Dostatek vody je velkým problémem na celém světě. „Týká se všech kontinentů,“ říká Amir Barati Farimani, odborný asistent strojního inženýrství. „Čtyři miliardy lidí žijí v podmínkách vážného nedostatku vody alespoň jeden měsíc v roce. Půl miliardy lidí žije v podmínkách vážného nedostatku vody po celý rok.“
I když lidé bojují bez přístupu k nezávadné pitné vodě, přímo před jejich dveřmi jsou oceány nepitné vody. „71 % světového povrchu pokrývá mořská voda,“ říká Barati Farimani. „Takže je to velmi zajímavý rozpor.“
V zájmu boje proti tomuto problému se Barati Farimani zaměřil na odsolování vody. Jedná se o proces, při kterém lze slanou mořskou vodu přeměnit na vodu sladkou.
Existuje mnoho způsobů odsolování vody, ale jedním z nejúčinnějších je membránové odsolování. Při této metodě se voda protlačuje tenkou membránou s malými otvory. Voda póry protéká, ale ionty soli nemohou, takže na druhé straně zůstává pouze sladká voda.
Zdroj: Barati Farimani ve svém nejnovějším výzkumu zkoumá potenciál nového typu membrány, tzv. kovově-organického rámce (MOF), pro odsolování vody
. „Tyto membrány se skládají jak z kovového centra, tak z organické sloučeniny,“ říká Barati Farimani. Organická sloučenina a kov se spojí do pětiúhelníkového vzoru, přičemž uprostřed zůstane otvor, který slouží jako pór. „Když se na ně podíváte, připomínají včelí plástve,“ dodává Barati Farimani.“
Existuje několik důvodů, proč je tento rámec účinnější. Zaprvé je neuvěřitelně tenký. Má tloušťku několika atomů, což znamená, že při průchodu molekul vody póry dochází k velmi malému tření.
Dále umístění pórů napomáhá prostupnosti. „Když nemáte přilehlé póry, působí na molekuly obrovský tlak stěny,“ říká Barati Farimani. Tím se proces odsolování stává méně účinným. Abyste pochopili proč, stačí si představit, že nalijete vodu do trychtýře. Voda se otvorem na konci pohybuje pomaleji, protože je tlačena proti stěnám a vytlačována malým prostorem.
MoF má naproti tomu více sousedních pórů. „Ze strany stěn není žádný tlak,“ říká Barati Farimani. „A to jim dává tuto možnost snadněji procházet póry.“ Představte si, že tentokrát proléváte vodu sítkem – pohybuje se mnohem rychleji, protože má více výstupních bodů, kterými může unikat.
Nakonec má MOF větší strukturální integritu než jiné materiály. Ve většině materiálů musí vědci vyvrtat malé otvory, aby vytvořili potřebné póry, což omezuje množství, které lze vytvořit na jednu plochu. „Pokud chcete vytvořit velké množství pórů, grafen nebo MoS2 to nedokážou,“ říká Barati Farimani. „Strukturálně nedokážou udržet tlak.“
Díky své voštinové struktuře je však MOF ze své podstaty porézní. To umožňuje vyšší poměr pórů k ploše povrchu. Šetří také čas a energii, protože póry není třeba vrtat, a dokonce ani upravovat jejich velikost.
Rozdíl mezi MOF a jinými typickými membránami je markantní, a to jak z hlediska rychlosti průchodu vody, tak z hlediska množství odmítnutých iontů. A to se díváme jen na simulaci několika málo pórů. Odsolovací zařízení může mít miliardy pórů, což exponenciálně zvyšuje jeho účinnost. „V měřítku velkého provozu by to bylo obrovské,“ říká Barati Farimani. „I nepatrné zvýšení účinnosti by znamenalo obrovský skok.“
Potřebujeme zajistit čerstvou vodu pro mnoho znevýhodněných lidí. To je náš úkol – zajistit takovou energetickou účinnost, abychom měli odsolování vody všude.“
Amir Barati Farimani, odborný asistent , strojní inženýrství
Článek Baratiho Farimaniho o jeho výzkumu byl publikován v Nano Letters, recenzovaném vědeckém měsíčníku vydávaném Americkou chemickou společností. Přispívá k rostoucí diskusi o odsolování vody a představuje důležitý krok vpřed v této oblasti.
Kromě akademického světa Barati Farimani doufá, že jeho výzkum může mít dopad i na životy lidí. „Potřebujeme zajistit sladkou vodu pro mnoho znevýhodněných lidí, například v Africe nebo na jiných místech,“ říká. „To je v podstatě naše poslání – udělat to tak energeticky efektivní, abychom měli odsolování vody všude.“