Su kıtlığı ile mücadele etmek, alışılmadık kaynaklardan su üretmek stratejik olarak önemlidir. Umut verici bir yaklaşım, son yıllarda ortaya çıkan gözenekli malzeme sınıfı (metal -organik çerçeveler (MOF)) kullanarak doğrudan havadan su çıkarmak için önerilen bir teknoloji olan atmosferik su hasadıdır.
MOF’lar, su buharı da dahil olmak üzere molekülleri yakalama ve tutma yetenekleri ile bilinen geniş yüzey alanlarına sahip oldukça ayarlanabilir, kristal benzeri yapılardır.
Beklendiği gibi, bu tür hasat süreçlerinin performansı büyük ölçüde MOF’larda suyun adsorpsiyon özelliklerine bağlıdır.
Bugüne kadar, Literatürde MOF’larda çeşitli su adsorpsiyon davranışları gözlemlenmiştir ve bildirilmiştir. Hasat verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için araştırmacılar, adsorpsiyon koşullarında küçük bir değişiklik ile su alımında keskin bir artış içeren S-şekilli adsorpsiyon izotermleri sergileyen MOF’lar ararlar.
Bu prensip yıllardır bilinse de, MOFS’deki çeşitli su adsorpsiyon davranışlarının kapsamlı bir şekilde anlaşılması sınırlı kalmıştır.
Yayınlanan bir çalışmada Amerikan Kimya Derneği DergisiLi-Chiang Lin’in Ulusal Tayvan Üniversitesi (NTU) grubu, bu malzemelerde su adsorpsiyonunun nasıl meydana geldiğini daha iyi anlamak için stratejik olarak seçilen 200’den fazla MOF üzerinde ayrıntılı bir hesaplama araştırması gerçekleştirdi.
Termodinamik stabilite, makrostat olasılıkları, serbest enerji profilleri ve hidrojen bağı ağları analizleri ile birlikte gelişmiş düz-histogram Monte Carlo simülasyonları kullandılar.
Çalışma, sırasıyla S-şekilli olmayan ve S-şekilli izotermler olarak referanslı olarak hem kademeli hem de ani alım modelleri de dahil olmak üzere şaşırtıcı derecede çeşitli adsorpsiyon davranışları ortaya çıktı.
Özellikle, istenen S-şekilli izotermlere sahip MOF’lar arasında bile, araştırmacılar farklı faz davranışları belirlediler, bu da S şeklindeki davranışların farklı MOF’larının su adsorpsiyonu için temelde farklı mekanizmaları takip edebileceğini gösterdiler. Ayrıca bu faz davranışları ile MOF’lar içindeki kapalı suyun kritik sıcaklığı arasında net bir bağlantı gösterdiler.
Ayrıca, LIN grubu bu davranışları MOF’ların spesifik kimyasal ve yapısal özellikleriyle ilişkilendirebildi. Örneğin, orta derecede adsorpsiyonlu malzemelerin istenen keskin su alımını sergilemesi daha olasıdır. Ek olarak, gözenek boyutu ve adsorpsiyon bölgesi dağılımının, alım adımının hem keskinliğini hem de konumunu kontrol ettiği bulunmuştur.
Özellikle, ikincisi için – özellikle alım adımının (yani adım basıncı) konumu – LIN grubu bağlantı endeksi adı verilen yeni bir tanımlayıcı geliştirdi. Bu endeks sadece yoğunluğu değil, daha da önemlisi, adsorpsiyon bölgelerinin bağlanabilirliğini ve mekansal homojenliğini içerir ve adım basıncını güçlü bir şekilde etkilediği gösterilmiştir.
“Bu çalışma MOF’larda çeşitli adsorpsiyon davranışlarına kapsamlı bir genel bakış sunmaktadır.”
“Elde edilen anlayışlar, atmosferik su hasadı için tasarlanmış MOF’ların rasyonel tasarımının yolunu açarak, potansiyel olarak dünyanın büyüyen su ihtiyaçlarını karşılamaya yardımcı olacak ölçeklenebilir, enerji tasarruflu çözümler sağlıyor.”
