Deniz Suyu Ters Ozmoz Sisteminde Kullanılan Pompalar

1. Dünyadaki Kullanılabilir Su Kaynakları
Şekil 1. Dünyadaki su kaynaklarının sınıflandırılmasıBüyütmek için resme tıklayınNüfus artışı, şehirleşme, küresel ısınma ve sanayileşme gibi faktörler, mevcut su kaynakları üzerinde giderek artan bir baskı oluşturmaktadır. Bu durum, özellikle içme ve kullanma suyu temininde önemli sorunların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Su kaynaklarının azalması, bu kaynakların sürdürülebilir yönetimini ve korunmasını bir zorunluluk haline getirmiştir. Güncel projeksiyonlar, gelecek yıllarda su kıtlığının daha da derinleşeceğini ortaya koymaktadır. Bu bağlamda, su kaynaklarının sürdürülebilir bir şekilde yönetilmesi kadar, alternatif su üretim yöntemlerinin geliştirilmesi de kritik bir öneme sahiptir.
Deniz suyu arıtımı, yağmur suyu hasadı ve atık suyun geri kazanımı gibi yenilikçi yöntemler, su kıtlığıyla mücadelede etkili stratejiler arasında yer almaktadır. Dünya yüzeyinin büyük bir bölümü suyla kaplı olmasına rağmen, içme ve kullanıma uygun tatlı su kaynakları oldukça sınırlıdır. Dünya üzerindeki toplam su rezervinin yalnızca %2,5’i tatlı sudan oluşmakta, bunun da sadece %0,3’ü doğal çevre ve insan kullanımı için erişilebilir durumdadır. Bu gerçeklik, su kaynaklarının korunması ve sürdürülebilir yönetimi konusunun önemini açıkça ortaya koymaktadır.

1.1 Tatlı Su Kaynaklarının Azalması
Tatlı su kaynakları, çeşitli çevresel ve insan kaynaklı faktörlerin etkisiyle hızlı bir şekilde azalmaktadır. Bu durum, küresel ölçekte su güvenliğini tehlikeye atan başlıca nedenlerden bazılarıyla ilişkilidir:
• Kuraklık ve İklim Değişikliği: Küresel iklim değişikliği, hidrolojik döngü üzerinde olumsuz etkiler yaratarak kuraklık olaylarının sıklığını ve şiddetini artırmaktadır. Bunun yanı sıra, aşırı hava olaylarının meydana gelme olasılığını da yükseltmektedir.
• Sanayileşme ve Kirlilik: Sanayi faaliyetleri ve tarımsal üretimde yoğun şekilde kullanılan kimyasallar, tatlı su kaynaklarının kalitesini olumsuz yönde etkilemekte ve su ekosistemlerinde ciddi bozulmalara neden olmaktadır.
• Artan Nüfus ve Şehirleşme: Hızla artan nüfus ve plansız şehirleşme, tatlı su kaynaklarına olan talebi önemli ölçüde artırmakta ve bu kaynaklar üzerindeki baskıyı daha da yoğunlaştırmaktadır.

2. Deniz Suyu Arıtımı ve Ters Osmoz Teknolojisi
Deniz suyu arıtımı, su kaynaklarının yetersiz olduğu bölgelerde su kıtlığına karşı etkili bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, ters osmoz (reverse osmosis) teknolojisi, deniz suyundan içme ve kullanma suyu elde etmek amacıyla en yaygın kullanılan yöntemlerden biri olarak kabul edilmektedir. Ters osmoz işlemi, yüksek basınç altında deniz suyunun yarı geçirgen bir membran filtreden geçirilerek tuz ve diğer safsızlıkların uzaklaştırılmasını sağlar.
Dünya yüzeyindeki suyun yaklaşık %97'sini oluşturan deniz suyunun fiziksel özellikleri; sıcaklık, tuzluluk ve atmosferik basınç gibi çevresel faktörlere bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Deniz suyunun karakteristik özellikleri, özellikle derinlik arttıkça değişen hidrostatik basınç ile doğrudan ilişkilidir. Sıcaklık, deniz suyunun çözünürlük kapasitesini belirleyen temel bir parametredir ve bu durum, mineraller ile diğer çözünmüş elementlerin çözünme oranlarını ve miktarlarını doğrudan etkilemektedir.
Deniz suyunun tuzluluk oranı, kayaçların sıcaklık farkları, kimyasal süreçler ve diğer fiziksel faktörlerin etkisiyle minerallerin çözünmesi sonucu oluşmaktadır. Açık denizlerde tuzluluk oranı genellikle %3,3 ile %3,7 arasında değişmekle birlikte, bu oran derinlik, iklimsel ve bölgesel koşullara bağlı olarak %2,8 ile %4,0 arasında değişkenlik gösterebilir. Genel olarak, deniz suyunun ortalama tuzluluk oranı %3,5 olarak kabul edilmektedir.

2.1 Deniz Suyundaki Tuz Mineralleri
Deniz suyunun kimyasal bileşimi ve tuzluluğu, çeşitli çözünmüş tuz minerallerinin varlığına bağlıdır. Bu mineraller arasında şunlar yer almaktadır:
• Klorür (Cl⁻)
• Sülfat (SO₄²⁻)
• Bikarbonat (HCO₃⁻)
• Bromür (Br⁻)
• Borat (H₂BO₃⁻)
• Florür (F⁻)
• Sodyum (Na⁺)
• Magnezyum (Mg²⁺)
• Kalsiyum (Ca²⁺)
• Potasyum (K⁺)
• Stronsiyum (Sr²⁺)
Şekil 2.2 Osmoz ve Ters Osmoz Sürecinin Şematik GösterimiBüyütmek için resme tıklayınBu mineraller, deniz suyunun kimyasal özelliklerini belirleyerek tuzluluğuna katkıda bulunmaktadır. Her bir mineralin tuzluluğa etkisi, bölgesel ve çevresel faktörlere bağlı olarak farklılık gösterebilir.
2.2 Osmoz
Osmoz, düşük yoğunluklu bir sıvının yarı geçirgen bir membran aracılığıyla daha yüksek yoğunluklu bir sıvıya doğru hareket ederek, yoğunluk farkını azaltması sürecidir. Bu işlem, iki sıvı arasındaki osmotik basınç dengelenene kadar doğal olarak devam eder. Osmoz, biyolojik sistemlerde su dengesini sağlamak için temel bir mekanizma olarak işlev görmektedir.
2.2.A Ters Osmoz
Ters osmoz, doğal osmoz sürecinin tersine çevrilmesi ile gerçekleşir. Bu yöntemde, yüksek yoğunluklu sıvıya osmotik basıncı aşan bir dış basınç uygulanır. Bu basınç, suyun ters yönde hareket ederek membran aracılığıyla saflaştırılmasını sağlar. Membranın bir tarafında mineraller, tuzlar ve diğer çözünmüş maddeler tutulurken, diğer tarafta düşük yoğunlukta saflaştırılmış su elde edilir.
Ters osmoz, deniz suyunun içme suyu veya kullanma suyu olarak arıtılmasında yaygın olarak kullanılan etkili bir teknolojidir. Bu yöntem, özellikle su kıtlığının ciddi boyutlara ulaştığı bölgelerde sürdürülebilir bir çözüm sunmaktadır.

3. Grundfos Deniz Suyu Pompaları ve SWRO Geri Kazanım Sistemleri
Deniz suyu arıtma sistemlerinde kullanılan pompalar, deniz suyunun aşındırıcı etkilerine dayanıklı özel malzemelerden üretilmektedir. Grundfos tarafından geliştirilen pompalar, deniz suyu ters osmoz (SWRO - Seawater Reverse Osmosis) sistemlerinde yaygın olarak kullanılmakta ve bu sistemlerde üstün performans sergilemektedir.
Grundfos’un deniz suyu ters osmoz sistemlerinde kullanılan BMSX serisi pompalarında, deniz suyuna karşı yüksek dayanıklılık sağlayan PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) değeri 34-40 arasında olan 904L paslanmaz çelik ve süper dubleks paslanmaz çelik gibi malzemeler tercih edilmektedir. Bu malzemeler, yüksek korozyon direnci ve uzun hizmet ömrü sunarak, sistem güvenilirliğini artırmaktadır.

Şekil 3.1 Grundfos SWRO Pompa TarihçesiBüyütmek için resme tıklayınSWRO sistemlerinde kullanılan Grundfos pompaları, şu temel avantajlarıyla öne çıkmaktadır:
• Yüksek Verimlilik: Enerji tasarrufu sağlayarak sistemin işletme maliyetlerini azaltır.
• Korozyon Direnci: Aşındırıcı deniz suyu ortamına karşı uzun süreli dayanıklılık sunar.
• Zarif Tasarım: Kompakt ve optimize edilmiş tasarımıyla yerden tasarruf sağlar.
• Düşük Gürültü Seviyesi: Sistemlerin çevresel etkisini azaltır.
• Kolay Bakım: Düşük bakım gereksinimi sayesinde işletme kolaylığı sağlar.
Grundfos’un SWRO sistemlerinde kullanılan pompaları, sistemin kapasitesine göre değişkenlik göstermektedir. Bu pompalar arasında:
• Yüksek Basınç Pompaları (BMhs): Ters osmoz işlemi için gerekli olan yüksek basıncı sağlar.
• Booster Pompaları (BMhp): Sistemdeki akışın artırılmasını ve stabilizasyonunu destekler.3.1. Yüksek Basınç Pompası BMS hs ve Booster Pompası BM hp Özellikleri Büyütmek için resme tıklayın
• Basınç Değiştiriciler (Pressure Exchanger - PX): Enerji geri kazanım sistemleriyle entegre çalışarak %50 ve üzeri enerji tasarrufu sağlar.
Grundfos’un BMSX serisi pompaları, basınç değiştirici sistemlerle tam uyum içinde çalışarak, deniz suyu geri kazanımlı ters osmoz sistemlerinde optimize edilmiş performans sunmaktadır. Bu özellikleriyle BMSX serisi, sürdürülebilir su yönetimi için yenilikçi ve yüksek verimli bir çözüm olarak dikkat çekmektedir.

İşte metnin daha akademik bir üslupla düzenlenmiş hali:

3.2. BMS hs Pompaları ve Motorları
Şekil 3.2 AC ve PM Motor ÖzellikleriBüyütmek için resme tıklayınDeniz suyu arıtma sistemlerinde kullanılan yüksek basınç pompaları, deniz suyunu yüksek basınç altında ters osmoz (RO) membranlarına ileterek, suyun arıtılmasını sağlayan kritik bir bileşendir. Bu pompalar, gerekli basıncı sağlayarak su moleküllerinin yarı geçirgen membranlardan geçişini mümkün kılarken, tuz ve diğer safsızlıkların membranda tutulmasını sağlar.
Grundfos’un BMS hs serisi yüksek basınç pompaları, sistem performansını optimize edecek şekilde tasarlanmıştır. Bu pompalar, yüksek verimlilik ve dayanıklılık sunan farklı motor seçenekleriyle uyumlu çalışmaktadır. Standart olarak Siemens AC motorları ile donatılmış olmakla birlikte, talep edilmesi durumunda IE5 verimlilik sınıfına sahip sürekli mıknatıslı (PM - Permanent Magnet) motorlar da kullanılabilmektedir.
IE5 sınıfı PM motorlar, endüstrideki en yüksek enerji verimlilik standartlarını karşılamakta olup, enerji tüketimini azaltarak işletme maliyetlerini düşürmektedir. Ayrıca, bu motorlar, daha düşük enerji kayıpları ve daha yüksek performans sunarak sürdürülebilir su yönetimine önemli katkılar sağlamaktadır.
BMS hs serisi pompalar, deniz suyu arıtma sistemlerinin temel gereksinimlerine yanıt veren yenilikçi bir çözüm sunmakta ve yüksek performansı ile sistem güvenilirliğini artırmaktadır.

3.3. Booster Pompası (BMS hp) ve Motorları
Şekil 3.3 BMS hp Motor ÇeşitleriBüyütmek için resme tıklayınBooster pompaları, deniz suyu arıtma sistemlerinde, suyun basıncını artırarak yüksek basınç pompalarına destek sağlayan kritik bileşenlerdir. Bu pompalar, suyun ters osmoz (RO) membranlarına yeterli basınçla iletilmesini mümkün kılarak, yüksek basınç pompalarının üzerindeki yükü azaltır. Böylelikle, sistemin genel enerji verimliliği artırılırken aynı zamanda yüksek basınç pompalarının ömrü uzatılır.
Grundfos’un BMS hp serisi booster pompaları, farklı uygulama gereksinimlerine uygun üç motor alternatifiyle donatılmıştır:
• Grundfos üretimi sürekli mıknatıslı (PM - Permanent Magnet) motorlar (IE5) ve entegre sürücülü MGE motorlar: Bu motorlar, yüksek enerji verimliliği sunarak sistemin enerji tüketimini optimize eder. Entegre sürücü, sistem kontrolünü ve performans optimizasyonunu kolaylaştırır.
• Grundfos üretimi sabit devirli MG motorlar (IE3): Yüksek güvenilirlik ve enerji verimliliği sağlayan bu motorlar, standart uygulamalar için uygun bir çözüm sunmaktadır.
• Siemens üretimi AC motorlar (IE3): Deniz suyu arıtma sistemleri için dayanıklı ve verimli bir alternatif olarak kullanılmaktadır.
Bu motor seçenekleri, enerji verimliliği, performans ve dayanıklılık açısından çeşitli ihtiyaçlara yanıt verecek şekilde tasarlanmıştır. BMS hp serisi pompalar, sistemdeki enerji tüketimini optimize ederken, operasyonel maliyetleri düşürmek ve su arıtma süreçlerinin sürdürülebilirliğini artırmak için etkili bir çözüm sunmaktadır.

3.4. Basınç Değiştirici (PX)
Şekil 3.4 Basınç Değiştirici (PX) Çalişma PrensibiBüyütmek için resme tıklayınBasınç değiştiriciler, yüksek basınçlı bir akışkanın basınç enerjisini, düşük basınçlı bir akışkana aktaran, enerji geri kazanımını sağlayan cihazlardır. Birçok endüstriyel süreç, yüksek basınçlarla çalışmakta ve bu tür işlemler, yüksek basınçlı atık akışlarına sahiptir. Yüksek basınçlı sıvıların işlenmesinde, atık basıncının verimli bir şekilde kullanılabilmesi için, bu basınç enerjisinin düşük basınçlı akışkanlara aktarılması gerekmektedir.
SWRO (Seawater Reverse Osmosis) deniz suyu geri kazanım sistemlerinde, basınç değiştirici (PX) kullanımı, yüksek basınçlı atık akışkanların basınç enerjisinden yararlanarak besleme suyunun basıncını artırmak amacıyla oldukça etkilidir. PX, genellikle 60-70 bar arası yüksek basınca ve 80.000-90.000 ppm tuzluluğa sahip brain atık su içeren akışkanları kullanarak enerji geri kazanımını sağlar. Bu süreç, atık akışkanın basınç enerjisinin düşük basınçlı besleme akışkanına aktarılmasını mümkün kılar ve böylece, besleme suyunun basıncı artırılır.
Bu yöntem, booster pompalarının hem hidrolik hem de motor gücü açısından daha düşük kapasitelerde seçilmesine olanak tanır. Sonuç olarak, PX kullanımı, %50 ila %60 oranında enerji tasarrufu sağlamakta ve sistemin genel verimliliğini artırmaktadır.
Basınç değiştiriciler, enerji verimliliğini maksimize etmek, işletme maliyetlerini düşürmek ve sürdürülebilir su arıtma süreçlerine katkı sağlamak amacıyla kritik bir rol oynamaktadır. Bu teknolojinin entegrasyonu, su geri kazanımı ve enerji optimizasyonu Şekil 3.5 SWRO Enerji Geri Kazanımsız Proje ŞemasıBüyütmek için resme tıklayınkonusunda önemli bir çözüm sunmaktadır.

3.5. SWRO: Enerji Geri Kazanımı Olmayan Bir Örnek Proje

Şekil 3.5’te görüldüğü üzere, söz konusu sistemde geri kazanım mekanizması bulunmamaktadır. Bu nedenle, 68 bar basınca sahip atık su doğrudan deşarj edilmektedir. Atık sudaki basınç enerjisinden yararlanılamadığı için, yüksek basınç pompası daha büyük bir kapasite ile seçilmek zorunda kalınmıştır. Bu durum, sistemin enerji verimliliğini olumsuz yönde etkileyerek, özgül enerji tüketiminin artmasına yol açmaktadır.
Enerji geri kazanımı sağlanmayan bu sistemde, 1 m³ su üretimi için 6,45 kW enerji harcanması gerekmektedir. Yıllık enerji tüketim maliyeti ise 118.000 Euro civarındadır. Bu durum, enerji verimliliğini artırmaya yönelik yapılan iyileştirmelerle daha verimli hale getirilebilecek bir sistemin örneğini teşkil etmektedir.
Enerji geri kazanımı teknolojilerinin kullanılması, enerji tüketimini önemli ölçüde azaltarak, işletme maliyetlerini düşürmekte ve çevresel sürdürülebilirliği artırmaktadır. Bu bağlaŞekil 3.6 SWRO Enerji Geri Kazanımlı Proje ŞemasıBüyütmek için resme tıklayınmda, SWRO sistemlerinde enerji verimliliği sağlayan yenilikçi çözümler, su arıtma süreçlerinde önemli bir rol oynamaktadır.

3.6. SWRO: Enerji Geri Kazanımlı Bir Örnek Proje

Şekil 3.5’te görüldüğü üzere, geri kazanım mekanizması bulunmayan sistemlerde özgül enerji tüketimi, metreküp başına 6,45 kWh seviyesindeyken, enerji geri kazanım sistemlerine sahip uygulamalarda bu değer 3 kWh/m³ seviyelerine kadar düşebilmektedir. Bu durum, enerji tüketiminde %50'den fazla tasarruf sağlanmasına olanak tanımaktadır.
Atık brine akışının basınç enerjisinin geri kazanılması, geri kazanımlı sistemlerin yatırım maliyetlerini bir yılın altına düşürerek, sistemin ekonomik verimliliğini önemli ölçüde artırmaktadır. Bu mekanizma sayesinde, sistemde kullanılan enerji miktarının azalmasıyla birlikte, yıllık enerji tüketim maliyeti de 55.000 Euro seviyelerine gerilemektedir.
Enerji geri kazanımı teknolojileri, yalnızca enerji verimliliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda işletme maliyetlerini düşürerek daha sürdürülebilir bir su arıtma süreci sunar. Bu tür sistemler, yüksek verimli operasyonları ve düşük işletme giderleriyle ekonomik açıdan cazip çözümler sunmaktadır.

4. Deniz Suyu Ters Ozmoz (SWRO) Sistemlerinin Avantajları
4.1. Su Kıtlığına Çözüm
Güvenilir Su Kaynağı: SWRO sistemleri, deniz suyunu içme suyu kalitesinde temiz suya dönüştürerek, su kıtlığı çeken bölgelerde güvenilir bir su kaynağı sağlamaktadır. Bu sistemler, özellikle içme suyu temininde sürdürülebilir çözümler sunarak, su kaynaklarının yetersiz olduğu yerlerde kritik bir rol oynamaktadır.
Endüstriyel ve Tarımsal Kullanım: SWRO sistemleri, yalnızca içme suyu değil, aynı zamanda endüstriyel süreçler ve tarımsal sulama gibi çeşitli uygulamalar için de uygun temiz su sağlar. Bu durum, tarım ve sanayi sektörlerinde su temini ile ilgili karşılaşılan zorlukları hafifletmektedir.
4.2. Çevresel ve Ekonomik Avantajlar
Sürdürülebilirlik: Deniz suyu, neredeyse tükenmeyen bir kaynaktır. SWRO sistemleri, tatlı su kaynaklarına olan bağımlılığı azaltarak, sürdürülebilir su teminini mümkün kılmaktadır. Bu, suyun yenilenebilir ve uzun vadeli kullanımı açısından çevresel dengeyi korur.
Enerji Verimliliği: Modern SWRO sistemleri, enerji geri kazanım teknolojileri ile donatılmış olup, bu sayede enerji maliyetlerini düşürmektedir. Bu teknolojiler, enerji verimliliğini artırarak sistemin operasyonel verimliliğini iyileştirir.
4.3. Teknolojik Gelişmeler
Yüksek Verimli Membranlar: Yeni nesil membranlar, daha yüksek verimlilik ve daha düşük enerji tüketimi sağlamakta, bu da SWRO sistemlerinin performansını önemli ölçüde artırmaktadır. Membran teknolojisindeki bu gelişmeler, su arıtma süreçlerinin hızını ve verimliliğini artırmaktadır.
Enerji Geri Kazanım Sistemleri: Enerji geri kazanım sistemleri, SWRO uygulamalarında kullanılan en önemli yeniliklerden biridir. Bu sistemler, enerji tüketimini önemli ölçüde azaltarak işletme maliyetlerini düşürmekte ve çevresel etkiyi minimuma indirmektedir.
4.4. Kalite ve Güvenlik
Yüksek Kaliteli Su: SWRO sistemleri, suyu yüksek kalite standartlarına göre arıtarak güvenli içme suyu üretmektedir. Bu, özellikle sağlık ve güvenlik açısından büyük bir avantaj sağlamaktadır. Sistemler, tuz ve kirleticilerden arındırılmış su üreterek, içme suyu kalitesini garanti etmektedir.
Esneklik: SWRO sistemleri, farklı ölçeklerde ve ihtiyaçlara göre özelleştirilebilir. Bu esneklik, sistemlerin çeşitli uygulamalarda kullanılabilirliğini artırmakta ve farklı coğrafi ve endüstriyel koşullara uyum sağlamakta fayda sağlamaktadır.

KAYNAKLAR:
1. Demir, A. (Çev.) (2023). Grundfos Pumps in Water Treatment
2. Copilot AI.
3. Grundfos. (2004). Grundfos Industry Pump Handbook.
4. Grundfos. (2024). GPC (Grundfos Product Center) Pompa Seçimi. Erişim adresi: https://www.grundfos.com/tr
5. Bıyıklı, Y. E. (2017). Ters Osmoz Yöntemi ile Deniz Suyundan İçme-Kullanma Suyu Teminin Teknik ve Ekonomik Olarak Değerlendirilmesi: Avşa Örneği.

Ahmet Demir
Makine Yük.Mühendisi GRUNDFOS Pompa San. ve Tic. Ltd. Şti.