MIT Makine Mühendisliği Bölümü Noyce Kariyer Geliştirme Profesörü Xuanhe Zhao ve MIT Abdul Latif Jameel Su ve Gıda profesörü ve J-WAFS Direktörü Dr. John Lienhard, bu yıl başlarında J-WAFS fonu sağlanan yedi araştırma projesinden birisinin liderliğini üstleniyor. Xuanhe ve John, dünyada en yaygın kullanılan tuzdan arındırma prosesi olan ters ozmosun verimliğini büyük oranda artıracak ve maliyetleri düşürecek kimyasal içermeyen, titreşim bazlı bir membran temizleme teknolojisi geliştirmeyi amaçlıyor.

 Kapıları Açıyoruz, projesi ve amaçları hakkında profesörler Zhao ve Lienhard ile konuştu.

 Araştırma projenizin başlığı nedir?

Projenin adı, ‘Ters Ozmos Membranında Kirlenmeyi Önlemek için Yüksek Verimli Kimyasal Madde İçermeyen Geri Yıkama Stratejisi’.

Hangi sorunu ele almayı amaçlıyorsunuz?

Tatlı su, varlığımız için esastır ancak istikrarlı, sürdürülebilir bir arz sağlamak, özellikle de Ortadoğu ve Kuzey Afrika (MENA) gibi suyun kıt olduğu bölgelerde, büyük bir zorluktur.

Teorik olarak dünyada yedi milyar insanı desteklemek için yeterli tatlı su vardır ancak eşitsiz dağılım ve verimli olmayan tüketim düzenlerinin birleşimi, artan sayıda bölgede kronik su kıtlığı yaşanacağı, çok miktarda suyun israf edileceği, kirletileceği veya sürdürülebilir olmayan bir biçimde yönetileceği anlamına gelmektedir.

Dünya Bankası verilerine göre MENA bölgesindeki nüfusunun yarısından fazlası talebin arzın çok gerisinde kaldığı, ‘su stresi’ koşulları altında yaşamaktadır[1]. Dünyada suyun en kıt olduğu 12 ülkenin bulunduğu bir bölge için bu durum belki şaşırıcı olmayabilir ama arz ile talep arasındaki farkın ölçüsü ürkütücüdür.

Nüfus artışının ve küresel iklim değişikliği etkilerinin olumsuz sonuçları sürdükçe su temini üzerindeki baskı daha da artacaktır ve MENA bölgesinde kişi başına elde edilebilir suyun 2050 yılına kadar yarıya inmesi beklenmektedir[2].

Dünya ölçeğinde taze su arzını artırmak için tuzdan arındırma teknolojilerini kullanan birçok teknoloji vardır. Söz gelimi BAE, suyunun %90’ını tuzdan arındırma yoluyla elde etmektedir.

En yaygın kullanılan işlem, ters ozmostur. Araştırmamız, ters ozmos işleminin verimliliğini anlamlı oranda artıracak, sürdürülebilirliğini iyileştirecek ve maliyetlerini azaltacak yeni bir teknoloji geliştirmeyi amaçlamaktadır.

Ters ozmos nedir?

Ters ozmos, hem acı yeraltı suyunu tuzdan arındırmak, hem de deniz suyunu tuzdan arındırmak için kullanılır. Bundan başka, atık su yeniden kullanım sisteminin bir öğesi olarak ve çok çeşitli başka işlemlerinde de kullanılır.

Ters ozmos sırasında tuzlu su bir polimer membrana basınçla uygulanarak suyun membran içinde daha düşük basınçlı (saf su) tarafa geçmesi sağlanır. Membranın dikkatle tasarlanmış yüzey kimyası nedeniyle tuzlar membranın içinden geçemez.

Bununla ilgili bazı sorunlar nelerdir?

İlgilendiğimiz temel sorun membranın kirlenmesidir. Operasyon sırasında, membranın tuzlu su tarafında biyolojik olarak aktif malzemeye ait ince filmler oluşabilir. Buna ek olarak, tuzlar membran yüzeyinde kristalleşebilir. Her iki proses de membranı etkili bir biçimde ‘tıkayarak’ suyun bir taraftan diğerine aktarılmasını azaltır ve daha yüksek enerji tüketimine ve maliyetlere yol açar. Dolayısıyla da bunu kontrol etmek çok önemlidir.

Biyofilm membran kirlenmesi sorunu genel olarak gelen besleme suyunun kapsamlı kimyasal ön işlemden geçmesiyle çözümlenir. Ancak bu maliyetli, zaman ve enerji açısından verimsiz ve çevresel olarak arzu edilmeyen bir işlemdir. Buna ek olarak, membran kirlenmesini tümüyle ortadan kaldırmaz ve membranların yaşam ömrünü kısıtlar. Dolayısıyla da membranların çalışma ömrünü daha da uzatan ve işletme ve bakım maliyetlerini düşüren, kimyasal içermeyen bir yöntem tercih edilir bir yöntemdir.

Araştırmanız bu zorlukların üstesinden nasıl gelinmesini öneriyor?

Araştırdığımız yaklaşım, membranları titreştirmek için basıncı kullanmak. Bakteriler, bir koloni oluşturmak için yeteri sayıda olduklarından emin olmak için ‘nisap algılama’ adı verilen bir şey kullanır. Titreşimler, ‘nisap algılama’ya müdahale eder be bakterilerin biyofilm oluşturmalarını engeller.

Titreşimler, membranın bir tarafına bir basınç gradyanı uygulanmak suretiyle üretilir. Diğer tarafta basınç sabittir. Bir taraftaki salınan gradyan ile diğer taraftaki sabit basınç arasındaki fark membranın titremesine neden olur. Bu, düzenli tuzdan arındırma işlemi sırasında yapılabilir.

Laboratuvarımızda, bakterilerin membran yüzeyine nasıl yapıştıklarına ve titreşimin bakteriler arasındaki iletişimi nasıl etkilediğine ilişkin daha ileri çalışmalar yapmamız gerekiyor. Bunu gerçekleştirdikten sonra bu ilkeleri gerçek dünyada uygulama yollarını arayabiliriz.

Teknolojinizin potansiyel avantajları nelerdir?

Temel avantajları, ters ozmos işleminin bakım ve işletme maliyetlerinin düşürülmesidir. Membranları temizlemek için faaliyete daha az ara vermek gerekir zira biyofilmle kaplı değillerdir, dolayısıyla da verimlilik daha fazladır: Temizlik amacıyla faaliyeti sonlandırmanız gerekmiyorsa verilen bir süre içinde daha fazla su üretebilirsiniz. Aynı zamanda da temizleme işlemine ait maliyetlerden de kaçınıyorsunuz. Membran kirlenmesinin önlenmesi, ayrıca ters ozmosun Körfez’deki ve dünyanın diğer bölgelerindeki her tuzlu, sıcak su ile çalışmasını kolaylaştırır.

Tüketiciler için de bir avantajı olacaktır zira suyun maliyetini azaltacaktır. Hâlihazırda, işletme ve bakım maliyetleri, bir ters ozmos fabrikasında üretilen suyun maliyetinin yaklaşık olarak dörtte birini oluşturmaktadır. Membran temizliği ve değiştirilmesi, bu maliyete önemli bir katkıda bulunmaktadır. Dolayısıyla da eğer bu maliyetleri azaltabilirsek üretimin genel maliyeti de anlamlı oranda düşmelidir.

Bundan başka, delik membran veya bir şeyin aradan geçme riski de azaldığından su kalitesi de olasılıkla daha iyi olacaktır.

Araştırmanızı bu J-WAS yatırımının sona erdiği Ağustos 2019 itibarı ile tamamlamayı bekliyor musunuz?

Evet, araştırmanın bu aşamasını oluşturan varsayımın kanıtlanması aşaması tamamlanmış olacaktır. Bundan sonra, işlemi rafine etmek ve ticari olarak nasıl uygulanabileceğini görmek için daha fazla araştırma yapılmasına yönelik bir potansiyel olduğunu görüyoruz.

Projemizin başlangıçta odaklandığı konu, ters ozmos membranlarının temizlenmesidir; ancak araştırmamızın kapsamı ve elde edeceğimiz bilgiler biyo-kirliliğin bir sorun teşkil ettiği gemi teknesi veya medikal implantlar gibi başka alanlarda da uygulanabilir; dolayısıyla da önemli bir ticari potansiyeli bulunmaktadır.

Dr. John H. Lienhard V, PhD, PE, MIT Abdul Latif Jameel Su ve Gıda Profesörü ve J-WAFS Direktörü

[1] High and Dry: Climate Change, Water and the Economy, World Bank, May 2016.

[2] http://blogs.worldbank.org/arabvoices/numbers-facts-about-water-crisis-arab-world