Havadan temiz su üretme: MOF molekülleri

University of California Berkeley araştırmacıları havadan temiz su üretmek için çevre dostu bir yöntem geliştirdi bu özel el cihazı yalnız güneş ışığını kullanarak havadaki su moleküllerini çekerek içilebilir suya dönüştürüyor. Bu havadan içilebilir su üretme teknolojisi aşırı hava koşullarında bile insanlara güvenilir su kaynağı sağlayarak su ihtiyacını karşılamada önemli bir adım olabilir. Atmosferdeki su miktarı Dünyadaki nehir ve göllerdeki tüm tatlı suyun 6 katı olduğu dikkate alındığında bu tür bir yenilik dünyanın su kıtlığı sorununa çözüm sağlama potansiyeline sahiptir¹.

Bu atmosferdeki su toplayıcıda, zorlu çevre koşullarında bile suyu temizlemek için metal organik çerçeve (MOF) adı verilen bir ultra gözenekli malzeme kullanıldı. Yapılan testler iklim değişikliği nedeniyle artan kuraklık sorunlarında bile cihazın her yerde temiz su sağlayabileceğini ve acil su ihtiyacını karşılayabileceğini gösterdi. Bu tür teknolojiler su kaynaklarına erişim konusunda yaşanan güçleri hafifletme potansiyeline sahiptir ve toplumların su temini konusunda yaşadığı sıkıntıları azaltmaya yardımcı olabilir.

MOF’leri icat eden ve liderliğini üstlenen Berkeley kimya profesörü Omar Yaghi, “Dünya nüfusunun neredeyse üçte biri, su sıkıntısı yaşayan bölgelerde yaşıyor. BM, 2050 yılında dünya genelinde yaklaşık 5 milyar insanın büyük bir kısmının su kıtlığına maruz kalacağını tahmin ediyor. Bu, su için yeni kaynaklar bulmanın son derece önemli olduğu anlamına geliyor.” ifadelerini kullandı³. 

Hidrojeller, zeolitler veya tuzlar gibi diğer malzemeler düşük nemli koşullarda yeterli enerji verimliliği ve yüksek kapasite sağlayamazlar. MOF teknolojisi, içme suyundan tarıma kadar her türlü su kıtlığı sorunuyla etkili bir şekilde başa çıkmak için güçlü bir araç haline gelebilir. Bu yenilikçi teknoloji, suyun bol ancak temiz suyun nadir olduğu bölgelerde saf su elde etmek için de kullanılabilir. Su kaynaklarının sürdürülebilirliği için bu tür gelişmeler, gelecekte yaşam için önemli bir rol oynayabilir.

Özel olarak tasarlanmış MOF’ler toplumun iklim değişikliğiyle başa çıkmasına ve iklim değişikliğine uyum sağlamasına yardımcı olabileceğini gösteriyor. College of Computing, Data Science ve Society’nin Bakar Institute of Digital Materials for the Planet (BIDMaP) uzmanları, veri bilimi ve makine öğrenimini kullanarak bu moleküllerin, malzemelerin ve cihazların tasarımını hızlandırmaya ve ölçeklendirmeye çalışıyor.

BIDMaP’ın eş direktörü Yaghi, “Yaptığımız şey, cihazın verimli ve uyumlu çalışması için molekülün ve malzemenin yapılandırılması, cihazın tasarımı, verimliliği ve performansı olmak üzere bileşenleri birbirine bağlayan dijital inovasyon döngüsü adını verdiğimiz bir yöntem yaratmaktır. Tüm bu unsurlar birbirine bağlıdır ve en yüksek performansı elde etmek için her bir parçanın optimize edilmesi gerekmektedir.” dedi³.

Bu çalışmalar, gelecekte iklim değişikliğiyle mücadelede ve su kaynaklarına erişim konusundaki zorlukların üstesinden gelmede önemli bir rol oynayabilir. Toplumların ihtiyaç duyduğu verimli ve sürdürülebilir çözümleri sunarak, bu tür araştırmalar insan hayatını olumlu yönde etkileyebilir.

Ne kadar su üretiyorlar?

MOF’un dikkat çeken bir özelliği, atmosferik buharı yakalayarak suyunun %85 ila 90’unu içme suyu olarak elde edebilmesi ve son derece verimli bir şekilde su toplamasıdır. 2019 yılında yayınlanan bir çalışmada Hanikel ve ark. %32 bağıl nemde ve 27 °C’de Al-MOF-303 kullanılarak günde 1 kg MOF başına 1,3 L su üretme kapasitesine ulaştılar⁵. Logan ve ark. 2020 yılında aynı şartlarda Zr-MOF-808 ile 8,66 L su üretebildiler⁶. Yaghi ve ekibi tarafından 2017 ‘de Science dergisinde yayınlanan çalışmalarında enerjisini güneşten sağladıkları teknoloji MOF-801’den 2,8 L su elde ettiler¹. 2023’te yayınlanan çalışmalarında ise bu cihazı taşınabilir boyuta getirdiler ve bu teknoloji ile 1 kg MOF-303 başına 285 grama kadar su toplayabilmişlerdir. Ayrıca, MOF uzun ömürlü bir yapıya sahiptir ve yıllarca kullanılmaya devam edebilir. Kullanım ömrü sonunda ise sürdürülebilir bir şekilde sökülüp geri dönüştürülebilir.

Yaghi’nin geliştirdiği cihaz, güneş enerjisi ile çalıştığı için ek güç kaynaklarına ihtiyaç duymaz ve çevre dostudur. Bu özelliği, CO₂ salınımı olmadan çalıştığı anlamına gelir. Hem etkili hem de taşınabilir bir yapıya sahiptir; eski MOF tabanlı cihazlara kıyasla daha küçüktür ve bir el çantasına sığabilir.

Yapılan çalışmalar, prototipin verimliliğinin artırılabileceğini ve gelecekte daha gelişmiş bir hale getirileceğini gösteriyor. Bu teknoloji, su kaynaklarındaki sıkıntıları çözmede önemli bir adım olabilir ve veri bilimi ve makine öğrenimi gibi ileri teknolojilerle evlerde ve toplumda yaygın olarak kullanılabilir hale gelebilir. Bu teknoloji ile insanlara su bağımsızlığı sağlayabilir ve gelecekte daha geniş kullanım alanları yaratabilir. Sektör gözünü çöllere dikecek gibi.

Mertcan ŞAHİN

Kaynaklar

1. Kim, H., Yang, S., Rao, S. R., Narayanan, S., Kapustin, E. A., Furukawa, H., … & Wang, E. N. (2017). Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight. Science, 356(6336), 430-434.
2. Fathieh, F., Kalmutzki, M. J., Kapustin, E. A., Waller, P. J., Yang, J., & Yaghi, O. M. (2018). Practical water production from desert air. Science advances, 4(6), eaat3198.
3. https://techxplore.com/news/2023-07-portable-sun-powered-harvester-combat-scarcity.html 
4. Song, W., Zheng, Z., Alawadhi, A. H., & Yaghi, O. M. (2023). MOF water harvester produces water from Death Valley desert air in ambient sunlight. Nature Water, 1-9.
5. Hanikel, N., Prévot, M. S., Fathieh, F., Kapustin, E. A., Lyu, H., Wang, H., … & Yaghi, O. M. (2019). Rapid cycling and exceptional yield in a metal-organic framework water harvester. ACS Central Science, 5(10), 1699-1706.
6. Logan, M. W., Langevin, S., & Xia, Z. (2020). Reversible atmospheric water harvesting using metal-organic frameworks. Scientific Reports, 10(1), 1492.