Deniz Suyu Arıtma- Desalinasyon Teknolojileri:

 

1—Genel Bilgi:

 

1—Yeryüzündeki suların;  %97,5'ü deniz suyu ve %2,5'sı temiz sudur.

 

2-- Türkiye’de yıllık ortalama yağış miktarı 643 mm’dir.Türkiye için bu yağış miktarı, yılda ortalama 501 milyar m3 suya karşılık gelmektedir.

 

3--Yağışlarla gelen suyun 158 milyar m3’ü yüzey suyu olarak akarsulara ve göllere katılmaktadır.

 

4--Ekonomik ve teknik şartlar dikkate alındığında ise kullanılabilir su miktarı yıllık 112 milyar m3‘tür.

 

5-- Dünya 2019 yılı nüfusu 7,6 milyar olarak açıklanmıştır.2030 yılı Dünya nüfusu 8,3 milyar kişi olacağı tahmin edilmektedir.

 

5.1--Artan nüfusun yaklaşık %60’ının kentlerde yaşayacağı tahmin edilmektedir.

 

5.2-- Gıda, su ve enerji ihtiyaçları nüfus ve tüketimin artışlarının etkisiyle 2030 yılına kadar %50 artması beklenmektedir.

 

6--İklim değişikliği tahminlerinde genel olarak, hava değişimlerinin keskin olacağı, yağışların ve kuraklıkların artacağı beklenilmektedir. Kuraklıkların beklendiği yerlerde, Ortadoğu, Kuzey Afrika ve Güney Avrupa başta gelmektedir.

 

7-- Denizlere olan tatlı su akışına bağlı olarak tuz içeriği yüksek ya da az olabilmektedir.Karadeniz, Marmara, Ege ve Akdeniz’e göre daha az tuzlu bir denizdir.

 

7.1--Bu, düşük tuzluluk oranlarında, Karadeniz’e dökülen Tuna, Bug, Dinyester, Dinyeper, Don, Kızılırmak gibi büyük akarsuların önemli payı vardır.

 

7.2--İstanbul ve Çanakkale boğazları aracılığıyla Karadeniz ile Ege Denizi arasında su alışverişi sağlayan Marmara Denizi’nin yüzey suları Ege ve Akdeniz’e göre daha az Karadeniz’e göre ise daha tuzludur.

 

7.3--15-20 m derinlikte yüzey katmanında %2.2 olan tuzluluk oranı, 30 m’de %3.7’ye, 150 m’de ise %3.85’e ulaşmaktadır.

 

7.4--Ege Denizi’nin Karadeniz ve Marmara’dan daha tuzlu olmasının nedeni, Karadeniz ve Marmara’dan gelen yüzey sularının Ege Denizi’nde saatte 2 km’yi aşan bir üst akıntı oluşturmasıdır. Bu üst akıntı Yunanistan kıyılarını izleyerek güneyde Akdeniz’e ulaşır

 

2—Temiz Su Üretme Teknolojileri:

 

2.1--Damıtma Prosesleri:

 

1--Amaç, fiziksel olarak tuz çözeltisinden suyu buharlaştırarak ayırmak ve daha sonra tekrar sıvı forma dönüş türerek toplamaktır.

 

2--Bu sistemler için termal enerji ya da güneş enerjisi kullanılmaktadır.

 

3--80’lerden önce damıtma tuzsuzlaştırması (DT) deniz suyu arıtımı için en popüler yöntem olmuştur.

 

4--Ticari olarak kullanılan ilk deniz suyu arıtma prosesleri olmasının yanında dünyada deniz suyu arıtım proseslerinin %65’lik kısmını halen bu prosesler kullanılarak yapılmaktadır.

 

5--Termal kısmına ek olarak damıtma prosesleri sık sık daha düşük sıcaklıklarda da buharlaştırmayı arttırmak için vakum uygulamasıyla birleştirilmiştir.

 

1--Çok işlemli damıtma (multiple-effect distillation)

2--Çok kademeli şok damıtma (multi-stage flash distillation)

3--Mekanik buhar sıkıştırma (mechanical vapour compression

4--Güneşle damıtma (solar distillation)

 

2.2--Membran Prosesler:

 

1--Membran prosesler, fiziksel olarak bileşenlerin ayrılmasında membran sisteminin kullanıldığı proseslerdir.

 

2—Deniz suyu arıtımında en çok kullanılan iki membran prosesi ters osmoz ve elektrodiyalizdir.

 

3--Ayrıca membran distilasyon (MD) prosesi de kullanılmaktadır. Ters osmoz yönteminde,suyun basınç altında tutulmasıyla açığa çıkan kimyasal potansiyel eğilimiyle çözünen madde membran boyunca geçer ve sudan fiziksel ayrımı gerçekleşir.

4--Elektrodiyalizde,çözeltide iyonlar bir elektriksel alana karşılık anyon ve katyon seçici membranlar boyunca hareket ederler. Akış boyunca sudan çözünmüş iyonları ayırmak ve toplamak için bir elektriksel alan kullanılmaktadır. Her iki proses de büyük ölçekte ticarileştirilmiştir.

 

1--Ters Osmoz (Reverse Osmozis – RO)

2--Elektrodiyaliz (Electrodialysis-ED)

3--Membran Distilasyonu (Membran distillation- MD)

 

2.3--Kimyasal Prosesler:

 

1--Genel olarak, kimyasal prosesleri tatlı suyun üretimi için uygulamak oldukça pahalı bulunmuştur.

 

2--Ancak kimyasal proseslerden biri olan iyon değiştirme özel uygulamalar için yüksek saflıkta de-iyonize su üretmek için kullanan özel bir prosestir.

 

3--Bunun yanı sıra,iyon değiştirme çözünmüş katı madde miktarı yüksek olan sular için de pratik olmayan bir prosestir.

 

4--Çok kademeli şok damıtma, güneş enerjili damıtıcılarla aynı ilkeyi kullanıyor. Su kaynayınca saf su buharı yükseliyor ve tuz kristalleri geride kalıyor. Bu su buharını toplamak,yoğunlaştırmak ve içmek mümkün.

 

5--Ters osmoz ise suyu yalnızca su moleküllerinin geçmesine izin veren bir filtreye yüksek basınçla püskürterek tuzdan arındırıyor. Su, filtreyi geçiyor ve membranın bir tarafında tuzlu, diğer tarafında içilebilir su kalıyor

 

6--Uluslararası Desalinasyon Birliği’ne göre dünyada şu an 18.000’den fazla desalinasyon tesisi var ve bunlar her gün 150’den fazla ülkede 300 milyon insana 860 milyar litreden fazla su sağlıyor.

 

3—Ters Osmoz-Reverse Osmoz-RO:

 

1--Su membrandan geçerken içerdiği minerallerin çoğu geride kalır. Çözünmüş minerallerin (iyonların) çoğunu geride bırakarak su moleküllerini membrandan geçmesini sağlayan mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır ancak basit filtrasyondan kesinlikle çok daha karmaşıktır. Difüzyon ve aktif taşıma,rol oynayan modellerdir

 

2--RO sürecinde, çözünmüş minerallerin% 98'i veya daha fazlası "kirli taraf" ın gerisinde kalıyor

 

2--Membran, çözünmüş iyonların %98'inin temiz su akışına geçmesini önlediğinden, membranın "kirli" tarafında bir sürü mineral bırakılır. Bunları süpürüp ölçeklendirmeyi en aza indirgemek için (mineraller daha konsantre hale geldiği için çoğu çözünürlük konsantrasyonunu aşabilir ve çökelmeye veya membrana yapışmaya başlar ve böylece filtrasyon verimliliğini azaltır ve potansiyel olarak gereksiz hale getirir)

 

2.1--tipik olarak toplamın yaklaşık %25'i Besleme suyu membranın kirli tarafı boyunca boşaltmak için yıkanır.

 

2.2--Konsantre minerallere ilaveten, besleme suyundaki asılı kirteki küçük parçacıkların büyük kısmı da boşaltma için yıkılır.

 

2.3--Günümüzde kullanılan en yaygın RO zarları klorla tahrip olmaktadır, bu nedenle ön işlem genellikle sodyum bisülfit gibi indirgeyici bir ajan ya da de klorinasyon (yani serbest klorin eliminasyonu) için aktif karbon filtreleri kullanmayı içerir.

 

2.4--Kalsiyum ve magnezyum karbonatları kireç oluşumunu önlemek için azaltmak için iyon değişimi yumuşatma işlemi gerekebilir, ancak antiscalal kimyasalların hızlı gelişimi onları genellikle seçme yöntemi yapar (tuz tüketimini ortadan kaldırır).

 

2.5--Su,önemli silt içeriyorsa, çoklu ortam filtrelemesi gerekebilir.Beslenme suyu, erken tedavi yöntemi belirtmeden önce bir silt yoğunluğu testi (SDI) ile değerlendirilmelidir çünkü prematüre membran yetmezliği ve/veya sık yıkama,yetersiz ön hazırlık tasarımından kaynaklanabilir.

 

2.6--SDI, 30 psi'lik bir basıncı muhafaza ederken 0,45 mikron mutlak filtreden akan birkaç zamanlanmış tahliye koleksiyonundan hesaplanan bir birim-az sayıdır.

 

3--İdeal içme suyu 0 - 50ppm'dir. 170ppm'e kadar olan sular kabul edilebilir düzey sayılırken, 170ppm'den daha fazla değeri olan su sert su diye tabir edilir.

 

3.1--Dünya içme suyu standartlarına göre içme suyu TDS değeri en fazla 500ppm olabilir.500ppm üzerindeki su içilebilme özelliğini yitirmiştir.

 

3.2--Yine dünya standartlarına bakıldığında ortalama çeşme suyu değerleri 150ppm ila 400ppm arasında değişiklik göstermektedir.

 

3.3--Ters Osmoz cihazları ile arıtılan su ise; Giriş suyu değerlerine bağlı olarak 10ppm ila 18ppm gibi ideal değerlere sahiptir.

 

3.4—Veya (TÇM) bağlı olarak sular sınıflandırılmaktadır. Buna göre;

TÇM<1000 mg/l ise tatlı su,

TÇM≈1000-35000 mg/l ise acı su (yer altı suyu),

TÇM≈35000 mg/l ise deniz suyu olarak adlandırılır.

 

4--Bir ters osmoz sistemi aşağıdaki ana bileşenlere sahiptir:

 

1--Ön Arıtma

 

1.1--Genellikle ön arıtım adsorpsiyon, elektrokoagülasyon, mikrofiltrasyon ve koagülasyon/flokülasyon sistemlerinden meydana gelmektedir.

 

1.2--Membran teknolojilerindeki ilerlemeler, deniz suyu ön arıtımı için mikrofiltrasyon ve nanofiltrasyon proseslerinin araştırılması ve uygulanması yönünde olmaktadır.

 

2--Yüksek Basınç Pompası

 

2.1--Yüksek basınç pompaları suyun membran boyunca geçişini sağlamak için gerekli olan basıncı oluştururlar. Bu basınç tuzlu su için 250-400 psig arasında ve deniz suyu için 800-1180 psig arasında değişmektedir. Ters osmoz tarafından tüketilen enerjinin çoğu tuzlu suyun basınçlandırılmasından oluşmaktadır.

 

3--Membran Sistemi:

 

3.1—Ters osmoz ile deniz suyu arıtımında genellikle polivinil klorür (PVC), polivinilidin florür (PVDF), polieter sulfon (PES) ve diğer organik polimerlerden üretilen organik membranlar kullanılmaktadır.

 

3.2--Ancak, alümina ve silika gibi seramik membranlar mekanik özellikleri, kimyasal ataleti, termal denge ve uzun ömürlülüğü ile polimerik membranlardan daha üstün olmaktadır.

 

4--Son Arıtma

 

4.1--Son arıtma, suyun dengelenmesi ve dağıtılmasını içermektedir.Bu son arıtma hidrojen sülfür gibi gazları uzaklaştırma ve pH’ın ayarlanmasından oluşabilir.

 

5--Ters osmoz ile yapılan arıtımda membran maliyeti ana maliyetinin %20-30’nu, membran yenilenmesi ise işletim maliyetinin %25-30’unu oluşturmaktadır.

 

5.1--Bu nedenle ters osmozun membranlarının ekonomik değeri güçlü bir şekilde membran ömrüne bağlıdır ve bu yüzden bozulma kontrol edilmelidir.

 

6--Ayrıca üretilen tatlı suyun her metreküpü için yaklaşık olarak 3-10 kilowat-saat elektrik enerjisine ihtiyaç duymaktadır.

 

6.1--Deniz suyu ters osmoz tesislerinin işletme maliyetinin hemen hemen yarısını elektrik maliyeti oluşturmaktadır.

 

7--Deniz suyunu tuzdan arındırma, su kıtlığının mevcut olduğu zamanlarda, kıyı toplulukları ve ada ülkeleri için içme suyu üretiminin geleceği konusudur.

 

7.1--Birkaç ülkede zaten oldukça yoğun bir şekilde kullanılıyor.Suudi Arabistan, Birleşik Arap Emirlikleri ve ABD,dünyada içme kapasitesine göre ilk üç tuzdan arındırma üreticisidir ve bunu Avustralya, Çin ve Kuveyt izlemektedir.

 

4—İşlem Sırası:

 

1--Tuzdan arındırma işleminin nihai hedefi, deniz suyunda bulunan ve yaklaşık %3 ile %3,5 oranında konsantre edilmiş tuzların uzaklaştırılmasıdır.

 

2--Deniz suyunda renk, silika ve mikroorganizmalar gibi ele alınması gereken başka bileşenler de vardır. Bunu yapmak için

 

2.1--süreç, okyanus suyunu bir sahil kuyusundan bir giriş pompası veya deniz tabanına gömülü bir giriş borusundan çekerek başlar.

 

2.2--Bu su bir dengeleme tankına veya havzaya girer.

 

2.3--Bu işlemden sonra, su ön arıtmaya tabi tutulur. Ön işlem genellikle 1 nanometreden daha büyük partikülleri gideren bir veya daha fazla filtrasyon ünitesinden oluşur.

 

2.4—Bu ön işlem süreci, RO membran kirlenmesi riskini azaltmak için çok önemlidir.

 

2.5--RO işleminde, ozmotik basıncın üstesinden gelmek için basınç uygulanır. Bu nedenle, su zardan daha düşük tuz konsantrasyonuna sahip bir alana akar ve tuzların konsantre bir çözeltiye (tuzlu su) akmasına izin verir.

 

2.6--Elde edilen temiz su, yeniden mineralizasyon ve artık dezenfeksiyon içeren bir işlem sonrası işlemden geçirilir.

 

2.7--Son olarak,sistemden atık olarak çıkan-üretilen  tuzlu su konsantresi dikkatlice okyanusa dağınık bir şekilde boşaltılır. Bu deşarj süreci, yerel deniz ekosistemi üzerindeki olumsuz etkileri önemli ölçüde azaltmak için tasarlanmıştır

 

2.8--Ters osmoz sistemleri sabit akış süreçleridir, bu nedenle sıvılar sürekli olarak pompalanır ve silindirik membran kaplarına sürekli olarak basınç uygulanır.

 

2.9--Gerekli basınç bazı sistemlerde 1000 psi'ye (69 bar) kadar çıkabilir. Bununla birlikte, konsantre çözeltide depolanan ozmotik basınç enerjisi, toplam enerji maliyetlerini azaltmak için gerçekten geri kazanılabilir

 

5--Ters osmoz (RO) ve Nanofiltrasyon (NF) şu anda önde gelen deniz suyu tuzdan arındırma çözümleridir. Kilit ekipmanlardaki (membranlar, pompalar, enerji harcı geri kazanım cihazı) gelişmeler süreci enerji verimli hale getirerek düşük yatırım maliyeti (CAPEX) ve düşük işletme maliyeti (OPEX) ile sonuçlandı.

 

5.1--Günümüzde tuzdan arındırma,tipik olarak tropik bölgelerde ve açık deniz alanlarında tatlı su sıkıntısı ile başa çıkmak için çok uygun bir çözüm haline gelmiştir.

 

6--Membran tuzdan arındırma maliyeti, tuz konsantrasyonu azaldıkça keskin bir şekilde azalır. Deniz suyu ortalama olarak yaklaşık 35.000 mg/L TDS içerir; 1000-10.000 mg / L'deki acı sular çok daha az pahalı bir şekilde arıtılabilir

 

7--RO kullanarak acı su tuzunu gidermek için hacim başına maliyetlerin genellikle 5.000-60.000 m3/gün üreten büyük tesisler için……0.26-0.54 $/m3 arasında değiştiği ve

 

1000 m3'ten az üretim yapan tesisler için…(0.78-1.33/m3) olduğu bildirilmiştir.

 

7.1--Deniz suyu RO için hacim başına maliyetin, 12.000 m3/gün'den fazla üretim yapan tesisler için 0.44-1.62 $/m3 olduğu bildirilmektedir

 

Kaynak: Mühendis Ve Makina güncel-OCAK 2020-Desalinasyon Tesisleri Deniz Suyu Arıtma Teknolojileri-Semih Çalapkulu