Yeni Buluş Daha Temiz Suyu Daha az Enerjiyle Filtreye İhtiyaç Duymadan Üretiyor

Karbondioksit kirli suyun kimyasını, su içerisindeki moleküllerin kanalın diğer tarafına geçmesini ve kirli ve temiz akımların ayrılmasını sağlayarak değiştirmektedir.

Soda için kullanılan aynı teknoloji, artık kirli sudan partikülleri ayırmak için kullanılabilmektedir. Princeton Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, pahalı ve karmaşık filtrelere olan ihtiyacı ortadan kaldıran düşük maliyetli bir su arıtma tesisinde, karbondioksit kullanmak için yeni bir teknik buldular.

Bu sistem, partikülleri filtreleme metodu olarak karbondioksit gazını su akımına enjekte etmektedir. Kanal sisteminde su ile karışan karbondioksit gazı, geçici olarak suyun kimyasını değiştirmektedir. Bu kimyasal değişimler, suyu kirleten moleküllerin elektriksel yüklerine bağlı olarak kanalın bir tarafına hareket etmesine sebep olmaktadır. Araştırmacılar, moleküllerin bu hareketinden faydalanarak, su akımını bölebilmekte ve askıda kalan partikülleri ayırabilmektedir.

Manoa’daki Hawaii Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde Yrd. Doç. Dr. Sangwoo Shin, ‘’Bakteri ve kir parçacıkları bulunduran gölet ve nehirlerden suyu temizlemek için potansiyel olarak bu yöntemi kullanabilirsiniz’’ dedi. Prosesi açıklayan makalenin baş yazarı Shin, bu araştırmayı, Howard Stone, the Donald R. Dixon ’69 and  Princeton Üniversitesi  Makine ve Havacılık Mühendisliği profesörü Elizabeth W. Dixon’ın laboratuvarında dokrora sonrası araştırmacı olarak gerçekleştirdi.

2 Mayıs’ta ‘’ Nature Communications’’ dergisinde yayınlanan makalede, araştırmacılar, klasik mikro-filtrasyon yöntemlerine kıyasla molekülleri 3 kat daha etkili bir şekilde ayırmayı sağlayan laboratuvar ölçekli filtreyi nasıl tasarladıklarını anlattılar. Akıştan sorumlu pompanın yanında, hareket eden tek parçası şişelenmiş karbondioksit olan bu sistem düşük enerjilidir ve tıkanabilen ve değiştirilmesi gereken fiziksel bir filtre veya membrana ihtiyaç duymamaktadır.

Karbondioksit, suyun kimyasını onu yavaşça asidik hale getirerek değiştirmektedir. Karbonik asidin tadı pek çok soda içinde bilinmektedir ve karbonik asidin yokluğu sodanın tadında olumsuz bir etkiye sebep olmaktadır. Kimyasal açıdan ise asitlik, karbondioksitin suda çözündüğünde iyon adı verilen yüklü parçacıklar oluşturması anlamına gelmektedir. Bu iyonlardan birisi olan pozitif yüklü hidrojen atomu, su çözeltisi içerisinde hızlıca hareket etmektedir. Diğer, negatif yüklü bikarbonat molekülü ise daha yavaş hareket etmektedir. İyonların su içerisindeki hareketi, zor algılanan bir elektrik alan oluşturmaktadır. Bu elektrik alan, negatif ve pozitif yüklere sahip olan partikülleri su içerinde, su akımının bir tarafına doğru çekmektedir.

Pek çok atık madde belirli miktarda yüzey yüküne sahip oluğu için elektriksel alan, bu molekülleri sudan ayırmak için etkili bir yoldur. Araştırmacıların cihazı, atık maddeleri akışın bir tarafına çekerek ve sonrasında suyu iki kanala bölerek bu elektriksel ayırmadan avantaj sağlamaktadır. Bu kanallardan bir tanesi atık maddeleri içeren suyu taşırken, bir diğeri ise temiz suyu tutmaktadır. Sistem, herhangi bir membran ya da mekanik filtreye sahip olmadığı için tıkanma bu sistem için bir problem değildir.

Araştırmacıların, elektrik alanını korumak için, iyonları su kanalları boyunca hareketli halde tutmaları gerekiyordu. Bunu, kanal duvarlarını karbondioksite geçirgen bir malzemeyle yaparak gerçekleştirdiler. Bu malzeme, bu sistem için silikon kauçuktu (polidimetilsiloksan). Basınçlı karbondioksit, kanalın bir duvarı boyunca difüze olur ve diğer alana nufüz eder. Shin, kanalların kapatılmış olması durumunda, tasarımcıların karbondioksiti daha sonraki kullanım için yakalayabileceklerini belirtti. Proses bittiğinde, suyun normal seviyede karbondioksit içermesi yani suyun karbonatlı olmaması için, çözünmüş karbondioksit, suyu havaya maruz bırakarak kolayca sudan ayrılabilmektedir.

Araştırmacılar bu tekniği, koloidal parçacıkların hareketlerini, tatlı ve tuzlu kütleleri arasındaki ara yüz için kullanılan bir terim olan tuz gradyanında incelerken farkettiler. Bir tuz gradyanında, iki çözeltisinin kimyası arasındaki fark, partiküller üzerine basınç oluşturmaktadır. Shin, araştırmacıların bu olgunun filtre olarak yararlı olabileceğini fark ettiklerinde, yüklü parçacıkların tuzlu sudaki hareketini gözlemliyor olduklarını belirtti.

Sodyum klorür (tuz), filtrasyondan sonra su içersinde kalacağı için suyun saflaştırılmasında yararlı olmayacaktı. Bu yüzden, araştırmacılar, ucuz olduğu, insanlar için zararlı olmadığı ve açıldığında sudan ayrılması kolay olduğu için sodyum klorür yerine karbondioksiti kullanmayı düşündüler.

Araştırmacılar, çözelti içerisindeki partikülleri kontrol etme yöntemi olarak çözünen bir gazın kullanmı, suyun filtrasyonun ötesinde endüstriyel yada bilimsel uygulamalara sebep olabilir. Stone, ‘’ Bu araştırmada keşfedilen ilkelerin, farklı araştırma alanları üzerinde de etkili olacağını umuyoruz’’ diyor.

Shin, karbondioksit sisteminin herhangi bir kurulum ve filtre değişimi gerektirmediği için özellikle gelişen dünyada yararlı olabilceğini belirtiyor. Ayrıca, bu fikir taşınabilir sistemler için de faydalı olabilir. Bununla birlikte, bu sistem, nispeten daha az maliyetlidir, sadece karbondioksit kaynakğı gerekmektedir.

Shin, ‘’Bu sistem kesinlikle, günlük standardları karşılayacak şekilde  yüz litreye kadar  saatte çıkabilir.’’ diyor.

Bu sistemin bir başka kullanımı, tuz ayrıştırma tesislerine ek proses olarak katılmasıdır. Pek çok tuz ayrıştıma işleminde, tuzu sistemden ayırmak için membranlar kullanılmaktadır. Fakat, virüs ve bakteriler dahil pek çok biyolojik partikül membrandan geçebilmektedir. Shin, karbondioksit sisteminin, bu partikülleri, tuz ayırma membranından geçmeden önce ya da sonra ayırabileceğini ve suyun klor gibi kimyasallar ile muamele edilme ihtiyacının azalacağını belirtiyor.

Shin, şimdi  sistemin su arıtma tesislerinde olası kullanımı için, sistemi ölçeklendirme yöntemleri üzerine çalışmaktadır. Shin, temel bilmin işe yaradığını ancak, daha büyük ölçekte karbondioksit filtreleri üretmek için mühendislik gerektiğini belirtiyor.

Ayrıca Shin, ‘’ Hawaii’de temiz su problemimiz var, umuyoruz ki, bu filtreleri daha büyük boyutlarda üreterek bu problemin çözümüne yardımcı olacağız. ‘’ diyor.

Kaynak: sciencedaily.com