Bilim insanları, deniz suyunu tatlı suya dönüştürürken geriye kalan tuzun neredeyse tamamını katı halde ayıran, böylece zararlı tuzlu atık oluşturmayan, güneş enerjisiyle çalışan bir arıtma sistemi geliştirdi. Kendi kendini temizleyen bu teknoloji, lityum gibi değerli mineralleri de geri kazanabiliyor ve arıtma atığını faydalı bir kaynağa dönüştürme potansiyeli taşıyor.
Dünya genelinde milyarlarca insan hâlâ güvenli içme suyuna düzenli erişimden yoksun. Birleşmiş Milletler'in tahminlerine göre 2,2 milyar insan güvenli yönetilen içme suyuna sahip değil. Kaliforniya'dan Orta Doğu'ya kadar pek çok bölge, okyanus suyunu tatlı suya çevirmek için giderek daha fazla arıtma tesisine bel bağlıyor.
Arıtma kritik bir su kaynağı sağlayabilir, ancak günümüzde en yaygın kullanılan yöntemlerin ciddi dezavantajları var. Ters ozmoz yöntemi, tuzu ayırmak için suyu özel membranlardan geçirmeye zorluyor; termal damıtma ise tatlı suyu deniz suyundan ayırmak için ısı kullanıyor. Her iki yöntem de büyük miktarda enerji tüketiyor, işlem öncesi ve sonrasında suyun arıtılmasını gerektiriyor ve tuzlu atık denen yoğun tuzlu bir atık üretiyor.
Bu tuzlu atık okyanusa geri bırakıldığında yerel tuzluluk oranını artırıyor ve oksijen seviyesini düşürüyor. Bu da deniz canlıları için zararlı koşullar yaratıyor.
Geleneksel arıtmaya güneş enerjili alternatif
Rochester Üniversitesi'nden araştırmacılar, bu sorunların birçoğunu aynı anda çözebilecek farklı bir yaklaşım geliştirdi.
Üniversitenin Optik Enstitüsü'nden bilim insanları, sıvı tuzlu atık üretmeden ve gelen suyu ön işlemden geçirmek için kimyasal katkı maddesi gerektirmeden verimli şekilde tatlı su üreten bir güneş termal arıtma sistemi tasarladı. Yöntem, Light: Science & Applications dergisinde yayımlanan bir makalede anlatılıyor.
Araştırmaya, optik ve fizik profesörü ve üniversitenin Lazer Enerjetiği Laboratuvarı'nda kıdemli bilim insanı olan Chunlei Guo öncülük etti.
Teknolojinin kalbinde, femtosaniye lazerleriyle işlenmiş siyah metalden yapılmış güneş panelleri yer alıyor. Femtosaniye, saniyenin katrilyonda birine denk gelen olağanüstü kısa bir zaman birimi. Bu ultra hızlı lazerlerin atımları, malzemenin yüzeyini hassas biçimde değiştirerek ışık ve suyla etkileşimini kökten dönüştüren mikroskobik yapılar oluşturuyor.
Lazer işlemi metali güneş ışığını emmede son derece etkili hale getiriyor ve ona süper emici özellik kazandırıyor. Yani su, damlacıklar oluşturmak yerine yüzeyde hızla yayılıyor.
Kendi kendini temizleyen yüzey nasıl çalışıyor?
Her panel, yüzeyinde çok ince bir deniz suyu tabakası çeken, lazerle işlenmiş aktif bir bölge içeriyor. Koyu renkli metal, gelen güneş radyasyonunun neredeyse tamamını emerek suyu ısıtıyor ve buharlaşmasını sağlıyor.
Bu buharlaşma, tuzları ve diğer çözünmüş mineralleri geride bırakıyor. Panel, bu maddelerin buharlaşmanın gerçekleştiği yerde birikmesine izin vermek yerine onları kenarlardaki işlenmemiş bölgelere, yani pasif bölgeye yönlendiriyor.
Bu hareket önemli, çünkü tuz birikimi güneş enerjili arıtma sistemlerinin karşılaştığı en büyük sorunlardan biri. Mineraller aktif yüzeyde sert bir tabaka oluşturursa su hareketini engelliyor ve sonunda sistemin çalışmasını durduruyor.
Gerçek deniz suyunu arıtmak neden çok daha zor?
Guo'ya göre önceki güneş termal arıtma sistemleri, su ve sodyum klorürden yapılan basitleştirilmiş yapay deniz suyuyla yürütülen laboratuvar deneylerinde genellikle iyi sonuç verdi.
Su buharlaşırken sodyum klorür kristalleştiğinde nispeten taneli ve gözenekli bir yapı oluşturuyor. Su bu kristallerin arasından geçmeye devam edebiliyor, biriken tuzu çözmeye yardımcı oluyor ve yüzeyin temizlenmesini kolaylaştırıyor.
Gerçek deniz suyu ise çok daha karmaşık.
Sodyum klorürün yanı sıra magnezyum, kalsiyum ve daha pek çok çözünmüş madde içeriyor. Bu bileşiklerin bazıları, çok daha az gözenekli, sert ve yoğun tortular halinde kristalleşebiliyor.
Bu durum, duş başlığının ya da çaydanlığın içinde zamanla biriken kireç tabakasına benziyor. Ancak arıtma sisteminde sorun çok daha büyük, çünkü deniz suyu normal musluk suyundan yüzlerce kat daha fazla çözünmüş tuz içeriyor.
Bu tortular biriktikçe su yüzeyde serbestçe akmıyor, verimlilik düşüyor ve sonunda sistem tıkanıyor.
Tuzu taşımak için kahve halkası etkisi
Bu sorunun üstesinden gelmek için Guo'nun ekibi, siyah metaldeki mikroskobik olukları, tuzların ve minerallerin inatçı bir kabuk oluşturmak yerine aktif bölgeden uzaklaştırılacağı şekilde özenle tasarladı.
Araştırmacılar ayrıca kahve halkası etkisi denen tanıdık bir fizik olayından da yararlandı.
Kahve döküp kurumasını izleyen herkes bunu görmüştür. Su buharlaştıkça askıdaki parçacıklar damlanın kenarına doğru hareket eder ve geride koyu bir halka bırakır.
Guo, "Bir yüzeye kahve dökerseniz, sonunda su buharlaşır ve dış kenarda yoğunlaşmış kahve parçacıklarından oluşan bir halka kalır" diyor. "Biz de tuzları pasif bölgeye ilerletmek için aynı prensibi kullanıyoruz."
Sistem, minerallerin güneş ışığının buharlaşmayı sağladığı yerde birikmesine izin vermek yerine onları panelin kenarlarına yönlendiriyor.
Araştırmacılar tekniği, Pasifik, Atlantik ve Hint okyanuslarından toplanan gerçek deniz suyuyla test etti. Bu deneylerde yüzey, tatlı su üretirken kendini etkili biçimde temizledi ve kalan tuzları daha sonra toplanabilecekleri pasif bölgeye yönlendirdi.
Önemli olan şu ki, bu mineral birikimi panelin arıtma verimliliğini düşürmedi.
Arıtma atığını faydalı malzemeye dönüştürmek
Bir diğer büyük avantaj da su uzaklaştırıldıktan sonra tuza ne olduğu.
Sistem, arıtılması ya da boşaltılması gereken yoğun sıvı tuzlu atık üretmek yerine, çözünmüş tuzların yüzde 100'e yakınını katı formda çıkarıyor.
Bu malzeme atık ürün olmaktan çıkıp bir kaynağa dönüşebilir. Bir kısmı sofra tuzu olarak kullanılabilirken, daha değerli mineraller de geri kazanılabilir.
Özellikle önemli bir hedef lityum. Lityum; elektrikli araçlara, akıllı telefonlara, dizüstü bilgisayarlara ve daha pek çok elektronik cihaza güç veren lityum iyon pillerde kullanılan kritik bir malzeme.
Journal of Materials Chemistry A dergisinde yayımlanan ilgili bir çalışmada Guo ve meslektaşları, aynı süper emici güneş panellerinin, arıtma sırasında üretilen diğer tuzlardan lityumu ayıracak şekilde değiştirilebileceğini gösterdi.
Araştırmacılar, hidrojen titanattan yapılmış nanoparçacıkları siyah metalin mikroskobik oluklarına yerleştirdi. Bu parçacıklar, tuz ve mineral karışımından lityumu seçici olarak ayırıyor.
Guo, "Lityumu yeraltından çıkarmak, enerji ve çevre açısından çok yorucu olduğunu kanıtladı. Bu yüzden lityumu doğrudan tuzlu sudan elde etmek gelecek için çok önemli bir yol olabilir" diyor.
Tuzlu sudan lityum geri kazanımı
Ekip, Büyük Tuz Gölü'nden alınan örnekleri kullanarak, arıtma sonrası geride kalan tuzlarda bulunan lityumun yaklaşık yüzde 50'sini geri kazanmayı başardı.
Bu sonuç, arıtma tesislerinin içme suyu üretmekten fazlasını yapabileceği olası bir geleceğe işaret ediyor. Tesisler, aksi halde atık akışlarında hapsolacak, ticari açıdan değerli malzemeleri de geri kazanabilir.
Teknoloji hâlâ erken aşamada. Araştırmacılar şimdiye kadar süper emici arıtma yaklaşımını, nispeten küçük cihazlarla yapılan kanıt niteliğindeki deneylerde gösterdi.
Guo'ya göre temel tasarım doğası gereği ölçeklenebilir ve hem tatlı suya erişimin genişletilmesine hem de değerli mineraller için daha sürdürülebilir kaynaklar yaratılmasına katkıda bulunabilir.
Başarıyla ölçeklendirilirse bu yaklaşım iki büyük sorunu aynı anda çözebilir: büyüyen küresel nüfus için daha fazla tatlı su üretmek ve hem arıtma atığı hem de madencilikle ilişkili çevresel yükü azaltmak.
Araştırma; Ulusal Bilim Vakfı, Bill & Melinda Gates Vakfı ve Worldwide Universities Network tarafından desteklendi. Araştırmaya katkıda bulunan Optik Enstitüsü'nden Guo'nun meslektaşları arasında Kıdemli Bilim İnsanı Subash Singh, mezun Ran Wei, doktora öğrencileri Luheng Tang ve Tainshu Xu ile Mingjiang Ma yer alıyor.