Doğru Membranı Seçmek
2019-09-30
Endüstri mühendisleri atıkları akışkanlardan ayırmak istediklerinde, berraklaştırma veya damıtma yapma ihtiyacı duydukları zaman güvenilir ve tekrarlanabilir performans talebini karşılayabilmek için membran filtreleme sistemleri sık sık ilk tercihleri olmaktadır. Membran filtrelemenin en temel seviyesi, tek bir akış içinde olan süzüntüyü bir membran filtreden geçirerek diğerinden daha yoğun (konsantre) iki ayrı süzüntü olarak ayrılmasını kapsamaktadır. Bu süzüntüler ileri işlemlere maruz bırakılabilir veya uygun bir çıkıştan atık süzüntünün başka tarafa yönlendirilmesiyle ayrılabilmektedir.
Her bir uygulama için doğru membranı seçmek hayati bir öneme sahiptir ve PCI Membranları gibi membran filtreleme konusunda uzmanlar, doğru tercihi yapma konusunda mühendislere yardım edebilmektedirler. Pek çok uygulamada olduğu gibi, testlerin en az seviyede yapıldığı standart tasarım membran filtreleme ünitelerini temin edebilmektedir. Diğer durumlarda, tasarım mühendisleri, süreci sahada genişletilmiş bir şekilde test etme ihtiyacı duyabilirler. PCI’ın tecrübesi ve sahadaki uzmanlığı geniş ölçüdeki endüstri sektöründeki filtreleme problemlerine karşı çözüm üretmektedir.
1. Filtrelemek istediğiniz akışkan sıvının doğası nedir?
İşlem akışkanının doğası, kullanılabilecek en iyi membranı seçerken karar verme faktörlerinden en önemlisidir. Çözünmüş katı içeriğinin, maddenin moleküler ağırlığının, asılı halde sıvının içinde kalan her maddenin doğasının ve yükünün bilinmesi doğru membran şekil ve geometrisi için mühendisleri yönlendirecektir. Son kararı vermede, içe doğru akan süzüntünün pH ve sıcaklığı aynı şekilde de önemlidir.
2. İhtiyacınız olan filtreleme tipine karar vermek
Filtreleme spekturumu, en iyi derecede ayırma yapılmasını sağlayan en küçük moleküler seviyedeki Ters Osmoziz’den (RO) başlayarak sırasıyla Nanofiltrasyon, Ultrafiltrasyon ve Mikrofiltrasyon’dan oluşmaktadır. Bütün bunlar, birkaç Angstrom (A, 10−10 metre)’dan birkaç mikron (μm,10−6 metre)’a kadar farklı boyutlardaki partikülleri ayırma işlemleridir.
Dâhili basınç aralığı yüksek basınçlı sistemlerde 30-80 Bar’dan düşük basınçlı mikrofiltrasyon ünitelerindeki 1-5 Bar’a kadardır. Filtrasyon işlemi bir fiziksel bariyer işlevi gören membrandan sıvıların basınç zoruyla geçmesine dayanmaktadır. Giren beslemeden çözünmüş ve askıda kalan maddeleri ayırma işleminde, son ürünün konsantre edilmesi arzu edilmektedir. Membran şeklinin doğru seçilmesi, membran tipine göre özel boyuttaki partiküllerin membrandan geçen süzüntüden ayrılmış ya da ayrılmamış olmasını belirleyebilecektir.
Ters Ozmos moleküller ve tuzlar gibi çoğu çözünmüş halde bulunan türlerin alıkonulduğu sıkı bir membran uygulamasıdır. Bu sistemdeki basınç, sıvı fraksiyonunun yarı geçirgen membrandan geçmesini sağlayacak kuvvet kadar ozmotik basıncı aşmalıdır. Gıda sektörü, bu membran sistemlerini sık sık meyve suyu, çay, kahve ve şeker işleme çözümlerinde kullanmaktadırlar. Bu ayrıca atık su akışlarının işlenmesinde de sıklıkla kullanılmaktadır. Avrupa’daki yasa koyucular da katı atık depolama sahasındaki sızıntı suyun işlenmesi için bu gibi teknolojilerin arttırılması konusunda destek vermektedirler.
Nanofiltrasyon, RO ve Ultrafiltrasyon arasındaki boşluğu doldurmaktadır; bu genellikle tekstil sektöründe tuzsuzlaştırma ve konsantrasyon görevlerinde kullanılmaktadır. Ultrafiltrasyonun kullanıldığı geniş kapsamlı endüstriyel uygulamalarında çok yönlü doğal lendler, meyve suyu berraklaştırılmasından boyahaneden ve posa değirmenlerine kadar atık süzüntülerin ayrılmış farklı akışlar olarak akmasına olanak sağlar. Bu çeşitliliğin en uzak ucuna doğru ilerlerken, gıda, içecek, farmasötik ve kimyasal endüstrilerindeki gibi atık su akışkanlarını ayırmak için daha geniş gözenek (por) açıklığı olan seramik membranlar Mikrofiltrasyonda kullanılmaktadır.
3. Membranları materyaline göre seçmek
Membran filtreleme teknolojisi, hem membranların paketlenmesinden tutunda hem de kullanılan malzemenin çeşidine kadar yeniden geliştirilmiştir. Sonuç olarak pek çok çeşit uygulamaya uyum sağlayabilecek birçok çeşitlikte membran geometrileri ve modül şekilleri açığa çıkmıştır. Polimetrik membranlar, şu andaki kullanımda olan kurulu membranların en büyük yüzdesiyle açıklanmaktadırlar. Birçok farklı polimer, istenilen moleküler ağırlık geçirgenliğine uyum sağlayacak şekilde veya özel işlem akışkanıyla etkileşime girdiği zaman istenilen performansı göstererek kirlere karşı direncin arzu edilen seviyede tutulmasını sağlayacak şekilde kullanılmaktadır.
Yaygın olarak kullanılan polimerlerin içerisinde, bütün UF membran çeşitlerinde kullanılmakta olan polisülfon ve polieter sülfon bulunmaktadır. PVDF sıklıkla NF ve RO membranlarındaki ince film membran katmanı gibi poliamite değin açık UF membranları için kullanılır. Selüloz asetat, membranlar için yaygın bir şekilde kullanılan ilk polimer, olağanüstü kirlenme-birikinti niteliği sergilediğinden dolayı hala bazı uygulamalarda kullanılmaktadır fakat alkali-bazik durumlarda hidrolize eğiliminden dolayı kullanımı sınırlı kalmıştır. Membranlar, tübüler, spiral, düz kâğıt veya oluklu lif intizamında şekillere sahip olabilmektedirler.
Tübüler membranların pekçok avantajları vardır. Yüksek seviyelerdeki asılı katı parçacıkları içeren viskozlu sıvıların işlenmesinde ve kimyasal yahut mekanik olarak temizlenmeye uygundurlar. Tübüler polimetrik membranlar paslanmaz çelik veya plastik modüllerin içerisine konumlandırılmışlardır.
Spiraller, adından da anlaşılabileceği gibi, ızgara ara parçalarının arasına sıkıca paketlenmiş filtreleme malzemesinin sıkıştırılması ve küçük bir tübün içinde paketlenmesinden meydana gelmektedir. Yüksek derecede paketli yoğunluk tübüler membranlara kıyasla yüzey alanını önemli ölçüde arttırmaktadır. SPIRAL MEMBRANLARDA, asılı kalmış katı partikül varlığında, tıkanmalardan kaçınabilmek için dikkatlice ön filtreleme işlemleri uygulamasına gereklilik duyulmaktadır. Spacer tasarımındaki gelişmelerle birlikte, spirallerin uygun olduğu uygulamaların sayısının artmasına da yardım etmektedir. Spirallerdeki spacerlar membran yüzeyindeki bir taraftan öbür tarafa geçen işlem sıvısının kanallar boyunca ilerlemesini sağlar ve ana parça uzunluğu boyunca basınç kayıplarında ve katılardan kaynaklı tıkanma direnci üzerinde büyük bir öneme sahiptir. Gelişmeler, kanal yüksekliğini 0.7mm’den 0.2 mm’nin üzerinde arttırmayı ve daha pürüzsüz bir akış verebilmek için spacer’in geometrik formunun değiştirilmesini kapsamaktadır. Polimetrik spiral membranlar, genellikle yüksek bir hammadde miktarı kullanımında gerekliyken sıklıkla mekanik olarak temizlenebilen polimetrik tübüler membranlar, yüksek viskoz ürünler veya katı partiküllü akışkanlar için düşük bakım işlemi gerektiren işlemlere daha uygundurlar.
Olumsuz çevre koşulları, solvent çözücülerinin yüksek miktarları, geniş pH aralığı ve diğer işlem koşulları, seramik membranların kullanımını gerektirebilmektedir. Bu teknoloji, normalde Ultrafiltrasyon ve Mikrofiltrasyon uygulamalarına adapte edilmiştir. Genellikle seramik desteğin iç yüzeyine uygulanan alümina veya zirkonya kaplama kullanılmaktadır. Seramik membranların kullanımına değin en büyük maliyetinin, geleneksel polimetrik membranlardan daha yüksek olduğu ve bazen sadece çoğu durumda daha uzun işlevsel ömür beklenen uygulanabilir bir önerme olarak kalmaktadır.
4. Finansal değerlemeleri ve pilot uygulamaları yönetmek
Uygulama için hangi membran sisteminin doğru olduğuna karar vermeden önce, eğer böyle bir fabrikaya kurulum yapılırsa, uygulanabilir bir önerme olup olmadığını bazı ön hazırlığı yapılan finansal tablolarda görmek çok önemlidir. Tasarım gereksinimleri şu şekilde tespit edilmelidir:
• Fabrikanın kapasitesi.
• Meydana çıkan akışkanların istenilen kompozisyonu.
• Süzüntü (permeate) ve filtreden geçmeyerek ayrıştırılan kısım (retentate); ve işlem maliyetleri.
PCI Membranları gibi bir membran sistemi şirketi, membranların seçilmesinde kendi laboratuvarında yürüttüğü kısa bir denemeyle, işlem akışının örneğini kullanarak seçenekleri azlatacaktır. Tipik laboratuvar denemeleri, filtre edilmeyen kısmın (retentate) konsantrasyonunu veya test akışkanının saflaştırılması için diafiltrasyon işlemlerinden herhangi birisi kullanılarak basit parti çalışmalarını içine alacak şekildedir. Sıklıkla uygulama için en iyi membranı tanımlamak için seçilen membranlar eşzamanlı olarak test edilecektir. En uygun membranın seçiminden sonra, uygulamanın fizibilitesini (uygulanabilirlik) onaylamak amacı ile akı (flux) ve seperasyondaki şiddet ile ikinci bir test gerçekleştirilmiş olmalıdır. Bunun gibi denemelerin gerçekleştirilmesi normalde iki ya da üç gün ayrıca örneklerinin ve sonuçların analizi için de biraz süre gereklidir. Bununla birlikte, işlem akışkanının sınırlı bir miktarının kullanılması ile birlikte fabrika alanında daha büyük bir pilot teçhizat kurulumu için takip edilmesi gerekilen ilk testlerdendir. Kirlilik ve temizlik bilgilerinin de içinde bulunduğu pilot sistem tarafından toplanan bu tasarım verisi, tam ölçekli bir fabrikayı potansiyel olarak taklit edebilmeye olanak sağlamaktadır.
Bu aşamada, olabildiğince fazla yararlı bilgi toplamak çok önemlidir çünkü son tasarım parametreleri bu bilgiyi temel alacaktır. Sistem parti (batch) veya sürekli (continuous) üretim modeli temel alınarak mı oluşturulacak? İşletme, temizlik için ne kadar süre hatlarını üretimden çıkartacak? Karara varma başarısı için anahtar kriter nedir? Bu denemeler genellikle 2-3 hafta sürmektedir fakat eğer işlem akışkanı çeşitliyse daha uzun da sürebilir. İyi tasarlanmış bir test prosedürüyle zamandan ve harcayacağınız efordan tasarruf etmenizi sağlayacaktır. Bir kere test teçhizatı kurulduktan sonra, kirlenme derecesi, gözenekten geçme oranı (flux-akı), basınç kaybı ve alıkoyma düzeyinden alınan ölçümlerle son ürünün konsantrasyonunun artması ile artan son ürünün kalitesi ve temizlik düzeninin etkiside belirlenmektedir. Tasarım mühendisleri olası membran ömrünün bu evrede tahmin edebilmektedirler. Sistemin bütün kullanım süresi boyuncaki maliyeti hesaba katıldığı zaman bütün bunlar değerlendirmeye alınmalıdır.
Membranların temizliği, sistemin performansının optimize edilebilmesindeki en önemli kısımlardan birisidir. Temizliğin sıklığı ve şekli, membran ve işlem akışkanının her ikisi için de iş görmektedir. Örneğin gıda sektöründe, günlük temizlik yapmak genel bir uygulama iken, belirli su uygulamalarında temizlemeyi sadece üç ay veya daha az sıklıklarla yapmak gerekli olabilmektedir. En çok uygulanan temizleme tekniği, membran yüzeyinden kirleri uzaklaştırmak için düşük basınçta, uygun bir kimyasalla bütün işletmenin devridaim edilmesidir. Asitler mineral kirleticilerin, sodyum hipoklorit gibi oksidasyon ajanları organik kirlerin uzaklaştırılmasında kullanılırken kaustik deterjanlar veya enzim deterjanları proteinli kirleticilerin uzaklaştırılması için kullanılmaktadır. Bütün bu düzenler her membran için kullanılamayabilir; örneğin, poliamit membranların oksitleyici ajanlara az ya da hiç toleransı yoktur ve selüloz asetat membranların alkali durumlara duyarlılığı vardır.
Bununla birlikte, bazı vakalarda standart bir membran söz konusu uygulamalar için uygun değildir. Bu durumda membran sisteminin yeniden şekillendirilmesine ihtiyaç duyulabilir. Son günlerde çevresel farkındalığın artmasıyla birlikte yasama organları veya merkezi güçler, sık sık fabrika atıklarını işlemek için alternatif teknolojileri değerlendirme konusunda yöneticiler bu yöne doğru yönlendirilmektedir.
