Vandknaphed er et stort problem i hele verden. “Det påvirker alle kontinenter”, siger Amir Barati Farimani, der er assisterende professor i maskinteknik. “Fire milliarder mennesker lever under forhold med alvorlig vandknaphed mindst en måned om året. En halv milliard mennesker lever under alvorlig vandknaphed hele året.”
Men selv om folk kæmper uden adgang til sikkert drikkevand, er der oceaner af uspiseligt vand lige uden for deres døre. “71 % af verdens overflade er dækket af havvand”, siger Barati Farimani. “Så det er en meget interessant modsigelse.”
For at bekæmpe dette problem har Barati Farimani fokuseret sin forskning på afsaltning af vand. Det er den proces, hvor salt havvand kan omdannes til ferskvand.
Der findes mange måder at afsalte vand på, men en af de mest effektive er membranafsaltning. Ved denne metode presses vandet gennem en tynd membran med små huller. Vandet strømmer gennem porerne, men det kan saltionerne ikke, så der kun er ferskvand tilbage på den anden side.
Kilde: College of Engineering
En ledende metal-organisk ramme (MOF) er en ny type membran til afsaltning af vand.
I sin seneste forskning udforsker Barati Farimani potentialet i en ny type membran, kaldet en metal-organisk ramme (MOF). “Disse membraner består af både metalcentret og den organiske forbindelse”, siger Barati Farimani. Den organiske forbindelse og metallet forbindes i et femkantet mønster, hvilket efterlader et hul i midten, der fungerer som en pore. “Hvis man ser på dem, ligner de en honeycomb,” tilføjer Barati Farimani.
Der er et par grunde til, at rammen er mere effektiv. For det første er det utroligt tyndt. Det er få atomer tykt, hvilket betyder, at der er meget lidt friktion, når vandmolekylerne passerer gennem porerne.
Dertil kommer, at porernes placering er med til at lette permeationen. “Når man ikke har tilstødende porer, er der et enormt tryk fra væggen på molekylerne”, siger Barati Farimani. Dette gør afsaltningsprocessen mindre effektiv. For at forstå hvorfor, skal man bare forestille sig, at man hælder vand i en tragt. Vandet bevæger sig langsommere gennem hullet i enden, fordi det presses mod væggene og tvinges gennem et lille rum.
MOF’en har på den anden side flere tilstødende porer. “Der er intet tryk fra vægsiden,” siger Barati Farimani. “Og det giver dem denne mulighed for at passere lettere gennem porerne.” Forestil dig, at du hælder vand gennem en si denne gang – det bevæger sig meget hurtigere, fordi det har flere udgangspunkter, som det kan slippe ud gennem.
Endeligt har MOF’en en større strukturel integritet end andre materialer. I de fleste materialer er forskerne nødt til at bore bittesmå huller for at skabe de nødvendige porer, hvilket begrænser den mængde, der kan skabes pr. overfladeareal. “Hvis man ønsker at lave en masse porer, kan grafen eller MoS2 ikke gøre det,” siger Barati Farimani. “Strukturelt set kan de ikke holde til trykket.”
Men takket være sin honeycomb-struktur er MOF i sagens natur porøs. Det giver mulighed for et højere forhold mellem porer og overfladeareal. Det sparer også tid og energi, da porerne ikke behøver at blive boret eller endda justeret i størrelse.
Forskellene mellem MOF og andre typiske membraner er bemærkelsesværdige, både med hensyn til hvor hurtigt vandet passerer igennem, og hvor mange ioner der bliver afvist. Og det er bare at se på en simulering af nogle få porer. Et afsaltningsanlæg kan have milliarder af porer, hvilket øger dets effektivitet eksponentielt. “I en stor virksomhed ville det være enormt”, siger Barati Farimani. “Selv en lille stigning i effektiviteten ville betyde et enormt spring.”
Vi er nødt til at skaffe ferskvand til mange underprivilegerede mennesker. Det er vores mission – at gøre det så energieffektivt, at vi har afsaltning af vand overalt.
Amir Barati Farimani, Assistant Professor , Mechanical Engineering
Barati Faramanis artikel om sin forskning blev offentliggjort i Nano Letters, et månedligt peer-reviewed videnskabeligt tidsskrift, der udgives af American Chemical Society. Den bidrager til en voksende samtale om afsaltning af vand og repræsenterer et vigtigt skridt fremad på området.
Ud over den akademiske verden håber Barati Farimani, at hans forskning kan få indflydelse på menneskers liv. “Vi er nødt til at skaffe ferskvand til mange underprivilegerede mennesker, f.eks. i Afrika eller andre steder”, siger han. “Det er i bund og grund vores mission – at gøre det så energieffektivt, at vi har afsaltning af vand overalt.”