddelerin bulunması nedeniyle mikroorganizmaların çoğalması için elverişli bir ortam oluşturduğunu belirtmek gerekir. Bu nedenle filtrenin zamanında değiştirilmesi son derece önemlidir; aksi takdirde ikincil mikrobiyolojik
Aktif karbon, gözenek geometrisi ve boyutu geniş bir aralıkta değişen, yüksek derecede gözenekli bir malzemedir. Organik maddeler ve bazı gazlar, dallanmış gözeneklerin içinde adsorbe edilir ve moleküller arası etkileşimler sayesinde burada tutulur. Ayrıca sorbent yüzeyinde kimyasal reaksiyonlar (kimyasal adsorpsiyon / kemisorpsiyon) da gerçekleşebilir. Özellikle aktif klorun aktif karbon ile giderilmesi, kemisorpsiyon mekanizmasına dayanır.
Aktif karbonla sorpsiyon yöntemi, ACC aktif karbon sorpsiyon kartuşlarında kullanılmaktadır.
Filtrenin belirli bir sorpsiyon kapasitesi vardır. Doygunluğa ulaşıldığında, desorpsiyon süreci nedeniyle filtrenin çıkışındaki suda kirletici konsantrasyonunda artış görülebilir.
Ayrıca aktif karbonun, yüksek gözenekliliği ve gözeneklerde adsorbe edilmiş organik maddelerin bulunması nedeniyle mikroorganizmaların çoğalması için elverişli bir ortam oluşturduğunu belirtmek gerekir. Bu nedenle filtrenin zamanında değiştirilmesi son derece önemlidir; aksi takdirde ikincil mikrobiyolojik
Ters ozmoz membran filtrasyonu, günümüzde sudan çözünmüş tuzların %99’una kadarının uzaklaştırılmasına olanak tanıyan, en modern ve en maliyet etkin tuzdan arındırma yöntemidir.
Doğrudan ozmoz etkisinde, su molekülleri yarı geçirgen (suya geçirgen) bir membran üzerinden, daha az derişimli bir çözeltiden daha derişimli bir çözeltiye doğru geçer ve bu geçiş, membranın her iki tarafındaki derişimler eşitlenene kadar devam eder. Ters ozmoz prensibi ise doğrudan osmozun tersidir: derişimin yüksek olduğu tarafta aşırı basınç oluşturulur ve bu sayede saf su, membran üzerinden daha az derişimli çözelti tarafına geçer.
Tuzdan arındırma su sistemlerinde ters osmoz teknolojisinin modern uygulamalarında özel cihazlar kullanılmaktadır. Bu cihazlara membran elemanları adı verilir. En yaygın kullanılan tip, membran tabakalarının permeat (filtrat) toplama borusu etrafına sarıldığı spiral sarımlı membran elemanlarıdır. Bu tasarıma sahip membran elemanları, ROC membran kartuşlarında kullanılmaktadır.
Etkili bir tuzdan arındırma sağlamak için, yoğunlaşmış çözelti (konsantre) membran yüzeyinden sürekli olarak uzaklaştırılır ve yerine besleme suyu verilir. Saf su (permeat) ise merkezi bir boru aracılığıyla alınır ve gerekirse son arıtma aşamasına yönlendirilir.
Doğrudan ozmoz etkisinde, su molekülleri yarı geçirgen (suya geçirgen) bir membran üzerinden, daha az derişimli bir çözeltiden daha derişimli bir çözeltiye doğru geçer ve bu geçiş, membranın her iki tarafındaki derişimler eşitlenene kadar devam eder. Ters ozmoz prensibi ise doğrudan osmozun tersidir: derişimin yüksek olduğu tarafta aşırı basınç oluşturulur ve bu sayede saf su, membran üzerinden daha az derişimli çözelti tarafına geçer.
Tuzdan arındırma su sistemlerinde ters osmoz teknolojisinin modern uygulamalarında özel cihazlar kullanılmaktadır. Bu cihazlara membran elemanları adı verilir. En yaygın kullanılan tip, membran tabakalarının permeat (filtrat) toplama borusu etrafına sarıldığı spiral sarımlı membran elemanlarıdır. Bu tasarıma sahip membran elemanları, ROC membran kartuşlarında kullanılmaktadır.
Etkili bir tuzdan arındırma sağlamak için, yoğunlaşmış çözelti (konsantre) membran yüzeyinden sürekli olarak uzaklaştırılır ve yerine besleme suyu verilir. Saf su (permeat) ise merkezi bir boru aracılığıyla alınır ve gerekirse son arıtma aşamasına yönlendirilir.
İyon değişimi, çözeltide bulunan maddelerin iyonlarının, özel bir matris (reçine) üzerindeki iyonlarla yer değiştirmesi işlemidir. İyon değişim reçineleri katyon veya anyon değişimi yapabilir. Bir arıtma yöntemi olarak iyon değişimi, su arıtımının hem ilk aşamalarında hem de nihai demineralizasyon için kullanılır. Bu amaçla farklı sınıflarda ve farklı saflık derecelerinde reçineler kullanılmaktadır.
Katyon değişim filtreleri, ön arıtma sistemlerinde sertliğin giderilmesi (yumuşatma prosesi) amacıyla kullanılır. Yumuşatma filtrelerinde sodyum iyonlarıyla zenginleştirilmiş reçineler bulunur. Su bu filtrelerden geçirildiğinde, çözeltideki kalsiyum ve magnezyum iyonları reçineye bağlanır ve sodyum iyonlarının yerini alır. Reçine üzerindeki tüm sodyum iyonları yer değiştirdiğinde filtrenin kapasitesi (ömrü) tükenir ve artık yumuşatma işlemini gerçekleştiremez. Filtreler, içlerinden konsantre sodyum tuzu çözeltisi geçirilerek rejenerasyona tabi tutulabilir. Rejenerasyon prosesi, yukarıda açıklanan işlemin tersidir. Bu teknoloji su yumuşatma ünitelerinde kullanılmaktadır.
Arıtmanın daha ileri aşamalarında ise, bünyelerinde H⁺ ve OH⁻ iyonları bulunan özel katyon değişim ve anyon değişim reçinelerinin karışımları kullanılır. Çözelti bu tür bir filtreden geçtiğinde, tuzların katyon ve anyonları reçineye bağlanır; açığa çıkan H⁺ ve OH⁻ iyonları ise birbirini nötralize ederek suyu oluşturur. Karışık yatak iyon değişim reçineleri, 25 °C’de 18,2 MΩ·cm özdirence sahip, ileri düzeyde demineralize edilmiş su elde edilmesini sağlar. Bu teknoloji MBC, MBC-MR ve MBC-UPW kartuşlarında kullanılmaktadır.
Katyon değişim filtreleri, ön arıtma sistemlerinde sertliğin giderilmesi (yumuşatma prosesi) amacıyla kullanılır. Yumuşatma filtrelerinde sodyum iyonlarıyla zenginleştirilmiş reçineler bulunur. Su bu filtrelerden geçirildiğinde, çözeltideki kalsiyum ve magnezyum iyonları reçineye bağlanır ve sodyum iyonlarının yerini alır. Reçine üzerindeki tüm sodyum iyonları yer değiştirdiğinde filtrenin kapasitesi (ömrü) tükenir ve artık yumuşatma işlemini gerçekleştiremez. Filtreler, içlerinden konsantre sodyum tuzu çözeltisi geçirilerek rejenerasyona tabi tutulabilir. Rejenerasyon prosesi, yukarıda açıklanan işlemin tersidir. Bu teknoloji su yumuşatma ünitelerinde kullanılmaktadır.
Arıtmanın daha ileri aşamalarında ise, bünyelerinde H⁺ ve OH⁻ iyonları bulunan özel katyon değişim ve anyon değişim reçinelerinin karışımları kullanılır. Çözelti bu tür bir filtreden geçtiğinde, tuzların katyon ve anyonları reçineye bağlanır; açığa çıkan H⁺ ve OH⁻ iyonları ise birbirini nötralize ederek suyu oluşturur. Karışık yatak iyon değişim reçineleri, 25 °C’de 18,2 MΩ·cm özdirence sahip, ileri düzeyde demineralize edilmiş su elde edilmesini sağlar. Bu teknoloji MBC, MBC-MR ve MBC-UPW kartuşlarında kullanılmaktadır.
Ultrafiltrasyon, sudan 0,01–0,1 mikron boyutundaki mekanik partiküllerin, kolloidlerin, mikroorganizmaların, virüslerin ve büyük organik moleküllerin uzaklaştırılması için en etkili yöntemlerden biridir. Ultrafiltrasyon, mikrofiltrasyon gibi, sıvının polimerik kökenli gözenekli ve hidrofilik bir membran üzerinden filtre edilmesine dayanan bir membran ayırma prosesidir.
Tipik ultrafiltrasyon elemanları, çok sayıda tek kanallı veya çok kanallı içi boş liften oluşur. Her bir lif silindirik bir yapıya sahiptir ve bir taşıyıcı tabaka ile seçici filtrasyon tabakasından oluşur.
Ultrafiltrasyon membran elemanları, genellikle mikroorganizma hücre duvarı parçacıkları olan projenler tutabilme yetenekleri nedeniyle tıp ve ilaç sektörlerinde kullanılmaktadır. Aqualab AL UF üniteleri, bu amaçla ultrafiltrasyon teknolojisini kullanmaktadır.
Tipik ultrafiltrasyon elemanları, çok sayıda tek kanallı veya çok kanallı içi boş liften oluşur. Her bir lif silindirik bir yapıya sahiptir ve bir taşıyıcı tabaka ile seçici filtrasyon tabakasından oluşur.
Ultrafiltrasyon membran elemanları, genellikle mikroorganizma hücre duvarı parçacıkları olan projenler tutabilme yetenekleri nedeniyle tıp ve ilaç sektörlerinde kullanılmaktadır. Aqualab AL UF üniteleri, bu amaçla ultrafiltrasyon teknolojisini kullanmaktadır.
UV arıtma, mikrobiyolojik kontaminasyonun önlenmesi için kullanılan bir yöntemdir. Su akışı, 250–260 nm dalga boyu aralığında maksimum ışınım yoğunluğuna sahip özel UV lambaları boyunca geçirilir. Bu dalga boyundaki UV ışınımının mikroorganizma DNA’sı (veya RNA’sı) üzerindeki zincire etki etmesi, timin bazlarında mutasyonlara yol açar; bu da hayati proteinlerin üretimini ve sentezini imkânsız hâle getirir. Daha yüksek dozlarda (yoğunluklarda) ışınım, hücre duvarının tahrip olmasına da neden olabilir. Her iki durumda da mikroorganizma ölür; ancak hücre duvarı kalıntıları, proteinler ve projenler çözeltiye salınır.
180–190 nm dalga boyuna sahip yüksek enerjili UV ışınımı, organik moleküllerin ve mikroorganizmaların parçalanması için kullanılabilir. Bu mekanizmanın temelinde, herhangi bir organik bileşiği oksitleyebilen serbest radikallerin oluşumu yer alır.
UV modülleri, Aqualab AL Plus ve Aqualab S18 (Supreme) sistemlerinde kullanılmaktadır.
180–190 nm dalga boyuna sahip yüksek enerjili UV ışınımı, organik moleküllerin ve mikroorganizmaların parçalanması için kullanılabilir. Bu mekanizmanın temelinde, herhangi bir organik bileşiği oksitleyebilen serbest radikallerin oluşumu yer alır.
UV modülleri, Aqualab AL Plus ve Aqualab S18 (Supreme) sistemlerinde kullanılmaktadır.
Gaz Giderme (De gazifikasyon), suda çözünmüş gazların uzaklaştırılması işlemidir. Gaz giderme işleminin en basit yöntemi ısıtmadır. Sıcaklık arttıkça gazların suda çözünürlüğü azalır; ancak soğuma sırasında, kısmi basınçlar değişmemişse gazlar tekrar suda çözünür.
Modern gaz giderme yöntemlerinde hidrofobik içi boş fiber membranlar ile vakum pompaları veya taşıyıcı gazlar (gaz sıyırma yöntemi) kullanılır. Vakum pompaları, içi boş fiberin dış tarafında vakum oluşturarak Henry’nin kısmi basınçlar yasasına göre çözünmüş gazların sudan uzaklaştırılmasını sağlar. Özel membran malzemesinin hidrofobik yapısı, kapiler kuvvetler nedeniyle gazlarla birlikte suyun emilmesini engeller. Taşıyıcı gaz yöntemi de benzer bir prensibe dayanır: çözeltideki çözünmüş gazlar ortamdan uzaklaştırılırken yerlerine taşıyıcı gaz geçer. Hangi yöntemin seçileceği uygulamaya bağlıdır. Örneğin, tam gaz giderme için vakum pompaları gereklidir; gaz sıyırma yöntemi ise seçici gaz giderme uygulamalarında kullanılabilir.
Modern gaz giderme yöntemlerinde hidrofobik içi boş fiber membranlar ile vakum pompaları veya taşıyıcı gazlar (gaz sıyırma yöntemi) kullanılır. Vakum pompaları, içi boş fiberin dış tarafında vakum oluşturarak Henry’nin kısmi basınçlar yasasına göre çözünmüş gazların sudan uzaklaştırılmasını sağlar. Özel membran malzemesinin hidrofobik yapısı, kapiler kuvvetler nedeniyle gazlarla birlikte suyun emilmesini engeller. Taşıyıcı gaz yöntemi de benzer bir prensibe dayanır: çözeltideki çözünmüş gazlar ortamdan uzaklaştırılırken yerlerine taşıyıcı gaz geçer. Hangi yöntemin seçileceği uygulamaya bağlıdır. Örneğin, tam gaz giderme için vakum pompaları gereklidir; gaz sıyırma yöntemi ise seçici gaz giderme uygulamalarında kullanılabilir.