Vattenbrist är ett stort problem i hela världen. ”Det påverkar alla kontinenter”, säger Amir Barati Farimani, biträdande professor i maskinteknik. ”Fyra miljarder människor lever under förhållanden med allvarlig vattenbrist minst en månad om året. En halv miljard människor lever under svår vattenbrist hela året.”
Men även om människor kämpar utan tillgång till säkert dricksvatten finns det oceaner av odrickbart vatten precis utanför deras dörrar. ”71 procent av världens yta är täckt av havsvatten”, säger Barati Farimani. ”Så det är en mycket intressant motsägelse.”
För att bekämpa detta problem har Barati Farimani fokuserat sin forskning på avsaltning av vatten. Detta är den process där salt havsvatten kan omvandlas till sötvatten.
Det finns många sätt att avsalta vatten, men ett av de mest effektiva är membranavsaltning. Vid denna metod trycks vatten genom ett tunt membran med små hål. Vattnet strömmar genom porerna, men saltjonerna kan inte göra det, vilket gör att det bara finns färskt vatten kvar på andra sidan.
Källa:
En ledande metallorganisk ram (MOF) är en ny typ av membran för avsaltning av vatten.
I sin senaste forskning utforskar Barati Farimani potentialen hos en ny typ av membran, en så kallad metallorganisk ram (MOF). ”Dessa membran består av både metallcentrum och en organisk förening”, säger Barati Farimani. Den organiska föreningen och metallen kopplas samman i ett pentagonalt mönster och lämnar ett hål i mitten som fungerar som en por. ”Om man tittar på dem är de som en honungskaka”, tillägger Barati Farimani.
Det finns ett par anledningar till varför ramverket är mer effektivt. För det första är det otroligt tunt. Det är några få atomer tjockt, vilket innebär att det blir väldigt lite friktion när vattenmolekylerna passerar genom porerna.
Det är dessutom så att porernas placering underlättar permeationen. ”När man inte har intilliggande porer finns det ett enormt tryck från väggen på molekylerna”, säger Barati Farimani. Detta gör avsaltningsprocessen mindre effektiv. För att förstå varför kan du tänka dig att hälla vatten i en tratt. Vattnet rör sig långsammare genom hålet i slutet eftersom det trycks mot väggarna och tvingas genom ett litet utrymme.
MOF:en har däremot flera intilliggande porer. ”Det finns inget tryck från väggsidan”, säger Barati Farimani. ”Och det ger dem denna möjlighet att lättare passera genom porerna.” Föreställ dig att du häller vatten genom en sil den här gången – det rör sig mycket snabbare eftersom det har flera utgångspunkter som det kan fly genom.
För det sista har MOF mer strukturell integritet än andra material. I de flesta material måste forskarna borra små hål för att skapa de nödvändiga porerna, vilket begränsar den mängd som kan skapas per yta. ”Om man vill skapa många porer kan grafen eller MoS2 inte göra det”, säger Barati Farimani. ”Strukturellt sett kan de inte hålla trycket.”
Men tack vare sin bikakestruktur är MOF i sig självt poröst. Detta möjliggör ett högre förhållande mellan porerna och ytan. Det sparar också tid och energi, eftersom porerna inte behöver borras eller ens justeras i storlek.
Skillnaderna mellan MOF och andra typiska membran är anmärkningsvärda, både när det gäller hur snabbt vatten passerar igenom och hur många joner som avvisas. Och det är bara att titta på en simulering av några få porer. En avsaltningsanläggning kan ha miljarder porer, vilket ökar effektiviteten exponentiellt. ”I en stor verksamhet skulle det vara enormt”, säger Barati Farimani. ”Även en liten ökning av effektiviteten skulle innebära ett enormt språng.”
Vi måste tillhandahålla färskvatten för många underprivilegierade människor. Det är vårt uppdrag – att göra det så energieffektivt att vi har avsaltning av vatten överallt.
Amir Barati Farimani, Assistant Professor , Mechanical Engineering
Barati Farimanis artikel om sin forskning publicerades i Nano Letters, en månatlig vetenskaplig tidskrift med kollegial granskning som publiceras av American Chemical Society. Den bidrar till ett växande samtal om avsaltning av vatten och utgör ett viktigt steg framåt på området.
Inom den akademiska världen hoppas Barati Farimani att hans forskning kan påverka människors liv. ”Vi måste tillhandahålla färskvatten för många underprivilegierade människor, till exempel i Afrika eller på andra platser”, säger han. ”I grund och botten är det vårt uppdrag – att göra det så energieffektivt att vi kan ha avsaltning av vatten överallt.”