Ters osmoz

Ters osmoz (RO); iyonları, istenmeyen molekülleri ve büyük parçacıkları içme suyundan uzaklaştırmak için kullanılan, hücre zarı gibi görev yapan yarı geçirgen (seçici) bir membran (zar) aracılığıyla gerçekleştirilen bir su arıtma yöntemidir.

Ters osmoz işleminde, termodinamik bir parametre olan çözücünün kimyasal potansiyel farklılıklarından kaynaklanan osmotik basıncın üstesinden gelmek amacıyla sisteme dışarıdan basınç uygulanır. Bu yöntem, suda çözünmüş veya askıda kalmış pek çok kimyasal türü ve biyolojik maddeyi (esas olarak bakterileri) sudan ayırır. Hem endüstriyel işlemlerde hem de içme suyu üretiminde yaygın olarak kullanılır. İşlem sonucunda, çözünen moleküller membranın basınç uygulanan tarafında tutulurken, saf çözücünün diğer tarafa geçmesine izin verilir. Membranın "seçici" olabilmesi için, gözenekleri (porları) yoluyla büyük moleküllere veya iyonlara geçit vermemesi; ancak çözeltinin çözücü molekülleri, yani su (H2O) gibi daha küçük bileşenlerinin serbestçe geçmesine imkân tanıması gerekir.

 Osmoz mekanizması 
Doğal osmoz sürecinde çözücü, yarı geçirgen bir membrandan geçerek çözünen yoğunluğunun az olduğu (yüksek su potansiyeline sahip) alandan, çözünen yoğunluğunun çok olduğu (düşük su potansiyeline sahip) alana doğru hareket eder. Bu hareketi sağlayan itici güç, membranın iki tarafı arasındaki derişim farkının azalmasıyla sistemin Gibbs serbest enerjisindeki düşüştür. Bu dengeleyici güce osmotik basınç denir. Çözücü, daha yoğun olan çözeltiye doğru geçtikçe osmotik basınç azalır. Saf çözücünün bu doğal akış yönünü tersine çevirmek için dışarıdan osmotik basınçtan daha yüksek bir basınç uygulanmasına ise "ters osmoz" adı verilir. 

Ters osmoz (RO), filtreleme işleminden farklıdır. Membran filtrelemesinde (örneğin mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon) uzaklaştırma mekanizması, gözenek boyutuna (genellikle 0,01 mikrometre veya daha büyük) dayalı mekanik süzme işlemidir. Bu süzme işlemi, çözeltinin basıncı ve derişimi gibi parametrelerden büyük ölçüde bağımsız olarak teorik bir mükemmelliğe ulaşabilir.

Buna karşılık ters osmoz, gözeneksiz veya 0,001 mikrometre gibi çok küçük gözeneklere sahip nanofiltreleme membranları aracılığıyla çözücü difüzyonunu gerektirir. Burada ayırma mekanizması, gözenek boyutundan ziyade moleküllerin membrandaki çözünürlük veya difüzyon katsayısı farklılıklarına dayanır. Bu nedenle ters osmoz süreci; uygulanan basınç, çözünen madde derişimi ve sıcaklık gibi fiziksel koşullara sıkı sıkıya bağlıdır.Crittenden, John; Trussell, Rhodes; Hand, David; Howe, Kerry and Tchobanoglous, George (2005). Water Treatment Principles and Design, 2. baskı John Wiley and Sons. New Jersey. 

RO sistemleri, tatlı ve acı suları arıtmak için 2–17 bar (30–250 psi) basınca ihtiyaç duyarken, deniz suyunu arıtmak (tuzdan arındırma) için 40–82 bar (600–1200 psi) gibi çok daha yüksek basınçlar gerektirir. Bunun nedeni, deniz suyunun üstesinden gelinmesi gereken yaklaşık 27 bar (390 psi) seviyesinde doğal bir osmotik basınca sahip olmasıdır.

Enerji tüketimi, deniz suyu RO sistemleri için genellikle 2,9-5,5 kWh/m3 civarındadır. Ancak en gelişmiş ve verimli tesislerde bu oran 2,3 kWh/m3 seviyelerine kadar düşürülebilmektedir.

Membran filtreleme teknolojilerinde ayırma kapasiteleri şu şekildedir: Parçacık filtrasyonu 1 μm (1000 nm) veya daha büyük parçacıkları, mikrofiltrasyon 50 nm veya daha büyük parçacıkları, ultrafiltrasyon ise yaklaşık 3 nm veya daha büyük parçacıkları uzaklaştırır. Nanofiltrasyon 1 nm veya daha büyük molekülleri tutabilirken; membran filtrelemenin son aşaması olan ters osmoz (hiperfiltrasyon), yaklaşık 0,2 nm'den (su molekülüne çok yakın bir boyut) büyük hemen hemen tüm parçacıkları, iyonları ve molekülleri sudan uzaklaştırır.

 Ev tipi ve endüstriyel su arıtma uygulamaları 
küçükresim|Tezgâh altı/üstü kullanıma uygun standart bir ev tipi RO sistemi.

Dünya genelinde, şebeke veya kuyu suyunu içme ve yemek yapma kalitesine getirmek için ters osmoz aşamasını içeren ev tipi su arıtma sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır.

Standart bir ev tipi RO sistemi genellikle şu filtreleme adımlarını içerir:
 Pas, kum ve kalsiyum karbonat (kireç) gibi kaba parçacıkları tutmak için birinci aşama tortu (sediment) filtresi.
 Daha ince partikülleri yakalamak için daha küçük gözenekli ikinci bir tortu filtresi veya blok karbon filtre.
 Suyu RO membranına zarar verebilecek klor ve uçucu organik bileşiklerden arındırmak için aktif karbon filtresi.
 Suyun moleküler düzeyde arıtıldığı ana bileşen olan RO ince film kompozit membran.
 Arıtılmış suyun depolandığı tank.
 (Opsiyonel) RO membranından geçebilecek olası mikroorganizmaları yok etmek için ultraviyole (UV) sterilizasyon lambası.
 Suya içim kolaylığı ve tat kazandırmak için son aşama (post-karbon) karbon filtre.

Bazı eski sistemlerde aktif karbon ön filtre yerine selüloz triasetat (CTA) membranlar kullanılırdı. CTA membranlar, sudaki klora karşı dirençlidir ve bakteri üremesini engellemek için su kaynağında az miktarda klor bulunmasını gerektirir. Ancak CTA membranların kirlilikleri reddetme oranı %85-95 seviyelerindedir ve klor seviyesinin düşmesi durumunda çürümeye meyillidirler.

Günümüzde yaygın olarak kullanılan ince film kompozit (TFC) membranlar ise sentetik polimerlerden üretilir. TFC membranlar, CTA membranlara göre çok daha yüksek reddetme oranlarına (%95-98) ve daha uzun işletme ömrüne sahiptir. Ancak TFC membranlar serbest klora karşı son derece hassastır; klorla temas etmeleri halinde yapıları hızla bozulur. Bu nedenle, TFC membranların klor hasarından korunması için sistemin girişine mutlaka ön aktif karbon filtreler yerleştirilir. Ev tipi RO ünitelerinin etkili bir şekilde çalışabilmesi ve membran üzerinde yeterli osmotik basıncın oluşabilmesi için şebeke suyunun en az 280 kPa (40 psi) basınca sahip olması gerekir; düşük basınçlı yerlerde sisteme bir destek pompası (booster pump) eklenir.

Taşınabilir RO su arıtma cihazları ticari olarak mevcut olup, güvenli içme suyuna erişimin kısıtlı olduğu bölgelerde, afet durumlarında veya askerî amaçlarla yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak Avrupa Birliği'nde, yeraltından çıkan doğal maden suyunun yapısının değiştirilmesini engelleyen direktifler gereği, şişelenmiş maden sularının ters osmoz yöntemiyle işlenmesine izin verilmemektedir. Ayrıca, RO membranları teknik olarak bakterileri tutacak kadar küçük gözeneklere sahip olsa da, üretim kusurları (mikroskobik yırtıklar) veya conta sızıntıları nedeniyle bazı mikroorganizmaların arıtılmış suya karışma riski teorik olarak mevcuttur. Bu nedenle kirlilik riski yüksek sularda UV sterilizasyonu gibi ek önlemler önerilir.

Endüstriyel ölçekte ters osmoz en yaygın olarak deniz suyundan içme ve kullanma suyu elde edilmesinde (desalinasyon) ve atık sulardaki tuz ile ağır metallerin uzaklaştırılarak suyun geri kazanılmasında kullanılır. Endüstriyel RO sistemleri, kullanım amacına göre çok düşük iletkenlik (1 µS/cm altı, saf su) değerlerine ulaşacak şekilde tasarlanabilir. İçme suyu üretimi, buhar kazanları besi suyu, ilaç sanayii, elektronik bileşen üretimi ve tarımsal sulama gibi farklı ihtiyaçlar için farklı konfigürasyonlarda RO sistemleri kurulmaktadır. 

Sistemde kullanılan membranlar, tutulan kirlilikler nedeniyle zamanla tıkanır (fouling). Tıkanmayı geciktirmek için çapraz akış (cross-flow) prensibi uygulanır ve sistem periyodik olarak kimyasallarla yıkanır (CIP - Clean In Place). Gelişen teknoloji sayesinde membranların işletme ve yenileme maliyetleri önemli ölçüde düşmüştür.

 Sağlık üzerindeki etkileri 
Ters osmoz yöntemi, sudaki kurşun, cıva, arsenik gibi zararlı ağır metalleri, pestisitleri (tarım ilaçları), nitratları ve endüstriyel kimyasalları %99'a varan oranlarda başarıyla uzaklaştırarak güvenli içme suyu sağlar. Ancak membranın seçiciliği olmaması nedeniyle, suyun içinde doğal olarak bulunan ve insan sağlığı için gerekli olan kalsiyum, magnezyum, potasyum ve sodyum gibi faydalı mineralleri de aynı oranda sudan ayırır. Bu durum, RO ile arıtılmış suyu "demineralize" (minerallerinden arındırılmış) hale getirir. Demineralize suyun sürekli ve uzun süreli tüketiminin sağlık üzerindeki potansiyel etkileri, bilim dünyasında ve Dünya Sağlık Örgütü (DSÖ) gibi kuruluşların raporlarında uzun süredir tartışılan bir konudur.

 Mineral eksikliği riski 
Dünya Sağlık Örgütü'nün (DSÖ) yayımladığı raporlara göre, içme suyu insan diyeti için önemli bir kalsiyum ve magnezyum kaynağıdır. Özellikle günlük beslenmesinde yeterli mineral alamayan bireylerde, içme suyunun bu minerallerden tamamen arındırılmış olması, kalsiyum ve magnezyum eksikliğine bağlı sağlık risklerini artırabilir. Magnezyum eksikliği kalp-damar hastalıkları, kalsiyum eksikliği ise kemik yoğunluğu kaybı (osteoporoz) ile ilişkilendirilmektedir. Sağlıklı ve dengeli beslenen (bol sebze, meyve, süt ürünleri tüketen) bireylerin gerekli mineralleri yiyeceklerden karşılayabileceği belirtilse de, yetersiz beslenen popülasyonlar için sadece RO suyu tüketmek uzun vadede bir risk faktörü olabilir. 

Bu riski ortadan kaldırmak için, modern ev tipi RO sistemlerine genellikle son aşama olarak bir "mineral filtresi" (remineralizasyon filtresi) eklenmektedir. Bu filtreler, suyu saflaştırdıktan sonra içine kontrollü miktarda kalsiyum ve magnezyum katarak hem suyun pH dengesini düzenler hem de mineral içeriğini geri kazandırır.

 Suyun pH dengesi ve asidite 
Ters osmoz işlemi, sudaki çözünmüş mineralleri ayırırken, moleküler boyutu çok küçük olan karbondioksit (CO2) gazının membrandan geçmesine izin verir. Minerallerin tamponlayıcı etkisi (alkalinitesi) ortadan kalktığı için, suya geçen karbondioksit zayıf bir asit olan karbonik aside dönüşür. Bu durum, RO membranından yeni çıkmış suyun pH değerinin hafif asidik (genellikle 5.5 - 6.5 aralığında) olmasına neden olur. Hafif asidik suyun doğrudan tüketiminin insan vücudundaki asit-baz dengesini bozduğuna dair kesin bir bilimsel kanıt olmamakla birlikte (vücudun kendi güçlü tamponlama sistemleri vardır), asidik suyun su tesisatlarında ve metal kaplarda korozyona (aşınmaya) neden olarak suya istenmeyen metallerin karışmasına yol açabileceği bilinmektedir. Bu nedenle arıtma sistemlerinde pH seviyesini yükselten (suyu alkali hale getiren) post-filtrelerin kullanılması tavsiye edilir.

Özetle; ters osmoz, kontamine olmuş (kirlenmiş) veya tuzlu su kaynaklarından güvenilir içme suyu elde etmek için oldukça etkili bir yöntemdir. Ancak, elde edilen demineralize suyun uzun süreli ve tek su kaynağı olarak tüketiminin yaratabileceği potansiyel beslenme eksikliklerini önlemek amacıyla, suyun tüketim öncesi uygun filtrelerle (mineral/alkali filtreler) yeniden mineralize edilmesi genel olarak önerilen bir uygulamadır.

 Kaynakça 

Kategori:Membran teknolojisi
Kategori:Su teknolojisi
Kategori:Filtreler
Kategori:Ayırma işlemleri
Kategori:Su arıtma