Dünyadaki çoğu insan tatlı suyu göllerden ve nehirlerden alır . Ancak bunlar dünya suyunun sadece %0,007’sini oluşturuyor. İnsan nüfusu arttıkça, tatlı suya olan talep de arttı. Şimdi, dünyadaki her üç kişiden ikisi , yılda en az bir ay şiddetli su kıtlığı ile karşı karşıya.
Deniz suyu ve atık su gibi diğer su kaynakları, artan su ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılabilir. Ancak bu su kaynakları tuzla doludur ve genellikle toksik metaller gibi kirleticiler içerir . Bilim adamları ve mühendisler, tuzları ve toksinleri sudan uzaklaştırmak için yöntemler geliştirdiler, tuzdan arındırma adı verilen işlemler. Ancak mevcut seçenekler, özellikle çok fazla adım gerektirdikleri için pahalı ve enerji yoğundur . Mevcut tuzdan arındırma teknikleri de çok fazla atık yaratıyor. Bazı tuzdan arındırma tesislerine verilen suyun yaklaşık yarısı , uzaklaştırılan tüm tuzları ve toksinleri içeren atık su olarak kayboluyor.
Kimya ve biyomoleküler mühendislik alanında doktora öğrencisiyim ve yakın zamanda tuzdan arındırmayı daha verimli, atıkları daha kolay yönetebilen ve su arıtma tesislerinin boyutunu küçültebileceğini umduğumuz yeni bir su arıtma yöntemi geliştiren bir ekibin parçasıyım. Bu teknoloji, toksik metalleri hedefleyip yakalayabilen ve aynı zamanda sudan tuzu çıkarabilen yeni bir filtre tipine sahiptir.
Hepsi bir arada filtre tasarlama
Hem metalleri yakalayan hem de tuzu giderebilen tek bir filtre oluşturmak için, meslektaşlarım ve benim öncelikle sudan birçok farklı kirleticiyi (çoğunlukla ağır metalleri) kaldırabilecek bir malzemeye ihtiyacımız vardı. Bunu yapmak için gözenekli aromatik çerçeveler adı verilen küçük, emici parçacıklara yöneldik . Bu parçacıklar, bireysel kirleticileri seçici olarak yakalamak için tasarlanmıştır. Örneğin, bir tür emici parçacık yalnızca cıva yakalayabilir . Diğer tipler özellikle sadece bakır , demir veya boronları çıkarır . Daha sonra bu dört farklı partikül türünü ince plastik zarlara yerleştirdim, esasen zara koyduğum partikül türüne göre kirleticileri yakalayacak özel filtreler yarattım.
Bir meslektaşım ve ben bu membran filtreleri bir elektrodiyaliz su arıtma cihazına yerleştirdik . Elektrodiyaliz, tuzları ve toksinleri sudan, bir zardan ve ayrı bir atık akışına çekmek için elektrik kullanan bir yöntemdir. Genellikle tuzlu su olarak adlandırılan bu atık , toksik hale gelebilir ve mevcut tuzdan arındırma süreçlerinde bertaraf edilmesi pahalı olabilir.
Ekibimin iyon yakalamalı elektrodiyaliz adı verilen modifiye işleminde umudumuz, küçük metal emici parçacıklarla dolu zarların, tuzlu suya hareket etmelerine izin vermek yerine toksik metalleri yakalamasıydı. Bu, enerji açısından verimli bir şekilde aynı anda üç fayda sağlayacaktır: Tuzlar ve metaller sudan uzaklaştırılacaktır; toksik metaller küçük, kolayca atılabilir bir zar içinde tutulabilir veya hatta potansiyel olarak yeniden kullanılabilir; ve tuzlu atık akışı toksik olmayacaktır.
İyon yakalayıcı elektrodiyaliz ne kadar etkilidir?
Ekibimiz bu membranları başarıyla yaptıktan sonra onları test etmemiz gerekiyordu. Yaptığım ilk test , hem cıva hem de tuz içeren üç kaynaktan gelen suyu arıtmak için cıva yakalayan emicilerle gömülü kullanılmış membran filtreler kullandım : yeraltı suyu , acı su ve endüstriyel atık su. Ekibimizin heyecanına göre, zarlar her testte tüm cıvaları yakaladı. Ek olarak, zarlar tuzdan kurtulma konusunda da harikaydı, kirli sudan %97’den fazlası çıkarıldı. Yeni elektrodiyaliz makinemizden sadece bir kez geçtikten sonra su mükemmel bir şekilde içilebilir hale geldi. Önemli olan, daha fazla deney filtredeki neredeyse tüm emici parçacıklar tükenene kadar hiçbir cıvanın filtreden geçemeyeceğini gösterdi.
Meslektaşlarım ve benim iyon yakalama elektrodiyaliz sürecimizin diğer yaygın zararlı metaller üzerinde çalışıp çalışmayacağını görmemiz gerekiyordu. Bakır , demir veya bor için emiciler içeren üç membran filtreyi test ettim . Her filtre başarılıydı. Her filtre, tuzlu suya geçen herhangi bir tespit edilebilir miktar olmadan hedef kirleticilerin tümünü yakalarken, aynı anda sudaki tuzların %96’sından fazlasını gidererek suyu kullanılabilir koşullara arıttı.
Kalan zorluklar
Sonuçlarımız, yeni su arıtma yöntemimizin, sudan tuzu çıkarırken aynı zamanda birçok yaygın kirleticiyi seçici olarak yakalayabildiğini gösteriyor. Ancak hala çözülmesi gereken başka teknolojik zorluklar var.
İlk olarak, meslektaşlarım ve benim membrana karıştırdığımız oldukça seçici emici parçacıklar – gözenekli aromatik çerçeveler – seri üretilen filtrelere koymak için çok pahalı. Bunun yerine filtrelere daha ucuz – ancak daha düşük kaliteli – emiciler yerleştirmek muhtemelen mümkündür, ancak bu, su arıtma performansını kötüleştirebilir.
İkincisi, benim gibi mühendislerin hala iyon yakalama elektrodiyalizi laboratuvarda kullanılanlardan daha büyük ölçeklerde test etmesi gerekiyor. Laboratuardan endüstriye bu geçiş sırasında genellikle yeni teknolojilerde sorunlar ortaya çıkabilir.
Son olarak, su arıtma tesisi mühendislerinin, membran emicileri maksimuma çıkmadan hemen önce süreci duraklatmanın bir yolunu bulması gerekecek. Aksi takdirde, toksik kirleticiler filtreden tuzlu su atık suyuna sızmaya başlayacaktır. Mühendisler daha sonra filtreyi değiştirdikten sonra veya metalleri filtreden çıkardıktan ve ayrı atık olarak topladıktan sonra işlemi yeniden başlatabilir.
Çalışmamızın, tatlı sudan daha bol – ancak daha kirli – su kaynaklarını verimli ve etkili bir şekilde arıtabilecek yeni yöntemlere yol açacağını umuyoruz. İş gerçekten buna değer. Sonuçta, su kıtlığının etkileri hem, dev sosyal ve dünya çapında düzeyde.
Kaynak: The Conversation
