Tuzlu Suyu Damıtma

Mini Ünitelerden Büyük Su Tesislerine

Bu yazının hazırlandığı tarih itibarıyla, çeşitli boyutlarda olmak üzere halihazırda 120 farklı ülkede çalışan 13.000 adet tuzdan arıtma tesisi vardı. Bu tesisler toplam olarak, günde yaklaşık 26 milyon metreküp suyu tuzdan arıtmaktadır. Farklı müşterilerin, çeşitli talepleri olmasından dolayı, tuz arıtma tesisleri irili ufaklı hemen her boyutta faaliyet göstermektedir.

Deniz Suyu Arıtma Teknolojisine Olan Büyük Talep

Deniz suyunu tuzdan arıtma pazarı, suyun damıtıldığı ısıl prosesler ile bir fiziksel teknik olan ters-ozmoz (İngilizce terimden gelen RO kısaltması ile de ifade edilir) işlemi olmak üzere iki ayrı gruba ayrılmıştır. Günümüzde, tuzu arıtılan toplam deniz suyunun % 74’ü ısıl işlemler (MSF ve MED) vasıtasıyla elde edilmekte iken yaklaşık % 22'si fiziksel teknikler (RO) aracılığıyla elde edilmektedir. Öte yandan, sayısal olarak RO tesisleri dünyadaki tuz arıtma tesislerinin açık farkla çok büyük bir yüzdesini oluşturmaktadır. Tuz arıtma işlemi teknik olarak uzun zamandır mümkün olmasına rağmen, ancak başka bir su kaynağının mevcut olmadığı durumlarda uygulama alanı bulmaktadır. Bunun sebepleri, ilgili ekipmanların tükettiği enerjinin çok yüksek olması ve arıtılmış suyun yüksek maliyette (tuzu arıtılmış suyun metreküp maliyetinin 0,45 Dolar ile 0,70 Dolar arasında) elde edilmesidir. Toprak üstü suyun arıtılmasının metreküp maliyeti sadece 0,1 ila 0,25 Dolar arasında olmaktadır. Ancak, henüz çok farklı ekonomik potansiyellere sahip imkanlardan istifade edilmemesine rağmen, son yıllarda üretim maliyetlerinde yaklaşık % 10 oranında bir azalma olmuştur. Sonuç olarak, doğal tuzsuz temiz su kaynaklarının azalması nedeniyle gelecekte tuz arıtma tesislerinin kurulması ve iyileştirilmesi konusunda birçok yatırımın yapılacağı muhakkaktır.

Çok-Kademeli Flaş Damıtma (MSF)

On yıllardır kullanılmakta olan bu yöntemde, ısı transferi prosesi asıl buharlaşma (=flaş) işleminden tamamen ayrı olarak ele alınır. Daha çok ticari boyutlardaki tesislerde kullanılan yöntem, güç santrallerinden atılan ısının geri kazanımı amacına yönelik olarak genellikle güç santralleri ve büyük ısı güç makinaları ile beraber kullanılır (kojenerasyon). Bu sistemler esas itibarıyla bir ısı değiştiricisi (eşanjör) ve seri halde flaş odalarından oluşmaktadır (Şekil 1). Deniz suyu, öncelikle çeşitli flaş odalarındaki yoğuşma borularından geçtiği sırada bir ön ısıtmaya tabi tutulur. Daha sonra, örneğin herhangi bir güç santralinin atık ısısından faydalanan bir ısı değiştirici içerisinde, deniz suyu sıcaklığı belirlenen maksimum işlem sıcaklığına ulaştırılır. Böylece, deniz suyu flaş odalarının ilkine akarak buradaki hakim basınç ve sıcaklık şartları nedeniyle bir miktar buharlaşır. Bu şekilde elde edilen su buharı, odanın üst kısmında bulunan bir dizi borunun üzerinde yoğuşur ve yoğuşan (damıtık) su toplanır ve taşınır. Geri kalan deniz suyu (konsantre deniz suyu) bir sonraki flaş kademesine gönderilir. Burada basınç ve sıcaklık şartları, ilave ısı verme ihtiyacı olmayacak şekilde ayarlanarak, yeniden bu kademede de flaş işlemi gerçekleştirilir. MSF tesisleri "water factories/su fabrikaları" olarak adlandırılan özellikle büyük çaptaki tuz arıtma sistemleri için çok uygundur. Bu sistemlerde kullanılan deniz suyunun yaklaşık % 70'i tatlı (saf) su olarak elde edilmekte olup 24 saatlik bir periyot içerisinde 600.000 metreküpe kadar tatlı su elde edilebilmektedir.

Çok-Etkili Damıtma (MED)

Şekil 2'de gösterilen çok-etkili damıtma (MED) sistemi esas itibarıyla 6 ile 8 arasında değişen seri olarak birbirine bağlanmış işlem odalarından, kazanlardan (boyler) oluşur. Ön ısıtmadan geçen deniz suyu bu kazanlara gönderilir ve burada buharlaşması sağlanır. Birinci kademede bulunan kazana ısı, bir güç santrali atık ısısından veya büyük bir dizel motorun atık ısısından sağlanır. Ön ısıtılmış deniz suyu, yoğuşma borularıyla temas edecek şekilde "ilk etki"ye maruz kalacağı birinci kazana sprey şeklinde enjekte edilerek sıcaklığı kaynama noktası sıcaklığına getirilip yaklaşık % 70'i aşan oranda buharlaştırılır. Ortaya çıkan aşırı ısıtılmış su buharı bir sonraki kazana iletilerek, bu noktadan kazana beslenen deniz suyunu buharlaştırma vazifesi görür. Bu işlem sırasında, birinci kazanda aşırı ısıtılmış olan su buharı, tatlı su olarak yoğuşur ve bir kapta biriktirilir. Bu arada, kazanda kalmış bulunan tuzlu su da bir sonraki kazana iletilir. Bu işlem, her bir kazanda farklı basınç ve sıcaklık şartları uygulanarak, 8 defaya kadar seri halinde tekrar edilebilir.

Deniz suyunu, her bir kazanda hakim olan düşük sıcaklıklarda buharlaştırabilmek için tüm kazan kademelerinin yüksek vakum değerlerinde tutulması gereklidir. Çok kademeli flaş damıtmada olduğu gibi, tesise aktarılan deniz suyunun yaklaşık % 70'i tatlı su olarak elde edilmekte olup, bu tür tesislerin en büyük olanlarında günde 100.000 metreküp tatlı su elde edilebilmektedir.

Ters-Ozmoz (RO)

Isıl işlemlerle karşılaştırıldığında, ters ozmoz (RO), deniz suyu arıtma sektöründe nispeten daha yeni bir yöntemdir. Yöntemin ticarileşmesi 1970’lerde başlamıştır. Yöntem hücre duvarlarından su ve minerallerin geçişini ifade eden çok önemli doğal ozmoz işlemini esas alır. Hücre duvarları suyu geçirirler ancak mineral maddeleri geçirmezler. Bu yüzden, hücre duvarları "yarı geçirgen" olarak da adlandırılırlar (Şekil 4).

Örneğin, farklı tuz içeriğine (konsantrasyonuna) sahip iki farklı su kütlesi (çözeltisi) yarı geçirgen bir membran ile ayrıldıklarında, iki çözelti farklı (tuz) konsantrasyon seviyelerini dengelemeye çalışırlar, yani daha düşük konsantrasyona sahip olan çözeltideki su, yüksek konsantrasyona sahip çözeltiye doğru memrandan difüzyon ile geçer. Böylece, diğer taraftaki basınçta bir artış meydana gelir. Difüzyon, membranın iki tarafındaki basınç farkı belli bir değere ulaşıncaya kadar devam eder. Difüzyonu tümüyle durdurmak için gerekli olan basınç farkı "ozmoz basıncı" olarak adlandırılır. Bu basınç farkı, konsantrasyon gradyeni ve ilk çözeltilerin sıcaklık(larına) bağlıdır. Şimdi, yüksek konsantrasyon bölgesindeki basınç arttırılmaya devam edilir ve ilgili ozmoz basıncını aşarsa, yüksek konsantrasyonlu çözelti, uygulanan işletme basıncı ile ozmoz basıncı arasında bir denge sağlamak için konsantrasyonu daha fazla artırmak üzere, bu sefer ters yönde diffüzyona zorlanır. Sonuç olarak, su molekülleri yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye membran aracılığıyla difüzyona başlar. Ters ozmoz olarak adlandırılan bu etki ile deniz suyunu, tuzundan ayırmak mümkündür. Şekil 5'te şematik olarak gösterilen ters ozmoz (RO) sistemleri, tuzdan arındırılacak suyun ozmoz basıncından daha yüksek basınçlarda çalıştırılmalıdır. Tipik bir acı-su tesisinde, söz konusu basınçlar 10 ile 40 bar arasında değişmekte olup, deniz suyu arıtma sistemleri ise 60 ile 95 bar arası basınçlarda çalışmaktadırlar.

Yukarıda bahsedilen yüksek basınçları elde etmek için yüksek basınç pompaları gerekmektedir. Yüksek basınç pompası ile membrandan geçmeye zorlanan suyun membrandan geçen kısmı tuzdan arındırılmış olur ve "permeate-geçen/arındırılmış" su olarak adlandırılır. Membrandan geçmeyen kısım ise daha yüksek bir tuz konsantrasyonuna sahip olup "brine/ tuzlu su" olarak adlandırılır ve basınçlandırılmış kazanı yüksek bir basınçta terk eder. RO tesisi aynı zamanda, uygun enerji geri kazanım sistemlerini de içerir. Yöntemde, kullanılan deniz suyunun % 35 ile % 45'i arasında tatlı su elde edilir. Ticari ölçekteki ters ozmoz tesisleri günde 300.000 metreküp tatlı su elde ederler. Bir ters ozmoz sistemi esas itibarıyla aşağıdaki alt bileşenlerden oluşur:

 Ham tuzlu su beslemesi

 Ham tuzlu suyun işlenmesi

 Enerji geri kazanım üniteli yüksek basınç elde etme sistemi

 Membran modülleri

 Elde edilen saf suyun son işlemi

 Yüksek konsantrasyonlu tuzlu suyun (brine) deşarjı

Ham Tuzlu Suyun İşlenmesi

Ham su işleme kademesinde su, içerisindeki tüm katı cisimlerden arındırılmalıdır. Aksi takdirde, tuz ve/veya mikro-organizmalar membranın yüzeyi üzerinde birikirler. Bu işlem için, ham su çeşitli şekillerde tertiplenmiş kum filtrelerinden geçirilir ve kimyasallar ile şartlandırılır.

Basınç Oluşturulması

Ters ozmoz işlemi (yani tuzun tutulup, suyun membrandan geçirilmesi) için gerekli basınç, bir yüksek-basınç pompası tarafından sağlanır. Bu amaçla KSB, HGM-RO serisi olarak adlandırılan yüksek basınç pompalarını özel olarak deniz suyu arıtma işlemi düşünülerek tasarlamıştır (Şekil 6). Buna ilave olarak, KSB serisi duplex paslanmaz çelik pompalarda Multitec, 40 bar'a kadar olan basınçlarda ters ozmoz işlemi için kullanılabilir.

Membran Tasarımı

Bir tuzdan arıtma modülü, bir basınçlı depo ve işletme ile dış ortam arasındaki basınç farkını karşılayabilen, sıkıştırma/basınca karşı dirençli bir membranı içermektedir. İdeal bir membran hiç bir tuz molekülünü geçirmeme/geri çevirme kabiliyetine sahip olmalıdır. Ancak, gerçek uygulamada, çok küçük bir tuz oranının membrandan geçmesi

kaçınılmazdır ve elde edilen üründe çok düşük bir tuz içeriği mevcuttur. Mevcut gerçek tesisler, ham suyun içerdiği tuzun % 98 ile % 99,9 oranını membranda tutmayı başarırlar. Membran tasarımları değişkenlik gösterebilmekte olup, bu farklı tasarımlar modüllere farklı özellikler vermektedir. Spiral-şeklinde sarılmış membran modülleri ile boşluklu-elyaf membran modülleri mevcuttur (Şekil 7 ve 8).

Son İşlem

Elde edilen su son işlem kapsamında, su dağıtım sistemine gönderilmeden önce, şebekede korozyona neden olma endişesini ortadan kaldırmak için, su içerisinde bulunan gazlardan (örneğin, H2S ve CO2) arındırma işlemi ve suyun pH değerinin ayarlanması gerçekleştirilir.

Düşük İşletme Masrafları

İşletme masraflarını düşürme isteği ve bunun yansıması olarak düşecek olan tatlı su fiyatları aşağıdaki alanlarda odaklanan gelişmelere neden olmaktadır:

 Membran teknolojileri

 Enerji geri kazanım sistemleri

Membran teknolojisi açısından, araştırmalar gerekli olan işletme basıncı değerlerinin azaltılması ve tuz tutma oranlarının arttırılması konularında ağırlık kazanmıştır. Enerji geri kazanım sistemleri açısından ise, çalışmalar membrandan geçmeyen atık tuzlu suyun enerjisinin bir kısmının geri kazanılması ve tuz arıtma işlemine geri verilmesi şeklindedir. Bu kapsamda mevcut gelişme eğilimi, klasik sistemlerin Pelton türbinleri ve basınç değiştirici eşanjörlerle değiştirilerek daha etkin enerji geri kazanımı sağlamak şeklindedir.

HGM-RO: Yüksek güvenirlilik, yüksek verim, bakım kolaylığı ve düşük giderler için özel olarak tasarlanmış bir yüksek-basınç pompasıdır. Ters ozmoz sistemlerinde kullanılması düşünülen pompalar 900 m3/h debiye kadar aşındırıcı deniz suyunu membranlardan 110 bar'a varan basınçlarda basması gerektiğinden, tüm pompa konstrüksiyonu çok sağlam olmalı ve yüksek kalitede paslanmaz çelikten imal edilmelidir. Akışkan yağlamalı, elyaf takviyeli kaymalı yataklar, klasik yağ ve gresle yağlanan yatakları gereksiz kılmıştır. Bu sayede, yağlama boruları da gerekli değildir. Kısa yatak aralıkları titreşim seviyelerini ve dolayısıyla da aşınma oranlarını önemli ölçüde azaltır. Emme ucu yatağı ile donatılmış çark, çok iyi "Emmedeki Net Pozitif Yük - (ENPY)" değerlerini sağlar. Pompanın eksenel girişli olması sayesinde, bu yeni ünite çok kompakt olup yerden önemli oranda kazanç sağlar. Motor tarafında yalnızca bir adet mekanik salmastra mevcut olup, mekanik salmastraya dışarıdan kolayca ulaşılabilir. Böylece yedek parçaların stokta bulundurulma gereksinimini büyük oranda basitleştirir.

Gero Böhmer, Stephan Bross, Christoph Keller

Çeviren: Derya Çuha

Pazarlama ve Satış Müdürü

KSB Pompa Armatür San. Tic. A.Ş.

Dünyada okyanuslarda ve göllerde doğal olarak bulunan tuzlu su, günümüzde hem bilimde hem de günlük hayatta çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır.Tuzun suda çözünmesi, pek çok kişinin aklına bile gelmediği son derece sıradan bir olaydır. Oysa bu önemsiz olgu, evrenimizin fiziksel yasaları ve kimya biliminin temel ilkeleriyle açıklanabilecek karmaşık bir süreçtir. Bu yazımızda tuzlu suyu inceleyeceğiz ve "Tuz suda neden çözülür?" ve "Tuz sudan nasıl ayrılır?" gibi sorulara cevap bulmaya çalışacağız. Bunun için kimya bilgilerimizi tazelemeliyiz.

Tuz Suda Neden Çözülür?

Bu soruyu ele almak için elementlerin kimyasal bağlarının ilkelerini anlamak önemlidir.Dört tür kimyasal bağ vardır: iyonik bağlar, kovalent bağlar, hidrojen bağları ve Van der Waals etkileşimleri.Bugün sadece iyonik ve kovalent bağları anlamamız gerekiyor.

İyonik Bağlar

İyonik bağ, zıt yüklü iyonlar arasında elektrostatik çekim nedeniyle oluşan bir tür kimyasal bağdır. Pozitif yüklü bir iyon, elektronları bir atomdan diğerine aktararak negatif yüklü bir iyonla bir bağ oluşturur. İyonik bir bağın oluşumu elektron alışverişine dayanır. Elektron kaybeden atom katyon (pozitif yüklü), elektron kazanan atom ise anyondur (negatif yüklü). Etkileşim sırasında anyon ve katyon arasında yoğun bir elektrostatik çekim kuvveti oluşur. İyonik bağ, iki iyonun bir arada durmasını sağlar. Bu tür bir bağ, nötr parçacıklar arasında asla oluşamaz. Bu olay için katyonlar ve anyonlar bulunmalıdır. İyonik bağ oluştuğunda meydana gelen elektron alışverişinde alınan ve verilen elektron sayısı birbirine eşittir.

Kovalent Bağlar

Kovalent bağlar, canlı organizmalarda bulunan en yaygın ve en güçlü kimyasal bağ şeklidir. İki element bir veya daha fazla elektronu paylaşıyorsa, buna kovalent bağ denir. İki metalik olmayan atom bir çift elektronu paylaştığında tek bir kovalent bağ oluşur. İki çift elektron paylaşıldığında ikili bir kovalent bağ oluşur ve üç çift elektron paylaşıldığında üçlü bir kovalent bağ oluşur. Paylaşılan elektronlar iki çekirdek arasında daha fazla zaman harcadıkları için (-) yüklü bir alan oluştururlar. Bu alan, her iki çekirdeğe de bir çekim kuvveti uygulayarak bir bağ oluşturur.

Tuzun Suda Çözünmesi

NaCl bileşiği (sofra tuzunun ana bileşiği), iyonik olarak bağlı, kristalli bir bileşiktir. Su molekülleri, çözünmeden önce kristal halinde bağlı olan Na ve Cl atomlarını çözer. Sonuç olarak su bir çözücüdür. NaCl moleküllerinin kristalleri suda (H2O) çözünürken, su moleküllerinin hidrojen (H) iyonları tuzun (-) yüklü klor (Cl) iyonlarını çevreler. Elektrostatik çekim bu olaya neden olan kuvvettir. Bu işlemden sonra su molekülleri sodyum ve klor iyonları arasına girerek onları ayırır. Böylece tuz suda çözülür. İzole edilen iyonlar, homojen bir karışım oluşturmak için çözücü içinde eşit olarak yayılır. Bu işlem tuz tamamen eriyene kadar devam eder. Suya eklenen tuz miktarı fazla olursa tuzun bir kısmı çözülmez ve dibe çöker. Tuz suda çözünür ama erimez. Erime olayı tamamen farklı bir şekilde gerçekleşir.

Tuzu Sudan Nasıl Ayırırız?

Temiz su kaynaklarının yetersiz olduğu durumlarda deniz suyundan tuzu ayırarak temiz su elde etmek mümkün müdür? Elde edilen bu su, deniz suyunda yüksek oranda bakteri ve yosun bulunması nedeniyle içilemez olmakla birlikte, çeşitli amaçlarla da kullanılabilir. Öte yandan, insanların içme suyu bulamadığı veya susuzluğa bağlı ölümlerin yaygın olduğu yerlerde, tuzlu sudan arındırma yöntemleriyle elde edilen su, geçici bir çözüm olarak içme suyu olarak kullanılabilir. 4 farklı tuzlu suyu tuzdan arındırma yöntemi vardır: damıtma, ters ozmoz, elektrodiyaliz ve dekanoik asit ilavesi. Bütün bunlar arasında en yaygın ve kolay uygulanabilir yöntem damıtmadır. Bu ayırma yöntemi basit ev aletleri ile de yapılabilmektedir.

Tuzun kaynama noktası sudan çok daha yüksek olduğu için tuzlu suya ısı uygulandığında tuzun yapısı değişmez ama su hızla buharlaşır. Damıtma için tuzlu su tamamen buharlaşana kadar ısıtılır. Bu işlemin sonunda sadece tuz kalır. Buharlaşan su depolanacaksa, tuzlu suyun kaynatıldığı kabın kapağı, içine hortum veya boru girecek şekilde kapatılır. Hortumun diğer ucu boş bir kaba konur. Isı ile su buharı hortumdan boş kaba doğru ilerler ve boş kabın sıcaklığı daha düşük olduğu için tekrar sıvıya dönüşür. Sonuç olarak, tuzlu sudan tuzu arındırma gerçekleşir ve temiz su elde edilebilir.

Ters ozmoz yöntemiyle tuzdan arındırmada ise, tuzlu suyun geçirgen bir filtreden geçirilmesiyle gerçekleştirilir. Bu yöntem güvenilirdir, ancak ters ozmoz pompaları oldukça maliyetlidir.

Elektrodiyaliz yöntemiyle tuzlu suyun tuzdan arındırılmasında, (-) yüklü bir anot ve (+) yüklü bir katot tuzlu suya yerleştirilir. Elektrik akımı uygulandığında ayrıştırma gerçekleşir.

Decanoik asit ekleme yönteminde, asit tuzlu suya uygulanır ve karışım ısıtılır. Su soğuduktan sonra tuz dibe çöker. Su ve dekanoik asit karıştırılmayacağı için maddeleri ayırmak kolaydır.