Absorpsiyon

Absorpsiyon (emilim), bir maddenin (absorbat) başka bir maddenin (absorban) iç yapısına nüfuz ederek onun hacmi boyunca dağıldığı fiziksel veya kimyasal süreçtir. Bu süreçte absorbat, absorbanın yüzeyinde değil, iç gözenekleri veya moleküler yapısı içinde tutulur. Su arıtma bağlamında absorpsiyon, genellikle çözünmüş organik maddelerin, renk, koku, tat veren bileşenlerin veya belirli iyonların katı bir absorban malzeme tarafından iç yapısına alınması anlamına gelir.

Ayrıntılı Açıklama

Absorpsiyon, adsorpsiyondan (yüzeyde tutunma) temel olarak ayrılır. Adsorpsiyonda moleküller yalnızca absorbanın dış yüzeyinde birikirken, absorpsiyonda moleküller absorbanın iç gözeneklerine diffüzyon yoluyla girer ve hacimsel olarak dağılır. Bu süreç, fiziksel (van der Waals kuvvetleri) veya kimyasal (kovalent bağ oluşumu) olabilir.

Su arıtma uygulamalarında en yaygın absorban aktif karbondur (activated carbon). Aktif karbon, yüksek iç yüzey alanına sahip gözenekli bir yapıya sahiptir (genellikle 500-1500 m²/g). Gözenekler makro (>50 nm), mezo (2-50 nm) ve mikro (<2 nm) olmak üzere sınıflandırılır. Mikro gözenekler özellikle küçük moleküllü organik bileşikleri (örneğin klorlu solventler, pestisitler) absorbe ederken, mezo ve makro gözenekler daha büyük moleküllere geçiş yolu sağlar.

Absorpsiyon kinetiği genellikle şu aşamalardan oluşur:

Film diffüzyonu: Absorbatın absorban taneciği etrafındaki sıvı filminden geçmesi.
Gözenek diffüzyonu: Absorbatın gözenekler içinde iç bölgelere ilerlemesi.
Yüzey etkileşimi: Absorban iç yüzeyinde fiziksel veya kimyasal bağlanma.

Absorpsiyon kapasitesi, Freundlich veya Langmuir izoterm modelleriyle tanımlanır. Langmuir izotermi tek katman absorpsiyonu varsayar:

$$ q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e} $$

Burada:
q_e: Denge absorpsiyon kapasitesi (mg/g)
q_m: Maksimum kapasite
K_L: Langmuir sabiti
C_e: Denge konsantrasyonu

Freundlich izotermi ise çok katmanlı ve heterojen yüzeyler için kullanılır:

$$ q_e = K_F C_e^{1/n} $$

Uygulamalar

Absorpsiyon, su ve atıksu arıtma süreçlerinde geniş kullanım alanına sahiptir:

İçme suyu arıtımında organik madde (NOM – Natural Organic Matter), renk, koku ve tat giderimi.
Klor, kloramin ve organik klor bileşikleri (THM öncülleri) giderimi.
Endüstriyel atıksu arıtımında fenol, pestisit, boya maddeleri ve ağır metal kompleksleri giderimi.
Ters ozmoz ve ultrafiltrasyon öncesi ön arıtma (membran kirlenmesini azaltmak için).
Granüler aktif karbon (GAK) veya toz aktif karbon (TAK) filtre yataklarında sürekli veya batch işlem.
Ev tipi sürahi filtreler ve point-of-use (POU) sistemlerde karbon blok kullanımı.

Avantajlar ve Dezavantajlar

Avantajlar

Çok çeşitli organik kontaminantı etkili şekilde giderir.
Seçici absorpsiyon ile hedef bileşikleri öncelikli tutar.
Kimyasal eklemeden çalışır, yan ürün oluşumu minimumdur.
Yüksek iç yüzey alanı sayesinde uzun ömürlü kapasite.
Geri kazanım (rejenerasyon) bazı durumlarda mümkündür (termal veya kimyasal).

Dezavantajlar

Doygunluğa ulaştığında değiştirilmesi veya rejenerasyonu gerekir (maliyetli).
Bakteri üremesine açık olabilir (biyolojik aktif karbon oluşumu).
Yüksek humik madde varlığında hızlı tıkanma ve kapasite kaybı.
İnorganik iyonları (nitrat, arsenik vb.) genellikle zayıf absorbe eder.
pH, sıcaklık ve rekabet eden maddelerden etkilenir.
Rejenerasyon sırasında enerji tüketimi ve atık oluşumu.

İlgili Standartlar ve Ölçüm

Aktif karbon performansı iodine number (iyot sayısı), molasses number, BET yüzey alanı ve CTC (karbon tetraklorür) aktivitesi gibi parametrelerle değerlendirilir. Su arıtma tesislerinde absorpsiyon verimliliği genellikle TOC (Toplam Organik Karbon), UV₂₅₄ absorbansı veya spesifik bileşen analizleriyle izlenir.