Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Su kıtlığı dünya çapında gittikçe büyüyen sorundur. Sadece Afrika'da 2025 yılına kadar yaklaşık 230 milyon insanın su kıtlığı ile karşı karşıya olacağı ve su sıkıntısı çeken bölgelerde 460 milyona yakın kişinin su kıtlığı yaşayacağı tahmin edilmektedir.

Su, Dünya'nın yüzde 70'ini oluşturur. Bu nedenle her zaman bol olacağını varsaymak pek de zor değildir, ancak tatlı su sandığınızdan çok daha az. İşte bu sebeple tatlı su üretebilmek için geliştirilen teknolojiler ile tuzdan arındırma tesisleri kurulmuştur. Öte yandan suyu tuzdan arıtan bu tesislere getirilen suyun yaklaşık yarısı içilebilir suya dönüştürülür.

Deniz suyunu tuzdan arındırma içme suyu üretmenin köklü bir yolu olmasına rağmen yüksek bir enerji maliyeti çok büyük bir dezavantajdır. Araştırmacılar, flor bazlı nano yapıları kullanarak ilk kez tuzu sudan başarıyla filtrelediler. Bu florlu nano kanallar; daha hızlı çalıştıkları, daha az basınç kullandıkları, daha etkili bir filtre oldukları ve daha az enerji kullandıkları için suyu tuzdan arıtan geleneksel teknolojilerden daha etkilidir.

Daha önce kullandıysanız muhtemelen ıslak malzemelerin yapışmaz teflon kaplı bir tavada nasıl zahmetsizce kaydığını görmüşsünüzdür. Doğal olarak su itici veya hidrofobik olan hafif bir bileşen olan flor, teflonun çok önemli bir bileşenidir. Teflon kullanılarak boruları kaplamak su akışını artırmak için de kullanılabilir. Tokyo Üniversitesi Kimya ve Biyoteknoloji Bölümü'nden Doçent Yoshimitsu Itoh ve meslektaşları da teflonun bu özelliğinden etkilendiler. Böylece araştırmacılar, flor boru hatlarının veya kanallarının farklı bir ölçekte, yani nano ölçekte nasıl çalışabileceğini araştırmak için ilham aldılar.

Enerjiyi ve dolayısıyla finansal maliyeti azaltmak ve aynı zamanda suyu tuzdan arındırmanın daha kolay hale getirmek, dünya çapında güvenli içme suyuna erişimi artırabilmek su sıkıntısı çeken toplumlar için yardımcı olabilir. Kaynak: 2022 Itoh ve ark.

Itoh, "Florlu bir nanokanalın, özellikle su ve tuz gibi farklı bileşikleri seçici olarak filtrelemede ne kadar etkili olabileceğini merak ediyorduk. Bazı karmaşık bilgisayar simülasyonlarını çalıştırdıktan sonra, çalışan bir örnek oluşturmanın zaman ve çabaya değeceğine karar verdik. Şu anda suyu tuzdan arındırmanın iki ana yolu vardır: Şu anda suyu tuzdan arındırmanın iki ana yolu vardır: İlki termal olarak deniz suyunu saf su olarak yoğunlaştıracak şekilde buharlaştırmak için ısı kullanmak ya da ozmozu tersine kullanarak yani suyu tuzu bloke eden bir zardan yüksek bir basınç ile geçirerek. İki yöntem de çok fazla enerji gerektirir, ama testlerimiz florlu nano kanalların çok az enerji gerektirdiğini ve başka faydaların da olduğunu göstermektedir” dedi.

Araştırmacılar nüfuz edilemez bir lipid tabakasına istiflenen ve implante edilen nanoskopik flor halkalarını kimyasal olarak üreterek test filtrasyon membranları geliştirdiler. Ardından araştırmacılar boyutları 1 ila 2 nanometre arasında değişen nano halkalara sahip çoklu test örnekleri geliştirdiler. Aklınızda daha iyi kalabilmesi için bir karşılaştırma yaparsak boyutları bir insan saçının neredeyse 100 bin nanometre genişliğindedir. Itoh ve meslektaşları, zarlarının etkinliğini belirlemek için tuzun ana bileşenlerinden biri  olan klor iyonlarının (diğeri sodyum) varlığını test zarının her iki tarafında değerlendirdiler.

Itoh, “Sonuçları ilk elden görmek çok heyecan vericiydi. Test kanallarımızın küçüğü, gelen tuz moleküllerini mükemmel bir şekilde engelledi ve daha büyük kanallar da diğer tuzdan arındırma tekniklerine, hatta son teknoloji karbon nano tüp filtrelerine göre yine de iyi bir gelişmeydi. Benim için asıl sürpriz sürecin ne kadar hızlı gerçekleştiğiydi. Örneğimiz, tipik endüstriyel cihazlardan birkaç bin kat daha hızlı ve deneysel karbon nano tüp tabanlı arıtma cihazlarından yaklaşık 2400 kat daha hızlı çalıştı” dedi.

Flor elektriksel olarak negatif olduğundan, tuzda bulunan klor gibi negatif iyonları iter, ama bu olumsuzluğun ek bir avantajı, su kümeleri olarak bilinen, esasen gevşek bağlı su molekülü gruplarını da parçalamasıdır. Böylelikle su molekülleri kanallardan daha hızlı geçerler. Ekibin flor bazlı suyu tuzdan arıtan zarları daha etkili ve daha hızlı çalışmak için daha az enerji gerektiriyor ve aynı zamanda kullanımı da çok basit hale getirildi. Peki, sorun nedir?

Itoh, “Şu anda materyallerimizi sentezleme yöntemimiz nispeten yoğun enerjilidir, ancak bu ileriki araştırmalarda geliştirmeyi istediğimiz bir şey. Zarların uzun ömürlülüğü ve düşük işletme maliyetleri göz önüne alındığında, toplam enerji maliyetleri mevcut yöntemlerden çok daha düşük olacaktır. Atmak istediğimiz diğer adımlar da elbette bunu büyütmek. Test numunelerimiz tekli nano kanallardı, fakat diğer uzmanların yardımıyla birkaç yıl içinde yaklaşık 1 metre çapında bir zar oluşturmayı umuyoruz. Bu üretim endişelerine paralel olarak karbondioksit veya endüstri tarafından salınan diğer istenmeyen atık ürünleri azaltmak için benzer zarların kullanılıp kullanılamayacağını da araştırıyoruz.

Makale: “Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface” by Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V. Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato and Takuzo Aida, 12 May 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abd0966