MIT Araştırmacıları Kirleticileri Sudan Temizlemenin Yeni Yollarını Geliştiriyor

Araştırmacılar, sudan düşük seviyelerde bile istenmeyen bileşiklerin uzaklaştırılması için yeni bir yöntem geliştirdiler. Yeni yöntem pestisitler, kimyasal atıklar ve farmasötik maddeler gibi organik kirleticileri seçici olarak uzaklaştırmak için elektrokimyasal bir işleme dayanıyor.

Elektrokimyasal yöntem, çok küçük miktardaki kirliliği bile uzaklaştırabilir.

Çok seyreltik konsantrasyonlarda kirliliklerin sudan uzaklaştırılmasına gelince, mevcut ayırma yöntemleri enerji -ve kimyasal- yoğunluk kazanma eğilimindedir. Şimdi, MIT’de geliştirilen yeni bir yöntem, aşırı düşük seviyelerde bile istenmeyen bileşiklerin alınması için seçici bir alternatif sağlayabilir.

Yeni yaklaşım, MIT doktora sonrası araştırmacılar Xiao Su, Ralph Landau, Kimya Mühendisliği Profesörü T. Alan Hatton ve MIT’de ve Almanya’daki Darmstadt Teknik Üniversitesi’nde diğer beş kişi tarafından Energy and Environmental Science dergisinde tanımlandı.

Sistem, pestisitler, kimyasal atıklar ve farmasötik maddeler gibi organik kirleticileri, küçük ancak tehlikeli konsantrasyonlarda bile olsa seçici olarak uzaklaştırmak için elektrokimyasal bir işleme dayanan yeni bir yöntem kullanmaktadır. Aynı zamanda bu yaklaşım, asitlik dalgalanmaları ve rekabet eden yüzey reaksiyonlarının bir sonucu olarak ortaya çıkabilecek performans kayıpları gibi geleneksel elektrokimyasal ayırma yöntemlerinin kilit sınırlamalarını da ele almaktadır.

Xiao Su, “Bu gibi seyreltik kirleticilerle uğraşan mevcut sistemler, düşük konsantrasyonlarda pahalı ve düşük etkililiğe sahip membran filtrelemeyi ve genellikle yan reaksiyonlar üreten yüksek gerilimler gerektiren elektrodiyaliz ve kapasitif deiyonizasyonu içeriyor” diyor. Bu işlemler, fazla arka plan tuzlarıyla engellenir.

Yeni sistemde su, pozitif ve negatif elektrot olarak işlev gören kimyasal olarak işlenmiş veya “işlevselleştirilmiş” yüzeyler arasında akar. Bu elektrot yüzeyleri, pozitif veya negatif yüklenmeye tepki verebilen Farada malzemesi olarak adlandırılan maddeler ile kaplanır. Bu aktif gruplar, ekibin ibuprofen ve çeşitli pestisitleri kullandıklarını gösterdiği gibi belirli bir kirletici molekül türüne kuvvetle bağlanacak şekilde ayarlanabilir. Araştırmacılar, bu işlemin milyonlarca parçacık konsantrasyonunda bile bu tür molekülleri etkin bir şekilde uzaklaştırabildiğini bulmuşlardır.

Önceki çalışmalar genellikle iletken elektrotlara veya sadece bir elektrot üzerinde işlevselleştirilmiş plakalara odaklanmıştır, fakat bunlar çoğunlukla kirletici bileşikler üreten yüksek voltajlara ulaşır. Araştırmacılar, asimetrik konfigürasyonda hem pozitif hem de negatif taraflarda uygun şekilde işlevselleştirilen elektrotlar kullanarak, bu yan reaksiyonları hemen hemen tamamen ortadan kaldırdılar. Ayrıca, bu asimetrik sistemler ot ilaçları (paraquat ve quinchlorac) ile kanıtladığı gibi aynı zamanda hem pozitif hem de negatif toksik iyonların seçici olarak uzaklaştırılmasına izin verir.

Xiao Su, “Ayrıca, aynı seçici işlem kimyasal veya farmasötik bir üretim tesisinde atık olan yüksek değerli bileşiklerin geri kazanılmasına uygulanmalıdır” diyor. “Sistem, çevresel iyileştirme, toksik organik kimyasal uzaklaştırma ya da katma değerli ürünleri kurtarmak için bir kimyasal tesiste kullanılabilir çünkü azınlık iyonunu karmaşık birçok iyonlu sistemden çıkarmak için kullanılan aynı prensibe dayanmaktadır.”

Xiao Su, “Sistem, doğası gereği son derecede seçicidir ancak pratikte, uygulamaya bağlı olarak sırayla çeşitli bileşiklerin ele alınması için çok aşamalı olarak tasarlanmıştır” diyor. “Bu tür sistemler en sonunda yararlı olabilir,” diyor, “dünyada gelişmekte olan uzak alanlardaki su arıtma sistemleri için pestisit, boyalar ve diğer kimyasallardan kaynaklanan kirlilik su kaynağında genellikle bir sorundur. Yüksek verimli, elektrikle çalışan sistem, örneğin kırsal alanlardaki güneş panellerinden güç alabilir.”

Hatton, “Yüksek basınç gerektiren membran temelli sistemlerin ve yüksek voltajda çalışan diğer elektrokimyasal sistemlerin aksine, yeni sistem nispeten iyi huylu düşük voltaj ve basınçlarda çalışıyor” diyor. Yakalanan bileşiklerin salınması ve emici maddelerin yenilenmesinin kimyasalların eklenmesini gerektirdiği geleneksel iyon değişim sistemlerinin aksine, “bizim durumumuzda elektrotların polaritesini değiştirerek aynı sonuca ulaşmak için bir anahtarı çevirme”nin mümkün olduğuna dikkat çekmektedir.

Araştırma ekibi, J-WAFS Solutions ve Massachusetts Clean Energy Catalyst yarışmalarının hibeleri dâhil olmak üzere su arıtma teknolojisinin devam eden geliştirilmesi için şimdiden bir onur serisi kurdu ve geçen yıl MIT Su Yenilikçiliği Ödülü sahibi oldular. Araştırmacılar yeni süreç hakkında patent başvurusunda bulundular. Hatton “Bunu gerçek dünyada kesinlikle uygulamak istiyoruz” diyor. Bu arada, prototip cihazlarını laboratuvarda ölçeklendirme ve kimyasal sağlamlığı geliştirme üzerinde çalışıyorlar.

Bu işte yer almayan İsrail’deki Technion Teknoloji Enstitüsünde makine mühendisliği asistanı Matthew Suss, “Bu teknik, temelde seçici olmayan elektrokimyasal sistemlerin özelliklerini önemli kirleticilerin uzaklaştırılmasına doğru genişletildiği için oldukça önemlidir” diyor. “Gelişmekte olan birçok su arıtma tekniklerinde olduğu gibi, gerçek dünya koşulları altında uzun süre dayanıklılığını kontrol etmek için hala test edilmelidir. Bununla birlikte, prototip sistemi 500 döngü üzerinde gerçekleşti, bu son derece umut vericidir.”

Bu konuyla ilgili olmayan Illinois Üniversitesi’nde Mekanik ve Mühendislik Profesörü olan Kyle Smith, “Bu araştırmacılar, sistematik olarak çeşitli cihaz konfigürasyonlarını ve çeşitli kirleticileri araştırdılar” diyor. “Bu süreçte, kirleticilerin seçici olarak uzaklaştırılabilmesi için genel tasarım ilkeleri belirlediler. Bu bağlamda, Hatton ve meslektaşlarının çalışmasını çok titiz ve düşünceli buluyorum. Diğer araştırmacıların rekabet edebilecekleri bir çerçeve veya paradigma sağlar.”  Fakat  “Bu teknolojilerin büyütülmesi geriye kalmış önemli bir sorundur.” diye ekliyor.

Ayrıca, Kai-Jher Tan, Johannes Elbert ve Robert R. Taylor, MIT’de Kimya Profesörü Timothy Jamison ve Darmstadt Teknik Üniversitesi’nden Christian Ruttiger ve Markus Gallei de ekipte yer almaktadır. Çalışma, MIT’deki Abdul Latif Jameel Dünya Su ve Gıda Güvenlik Laboratuvarı’ndan (J-WAFS) alınan bir hibe desteği ile desteklendi.

Kaynak: news.mit.edu

Author

İnovatif Kimya Dergisi aylık olarak çıkan bir e-dergidir. Kimya ve Kimya Sektörü ile ilgili yazılar yazılmaktadır.