Ultrafiltrasyon ve Etkin Karbon Sistemleri: Ultra saf su hazırlamanın avantajları ve dezavantajları

Ultrapure su, iletken iyonlar, kolloidler, organik madde ve diğer safsızlıkların tamamen uzaklaştırıldığı, ürün suyunun 18 MΩ·cm'yi (25°C'de) aşan bir direnç değerine sahip olduğu sudur. Ultrapure su sistemleri tipik olarak ön arıtma teknolojileri, ters ozmoz (RO), elektrodeiyonizasyon (EDI) ve genellikle UV lambaları ve TOC (Toplam Organik Karbon) giderme üniteleri gibi yardımcı tedavilerle desteklenen son arıtma süreçlerini kullanır.

Ultrapure Su Üretim Süreci Akışı:
Standart süreç akışı şöyledir: Şebeke suyu → Ön arıtma sistemi → Çok aşamalı yüksek basınçlı RO sistemi → EDI sistemi → TOC giderme ünitesi → Parlatma karışık yatak sistemi → Kullanım Noktası (POU). Üretim sırasında, pompalar güç kaynağı olarak hizmet eder ve çeşitli aşamalardaki depolama tankları güvenli ve istikrarlı pompa çalışmasını sağlar. Belirli noktalarda farklı derecelerde filtreler eklemek, ürün suyunun kalitesini sağlar.

Ek olarak, filtre çalışması sırasında su pH'ını ayarlamak, artık kloru azaltmak ve RO membran ölçeklenmesini yavaşlatmak vb. için çeşitli kimyasallar eklenebilir. Kış aylarında daha soğuk kuzey bölgelerinde, şebeke suyu sıcaklığını süreç gereksinimlerini karşılayacak şekilde yükseltmek için ön arıtma sisteminin girişine ısı eşanjörleri eklenebilir.

Ayrıca, ultrapure su depolama tankını azot gazı ile temizlemek, suyu atmosferden izole etmek ve ikincil kontaminasyonu önlemek için çok önemlidir.

Ön Arıtmanın Önemi:
1. RO Membran Besleme Suyu Gereksinimleri:
RO sistemi, ultrapure su üretiminde en kritik bileşendir. Doğru çalışması, tüm saf su sisteminin güvenliğini ve ürün suyunun kalitesini sağlar. RO sistemleri belirli besleme suyu gereksinimlerine sahiptir:

• Çamur Yoğunluk İndeksi (SDI) < 4.0

• Bulanıklık (NTU) < 1.0

• Organik Madde İçeriği (COD) < 1.5 mg/L

• Artık Klor İçeriği < 0.1 mg/L (ideal olarak 0 mg/L'de kontrol edilir)

• Demir İçeriği 5 mg/L

• Konsantredeki Silis (SiO₂) < 100 mg/L

• Langelier Doygunluk İndeksi (LSI): pHb - pHs < 0

• Çözünmeyen tuzlar oluşturmaya eğilimli iyonlar (örneğin, Sr, Ba): İyonik Ürün (Ipb) < 0.8 Ksp

2. Ön Arıtma Sisteminin Rolü:
Ön arıtma sistemi, RO sistemine girmeden önce sudan artık kloru, büyük askıda katı maddeleri, floküle kolloidleri, organik maddeyi, oksitleri, organik bileşikleri ve ağır metalleri uzaklaştırır, böylece COD ve SDI değerlerini düşürür.Ayrıca, kalsiyum, magnezyum, baryum, sülfatlar, silikatlar ve karbonatlar gibi iyonlar, ölçek inhibitörleri eklenerek daha büyük parçacıklar oluşturmak üzere komplekslenebilir ve daha sonra RO ünitesinden konsantre olarak deşarj edilir.(1) Sistem Arızalarının RO Membranları Üzerindeki Etkisi:

Ön arıtma bölümünde belirtildiği gibi, zararlı makromoleküllerin büyük çoğunluğu, RO membranlarına ulaşmadan önce ön arıtma sistemi tarafından uzaklaştırılır. Ön arıtma sistemi yetersizse ve birden fazla RO besleme suyu parametresi uyumsuzsa, RO membran elemanlarında geri dönüşü olmayan fiziksel ve kimyasal hasar meydana gelebilir ve bu da ömürlerini önemli ölçüde kısaltır. RO membran ömrünü etkileyen faktörler şunlardır:

RO membran ölçeklenmesi
Metal oksitler tarafından RO membran kirlenmesi

• Askıda katı maddeler tarafından RO membran tıkanması

• Kolloidler, organik maddeler ve mikroorganizmalar tarafından kirlenme, ürün suyu COD'sinin artmasına yol açar.

• (2) Sistem Arızmalarının RO Ultrapure Su Sistemi Üzerindeki Etkisi:

• Ön arıtma sistemindeki arızalar, tüm RO ultrapure su sistemini üç ana şekilde etkiler:

Sistemin ürün suyu verimini ve kalitesini düşürür.
RO ekipmanının su ve enerji tüketimini artırır.

• Ölçek inhibitörleri ve diğer su arıtma kimyasalları için yapılan harcamalar dahil olmak üzere operasyonel maliyetleri artırır.

• UF ve Aktif Karbon Sistemlerinin Çalışma Prensipleri:

• Pratikte yaygın ön arıtma sistemleri arasında Ultrafiltrasyon (UF) sistemleri ve Aktif Karbon sistemleri bulunur. Bir UF sistemi tipik olarak bir disk filtresi ve bir UF ünitesinden oluşur. Bir Aktif Karbon sistemi genellikle bir çoklu ortam filtresi (MMF) ve bir aktif karbon filtresinden (ACF) oluşur.

1. UF Sisteminin Çalışma Prensibi:
Disk Filtre:

 Sıkıca paketlenmiş plastik diskler kullanılarak yüzey ve derinlik filtrasyonu ile çalışır. Öncelikle kum ve silt gibi büyük parçacıkları giderir.

• Ultrafiltrasyon (UF): Basınçlı bir membran ayırma teknolojisidir. Basınç altında, küçük çözünen moleküller ve çözücü, belirli gözenek boyutlarına sahip bir membrandan geçerken, daha büyük çözünen moleküller (molekül ağırlığı 10.000 - 30.000 Da) tutulur ve makromolekülleri uzaklaştırarak çözeltiyi kısmen arıtır. (UF prensibi için şematik Şekil 1'e bakın).

• 2. Aktif Karbon Sisteminin Çalışma Prensibi:Çoklu Ortam Filtresi (MMF):

 Basınç altında bir veya birkaç filtre ortamı (örneğin, kuvars kumu, antrasit, manganez kumu) kullanır. Yüksek bulanıklığa sahip su, granül malzeme yatağından geçer ve askıda katı maddeleri etkili bir şekilde giderir ve suyu berraklaştırır. SDI'yi 3'ün altına düşürür ve bulanıklık giderme ve yumuşatılmış/saf su için ön arıtma olarak kullanılır.

• Aktif Karbon Filtresi (ACF): MMF'den gelen su, aktif karbon ortamını destekleyen bir kuvars kumu yatağı içeren ACF'ye girer. Aktif karbon, artık kloru, organik maddeyi ve askıda kalan safsızlıkları öncelikle geniş gözenek ağında fiziksel adsorpsiyon (van der Waals kuvvetleri) yoluyla giderir.

• UF ve Aktif Karbon Sistemlerinin Artıları ve Eksileri:Her bir ön arıtma sisteminin çalışma sırasında avantajları ve dezavantajları vardır.

Ultrafiltrasyon (UF) Sistemi:
Artıları:

Yüksek konsantrasyon faktörü, ürün suyu geri kazanım oranı %90'ı aşabilir.

1. Kararlı su çıkışı; besleme suyu basınç değişikliklerine daha az duyarlı.

   • RO ön arıtma olarak, UF, RO yatırım maliyetlerini önemli ölçüde azaltır ve RO membran ömrünü (3 yıldan fazla) uzatır.

   • Yüksek otomasyon seviyesi, basit yapı, düşük işletme/bakım maliyetleri; çevrimiçi yıkama ve kimyasal temizleme (CIP) yapabilir.

   • Küçük ayak izi.

   • Eksileri:

   • UF membran gözenek boyutları (0.002 - 0.1 μm) geniş bir filtrasyon aralığını kapsar (kolloidler ≥0.1 μm, lateks ≥0.5 μm, bakteri ≥0.2 μm, parçacıklar ≥5 μm). Bazı bileşenler çalışma sırasında tıkanmaya eğilimlidir ve bu da akış hızını ve membran ömrünü etkiler.

2. Çalışma sırasında, aktif karbon ve antrasit fiziksel/kimyasal reaksiyonlara girerek doğal tüketim, adsorpsiyon kapasitesi tükenmesi ve ürün suyu kalitesinin bozulmasına yol açar ve bu da aşağı yönlü RO sistemini olumsuz etkiler.

   • Besleme suyu basıncı üzerinde sıkı gereksinimler.

   • Uzun süre kapatılamaz; membranlar uzun süreli atıl kalma için kimyasal koruma gerektirir.

   • Aktif Karbon Sistemi:

   • Artıları:

Daha düşük ilk yatırım maliyeti.

1. Kararlı su çıkışı; besleme suyu basınç değişikliklerine daha az duyarlı.

   • Eksileri:

   • Büyük ayak izi.

2. Çalışma sırasında, aktif karbon ve antrasit fiziksel/kimyasal reaksiyonlara girerek doğal tüketim, adsorpsiyon kapasitesi tükenmesi ve ürün suyu kalitesinin bozulmasına yol açar ve bu da aşağı yönlü RO sistemini olumsuz etkiler.

   • ACF için yıkama döngüsünü kontrol etmek zordur ve genellikle kısadır. Yetersiz yıkama, karbon ince taneciklerinin sızmasına yol açarak su kalitesini ve aşağı yönlü ekipmanı ciddi şekilde kirletir. Seyrek yıkama, filtrede yüksek diferansiyel basınca neden olarak operasyonel riskler oluşturur ve akış hızını düşürür.

   • Yüksek uzun vadeli işletme ve bakım maliyetleri, önemli iş yükü; filtre ortamının kısa ömrü vardır (yıllık değiştirme gerektirir).