Deniz suyundan tatlı su bir düğmeye basmak kadar yakın

Dünyadaki tatlı su miktarının günden güne azaldığını ve bununla ters orantılı olarak artan nüfusa bağlı şekilde her gün daha fazla tatlı suya ihtiyacın arttığı şu günlerde, araştırmacılar, endüstriyel ölçekte üretilmiş filtrelere veya yüksek basınçlı pompalara ihtiyaç duymadan berrak, temiz içme suyu üreten portatif bir tuzdan arındırma ünitesi inşa ediyor. Bu denize kıyısı olduğu halde tatlı su elde etmekte zorlanan toplumlar için pratik ve kullanışlı bir araç olacak.

MIT’den araştırmacıları, tuzlu suyun içindeki tuzu ve diğer partikülleri kaldırabilen, ortalama 10 kg’dan daha hafif ve taşınabilir bir arıtıcı geliştirdi. Halihazırda cep telefonlarımızı şarj etmek için kullanabileceğimiz bir şarj cihazından daha az enerji harcayan ve küçük bir bavul ebadındaki arıtma cihazı, aynı zamanda daha da sürdürülebilir bir şekilde çalıştırılmak istendiğinde bir güneş paneli vasıtasıyla güneşten elde edilmiş enerjiden de faydalanabiliyor. Tek bir düğmeye basılarak çalıştırılan bu arıtıcı, Dünya Sağlık Örgütü (DSÖ) tarafından belirlenmiş olan içme suyu standardından daha yüksekte bir son ürünü elde etmeye imkan tanıyor.

Geleneksel olarak uygulanan yöntemlerde, deniz suyunu filtrelemek deniz suyundan içilebilir kalitede tatlı su elde etmek için filtrelerden ve buharlaştırma ile yeniden yoğunlaştırma yöntemlerinden faydalanılırken, taşınabilir deniz suyu arıtıcısının kullandığı yöntemde, başrolde elektrik enerjisi var. Özellikle partikülleri süzerek kendi bünyesinde tutarken düzenli olarak değiştirilmesi gereken filtrelerden bağımsız hareket edebilmek, uzun vadeli bakım gereksinimlerini ve masraflarını da azaltarak ürünün kullanımının önündeki önemli kısıtlamalardan birinin bertaraf edilmesini sağlıyor.

Dünyadaki tatlı su miktarının günden güne azaldığını ve bununla ters orantılı olarak artan nüfusa bağlı şekilde her gün daha fazla tatlı suya ihtiyacın arttığı şu günlerde, araştırmacılar, endüstriyel ölçekte üretilmiş filtrelere veya yüksek basınçlı pompalara ihtiyaç duymadan berrak, temiz içme suyu üreten portatif bir tuzdan arındırma ünitesi inşa ediyor. Bu denize kıyısı olduğu halde tatlı su elde etmekte zorlanan toplumlar için pratik ve kullanışlı bir araç olacak.

Tatlı su ihtiyacı günden güne artıyor ve insan yaşamı için belki de en önemli gereksinimin bu madde olduğunu düşünürsek eğer, pratikleştirilmiş ve yaygınlaşmaya hazır hale getirilmiş bir arıtıcı cihazın, küçük adalarda yaşayan toplulukların, devamlı olarak denizle etkileşimli şekilde yaşayanların, suya sınırlı erişimi olan alanlarda yaşayanların ve hatta çeşitli nedenlerle yer değiştirmek zorunda kalarak mülteci statüsüne düşmüş insanların kullanımı için uygun şekilde konumlandırılarak su sorununa nitelikli bir çözüm sunması beklenebilir.

“Bu gerçekten benim ve grubumun çıktığı 10 yıllık bir yolculuğun doruk noktası. Bireysel tuzdan arındırma süreçlerinin arkasındaki fizik üzerinde yıllarca çalıştık, ancak tüm bu ilerlemeleri bir kutuya sığdırmak, bir sistem kurmak ve bunu okyanusta göstermek benim için gerçekten anlamlı ve ödüllendirici bir deneyimdi” diyor Elektrik Mühendisliği; Bilgisayar Bilimi ve Biyolojik Mühendislik Profesörü; aynı zamanda Elektronik Araştırma Laboratuvarı (RLE) üyesi Jongyoon Han.
Makalede Han’a; RLE’de bir araştırma bilimcisi olan ilk yazar Junghyo Yoon; Hyukjin J. Kwon, eski bir doktora sonrası; Northeastern Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan SungKu Kang; ve ABD Ordusu Savaş Yeteneklerini Geliştirme Komutanlığı’ndan (DEVCOM) Eric Brack.

Araştırma, Çevre Bilimi ve Teknolojisi’nde çevrimiçi olarak yayınlandı.

Filtresiz su arıtma teknolojisi

Ürünün geliştiricisi Junghyo Yoon, ticari olarak temin edilebilen portatif tuzdan arındırma ünitelerinin tipik şekilde suyu filtrelerden geçirmek için yüksek basınçlı pompalar gerektirdiğini ve bu pompaların, cihazın enerji verimliliğinden ödün vermeden minyatürleştirilmesi çok zor olduğunu açıklıyor.

Bunun yerine, araştırmacıların geliştirdiği taşınabilir arıtma cihazı 10 yıldan uzun bir süre önce Han’ın grubunun öncülük ettiği iyon konsantrasyonu polarizasyonu (ICP) adı verilen bir tekniğe dayanmakta. ICP işlemi, suyu filtrelemek yerine, bir su kanalının üstüne ve altına yerleştirilen membranlara elektrik alanı uyguluyor. Su bu zarların arasında akarken tuz molekülleri, bakteriler ve virüsler dahil olmak üzere pozitif veya negatif yüklü parçacıkları itilerek ikinci bir su akışına dahil edilerek ortamdan uzaklaştırılır.

ICP işlemi hem çözünmüş hem de askıda katı maddeleri suyun içinden uzaklaştırması bakımından önemlidir. Bu işlem için düşük basınçlı bir pompa gerektiği için de ICP diğer su arıtma işlemlerine göre daha az enerji kullanır.

Bu teknoloji kullanılarak arıtılmış suyun içindeki tuzun her zaman arındırılamaması ihtimaline karşı, suyun içinde kalmış olan tuz için ikinci bir elektrodiyaliz aşaması dahil edilmiştir. Yoon ve Kang, ICP ve elektrodiyaliz modüllerinin ideal kombinasyonunu bulmak için günümüzde pek çok bilim dalından araştırmacının üzerine kafa yorduğu makine öğrenimini kullandılar.

Optimal kurulum, suyun ilk aşamada altı modülden, ardından ikinci aşamada üç modülden aktığı ve ardından tek bir elektrodiyaliz işlemi izlediği iki aşamalı bir ICP sürecini içermektedir. Bu, sürecin kendi kendini temizlemesini sağlarken enerji kullanımını en aza indirmekte.

Araştırmacılar, arıtım işlemi sırasında bazı parçacıkların elektrik alanı uygulanan membranlara tutunabileceğini, bunun da elektrik alanını tersine çevirerek giderilebileceğini ve temizliğinin sağlanabileceğini belirtiyor.

Enerji verimliliklerini artırmak ve taşınabilir bir cihaza sığmalarını sağlamak için ICP ve elektrodiyaliz modüllerini küçültüp üst üste yerleştirilmiş vaziyette. Araştırmacılar cihazı, otomatik tuzdan arındırma ve arıtma sürecini başlatmak için tek bir düğme ile çalışacak şekilde ve cihazla çalışmak için herhangi bir uzmanlık gerekmeyecek şekilde Tuzluluk seviyesi ve partikül sayısı belirlenmiş seviyelerin altına düştüğünde cihaz kullanıcıya suyun içilebilir olduğunu bildiren bir uyarı veriyor.

Bununla birlikte araştırmayı yürüten bilim insanları, üniteyi kablosuz olarak da kontrol edebilen ve güç tüketimi ile su tuzluluğu hakkında gerçek zamanlı verileri raporlayabilen bir uygulama da geliştirdi.

Açık alan testleri de başarılı

Farklı tuzluluk ve turbidite (bulanıklık) özelliklerine sahip olan sular kullanarak laboratuvar deneyleri yaptıktan sonra, cihazı Boston’daki Carson Beach’te, sahada test edildi.

Yoon ve Kwon kutuyu kıyıya yakın bir yere koydular ve besleme tüpünü suya attılar. Cihaz yaklaşık yarım saat içinde plastik bir içme kabını temiz, içilebilir suyla doldurdu.

Oldukça heyecan verici ve şaşırtıcı olan ilk çalışmasında bile başarılı oldu. Ancak başarılı olmamızın ana nedeninin yol boyunca yaptığımız tüm bu küçük ilerlemelerin birikimi olduğunu düşünüyorum diyor Han.

Ortaya çıkan su, Dünya Sağlık Örgütü kalite yönergelerini aştı ve ünite, askıda katı madde miktarını en az 10 kat azalttı. Prototipleri saatte 0,3 litre içme suyu üretiyor ve litre başına sadece 20 watt-saat enerji gerekiyor.

Yoon, Şu anda, bu üretim oranını artırmak için araştırmamızı zorluyoruz diyor.

Han, taşınabilir sistemi tasarlamanın en büyük zorluklarından birinin herkes tarafından kullanılabilecek sezgisel bir cihaz tasarlamak olduğunu söylüyor.

Yoon, teknolojiyi ticarileştirmek için başlatmayı planladığı bir başlangıçla cihazı daha kullanıcı dostu hale getirmeyi ve enerji verimliliğini ve üretim hızını iyileştirmeyi umuyor.

Laboratuvarda Han, son on yılda öğrendiği dersleri, içme suyundaki kirleticilerin hızla tespit edilmesi gibi tuzdan arındırmanın ötesine geçen su kalitesi sorunlarına uygulamak istiyor.

Bu kesinlikle heyecan verici bir proje ve şu ana kadar kaydettiğimiz ilerlemeden gurur duyuyorum, ancak daha yapılacak çok iş var diyor Han.

Örneğin, elektro-membran proseslerini kullanan portatif sistemlerin geliştirilmesi, şebekeden bağımsız, küçük ölçekli tuzdan arındırmada orijinal ve heyecan verici bir yön iken, kirlenmenin etkileri, özellikle su yüksek bulanıklığa sahipse, bakım gereksinimlerini önemli ölçüde artırabilir ve enerji maliyetleri, diyor araştırmaya dahil olmayan New York Üniversitesi Abu Dabi Su Sraştırma Merkezi Müdürü Mühendislik Profesörü Nidal Hilal; Bir diğer sınırlama, pahalı malzemelerin kullanılmasıdır diye ekliyor. “Düşük maliyetli malzemelerle benzer sistemleri yerinde görmek ilginç olurdu.”

Araştırma kısmen DEVCOM Asker Merkezi, Abdul Latif Jameel Su ve Gıda Sistemleri Laboratuvarı (J-WAFS), Northeastern Üniversitesi Deneysel Yapay Zeka Doktora Sonrası Burs Programı ve Roux AI Enstitüsü tarafından finanse edildi.