Ionmentesítés a globális ivóvízhiány probléma megoldására
A víz bolygónk egyik legértékesebb forrása. Az UNESCO 2006-os Víz Világjelentése szerint, a vízkészletek csökkenek illetve a víz minősége romlik a világ számos táján, miközben a víz iránti igény továbbra is nő. A világ népessége 2030-ra várhatóan eléri a 8.5 milliárdot, ami a víz iránti globális igény 30%-os növekedését eredményezi, miközben ezen igénynek mindössze 60%-a lesz elérhető. Mivel az aszály számos területen egyre gyakoribb, a tengervíz sótalanítása azonnali intézkedés helyett hosszútávú megoldás kell legyen, és ez jelenleg is számos tudományos központban kutatási téma.
A kapacitív ionmentesítés (CDI) az egyik módszer amely révén kiválasztjuk a só oldatot a sós vízből, és amely egy potenciális módszer az ivóviz sómentesítésére. A módszer alapja az ionok lerakódása az elektródák felületére elektromos feszültség hatására. A jelenség neve az elektroszorpció. A CDI előnyei a következők: nincs szükség vegyi anyagokra a sótalanítás és regeneráció ciklusa során, és az alkalmazott feszültség meglehetősen alacsony, a víz elektrolízisének elkerülése érdekében. Így a víz sótalanítása technológia nem-szennyező, környezetbarát, energiahatékony és költséghatékony a hagyományos technológiákkal szemben mint: termikus desztilláció, fordított ozmózis és elektrodialízis.
Az elmúlt években a szén nanoanyagok változatosságának mértékbeli és választékbeli növekedése volt tapasztalható. A fő előnye ezeknek az abszorbenseknek, a különböző formák szabályozott szintézise, mint nano-csövek, nano-kürtök, nano-tekercsek, nano-kúpok és mások. A nano-anyagok hasznosságát elsősorban tulajdonságaik (és ezek lényeges változtatási lehetősége) határozzák meg: kifejlesztett belső felületük, porózus szerkezetük, illetve felületük vegyi szerkezete.
Mivel az elketroszorpció felületi folyamat, az elektród anyagok egyik elvárt jellemzője a nagy felület, illetve ezenkívül, hogy jól vezessék az elektromos áramot. A szén-abszorbensek kiválóan megfelelnek a kívánt elvárásoknak. Ennélfogva a CDI technika tervezéséhez és optimalizálásához, a széntartalmú anyagok pórusaiban előforduló ionmentesítő folyamat törvényszerűségeinek meghatározása, megértése és magyarázata alapvetően fontos. A molekuláris szimuláció fontos eszköz a tudásunk bővítéséhez. A virtuális kísérletek lehetővé teszik a CDI folyamatot befolyásoló tényezők kombinációjának szisztematikus vizsgálatát, például a mikroszerkezetet, kémiai felületeket és az alkalmazott feszültség elemzését. Ráadásul, a molekuláris szimuláció közvetlen betekintést nyújt a folyamat mechanizmusába atomi szinten, ami hagyományos kísérleti folyamatok során nem lehetséges.
Kutatásunk erre a területre terjed ki, melynél az általános szabályok meghatározására és magyarázatára a molekuladinamika szimulációt alkalmaztuk az ionok viselkedésének meghatározására, a feltöltött (és töltés mentes) széntartalmú felületeken. Kutatásunk emellett a felületek kémiai természetére is fókuszált. A hatása ezeknek a jellemzőknek nem eléggé ismert mivel ezeket más tanulmányoknál elhanyagolták. A tanulmányozás csak a szuperszámítógépekhez való hozzáférés révén valósulhatott meg, ami az Eagle klaszterben érhető el, a Poznani Szuperszámítógép és Hálózati Központban. A vizsgált széntartalmú anyagok komplex jellegének valós kifejezése egy meglehetősen nagy szimulációs rendszer felépítését igényli. Ezért ezek a szimulációk nagyon időigényesek. Ezt a tényt összevetve a szimulációk számos rendszeren történő végrehajtásának szükségességével, mindez kivitelezhetetlen lett volna a nagy számítási teljesítményű PSNC-hez való hozzáférés nélkül.
Dr hab. Piotr Gauden, Prof. NCU és mgr. Wojciech P. Zieliński, Vegyészkar,
Nicolaus Copernicus Toruni Egyetem, Gagarin St. 7, 87-100 Torun, Lengyelország
Dr hab. Sylwester Furmaniak, Stanisław Staszic Pilai Alkalmazott Tudományok Egyeteme,
Podchorążych Street 10, 64-920, Piła, Lengyelország a Poznani Szuperszámítógép és Hálózati Központtal együttműködésben
