Temiz Su Hesaplama

Su, belki de Dünya’nın en kritik doğal kaynağıdır. Artan talep ve giderek artan su kaynakları göz önüne alındığında, bilim adamları, su arıtma yöntemlerini iyileştirmek için yeni malzemeler tasarlamanın yanı sıra mevcut suyu kullanmak ve yeniden kullanmak için daha yenilikçi yollar arıyorlar. Kirletici çözünen maddenin uzaklaştırılması için kullanılan sentetik olarak oluşturulmuş yarı geçirgen polimer membranlar, gelişmiş bir işlem seviyesi sağlayabilir ve suyu arıtmanın enerji verimliliğini artırabilir; ancak, mevcut bilgi boşlukları membran teknolojisindeki dönüştürücü ilerlemeleri sınırlamaktadır. Temel bir problem, çözünen maddeler ve membran yüzeyleri arasındaki yakınlığın veya çekimin su arıtma sürecinin birçok yönünü nasıl etkilediğini öğrenmektir.

UC Santa Barbara’da kimya mühendisliği profesörü olan ve hesaplamalı simülasyonlar yürüten M. Scott Shell, “Çözünen maddelerin membranlara yapıştığı ve parçalandığı yerlerde kirlenme – performansı önemli ölçüde düşürür ve üretilen suyu arıtmak için membranların tasarlanmasında büyük bir engeldir” dedi yumuşak malzemeler ve biyomalzemeler. “Solüt yapışkanlığının membran yüzeylerinin kimyasal bileşiminden nasıl etkilendiğini temelden anlayabilirsek, bu yüzeyler üzerindeki fonksiyonel grupların olası desenleri de dahil olmak üzere, geniş bir yelpazedeki çözünen maddeleri püskürtmek için yeni nesil, kirlenmeye dirençli membranlar tasarlamaya başlayabiliriz. türleri. “

Şimdi, Proceedings of the National Academy of Sciences’da (PNAS) yayınlanan bir makalede , Shell ve baş yazar Jacob Monroe, yakın zamanda doktora yapan Jacob Monroe. Bölüm mezunu ve Shell’in araştırma grubunun eski bir üyesi, çözünen maddeden yüzeye yakınlığın makroskopik karakterizasyonlarının uygunluğunu açıklıyor.

Monroe, “Sudaki çözünen-yüzey etkileşimleri çok çeşitli fiziksel fenomen ve teknolojilerin davranışını belirler, ancak çoğu farklı türde çözünen maddenin çıkarılması veya yakalanması gereken su ayırma ve saflaştırmada özellikle önemlidir” dedi. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde (NIST) doktora sonrası araştırmacı. “Bu çalışma, çözünen madde konsantrasyonunun yüksek ve kimyasallarının oldukça çeşitli olduğu petrol sahası operasyonlarında üretilenler gibi, her yıl büyük miktarda yüksek derecede kirlenmiş su kaynaklarının üstesinden gelebilecek yeni nesil membranların nasıl tasarlanacağını anlamadaki büyük zorlukların üstesinden geliyor.

Solütler sıklıkla, suyu beğenme ve suda kolayca çözünme olarak düşünülebilecek hidrofilikten hidrofobik veya sudan hoşlanmayan ve yağ gibi sudan ayrılmayı tercih eden bir dizi olarak karakterize edilir. Yüzeyler aynı aralığı kapsar; örneğin, su hidrofobik yüzeylerde toplanır ve hidrofilik yüzeylere yayılır. Hidrofilik çözünenler hidrofilik yüzeylere yapışmayı sever ve hidrofobik çözünenler hidrofobik yüzeylere yapışır. Burada, araştırmacılar “beğenmek gibi” beklentisini doğruladılar, ancak şaşırtıcı bir şekilde resmin tamamının daha karmaşık olduğunu keşfettiler.

Monroe, sekiz çözünen maddeye atıfta bulunarak, “Düşündüğümüz geniş kimya yelpazesi arasında, hidrofilik çözünen maddelerin aynı zamanda hidrofobik yüzeyleri de sevdiğini ve hidrofobik çözünenlerin de hidrofilik yüzeyleri sevdiğini bulduk, ancak bu çekicilikler sevilenlerden daha zayıf.” amonyak ve borik asitten izopropanol ve metana kadar değişen grup test edildi. Grup, çözünen yüzey afinitesi hakkında temel bir perspektif sağlamak için üretilen sularda tipik olarak bulunan küçük moleküllü çözünen maddeleri seçti.

Hesaplamalı araştırma grubu, belirli bir çözünen maddenin yüzeye afinitesini en aza indirmek veya maksimize etmek veya alternatif olarak bir çözünen maddenin yüzey afinitesini diğerine göre en üst düzeye çıkarmak için yüzey kimyasal gruplarını yeniden düzenleyerek yüzeyleri yeniden biçimlendirmek için bir algoritma geliştirdi. Yaklaşım, yüzey modellerini doğal seçime benzer bir şekilde “evrimleştiren” ve onları belirli bir işlev hedefine göre optimize eden bir genetik algoritmaya dayanıyordu.

Ekip, simülasyonlar yoluyla, yüzey afinitesinin, suda çözünen bir maddenin ne kadar çözünür olduğu gibi geleneksel çözünen hidrofobiklik yöntemleriyle zayıf bir şekilde ilişkilendirildiğini keşfetti. Bunun yerine, yüzey afinitesi ile bir yüzeye veya çözünen maddenin yakınındaki su moleküllerinin yanıt olarak yapılarını değiştirmesi arasında daha güçlü bir bağlantı buldular. Bazı durumlarda, bu komşu sular elverişsiz yapıları benimsemek zorunda kaldı; hidrofobik yüzeylere yaklaşarak, çözünen maddeler bu tür elverişsiz su moleküllerinin sayısını azaltabilir ve afinite için genel bir itici güç sağlayabilir.

Monroe, “Eksik bileşen, bir yüzeyin yakınındaki su moleküllerinin nasıl yapılandırıldığını ve onun etrafında nasıl hareket ettiğini anlamaktı” dedi. “Özellikle, su yapısal dalgalanmaları, dökme suya veya yüzeyden uzaktaki suya kıyasla hidrofobik yüzeylerin yakınında artar. Dalgalanmaların, test ettiğimiz her küçük çözünen madde türünün yapışkanlığını artırdığını gördük.”

Bulgu önemlidir, çünkü yeni yüzeyler tasarlarken araştırmacıların etraflarındaki su moleküllerinin tepkisine odaklanmaları ve geleneksel hidrofobiklik ölçütleri tarafından yönlendirilmekten kaçınmaları gerektiğini göstermektedir.

Monroe ve Shell, bulgularına dayanarak, farklı moleküler kimya türlerinden oluşan yüzeylerin, çeşitli çözünen maddelerin bir zarı kirletmesini önlemek gibi birden çok performans hedefine ulaşmanın anahtarı olabileceğini söylüyor.

Monroe, “Birden fazla kimyasal gruba sahip yüzeyler büyük potansiyel sunuyor. Yalnızca farklı yüzey gruplarının varlığının değil, aynı zamanda bunların düzenlenmesinin veya modelinin çözünen yüzey afinitesini etkilediğini de gösterdik” dedi. “Sadece uzaysal örüntüyü yeniden düzenleyerek, kaç yüzey grubunun mevcut olduğunu değiştirmeden belirli bir çözünen maddenin yüzey afinitesini önemli ölçüde artırmak veya azaltmak mümkün hale geliyor.”

Ekibe göre, bulguları, hesaplama yöntemlerinin sürdürülebilir su arıtımı için yeni nesil membran sistemlerine önemli şekillerde katkıda bulunabileceğini gösteriyor.

John E. Myers Kurucu Kimya Mühendisliği Başkanı Shell, “Bu çalışma, çözünen-yüzey yakınlığını kontrol eden moleküler ölçekli etkileşimlere ayrıntılı bir bakış sağladı,” dedi. “Dahası, yüzey desenlemenin mühendislik membranlarında güçlü bir tasarım stratejisi sunduğunu ve çeşitli kirleticiler tarafından kirlenmeye karşı dirençli olduğunu ve her bir çözünen türünün nasıl ayrıldığını tam olarak kontrol edebildiğini gösteriyor. Sonuç olarak, moleküler tasarım kuralları ve hedefler sunuyor. yüksek derecede kirlenmiş suları enerji açısından verimli bir şekilde arıtabilen yeni nesil membran sistemleri. “

İncelenen yüzeylerin çoğu, analiz ve anlamayı kolaylaştırmak için basitleştirilmiş model sistemlerdi. Araştırmacılar, bir sonraki doğal adımın, su arıtımında kullanılan gerçek membranları daha yakından taklit eden, giderek daha karmaşık ve gerçekçi yüzeyleri incelemek olacağını söylüyorlar. Modellemeyi membran tasarımına yaklaştırmanın bir diğer önemli adımı, yalnızca bir membranın çözünen madde için ne kadar yapışkan olduğunu anlamanın ötesine ve çözünen maddelerin membranlar boyunca hareket ettiği hızları hesaplamaya doğru ilerlemek olacaktır.