Karışımları ve safsızlıkları, ayırma ve saflaştırma işlemi için kullanılan yöntem geleneksel teknolojilere göre amortisman süresinin uzun fakat enerji ihtiyacının düşük olmasından dolayı son yıllarda revaçta olan bir teknolojidir. 18. yüzyıldan beri bilinen (1748 Abbe Nollet) ve laboratuar çalışmaları niteliğinde kalan membran ayırma teknolojileri ticari olarak üretilip, çeşitli alanlarda kullanılmaya başlanmıştır. Uygulama basitliği nedeni ile giderek yaygınlaşan membran ayırma teknolojileri: tuzlu ve acı sulardan içme suyu elde edilmesinde, atık suların arıtılmasında, tehlikeli atıkların bertarafında, ilaç ve elektronik endüstrisi için ultra saf su elde edilmesinde, gıda endüstrisinde ve biyoteknoloji vb. alanlarda kullanılmaktadır. Gazları ayırmada ve atık gazların temizlenmesinde kullanılmaya başlayan membran ayırma teknolojileri ile sağlanan birçok yeni başarılar bu konudaki gelişmeleri hızlandırmıştır. Endüstriyel atıklardan geri kazanım ve saflaştırma gibi avantajları, bilinen klasik arıtma anlayışının değişmesine neden olmuştur (Talha Gönüllü, 2004).

Membranın Tanımı

Membran, belirli türlerin hareketini kısıtlayan, metal, anorganik veya organik polimerlerden yapılan geçirgen veya yarı geçirgen bir malzemedir. Genel olarak membran; iki fazı veya ortamı birbirinden ayıran ve bir tarafından diğer tarafa maddelerin seçici bir şekilde taşınmasını sağlayan ince ve geçirgen bir tabaka olarak ifade edilir. Membranlar sayesinde sağlanan seçici kütle transferi; konsantrasyon farkı, basınç farkı ve elektriksel potansiyel farkı gibi itici güçler yardımı ile gerçekleşmektedir. Ayrılacak maddelerin büyüklükleri ve kimyasal özellikleri uygulanacak membranın gözenek çapını belirlemektedir. Şekil (1.)’de bazı seçilmiş maddelerin partikül boyutları ve bunlara karşılık gelen membran türleri/uygulamaları gösterilmiştir.

Şekil 1.  Filtrasyon gözenek çapı ile orantılı olarak gerçekleşir (Anna Lee v.d., 2016).

Membran teknolojilerinin yaygın olarak kullanılmaya başlamasının önemli nedenlerinden biri işletme kolaylığıdır. Bu teknoloji fiyat/ verim (fayda/maliyet) açısından sektörde rekabetçi bir teknoloji olarak görülmektedir. Membran Ayırma Teknolojisi Amerika Çevre Ajansı tarafında da en iyi arıtma teknolojileri arasında sayılmaktadır. Membran gözeneklerini gösteren taramalı elektron mikroskobu görüntüsü Resim (1.)’de yer almaktadır.

Bir membran aynı zamanda diğer başka faktörlerde etkili olduğu halde maddelerin kabaca moleküler büyüklüklerinden faydalanılarak ayrılmalarını sağlayan bir araçtır. Ayrıca yüklü parçacıkların üzerinden geçişini düzenler ve böylece bir elektrik potansiyelin oluşması için gerekli şartları oluşturur. Bir membran prosesinde iki fazı fiziksel olarak ayıran üçüncü bir faz olan membrana ihtiyaç vardır. Membran iki faz arasında bir ara fazdır. Bir membran prosesinde iki faz arasına yerleştirilen membran fazı, bu iki faz arasındaki kütle değişimini kontrol eder. Bir membran ayırma prosesindeki fazlar karışımlardır. Bu sebeple ayırma prosesinde karışımdaki bileşenlerden birisinin diğerlerine tercihen değişimine izin verilir. Dolayısıyla membran diğer bileşenlere karşı seçici davranır. Bu yüzden bir faz bileşenlerden birisi bakımından zenginleşirken diğer fazda ise hızla azalır. Bu açıklamalar kapsamında membran prosesini, bir bileşenin membran tarafından ayrılan bir fazdan diğer faza seçici ve kontrollü olarak taşınması olarak ifade edebiliriz.

Herhangi bir türün membran üzerinden hareketine bir veya iki yürütücü kuvvet (itici güç) sebep olur. Bu yürütücü kuvvetler bir kimyasal potansiyel veya elektrik potansiyel değişiminden kaynaklanırlar. Kimyasal potansiyel gradyenti (değişimi), konsantrasyon veya basınç değişimi veya her (Mehmet Kitiş v.d., 2009).

Membran Hazırlanma Metotları

Ticari amaçlı kullanılan ilk membranlar homojen bir yapıya sahiptiler. 1950’lerin sonunda Loeb ve Sourirajan, selüloz asetat membranların hazırlanması için faz dönüşümü (phase inversion) metodunu geliştirmişlerdir. Bu metotta esterin bir çözücüde çözünmesiyle elde edilen viskoz çözelti, ince bir tabaka halinde cam üzerine dökülmekte ve ester, filmin üst yüzeyinin soğuk suyla teması sonucu katılaşmaktaydı. Daha sonra sentezlenen yapıyı sağlamlaştırmak üzere çeşitli gözenek oluşturucu maddeler ve şartlandırıcı ajanlar ilave edilmiş ve böylece farklı büyüklüklerdeki gözenekler elde etmek mümkün olmuştur. 1960’ların başında Michaels asimetrik bir poliiyonik membran sentezlemiş ve şimdi ise membran yapımında çok farklı yapıda ve özellikte polimerler kullanılmaktadır. Çizelge (3.1.)’de membran yapımında kullanılan çeşitli maddeler verilmiştir. Membran hazırlamanın diğer bir metodu ise bir polimer tabakasının çift taraflı gerilmesiyle (stretch) üretilirler. Birinci gerdirme (stretch) işleminde gözenekler oluşurken birinciye dik açılarla gerilme sonucu bu gözeneklerin açılması sağlanır (Mehmet Kitiş v.d., 2009).

 Membran Teknolojileri Kullanım Alanları 

Membran ayırma teknolojileri genel olarak;

1- İçme suyu üretiminde; kuyu suyu ve acı su arıtımında, tuzlu ve acı sulardan, ucuz su kaynaklarının olmadığı bölgelerde içme suyu temini için,

2- Evsel ve endüstriyel atık suların arıtılmasında; özellikle parçalanması zor bileşikler içeren atık suların arıtımında kullanılmış suların geri kazanılması ve yeniden kullanılmasında,

3- Tehlikeli atıkların bertarafında; endüstriyel ultra saf su eldesinde, ilaç sanayinde, gıda sanayinde ve biyoteknoloji gibi alanlarda,

4- Su saflaştırmada; endüstriler için demineralize su eldesinde, endüstrilerin proses sularının hazırlanmasında, hemodiyaliz makineleri için deiyonize su üretiminde,

5- Reçineli İyon Değiştirme Sistemleri ile kombineli olarak ultra saf su üretimi

6- Katyon, anyon, klorid, nitrat, sülfat, ağır metaller, hörbisit, mikrokirleticiler ve diğer kirletici elementlerin giderilmesinde, kullanılır.

Membran teknolojileri ayrıca nehir, göl, deniz ve kuyulardan içme ve kullanım sularının elde edilmesinden, çeşitli endüstriyel proseslere su teminine, atık suların deşarj kriterlerine uygun arıtılmasından, proseslerde kullanılan kimyasal madde geri kazanımına kadar çok değişik alanlarda kullanılabilen son dönem arıtma yöntemlerinin başında gelmektedir.

Membran proseslerinin kullanıldığı başlıca endüstri alanları ise: Kimya, petrokimya, çevre, eczacılık, ilaç, gıda, günlük gıdalar, meyve konsantresi, kağıt, tekstil, elektronik endüstrisi ve benzeri endüstrilerdir. Mevcut uygulamalar arasında aşağıdaki alanlar ilk akla gelenler arasındadır:

1) İnsan kanının saflaştırılması (temizlenmesi) için diyaliz (yapay böbrek),

2) İçme suyu üretmek için tuzlu sulardan suyun arıtılması olan elektrodiyaliz,

3) Deniz suyunun desalinasyonu için ters osmoz,

4) Peynir, kazein, peynir altı suyu ve sütten büyük protein moleküllerinin konsantre edilmesi için ultrafiltrasyon,

5) Eczacılık ve medikal ürünlerin, bira, şarap ve meşrubatların sterilizasyonu için mikrofiltrasyon (Link2).

Çeşitli polimer membran maddeleri
Silikon Polipropilen Polifuran
Polisüfon Selüloz asetat Hidrofilik poliolefinler
Polikarbonat Selüloz nitrat Polialkilsülfon
Polivinilidendiflorid Polieterimid Sülfolanmış polistiren
Poliakrilonitril Akrilikler Polimetilmetaakriilat
Naylon 6 Karbon Polivinilklorid
Naylon 6,6 Sülfolanmış polisülfon Polieteramid
Aromatik poliamid Polistiren Polieterüre
Alümina Zirkonya Paslanmaz çelik

Çizelge (3.1.) Membran yapımında kullanılan çeşitli maddeler (Mehmet Kitiş v.d., 2009).

Çizelge (3.1.)’de membran yapımında kullanılan çeşitli maddeler verilmiştir

Membran Proseslerin Avantajları

Membran proseslerinin genel olarak avantajları;

Membran proseslerin avantajları arasında başlıca;

  1. Kesiksiz ve otomatik işletme sağlayan sürekli prosesler olmaları,
  2. Sıcaklık değişiminden etkilenmemeleri,
  3. Az enerji kullanımı,
  4. Belirli bir boyut sınırlandırması olmaması,
  5. Modüler olarak tasarımının yapılabilmesi,
  6. Kirleticinin formu ve kimyası üzerinde etki yapmaması,
  7. Kimyasal katkı ihtiyacının olmaması,
  8. Fazla yer ihtiyacına gerek duyulmaması,
  9. Çok yüksek konsantrasyonlar da uygulanabilmesi,
  10. Gerektiğinde taşınabilir olması,
  11. Herhangi bir inşaat gerektirmemesi
  12. Maliyetinin gün geçtikçe daha da aşağılara çekilebilir olması (Link3).

Membran Proses Fazları

Membran prosesler de, üç faz vardır. Bunlar;

  • Besleme,
  • Süzüntü
  • Konsantre akımlarıdır.

Arıtma işlemi, I. fazdaki bir bileşenin, membran tarafından belli bir oranda tutulması esasına dayanmaktadır. Membran da akım ise iki kısma ayrılmaktadır. Membrandan geçen akım süzüntü, geçemeyen akım ise konsantre akımı olarak adlandırılmaktadır (Link4).

Membranların Sınıflandırılması ve Kullanılan Malzemeler

Membranlarda sınıflandırma genel olarak; membranın geometrisine, morfolojisine ve kimyasal yapısına göre yapılabilir.

Membran ayırma prosesleri genel olarak;

– Mikrofiltrasyon (MF),  Basınç Farkı,

– Ultrafiltrasyon (UF),  Basınç Farkı,

– Nanofiltrasyon (NF),  Basınç Farkı,

– Ters osmos (RO),  Basınç Farkı,

–  Elektrodiyaliz (ED),  İyon Elektriksel Potansiyel Farkı,

–  Elektroosmoz, İyon Elektriksel Potansiyel Farkı,

– Pervaporasyondur, Buhar Biçiminde Sudan Ayırma,

– Vapor Permeasyon,  Uçucu Organikleri Buhar Fazında Ayırma,

– Gaz Permasyon, Doğal gaz karışımlarını ayırma,