Szkoda wody jest poważnym problemem na całym świecie. „Dotyka każdego kontynentu” – mówi Amir Barati Farimani, adiunkt inżynierii mechanicznej. „Cztery miliardy ludzi żyje w warunkach poważnego niedoboru wody przez co najmniej jeden miesiąc w roku. Pół miliarda ludzi żyje w warunkach poważnego niedoboru wody przez cały rok”.
Ale nawet gdy ludzie zmagają się bez dostępu do bezpiecznej wody pitnej, tuż za ich drzwiami znajdują się oceany wody niezdatnej do picia. „71% powierzchni świata jest pokryte wodą morską” – mówi Barati Farimani. „Jest to więc bardzo interesująca sprzeczność.”
Aby zwalczyć ten problem, Barati Farimani skupił swoje badania na odsalaniu wody. Jest to proces, w którym słona woda morska może zostać przekształcona w wodę słodką.
Istnieje wiele sposobów odsalania wody, ale jednym z najskuteczniejszych jest odsalanie membranowe. W tej metodzie, woda jest przepychana przez cienką membranę z małymi otworami. Woda przepływa przez pory, ale jony soli nie mogą, pozostawiając po drugiej stronie tylko świeżą wodę.
Źródło: College of Engineering
Przewodzące ramy metalowo-organiczne (MOF) to nowy typ membrany do odsalania wody.
W swoich najnowszych badaniach Barati Farimani bada potencjał nowego typu membran, zwanych ramami metalowo-organicznymi (MOF). „Membrany te składają się zarówno z centrum metalowego, jak i związku organicznego” – mówi Barati Farimani. Związek organiczny i metal łączą się w pięciokątny wzór, pozostawiając w środku otwór, który służy jako por. „Jeśli się na nie spojrzy, przypominają plaster miodu”, dodaje Barati Farimani.
Jest kilka powodów, dla których szkielet jest bardziej efektywny. Po pierwsze, jest niewiarygodnie cienki. Ma grubość kilku atomów, co oznacza, że jest bardzo małe tarcie, gdy cząsteczki wody przechodzą przez pory.
Dodatkowo, umiejscowienie porów pomaga w przenikaniu. „Gdy nie ma przylegających porów, na cząsteczki wywierany jest ogromny nacisk ze strony ściany” – mówi Barati Farimani. To sprawia, że proces odsalania jest mniej wydajny. Aby zrozumieć dlaczego, wystarczy wyobrazić sobie wlewanie wody do lejka. Woda porusza się wolniej przez otwór na końcu, ponieważ jest dociskana do ścianek i przepychana przez małą przestrzeń.
Z drugiej strony MOF ma wiele przylegających do siebie porów. „Nie ma ciśnienia od strony ściany”, mówi Barati Farimani. „I to daje im tę możliwość łatwiejszego przejścia przez pory”. Wyobraź sobie, że tym razem wlewasz wodę przez sitko – porusza się ona znacznie szybciej, ponieważ ma wiele punktów wyjścia, przez które może uciec.
Wreszcie, MOF ma większą integralność strukturalną niż inne materiały. W większości materiałów naukowcy muszą wiercić maleńkie otwory, aby stworzyć potrzebne pory, co ogranicza ilość, jaką można stworzyć na powierzchnię. „Jeśli chcesz stworzyć wiele porów, grafen czy MoS2 nie są w stanie tego zrobić” – mówi Barati Farimani. „Strukturalnie nie są w stanie utrzymać ciśnienia”.
Ale dzięki swojej strukturze plastra miodu, MOF jest z natury porowaty. Pozwala to na uzyskanie wyższego stosunku porów do powierzchni. Oszczędza to również czas i energię, ponieważ pory nie muszą być wiercone, ani nawet dopasowywane pod względem wielkości.
Różnice pomiędzy MOF a innymi typowymi membranami są zauważalne, zarówno pod względem tego, jak szybko woda przechodzi przez nie, jak i tego, jak wiele jonów jest odrzucanych. I to tylko patrząc na symulację kilku porów. Zakład odsalania może mieć miliardy porów, podnosząc swoją wydajność wykładniczo. „W skali dużej operacji byłoby to ogromne” – mówi Barati Farimani. „Nawet niewielki wzrost wydajności oznaczałby ogromny skok”.
Musimy zapewnić świeżą wodę dla wielu nieuprzywilejowanych ludzi. To jest nasza misja – uczynić to tak wydajnym energetycznie, abyśmy mieli odsalanie wody wszędzie.
Amir Barati Farimani, Assistant Professor , Mechanical Engineering
Artykuł Barati Farimani na temat jego badań został opublikowany w Nano Letters, miesięcznym recenzowanym czasopiśmie naukowym wydawanym przez American Chemical Society. Dodaje się on do rosnącej dyskusji na temat odsalania wody i stanowi ważny krok naprzód w tej dziedzinie.
W dodatku do świata akademickiego, Barati Farimani ma nadzieję, że jego badania mogą mieć wpływ na życie ludzi. „Musimy zapewnić słodką wodę dla wielu nieuprzywilejowanych ludzi, np. w Afryce lub innych miejscach” – mówi. „W zasadzie to jest nasza misja – zrobić to tak wydajnie energetycznie, abyśmy mieli odsalanie wody wszędzie.”
.