Yüzey sularından aktif karbon ve ultrafiltrasyon teknolojileri ile içilebilir su eldesi
Drinking water production from surface water using activated carbon and ultrafiltration technologies
Yazar: BÜŞRA KARAMAN
Danışman: PROF. DR. MELEK TÜTER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüzde, canlı yaşamı için vazgeçilmez bir unsur olan su kaynakları, küresel ısınma, gelişen sanayileşme ve bilinçsiz tüketim sonucu hızla tüketilmektedir. Dünya'daki su kaynaklarının yalnızca %3'ü insani tüketim amaçlı kullanılabilecek olan tatlı sulardan  oluşmaktadır. Temiz ve güvenilir suya erişim temel insani bir hak olmasına rağmen, dünya üzerinde özellikle gelişmekte olan ülkelerde suya ulaşmak kritik bir problemdir.  Su kalitesinin bozulmasıyla ortaya çıkan sağlık problemleri ve ölümler, su sorunun önemini açıkça ortaya koymaktadır.  Bu çalışmada, ağır metal, arsenik gibi kimyasallarla ve mikrobiyolojik olarak kirletilmiş yüzey sularından aktif karbon ve ultrafiltrasyon teknolojileri kullanılarak içilebilir su eldesi sağlayan portatif bir cihaz tasarlanması amaçlanmıştır.
Yüzey sularından içilebilir su eldesi sağlayan portatif cihazlar için geleneksel ve alternatif teknolojilerin belirlenmesine yönelik yapılan araştırma sonucu, Amerika menşeili ÖKOH20 firmasından ÖKO Original marka, Grayl firmasından Grayl marka  ve İngiltere menşeili Lifesaver firmalarından Lifesaver marka filtrasyon şisesi temin edilmiştir. ÖKO Original, Amerikan Ulusal Havacılık ve Uzay Araştırmaları Merkezi (NASA) tarafından Polietilen tereftalat (PET) malzeme arasına alümina sodyum silikat ve aktif karbon konularak tasarlanmış patentli bir filtreye sahiptir. Lifesaver, ultrafiltrasyon ve aktif karbon teknolojilerini kullanmaktadır.  Grayl ise tozlaştırılmış aktif karbon gümüş katkılı zeolit bir filtreye sahiptir. Bu şişelerin filtrasyon performanslarını belirlemek amacıyla belli standartlara uygun yüzey suyu hazırlanmıştır. Bu amaçla, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) tarafından belirlenmiş model yüzey suyuna, nitrat, nitrit, sülfat, bakır gibi kirleticiler,  T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığınca, Yüzeysel Su Kalitesi Yönetmeliği'nde belirlenmiş su kalite sınıflarından IV.sınıf su baz alınarak ilave edilmiştir. Her üç şişede de filtrasyon yapılarak, şişelerin performansları karşılaştırılmıştır. 
Filtrasyon şişeleri ile yapılan deneyler sonucunda, şişelerin nitrat, nitrit ve sülfat gideriminde başarısız olduğu; bakır, bulanıklık ve Toplam Organik Karbon (TOC) gideriminde etkin performans gösterdiği belirlenmiştir. ÖKO Original ve Grayl renk gideriminde, Lifesaver'a göre daha iyi sonuç vermiştir. Lifesaver şişesi %97 renk giderimi sağlasa da rengi içilebilir limite düşürememiştir.
Su filtrasyonunda en sık kullanılan adsorbanlardan biri geniş bir yüzey alanına sahip olan aktif karbondur. Aktif karbon doğal malzemelerden ve çeşitli kömürlerden elde edilmektedir. Bu çalışma kapsamında, hindistan ceviziği kabuğundan ve kömürden  elde edilen iki tip aktif karbon kullanılmıştır. Hindistan cevizi kabuğundan  elde edilen aktif karbonla bakır, arsenik ve serbest klor giderimi çalışılmıştır. Çalışmada kullanılan hindistan cevizi kabuğundan elde edilen aktif karbon filtrenin adsorpsiyon performansı, debi, pH ve sıcaklık parametreleri ile incelenmiştir. Daha sonra belirlenen en iyi adsorpsiyon performans koşullarında, deneyler kömür bazlı aktif karbonla da tekrarlanmıştır.
Hindistan cevizi kabuğundan elde edilmiş aktif karbonun kullanıldığı deneylerde 20 mL/dk, 50mL/dk,100 mL/dk, 200 mL/dk ve 400 mL/dk debilerde çalışılmıştır. Debi arttıkça adsorpsiyon performansının beklenildiği gibi düştüğü gözlenmiştir. Bunun nedeni, adsorbanla çözeltinin temas süresinin azalmasıdır. En yüksek % giderim 20 mL/dk'da elde edilmiştir. Ancak portatif bir içme suyu cihazı tasarlanması istendiği için , müşterinin sağlıklı içilebilir suya mümkün olan en kısa sürede ulaşmasını sağlamak amacıyla en uygun debi 100 mL/dk olarak belirlenmiştir.
Yüzey suyu pH'ı bulunulan bölgeye ve iklimsel koşullara göre  6 ve 9 arasında değiştiğinden, pH 6,7,8,9 'da testler yürütülerek, pH'ın aktif karbonla adsorpsiyon üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bakır gideriminin en fazla olduğu pH'ın 7 olduğu belirlenmiştir. Serbest klor için ise pH 6 ve 7'de giderimler birbirine oldukça yakındır. Arsenik giderimi için ise en uygun pH'ın 6 olduğu görülmüştür. 
Su sıcaklığının etkisinin incelendiği deneylerde, 10 oC, 20 oC, 30 oC ve 40 oC sıcaklıklarında çalışılmıştır. Sıcaklık arttıkça, bakır, arsenik ve serbest klor %  giderimin arttığı belirlenmiştir. WHO ve TSE içme suyu standartlarına göre, her üç kimyasalın giderimi için de 10 oC'de filtrasyonun uygun olmadığı ortaya konmuştur. 
Debi, pH ve sıcaklık parametreleri incelenerek bakır, arsenik ve serbest klor için % giderimin en fazla olduğu koşullar belirlenmiştir. Filtrasyon için en iyi debi 20 mL/dk olarak, en iyi sıcaklık ise 40 oC olarak saptanmıştır. Serbest klor ve arsenik giderimin en fazla olduğu pH değeri 6, bakır gideriminin ise en fazla olduğu pH değeri 7 olarak belirlenmiştir. Belirlenen en iyi koşullarda testler kömür bazlı CarboTech DGFA 8x30/55 marka ile tekrarlanmıştır. Hindistan cevizi kabuğu bazlı Filtracarb® RTO 8 x 30 US marka aktif karbonun performansının daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bunun nedeni, hindistan cevizi kabuğu bazlı aktif karbonun yüzey alanının daha geniş olmasıyla açıklanabilir.
Ultrafiltrasyon, sıvının yarıgeçirgen bir membrandan hidrostatik basınç etkisiyle geçirilmesi prensibine dayanır. Yüksek molekül ağırlığına sahip katılar ve çözünmüş maddeler tutunurken, su ve düşük molekül ağırlıklı bileşenler membrandan geçer. Bu çalışmada, polieter sülfon (PES) ultrafiltreye sahip Lifesaver filtrasyon şişesi ve Elit Arıtım Tic. San. Ltd. Şti'den temin edilen polipropilen (PP) ultrafiltreye sahip membran kullanılmıştır.Düşük, orta ve yüksek konsantrasyonda olmak üzere hazırlanan üç farklı hümik asit çözeltileri ultrafiltrelerden geçilerek, Toplam Organik Karbon (TOC), bulanıklık ve renk giderimleri incelenmiştir. Lifesaver renk giderimi dışında, TOC ve bulanıklık gideriminde oldukça başarılı iken, Elit membran düşük konsantrasyon da bile TOC, bulanıklık ve renk gideriminde başarısız olmuştur. Bunun nedeni, PP'nin hidrofobik bir yapıya sahip olmasıyla açıklanabilir.
WHO ve Yüzeysel Su Kalite Yönetmeliği baz alınarak hazırlanan çok kirlenmiş ve az kirlenmiş model yüzey suları, Filtracarb® RTO 8 x 30 US marka aktif karbon ve Lifesaver ultrafiltre membranın  birlikte kullanıldığı hibrit bir sistemde filtre edilmiştir. Su kalitesi, pH , iletkenlik, Toplam Çözünmüş Katı (TDS), nitrat, nitrit, sülfat, bakır, renk, bulanıklık ve  sulardaki organik madde içeriğini temsil eden UV254  parametrelerine göre incelenerek sonuçlar WHO ve Türk Standartları Enstitüsü (TSE) tarafından belirlenmiş içme suyu standartlarıyla karşılaştırılmıştır.
Az kirlenmiş yüzey sularında nitrat, nitrit, sülfat, bakır gibi kirleticiler içme suyu standardında belirtilen limit değerler altında olmadığından kritik kirletici parametre değildirler. Çok kirlenmiş yüzey sularında bu parametreler kritiktir ve ultrafiltrasyonla giderilemedikleri belirlenmiştir.Hibrit sistem kullanımı ile renk içilebilir limite düşürülmüş,bakır,bulanıklık ve UV254 değerleri daha düşürülerek su kalitesi iyileştirilmiştir.
Yüzey sularının içme suyu kriterlerine getirilmesi için içerdiği mikroorganizmaların standart ve regülasyona göre tamamen uzaklaştırılması ve hijyenik su eldesi sağlaması gerekmektedir. Temin edilen filtrasyon şişeleri ve ultrafiltre membrana ait mikrobiyal analizler yapılarak performansları karşılaştırılmıştır. Su mikrobiyal kalitesi  Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Clostridium perfringens ve Salmonella typhimurium kullanılarak belirlenmiştir. PES ultrafiltreye sahip Lifesaver tüm mikroorganizmaları %100 gidermiştir. Performans değerlendirilmesinde Lifesaver'dan sonra sırasıyla Grayl, ÖKO Original ve Elit membran gelmektedir. Elit membran mikrobiyal giderimi en fazla  E.coli ve P.aeruginosa için %37'dir.
Pazarda bulunan filtrasyon şişelerinin nitrat, nitrit, sülfat gibi inorganik kirleticilerle çok kirletilmiş yüzey sularını filtre etmede başarısız olduğu görülmüştür. Ancak filtrasyon şişeleri organik kirlilik ve partiküler gideriminde başarılıdır. Mikrobiyal kirliliğin gideriminde ise zeolit kullanılan filtrasyon şişelerine göre PES ultrafiltreye sahip şişelerin daha etkili olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, water sources, one of the vital necessities of human life, are rapidly consumed due to global warming, developing industrialization and unconscious consumption. Only 3% of the earth's water resources are fresh water that can be used for human consumption. Although, clean and reliable water access is a basic human right, accessible water is a critical problem in developing countries. Health problems and deaths caused by contaminated water clearly shows the importance of the water problem. In this study, it is aimed to design a portable device that can handle drinking water by using activated carbon and ultrafiltration technologies from chemically and microbiologically contaminated surface water.
A research result for the determination of traditional and alternative technologies for portable devices that provide potable water from surface water has been provided by ÖKO Original brand from ÖKOH20 company and Grayl brand from Grayl company of  USA origins and Lifesaver brand filtration filter from Lifesaver company of UK origin. ÖKO Original has a patented filter made by NASA with polyethylene terephthalate (PET) in between alumina sodium silicate and activated carbon. Lifesaver uses ultrafiltration and activated carbon technologies. Grayl has a filter with ultrapowdered activated carbon and silver-doped zeolite. In order to determine the filtration performances of these bottles, surface water is prepared according to certain standards. For this purpose, contaminants such as nitrate, nitrite, sulphate, copper, according to T.C. Ministry of Forestry and Water Affairs, Water Quality Classes determined in the Regulation on Surface Water Quality were added based on water class IV. All three bottles were subjected to filtration and the performance of the bottles was compared. 
Experiments with filtration bottles indicated that the bottles failed to remove nitrate, nitrite and sulfate but copper, turbidity and Total Organic Carbon (TOC) can be removed by using these bottles. ÖKO Original and Grayl have better color removal than Lifesaver. Lifesaver's bottle could not reduce the drinkable limite even if it provided 97% color removal.
One of the most commonly used adsorbents in water filtration is activated carbon, which has a large surface area. Active carbon is derived from natural materials and various coal. In this study, two types of activated carbon derived from coconut shell and coal were used. Copper, arsenic and free chlorine removal were studied with activated carbon from coconut shell. Active carbon adsorption performance was investigated with flow, pH and temperature parameters. In the best filtration condition for adsorption, the experiments are repeated with coal based activated carbon.

Experiments using active carbon from coconut shell were run at 20 mL/ min, 50 mL/ min, 100 mL/ min, 200 mL /min and 400 mL/min. As the flow rate increased, the adsorption performance decreased as expected. The reason for this is the reduction in the contact time of the solution with the adsorbent. The highest % removal was achieved at 20 mL/min. However, since a portable drinking water device is required, the optimum flow rate is set at 100 mL/ min so that the customer can reach healthy drinking water as soon as possible.
As the surface water pH changed between 6 and 9 according to the region and climatic conditions, experiments were carried out at pH 6, 7, 8 and 9, and the effect of pH on adsorption with active carbon was investigated. It was determined that  removal of copper  which was ph 7 was the greatest . For free chlorine, the removals at pH 6 and 7 are very close to each other. The optimum pH for the arsenic removal was found to be pH  6.
Experiments on the effect of water temperature have been carried out at 10 oC, 20 oC, 30 oC and 40 oC. As the temperature increased, copper, arsenic and free chlorine removal increased. According to WHO and TSE drinking water standards, filtration at 10°C is not suitable for the removal of all three chemicals.
The flow, pH and temperature parameters were examined to determine the conditions with the highest percentage of removal for copper, arsenic and free chlorine. The best flow rate for filtration is 20 mL/ min and the best temperature is 40 oC. The pH value of free chlorine and arsenic removal was determined to be 6, and the pH value of copper removal was 7. In the best filtration conditions, the tests were repeated with the coal based CarboTech DGFA 8x30 / 55 brand. Coconut shell based Filtracarb® RTO 8 x 30 US active carbon has been found to have a higher performance. This may be explained by the wider surface area of activated carbon based on coconut shells.
Ultrafiltration is based on the principle that liquid is passed through a semi-permeable membrane under hydrostatic pressure. Water and low molecular weight components pass through the membrane as the solutes and solutes with high molecular weight are held together. In this study, Lifesaver filtration bottle with polyether sulphone (PES) ultrafilter and  provided from Elit Arıtım Tic. San. Ltd. Polypropylene (PP) ultrafilter membrane is used. Three different solutions of humic acid, prepared at low, medium and high concentration, were passed through ultrafilter and examined  Total Organic Carbon (TOC), turbidity and color removal. Elit membrane, even at low concentration, has failed in TOC, turbidity and color removal, while the Lifesaver is quite successful in TOC and turbidity removal, apart from color removal. This is explained by the fact that PP has a hydrophobic structure.
Based on the WHO and Surface Water Quality Regulations, highly contaminated and less contaminated model surface water were filtered in a hybrid system using Filtracarb® RTO 8 x 30 US activated carbon and Lifesaver ultrafilter membrane. The results of water quality, pH, conductivity, TDS, nitrate, nitrite, sulfate, copper, color, turbidity and UV254 were compared with drinking water standards determined by WHO and Turkish Standards Institute (TSE).
 
Contaminants such as nitrate, nitrite, sulphate and copper are not critical pollutant parameters in less polluted surface water because they are not below the limits stated in the drinking water standard. In highly contaminated surface water, these parameters are critical and are determined to be non-removable by ultrafiltration. The use of the hybrid system has improved thenwater quality by reducing the color, UV254 and turbidity.
In order to make surface water compatible with the drinking water criteria, it is necessary to completely remove the microorganisms according to the standard and regulation. Microbial analyzes of the supplied filtration bottles and ultrafiltration membrane were performed and their performances were compared. Water microbial quality was determined using Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Clostridium perfringens and Salmonella typhimurium. Lifesaver with PES ultrafilter has 100% removal of all microorganisms. In the performance evaluation, Grayl, ÖKO Original and Elit membranes are followed by Lifesaver, respectively. Elit membrane microbial rejection was the highest for E. coli and P. aeruginosa at 37%.
It has been found that the filtration bottles found in the market fail to filter out highly contaminated surface water with inorganic contaminants such as nitrate, nitrite, sulphate. However, filtration bottles are successful in organic pollution and particulate removal.  Removing microbial contamination using  PES ultrafilter was found to be more effective than zeolite.
Nowadays, there is no technology available to adapt a portable device to eliminate pollutants such as nitrate, nitrite, sulphate. These pollutants can only be eliminated by using reverse osmosis systems. However, along with the developing technology, new materials can be developed to remove these pollutants.