Membran

Membran, bir sıvı akışındaki maddeleri, boyut, yük veya diğer özelliklere dayalı olarak seçici taşıma yoluyla ayıran, tipik olarak basınç veya konsantrasyon gradyanı gibi bir itici güç altında çalışan yarı geçirgen ince bir malzeme tabakasıdır.^[1]

Membran teknolojisinde, bu bariyerler, verimli ayırma süreçlerini sağlamak için polimerler, seramikler veya kompozitler gibi malzemelerden tasarlanır. Su arıtma, tuzdan arındırma (desalinasyon), gaz işleme ve endüstriyel ayırmalar dahil olmak üzere uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar ve geleneksel yöntemlere göre enerji verimliliği ve modülerlik avantajları sunarlar.^[2]

Temeller

Tanım ve Temel İlkeler

Membran, belirli türlerin bir sıvıdan diğerine geçişine izin verirken diğerlerini boyut, yük veya çözünürlük farklarına dayanarak tutan ince, seçici bir bariyerdir.^[3]^[4] Bu seçicilik, bir karışımdaki bileşenlerin fiziksel veya kimyasal özelliklerinden yararlanarak ayırma işlemlerini mümkün kılar; membran, uygulanan itici güçlere yanıt veren yarı geçirgen bir arayüz görevi görür.^[5]

Sentetik membranların tarihsel gelişimi, özellikle tuzdan arındırma uygulamaları için 20. yüzyılın ortalarında hızlanmıştır. 1959-1960 yıllarında Sidney Loeb ve Srinivasa Sourirajan, UCLA’da asimetrik selüloz asetat membranlara öncülük etti; bu membranlar, ters ozmozda akıyı ve tuz reddini artıran gözenekli bir alt yapı üzerinde ince, yoğun bir deri tabakasına sahipti.^[6]^[7] 1950’lerde selüloz asetat filmlerle yapılan önceki çalışmalara dayanan bu atılım, büyük ölçekli su arıtma için ilk uygulanabilir sentetik membranları işaret etti ve modern membran teknolojisinin temelini attı.^[8]

Membran operasyonunun temel ilkeleri, türlerin seçici taşınmasını yönlendiren bariyer üzerindeki kimyasal potansiyel gradyanlarına dayanır. Bu gradyanlar, basınç tahrikli süreçlerde (örneğin, filtrasyon) basınç farklarından, difüzyon bazlı ayırmalarda konsantrasyon farklarından veya ozmotik süreçlerde kimyasal potansiyel eşitsizliklerinden kaynaklanır.^[9]^[10] Gözenekli membranlardan akış için hacimsel akı J, Darcy yasasını izler ve şu şekilde ifade edilir:

$$J = \frac{\Delta P}{\mu} \cdot \frac{k}{L}$$

Burada ΔP membran üzerindeki basınç düşüşü, μ sıvı viskozitesi, k gözenekli yapının geçirgenlik katsayısı ve L membran kalınlığıdır.^[11]

Membranlar, ayırma mekanizmasını belirleyen gözenek boyutuna göre kategorize edilir. Mikro gözenekli membranlar, 0,1 ila 10 μm arasında değişen gözenek çaplarına sahiptir ve daha büyük partiküllerin elenmesini sağlar. Mezo gözenekli membranlar, 2 ila 50 nm gözeneklere sahiptir ve makromoleküller gibi daha ince ayırmalar için uygundur. Ayrık gözenekleri olmayan gözeneksiz membranlar, türlerin yoğun polimer matrisi içinde çözündüğü ve yayıldığı bir çözelti-difüzyon mekanizmasına dayanır.^[8]

Malzeme Bileşimi ve Üretimi

Membranlar, filtrasyon uygulamalarında özgül geçirgenlikleri, seçicilikleri ve dayanıklılıkları için seçilen polimerler, seramikler ve kompozit malzemelerden üretilir. Polimerik membranlar, hidrofilikliği ve klor direnci nedeniyle ters ozmoz (RO) için selüloz asetat; RO ve nanofiltrasyon (NF) için %90’ı aşan yüksek çözünen madde reddi oranları sunan ince film kompozitlerde aktif katman olarak poliamid; ve 1-13 pH aralığında sağlam kimyasal kararlılık sağlayan ultrafiltrasyon (UF) için polisülfon gibi malzemeleri yaygın olarak kullanır.^[12] Alümina ve zirkonya gibi seramikler, 1500°C’ye kadar termal kararlılık gösteren alümina ve gelişmiş tokluk sunan zirkonya ile yüksek sıcaklık operasyonları ve zorlu ortamlar için tercih edilir.^[13] İnce film kompozitler gibi kompozit membranlar, gözenekli bir destek (örneğin, polisülfon) üzerine ince bir polimerik seçici tabaka (örneğin, poliamid) entegre ederek, polimerlerin seçiciliğini seramiklerin mekanik desteğiyle veya genel performansı iyileştirmek için ek katmanlarla birleştirir.^[14]

Bu membranlar için üretim teknikleri, istenen asimetrik veya simetrik yapıları elde etmek için malzeme türüne göre değişir. Polimerik membranlar için, faz inversiyonu yaygın olarak kullanılır; bu, bir polimer hamurunun döküldüğü ve gözenekli bir alt yapı üzerinde yoğun bir deri tabakası oluşturmak için çözücü olmayan bir banyoya daldırıldığı çözücü olmayan kaynaklı faz ayrımı (ıslak yöntem) ve daldırmadan önce çözücü buharlaşmasını içeren kuru faz inversiyonunu içerir. 120 saniyeyi aşan çözücü buharlaşma süresi gibi işlem parametreleri, deri tabakasını yoğunlaştırarak ve mikro boşlukları azaltarak gözenek boyutunu etkiler. Arayüzey polimerizasyonu, sulu aminleri (örneğin, m-fenilendiamin) bir destek üzerinde organik asil klorürlerle reaksiyona sokarak ince film kompozitleri üretir ve ultra ince seçici katmanlar (50-200 nm) sağlar. Seramik membranlar, inorganik tozların (örneğin, alümina) sıkıştırıldığı ve partikülleri gözenekli bir ağa kaynaştırmak için 1000-1500°C’ye ısıtıldığı sinterleme yoluyla veya polikarbonat gibi polimerler için iz aşındırma (track-etching) yoluyla üretilir; bu, latent izler oluşturmak için iyon bombardımanını ve ardından tek tip nanogözenekler için kimyasal aşındırmayı içerir.^[15]^[14]^[16]

Yüzey modifikasyonları, özellikle artan hidrofiliklik yoluyla kirlenmeyi azaltmak için membran özelliklerini geliştirir. Polietilen glikolün (PEG) plazma veya UV başlatma yoluyla polimerik yüzeylere aşılanması, su temas açısını düşürerek ve ıslanabilirliği iyileştirerek protein adsorpsiyonunu ve biyokirlenmeyi azaltır. Bu modifikasyonlar, polisülfon bazlı polimerler için 1 GPa’yı aşan çekme modülü gibi temel mekanik özellikleri koruyarak basınç altında yapısal bütünlüğü sağlar. Seramikler, 1500°C’ye kadar kararlı alümina gibi malzemelerle üstün termal kararlılık gösterir ve modül tasarımına bağlı olarak bozulma olmadan 350-500°C’ye kadar yüksek sıcaklık filtrasyonlarında çalışmaya izin verir.^[17]^[18]^[13]

2010 sonrası gelişmeler, seçiciliği ve geçirgenliği artırmak için grafen oksit (GO) gibi nanomalzemeleri polimerik matrislere dahil etmiş, GO katmanları NF ve RO membranlarında hassas moleküler eleme sağlamıştır. Karışık matrisli kompozitlerde zeolit entegrasyonu, tuzdan arındırmada %95’in üzerinde tuz giderimi sağlayan zeolit gömülü poliimid membranlarda görüldüğü gibi, tek tip nanogözenekler sağlayarak iyon reddini artırır. 2025 yılında, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, elektriksel olarak iletken ters ozmoz membranları geliştirerek tuz ayrımını iyileştirmiş ve tuzdan arındırma işlemlerinde enerji tüketimini azaltmıştır.^[19]^[20]^[21] Bu gelişmeler, akı ve kirlenme direncindeki geleneksel sınırlamaları ele alırken dayanıklılık ve verimliliğe öncelik vermektedir.

Membran Süreçlerinin Sınıflandırılması

Mikrofiltrasyon

Mikrofiltrasyon, asılı partikülleri sıvılardan öncelikle mekanik bir eleme mekanizmasıyla uzaklaştırmak için gözenekli membranlar kullanan basınç tahrikli bir membran ayırma işlemidir. Membranlar tipik olarak 0,1 ila 10 μm arasında değişen gözenek boyutlarına sahiptir; bu, bakteriler, kolloidler ve askıda katı maddeler gibi daha büyük kirleticileri etkili bir şekilde tutarken, daha küçük partiküllerin ve çözünmüş maddelerin süzüntü (permeat) olarak geçmesine izin verir.^[22]^[23] Bu boyut dışlama süreci ayırmaya hakimdir ve onu adsorpsiyon veya yük etkileri gibi ek etkileşimler içerebilen diğer membran tekniklerinden ayırır.^[23]

Mikrofiltrasyonun çalışması, tipik olarak 0,1 ile 2 bar arasındaki düşük transmembran basınçlarında (TMP) gerçekleşir; bu da onu enerji açısından verimli kılar ve yüksek basıncın istenmediği uygulamalar için uygun hale getirir. Birim membran alanı başına saatteki süzüntü hacmi olarak tanımlanan akı oranları, besleme bileşimi, membran malzemesi ve çapraz akış hızı gibi faktörlere bağlı olarak genellikle 100 ila 1000 L/m²saat arasında değişir; bu oranlar, büyük gözenek boyutları nedeniyle ozmotik basınçlar ihmal edilebilir olduğundan, pompalamadan kaynaklanan aşırı enerji girdisi olmadan yüksek verimi destekler.^[24]^[25]^[26]

Mikrofiltrasyonun temel uygulamaları arasında şarap ve bira gibi içeceklerin berraklaştırılması (burada maya, pus oluşturan partiküller ve mikroorganizmaları gidererek ısıl işlem olmadan ürün stabilitesi sağlanır) ve su arıtma sistemlerinde ultrafiltrasyon veya ters ozmoz gibi daha seçici süreçler için bir ön arıtma adımı olarak kullanılması yer alır.^[23] Tarihsel olarak mikrofiltrasyon, 1970’lerde büyük ölçekli atık su arıtımı için ticari ilgi görmüş, kirlenmeyi azaltan çapraz akış konfigürasyonlarını mümkün kılmış ve katı madde giderimi için endüstriyel benimsemeyi desteklemiştir.^[27]

Avantajlarına rağmen, mikrofiltrasyonun sınırlamaları vardır; bunlar arasında çözünmüş çözünen maddeleri, küçük iyonları veya gözenek boyutundan daha küçük virüsleri tutamaması yer alır, bu da kapsamlı arıtma için sonraki işlemleri gerektirir. Enerji tüketimi, ozmotik engelleri aşmaktan ziyade çapraz akışı ve TMP’yi sürdürmek için pompalama ile ilişkilidir, ancak kirlenme yönetilmezse işletme maliyetlerini artırabilir.^[28] Ultrafiltrasyon ile karşılaştırıldığında, mikrofiltrasyon 0,1 μm’nin üzerindeki daha kaba ayrımları hedefler ve makromoleküllerin daha az rafine bir şekilde reddedilmesini sağlar.^[23]

Ultrafiltrasyon

Ultrafiltrasyon (UF), makromolekülleri, ince kolloidleri, proteinleri, virüsleri ve emülsiyonları tutarken daha küçük çözünenlerin ve suyun süzüntü (permeat) olarak geçmesine izin vererek çözeltileri etkili bir şekilde konsantre eden ve saflaştıran basınç tahrikli bir membran ayırma işlemidir.^[29] Süreç, membran gözeneklerinden daha büyük partikülleri dışlayan eleme ve daha küçük türlerin konsantrasyon gradyanları altında membran boyunca taşınmasını etkileyen difüzyonun bir kombinasyonuyla çalışır.^[29] UF membranları tipik olarak 0,001 ila 0,1 μm (1 ila 100 nm) arasında değişen gözenek boyutlarına sahiptir ve moleküler boyutlara dayalı seçici tutulmaya olanak tanır.^[29]

UF membranlarının seçiciliği, bir çözünenin yaklaşık %90 oranında tutulduğu moleküler ağırlığı temsil eden ve standart uygulamalar için tipik olarak 1 ila 1000 kDa arasında değişen moleküler ağırlık sınırı (MWCO) ile karakterize edilir.^[30] Bu, proteinler (örneğin, 10-100 kDa civarındaki küresel proteinler) ve virüsler (20-300 nm boyutunda) gibi biyomoleküllerin ayrılmasına izin verirken, tuzların, şekerlerin ve düşük moleküler ağırlıklı bileşiklerin geçişine izin verir.^[30] Membran performansının temel bir ölçüsü olan ret katsayısı (R) şu şekilde hesaplanır:

$$R = 1 – \frac{C_p}{C_f},$$

Burada Cp süzüntüdeki çözünen madde konsantrasyonu ve Cf beslemedeki konsantrasyondur; 1’e yaklaşan değerler yüksek tutulmayı gösterir.^[31]

UF sistemleri genellikle 1 ila 10 bar arasında değişen transmembran basıncı (TMP) altında çalışır ve besleme özelliklerine, membran malzemesine ve çapraz akış hızına bağlı olarak tipik olarak 50 ila 200 L/m²saat arasında süzüntü akışı sağlar.^[32] Saflaştırmayı artırmak için UF sıklıkla diyafiltrasyon modunda kullanılır; burada geçirgen çözünenleri seyreltmek ve uzaklaştırmak için retentata (tutulan sıvı) tampon eklenir, böylece tutulan türlerde önemli bir kayıp olmadan verimli çözünen madde değişimi sağlanır.^[33]

Süt endüstrisinde UF, 1970’lerden beri peynir altı suyu proteini ayrımı için çok önemlidir; proteinleri tutarken laktoz ve minerallerin geçmesine izin vererek peynir altı suyu protein konsantrelerinin üretimini sağlar ve böylece peynir altı suyunu bir atık akışından değerli bir bileşene dönüştürür.^[34] Biyoteknolojide UF, mikrobiyal veya memeli hücrelerini fermantasyon sularından konsantre ederek hücre hasadını kolaylaştırır ve aşı ve rekombinant protein üretiminde akış aşağı işlemeyi destekler.^[35]

Nanofiltrasyon

Nanofiltrasyon (NF), ultrafiltrasyon ve ters ozmoz arasında bir ara filtrasyon yöntemi olarak hizmet eden, tipik olarak 0,5 ila 2 nm arasında değişen gözenek boyutlarıyla karakterize edilen, basınç tahrikli bir membran işlemidir.^[36] Bu nano ölçekli gözenek yapısı, Ca²⁺ ve SO₄²⁻ gibi çok değerlikli iyonların yanı sıra moleküler ağırlıkları 200 Da’yı aşan organik moleküllerin seçici olarak tutulmasını sağlarken, tek değerlikli iyonların ve daha küçük çözünenlerin kısmi geçişine izin verir.^[37] İşlem, sterik engel (boyuta dayalı eleme yoluyla etkili gözenek yarıçapından daha büyük çözünenleri dışlayan) ve Donnan dışlaması (yüklü membran yüzeyinin zıt yüklü iyonlarla etkileşiminden kaynaklanan elektrostatik itme) içeren hibrit bir mekanizma ile çalışır.^[38]

NF için tipik çalışma koşulları, ters ozmoz için gerekenlerden daha düşük olan 5 ila 20 barlık transmembran basınçlarını (TMP) içerir; bu da enerji tüketiminin azalmasına neden olurken standart koşullar altında 20 ila 50 L/m²saatlik akılar sağlar.^[37] Reddetme oranları bu seçiciliği örnekler: NF membranları tipik olarak MgSO₄ gibi iki değerlikli tuzların %90’ın üzerinde reddedilmesini sağlarken, NaCl gibi tek değerlikli tuzlar için bu oran %50’nin altındadır; bu da onu tam tuzdan arındırma olmadan hedeflenen iyon ayrımı için uygun kılar.^[38]

NF teknolojisi, 1980’lerde kısmi demineralizasyon için pratik bir çözüm olarak ortaya çıktı; FilmTec tarafından endüstriyel kullanım için tanıtılan piperazin bazlı poliamidler gibi arayüzey polimerizasyonundan elde edilen kompozit membranlar erken gelişmeler arasındaydı.^[39] Temel uygulamalar arasında sertliğe neden olan iki değerlikli katyonları ve anyonları gidererek su yumuşatma ve tekstil atık sularından boya giderimi yer alır; burada süreç atık suyu arıtırken değerli renklendiricileri geri kazanır.^[37]

Çoğu ticari NF membranı, katyonlar için Donnan dışlamasını artıran ancak su geçirgenliği ve çözünen madde seçiciliği arasında bir denge (trade-off) getiren negatif yüklü poliamid aktif katmana sahip ince film kompozit yapılardır; daha ince veya daha açık yapılar, reddetme verimliliği pahasına akıyı artırır.^[37] Bu denge, yük yoğunluğunun ve gözenek homojenliğinin optimize edilmesi belirli uygulamalarda özel performansa izin verdiğinden, tasarımda kritiktir.^[40]

Ters Ozmoz

Ters ozmoz (RO), çözünmüş çözünen maddeleri, özellikle iyonları ve tuzları, yarı geçirgen, gözeneksiz bir membran kullanarak bir besleme çözeltisinden ayırarak yüksek saflıkta su üreten, basınç tahrikli bir membran işlemidir. Gözenekli filtrasyon yöntemlerinden farklı olarak RO, su moleküllerinin membran malzemesi içinde çözündüğü, uygulanan bir basınç gradyanı altında yayıldığı ve permeat tarafında desorbe olduğu çözelti-difüzyon mekanizmasıyla çalışırken, çözünen maddeler polimer matrisindeki daha düşük çözünürlükleri ve yayılımları nedeniyle büyük ölçüde reddedilir. Bu, tipik deniz suyu veya acı su uygulamalarında sodyum ve klorür gibi tek değerlikli iyonlar için %99’u aşan reddetme oranlarıyla sonuçlanır ve ayırma için ayrık gözeneklere dayanmaz.^[41]^[42]^[8]

Süreç, besleme çözeltisinin ozmotik basıncını aşmak için 10-80 bar’lık bir transmembran basıncı (TMP) gerektirir; ozmotik basınç, çözünen madde konsantrasyonuna doğru doğal difüzyonu yönlendirir ve permeasyon için tersine çevrilmesi gerekir. Ozmotik basınç (π), van’t Hoff denklemi kullanılarak hesaplanır:

$$\pi = iCRT$$

Burada i iyon ayrışmasını hesaba katan van’t Hoff faktörü, C çözünen madde molar konsantrasyonu, R gaz sabiti (8.314 J/mol·K) ve T Kelvin cinsinden mutlak sıcaklıktır; yaklaşık 0.6 M toplam tuzluluğa sahip deniz suyu için π 25°C’de yaklaşık 25-30 bardır. Ticari RO membranlarından geçen tipik su akısı, besleme tuzluluğuna (deniz suyu için 15-25 L/m²·saat ile daha düşük ve acı su için 40 L/m²·saat’e kadar daha yüksek), membran tipine ve sıcaklık ve geri kazanım oranı gibi çalışma koşullarına bağlı olarak 10-50 L/m²·saat arasında değişir.^[43]^[44]^[45]

İlk büyük ölçekli RO tuzdan arındırma tesisi 1965 yılında Coalinga, Kaliforniya’da devreye alındı ve selüloz asetat membranlar kullanılarak günde yaklaşık 19 m³ (5.000 galon) kapasiteyle acı yeraltı suyunu arıttı; bu, laboratuvar gösterimlerinden pratik su üretimine geçişi işaret ediyordu.^[46]^[47] RO’daki önemli bir operasyonel zorluk, reddedilen çözünenlerin membran yüzeyinde birikerek yerel ozmotik basıncı yükselttiği ve etkili itici gücü azalttığı konsantrasyon polarizasyonudur; bu durum, yüksek çapraz akış hızlarıyla hafifletilmezse akıyı %20-50 oranında düşürebilir ve tuz geçişini artırabilir. RO membranları ayrıca zamanla performans düşüşünü şiddetlendiren kirlenmeye karşı hassastır.^[48]

Modern RO sistemlerindeki enerji verimliliği, hidrolik enerjiyi yüksek basınçlı tuzlu su atık akışından gelen beslemeye aktaran, enerjinin %98’ine kadarını geri kazanan ve %50 geri kazanımda deniz suyu tuzdan arındırma için özgül enerji tüketimini yaklaşık 3 kWh/m³’e düşüren basınç değiştiriciler (enerji geri kazanım cihazları) sayesinde önemli ölçüde artmıştır. Bu, 10 kWh/m³’ü aşan erken sistemlere göre önemli bir düşüştür ve RO’nun dünya çapında büyük ölçekli tuzdan arındırma tesisleri için baskın teknoloji olmasını sağlamıştır.^[49]^[50]

İleri Ozmoz ve Gelişen Varyantlar

İleri ozmoz (FO), suyu bir besleme çözeltisinden bir çekme (draw) çözeltisine ozmotik basınç gradyanı boyunca taşımak için yarı geçirgen bir membran kullanan ozmotik tahrikli bir membran işlemidir.^[51] İtici güç, 2 M NaCl çözeltisi gibi çekme çözeltisinin daha yüksek ozmotik basıncından kaynaklanır; bu, harici hidrolik basınç gerektirmeden suyu membrandan çeker.^[51] FO’daki su akısı şu denklemle tanımlanır:

$$J_w = A (\Delta \pi – \Delta P)$$

Burada Jw su akısı, A membranın su geçirgenlik katsayısı, Δπ membran üzerindeki ozmotik basınç farkı ve ΔP uygulanan hidrolik basınç farkıdır (FO’da tipik olarak ihmal edilebilir).^[51] Bu süreç, daha düşük kesme kuvvetleri ve yüksek çalışma basınçlarının olmaması nedeniyle azaltılmış kirlenme eğilimi dahil olmak üzere basınç tahrikli yöntemlere göre avantajlar sunar ve daha ince veya daha hassas membranların kullanılmasına olanak tanır.^[51]

FO’daki önemli bir sınırlama, membranın gözenekli destek tabakası içinde meydana gelen ve etkili ozmotik itici gücü %50’ye kadar seyrelterek genel akıyı azaltan iç konsantrasyon polarizasyonudur (ICP).^[52] FO’nun ticarileştirilmesi, atık su arıtımı ve kaynak geri kazanımı için sıfır sıvı deşarjlı sistemlerdeki uygulamalarla 2000’lerden bu yana hızlanmıştır; burada atık suları konsantre ederken yüksek kaliteli süzüntü üretir.^[51] Bununla birlikte, çekme çözeltisinin geri kazanılması ve rejenerasyonu, genellikle suyu seyreltilmiş çekme çözeltisinden ayırmak için ters ozmoz ile entegrasyon yoluyla elde edilen, sürece karmaşıklık ve enerji maliyetleri ekleyen önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir.^[51] Ters ozmoz ile karşılaştırıldığında FO, doğal ozmotik gradyanlardan yararlanarak tuzdan arındırma için hibrit konfigürasyonlarda %20-50 enerji tasarrufu sağlayabilir.^[51]

Basınçsız membran süreçlerinin gelişmekte olan varyantları arasında, ısıtılmış bir beslemeden su buharını taşımak için hidrofobik mikro gözenekli bir membran boyunca bir buhar basıncı gradyanına dayanan termal tahrikli bir ayırma olan membran damıtma (MD) yer alır. MD’de, membran (genellikle politetrafloroetilen veya poliviniliden florür gibi malzemelerden yapılır), buhar geçişine izin verirken sıvı penetrasyonunu önler ve atık ısı veya güneş enerjisi gibi düşük dereceli ısı kaynaklarını kullanarak 40-80°C’lik ılıman sıcaklıklarda etkili bir şekilde çalışır. Bu, MD’yi tuzdan arındırma ve ısıya duyarlı çözeltilerin konsantrasyonu için uygun hale getirir ve uçucu olmayanlar için %99’u aşan yüksek çözünen madde reddi oranlarına sahiptir.

Diğer bir varyant, süzüntü tarafındaki kısmi basınç gradyanı tarafından yönlendirilen çözünürlük ve yayılma (diffusivity) farklılıklarına dayalı olarak gözeneksiz seçici bir membran kullanarak organik bileşikleri sulu karışımlardan ayıran pervaporasyondur.^[53] Organik geri kazanım için, hidrofobik membranlar benzen veya tolüen gibi uçucu organikleri tercihen geçirir; itici güç, süzüntü buharını uzaklaştırmak ve düşük basıncı sürdürmek için vakum uygulanarak veya bir süpürme gazı (örneğin azot) kullanılarak artırılır.^[53] Pervaporasyon, düşük konsantrasyonlarda organik içeren endüstriyel atık suların arıtılmasında mükemmeldir ve genellikle geleneksel damıtmayı aşan seçiciliklerle UOB giderimi ve biyoyakıt saflaştırma gibi uygulamalar için enerji verimli ayırma sunar.^[53]

Membran Konfigürasyonları ve Modülleri

Plaka ve Çerçeve Modülleri

Plaka ve çerçeve modülleri, ayırma işlemlerinde düz levha membranları barındırmak için en eski ve en basit konfigürasyonlardan birini temsil eder. Bu modüller, sert destek plakaları arasında istiflenmiş düz membran levhalarına sahiptir ve membranlar arasına yerleştirilen ara parçalar (spacer) ile ince besleme kanalları ve süzüntü toplama yolları oluşturarak filtre presine benzer kompakt bir montaj oluşturur. Kanal kalınlığı tipik olarak 0,5 ila 2 mm arasında değişir, bu da çapraz akış veya ölü uçlu çalışmayı kolaylaştırırken membran kurulumu ve sökülmesi için doğrudan erişim sağlar.^[54]^[55]^[56]

1960’ların başında geliştirilen plaka ve çerçeve modülleri, ters ozmoz ve ultrafiltrasyon gibi süreçlerde ilk büyük ölçekli uygulamaları sağlamak için geleneksel filtre presi tasarımlarından yararlanan ilk ticari membran sistemleri arasındaydı. İlk uygulamalar, kimyasal dirençleri ve dayanıklılıkları nedeniyle genellikle polipropilen çerçeveler kullandı ve paralel düzenlemelerde birden fazla membran yaprağının istiflenmesini destekledi. Bu modüller, ölçeklenebilirlikleri ve çeşitli membran türlerine uyarlanabilirlikleri nedeniyle laboratuvar ve pilot ölçekli testlerde önem kazandı.^[57]^[56]^[58]

Plaka ve çerçeve modüllerinin temel avantajları arasında küçük ölçekli operasyonlar için düşük maliyetleri, kapsamlı temizlik ve membran değişimi için tam erişilebilirlik ve viskoz veya yüksek katı madde içerikli beslemeleri işlemedeki sağlamlıkları yer alır; bu da daha kompakt tasarımlara kıyasla kirlenmeyi azaltır. Tipik olarak 100-400 m²/m³ civarındaki paketleme yoğunluğu, biyoteknoloji ve gıda işleme gibi alanlarda mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon gibi uygulamalarda orta düzeyde verimi destekler.^[55]^[56]

Bununla birlikte, bu modüller, işletme maliyetlerini artıran yüksek tutma hacmi ve verimliliği tehlikeye atabilecek düzensiz akış dağılımı olan kanallaşmaya yatkınlık gibi dezavantajlardan muzdariptir. Çoklu contalara duyulan ihtiyaç, daha yüksek basınç düşüşlerine ve bakım zorluklarına da katkıda bulunarak, büyük ölçekli, yüksek basınçlı sistemlerde kullanımlarını sınırlar. Bu sınırlamalara rağmen, plaka ve çerçeve konfigürasyonları, sık temizlik gerektiren ve yüksek yoğunluk yerine açık erişimin önceliklendirildiği süreçler için uygun olmaya devam etmektedir.^[55]^[59]^[60]

Spiral Sarımlı Modüller

Spiral sarımlı modüller, ağ benzeri besleme ara parçalarıyla ayrılmış ve merkezi delikli bir süzüntü toplama borusunun etrafına spiral olarak sarılmış, kompakt silindirik bir eleman oluşturan, açık uçlu zarflar haline getirilmiş düz levha membranlardan oluşur.^[61] Tipik olarak polipropilen ağdan yapılan besleme ara parçaları, kanal yüksekliğini korumak ve türbülanslı akışı teşvik etmek için 0,2 ila 1 mm arasında değişen kalınlıklara sahiptir.^[62] Standart endüstriyel elemanlar, 8 inç (20,3 cm) çapa sahiptir ve 12 fit (3,66 m) uzunluğa kadar basınç kaplarına yerleştirilir; modül başına 400 m²’ye kadar toplam etkili membran alanına sahip birden fazla elemanı barındırır.^[63] Bu konfigürasyon, besleme spiral kanallar boyunca eksenel olarak akarken, merkezi boru yoluyla verimli süzüntü drenajına izin verir.^[64]

Bu modüller, nispeten küçük bir hacimde geniş membran alanları sağlayan 300 ila 1000 m²/m³’lük yüksek paketleme yoğunlukları sunar; bu da onları ters ozmoz (RO) ve nanofiltrasyon (NF) süreçleri için özellikle uygun maliyetli hale getirir.^[63] Yüksek basınçlı operasyonları ele almadaki ölçeklenebilirlikleri ve ekonomik avantajları nedeniyle tuzdan arındırma tesislerinde standart konfigürasyon haline gelmişlerdir.^[65] Ancak, spiral tasarım geri yıkamayı desteklemediğinden temizlik zordur; genellikle kimyasal sirkülasyon veya elemanların değiştirilmesini gerektirir.^[66] Ek olarak, besleme ara parçaları durgunluk bölgeleri oluşturarak ve biyolojik büyümeyi teşvik ederek kirlenmeye neden olabilirken, modül boyunca basınç düşüşü (ΔP) besleme hızıyla (v) artar ve daha yüksek ara parça boşluğuyla azalır, potansiyel olarak verimi sınırlar.^[67]^[68]

Spiral sarımlı modüller 1960’larda geliştirildi ve daha sonra gelişmiş ince film kompozit elemanları tanıtan FilmTec Corporation aracılığıyla ticarileştirildi.^[69] Filamentlerin etkili membran alanı maruziyetini azalttığı ara parça kaynaklı gölge etkilerini hafifletmek için, kütle transferi homojenliğini artırmak amacıyla yüksek tuzluluk uygulamalarında optimize edilmiş geometriye sahip özel tuzlu su ara parçaları kullanılmıştır.^[70] Bu modüller, konsantrasyon polarizasyonunu en aza indirmek için tipik olarak çapraz akış modunda çalıştırılır.^[71]

İçi Boş Elyaf ve Tübüler Modüller

İçi boş elyaf (hollow-fiber) membran modülleri, her biri tipik olarak 0,1 ila 1 mm dış çapa ve 0,5 ila 2 m uzunluğa sahip binlerce ince, silindirik elyaftan oluşur ve bir basınç kabı içinde bir araya getirilir.^[72] Bu elyaflar, uçlarından epoksi reçine kullanılarak saksılanarak (potted) sıvı geçirmez bir conta oluşturulur; bu da besleme akımının elyaf lümenlerinin içinde (içten dışa konfigürasyon) veya kabuk tarafındaki elyafların dışında (dıştan içe konfigürasyon) akmasına izin verir.^[72] Bu tasarım, kompakt bir hacim içinde membran yüzey alanını en üst düzeye çıkararak 1000 m²/m³’ü aşan yüksek paketleme yoğunlukları sağlar.^[72] İlk ticari içi boş elyaf ters ozmoz modülleri 1960’larda DuPont tarafından geliştirildi ve su arıtma ve ayırma süreçleri için membran teknolojisinde önemli bir ilerlemeyi işaret etti.^[73]

Tübüler membran modülleri ise, 5 ila 25 mm iç çaplara sahip daha geniş çaplı borulara sahiptir; bir kabuk içine yerleştirilmiştir ve genellikle ek iç çerçeveler olmadan kendi kendini destekler.^[74] Bu modüller, sağlam boru yapısının birikimi en aza indirmek için yüksek çapraz akış hızlarını kolaylaştırdığı atık su arıtımı için mikrofiltrasyon uygulamalarında olduğu gibi, viskoz beslemelerin veya yüksek katı içerikli olanların işlenmesi için özellikle uygundur.^[74]

Her iki konfigürasyon da, modül hacmine göre yüksek etkili yüzey alanı ve düz levha alternatiflerine kıyasla azaltılmış malzeme gereksinimleri dahil olmak üzere önemli avantajlar sunarak verimli büyük ölçekli operasyonları mümkün kılar.^[72] Bununla birlikte, önemli bir dezavantaj, içi boş elyafların, bazı yüksek basınçlı RO uygulamalarında karşılaşılabilecek çok yüksek basınçlarda (örneğin 80 bar’ı aşan) kırılma gibi mekanik arızalara karşı savunmasızlığıdır.^[72] Tübüler modüller, daha sağlam yapılarıyla bu sorunların bazılarını hafifletir ancak daha düşük paketleme yoğunlukları pahasına.^[74]

Çalışma İlkeleri

Akı, Basınç ve Geçirgenlik

Membran süreçlerinde akı (flux), birim zaman başına birim membran alanı başına hacim akışı olarak nicelendirilen, membran yüzeyi boyunca süzüntü hacmi taşıma hızını temsil eder. Tipik olarak şu denklemle ifade edilir:

$$J = \frac{V}{A t}$$

Burada V süzüntü hacmi, A etkili membran alanı ve t zamandır; yaygın birimler metrekare başına saat başına litredir (L/m²saat).^[75] Akı, öncelikle uygulanan basınç farkı tarafından yönlendirilir ve içsel membran özelliklerini ve besleme viskozitesi ve konsantrasyonu gibi süreç koşullarını kapsayan toplam akış direnci tarafından karşılanır.^[76]

Transmembran basıncı (TMP), basınç tahrikli membran operasyonlarında çözücü geçirgenliği için birincil itici güç olarak hizmet eder ve membran üzerindeki ortalama basınç farkı olarak hesaplanır:

$$\text{TMP} = \frac{P_{\text{besleme}} + P_{\text{tutulan}}}{2} – P_{\text{süzüntü}}$$

Burada Pbesleme, Ptutulan ve Psüzüntü sırasıyla besleme, tutulan (retentate) ve süzüntü (permeate) akımlarındaki basınçlardır.^[77] Ters ozmozda (RO), net su akısı elde etmek için TMP’nin besleme ve süzüntü arasındaki ozmotik basınç farkını (Δπ) aşması gerekir, çünkü ozmotik basınç çözünen madde konsantrasyon gradyanlarından kaynaklanır ve çözücü hareketine karşı koyar.^[78]

Membran geçirgenliği, belirli türlerin membran malzemesi boyunca taşınmasının içsel kolaylığını, dış kirlenme veya konsantrasyon polarizasyonu etkilerinden bağımsız olarak nicelendirir. RO sistemlerinde, su geçirgenlik katsayısı A ve tuz geçirgenlik katsayısı B, çözelti-difüzyon modelinde anahtar parametrelerdir; burada su akısı şu şekilde verilir:

$$J_w = A (\Delta P – \Delta \pi)$$

ve tuz akısı:

$$J_s = B \Delta C$$

Burada ΔP hidrolik basınç farkı, Δπ ozmotik basınç farkı ve ΔC membran boyunca çözünen madde konsantrasyon farkıdır. Bu katsayilar, A’yı izole etmek için değişen TMP altında saf su geçirgenlik değerlendirmeleri gibi temiz membran testleri kullanılarak, akı J’nin net itici basınca karşı doğrusal regresyonu yoluyla deneysel olarak belirlenir. Bu yaklaşım, RO uygulamalarında bu tür ölçümlerin hedef akılar için gerekli TMP’ye geçirgenliği bağlayarak modül ölçeklendirmesine rehberlik ettiği süreç tasarımı tahminlerini mümkün kılar.^[79]

Ölü Uçlu ve Çapraz Akışlı Filtrasyon Modları

Ölü uçlu (dead-end) filtrasyonda, besleme akışı membran yüzeyine dik olarak yönlendirilir ve tüm sıvıyı gözeneklerden geçmeye zorlarken tutulan partiküller doğrudan membran üzerinde birikir ve akış direncini aşamalı olarak artıran bir filtre keki tabakası oluşturur. Bu mod, ayrı bir tutulan (retentate) akımı olmaksızın parti benzeri bir şekilde çalışır; bu da onu laboratuvar ölçekli işleme veya düşük askıda katı madde konsantrasyonlarına (tipik olarak %1’in altında) sahip beslemelerin parlatılması gibi yüksek süzüntü geri kazanımı gerektiren uygulamalar için uygun hale getirir. Kurulum basittir, minimum ekipman içerir ve devridaim yoktur, ancak kek birikiminden kaynaklanan hızlı kirlenme nedeniyle sık temizlik veya kek giderme gerektirir.^[80]^[81]

Teğet akışlı filtrasyon olarak da bilinen çapraz akışlı (cross-flow) filtrasyon, beslemeyi membran yüzeyine paralel olarak, tipik olarak 1 ila 5 m/s arasında değişen hızlarda yönlendirerek, kek tabakası oluşumunu ve birikmesini en aza indiren kesme kuvvetleri oluşturarak tezat oluşturur. Bir devridaim döngüsü, tutulanı besleme tankına geri döndürerek sürekli çalışmayı ve daha yüksek katı yüklerinin işlenmesini sağlar, ancak sistemin enerji kullanımının önemli bir kısmını oluşturan ek pompalama gerektirir. Bu mod, su arıtma ve biyoproses gibi endüstriyel ölçekli süreçlerde kirlenmeyi azaltmak için ölü uçlu filtrasyona bir alternatif olarak 1970’lerde geliştirilmiştir.^[82]^[83]^[27]

Modlar arasındaki performans farklılıkları operasyonel ödünleşimlere (trade-offs) dayanır: ölü uçlu filtrasyon, seyreltik beslemelerden neredeyse tam geri kazanım (%95’e kadar süzüntü) talep eden senaryolarda mükemmeldir ancak kirlenme nedeniyle verimi sınırlar; çapraz akış ise daha düşük geri kazanım oranlarına ancak azaltılmış bakım aralıklarına sahip sürdürülebilir, sürekli işlemeyi destekler. Her iki modda da uygulanabilir operasyon ve kirlenme arasındaki geçiş, kritik akı kavramı ile yönetilir; bu, altında zamana bağlı akı düşüşünün meydana gelmediği maksimum süzüntü akısı olarak tanımlanır ve kritik altı koşullarda başlayarak kirlenmenin önlenmesine izin verir. Ölü uçlu kurulumlarda akış diyagramları, kek birikimi ile membranda sonlanan dikey besleme oklarını gösterirken, çapraz akış diyagramları yüzey boyunca paralel besleme yollarını, dik olarak süzüntü ekstraksiyonunu ve geri dönen tutulanı gösterir.^[84]^[85]^[81]

Kirlenme (Fouling) Olgusu

Kirlenme Türleri ve Mekanizmaları

Filtrasyon ve ters ozmoz sistemlerinde membran kirlenmesi, temel olarak dört ana türe ayrılır: partikül kirlenmesi, organik kirlenme, biyokirlenme ve inorganik kabuklanma (scaling). Her tür, besleme çözeltisi bileşenleri ile membran yüzeyi arasındaki belirli etkileşimlerden kaynaklanır ve geçirgenliğin ve operasyonel verimliliğin azalmasına yol açar.^[86]^[87]

Partikül kirlenmesi, kolloidler ve ince partiküller gibi askıda katı maddelerin membran yüzeyinde birikerek hidrolik direnci artıran bir kek tabakası oluşturmasıyla meydana gelir. Bu süreç tipik olarak, mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon uygulamalarında gözlemlendiği gibi, partiküllerin gözeneklere nüfuz etmeden harici olarak biriktiği bir kek filtrasyon mekanizmasını izler.^[86] Organik kirlenme, hümik maddeler ve polisakkaritler dahil olmak üzere doğal organik maddelerin membrana adsorpsiyonunu içerir; bu genellikle hidrofobik etkileşimler ve van der Waals kuvvetleri tarafından yönlendirilir. Bu kirleticiler membranın yüzey özelliklerini değiştirebilir ve yüksek çözünmüş organik karbonlu ters ozmoz beslemelerinde daha fazla birikmeyi teşvik edebilir.^[87] Biyokirlenme, mikroorganizmaların tutunması ve çoğalmasından kaynaklanır; hücrelerden ve hücre dışı polimerik maddelerden oluşan ve akışı ciddi şekilde engelleyen bir biyofilm oluşumuna yol açar. Bu tür, özellikle mikrobiyal toplulukların düşük kesme koşulları altında geliştiği membran biyoreaktörlerinde (MBR’ler), 2000’lerin başından beri önemli ilgi görmüştür.^[86] İnorganik kabuklanma veya mineral çökmesi, konsantrasyon polarizasyonu nedeniyle membran yüzeyine yakın kalsiyum karbonat (CaCO₃) gibi az çözünür tuzların aşırı doygunluğundan kaynaklanır ve gözenekleri daraltan veya yüzeyi kaplayan kristal birikintiler oluşturur.^[87]

Kirlenmenin altında yatan mekanizmalar, sabit basınç altında akı düşüşünü karakterize eden Hermia’nın engelleme modelleri kullanılarak yaygın olarak tanımlanır:

$$\frac{d^2 t}{d V^2} = k \left( \frac{d V}{d t} \right)^n$$

Burada V süzüntü hacmi, t zaman, k bir sabit ve n mekanizmayı belirler: n = 2 tam gözenek engelleme (kirleticiler gözenek girişlerini nüfuz etmeden kapatır), n = 1 ara engelleme (kirleticiler yüzeyde sırayla birikir, gözenekleri kısmen tıkar veya önceki birikintilerin üzerine iner), n = 1.5 standart engelleme veya gözenek daralması (kirleticiler gözeneklerin içinde birikir, yarıçapı eşit şekilde azaltır) ve n = 0 kek filtrasyonu (kirleticiler harici bir tabaka oluşturur). Bu modeller, deneysel akı verilerine dayanarak baskın kirlenme davranışlarını belirlemek için bir çerçeve sağlar.^[86]

Kirlenmenin başlamasını ve ilerlemesini çeşitli faktörler etkiler. Besleme bileşimi kritik bir rol oynar; örneğin, yüksek toplam çözünmüş katı madde (TDS) ve Ca²⁺ gibi iki değerlikli katyonlar çekirdeklenmeyi teşvik ederek kabuklanmayı hızlandırırken, yüksek organik içerik adsorpsiyon bazlı kirlenmeyi şiddetlendirir. Düşük çapraz akış hızı gibi hidrodinamik koşullar, kesme stresini azaltır ve kirleticilerin daha kolay yerleşmesine izin vererek biyokirlenme ve kek tabakası oluşumunu destekler.^[87] Kirlenme eğilimi genellikle, standart bir filtrasyon testinde partikül tıkanma oranını ölçen silt yoğunluğu indeksi (SDI) kullanılarak nicelendirilir; kirlenme risklerini en aza indirmek için ters ozmoz beslemelerinde 3’ün altındaki değerler önerilir.^[86]^[88]

Kirlenme, zaman ölçeklerine göre tersinir ve tersinmez formlar olarak sınıflandırılabilir. Tersinir kirlenme, akış değişiklikleri altında kısmen ayrılabilen partiküllerden kaynaklanan fiziksel kek katmanları gibi gevşekçe bağlı birikintileri içerirken, tersinmez kirlenme, uzun süreli operasyonlarda devam eden güçlü kimyasal bağlar veya gömülü biyofilmler içerir.^[87]

Kirlenme Tahmini ve Modelleme

Membran sistemlerinde kirlenme tahmini, kirletici birikimini ve bunun akı düşüşü üzerindeki etkisini nicelendiren matematiksel modellere dayanır. Serideki direnç (RIS) modeli, toplam filtrasyon direncini içsel membran direnci (Rm), kek tabakası direnci (Rc) ve tersinmez kirlenme direncinin (Rf) toplamı olarak ele alan temel bir yaklaşımdır:

$$R_{toplam} = R_m + R_c + R_f$$

Darcy yasasından türetilen bu fenomenolojik model, akının (J) şu şekilde tahmin edilmesini sağlar:

$$J = \frac{\Delta P}{\mu R_{toplam}}$$

Burada ΔP transmembran basıncı ve μ sıvı viskozitesidir; bu model ultrafiltrasyon ve mikrofiltrasyon süreçlerinde kirlenmeyi tahmin etmek için yaygın olarak uygulanmıştır. Organik kirleticiler için jel polarizasyon modeli, çözünen madde konsantrasyonu kritik bir jel noktasına ulaştığında membran yüzeyinde bir jel tabakası oluşumunu tanımlayarak bunu genişletir ve daha fazla basınç artışından bağımsız bir sınırlayıcı akıya yol açar; orijinal olarak protein çözeltileri için geliştirilen bu model, çapraz akış koşulları altında konvektif birikimi dengeleyen difüzif geri taşınımı vurgular. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonları, membran yüzeyleri boyunca kesme gerilimi dağılımını modelleyerek bunları tamamlar ve spiral sarımlı elemanlar gibi modüllerdeki akış hidrodinamiği nedeniyle kirlenme eğilimindeki uzamsal varyasyonları ortaya çıkarır.

Ampirik indeksler, standartlaştırılmış laboratuvar testlerine dayalı kirlenme değerlendirmesi için pratik araçlar sağlar. Modifiye kirlenme indeksi (MFI), özellikle silt benzeri partiküller için MFI-0.45, sabit basınçta 0.45 μm’lik bir membrandan ölü uçlu filtrasyonla belirlenir; hacim başına filtrasyon süresi (t/V) zamana (t) karşı çizilir; doğrusal kısmın eğimi MFI değerlerini verir, daha yüksek indeksler daha büyük kirlenme potansiyelini gösterir (örneğin, MFI > 3, ters ozmoz beslemelerinde hızlı kirlenmeyi düşündürür). İnorganik kabuklanma için Langelier doygunluk indeksi (LSI), kalsiyum karbonat çökmesini tahmin eder ve şu şekilde hesaplanır:

$$LSI = pH – pH_s$$

Burada pHs, alkalinite, kalsiyum konsantrasyonu, sıcaklık ve iyonik güç gibi su kimyası faktörlerinden türetilen doygunluk pH’ıdır; LSI > 0, aşırı doygunluğu ve kabuklanma riskini işaret eder, genellikle tuzdan arındırma membranlarında inorganik kirlenmeyi tahmin etmek için kullanılır.

Gelişmiş tahmin yöntemleri, karmaşık, çok kirleticili senaryolar için veriye dayalı teknikleri içerir. 2015’ten bu yana, yapay sinir ağları ve destek vektör makineleri gibi makine öğrenimi algoritmaları, akı, basınç ve su kalitesi parametreleri gibi operasyonel veriler üzerinde eğitilerek gerçek zamanlı kirlenme tahminini mümkün kılmış ve membran biyoreaktörlerinde transmembran basınç artışını tahmin etmede %95’e varan doğruluk elde etmiştir. Birleşik membran kirlenme indeksi (UMFI), tezgah ölçekli testlerde filtrasyon döngüleri boyunca direnç gelişimini normalize ederek çoklu kirleticileri entegre eder, tersinir ve tersinmez bileşenleri ayırt ederek doğal suları arıtan düşük basınçlı membranlar için kapsamlı bir kirlenme eğilimi puanı sağlar.

Model doğrulama tipik olarak, besleme çözeltilerinin modül koşullarını taklit etmek için teğet olarak sirküle edildiği laboratuvar ölçekli çapraz akış filtrasyon deneylerini içerir; bu, tahmin edilen ve ölçülen akı düşüşünü karşılaştırarak parametre uydurmaya (örneğin RIS’deki kek sıkışabilirliği) izin verir. Bu testler, kontrollü kesme hızları altında modelin uygulanabilirliğini doğrular, ancak kararsız akış veya çoklu kirletici etkileşimleri gibi dinamik, tam ölçekli operasyonlardaki sınırlamaları ortaya çıkarır; burada tahminler, modellenmemiş biyofilm dinamikleri veya sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle %20-50 oranında sapabilir.

Kirlenme Kontrol Stratejileri

Temizleme Yöntemleri

Kirlenmiş membranlar için temizleme yöntemleri, gevşek partiküller, kolloidler ve biyofilmler gibi tersinir kirlenmeyi hedeflerken membran malzemesine verilen hasarı en aza indirerek geçirgenliği ve akıyı eski haline getirmek için biriken tortuları gidermeyi amaçlar.^[89] Bu teknikler, sökme işlemi olmadan optimum geri kazanımı sağlamak için genellikle yerinde temizlik (CIP) operasyonları sırasında sırayla uygulanan fiziksel, kimyasal ve biyolojik yaklaşımlar olarak geniş bir şekilde kategorize edilir.^[90] Fiziksel yöntemler, yüzey seviyesindeki kirleticiler için uygun olan ani kesme bazlı temizleme sağlarken, kimyasal ve biyolojik yöntemler, inorganik kabuklar veya organik matrisler gibi daha yapışkan katmanları ele alır.^[89]

Fiziksel temizleme teknikleri, kimyasal maddeler olmadan kirleticileri yerinden çıkarmak için hidrolik veya mekanik kuvvetlere dayanır ve bu da onları tersinir kirlenmenin sık bakımı için ideal hale getirir. Geri yıkama (backflushing), gözenek içlerinden hapsolmuş partikülleri dışarı atan negatif bir trans-membran basınç gradyanı oluşturmak için süzüntü akışını 1-2 bar basınçta tersine çevirmeyi içerir.^[91] Tübüler membranlar için sünger top temizliği, biyofilmler veya organikler gibi yumuşak birikintileri etkili bir şekilde gidererek iç yüzeyleri mekanik olarak ovmak için modüllerden kontrollü hızlarda biraz büyük sünger toplarını sirküle eder.^[92] Batık membran sistemlerinde hava ile sıyırma (air scouring), membran biyoreaktörlerinde kek katmanlarının ayrılmasını artırarak, membran dışı boyunca türbülanslı kesme oluşturmak için difüzörler aracılığıyla kaba kabarcıklar verir.^[93] Bu yöntemler tipik olarak tersinir kirlenme için başlangıç akısının %80-95’ini geri kazandırır ancak tersinmez kabuklara karşı daha az etkilidir.^[90]

Kimyasal temizleme, belirli kirleticileri çözmek veya bozmak için çözeltiler kullanır ve genellikle daha derin nüfuz için fiziksel yöntemleri takip eder. pH 2-3’te hidroklorik asit (HCl) gibi asidik temizleyiciler, kalsiyum karbonat veya silika gibi çökeltileri çözerek inorganik kabukları ve metal oksitleri hedefler.^[94] pH 11-12’de sodyum hidroksit (NaOH) içeren alkali çözeltiler, organik kirleticileri ve proteinleri hidrolize ederek biyokirlenme matrislerini parçalar.^[90] Bu ajanlarla yapılan CIP döngüleri 30-60 dakika sürer, düşük hızlarda (0,3-1 m/s) sirkülasyonu ve ardından kalıntı birikimini önlemek için durulamayı içerir.^[90]

Biyolojik ve gelişmekte olan teknikler, karmaşık biyofilmler için hedeflenen bozunmayı sunar ve geleneksel yöntemleri tamamlar. Enzim tedavileri, özellikle subtilisin gibi proteazlar, biyofilmlerdeki hücre dışı polimerik maddeleri hidrolize ederek mikrobiyal yapışmayı bozar ve nötr pH ve ortam sıcaklıklarında uzaklaştırmayı kolaylaştırır.^[95] Ultrasonik temizleme, kimyasallar olmadan kirletici katmanlarını aşındıran mikro jetler üreten kavitasyon kabarcıklarını indüklemek için 20-40 kHz’de dalgalar uygular, ancak enerji tüketimi rutin kullanımını sınırlar.^[96] Elektrik alanları, ortaya çıkan bir yaklaşım olarak, kirletici zeta potansiyelini değiştirmek ve desorpsiyonu teşvik etmek için darbeli akımlar uygular ve hibrit sistemlerde umut vaat eder. Ek olarak, yapay zeka ve makine öğrenimi modelleri, tahmine dayalı kirlenme izleme ve uyarlanabilir kontrol stratejileri için entegre edilmektedir (2025 itibarıyla).^[89]^[97]

Temizleme protokolleri, membran ömrü ile performans geri kazanımını dengelemek için taban çizgisinden %10-15’i aşan bir akı düşüşü veya tuz geçişinde %5-10’luk bir artış gibi operasyonel göstergelerle tetiklenir.^[98] Sıklık uygulamaya göre değişir—atık su gibi yüksek kirlilikli beslemeler için günlük—ancak ardışık fiziksel-kimyasal döngüler yoluyla tersinir durumlarda %80-95 akı geri kazanımı hedeflenir.^[90] Temizlik sonrası doğrulama, operasyona devam etmeden önce etkinliği sağlamak için normalize edilmiş akı ve iletkenliğin izlenmesini içerir.^[99]

Tasarım ve Operasyonel Azaltmalar

Membran kirlenmesini en aza indirmeye yönelik tasarım stratejileri, mikrofiltrasyonun (MF) partikülleri, kolloidleri ve daha büyük kirleticileri gidermek için ters ozmoz (RO) sistemlerinin önünde bir koruyucu işlem olarak hizmet ettiği besleme ön arıtımıyla başlar; aksi takdirde bunlar RO membran yüzeyinde birikebilir. Bu ön arıtma, deniz suyu tuzdan arındırma uygulamalarında silt yoğunluğu indeksi (SDI) ve bulanıklık azalmalarıyla ölçüldüğü üzere kirlenme potansiyelini önemli ölçüde azaltır, membran ömrünü ve operasyonel aralıkları uzatır.^[100] Membran modülleri içindeki ara parça (spacer) optimizasyonu, akış dinamiklerini ve membran yüzeyindeki kesme kuvvetlerini artırmak, böylece sınır tabakalarını bozmak ve kirletici birikimini sınırlamak için ağ tipi veya merdiven benzeri yapılar gibi türbülans destekleyicileri içerir.^[101] Bu destekleyiciler, spiral sarımlı ultrafiltrasyon modüllerinde gösterildiği gibi, basınç düşüşünü dengelerken kütle transfer katsayılarını %20-50 oranında artırabilir.^[102] Zwitteriyonik kaplamalar da dahil olmak üzere yüzey modifikasyonları, proteinleri ve organikleri iten hidrasyon katmanları oluşturarak yapışmayı daha da azaltır; örneğin, polietersülfon membranlar üzerindeki bu tür kaplamalar, protein filtrasyon testleri sırasında kirlenme oranlarını yaklaşık %50 azaltmıştır.^[103]

Operasyonel azaltmalar, düşük kirlenme eğilimini sürdürerek proses parametrelerini ayarlayarak tasarımı tamamlar. Yüksek ve düşük hızlar arasında değişen darbeli akış rejimleri, konsantrasyon polarizasyonunu bozar ve yeni oluşan kirletici katmanlarını keserek, sabit akışa kıyasla membran damıtma sistemlerinde akı kararlılığını %15-30 oranında artırır.^[104] Tübüler konfigürasyonlarda tipik olarak 4 m/s’yi aşan yüksek çapraz akış hızlarının kullanılması, özellikle süt atık suyu gibi viskoz beslemeler için kek tabakası oluşumunu önlemek amacıyla ovma etkilerini artırır.^[105] Besleme akışında 6-7 aralığını hedefleyen pH ayarı, silika çözünürlüğünü ve polimerizasyonunu kontrol ederek amorf silika birikimini engelleyerek RO süreçlerinde kabuklanma risklerini azaltır.^[106] Transmembran basınç (TMP) artışının sürekli çevrimiçi izlenmesi, kirlenme başlangıcının erken tespit edilmesini sağlayarak operatörlerin geri döndürülemez katmanlar oluşmadan önce müdahale etmesine olanak tanır; batık membran biyoreaktörlerinde günde 0,1-0,5 bar’lık TMP artışları parametre ince ayarı ihtiyacını işaret eder.^[107]

Poliakrilat bazlı polimerler gibi antiskalantlar (kabuklanma önleyiciler), RO beslemelerinde kalsiyum sülfat ve baryum sülfat gibi yaygın kabuklar için %95’i aşan eşik inhibisyonu elde etmek üzere 2-5 ppm dozunda verilir.^[108] Bu katkı maddeleri kristal büyümesini bozar ve çökeltme olmadan aşırı doymuş çözeltileri korur; poliakrilatlar 200 ppm’ye kadar yüksek silikalı sularda üstün performans gösterir.^[109]

Yenilikçi yaklaşımlar arasında, basınç tahrikli membranlarla entegre edilmiş hibrit ileri ozmoz (FO) sistemleri yer alır; bunlar, yüksek basınçlardan kaynaklanan sıkışmayı ve kirlenme teşvikini azaltmak için daha düşük TMP’de (genellikle <1 bar) çalışır, enerji kullanımını en aza indirirken organiklerin %90’a kadar reddedilmesini sağlar.^[110] Genel olarak, bu önleyici tedbirler, çalışma sürelerini uzatarak ve arıza süresini azaltarak temizlikle ilgili operasyonel harcamalarda (OPEX) %20-30 tasarruf sağlayabilir ve temizliğin bir yedek olarak ayrıldığı birincil savunma hattı olarak hizmet edebilir.^[111]

Membran Teknolojisinde Sürdürülebilirlik

Çevresel Etkiler ve Atık Yönetimi

Membran süreçleri, özellikle ters ozmoz (RO), yüksek enerji talepleri nedeniyle önemli çevresel etkiler sergiler. Deniz suyu RO tuzdan arındırma işlemi, 2024 itibarıyla üretilen suyun metreküpü başına tipik olarak 2,5-4 kWh gerektirir ve bu da küresel elektrik tüketiminin yaklaşık %0,4’ünü oluşturur.^[112]^[113] Bu enerji yoğunluğu, ozmotik engelleri aşmak için gereken yüksek basınçlardan kaynaklanır ve fosil yakıta dayalı güce bağımlı bölgelerde sera gazı emisyonlarına katkıda bulunur. Ek olarak, 40-70 g/L toplam çözünmüş katı (TDS) konsantrasyonlarına sahip (ortam deniz suyunun kabaca iki katı) aşırı tuzlu suyun deşarjı, yerel tuzluluk gradyanlarını değiştirerek, çözünmüş oksijen seviyelerini azaltarak ve bentik organizmaları ve balıkçılığı strese sokarak deniz ekosistemleri için risk oluşturur.^[114]^[115]

Membran operasyonlarındaki atık yönetimi zorlukları, kirlenme ve kimyasal temizleme gibi operasyonel stresler altında tipik olarak 3-5 yıl dayanan polimerik elemanların sınırlı ömründen kaynaklanmaktadır.^[116] Tuzdan arındırma endüstrisinin genişlemesiyle birlikte, 2025 yılına kadar dünya çapında yıllık 2 milyondan fazla kullanım ömrü dolmuş RO modülünün üretilmesi beklenmektedir.^[117] Atılan membranlar, tuzdan arındırma tesislerinde katı atıklara katkıda bulunarak depolama alanı yüklerini ve plastik kirliliğini artırır.^[118] Bu poliamid bazlı malzemelerin bozulması, özellikle uygunsuz bertaraf veya yakma sırasında çevreye mikroplastik parçalar salabilir, potansiyel olarak deniz besin ağlarına girebilir ve küresel plastik kirliliğini artırabilir.^[118]

Bu sorunları hafifletmek için, sıfır sıvı deşarjlı (ZLD) sistemler, membran süreçlerini buharlaşma ve kristalleştirme gibi termal arıtma yöntemleriyle entegre ederek, atık hacimlerini en aza indirirken suyun neredeyse tamamını geri kazanır.^[119] Tuzlu su madenciliği, 2010’lardan bu yana, çevresel maliyetleri dengelemek ve yeşil enerji geçişini desteklemek için konsantre akışlardan lityum gibi değerli mineralleri çıkaran bir değerleme stratejisi olarak ortaya çıkmıştır.^[120] AB Su Çerçeve Direktifi dahil olmak üzere düzenleyici çerçeveler, ekolojik zararı önlemek için tuzlu su deşarjına sınırlar getirmekte ve seyreltme veya arıtma protokolleri yoluyla alıcı sulardaki tuzluluk artışlarını kontrol etmeyi gerektirmektedir.^[121] Kullanım ömrü dolmuş membranların geri dönüştürülmesi gibi yaklaşımlar, atık azaltımı için ek yollar sunar.

Geri Dönüşüm ve Yeniden Kullanım Teknikleri

Kullanım ömrü dolmuş membranlar, özellikle ters ozmoz (RO) tipleri için geri dönüşüm ve yeniden kullanım teknikleri, faydalarını uzatmak ve atığı azaltmak için malzemeleri geri kazanmaya veya modülleri yeniden amaçlandırmaya odaklanır. Sodyum hipoklorit çözeltileriyle oksidatif işlem gibi kimyasal yöntemler, ince film kompozit (TFC) RO membranlarından bozulmuş poliamid aktif katmanı etkili bir şekilde soyarak, ultrafiltrasyon (UF) veya mikrofiltrasyon (MF) membranları olarak yeniden kullanım için alttaki polisülfon destek katmanını açığa çıkarır.^[122] Bu süreç, spiral sarımlı elemanların ortam sıcaklığında birkaç saat boyunca %0,5-2 sodyum hipoklorit çözeltisine daldırılmasını, ardından durulamayı ve kalsiyum karbonat gibi kalıntı inorganik kirleticileri gidermek için 40 dakika boyunca %0,2 sitrik asit (pH 2,5) ile ikincil bir temizliği içerir.^[122] Ortaya çıkan membranlar, önemli ölçüde artan geçirgenlik sergiler—orijinal RO değerleri olan 1-5 L/m²·saat·bar’a kıyasla 100-200 L/m²·saat·bar’a kadar—bununla birlikte daha büyük partiküller için %90’ın üzerinde reddetmeyi koruyarak, atık su veya acı su arıtımı için daha düşük basınçlı filtrasyonda uygulanmalarını sağlar.^[123]

Alternatif kimyasal yaklaşımlar arasında, ultrasonik kavitasyon yoluyla poliamid katmanını bozan ve RO membranlarını 15 dakika gibi kısa bir sürede MF’ye dönüştüren sonikasyon bulunur.^[124] 5000 ppm potasyum permanganat (KMnO₄) çözeltisi ile birleştirildiğinde, bu yöntem 70 kat geçirgenlik artışı (172,6 L/m²·saat·bar’a) sağlar ve tuz reddini %2’nin altına düşürürken, hümik asit ayırma verimliliği yaklaşık %82’dir; bu da onu organik yüklü beslemeler için uygun hale getirir.^[124] Malzeme geri kazanımı için, dimetilformamid (DMF) kullanan çözücü ekstraksiyonu, TFC RO membranlarını delamine ederek, ayrı toplama için polyester dokunmamış ve poliamid katmanları sağlam bırakırken polisülfon orta katmanını çözer.^[125] Çözünen polisülfon su ile çökeltilir, filtrelenir ve klor işlemi ile saflaştırılır, böylece moleküler ağırlıkları ticari derecelerle eşleşen bakir malzemelerle karşılaştırılabilir yüksek saflıkta polimerler (FT-IR, DSC ve TGA ile doğrulanmış) elde edilir.^[125]

Piroliz gibi termal teknikler, yeniden kullanılamayan membranlardan enerji ve malzeme geri kazanımı için bir yol sunar. İnert bir atmosferde 500-600°C’de gerçekleştirilen piroliz, polimerik bileşenleri sentez gazı, piroliz yağı ve kömüre (char) ayrıştırır; TFC RO membranlarından tipik verimler %28 ağırlıkça yağ, %17 ağırlıkça yoğuşmayan gazlar ve %22 ağırlıkça kömürdür.^[126] Kömür, aktif karbon veya noktalar gibi uygulamalar için bir karbon öncüsü olarak hizmet edebilirken, yağ ve gazlar geri kazanılabilir enerji sağlar; %86’ya kadar termal enerji geri kazanımı ve %48,5 kütle azaltımı sağlar.^[127] RO’ya özgü işleme için, spiral sarımlı elemanların sökülmesi, fiberglas dış kasanın ve yapıştırıcının manuel veya mekanik olarak çıkarılmasını, ardından aktif katman soyulduktan sonra UF destekleri olarak yeniden kullanılmak üzere %80’i aşan verimliliklerde geri kazanılan destek kumaşına erişmek için katman ayrımını içerir (2015 sonrası pilot çalışmalarda).^[123] Polyester destek veya kasa gibi kalan bileşenlerin öğütülmesi, beton için dolgu agregaları üretir ve kimyasal girdiler olmadan düşük teknolojili bir geri dönüşüm seçeneği sunar.^[128]

Yenilenmiş RO modülleri, kullanılmış deniz suyu RO’sunun endüstriyel atık su arıtımı için acı su NF veya UF’ye dönüştürülmesi gibi daha düşük dereceli uygulamalara yaygın olarak indirgenir (downcycled); burada 50-100 L/m²·saat akı oranları ve iki değerlikli iyonlar için %70-90 reddetme yeterlidir.^[129] Kullanım ömrü dolmuş RO membranları için küresel geri dönüşüm oranları, öncelikle depolama sahası uygulamaları nedeniyle düşük kalmaktadır, ancak pilotlar, ayırma ve modüler sökme ile iyileştirilmiş geri kazanım potansiyelini göstermektedir.^[128] Ekonomik uygulanabilirlik bu pilotlarda artırılmıştır; pasif oksidasyon sistemleri için modül başına 25-75 € işlem maliyeti, yeni modüller için 400-800 € ile karşılaştırıldığında avantajlıdır, ancak ölçeklendirme zorlukları devam etmektedir.^[123]^[117]

Temel zorluklar arasında, yeniden kullanım uygulamalarında sızmayı önlemek için ek süzme adımları gerektiren çalışma sırasında gömülen ağır metaller (örneğin demir, kurşun) gibi kirleticilerin kapsamlı bir şekilde giderilmesi ve işlem maliyetlerinin (ton başına 50-100 $) ucuz depolama ile rekabet ettiği ancak yeni membran fiyatlarının (~500 $ eşdeğeri) gerisinde kaldığı ekonomik engeller yer alır.^[130] Bunlara rağmen, 2015’ten bu yana, acı su RO’sunu UF’ye dönüştürenler gibi yüksek etkili pilotlar, aktif kimyasal yöntemlere kıyasla %80 destek katmanı geri kazanımı ve %43-52 yaşam döngüsü maliyeti düşüşü göstermektedir.^[123] Genel olarak, bu teknikler membran teknolojisinde döngüselliği teşvik eder ve nanofiltrasyon gibi diğer polimerik türlere genellenebilir.

Uygulamalar

Su Arıtma ve Tuzdan Arındırma

Membran teknolojileri, küresel su kıtlığını ele almak için acı ve deniz suyu kaynaklarından içilebilir su üretimini sağlayarak su arıtma ve tuzdan arındırmada (desalinasyon) çok önemli bir rol oynamaktadır. Ters ozmoz (RO), dünya çapında küresel tuzdan arındırma kapasitesinin yaklaşık %70’ini oluşturarak bu alana hakimdir. 2024 itibarıyla, dünya genelinde 21.000’den fazla tuzdan arındırma tesisi faaliyet göstermekte ve günde 140 milyon metreküpten fazla tatlı su üretmektedir.^[131]^[132]

Tuzdan arındırma süreçlerinde RO, partikülleri, kolloidleri ve mikroorganizmaları gidermek için genellikle hibrit mikrofiltrasyon (MF)-RO sistemleri ile ön arıtma yapılan birincil yöntemdir; bu sayede RO membranlarındaki kirlenme en aza indirilir. MF ön arıtımı, 3’ün altında silt yoğunluğu indeksi (SDI) değerleri sağlayarak, %45-55 geri kazanım oranları ve geleneksel filtrasyona kıyasla azaltılmış kimyasal kullanımı ile kararlı RO çalışmasını garanti eder.^[133] Bu hibrit konfigürasyonlar, özellikle değişken deniz suyu kalitesini ele almada genel sistem güvenilirliğini artırır.

Dikkate değer bir vaka çalışması, 2006’dan beri faaliyette olan, günde 144 megalitre (ML/gün) kapasiteye sahip ve metreküp başına 3,5 kilovat-saat (kWh/m³) enerji tüketimi sağlayan Avustralya’daki Perth Deniz Suyu Tuzdan Arındırma Tesisi’dir. Tesis, tek geçişli RO tipik olarak borun sadece %50-70’ini reddettiğinden, etkili bor giderimi de dahil olmak üzere katı su kalitesi standartlarını karşılamak için iki geçişli bir RO sistemi kullanır ve %90’ın üzerinde genel reddetme için yüksek pH’da ikinci bir geçiş gerektirir. Bu tür tesislerde kirlenme, düzenli temizlik ve optimize edilmiş ön arıtma ile hafifletilen bir zorluk olmaya devam etmektedir.^[134]^[135]

Ekonomik olarak, deniz suyu RO tuzdan arındırma, günlük kapasitenin metreküpü başına 1-2 $ sermaye maliyeti ve üretilen suyun metreküpü başına 0,5-1 $ işletme gideri (OPEX) içerir; membran değişimi, temel ayırmadaki rolleri nedeniyle toplam maliyetlerin yaklaşık %20’sini oluşturur.^[136]^[137]

Deniz suyu RO’sundaki (SWRO) son gelişmeler, hidrolik enerjiyi tuzlu su akışından geri dönüştürerek %97’ye varan verimlilik sağlayan ve modern tesislerde özgül enerji tüketimini 3-4 kWh/m³’e düşüren izobarik sistemler gibi enerji geri kazanım cihazlarını (ERD) içermektedir.^[138]^[139]

Endüstriyel Ayırmalar ve Gaz İşleme

Membran teknolojisi, özellikle gaz işleme ve sulu olmayan sıvı akışları için endüstriyel ayırmalarda çok önemli bir rol oynar ve geleneksel damıtma ve absorpsiyon yöntemlerine enerji tasarruflu alternatifler sunar. Gaz ayırmada, polimerik membranlar, hava ayrıştırma ve doğal gaz yükseltme (upgrading) uygulamalarıyla akışları saflaştırmak için gaz geçirgenliği ve seçicilikteki farklılıklardan yararlanır. Sıvı ayırmaları için ultrafiltrasyon (UF) ve pervaporasyon, sırasıyla gıda ve biyoyakıt üretiminde boyut dışlama ve çözelti-difüzyon mekanizmalarından yararlanarak konsantrasyon ve saflaştırma sağlar. Bu süreçler, membran malzemelerindeki ve modül tasarımlarındaki ilerlemelerle 20. yüzyılın sonlarından bu yana ticari olarak ölçeklenmiştir.

Hava ayrıştırma için polimerik membranlar, öncelikle N₂’den O₂ zenginleştirmeyi hedefler; O₂ afinitesini artırmak için metal iyonları veya polar gruplar içeren kolaylaştırılmış taşıma sistemleri gibi gelişmiş formülasyonlarda yaklaşık 20’ye varan seçiciliklere (αO₂/N₂) ulaşır. Genellikle poli(etilen oksit) veya poliimidlere dayanan bu membranlar, orta derecede basınçlar (4-10 bar) altında çalışır ve tıbbi ve endüstriyel kullanımlarda oksijen üretimi için uygun maliyetli bir yol sağlayarak, enerji kullanımında kriyojenik damıtmayı %50-70 oranında geride bırakır. Ticari benimsenme, yüksek paketleme yoğunluğu nedeniyle içi boş elyaf konfigürasyonlarının hakim olduğu 1990’larda başlamıştır.^[140]^[141]

Doğal gaz işlemede polimerik membranlar, boru hattı özelliklerini karşılamak (<%2-4 CO₂) için CH₄’ten CO₂’yi uzaklaştırır; ticarileşme 1980’lerden sonra selüloz asetat ve poliimid malzemeler kullanılarak hızlanmıştır. Erken sistemler, yüksek CO₂ kısmi basınçlarından kaynaklanan plastikleşmeye direnirken geçirgenlik ve seçiciliği (αCO₂/CH₄ ~20-40) dengeleyerek 1-10 GPU (gaz geçirgenlik birimleri) CO₂ geçirgenliği sergiledi. Bu membranlar, ekşi gaz akışlarında CO₂ içeriğini azaltarak gelişmiş petrol geri kazanımını ve biyogaz yükseltmeyi mümkün kılar; 2000’li yıllarda küresel olarak 100 MMSCFD’ye (milyon standart kübik fit/gün) kadar kapasiteler için 1.000’den fazla ünite kurulmuştur.^[142]^[143]

Sıvı ayırmaları için ultrafiltrasyon, gıda endüstrisinde meyve sularını berraklaştırmak ve konsantre etmek için yaygın olarak uygulanır; pektinler ve proteinler gibi makromolekülleri tutarken şekerlerin ve suyun geçmesine izin verir, %85-95 çözünen madde geri kazanım oranlarına ulaşır ve elma veya portakal suyu gibi ürünler için %10-20 toplam katı madde içeren konsantreler üretir. Bu süreç, çapraz akış koşulları altında 20-50 L/m²saat akı oranları ile besin kalitesini ve aroma bileşiklerini termal buharlaşmadan daha iyi korur. Biyoyakıt üretiminde, zeolit membranlar kullanan pervaporasyon, etanol-su karışımlarını %99’un üzerinde saflığa kadar kurutur; düşük sıcaklıklarda (60-80°C) seçici su giderimi için hidrofobik gözeneklerden (örneğin, silikalit-1) yararlanarak enerji maliyetlerini damıtmaya kıyasla %40 azaltır. Özellikle LTA zeolit membranlar, su/etanol için 100’den büyük ayırma faktörleri göstererek fermantasyon sularından yakıt sınıfı etanol elde edilmesini sağlar.^[144]^[145]^[146]

1980’lerden ufuk açıcı bir vaka çalışması, Alaska’daki Prudhoe Körfezi doğal gaz tesisini içerir; burada erken membran sistemleri CO₂ seviyelerini yaklaşık %12’den %4’e düşürerek korozyon risklerini en aza indirirken gazın yeniden enjeksiyonunu ve boru hattı taşımacılığını kolaylaştırdı; Cynara (şimdi Air Products’ın bir parçası) tarafından yapılan bu dağıtım, %90’ın üzerinde CO₂ geri kazanım verimliliği ile 50 MMSCFD işleyerek ilk büyük ölçekli uygulamalardan biri oldu. Biyofarmasötiklerde, diyafiltrasyon (UF/DF) ile birleştirilen UF, virüsleri protein çözeltilerinden uzaklaştırarak, polisülfon membranlar (MWCO 30-300 kDa) kullanarak >20-30 nm virüsler için >4-6 log azalma sağlar ve monoklonal antikor üretiminde sert kimyasallar olmadan steriliteyi garanti eder. Bu uygulamalar, membranların yüksek değerli ayırmalardaki sağlamlığını vurgulamaktadır.^[147]^[148]

Gaz ayırma membran pazarı, genel membran endüstrisinin yaklaşık %20’sini oluşturur ve maliyet etkinliği nedeniyle %60-70 paya sahip polimerik türlerle 2024 yılında yaklaşık 1,5 milyar ABD Doları değerindedir. Büyüme, Paris Anlaşması (2015) sonrasında, özellikle membranların baca gazlarından %90 CO₂ yakalamayı amin sistemi maliyetlerinin <%20’si ile sağladığı karbon yakalama ve depolama (CCS) alanında hızlanmış olup, net sıfır hedefleriyle %7-8 YBBO (Yıllık Bileşik Büyüme Oranı) ile 2030 yılına kadar 2,2 milyar ABD Dolarına pazar genişlemesi öngörülmektedir. Spiral sarımlı ve plaka-çerçeve konfigürasyonlarına kısaca değinilse de, içi boş elyaf modülleri, bu sektörlerdeki ölçeklenebilirlikleri nedeniyle kurulumlara hakimdir.^[149]^[150]