Katalog

www.iku.edu.tr BİLİM KÜLTÜR VE EĞİTİM Suyun arıtılmasında nanoteknoloji uygulamaları Doç. Dr. Nihal Sarıer (İstanbul Kültür Üni.) D ünya Su Konseyi tarafından hazırlanan güncel bir raporda, gezegenimizdeki tatlı su kaynaklarının sadece %0,008’inin kullanabilen su kaynağı olduğu belirtilmektedir (1). Raporda, bir benzetme yapılarak “yeryüzündeki tatlı su kaynaklarının tümünü 5 litrelik bir bidona koysak, kullanılabilir su miktarı bir çay kaşığından daha az olur” denilmektedir. Çay kaşığına sığacak kadar az olan bu suyun %70’i tarımda ve bahçeçilikte sulama amacıyla kullanılmakta, %20’si endüstri tarafından tüketilmekte, ancak geri kalan %10’u yaşamsal gereksinimler için kullanılabilmektedir. Dünya genelinde halen yaklaşık 600 milyon insanın susuzluk içinde yaşamlarını sürdürdüğü, her yıl 3.5 milyon insanın su yoksunluğu ve su tüketiminde hijyen yetersizliği nedeniyle hayatını kaybettiği tahmin edilmektedir. Nüfus artışının hızlanmasına bağlı olarak, 2025 yılında yaklaşık 3 milyar insanın susuzluk baskısı altında veya su yoksunluğu içinde yaşayacağı tahmin edilmektedir (1). Toplumların bir çay kaşığı kadar suyu iyi yönetemiyor olması çok önemli bir sorun olarak karşımızda durmaktadır. Giderek büyüyen su talebi, temiz suların azalması ile ilgili artan kaygılar, araştırmacıları tatlı suların korunması, temizlenmesi ve atık suların geridönüşümü için yeni keşifler yapmaya yöneltmektedir. İçme sularının niteliğini belirleyen faktörler: Endüstriyel atıkların temiz su kaynaklarına karışması, günlük yaşantıda açığa çıkan katı atıkların, insan atıklarının, sabun ve deterjan sularının kanalizasyon sistemleri ile temiz su kaynaklarına ulaşması sonucu tatlı sular içilebilir özelliklerini kaybetmektedir. İçme sularının kirlenmesine neden olan faktörler i) fiziksel faktörler: Su içinde asılı katı maddeler ve bunların neden olduğu bulanıklık ve renk, ii) kimyasal faktörler: su içinde çözünmüş halde bulunan nikel (Ni), krom (Cr), demir (Fe), kurşun (Pb), civa (Hg) gibi ağır metaller, arsenik (As), siyanür (HCN), klorlu tuzlar, florlu tuzlar, nitratlar, sülfatlar gibi anorganikler, deterjanlar, çeşitli toksik organik bileşikler, iii) mikrobiyolojik faktörler: kısa veya uzun dönemde insan sağlığına zarar veren, kolera gibi salgın hasta lıklara neden olan koliform bakterileri, E koli bakterileri, patojen bakteriler, virüsler ve tek hücreli protozoik parazitler olmak üzere üç ana başlık altında toplanmaktadır. Nanoteknolojinin su temizliğinde kullanım olanakları: Bilindiği gibi, nanoteknoloji boyutları yaklaşık olarak 1100 nanometre aralığında değişen malzemelerin üretildiği, bu boyutta alet ya da cihazların geliştirildiği, nano boyutlardaki malzemelerin incelendiği bilimsel ve teknolojik çalışmaların tümünü kapsamaktadır. Nanoteknoloji ile üretilen nanomalzemeler boyutları, yüksek boyen oranları (boy/en=100221000), çok büyük yüzey alanları (1 gram nanomalzemenin yüzey alanı 502000 m2 aralığında olabilir) sayesinde olağanüstü fiziksel, mekanik, termal, elektriksel, optik ve manyetik özelliklere sahiptirler. Bu sayede, geleneksel teknoloji yöntemleriyle çözümü mümkün olmayan pek çok teknik problem kolayca çözülebilmektedir. Nanoteknolojinin önemli uygulama alanlarından biri tatlı su kaynakları ve atık suların temizlenmesi ile ilgili teknolojiler ve endüstrilerdir. Nanoteknoloji kullanılarak üretilen ve su arıtma amacıyla kullanılan pek çok nanomalzeme ve nanoaygıt dünya pazarlarındaki yerini almış bulunmaktadır. Nanomalzeme ve nanoaygıtların su arıtımında halen kullanılmakta olan geleneksel yöntemlere göre en büyük üstünlüğü, tek bir membran üzerine farklı özelliklere ve işlevlere sahip nanosistem ilavesi ile çok işlevli sistemlerin elde edilmesidir. Böylece tek bir basamakta hem katı taneciklerin tutulması, hem de kirliliğe neden olan anorganiklerin, organiklerin, bakteri ve virüslerin parçalanması mümkün olabilmektedir. Ayrıca, nanoteknolojik su arıtma sistemlerinin etkinliği ve çalışma hızı çok yüksektir. Nanoteknolojik su arıtma uygulamaları şöyle sıralanabilir: 1) Kirliliğin izlenmesi, çeşitlerinin ve miktarının saptanması için nanosensörler, 2) Manyetik nanotanecikler, 3) Nanofiltrasyon membranları, 4) Nanofiltrasyon membranları, 5) Nanokatalizörler. Nanosensörler: Araştırmacılar nanofabrikasyon teknolojilerini kullanarak çok küçük, taşınabilir ve çok hassas sensörlerden oluşan sistemler üretmektedir. Nanosensörler çok düşük derişimlerde kirlilikleri tespit edebilmekte ve uyarı verebilmektedir. Manyetik nanotanecikler: Nano boyutta demiroksit (Fe2O3) su içinde bulunan manyetik özellikli metalik kirleticileri ve arseniği ortamdan uzaklaştırır. Nanofiltrasyon membranları: Şekil 1’de nano ölçekte filtrasyon yapabilen bir membranın çalışma prensibi görülmektedir. Nanofiltrasyon membranları su içinde bulunan 0.5 nm1 nm boyutlarındaki moleküllerin, çözünmüş haldeki tuzların ve bakterilerin tutulması, suyun yumuşatılması amacı ile atıksu ve içme suyu arıtma sistemlerinde kullanılabilmektedir. Nanofiltrasyonun önemli üstünlükleri membran sistemlerin taşınabilir büyüklükte yapılabilmesi, mekanik dayanımının yüksekliği, hafif olmasıdır. Nanofiltre yapımında kullanılan çok yeni iki malzeme nano zeolit ve karbon nano tüplerdir. Şekil 2’de nanofiltre yapımında kullanılan, doğada bolca bulunan bir alumino silikat mineral olan zeolitin kafesli yapısı görülmektedir. Kafes boşluklarında iyon ve moleküller tutulmakta, böylece suyun saflaştırılması müğmkün olmaktadır. Nanofiltrasyonda kullanılan Karbon nano tüplerin (CNT) taramalı elektron mikroskop (SEM) görüntüleri Şekil 3’te, CNT dizinlerinden üretilmiş bir membranın çalışma mekanizması Şekil 4’te verilmektedir. Enine kesiti bir nanometre (0,000000001 metre) mertebesinde olan nanotüp örgü, demir (Fe2+/Fe3+), siyanür (HCN), potasyum (K+), nitrat (NO3 ), sülfat (SO42) iyonlarının, bakterilerin ve alglerin geçmesine izin vermez, böylece suyun arıtılması mümkün olur. Nanokatalizörler: Nanokatalizörlerle suyun temizlenme mekanizması Şekil 5’te görülmektedir. Nanoboyutta titanium dioksit (nano TiO2) ve alüminyum oksit (nano Al2O3), güneş ışığı altında kirli su içinde bulunan organik molekülleri parçalar, bakteri ve yosunların kolayca yok olmasını sağlar. Nanoteknoloji yardımı ile dünyanın temiz su sıkıntısını azaltma, kullanılacak yeni nanomalzemelerin maliyetini düşürme çalışmaları sürdürülmektedir. 1 World Water Council, The Use of Water Today, http://www.worldwatercouncil.org/ 2Global Dialogue on Nanotechnology and the Poor: Opportunities and Risks, http://www.merid.org/ nano/waterpaper. 3 Innovations in nanotechnology for water treatment, Nanotechnology, Science and Applications, 8, (2015) 117, DOI http://dx.doi. org/10.2147/NSA.S43773 Kaynaklar: