Atmosferik Su Hasadı Daha Verimli Hale Getirmek, Kurak Bölgelerde Anahtar

İnce Havadan Temiz Su

In many regions of the world, fresh water comes at a premium. One option for access could be desalination, but this is so far a very energy-intensive approach, even if some progress in solar tech has made it closer to reality recently. Seawater desalination is also not an option for many inland arid regions, like for example central Asia, Mongolia, Chilean mountains, or most of the Sahara Desert.

Başka bir seçenek, havada bulunan suyu yakalamaktır. Birçok çöl aslında oldukça yüksek atmosferik neme sahiptir, ancak iklimsel nedenlerle yağmur ve bulut oluşmaz. Bu, atmosferik su hasadının vaat ettiği şeydir. Daha önce pasif soğutmanın silikon kaplamasıyla birleştirilmesinin yerçekimine dayalı su hasadının verimliliğini nasıl artırabileceğini ele almıştık.

Araştırmacılar şimdi yöntemi daha da geliştirmeye bakıyorlar, özellikle yeni tip polimerler kullanarak. Osaka Metropolitan University’deki bilim insanları bu araştırmayı gerçekleştirdi ve ACS ES&T Water dergisinde “Hidrofiliklik-Farkı Tetikli Su Transferiyle Yakın Ortam Sıcaklığında Çalışabilen Sıvı Polieter Tabanlı Su Hasadı¹” başlığıyla yayınlandı.

Su Adsorpsiyonu

Havadan su hasadı yöntemi, suyu “adsorbe” edebilen bir polimer kullanmaktır. Adsorpsiyon, katı maddelerin temas ettikleri gaz ya da çözeltilerin moleküllerini yüzeylerine çekme kapasitesidir – bu durumda gaz su buharları ve havada asılı su damlacıkları.

Günlük hayatta, ticari ambalajlarda bulunan silika jel gibi adsorban maddeleri biliriz. Bu aslında oldukça verimli bir süreçtir ve çok miktarda ortam suyu toplayabilir.

Kaynak: Osaka Metropolitan University

Problem, polimerin bu suyu serbest bırakmasıdır. Genellikle bu polimerlerin desorpsiyonu için yaklaşık 100°C sıcaklık gerekir, bu da elbette çok enerji verimsiz ve maliyetli olur. Buna karşı, Osaka’da geliştirilen yeni polimer farklıdır.

Düşük Sıcaklıkta Desorpsiyon

Polimerden suyun serbest bırakılmasıyla ilgili sorun, bir polimeri iyi bir adsorban yapan özelliklerin aynı zamanda suyu bırakmasını zorlaştırmasıdır; bu da yüksek sıcaklık gerektirmesine yol açar.

Önceden, araştırmacılar poli(etanol glikol) (PEG) ve oligomerik poli(propilen glikol) (PPG) karıştırarak “hidrofiliklik-farkı tetiklenmiş su transferi (HWT)” mekanizması oluşturmaya çalışmışlardı.

Daha basit bir ifadeyle, iki polimer türü arasındaki su adsorpsiyon farkı, adsorbe edilen suyu tutma kapasitesini zayıflatmıştır. Bu, sadece yaklaşık 35°C / 95°F sıcaklıkta çalışan bir sıvı nem adsorbentinin oluşturulmasını sağlamıştır.

Ancak bu, karışımın su adsorpsiyon kapasitesini sınırlamış ve daha az enerji yoğun olmasına rağmen verimliliğini düşürmüştür.

PEG-PPG Kopolimeri

Son deneyde, araştırmacılar bir PEG-PPG kopolimerini PEG ile karıştırmayı denediler.

Kaynak: ACS Publication

Bu karışım HWT etkisini daha da artırdı ve en iyi sonucu elde etti:

• Kurtarma için düşük sıcaklık korundu
• Su hasat hızı, normalde suyu en iyi adsorbe eden madde olan PEG tek başına olduğundan daha yüksek oldu.

PEG-PPG rastgele kopolimeri, PEG’in üzerindeki en yüksek su hasat hızını gösterdi. Gelişmiş su geri kazanımı, HWT’nin sinerjik etkisi ve su kümelerinin çöküşünden kaynaklandı.

Uygulamalar

Su toplamak ve polimeri yenilemek için gereken düşük sıcaklık, bu teknolojinin potansiyelini kökten değiştirir. İlk olarak, enerji tüketen yüksek sıcaklıklara olan ihtiyacı ortadan kaldırarak fikrin çevre dostu özelliklerini büyük ölçüde iyileştirir.

“Bu teknolojideki iyileştirmelerin ayrıca sera gazı emisyonlarını azaltması ve su kaynaklarının daha verimli kullanılmasını sağlaması bekleniyor. Şimdi itibarıyla, sıvı nem adsorbentini geliştirmeyi ve tüm sistemin verimliliğini artırarak pratik hale getirmeyi hedefleyeceğiz.”

Masahide Takahashi – Osaka Metropolitan University Profesörü

İkinci olarak, 35°C / 95°F sıcaklığının elde edilmesi çok daha kolay olduğu için, özellikle günün oldukça sıcak olduğu çöl bölgelerinde (tropikal bölgedeki çoğu çöl: Sahra, Orta Doğu, Hindistan, Meksika ve ABD’nin güneybatısı vb.) gün-gece döngüsünden yararlanarak bu sıcaklık sağlanabilir.

Moğolistan gibi daha soğuk bölgeler daha zor olabilir, ancak çok basit bir metal folyo ayna, güneşli olduğunda 35°C eşiğine ulaşmaya yardımcı olabilir. Bu, çok az çabayla otomatik su üreten tamamen pasif bir sistem yolunu açar.

Aynı teknoloji, temiz suya acil ihtiyaç duyan bölgelerde de hızlı bir şekilde uygulanabilir.

“Bu teknoloji, yalnızca kurak bölgelerde ve sınırlı enerji kaynaklarına sahip yerlerde su temini için değil, aynı zamanda afet ve acil durum zamanlarında suya erişimin sağlanması için de uygulanma potansiyeline sahiptir.”

Arisa Fukatsu – Osaka Metropolitan University Yardımcı Profesörü

Bu araştırma üzerine daha fazla geliştirme de yapılabilir. Örneğin, burada keşfedilen polimer karışımının en optimal kombinasyon olduğunu kanıtlayan bir şey yoktur.

Teorik olarak, hidrofobik ve biraz daha az hidrofobik polimerlerin birçok başka karışımı işi yapabilir. Böylece prensip gösterildiğine göre, yeni su adsorbe eden malzemelerin sistematik keşfi verimi daha da artırabilir ve tekniği ticari uygulanabilirliğe daha yakın hâle getirebilir.

Su Kıtlığını Çözen Şirket

Xylem Inc.

Together with the European Veolia, Xylem is a global leader in water purification, wastewater treatment, and desalination. It employs 23,000+ (of which 6,000+ engineers) people and operates in 150 countries, with a focus on USA, with 35,000+ direct industrial customers.

Ana pazarı belediye içme suyu ve atık su olmakla birlikte, sağlık, enerji, gıda & içecek, petrol & gaz, mikroelektronik, vb. gibi diğer sektörlere de özel çözümler sunmaktadır.

Kaynak: Xylem

Xylem, ozon jeneratörleri, UV lambaları, tuzdan arındırma membranları, ultra saf su jeneratörleri vb. gibi suyu temizlemek veya üretmek için kritik patentli ekipmanları sağlayabilir. Ancak aynı zamanda türbinler, pompalar, borulama, enjeksiyon, yazılım vb. gibi suyla ilgili operasyonlar için eşit derecede kritik “daha basit” ekipmanların yanı sıra bakım, onarım ve kurulum hizmetleri de sunar.

Kaynak: Xylem

Su pazarı hâlâ çok parçalanmış bir yapıya sahiptir; Xylem sektördeki en büyük şirketlerden biri olmasına rağmen, hizmet verdiği 80 milyar dolarlık adreslenebilir pazarın sadece %10’luk bir pazar payına sahiptir.

Şirket, satışlarının yaklaşık %4’ünü Ar-Ge’ye harcıyor. PFAS (Per- ve polifluoroalkil maddeler, veya sonsuz kimyasallar) ile ilgili yeni düzenlemelerden fayda sağlaması bekleniyor; 6.000+ hizmet tesisi bu PFAS tedavisine ihtiyaç duyuyor.

Xylem istikrarlı bir şekilde büyümekte, net geliri 2012’de 297 milyon dolardan 2023’te 609 milyon dolara yükselirken %17-219 arası istikrarlı bir EBITDA marjını korumaktadır.

Genel olarak, bu durum şirketin yatırım profilini, genellikle döngüsel olan bir sanayi şirketinden ziyade, genel ekonomiyle birlikte ya da biraz üzerindeki bir oranda büyüyen bir hizmet şirketine benzer hâle getiriyor; bu da çoğu tüketicisinin durumudur.

Çalışma Referansı:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Hidrofiliklik-Farkı Tetikli Su Transferiyle Yakın Ortam Sıcaklığında Çalışabilen Sıvı Polieter Tabanlı Su Hasadı. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}