Deniz Suyundan Tatlı Su Üretmek İçin Geliştirilmiş Son Derece İşlevsel Membran

Profesör MATSUYAMA Hideto’nun Kobe Üniversitesi’nin Membran ve Film Teknolojisi Araştırma Merkezi’ndeki araştırma grubu, yeni bir tuzdan arındırma membranını başarıyla geliştirdi. Bunu , gözenekli bir polimer zarın ^{(* 2)} yüzeyine iki boyutlu bir karbon malzemeyi ^{(* 1)} lamine ederek başardılar .

Deniz suyundan tatlı su üretmek için tuzdan arındırma ^{(* 3)} membranları kullanılır. Araştırmacılar, dünya çapındaki yetersiz tatlı su kaynakları sorununu çözmek için yalnızca su tarafından şu anda kullanımda olanlardan daha hızlı nüfuz etmekle kalmayan, aynı zamanda tuzu verimli bir şekilde temizleyen tuzdan arındırma membranları geliştirmeye çalışıyorlar böylece daha etkili, düşük enerjili tuzdan arındırma sistemleri mümkün olabilir.

Bu araştırma çalışmasında, bir tür iki boyutlu nanomateryal olan grafen oksit ^{(* 4)} nano-tabakalar, gözenekli bir zarın yüzeyine kimyasal indirgeme işlemi ^{(* 5)} uygulandıktan sonra istiflenerek bir tuzdan arındırma membran tabakası sağlanmıştır. Yaklaşık 50 nanometre (nm) geliştirilecek (bir nanometre milimetrenin 1 / 20000’i kadardır). Geliştirilen membran, yüksek verimli tuzdan arındırma potansiyeline sahiptir çünkü nano yaprakları ile nano yaprakların yüzeylerindeki yük arasındaki boşlukları kontrol etmek mümkündür. Bu araştırmanın fütüristik tuzdan arındırma membranlarının uygulanmasına ve uygulanmasına katkıda bulunacağı umulmaktadır.

Bu araştırma sonuçları 18 Kasım 2020’de Journal of Materials Chemistry A’da yayınlandı.

Ana Noktaları :

• Araştırmacılar, iki boyutlu nano sayfaları kullanarak yeni bir tuzdan arındırma membranını başarıyla geliştirdiler.
• Grafen oksit nano yaprakların kimyasal indirgeme işlemi, nanoyapraklar arasındaki π-π yığınını ^{(* 6)} güçlendirdi.
• π-π istiflemesi, nano yaprak lamine membranın stabilitesini iyileştirdi ve her nano yaprak arasındaki ara katman boşluğunu değiştirmeyi mümkün kıldı.
• Yüklü gruplara ve konjuge bir π sistemine ^{(* 8)} sahip porfirin bazlı düzlemsel moleküller ^{(* 7)} , nano-yaprakların arasına yerleştirildi. Bu , grafen oksit ile düzlemsel bileşiğin negatif yükü arasında elektrostatik itme ^{(* 9)} ile sonuçlandı ve araştırmacıların nano kanallar  ^{(* 11)} içindeki anyonların ^{(* 10)} hareketini kontrol etmelerini sağladı .
• Bu araştırma sonucunda geliştirilen nano yaprak lamine membran, sodyum klorür geçirgenliğin i% 95 oranında reddedebildi. Gelecekte, bu araştırma sonuçları tuzdan arındırma için yeni yüksek performanslı membran teknolojilerinin oluşturulmasına katkıda bulunabilir.

Araştırma Geçmişi

Dünyadaki suyun % 97,5’i deniz suyudur ve yalnızca % 2,5’i tatlı sudur. Bu yüzde içinde, tatlı su kaynaklarının sadece % 0,01’i insanlık tarafından kullanılmak üzere kolayca arıtılabilir. Ancak insan nüfusu her yıl artmaya devam ediyor. Sonuç olarak, birkaç yıl içinde dünya nüfusunun üçte ikisinin tatlı suya yetersiz erişime sahip olacağı tahmin ediliyor. Dünya çapında bir su kıtlığı, insanlığın karşı karşıya olduğu en büyük sorunlardan biridir. Bu nedenle, Dünya’nın bol deniz suyunu tatlı suya dönüştürerek gerekli kaynakları elde edebilecek teknolojiler çok önemlidir.

Deniz suyunu tatlı suya dönüştürmek için buharlaştırma yöntemleri kullanılmıştır ancak deniz suyunu buharlaştırmak ve tuzu uzaklaştırmak (tuzdan arındırma) için büyük miktarda enerji gerektirirler. Öte yandan, membran ayırma yöntemleri düşük enerjili bir alternatif sağlar; deniz suyundan suyu süzerek ve tuzu uzaklaştırarak tatlı su üretilmesini sağlarlar. Membran kullanarak deniz suyundan tatlı su üretme yöntemleri uygulanmıştır ancak şimdiye kadar geliştirilen tuzdan arındırma membranlarında her zaman nüfuz etme hızı ile tuzdan arındırma yeteneği arasında bir denge vardır. Bu nedenle, bu değiş tokuşu çözmek ve deniz suyunu daha yüksek bir verimlilik oranında tuzdan arındırmayı mümkün kılmak için yeni malzemelerden devrim niteliğinde bir tuzdan arındırma membranı geliştirmek hayati önem taşımaktadır.

Araştırma Metodolojisi

Bu araştırma ekibi, zarı bir karbon atomunun yaklaşık kalınlığına sahip iki boyutlu bir karbon malzeme ile lamine ederek oldukça işlevsel bir tuzdan arındırma zarı geliştirdi. Bu 2D karbon malzemeler, onlara güçlendirilmiş π-π etkileşimi sağlamak için kimyasal olarak indirgenmiş grafen oksit nano tabakalardı.

Araştırma grubu, gözenekli bir zarın yüzeyine porfirin bazlı düzlemsel moleküllerin (yüklü gruplar ve birleşik π sistemi ile) ara katmanı ile nanosheet kaplamaları uygulayarak, yaklaşık 50 nm kalınlığında bir ultra ince tuzdan arındırma membran tabakası oluşturmayı başardı.

Bu katman, nano kanalların boyutu (her nanosheet arasındaki boşluklar) 1 nm içinde kontrol edilebildiğinden, yüksek iyon bloke etme işlevi gösterdi. Ayrıca, nano yaprak lamine zardaki nano kanallar arasındaki boşluklar, tabakalar arasındaki güçlü π-π istifinden dolayı sürekli su stabilitesi gösterdi ve bu da uzun bir süre kullanılabileceği olasılığını ortaya koydu. Ek olarak, 20 bar basınç altında bile tuzdan arındırma işlevselliğinde hiçbir kayıp olmadı.

Araştırmacılar, geliştirilen nano yaprak lamine membranın içindeki iyon transferinin nano yaprak yüzeyindeki elektrostatik itme ile etkili bir şekilde bastırıldığını ortaya çıkardı. Bu elektrostatik itme, nano kanalların genişliği uygun şekilde kontrol edildiğinde oldukça etkiliydi. Bu çalışmada kullanılan nanosheet malzeme için nano kanalların genişliği, kimyasal indirgeme süreci ve porfirin bazlı düzlemsel moleküllerin interkalasyon oranı kontrol edilerek sınırlandırılabilir.

NaCl, deniz suyu iyonlarının ana bileşenidir ve zara nüfuz etmesini önlemek özellikle zordur. Bununla birlikte, optimum koşullar altında üretilen nano yaprak lamine bir membran, NaCl’nin yaklaşık % 95’ini bloke edebildi.

Gelişmeler

Bu araştırma ile geliştirilen 2D nano yaprak lamine membran, oksitlenmiş grafen tabakasının indirgenmesi ve düzlemsel moleküllerin ara katma oranının düzenlenmesi ile üretildi ve bu da hem nano tabakalar arasındaki ara katman boşluğunun hem de elektrostatik itme etkisinin kontrol edilmesini sağladı. Tuzdan arındırma membranlarına ek olarak, bu teknik çeşitli elektrolit ayırma membranlarının geliştirilmesine de uygulanabilir.

Su kıtlığını azaltmak için ayırma membranlarını kullanan düşük enerjili tuzdan arındırma teknolojileri vazgeçilmezdir. Teknolojinin dünya çapında kuruyan su kaynaklarının çözülmesine katkıda bulunacağı umulmaktadır. Daha sonra araştırma ekibi, geliştirilen membranın yüksek işlevselliğini daha da geliştirmeye çalışacak, böylece uygulanabilecektir.

Sözlük

1. İki boyutlu karbon malzemesi: İki boyutta kovalent olarak bağlanmış tek bir karbon atomu tabakası. Özellikle grafen, bal peteği kafesinde düzenlenmiş kararlı kovalent bağlara sahip tek bir karbon atomu tabakasıdır.
2. Gözenekli polimer membran: birkaç nanometre ile 100 nanometre arasında çok ince gözeneklere sahip bir zar.
3. Tuzdan arındırma: Tatlı su üretmek için deniz suyunun arıtılması.
4. Grafen oksit: Grafenin oksijenlenmesiyle hazırlanan bir karbon malzemesi. Grafen oksijenlendiğinde epoksitler, karboksil, karbonil ve hidroksil grupları gibi çeşitli oksijenli fonksiyonel gruplarla süslenir.
5. Kimyasal indirgeme işlemi: Bir oksidi azaltmak için bir indirgeme ajanının kullanıldığı bir işlem. Bu araştırmada grafen oksidi azaltmak için L-askorbik asit ve amonyak kullanılmıştır.
6. π- π istifleme (Pi-Pi istifleme): Organik kimyasal bileşiklerde aromatik halkalar arasında gerçekleşen etkileşimler.
7. Düzlemsel bileşik: İki boyutlu (düzlemsel) bir yapıya sahip bir bileşik.
8. Konjuge π (Pi) sistemi: Çift bağ tarafından oluşturulan π elektronlarının bir molekülün bir kısmıyla sınırlı olmadığı, ancak geniş çapta dağıldığı bir moleküler yapı için genel bir terim. Bu, bir çift bağ tek bir bağa bağlandığında meydana gelir.
9. Elektrostatik itme: Eşleşen bir elektronun etrafına sarılmış bir iyon ile iyonik fonksiyonel grup arasındaki itme , iyon ve iyonik fonksiyonel grubu birbirinden ayırmaya zorlar.
10. Anyon: Ek bir elektron veya elektron kazanarak negatif yüklü hale getiren iyon.
11. Nanokanal: İçinde nanometre büyüklüğünde boşluklar bulunan bir kanal.