Sürdürülebilir Tuz Giderme için Kendi Kendini Temizleyen Membranlar

Masdar Enstitüsü’ndeki Mekanik ve Malzeme Mühendisliği Profesörü Dr. Raed Hashaikeh tarafından geçen hafta İspanya’da düzenlenen 3.Membran Teknolojisiyle Tuz Giderme Konferansı sırasında açılış konuşmasında, Masdar Enstitüsü’nde geliştirilen elektriksel olarak iletken nanofiberlerden geliştirilmiş bir su arıtma membranı vurgulanmıştır.

Kendi kendini temizleyen membranlar, zar yüzeyinde organik ve inorganik birikintilerin oluşmasıyla kirlerin filtreleme kabiliyetini azaltmasıyla birlikte kirlenme sorununa kritik bir çözüm sunar. Kirli olduklarında kendilerini kolayca temizleyebilen su arıtma ve saflaştırma membranları, suyu daha etkili enerji verimliliği ile saflaştırma ve tuzdan arındırmak için basınç uygulamalı zar filtrasyon sistemleri yapılabilir.

Dr. Hashaikeh: “Membranların temiz, geçirgen ve işlevsel tutulması, tuz arıtma membranları için büyük zorluktur. Bir membran kirlendiğinde gözenekleri tıkanır ve akısı önemli ölçüde azalır, bu da sabit basınçta membrandan daha az su geçebileceği anlamına gelmektedir” diye belirtmiştir.

Kirli zarların temizlenmesi için kullanılan geleneksel yöntemler pahalı ve zorlu kimyasal işlemler gerektirir, bu durum genellikle su arıtma tesislerinin kapatılması ve operasyonel saatlerde milyonlarca doların kaybına sebep olmaktadır.

Ağır bir finansal zarar getirmesinin yanı sıra kirli membran zarları da sürdürülebilirlik meselesidir, bir membran zarı zararsız hale geldiğinde, tıkanmış gözeneklerle suyu itmek için daha yüksek basınç uygulanması, tesisin enerji tüketimini önemli ölçüde arttırmaktadır. Kirli membran zarlarının temizlenmesi için kullanılan sert kimyasallar çevre için kötüdür ve nötralize edilmesi gereklidir. Bundan dolayı kirli membranları kolayca ve çabucak temizlemenin bir yolunu bulmak sadece finansal açıdan mantıklı değil çevresel açıdan da önemlidir.

Birleşik Arap Emirlikleri gibi ülkelerde, doğalgazla çalışan termal tuzdan arındırma ile ülkenin yerli suyunun %80’inden fazlası üretilir, yenilikçi teknolojilere benzer olarak düşük enerjili ve düşük maliyetli membrana dayalı tuzdan arındırmaya yönelik kendini temizleyen membranlar; Birleşik Arap Emirlikleri’nin su taleplerini karşılarken ekonomik ve çevresel dengeyi sağlamayı amaçlar.

Son zamanlarda Dr. Hashaikeh’nin araştırma grubu, kendi kendini temizleyen membranlar için gelişmiş nanofiberlerin uygulanması üzerine araştırmalarıyla Birleşik Arap Emirlikleri’ni tuz giderimi membranları için daha sürdürülebilir ve ekonomik bir yaklaşım geliştirmişlerdir.

Grup, karbon nanotüpleri (CNT) adı verilen, özel bir nanofiber türünün elektriksel olarak iletkenliğini geliştirmiştir. Karbon nanotüpler, sıkıca bağlanmış karbon atomlarından yapılmış, sadece bir atom kalınlığını ölçen küçük silindirik borulardır. Ancak Dr. Hashaikeh ve çalışma ekibinin kullandığı karbon nanotüpler, sıradan karbon nanotüpler değildir, bunlar küresel güvenlik, uzay ve bilgi teknolojisi şirketi Lockheed Martin tarafından sağlanmaktadır.

Dr. Hashaikeh: “Lockheed Martin tarafından sağlanan karbon nanoyapıları özel yapılardır ve bu yapılar ağa bağlıdır. Bu onların her yönden ayrılmış birbirleriyle bağlantılı bir çok kanaldan oluştuğu anlamına gelir. Bu bağlantı, elektrolit uygulandığında tüm membranın tamamen temizlenmesini sağlayan şeydir” diye belirtmiştir.

Karbon nanoyapıları (CNS) olarak bilinen ağa bağlı karbon nanotüpleri, çalışma ekibinin geliştirilmiş membran üretim bilgisiyle birleştirildiğinde, membranlara düşük voltajlı bir elektrik akımı geçirildiğinde kendilerini temizleyebilen iki farklı membran türü geliştirmişlerdir.

Birinci tip, 100 nanometre ile 10 mikrometre arasında değişen gözenek boyutlarına sahip olan mikrofiltrasyon membrandır, burada bir nanometre; bir insanın saçının genişliğinden yaklaşık yüz bin kat daha küçüktür ve mikrometre ise bir nanometreden bin kat daha büyüktür. İkincisi, 1 ile 10 nanometre arasında değişen gözenek boyutlarına sahip nanofiltrasyon membranıdır. Her iki membranda elektrik şokuna tepki olarak kendilerini temizleme kabiliyetine sahip olduklarını göstermiş ve bu da zarların akısının kısa sürede yenilenmesi gerekliliğine sebep olmuştur.

Dr. Hashaikeh’in kendi kendini temizleyen membran araştırması 4 yıl önce başladı, elektrolitik temizlemenin (Bir metalin yüzeyinden toprak, ölçek veya korozyonun elektrik akımına maruz bırakılarak uzaklaştırılması işlemi) membranları temizlemek için kullanılabileceğinin farkına  vardı. Teorisini ispatlamak için bir membranı normal karbon nanotüpler ile kapladı. Membrana bir voltaj uygulandığında, zarların karbon nanotüplerle kaplı parçaları başarıyla temizlendi. Dr. Hashaikeh, bu durumdaki elektrolitik temizleme işlemi için 2014 yılında ABD Patent ve Ticari Marka Ofisi (USPTO) ile patent başvurusunda bulundu.

Bu gelişmelerin yanısıra bu buluşla ilgili bazı sınırlamalar vardı, kaplanmış olan karbon nanotüplerdeki spesifik alanların tamamı değil tüm yüzeyler temizlenmişti. Bundan dolayı Dr. Hashaikeh; kendi kendini temizleyebilen, etkili ve ticari potansiyeli olan bir membran geliştirmek için, elektrik şok dalgalarının tüm zar yüzey alanı boyunca kolaylıkla nüfuz etmesine izin verecek bir malzemeye ihtiyaç duydu.

Lockheed Martin’in karbon nanoyapılarının eşsiz, birbirine bağlı yapısı gerekli olan doğru iletken ve nano-lifli materyal türü olduğu kanıtlandı.

“Hemen Lockheed Martin’in karbon nanotüplerinin elektriğin tüm yüzeyden geçebileceğini fark ettik, ancak malzemeyi bir membrana dönüştürmek için nanoyapıları değiştirmek zorunda kaldık. Bunu yapmak için, ıslatılabilirlik ve gözenek boyutu gibi belirli özellikleri kontrol ettik ve polimer malzemeleri katarak mekanik gücü geliştirdik” diye açıkladı.

Dr. Haishaikeh ve ekibi 2014 yılında kendi kendini temizleyebilen mikrofiltrasyon membranını başarıyla geliştirdi ve bu araştırmayı açıklayan bir makale Membran Bilim Dergisi’nde yayınlanmıştır. Fakat burada sınırlı kalmadılar; araştırmalarını bir adım ileriye götürmek ve kendi kendini temizleyen bir nanofiltrasyon membranı geliştirmek için bir yol bulmak istiyorlardı. Mikrofiltrasyon membranları; kum, alüvyon, kil, yosun ve bazı bakteri formlarını içeren daha büyük partiküllerin çıkarılmasında yararlı olmakla birlikte, nanofiltrasyon membranları; bir adım ileriye giderek çoğu organik molekülü, hemen hemen tüm virüsleri, doğal organik maddelerin çoğunu ve tuzların bir kısmının çıkarılmasında kullanılmaktadırlar. Ayrıca nanofiltrasyon membranları, suyun sert hale getirilmesi sırasındaki iki değerlikli iyonları yok eder, bu durum nanofiltrasyonu sert suyun yumuşatılması için popüler ve çevre dostu bir seçenek haline getirir.

Ekip, Lockheed Martin’in ağa bağlı karbon nanotüplerinden kendinden temizlemeli nanofiltrasyon membranları oluşturmak için, materyalin bir nanofiltrasyon membranı olarak işlev görmesini önleyen karbon nanotüplerin büyük gözenek boyutlarının probleminin üstesinden gelmesi gerekiyordu.

Bunu başarmak için daha önce Dr. Hashaikeh’in araştırma grubu tarafından geliştirilen ve ağa bağlı selüloz olarak bilinen ikinci bir gelişmiş nanofiber materyali incelediler. Ağa bağlı selüloz, odun hamurundan yapılıp değiştirilmiş bir selüloz çeşididir. Kurutulduğunda, ağdaki selüloz jel hacimce küçülür, ancak bütünlüğünü, şeklini korur ve küçüldükçe sertleşir. Araştırma ekibi, ağdaki selüloz jelin yapısal bütünlüğünü koruyarak membran gözenek boyutlarını azaltabileceğini iddia etti.

Daha sonra araştırmacılar, karbon nanoyapıları ağa bağlı selüloz jel ile karıştırdılar ve karışım kurutulduğunda ağdaki selüloz küçüldü. Ağdaki selülozun daralması, membrandaki nanoyapıları basınçlı hale getirir. Ortaya çıkan membran çok daha küçük gözenek boyutlarına sahip olmakla birlikte sağlamdır. Dr. Hashaikeh, geçen ay derginin tuzdan arındırma işleminde yayınlanan çalışmayı açıklayan bir raporda ağa bağlı selülozun ilavesiyle gözenek boyutunun 60 nm’den 3 nm’ye düştüğünü belirtmiştir. Masdar Enstitüsü’nden ortak yazarlar, Swansea Üniversitesi’nden Dr. Nidal Hilal ile birlikte doktora öğrencisi Farah Ahmad ve doktora sonrası araştırmacı Boor Lalia’yı içermektedir.

Dr. Hashaikeh’nin membranı tuzdan arındırma alanına yaptığı verimli bilimsel katkılar, Desalinasyon dergisi için ortak bir editör olarak atanmasına yol açtı ve bu da Uluslararası gazetenin kalitesi ve değerlendirme süreci için gerekli olan bir pozisyondur.

Dr. Hashaikeh ve ekibi tarafından yürütülen yenilikçi araştırma, tuz giderimi için membran araştırması ve teknoloji geliştirmede bir lider olarak Abu Dhabi’nin konumlanmasına yardımcı olacaktır. Bu proje halihazırda patent başvurusu yapmış ve kritik tuz giderme sektöründe yeni fikri mülkiyet sağlamak için umutlanmıştır.

Kaynak : rdmag.com

Author

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