Sandia Ulusal Laboratuvarı’nda çalışan bilim insanları ile beraber enerji üretimi ve çiftçilik için gereken tatlı su kaynaklarını artırmak için kullanılacak elektrodiyaliz için yapısı alglerden ve bir proteinden oluşan yeni bir zar geliştirdikten sonra sonuçları Soft Matter dergisinde yayınlandılar.
Elektrodiyalizin amacı çözünmüş tuzları elektrik yardımıyla sudan ayırmaktır. Günümüzde elektrodiyaliz, sofra tuzunu üretmek için deniz suyundan su yakalamak ve tuzlu sudan tuzu ayırıp tatlı su yapmak için kullanılmaktadır. Araştırmacılar, bir elektrodiyaliz zarına fenilalanin adı taşıyan sık görülen bir amino asidin eklenmesi sonucu sodyum gibi pozitif iyonları daha iyi yakalayıp, uzaklaştırdığı gözlemlenmiştir.
Projede yer alan baş biyomühendis olan Susan Rempe: “Elektrodiyaliz zarına fenilalanin eklenmesi, pozitif iyonlar için seçici geçirgenliği büyük bir miktarda arttırdı.” dedi1. Yeteri kadar temiz su elde etmenin bir ulusal güvenlik sorunu teşkil ettiğini de belirtti.
Daha az elektrikle temiz su
Tatlı su üretilirken tuzlu sudan tuzu ayırma işleminde ters osmoz yöntemi uygulanmaktadır ancak bu işlem uygulanırken bir problem vardır. Bu problem, tatlı suyun içinde yer alan tuzun, giderek artan tuzlu çözeltiden ayırmak için yüksek basınca ihtiyaç duyulmasıdır. Rempe yüksek basınçlı bir itici güç kullanımının oldukça maliyetli olduğunu ve zarların su içerisinde çözünmemiş malzemeler tarafından kolay bir biçimde tıkanmasına veya kirlenmesine sebep olacağını söyledi.
Rempe: “Tuzlu atık suları temizlemek için elimizde birkaç yöntem var. Örnek verecek olursak, deniz suyundan 10 kat daha tuz oranına sahip doğal gazın geri kazanılması için hidrolik kırılma sistemi ile üretilen suyun, doğaya geri kazandırılması yerine yer altına gömülmesi tercih edilir.” dedi.
Elektrodiyaliz, ters osmozdan potansiyel olarak daha iyi bir yöntemdir. Nedeni ise tuz iyonlarını çekmemiz için elektrik akımı kullanır ve geride tatlı su kalır. Rempe, bu olayın daha az enerji gerektiğini ve zarın tıkanma olasılığının daha az olduğunu söyledi. Elektrodiyaliz, tatlı suları oluşturmak için pozitif ve negatif iyonları yakalayan iki adet zara sahiptir.
İlham almak için biyolojiye bakmak
Rempe ve çalışma arkadaşları Channelrhodopsin adında iyonları taşıyan kendine özgü bir proteinden esinlenmiştir. Bu iyonları taşıyan protein, sodyum iyonları, potasyum iyonları, kalsiyum iyonları ve protonları da kapsayan birçok farklı pozitif yüklü iyonlarının geçmesine izin verir, fakat negatif yüklü iyonlar yoktur. Elektrodiyaliz zarı için bu tür seçicilikler önemlidir.
Rempe ve Chad Priest, proteinin iyon taşıma yolu süresince, proteinlerin 20 yapı taşından biri olan fenilalanin adında birçok sayıda amino asit türü olduğu gözlemlemişlerdir. Rempe, “Bir süredir Channelrhodopsin üzerine çalışıyoruz, özelliklerini ve belli başlı iyonları neye göre seçtiğini anlamaya çalışıyoruz. İyon taşıma yolunu kaplayan birtakım fenilalanin yan zinciri olduğunu sezdik ve orada fenilalaninlerin ne işi olduğunu merak ettik.” dedi.
Rempe ve Priest’in öngörüleri fenilalanin zincirinin, Channelrhodopsin proteinin taşınma yolu boyunca sayısız bağlanma bölgesinin bir bileşenini olduğunu gösterir. Bu hesaplamalar, fenilalanin bağlanma bölgelerinin sodyum iyonları ile beraber etkileştiğini gösterdi. Bu durumda pozitif iyonların kararlı olabileceğine fakat kanal boyunca hareket etmeyi bırakacak kadar kararlı olmadığını gösterdi.
Katman katman yapı
Percival piyasada bulunan gözenekli bir destek zarını pozitif yüklü iyona batırdıktan sonra zarını temizleyip negatif yüklü bir solüsyona daldırdı. Yapılan proje üzerinde çalışmayı sürdüren Percival, çözeltilerin zıt yüklere sahip olması nedeniyle, zarın her iki yüzeyinde de kaplama halinde kendi başına birleşebilceğini söyledi.
İki çözeltide de döngü, pozitif iyonları yakalayabilen ince bir zar tabakası ekledi. Yapılan bu projede Percival, öncelik olarak 10 veya 5 olmak üzere iki daldırma katmanı kalınlığında zarlar yapıldı. Fenilalanin içeren beş katmanlı zarların kaplaması, insan saçından yaklaşık 50 kat daha incedir. 10 katmanlı bir zar ise insan saçından 25 kat daha incedir. Elektrodiyaliz filmlerinin kalınlığı önemlidir. Sebebi ise daha kalın filmler, iyonları kendilerine çekmek için daha fazla elektrik gerektirir.
Kendine özgü olarak, fenilalanin içeren 5 katmanlı filmin, fenilalanin içermeyen 10 katmanlı filmin benzer seçici geçirgenliğe sahip olduğunu, fakat daha kalın kaplamalarla ilişkili artan direnç olmadığını buldular. Percival: ”Bu fenilalanin filminin, tuzlu suyu tatlı suya çevirmek için daha az elektrik kullanarak etkili bir şekilde artırılabileceğini ve böylece daha verimli hale getirebileceği anlamına geliyor.” dedi.
Ortaklıklar ve ileriye dönük yollar
Proje ekibi, zarı daha fazla test edebilmek için Texas Üniversitesi‘nde İnşaat Mühendisliği Profesörü olan Shane Walker ile çalışmayı beraber yürüttü. Walker ve ekibi, Sandia‘nın elektrodiyaliz zarını, karışık ve laboratuvar ölçekli bir elektrodiyaliz sisteminde ticari olarak mevcut zarlarla karşılaştırdı. Tuz yoğunluğunu azaltılması, elektrik tüketimi ve su geçirgenliği gibi bir dizi değişkenlere baktılar.
Rempe, “UT El Paso ortaklarımız zarları gerçek bir elektrodiyaliz sisteminde incelediler. Laboratuvarda bulunan ölçekli sistemlere zar numuneleri koydular ve birçok deney yaptılar. Bunun sonucunda zarlarımızı, ticari zarlarla karşılaştırdılar. Zarlarımızın gereğinden daha iyi sonuç verdi” dedi.
Walker‘ın ekibi, Sandia‘nın doğal zarının, ticari elektrodiyaliz zarlarıyla rekabet edebildiğini keşfetti. Sandia’nın zarı, akım yoğunluğu açısından ve tuzlu sudan tatlı suya hareketi ile ilgili su geçirgenliği ortalamanın üzerindeydi. Sandia’nın zarı, bir saatlik çalışma süresinden sonra tuzluluk azalması açısından ortalamanın biraz altında kalmıştı ve test edilen altı zar çifti çoğu zardan daha fazla elektrik tüketti.
Elde edilen sonuçlar, Membranes adında bilimsel derginin içindeki bir makalede yayınlandı. Makalede, araştırmacılar, Sandia‘nın doğal zarının, ticari zarlarla rekabet ederken, hala iyileştirme için yer olduğunun sonucuna vardılar. Gelecek zamanlarda Rempe, nadir bulunan toprak metal iyonları gibi belirli, ekonomik açıdan değerli iyonları ayırabilen bir elektrodiyaliz zarını tasarlamak istiyor. Nadir bulunan toprak metalleri otomotiv katalitik konvertörlerinde, güçlü mıknatıslarda, şarj edilen pillerde ve cep telefonlarında kullanılır ve sıklıkla Çin’de çıkarılır.
Kaynak