Veden niukkuus on suuri ongelma kaikkialla maailmassa. ”Se vaikuttaa jokaiseen maanosaan”, sanoo konetekniikan apulaisprofessori Amir Barati Farimani. ”Neljä miljardia ihmistä elää vakavan vesipulan oloissa vähintään yhden kuukauden vuodessa. Puoli miljardia ihmistä elää vakavan vesipulan vallitessa koko vuoden.”
Mutta vaikka ihmiset kamppailevat ilman turvallista juomavettä, aivan heidän oviensa ulkopuolella on valtameriä juomakelvotonta vettä. ”71 prosenttia maapallon pinta-alasta on meriveden peitossa”, Barati Farimani sanoo. ”Tämä on siis hyvin mielenkiintoinen ristiriita.”
Tämän ongelman torjumiseksi Barati Farimani on keskittynyt tutkimuksessaan veden suolanpoistoon. Tämä on prosessi, jossa suolainen merivesi voidaan muuttaa makeaksi vedeksi.
Veden suolanpoistoon on monia tapoja, mutta yksi tehokkaimmista on kalvojen suolanpoisto. Tässä menetelmässä vesi työnnetään ohuen kalvon läpi, jossa on pieniä reikiä. Vesi virtaa huokosten läpi, mutta suolaionit eivät pääse, jolloin toiselle puolelle jää vain makeaa vettä.
Lähde:
Johtava metalli-orgaaninen kehys (MOF) on uudentyyppinen kalvo veden suolanpoistoon.
Uudemmassa tutkimuksessaan Barati Farimani tutkii uudenlaisen kalvotyypin, niin sanotun metalli-orgaanisen kehyksen (MOF), mahdollisuuksia. ”Nämä kalvot koostuvat sekä metallikeskuksesta että orgaanisesta yhdisteestä”, Barati Farimani sanoo. Orgaaninen yhdiste ja metalli yhdistyvät viisikulmaiseen kuvioon, jolloin keskelle jää reikä, joka toimii huokosena. ”Jos niitä katsoo, ne ovat kuin hunajakenno”, Barati Farimani lisää.
Kehyksen tehokkuuteen on pari syytä. Ensinnäkin se on uskomattoman ohut. Se on muutaman atomin paksuinen, mikä tarkoittaa, että kitkaa on hyvin vähän, kun vesimolekyylit kulkevat huokosten läpi.
Lisäksi huokosten sijoittelu auttaa läpäisyä. ”Kun vierekkäisiä huokosia ei ole, molekyyleihin kohdistuu valtava paine seinämästä”, Barati Farimani sanoo. Tämä heikentää suolanpoistoprosessin tehokkuutta. Jos haluat ymmärtää miksi, kuvittele, että vettä kaadetaan suppiloon. Vesi liikkuu hitaammin päädyssä olevan reiän läpi, koska se työnnetään seinämiä vasten ja pakotetaan pienen tilan läpi.
MOF:ssä sen sijaan on useita vierekkäisiä huokosia. ”Seinämän puolelta ei tule painetta”, Barati Farimani sanoo. ”Ja se antaa niille tämän mahdollisuuden kulkea helpommin huokosten läpi.” Kuvittele, että kaadat tällä kertaa vettä siivilän läpi – se liikkuu paljon nopeammin, koska sillä on useita poistumiskohtia, joiden kautta se voi poistua.
Loppujen lopuksi MOF on rakenteellisesti eheämpi kuin muut materiaalit. Useimmissa materiaaleissa tutkijat joutuvat poraamaan pieniä reikiä tarvittavien huokosten luomiseksi, mikä rajoittaa pinta-alaa kohti luotavaa määrää. ”Jos halutaan tehdä paljon huokosia, grafeeni tai MoS2 eivät pysty siihen”, Barati Farimani sanoo. ”Rakenteellisesti ne eivät pysty pitämään painetta.”
Mutta hunajakennorakenteensa ansiosta MOF on luonnostaan huokoinen. Tämä mahdollistaa suuremman huokossuhteen pinta-alaan nähden. Se säästää myös aikaa ja energiaa, koska huokosia ei tarvitse porata tai edes säätää niiden kokoa.
Eroja MOF:n ja muiden tyypillisten kalvojen välillä on huomattavia sekä siinä, kuinka nopeasti vesi kulkee läpi, että siinä, kuinka paljon ioneja hylätään. Ja tämä on vain muutaman huokosen simulaation tarkastelu. Suolanpoistolaitoksessa voi olla miljardeja huokosia, mikä nostaa sen tehokkuutta eksponentiaalisesti. ”Suuren toiminnan mittakaavassa se olisi valtava”, Barati Farimani sanoo. ”Pienikin tehokkuuden lisäys merkitsisi valtavaa harppausta.”
Me tarvitsemme makeaa vettä monille vähäosaisille ihmisille. Se on tehtävämme – tehdä siitä niin energiatehokasta, että meillä on veden suolanpoistoa kaikkialla.”
Amir Barati Farimani, apulaisprofessori , konetekniikka
Barati Farimanin artikkeli hänen tutkimuksestaan julkaistiin Nano Letters -lehdessä, joka on kuukausittain ilmestyvä vertaisarvioitu tieteellinen aikakauslehti, jota julkaisee American Chemical Society. Se lisää kasvavaa keskustelua veden suolanpoistosta ja on tärkeä edistysaskel alalla.
Akateemisen maailman lisäksi Barati Farimani toivoo, että hänen tutkimuksensa voi vaikuttaa ihmisten elämään. ”Meidän on tarjottava raikasta vettä monille vähäosaisille ihmisille, kuten Afrikassa tai muualla”, hän sanoo. ”Periaatteessa se on tehtävämme – tehdä siitä niin energiatehokasta, että veden suolanpoistoa on kaikkialla.”