Membran Teknolojisi

Son dönemlerde atık su arıtım prosesi olarak uygulanan ileri arıtma teknolojilerinin başında membran sistemler gelmektedir. İlk belgeli membran-difüzyon deneyi 1748 yılında Fransız Abbe Nollet tarafından gerçekleştirilmiştir. Nollet bir şarap fıçısının ağzına bir hayvan derisi germiş; fıçıyı bu haliyle suya batırmış ve suyun fıçıya girdiğini, buna karşılık şarabın deriden geçip dışarı çıkamadığını görmüştür. Nollet böylece OSMOZ’u keşfetmiş oldu. Günümüzde su ve atık su arıtımına alternatif bir teknoloji olarak öne çıkan membranlar, 18. yüzyılın sonlarına doğru osmoz kavramının tanımlanmasıyla ortaya çıkmıştır. 19. ve 20. yüzyılın başlarında, membran sistemler ile sadece laboratuvar ölçekli çalışmalar gerçekleştirilmiş olup 1960’lı yıllardan itibaren laboratuvar ölçekli sistemlerden büyük ölçekli sistemlere geçiş olmuştur. Membran arıtma prosesleri çözünmüş ve kolloidal bileşenlerin sudan gideriminde kullanılır. Partiküller zorunlu olarak membran üzerindeki ince açıklıklarda tutulurlar. Esasında membran teknolojisinin su arıtımındaki esas kullanım alanları filtrasyon, mikroorganizma giderimi, sertlik, uçucu organikler, diğer çözünebilir organiklerin giderimi ve biyolojik arıtmadır. Sengupta ve Shi (1992) asidik çökeltim çamurundan seçimli olarak aliminyum geri kazanımında ve geri devir çamurundaki alümün geri kazanılmasında ağır metallerin ve manganın oluşturacağı problemleri önlemek amacıyla kullanmıştır. Bu metaller ayrıca çamurun asidifikasyonu ile serbest bırakılır. Membranların diğer bir kullanım alanı da bazı endüstrilerde atık su arıtımı sırasında kıymetli metallerin geri kazanımıdır. 1950’den sonra membran filtrasyon prosesleri endüstrilerde büyük ölçekte kullanılmaya başlanmıştır. 1960 ve 1970’li yıllarda düşük ücretli membran modüllerinin oluşturulmasıyla membranlar endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ultrafiltrasyon 1969’da Smith ve arkadaşları tarafından aktif çamur proseslerinde çöktürmenin alternatifi olarak ilk kez tanımlanmıştır. 1970’da Japon piyasasına bu teknoloji ilk kez girmiştir. Tam ölçekli ticari aerobik membran biyoreaktör prosesi 1970’lerin sonunda ilk kez Kuzey Amerika’da uygulanmıştır ve daha sonra 1980’lerin başında Japonya’da uygulanmaya başlamıştır. 1993’de sıhhi uygulamalarda kullanım için Avrupa’da harici membran biyoreaktörler raporlanmıştır. İlk sentetik membran ise Fick tarafından 1855 yılında nitro selülozdan yapılmıştır. 1861 yılında Graham sentetik membranlar ile ilk elektrodiyaliz deneylerini gerçekleştirmiştir. Sonraki 30 yıl boyunca Traube ve Pfeffer osmotik basınç ve osmoz arasındaki ilişkiyi açıklamak üzere yapay membranlar hazırlamışlardır. 1906 yılında Bechold ilk olarak “ultrafiltrasyon” terimini kullanmıştır. Mikro gözenekli filtreler Zigmondy tarafından 1910 yılında geliştirilmiştir. İlk ticari gelişim 1927 yılında Almanya’da Sartorius firması tarafından gerçekleştirilmiştir. Ters osmoz (RO) çalışmaları ilk olarak 1920’ lerde gözlenmiştir. 1945’lere kadar mikro gözenekli membranlar öncelikli olarak mikroorganizma ve partikül gideriminde kullanılmıştır.

II. Dünya Savaşı sonrasında, Juda ve McRae iyon seçici membranları kullanarak elektrodiyalize (ED) öncelik etmişlerdir.

Daha sonra ED sistemler ticari olarak tuzlu su desalinasyonunda kullanılmıştır. 1950’ li yıllarda polimerik ve çok ince selüloz asetat malzemeden yapılan membranlar keşfedilmiştir. 1960’ lı yıllarda ise ilk olarak tübülar RO membranları daha sonrasında tübülar membranlardan daha etkili spiral sargılı membran modülü geliştirilmiştir. Bu süreçte aynı zamanda bilim adamları yeni membran materyali ve modülleri dizayn etmişlerdir. 1970’ li yıllarda ise hollow fiber ve ince film kompozit membran modülleri geliştirilmiştir.

Ayrıca 1980’ li yıllarda organik membranların yanı sıra inorganik membran kullanımı ile nanofiltrasyon membranları da üretilmeye başlanmıştır. 1980’ lerden itibaren ultrafiltrasyon, mikrofiltrasyon, ters osmoz ve elektrodiyaliz proseslerinin tümü dünya çapında yaygın olarak büyük tesislerde kurulmaya başlamıştır. Membran sistemler daha yüksek çıkış suyu elde edilmesinde yeni bir süreç başlatmıştır. Su kaynaklarının kıtlığıyla birlikte, membranlar doğrudan su geri kazanımına olanak tanıdığı gibi onlar sadece askıda katıların giderimi için değil ayrıca çıkış suyundaki birçok bakteri ve virüsün giderimine de olanak tanımıştır

Membran imalat teknolojisinin ve uygulamalarının ilerlemesi mikrofiltrsayon veya ultrafiltrasyon ile üçüncül arıtma aşamalarının nihai olarak yerini alabilir. Bu gelişmeler paralelinde biyolojik arıtma süreçlerinde, mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon katı/sıvı ayırma işleminde kullanılmaktadır ve çöktürme aşaması ayrıca elimine edilebilmektedir. Membran prosesleri fiyat ve arıtma etkisi bakımından hızlı bir şekilde su ve atık su endüstrisinde kendini kabul ettirmiştir. Günümüzde hızla gelişmekte olan polimer endüstrisi membran teknolojilerini çok daha rekabetçi hale getirmektedir. Son yıllarda polimer ve dolayısıyla membran teknolojisindeki çok hızlı gelişmeler ve üretim maliyetinin azaltılması sebebiyle gerek içme suyu gerekse de atık su arıtma alanlarında membran prosesleri (özellikle mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon) konvansiyonel sistemlerle maliyet açısından rekabet edebilir hale gelmiş ve geniş çapta uygulanmaya başlanmıştır. Aerobik süreçlerde uygulanan membranlar son yıllarda anaerobik proseslerde de kullanılmaya başlanmıştır. İlgi anaerobik membran biyoreaktörlerin gelişimine odaklanmıştır. Bu reaktörler bir filtrasyon ünitesi ile bir anaerobik reaktörün birleşiminden oluşmaktadır. Filtrasyon ünitesi olarak membranlar ya anaerobik reaktör içerisine batık şekilde veya reaktör dışında reaktöre bağlı şekilde geliştirilmiştir. Yüksek askıda katı içeren atık suların arıtımında batık veya harici anaerobik süreçle birleştirilen anaerobik membran biyoreaktör (AnMBRs) uygulaması, mezbaha atık suları, birincil ve ikincil çamurlar, sentetik madde olarak selüloz, hayvan gübresi gibi farklı maddeler kullanılarak çalışılmaktadır. AnMBR gelişen bir teknolojiyi simgelemektedir. AnMBRs konusunda yapılacak çalışmalar, kirlenme konusunu çözmek, kek tabakası oluşumunu kontrol etmek, membran performansını artırmak ve membran alan gereksinimlerini azaltmak için optimum işletme koşulları bulmak ve uygun membranları geliştirme olacaktır. Bu amaçla ifade edile konulara ilave olarak AnMBR sistemlerinin tasarım ve işletme maliyetlerinin belirlenmesi ve fizibil ekonomik koşulların sağlanması amacıyla daha fazla çalışmalara ihtiyaç vardır.

Sayiter YILDIZ, Osman Önder NAMAL ve Mehmet ÇEKİM’in yazmış olduğu makaleden yararlanılmıştır.