Su Arıtımı İçin Nanoteknoloji

Su arıtımı için nanoteknoloji; içme suyu, yüzey suyu, yer altı suyu ve atık sudan ağır metaller, organik kirleticiler, boyalar ve patojenler gibi kirleticileri adsorpsiyon, fotokataliz ve antimikrobiyal etki gibi gelişmiş mekanizmalar yoluyla verimli bir şekilde gidermek için tipik olarak 1 ila 100 nanometre boyutunda olan mühendislik ürünü nanomalzemelerin kullanımını kapsar.^[1] Bu yaklaşım, Dünya’daki suyun yalnızca yaklaşık %0,3’ünün insan kullanımına uygun kolayca erişilebilir tatlı su olduğu küresel su kıtlığını ele almak için yüksek yüzey alanı/hacim oranı ve gelişmiş reaktivite dahil olmak üzere nanomalzemelerin benzersiz özelliklerinden yararlanır.^[1]

Bu alanda kullanılan temel nanomalzemeler arasında grafen oksit ve karbon nanotüpler (CNT’ler) gibi karbon bazlı yapılar; titanyum dioksit (TiO₂) ve çinko oksit (ZnO) gibi metal oksitler; gümüş (Ag) ve demir (Fe) gibi metalik nanopartiküller ve kompozit membranlar yer alır.^[2] Örneğin, grafen türevleri kurşun (Pb²⁺) iyonları için 504 mg/g’a kadar adsorpsiyon kapasitesi ve demir-manganez kompozitleri ile birleştirildiğinde arsenik (As) için %90’ın üzerinde giderim verimliliği sergilerken, TiO₂ nanopartikülleri, kirleticileri parçalamak için reaktif oksijen türleri oluşturarak fotokataliz yoluyla UV ışığı altında metilen mavisi boyasının %99,11 bozunmasını sağlar.^[1] CNT’ler, geniş yüzey alanları ve ayarlanabilir işlevsellikleri sayesinde %94,5 arsenik giderimi ve %80 metilen mavisi adsorpsiyonu gösterir.^[1] Gümüş nanopartiküller, mikrobiyal hücre zarlarını bozarak Escherichia coli ve virüslerin %99’undan fazlasını ortadan kaldıran güçlü antibakteriyel etkiler sağlarken, demir nanopartiküller redoks reaksiyonları yoluyla altı değerlikli kromun (Cr(VI)) tamamen giderilmesini sağlar.^[1] Bu malzemeler, mikropların %99,99’undan fazlasını reddedebilen (4-6 log giderim değeri) ve gelişmiş patojen giderimi için ters ozmozu tamamlayabilen nanofiltrasyon membranları^[3]^[4] ve kalıcı organik kirletici bozunması için katalitik ıslak hava oksidasyonu gibi süreçlere entegre edilmiştir.^[4]

Su arıtımında nanoteknolojinin avantajları arasında üstün verimlilik, geleneksel yöntemlere göre maliyet etkinliği, enerji tasarrufu ve genellikle bitki özleri veya atık malzemeler kullanılarak çevre dostu yeşil yöntemlerle sentezlenen nanomalzemelerin yeniden kullanılabilirliği yer alır.^[2] 2004’te grafenin keşfi ve 2002’den itibaren CNT uygulamaları gibi 2000’lerin başından bu yana yaşanan gelişmeler, yapay zeka entegre akıllı sistemler ve atık su arıtımı ve tuzdan arındırma için ölçeklenebilir çözümler vaat eden pilot ölçekli kompozitler (örneğin, pestisit gideriminde %76’nın üzerinde verimlilik sağlayan TiO₂-indirgenmiş grafen oksit) gibi son yeniliklere evrilmiştir.^[1]^[4] 2025 itibarıyla, Ag ve Cu bazlı malzemeler gibi çok işlevli nanopartiküller, yeni ortaya çıkan kirleticilerin giderilmesinde daha iyi verimlilik sağlayan gelişmeler arasındadır.^[5] Ancak, nanopartikül sızıntısından kaynaklanan potansiyel çevresel toksisite, yüksek üretim maliyetleri, filtrasyon sistemlerinde membran kirlenmesi ve ekolojik zarar olmadan büyük ölçekli dağıtımı sağlamak için titiz güvenlik değerlendirmelerine duyulan ihtiyaç gibi zorluklar devam etmektedir.^[2] Devam eden araştırmalar, bu sorunları hafifletmek için sürdürülebilir sentez ve hibrit teknolojileri vurgulayarak nanoteknolojiyi küresel temiz su hedeflerine ulaşmada dönüştürücü bir araç olarak konumlandırmaktadır.^[4]

Giriş

Genel Bakış

Su arıtımı için nanoteknoloji, kirlenmiş su kaynaklarını arıtmak için gelişmiş sistemler geliştirmek amacıyla malzemelerin nano ölçekte -tipik olarak 1 ila 100 nanometre arasında- manipülasyonunu içerir.^[6] Bu yaklaşım, yüzey suyu, yeraltı suyu ve atık sudan ağır metaller, patojenler, organik bileşikler ve tuzlar dahil olmak üzere çok çeşitli kirleticileri verimli bir şekilde gidermek için nanomalzemelerin gelişmiş yüzey alanı ve reaktivite gibi benzersiz özelliklerinden yararlanır.^[7] Nano ölçekli yapıları filtrasyon, adsorpsiyon ve dezenfeksiyon süreçlerine entegre ederek, bu teknolojiler temiz, içilebilir su üretmek için ölçeklenebilir çözümler sunmayı amaçlamaktadır.^[8]

Su arıtımında kullanılan temel nanomalzeme kategorileri arasında, her biri kirletici giderimi için farklı avantajlar sunan karbon bazlı, metal oksit ve polimer bazlı malzemeler bulunur. Karbon nanotüpler ve grafen gibi karbon bazlı nanomalzemeler, fiziksel ve kimyasal etkileşimler yoluyla kirleticilerin tutulmasını kolaylaştıran olağanüstü yüksek yüzey alanları sağlar.^[9] Titanyum dioksit ve çinko oksit gibi metal oksit nanopartikülleri, ışığa maruz kaldığında organik kirleticilerin bozunmasını sağlayan fotokatalitik özellikler sergiler.^[10] Dendrimerler ve polimerik nanokompozitler dahil olmak üzere polimer bazlı nanomalzemeler, belirli kirleticilerin hedeflenen filtrasyonuna izin vererek membran seçiciliğini ve dayanıklılığını artırır.^[11]

2025 itibarıyla küresel su krizi, yaklaşık 2,1 milyar insanın -dünya çapında yaklaşık her dört kişiden biri- güvenli bir şekilde yönetilen içme suyu hizmetlerine erişimden yoksun olmasıyla bu tür yeniliklerin aciliyetini vurgulamaktadır.^[12] Bu kıtlık, nüfus artışı, iklim değişikliği ve endüstriyel kirlilikle daha da kötüleşmekte ve nanoteknolojinin bu zorlukları gezegensel ölçekte ele almadaki potansiyel rolünü vurgulamaktadır.^[13]

Önem ve Küresel Bağlam

Temiz suya erişim, küresel bir zorluk olmaya devam etmektedir; evsel atık suların yaklaşık %42’si çevreye boşaltılmadan önce güvenli bir şekilde arıtılmamakta, bu da yaygın kirlenmeye ve sağlık risklerine katkıda bulunmaktadır.^[14] Bu sorun milyarlarca insanı etkilemektedir; her dört kişiden biri -kabaca 2,1 milyar birey- güvenli bir şekilde yönetilen içme suyu hizmetlerine erişemezken, iklim değişikliği değişen yağış modelleri, uzun süreli kuraklıklar ve artan buharlaşma oranları yoluyla su kıtlığını yoğunlaştırmaktadır.^[12]^[15] Bu faktörler, yükselen sıcaklıkların ve aşırı hava olaylarının geleneksel su kaynaklarını bozduğu ve yenilikçi arıtma çözümlerine olan talebi artırdığı savunmasız bölgelerdeki kıtlığı daha da kötüleştirmektedir.^[16]

Filtrasyon ve kimyasal pıhtılaşma (koagülasyon) gibi geleneksel su arıtma yöntemleri genellikle yüksek enerji tüketimi, yavaş işlem hızları ve eser miktardaki kirleticilerin tam olarak giderilememesi gibi sınırlamalarla karşılaşmakta, bu da onları büyük ölçekli veya kaynak kısıtlı uygulamalar için daha az uygulanabilir hale getirmektedir.^[17] Buna karşılık, nanoteknoloji, aşırı enerji girdisi olmadan kirletici yakalamayı geliştirmek için yüksek yüzey alanı ve reaktivite gibi nano ölçekli özelliklerden yararlanarak, daha düşük maliyetle üstün verimlilik ve ölçeklenebilirlik gibi avantajlar sunar.^[7] Bu faydalar, nanoteknolojiyi geleneksel tekniklerin eksikliklerini gidermek için dönüştürücü bir yaklaşım olarak konumlandırmakta ve çeşitli ortamlarda daha sürdürülebilir su arıtımına olanak tanımaktadır.^[18]

Nanoteknolojinin su arıtımındaki uygulaması, küçük boyutları ve kalıcılıkları nedeniyle geleneksel yöntemlerin ortadan kaldırmakta zorlandığı mikroplastikler ve farmasötikler dahil olmak üzere yeni ortaya çıkan kirleticilerin daha iyi giderilmesini sağlar.^[19] Pilot projeler, topluluk ve endüstriyel ihtiyaçlar için ölçeklenebilir çözümler sunarak potansiyelini göstermektedir. Ekonomik olarak, nanoteknoloji su arıtma pazarının, saflaştırma teknolojilerinde artan benimsenme ile birlikte, %9,1’lik bir bileşik yıllık büyüme oranı (CAGR) ile büyüyerek 2030 yılına kadar 3,50 milyar ABD dolarına ulaşacağı tahmin edilmektedir.^[20]

Tarihsel Gelişim

Erken Kavramlar

Su arıtımı için nanoteknolojinin kökenleri, fizikçi Richard Feynman’ın 1959 tarihli ufuk açıcı “There’s Plenty of Room at the Bottom” (Aşağıda Çok Yer Var) dersine kadar izlenebilir. Feynman, atomik ölçekte maddeyi manipüle ederek hassas ayrımlar yapmayı, örneğin boyut ve kütle farklılıklarına dayanarak helyum-3 ile helyum-4 izotoplarını ayırt edebilecek kadar küçük gözeneklere sahip elekler oluşturmayı hayal etmiştir.^[21] Bu kavramsal çerçeve, atomik düzeydeki kontrolün akışkanlardaki molekülleri veya parçacıkları ayırmadaki zorlukları nasıl ele alabileceğini vurgulayarak, arıtma süreçlerindeki potansiyel uygulamalar da dahil olmak üzere nano ölçekli filtrasyon fikirlerinin temelini atmıştır.^[22]

1974 yılında Japon bilim insanı Norio Taniguchi, “On the Basic Concept of ‘Nano-Technology'” (Nano-Teknolojinin Temel Kavramı Üzerine) adlı makalesinde “nanoteknoloji” terimini ortaya attı. Taniguchi, bunu malzemelerin ayrılması, birleştirilmesi ve deformasyonu yoluyla nano ölçekli yapıların üretilmesi süreçleri olarak tanımladı. Bu tanım daha sonra, kirletici etkileşimleri için gelişmiş yüzey alanı sağlayarak su arıtma gibi çevresel uygulamalara genişletildi.^[23] Taniguchi’nin tanımı, 1-100 nm ölçeğinde hassas mühendisliği vurgulayarak, kirli su sistemlerinde adsorpsiyon ve iyon değişimi için nanomalzemelerin erken araştırmalarına ilham verdi.^[24]

1970’ler ve 1980’ler boyunca, su arıtımında adsorpsiyon için ultra ince parçacıkların kullanımı etrafında ilk kavramlar ortaya çıktı. Özellikle, ağır metalleri ve amonyağı yakalamak için nano ölçekli gözenekleri taklit eden mikro gözenekli yapılarıyla tanınan zeolit bazlı malzemeler öne çıktı.^[25] Bu dönemdeki çalışmalar, örneğin atık sudan Zn, Cr, Pb, Cd, Cu, Mn, Fe ve NH4+ gibi iyonların doğal zeolitlerle iyon değişimi yoluyla uzaklaştırılması üzerine yapılan araştırmalar, kimyasal çökeltme gibi geleneksel yöntemlere göre verimliliği artırmak için ince parçacık boyutlarından yararlanmayı önerdi.^[25] Örneğin, 1970’teki araştırmalar zeolitlerin atık sulardaki amonyak için seçiciliğini gösterirken, 1980’lerdeki çalışmalar antimikrobiyal etkiler için gümüşle modifiye edilmiş zeolitleri araştırarak nano-geliştirilmiş varyantların habercisi oldu.^[26]

1990’lara gelindiğinde, bu fikirler sudan arsenik adsorpsiyonu için demir oksit bazlı sistemler de dahil olmak üzere ağır metal giderimi için nanopartiküller üzerine ilk patentlere dönüştü. Dikkate değer bir örnek, 1990’ların sonlarında Almanya’daki araştırmacılar tarafından geliştirilen granül ferrik hidroksit (GFH) teknolojisidir. Bu teknoloji, arsenat ve arsenitin yüksek afiniteli bağlanmasını sağlamak için nano ölçekli demir oksit parçacıklarını kullanarak, kapsamlı ön işlem olmaksızın hedeflenen kirletici giderimi için zemin hazırladı.^[27] Bu dönem, içme suyu arıtımında uygun maliyetli dağıtıma odaklanarak, teorik ultra ince adsorbanlardan pratik nano ölçekli tasarımlara geçişi işaret etti.^[28]

Önemli Kilometre Taşları

Su arıtımı için nanoteknolojinin gelişimi, nanomalzemelerin verimli kirletici giderimi ve tuzdan arındırma potansiyelinin teorik ve deneysel gösterimleriyle 2000’lerin başında hız kazandı. 2003 yılında, moleküler dinamik simülasyonlarının karbon nanotüp (CNT) membranları boyunca ozmotik su taşınmasını gösterdiği ufuk açıcı bir ilerleme kaydedildi. Bu çalışma, geleneksel kanallardan 10 kata kadar daha hızlı, neredeyse sürtünmesiz tek sıralı su akışını ortaya çıkararak yüksek akılı tuzdan arındırma sistemlerinin temelini attı.^[29] Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar ve işbirlikçileri tarafından yürütülen bu çalışma, seçici su geçirgenliği için CNT’lerin benzersiz hidrofobik özelliklerini vurguladı. Bunun üzerine, 2005 yılında Rensselaer Politeknik Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, hizalanmış CNT membranları boyunca gelişmiş basınç güdümlü su akışı bildirerek, sürekli hidrodinamik tarafından tahmin edilenden çok daha yüksek akılara ulaştı ve membran bazlı saflaştırma için pratik uygulanabilirliği doğruladı.

2000’lerin sonlarında odak noktası, kalıcı organik kirleticileri parçalamak için fotokatalitik nanomalzemelere kaydı. Çalışmalar, titanyum dioksit (TiO₂) nanopartiküllerini atık sudaki metilen mavisi gibi tekstil boyalarının fotokatalitik bozunması için araştırdı. Nanopartikül yüzeylerinde reaktif oksijen türlerinin oluşması sayesinde saatler içinde UV ışınımı altında %90’ın üzerinde bozunma verimliliği elde edildi. Bu yaklaşım, TiO₂’nin kararlılığını ve düşük toksisitesini vurgulayarak, endüstriyel atık su arıtımı için nano-etkin gelişmiş oksidasyon süreçlerinde bir atılımı işaret etti. Aynı zamanda, hesaplamalı modelleme CNT uygulamalarını ilerletti; 2008 tarihli bir çalışma, ters ozmoz tuzdan arındırma için CNT membranlarını tasarlayarak, yüksek su geçirgenliğini korurken %99’u aşan tuz reddetme oranları öngördü ve sonraki deneysel tasarımları etkiledi.^[30]

2010’lar, NPG Asia Materials’da yayınlanan 2015 tarihli grafen oksit (GO)/titanya hibrit laminatları üzerine yapılan araştırmayla örneklendiği gibi, iki boyutlu malzemelerin entegrasyonuna tanık oldu. Bu çalışma, iyon geçişini engelleyen ancak su buharı geçirgenliğine izin veren istiflenmiş laminer yapıya atfedilen, uygulanan basınç olmaksızın NaCl çözeltileri için %95’in üzerinde tuz reddetme oranlarıyla yarı statik tuzdan arındırmayı gösterdi.^[31] Ölçeklendirme çabaları 2020’lerde yoğunlaştı; 2023 Avrupa Birliği fonlu WaterAgri projesi, kırsal alanlardaki tarımsal akıntıyı arıtmak için nanoselüloz bazlı membranlar geliştirdi. Bu membranlar, ötrofikasyonu önlemek için nitrat ve fosfatların %99’a kadar giderilmesini sağlayarak uzak bölgelerde düşük maliyetli dağıtım için uyarlandı.^[32] Finansman hayati önem taşıdı; ABD Ulusal Bilim Vakfı’nın, 2015’ten bu yana 37 milyon dolarlık NEWT Mühendislik Araştırma Merkezi de dahil olmak üzere nanoteknoloji destekli su arıtımına yaptığı yatırımlar, 2025 yılına kadar 45 milyar doları aşan kümülatif NNI harcamalarına katkıda bulunarak şebeke dışı ve sürdürülebilir arıtma teknolojilerindeki yenilikleri destekledi.^[33]^[34]

Temel İlkeler

Su Arıtımı ile İlgili Nano Ölçekli Özellikler

Nanomalzemeler, kirleticilerle etkileşimler için daha fazla alan sağlayarak su arıtma süreçlerindeki etkinliklerini önemli ölçüde artıran yüksek bir yüzey alanı/hacim oranı sergiler. Bu oran, MXene’ler veya grafen gibi belirli nanoyapılarda 1000 m²/g veya daha fazla spesifik yüzey alanlarına olanak tanıyarak, kütle malzemelere kıyasla artan adsorpsiyon kapasitesi sağlar.^[35] Küresel nanopartiküller için spesifik yüzey alanı $$ A \approx \frac{6}{d} $$ denklemi ile yaklaşık olarak hesaplanabilir; burada A birim hacim başına yüzey alanı ve d metre cinsinden parçacık çapıdır; bu ilişki, parçacık boyutunun küçültülmesinin mevcut yüzey alanını ters orantılı olarak artırdığını ve böylece reaktiviteyi yükselttiğini göstermektedir.^[36]

Nano ölçekteki kuantum etkileri, malzemelerin kimyasal ve fiziksel davranışlarını daha da değiştirerek onları gelişmiş su arıtma teknikleri için özellikle uygun hale getirir. Örneğin kuantum sınırlaması, yarı iletken nanopartiküllerde bant aralığının genişlemesi gibi elektronik özelliklerde değişikliklere yol açar; bu da ışık emilimini ve yük taşıyıcı ayrımını ayarlayarak fotokatalitik verimliliği artırabilir.^[37]^[38] Bu etkiler, parçacık boyutları tipik olarak 10 nm’nin altında olan elektronların de Broglie dalga boyuna yaklaştığında ortaya çıkar ve kütle malzemelerde gözlemlenen sürekli bantlar yerine ayrık enerji seviyeleri ile sonuçlanır.^[39]^[40] Ek olarak, nano ölçekte kolektif elektron salınımlarından kaynaklanan metalik nanopartiküllerdeki plazmonik etkiler, hibrit fotokatalizörlerde görünür ışık emilimini artırır.^[41]

Optik ayarlanabilirliğe ek olarak, nanomalzemeler gelişmiş mekanik mukavemete ve yapısal uyarlanabilirliğe sahiptir; bu da işlevsellik üzerinde hassas kontrol sağlayan sağlam filtrasyon sistemlerinin tasarımına olanak tanır. Genellikle kütle muadillerini büyük ölçüde aşan bu mukavemet, yüksek basınç gibi operasyonel stresler altında dayanıklı membranların üretimini destekler.^[39] Ayarlanabilirlik, 1-10 nm aralığında özelleştirilebilir gözenek boyutlarına izin vererek, iyonlar veya organikler gibi daha büyük kirleticileri reddederken su moleküllerinin seçici geçirgenliğini kolaylaştırır.^[42]^[43]

Süperhidrofiliklik ve süperhidrofobiklik dahil olmak üzere yüzey ıslanabilirlik özellikleri de nano ölçekte güçlenir ve su arıtımında akışkan dinamiğini ve membran performansını etkiler. Süperhidrofilik yüzeyler hızlı su yayılmasını ve akışını teşvik ederek geçirgenlik için enerji gereksinimlerini azaltırken, süperhidrofobik yüzeyler biyolojik kirlenmeyi en aza indirmek ve kendi kendini temizlemeyi geliştirmek için suyu iter.^[44]^[45] Bu özellikler, kirlenme direncini artırarak arıtma sistemlerinin operasyonel ömrünü uzatır. Bu nano ölçekli özellikler, başka yerlerde tartışılan çeşitli kirletici giderme mekanizmalarının temelini oluşturur.^[46]

Kirletici Giderme Mekanizmaları

Su arıtımı için nanoteknoloji, yüksek yüzey alanı ve ayarlanabilir yüzey kimyası gibi nanomalzemelerin benzersiz özelliklerinden yararlanarak kirleticileri gidermek için birkaç temel mekanizmaya dayanır.^[47]

Birincil mekanizmalardan biri, kirleticilerin fiziksel ve kimyasal etkileşimler yoluyla nanomalzeme yüzeylerine bağlandığı adsorpsiyondur. Fiziksel adsorpsiyon, zayıf van der Waals kuvvetleri aracılığıyla gerçekleşir ve kirleticilerin adsorban yüzeyinde gevşek bir şekilde bağlanarak tek katmanlı veya çok katmanlı yapılar oluşturmasına izin verir.^[47] Elektrostatik kuvvetler kimyasal adsorpsiyonda önemli bir rol oynar; özellikle yüklü nanomalzemeler zıt yüklü iyonları veya molekülleri çekerek ağır metaller ve organik boyalar için seçiciliği artırır.^[47] Bu sürecin kapasitesi genellikle homojen bölgelerde tek katmanlı kaplamayı varsayan Langmuir izotermi kullanılarak modellenir:

$$ q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e} $$

Burada q_e denge adsorpsiyon kapasitesi, q_m maksimum adsorpsiyon kapasitesi, K_L Langmuir sabiti ve C_e denge kirletici konsantrasyonudur.^[47]

Fotokataliz, titanyum dioksit (TiO₂) ve çinko oksit (ZnO) gibi yarı iletken nanomalzemelerin ışık ışınımı altında uyarılmasını içerir. Fotonlar bant aralığına eşit veya daha büyük enerjiyle yarı iletkene çarptığında, elektronlar değerlik bandından iletim bandına yükselir ve değerlik bandında reaktif boşluklar bırakır.^[48] Bu yük taşıyıcılar daha sonra su ve çözünmüş oksijenle reaksiyona girerek, organik kirleticileri CO₂, H₂O ve inorganik iyonlara okside eden ve mineralize eden hidroksil radikalleri (•OH) ve süperoksit anyonları (O₂•⁻) gibi reaktif oksijen türleri (ROS) üretir.^[48] Örneğin, TiO₂ bazlı sistemlerde, ROS üretiminden etkilenen genel bozunma oranı, sıcaklığa göre Arrhenius kinetiğini takip edebilir:

$$ k = A e^{-E_a / RT} $$

Burada k hız sabiti, A ön üstel faktör, E_a aktivasyon enerjisi, R gaz sabiti ve T sıcaklıktır.^[49]

Nanoteknolojideki filtrasyon mekanizmaları, boyut ve yük etkileri yoluyla hassas kirletici ayrımı için nano ölçekli gözeneklerden yararlanır. Boyut dışlama veya sterik engel, tipik olarak 1-10 nm boyutundaki gözeneklerden geçemeyen daha büyük molekülleri ve partikülleri reddeder; kolloidleri, makromolekülleri ve patojenleri etkili bir şekilde bloke ederken su ve küçük iyonların geçmesine izin verir.^[50] Donnan dışlaması olarak bilinen yük bazlı reddetme, yüklü nano gözenekler (genellikle yüzey fonksiyonel grupları nedeniyle negatif yüklü) ile benzer yüklü kirleticiler arasındaki elektrostatik itmeden kaynaklanır ve iki değerlikli iyonların ve yüklü organiklerin giderilmesini artırır.^[50] Bu birleşik etkiler, nanofiltrasyon membranlarında iki değerlikli tuzlar için %90’ın üzerinde yüksek reddetme oranları sağlar.^[50]

Nanomalzemeler yoluyla dezenfeksiyon, doğrudan fiziksel hasar veya oksidatif stres yoluyla mikrobiyal kirleticileri hedefler. Membran bozulması, gümüş veya karbon bazlı yapılar gibi nanomalzemeler bakteriyel ve viral zarfları fiziksel olarak deldiğinde veya dengesizleştirdiğinde meydana gelir ve hücresel içeriğin sızmasına ve inaktivasyona yol açar.^[51] Alternatif olarak, fotoaktif nanomalzemelerden kaynaklanan ROS üretimi mikrobiyal hücre duvarlarına, proteinlere ve DNA’ya saldırarak fiziksel temasa dayanmadan oksidatif hasara ve hücre ölümüne neden olur.^[51] Bu çift etkili yaklaşım, kirli suda E. coli ve virüsler gibi patojenlerde logaritmik azalmalar sağlar.^[51]

Su Arıtımında Kullanılan Nanomalzemeler

Karbon Bazlı Nanomalzemeler

Fullerenler, karbon nanotüpler (CNT’ler) ve grafen türevleri gibi karbon bazlı nanomalzemeler, su arıtımında etkili kirletici giderimi için yüksek yüzey alanı, ayarlanabilir yüzey kimyası ve yapısal çok yönlülükten yararlanır. Bu malzemeler, nano ölçekli boyutları ve benzersiz elektronik özellikleri sayesinde adsorpsiyon, filtrasyon ve katalitik süreçlerde üstünlük sağlayarak, enerji yoğun operasyonlara ihtiyaç duymadan ağır metallerin, virüslerin ve organik kirleticilerin seçici olarak hedeflenmesine olanak tanır.^[52]

Küresel kafes benzeri karbon atomu düzenlemelerinden oluşan fullerenler, ağır metal iyonlarının iç boşluklarında fiziksel olarak hapsedilmesi ve yüzey etkileşimleri yoluyla kapsüllenmesini ve adsorpsiyonunu kolaylaştırır. Toksik olmayan yapıları ve geniş yüzey alanları, onları su arıtımında adsorban olarak kullanıma uygun hale getirir; burada Cu²⁺ gibi iyonlar için yüksek bağlanma afiniteleri gösterirler ve Langmuir izoterm modellerini izleyerek 14,6 mmol/g adsorpsiyon kapasitesine ulaşırlar. Üretim maliyetleri yaygın uygulamayı sınırlasa da, fullerenlerin aktif karbona katkılanmasının Pb²⁺ adsorpsiyon kapasitesini 2,5 kata kadar artırdığı ve optimize edilmiş koşullarda %99’a yaklaşan verimlilik sağladığı gösterilmiştir.^[53]^[54]

Tek duvarlı (SWCNT’ler) veya çok duvarlı (MWCNT’ler) yapılar olarak mevcut olan karbon nanotüpler (CNT’ler), çekme özelliklerinde 100 GPa’yı aşan olağanüstü mekanik mukavemet sunarak, deforme olmadan yüksek basınçlara dayanan dayanıklı filtrasyon membranları için idealdir. Su arıtımında CNT’ler, partikülleri ve patojenleri gidermek için sağlam filtreler olarak hizmet eder; işlevselleştirilmiş SWCNT’ler, iyon değişimi ve yüzey fonksiyonel gruplarındaki koordinasyon yoluyla çıplak tüpler için 33,55 mg/g’ye kıyasla 96,02 mg/g Pb²⁺ adsorpsiyon kapasitesi sergiler. Doğal elektriksel iletkenlikleri, kapasitif deiyonizasyon gibi elektrokimyasal iyileştirmeleri mümkün kılar; burada CNT şarjı seçici iyon yakalamayı kolaylaştırır. Örneğin, modifiye edilmemiş CNT’ler, -400 mV uygulanan potansiyellerde ince tabakalı çözeltilerde potasyum iyon konsantrasyonlarını 10 kat azaltabilir. Ek olarak, yüzey modifikasyonları yoluyla zeta potansiyeli ayarı, elektrostatik itme üzerinde hassas kontrol sağlar ve ağır metaller gibi hedef iyonların seçici olarak alınmasını desteklerken diğerlerini iter.^[55]^[56]^[57]

Grafen oksit (GO) dahil olmak üzere grafen ve türevleri, yaklaşık 0,9 nm katmanlar arası boşluğa sahip iki boyutlu tabakalar oluşturarak, ultrafiltrasyon uygulamalarında virüs giderimi için hassas eleme sağlar. Bu boyuttan daha büyük parçacıkları bloke ederken suyun geçişine izin verir. Oksijen içeren gruplarla reaktivitesi artırılan işlevselleştirilmiş GO, biyokütle atıklarından sürdürülebilir sentezlerde gösterildiği gibi, π-π istifleme ve hidrojen bağı gibi mekanizmalarla yönlendirilen atık sudaki siprofloksasin gibi antibiyotikler için %90’a varan fotokatalitik bozunma verimliliği göstermiştir. 2025’teki son gelişmeler, GO benzeri karbon nano tabakaların nötr pH altında siprofloksasin için 51,28 mg/g adsorpsiyon kapasitesine ulaştığını ve beş döngü boyunca %50 verimliliği koruyarak yeniden kullanılabilirliğini vurgulamıştır. Bu durum, ölçeklenebilir, çevre dostu antibiyotik iyileştirme potansiyelini ortaya koymaktadır.^[58]^[59]

Metal ve Metal Oksit Nanopartikülleri

Metal ve metal oksit nanopartikülleri, adsorpsiyon, kataliz ve antimikrobiyal eylem için reaktiviteyi artıran yüksek yüzey alanı/hacim oranı nedeniyle su arıtımında çok önemli bir rol oynar. Bu inorganik nanomalzemeler, patojenler, ağır metaller ve organik kirleticiler gibi kirleticileri hedeflemek için benzersiz elektronik ve manyetik özelliklerden yararlanır ve verimlilik ve seçicilik açısından genellikle dökme malzemelerden daha iyi performans gösterir.^[60]

Soy metal nanopartikülleri, özellikle gümüş (Ag) ve altın (Au), esas olarak bakteriyel hücre zarlarını ve metabolik süreçleri bozan metal iyonlarının salınması yoluyla güçlü antimikrobiyal özellikler sergiler. Gümüş nanopartiküller için mekanizma, bakteriyel enzimlere ve DNA’ya bağlanan ve hücre ölümüne yol açan Ag⁺ iyonlarının kontrollü salınımını içerir; çalışmalar, 4,5 L/g antibakteriyel kapasiteye sahip gümüş nanopartikül gömülü silika boncuklar kullanılarak birkaç saniyelik temas süreleriyle Escherichia coli‘nin %99’dan fazla inaktivasyonunu göstermiştir.^[61] Çevre dostu uygulamalar için mikrobiyal olarak sentezlenen altın nanopartiküller, membran yırtılmasına neden olarak Gram-negatif ve Gram-pozitif bakterilere karşı benzer şekilde geniş spektrumlu antimikrobiyal aktivite gösterir ve patojenlerin ve pestisitlerin sudan tek adımda uzaklaştırılmasında kullanımlarına olanak tanır.^[62]

Titanyum dioksit (TiO₂), çinko oksit (ZnO) ve demir oksit (Fe₃O₄) gibi geçiş metali oksit nanopartikülleri, aktivasyon üzerine elektron-boşluk çifti oluşumunu kolaylaştıran yaklaşık 3 eV’lik geniş bant aralıkları sayesinde ultraviyole (UV) ışık altında organik kirleticilerin fotokatalitik bozunması için yaygın olarak kullanılmaktadır. 3,0–3,2 eV bant aralığına sahip TiO₂ nanopartikülleri, boyaları ve farmasötikleri fotokataliz sırasında oluşan reaktif oksijen türleri aracılığıyla etkili bir şekilde mineralize eder, ancak UV bağımlılıkları modifikasyonlar olmadan güneş verimliliğini sınırlar.^[63] ZnO nanopartikülleri, yaklaşık 3,37 eV bant aralığıyla benzer şekilde çalışır ve yeni ortaya çıkan kirleticilerin güçlü fotokatalitik parçalanmasını sağlarken aynı zamanda reaktif türler aracılığıyla antimikrobiyal etkilere katkıda bulunur.^[64] Fe₃O₄ nanopartikülleri süperparamanyetik özelliklerden yararlanarak, poliklorlu bifeniller gibi kirleticilerin adsorpsiyonundan sonra harici mıknatıslar kullanılarak arıtılmış sudan kolayca ayrılmaya izin verir; belirli konjenerler için 40 mmol/kg’a kadar kapasiteye sahiptir ve çoklu döngülerde yeniden kullanılabilir.^[60]

Sıfır değerlikli demir nanopartikülleri (nZVI), anaerobik koşullarda elektron vericisi olarak hareket ederek trikloroeten (TCE) ve diğer etanlar gibi klorlu organik bileşiklerin indirgeyici bozunmasını sağlar. Temel reaksiyon Fe⁰’ın oksidasyonunu, demir iyonları ve hidrojen gazı üretmesini ve karbon-klor bağlarını kırmak için elektron transferini içerir:

$$ \text{Fe}^0 + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_2 $$

Bu süreç, klorlama sevijesine bağlı olarak 10⁻⁶ ila 0.80 L m⁻² sa⁻¹ arasında değişen yüzey alanı normalize edilmiş hız sabitleriyle sözde birinci dereceden kinetiği takip eder ve kalıcı kirleticileri etenler veya etanlar gibi daha az zararlı ürünlere etkili bir şekilde dönüştürür.^[65]

Paladyum/demir (Pd/Fe) gibi bimetalik nanopartiküller, monometalik partiküllere kıyasla deklorinasyon oranlarını 40 kata kadar hızlandıran katalitik bir yüzey tabakası olarak Pd’yi dahil ederek nZVI performansını artırır. Bu, elektron transferinin kirletici parçalanmasını sağladığı fotokatalitik ilkelere dayanır, ancak bimetalikler oksidatif yollar yerine indirgeyici yolları vurgular.^[66]^[63]

Polimerik ve Organik Nanomalzemeler

Polimerik ve organik nanomalzemeler, su arıtımı için nanoteknolojide biyobozunur, biyouyumlu bir alternatif sınıfını temsil eder. Seçici kirletici bağlama için ayarlanabilir fonksiyonel gruplarından ve yenilenebilir kaynaklardan büyük ölçekli üretim kolaylığından yararlanırlar. Bu malzemeler, aminler ve hidroksiller gibi fonksiyonel grupların kirleticilerle elektrostatik ve şelasyon etkileşimlerini kolaylaştırdığı adsorpsiyon mekanizmalarını entegre etme yetenekleri ve düşük toksisiteleri nedeniyle çevre dostu uygulamalarda üstündür. Ölçeklenebilirlikleri, bol miktarda biyokütleden türetilmelerinden kaynaklanır ve kaynak kısıtlı ortamlarda uygun maliyetli dağıtım sağlar.

Yüksek oranda dallanmış polimerik yapılar olan dendrimerler, kararlı kompleksler oluşturan çoklu terminal fonksiyonel grupları sayesinde sudaki ağır metalleri şelatlamak için özellikle etkilidir. Örneğin poli(amidoamin) (PAMAM) dendrimerleri, daha yüksek nesillerle artan bağlanma bölgeleri sergileyerek, koordinasyon kimyası yoluyla Cu²⁺ gibi iyonların verimli bir şekilde yakalanmasını sağlar. Bu performans, küresel mimarilerinin agregasyonu önlediği ve bağlanma bölgelerinin erişilebilirliğini koruduğu endüstriyel atık suların arıtılmasında dendrimerlerin potansiyelini vurgular.

Odun hamuru veya tarımsal atık gibi biyokütle kaynaklarından elde edilen nanoselüloz, tipik olarak 50 ila 200 m²/g arasında değişen yüksek bir yüzey alanı sunarak, ikincil kirlilik olmadan organik boyaların güçlü adsorpsiyonunu sağlar. Nanofibril yapısı mekanik kararlılık ve hidrofiliklik sağlayarak düşük maliyetli filtrasyon sistemleri için uygun hale getirir. Son gelişmeler arasında, karides kabuğu atığından elde edilen ve Victoria mavisi boyasının %98 oranında giderilmesini sağlayan nanoselüloz bazlı membranlar yer almaktadır. Bu, 2025 itibarıyla tekstil atık su arıtımındaki etkinliklerini göstermektedir.^[67] Bu uygulamalar, yenilenebilir hammaddelerden enzimatik veya mekanik işlemlerle üretilebildiği için nanoselülozun biyouyumluluğunun ve ölçeklenebilirliğinin altını çizmektedir.

Kabuklu deniz hayvanı kabuklarından kitinin deasetilasyonu yoluyla elde edilen kitosan nanopartikülleri, protonlanabilir amino grupları nedeniyle pH’a duyarlı davranış sergiler; bu da hedeflenen etkileşimler için asidik koşullarda pozitif yükü artırır. Bu özellik, negatif yüklü bakteriyel yüzeylere elektrostatik çekim yoluyla sudaki patojenlerin seçici olarak yakalanmasını sağlayarak sucul mikroplara karşı antimikrobiyal etkiler elde edilmesini sağlar. Çalışmalar, kitosanın bakteriyel membranları bağlayarak ve bozarak suyu dezenfekte etmedeki etkinliğini doğrulamaktadır; nanopartiküller, optimize edilmiş pH altında canlı patojenlerde %99’a varan azalma için dispersiyon ve temas verimliliğini artırmaktadır.^[68] Biyobozunurlukları, kullanım noktası arıtma cihazlarında sürdürülebilir kullanımı daha da destekler.

Nişastadan türetilen siklik oligosakkaritler olan siklodekstrin bazlı organik nanomalzemeler, toroidal boşluklarında inklüzyon kompleksleşmesi yoluyla hidrofobik kirleticiler için moleküler konakçılar olarak işlev görür. Bu yapılar, polisiklik aromatik hidrokarbonları (PAH’lar) seçici olarak kapsüller, sulu çözünürlüklerini artırır ve kirlenmiş sudan uzaklaştırılmalarını kolaylaştırır. Gözenekli β-siklodekstrin polimerleri, sinerjik hidrofobik ve van der Waals etkileşimleri nedeniyle akış sistemlerinde %90’ı aşan verimliliklerle birden fazla PAH’ın hızlı adsorpsiyonunu göstermiştir.^[69] Bu yaklaşım biyouyumlu ve yeniden kullanılabilirdir ve siklodekstrinleri çevresel iyileştirmede kalıcı organik kirleticilerin arıtılması için kilit bir konuma getirir.

Nanokompozitler ve Hibrit Malzemeler

Nanokompozitler ve hibrit malzemeler, tek malzemeli sistemlerden daha etkili su arıtımı için gelişmiş yük transferi, artırılmış kararlılık ve hedeflenen seçicilik gibi sinerjik özelliklerden yararlanmak üzere birden fazla nanomalzeme bileşenini entegre eder. Bu hibritler genellikle inorganik nanopartikülleri organik matrisler veya karbon yapılarıyla birleştirerek sulu ortamlarda topaklanma veya zayıf geri dönüştürülebilirlik gibi sınırlamaları ele alır. Arayüzleri nano ölçekte ayarlayarak, hızlandırılmış elektron-boşluk ayrımı veya manyetik ayrılabilirlik gibi mekanizmaları kolaylaştırır ve ölçeklenebilir kirletici giderimi için uygun hale getirirler.

TiO₂-grafen hibritleri, su arıtımında gelişmiş fotokatalizi örnekler; burada grafen tabakaları, TiO₂’deki fotorejenere yük taşıyıcılarının rekombinasyonunu bastırmak için elektron alıcıları olarak hareket eder ve böylece bozunma verimliliğini artırır. Çalışmalar, bu nanokompozitlerin, Ti-O-C bağları aracılığıyla verimli arayüzey elektron transferine atfedilen, saf TiO₂’ye kıyasla UV-görünür ışık altında 3,8 kata kadar daha yüksek fenol ayrışma oranlarına ulaştığını göstermiştir.^[70] Bu sinerji, görünür ışık tepkisini genişleterek atık sudaki organik kirletici parçalanması için daha geniş güneş enerjisi kullanımına olanak tanır.

Fe₃O₄-polimer hibritleri gibi manyetik nanokompozitler, süperparamanyetik demir oksit nanopartiküllerini nişasta veya polipirol gibi polimer matrislerine gömerek yeniden kullanılabilir adsorbanlar olarak işlev görür ve kolay geri kazanımla birlikte yüksek adsorpsiyon kapasiteleri sağlar. Manyetik özellikler, kirletici bağlandıktan sonra harici bir mıknatıs kullanılarak adsorbanın geri kazanılmasına izin verir ve boya ve ağır metal giderme uygulamalarında gösterildiği gibi birden fazla döngüye olanak tanır. Bu yaklaşım, hızlı ayırmanın operasyonel kesinti süresini azalttığı sürekli akış sistemleri için özellikle avantajlıdır.

Metal-organik çerçeveler (MOF’lar), metal düğümlerini organik bağlayıcılarla birleştiren, su arıtımında üstün adsorpsiyon ve ayırma için genellikle 5000 m²/g civarında ultra yüksek yüzey alanları sunan gözenekli hibrit malzemeleri temsil eder. Bu yapılar, ayarlanabilir gözenek boyutları ve fonksiyonel gruplar aracılığıyla iyonların, boyaların ve organiklerin seçici olarak yakalanmasını sağlar; UiO-66 türevleri gibi örnekler, koordinasyon ve π-π etkileşimleri yoluyla farmasötiklerin neredeyse tamamen giderilmesini sağlar.^[71] Hibrit doğaları hidrolitik kararlılığı artırarak, onları gerçek dünyadaki sıvı fazlı kirletici izolasyonu için uygun hale getirir.

Selüloz-metal oksit kompozitlerindeki son gelişmeler, atık su arıtımında uygun maliyetli adsorpsiyon ve fotokataliz için bol miktarda bulunan selülozu TiO₂ veya ZnO gibi oksitlerle bütünleştirmektedir.

Özel Teknolojiler ve Sistemler

Adsorpsiyon Tabanlı Sistemler

Adsorpsiyon tabanlı sistemler, ağır metaller, boyalar ve organik bileşikler gibi kirleticilerin seçici olarak giderilmesi için yüksek yüzey alanlarından ve ayarlanabilir fonksiyonel gruplardan yararlanarak kirleticileri yüzey bağlama yoluyla sudan yakalamak için nanomalzemeleri kullanır.^[72] Bu sistemler, kirleticilerin akış veya karıştırma ötesinde harici enerji girdisi gerektirmeden nanomalzeme yüzeylerine yapıştığı pasif adsorpsiyon mekanizmalarıyla çalışır.^[47]

Nanopartikülleri içeren sabit yataklı adsorplayıcılar, nanomalzeme kompozitlerini kolonlara paketleyerek sürekli akışlı arıtma sağlar; bu sayede atık su geçerken kirleticiler adsorban yatağında tutulur.^[72] Karbon nanoyapıları veya inorganik nanopartiküllerle modifiye edilmiş kitosan nanokompozitleri, toz formlara kıyasla yüksek verim ve minimum basınç düşüşü gibi avantajlar sunarak bu tür sabit yataklı kolonlarda etkili bir şekilde kullanılmıştır.^[72] Bu yatakların rejenerasyonu, çözelti pH’ının ayarlanarak yüzey yükünün değiştirilmesi ve bağlı kirleticilerin desorbe edilmesi yoluyla pH salınımı ile sağlanır; bu da belirli iyonlaşabilir organikler için %95’in üzerinde verimlilikle birden fazla döngüde yeniden kullanıma olanak tanır.^[73]

Nanoselüloz ve kitosan boncukları, bu polimerlerin küresel granüller halinde çapraz bağlanmasıyla oluşturulan biyouyumlu, düşük maliyetli adsorbanları temsil eder; bu da mekanik kararlılığı ve arıtma süreçlerinde ayrılma kolaylığını artırır. Bu boncuklar, elektrostatik etkileşimlere ve kirleticilerle hidrojen bağına atfedilen adsorpsiyon kapasiteleri sergiler.^[74]

Dikkat çekici bir örnek, suyu iterken hidrofobikorganikleri yakalayan süperhidrofobik, gözenekli yapısı nedeniyle yağları sudan %99’a varan verimlilikle seçici olarak emen aktif karbon nanotüp (CNT) süngerleridir. Bu süngerler, emilen yağın neredeyse tamamını geri kazanmak için mekanik olarak sıkılabilir ve döküntü iyileştirme veya atık su arıtımında tekrarlanan kullanım için geri dönüştürülebilirliği destekler.^[75]

Bu adsorpsiyon süreçlerindeki denge, genellikle aşağıdaki denklem aracılığıyla nanomalzeme yüzeylerindeki heterojen bağlanma bölgelerini hesaba katan Freundlich izotermi kullanılarak modellenir:

$$ q_e = K_F C_e^{1/n} $$

Burada q_e denge adsorpsiyon kapasitesi (mg/g), C_e denge kirletici konsantrasyonu (mg/L), K_F adsorpsiyon kapasitesiyle ilgili Freundlich sabiti ve 1/n adsorpsiyon yoğunluğunu gösterir. Bu model, grafen oksit ve metal oksitler gibi nanomalzemeler üzerinde boya ve metal alımını tanımlamak için yaygın olarak uygulanmış ve çok katmanlı adsorpsiyon davranışı hakkında içgörüler sağlamıştır.^[47]

Fotokatalitik Sistemler

Fotokatalitik sistemler, sudaki kirleticilerin oksidatif bozunması için ışık enerjisini kullanmak üzere titanyum dioksit (TiO₂) ve çinko oksit (ZnO) gibi yarı iletken nanomalzemelerden yararlanır. Foton emilimi üzerine, bu malzemeler elektron-boşluk çiftleri oluşturarak organik kirleticileri CO₂, H₂O ve inorganik iyonlara etkili bir şekilde parçalayan hidroksil radikalleri ve süperoksit anyonları gibi oldukça reaktif türler üretir. Bu süreç, farmasötikler ve boyalar gibi inatçı bileşiklerin arıtılması için avantajlıdır ve geleneksel yöntemlere sürdürülebilir, kimyasal içermeyen bir alternatif sunar.

Önde gelen bir reaktör tasarımı, atık suyun sürekli akışla arıtılmasını sağlayan UV lambalarıyla donatılmış kapalı odalardaki cam plakalar, boncuklar veya membranlar gibi alt tabakalar üzerine TiO₂ filmlerini immobilize eder. Bu kurulumlar, kirli su ile fotokatalizör arasında verimli temas sağlarken askıda kalan sistemlerle ilişkili parçacık ayırma sorunlarını en aza indirir; örneğin, UV aydınlatması altındaki TiO₂ kaplı cam boncuklar, tekstil atıklarından amonyak azotunun (%90’a kadar) ve doğrudan boyaların önemli ölçüde giderilmesini sağlamıştır. Benzer şekilde, UV ile ışınlanan reaktörlerdeki jeopolimer destekli TiO₂ filmleri, organik kirleticilerin parçalanmasında sağlam performans göstermiş, immobilizasyon dayanıklılığı ve birden fazla döngüde yeniden kullanılabilirliği artırmıştır.

Fotokatalitik aktiviteyi UV ışığının ötesine, güneş ışınımının çoğunluğunu oluşturan görünür spektruma genişletmek için doping stratejileri yarı iletkenlerin bant aralığını değiştirir. Üre ile çözelti yanması yoluyla sentezlenen azot katkılı ZnO (N-katkılı ZnO) nanopartikülleri, bant aralığını yaklaşık 2.89 eV’ye düşürerek görünür ışık (λ > 420 nm) aktivasyonuna izin vererek bunu örnekler. Bu malzemeler, antibiyotiklerin parçalanmasında gelişmiş verimlilik göstermiş, örneğin 0.5 g/L katalizör yüklemesinde 60 dakika içinde tetrasiklin hidroklorürün (10 ppm başlangıç konsantrasyonu) %74.7’sini gidererek katkısız ZnO’dan %40 daha iyi performans göstermiştir.

Fotokatalitik sistemlerdeki bozunma kinetiği genellikle aşağıdaki gibi verilen sözde birinci dereceden bir modele uyar:

$$ \ln\left(\frac{C_0}{C}\right) = kt $$

Burada C₀ başlangıç kirletici konsantrasyonu, C t zamanındaki konsantrasyon ve k hız sabitidir; bu da reaktif türlerin bolluğuna göre düşük kirletici konsantrasyonunu yansıtır. Bu denklem, k değerlerinin katalizör tipine, ışık yoğunluğuna ve pH’a göre değişmesiyle verimliliğin doğrudan nicelleştirilmesini kolaylaştırır.

Nanofiltrasyon ve Membran Teknolojileri

Nanofiltrasyon ve membran teknolojileri, tuzlar, ağır metaller ve organik bileşikler gibi kirleticilerin basınç güdümlü veya ozmotik süreçler yoluyla sudan uzaklaştırılmasını sağlamak için geleneksel membranların ayırma verimliliğini artırmak üzere nanomalzemelerden yararlanır. Bu teknolojiler temel olarak, nano ölçekli gözeneklerin ve yüzey özelliklerinin, boyut, yük ve hidrasyon etkilerine dayalı olarak çözünen maddeleri reddederken su geçişine seçici olarak izin verdiği fiziksel eleme mekanizmasına dayanır. Araştırmacılar, karbon nanotüpler (CNT’ler) ve grafen gibi nanomalzemeleri membran yapılarına dahil ederek, geleneksel polimerik membranlara kıyasla iyileştirilmiş geçirgenlik, seçicilik ve dayanıklılık elde etmişlerdir.^[76]

İnce film nanokompozit (TFN) membranlar önemli bir ilerlemeyi temsil eder; burada CNT’ler veya grafen oksit (GO) gibi nanomalzemeler, arayüzey polimerizasyonu sırasında seçici poliamid katmanına gömülür. Örneğin, CNT içeren TFN membranlar, nanotüplerin sağladığı yüksek en-boy oranı ve hidrofilik kanallar sayesinde reddetmeden ödün vermeden daha hızlı su taşınmasını kolaylaştırarak, gelişmiş su akısı ve Mg²⁺ ve SO₄²⁻ gibi iki değerlikli iyonların %90’a kadar reddedilmesini sağlar. Benzer şekilde, GO gömülü TFN nanofiltrasyon membranları, katmanlar arası boşluk ve GO tabakalarındaki oksijenli fonksiyonel gruplardan kaynaklanan elektrostatik itme nedeniyle Na₂SO₄ gibi iki değerlikli tuzlar için %95’i aşan mükemmel reddetme oranları sergiler. Bu iyileştirmeler, TFN membranlarının daha düşük basınçlarda çalışırken yüksek verimi korumasına olanak tanır ve bu da onları acı su arıtımı için uygun hale getirir.^[76]^[77]^[78]

İleri ozmoz (FO) sistemleri, gözenekli substrat içinde çözünen maddeleri biriktirerek etkili ozmotik itici gücü azaltan bir olgu olan iç konsantrasyon polarizasyonunu (ICP) hafifletmek için membran destek katmanındaki nano katkı maddelerinden yararlanır. Substrat üretimi sırasında nano-CaCO₃ gibi nanopartikülleri kurbanlık gözenek oluşturucular olarak dahil etmek, azaltılmış dolambaçlılığa sahip oldukça gözenekli yapılar oluşturur, ICP’yi %30’a kadar düşürür ve bozulmamış FO membranlarına kıyasla su akışını %50-100 artırır. Silika nanopartikülleriyle gömülü elektrospun poliakrilonitril destekleri kullananlar gibi nanolif kompozitleri, ICP darboğazını daha da kırarak orta düzeyde çekme çözeltileri altında 20 L/m²/h’nin üzerinde su üretim oranlarına ulaşır. Bu modifikasyonlar, harici basınç olmadan düşük enerjili su arıtımı için genel FO performansını artırır.^[79]^[80]^[81]

Nanomalzeme ile güçlendirilmiş membranlar üzerindeki, özellikle zwitteriyonik polimerler kullanan kirlenme önleyici kaplamalar, membran ömrünü kısaltan biyolojik kirlenme ve kireçlenmeyi ele alır. Poli(sülfobetain metakrilat) gibi zwitteriyonik polimerler, güçlü hidrojen bağı yoluyla membran yüzeyinde bir hidrasyon tabakası oluşturarak proteinleri, bakterileri ve tuzları iter, kirlenmeyi %80’in üzerinde azaltır ve temizleme sıklığını en aza indirerek operasyonel ömrü önemli ölçüde (simüle edilmiş atık su testlerinde %50’ye kadar daha uzun) uzatır. GO veya CNT bazlı nanofiltrasyon membranlarına uygulandığında, bu kaplamalar yüksek akışı korurken kirlenme tabakalarının tersinirliğini artırır; bu durum, zwitteriyonik aşılamanın yüzey hidrofilikliğini artırarak geri dönüşümsüz kirlenme yapışmasını azalttığı ince film kompozit membranlarda gösterilmiştir.^[82]^[83]^[84]

Grafen kaplı filtreler 2015’ten 2025’e kadar önemli ölçüde gelişerek, laboratuvar ölçekli prototiplerden hassas filtrasyon için optimize edilmiş hatasız katmanlara sahip ölçeklenebilir tasarımlara geçmiştir. 2015-2018’deki erken gelişmeler, yaklaşık %100 tuz reddi ile 20-30 L/m²/saat civarında başlangıç akılarına ulaşan GO laminatlarına odaklanırken, 2020-2025’e kadar indirgenmiş grafen oksit (rGO) kaplamalar ve katmanlar arası çapraz bağlamadaki ilerlemeler, düşük basınç altında geçirgenliği 50 L/m²/saat’in üzerine çıkarmış ve aynı zamanda iki değerlikli iyonların ve organiklerin %99’dan fazla reddedilmesini sağlamıştır. Bu evrimler, grafenin sürdürülebilir su arıtımı için yüksek seçicilik ve üretkenliği birleştirmedeki rolünü vurgulamaktadır.^[85]^[86]

Elektrokimyasal Nanoteknolojiler

Elektrokimyasal nanoteknolojiler, iyon adsorpsiyonu, redoks reaksiyonları ve oksidasyon gibi süreçler yoluyla sudaki kirleticileri gidermek için elektrik enerjisini nanomalzemelerle birlikte kullanır. Bu yöntemler, karbon nanotüpler ve metal oksitler gibi nanomalzemelerin yüksek yüzey alanı ve iletkenliğinden yararlanarak, özellikle tuzdan arındırma ve organik kirletici bozunması için geleneksel filtrasyona kıyasla enerji verimliliği ve seçicilik açısından avantajlar sunar.^[87]

Kapasitif deiyonizasyonda (CDI), karbon nanotüp (CNT) elektrotları, düşük bir voltaj (tipik olarak 1-1.4 V) uygulandığında gözenekli yüzeylerine iyonları elektrostatik olarak adsorbe ederek tuz giderimini kolaylaştırır. CNT bazlı akış elektrotlu CDI sistemleri, acı suyun %93,6’ya kadar tuzdan arındırılmasını sağlarken iletkenliği geleneksel aktif karbon elektrotlara kıyasla 13 kattan fazla artırarak yüksek tuz giderme verimliliği göstermiştir.^[88] Benzer şekilde, CNT-poliakrilik asit kompozit elektrotlar, iyileştirilmiş iyon erişilebilirliği ve azaltılmış direnç sayesinde saf CNT elektrotlarına göre %51’lik bir artışla %83 NaCl giderimi sağlar.^[87] Giderilen iyon kütlesi, Faraday’ın elektroliz yasasına uyar:

$$ m = \frac{Q M}{n F} $$

Burada m giderilen maddenin kütlesi, Q geçen toplam yük, M molar kütle, n iyon başına transfer edilen elektron sayısı ve F Faraday sabitidir (96,485 C/mol). Bu denklem, elektrokimyasal sistemlerde uygulanan yük ile iyon giderme kapasitesi arasındaki doğrudan orantıyı vurgular.

Elektro-Fenton işlemi, oksijen indirgenmesi yoluyla katotta yerinde hidrojen peroksit (H₂O₂) üretmek için nano-katalizörler kullanır. Bu daha sonra inatçıorganikleri oksitlemek için hidroksil radikalleri (•OH) üretmek üzere demir iyonlarıyla reaksiyona girer. CNT’ler üzerine desteklenen Fe₂O₃ gibi nanomalzemeler, H₂O₂ üretimini ve katalizör kararlılığını artırarak, Rhodamine B’nin (bir model organik kirletici) nötr pH’a yakın (6.0) koşullarda 120 dakikada %91,5 oranında giderilmesini sağlar.^[89] Cu₂O/CNT kompozitleri de benzer koşullar altında %80,2 bozunma elde eder, çamur oluşumunu en aza indirir ve katalizörün birden fazla döngüde yeniden kullanılmasına izin verir.^[90] Bu nano-geliştirilmiş sistemler, özellikle boyalar ve farmasötikler içeren endüstriyel atık suların arıtılmasında etkilidir.

Son gelişmeler arasında, mikroplastikler gibi kalıcı kirleticileri parçalamak için yük transferini ve radikal oluşumunu iyileştirmek üzere TiO₂ katmanları gibi nano kaplamalarla modifiye edilmiş bor katkılı elmas (BDD) anotlar yer almaktadır. 2024 yılında, TiO₂ ile modifiye edilmiş bir BDD fotoanot, UV destekli fotoelektrokataliz altında 10 saatte yüksek yoğunluklu polietilen mikroplastiklerin %89,9’unu bozarak, modifiye edilmemiş elektrokimyasal oksidasyondan %32 daha iyi performans göstermiştir.^[91] Bu yaklaşım, perflorooktanoik asidin (PFOA) sülfat ve hidroksil radikali yolları aracılığıyla %97,9’a kadar mineralizasyonunu sağlayarak per- ve polifloroalkil maddeleri (PFAS) ve diğer refrakter bileşikleri hedefler.^[92] Bu tür yenilikler, yeni ortaya çıkan kirleticileri ele almada ölçeklenebilir, kurban edilmeyen (non-sacrificial) elektrotların potansiyelini vurgulamaktadır.

Uygulamalar

İçme Suyu Arıtımı

Nanoteknoloji, özellikle altyapısı sınırlı bölgelerde, evsel ortamlarda ağır metaller, patojenler ve yeni ortaya çıkan kimyasallar gibi kirleticileri ele alan kullanım noktası cihazlarını mümkün kılarak içme suyu arıtımında çok önemli bir rol oynar. Bu cihazlar, verimli, düşük maliyetli arıtma için nanomalzemelerden yararlanarak merkezi sistemlere güvenmeden güvenli içilebilir suya erişimi sağlar.^[1]

Nano-gümüş filtreler içeren kullanım noktası cihazlarının, SONO sistemi örneğinde olduğu gibi, evsel arsenik gideriminde etkili olduğu kanıtlanmıştır. Bangladeş’teki arsenik ile kirlenmiş yeraltı suları için geliştirilen SONO filtresi, arseniği adsorbe etmek ve bakteriyel yeniden büyümeyi önlemek için gümüşlü bir kompozit demir matrisi kullanır ve 500 μg/L’ye kadar arsenik seviyeleri için %99’un üzerinde giderme verimliliği sağlar. 2010 yılı itibarıyla, Bangladeş, Hindistan ve Nepal’de arsenikten etkilenen bölgelere yaklaşık 160.000 ünite dağıtılmış, yaklaşık 1 milyon kişiye fayda sağlanmış ve ünite başına saatte 20-50 litre arıtılmış su üretilmiştir. Çalışmalar en az 5 yıllık bir ömür gösterse de, uzun vadeli benimseme, yaygın kullanımda durgunluk gibi zorluklarla karşılaşmıştır.^[93]^[94]

Patojen eliminasyonu için, titanyum dioksit (TiO₂) nanopartikülleri kullanan fotokatalitik şişeler güneş enerjisiyle dezenfeksiyonu mümkün kılarak, görünür ışık altında MS2 bakteriyofajı gibi virüslerin %99,99 oranında azaltılmasını sağlar. Genellikle nanoyapılı TiO₂ filmlerle kaplanan bu taşınabilir cihazlar, kimyasal madde kullanmadan virüsleri ve bakterileri etkisiz hale getirmek için reaktif oksijen türleri üretir ve 4 saatlik güneş ışığı maruziyetinde 1 litreye kadar suyu arıtır. Saha testleri, rotavirüs ve diğer su kaynaklı virüsleri saptanabilir sınırların altına indirmedeki etkinliklerini göstererek şebeke dışı haneler için sürdürülebilir bir seçenek sunar.^[95]^[96]

Nano-adsorbanlar, ABD EPA’nın 2024 PFOA ve PFOS için 4 trilyonda bir kısım (ppt) uygulanabilir sınırlarıyla uyumlu olarak, içme suyundan per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) gibi yeni ortaya çıkan kirleticileri gidermek için giderek daha fazla uygulanmaktadır. Nano ölçekli gözeneklere sahip NU-1000 gibi metal-organik çerçeveler, kısa zincirli varyantlar için seçicilik ve kapasitede geleneksel aktif karbonu geride bırakarak PFAS’ı %75-98 oranında adsorbe eder. Bu adsorbanlar ev tipi kartuşlara entegre edilebilir ve tezgah ölçekli çalışmalarda doğrulandığı gibi tek bir geçişte PFAS konsantrasyonlarını 100 ppt’den 4 ppt’nin altına düşürür.^[97]^[98]

Bhabha Atom Araştırma Merkezi (BARC), içme suyundan arsenik giderimi için selüloz bazlı teknolojiler geliştirmiş, basit, uygun maliyetli ve geri dönüştürülebilir yöntemlerle evsel ve topluluk kullanımı için uygun hale getirmiştir.^[99]

Endüstriyel Atık Su Arıtımı

Nanoteknoloji, tekstil, madencilik ve petrol ve gaz gibi sektörlerden gelen ve genellikle inatçı organik bileşikler, ağır metaller ve emülsiyonlar içeren endüstriyel atık suların arıtılmasında çok önemli bir rol oynar. Bu atık sular, toksisiteleri ve kalıcılıkları nedeniyle önemli çevresel riskler oluşturur ve geleneksel yöntemlerin ötesinde gelişmiş iyileştirme stratejileri gerektirir. Nanomalzemeler, ikincil atık üretimini en aza indirirken verimli kirletici giderimi sağlayan gelişmiş reaktivite, daha geniş yüzey alanları ve seçicilik sunar.^[100]

Tekstil endüstrisinde, titanyum dioksit (TiO₂) nanopartikülleri kullanan fotokatalitik reaktörler, atık sularda suyun renklenmesine ve toksisitesine katkıda bulunan yaygın renklendiriciler olan azo boyalarını etkili bir şekilde bozar. UV ışınımı altında TiO₂, kromoforik azo bağlarını kıran reaktif oksijen türleri üretir ve kısa işlem süreleri içinde simüle edilmiş ve gerçek tekstil atık sularında %95’e kadar renk azaltımı sağlar. Bu süreç, boya inatçılığı nedeniyle geleneksel biyolojik arıtmaların başarısız olduğu yüksek konsantrasyonlu atık sular için özellikle avantajlıdır.^[101]

Madencilik gibi ağır sanayiler için, proses sularında yaygın olan kanserojen bir kirletici olan krom(VI)’yı iyileştirmek için nano ölçekli sıfır değerlikli demir (nZVI) parçacıkları kullanılır. nZVI, elektron transferi yoluyla Cr(VI)’yı daha az toksik olan Cr(III)’e indirger. Madencilikle ilgili atık sular üzerindeki parti ve kolon çalışmalarında %90’ı aşan giderme verimliliğiyle, OSHA’nın Cr(VI) için 5 μg/m³’lük izin verilebilir maruziyet sınırına uyumu sağlar. Çok duvarlı karbon nanotüpler üzerindekiler gibi destekli nZVI varyantları, kararlılığı daha da artırır ve topaklanmayı önleyerek karmaşık matrislerde uzun vadeli performansı iyileştirir.^[102]^[103]

Petrol ve gaz sektöründe, karbon nanotüp (CNT) aerojelleri, süperoleofilik ve hidrofobik özelliklerinden yararlanarak yağ-su emülsiyonlarının ayrılmasını kolaylaştırır. Bu hafif, gözenekli yapılar yağ damlacıklarını seçici olarak adsorbe eder ve dizel ve ham petrol simülasyonları ile yapılan sorpsiyon testlerinde gösterildiği gibi, stabilize emülsiyonlardan %99’a kadar yağ geri kazanımı ile yerçekimi güdümlü demülsifikasyon sağlar. Aerojellerin yüksek geri dönüştürülebilirliği -birden fazla döngüde verimliliği koruması- onları üretilen suyun yerinde arıtılması için uygun hale getirir.^[104]

Nanomalzemeler kullanılarak yapılan adsorpsiyon da dahil olmak üzere nanoteknoloji tabanlı sistemlerin tezgah ve pilot ölçekli çalışmaları, endüstriyel atık su arıtımı için uygulanabilirliği göstermiştir. Bu sistemler, en aza indirilmiş biyokütle üretimi ve gelişmiş kirletici yakalama nedeniyle geleneksel aktif çamur süreçlerine kıyasla yüksek kirletici giderme verimliliği ve azaltılmış çamur üretimi potansiyeli sunmaktadır.^[105]

Tuzdan Arındırma ve Acı Su Arıtımı

Nanoteknoloji, membran verimliliğini, iyon seçiciliğini ve enerji kullanımını artırarak deniz suyunu ve acı suyu içilebilir kaynaklara dönüştürmek için tuzdan arındırma süreçlerini önemli ölçüde ilerletmiştir. Nano-geliştirilmiş ters ozmozda (RO), akuaporinden esinlenen biyomimetik membranlar, %99’un üzerinde tuz reddetme oranlarını korurken daha yüksek su akışı elde etmek için doğal su kanallarını taklit eder. İnce film kompozit yapılara akuaporin proteinlerini dahil eden bu membranlar, geleneksel RO membranlarına kıyasla yaklaşık %30 daha yüksek akış göstererek işletme basıncı gereksinimlerini ve enerji maliyetlerini düşürür.^[106]^[107]

Grafen bazlı malzemeler, sodyum ve klorür gibi tek değerli iyonların hassas bir şekilde giderilmesi için atomik ölçekte eleme sağlar ve deniz suyundaki (yaklaşık 35.000 ppm) ve acı sudaki (1.000–10.000 ppm) yüksek tuzluluğu ele alır. 0.7–1 nm ayarlanabilir katmanlar arası boşluğa sahip katmanlı grafen oksit (GO) membranlar, su moleküllerine seçici olarak izin verirken hidratlı iyonları bloke eder ve düşük basınç altında 10 L/m²·saat’e kadar akışlarda neredeyse mükemmel tuz reddi (>%99) elde eder. Pilot sistemlere entegre edilmiş yığın grafen membranlar dahil olmak üzere gelişmekte olan 2025 prototipleri, küçük ölçeklerde çalışmakta ve 2 kWh/m³’ün altındaki enerji talepleriyle ölçeklenebilir acı su arıtımı potansiyeli sergilemektedir.^[108]^[109]^[110]^[111]

Nano-mühendislik elektrotlu kapasitif deiyonizasyon (CDI), tuz iyonlarının kimyasal katkı maddeleri olmadan gözenekli yüzeylere elektrostatik olarak adsorbe edildiği acı su tuzdan arındırma için düşük basınçlı bir alternatif sunar. Hiyerarşik gözenek yapılarına (mikro gözenekler <2 nm ve mezo gözenekler 2–50 nm) sahip nano gözenekli aktif karbon elektrotlar, iyon depolama kapasitesini 20 mg/g’ın üzerine çıkararak 1.000–5.000 ppm beslemelerden tuz giderimini mümkün kılar. Optimize edilmiş CDI sistemleri, 1 kWh/m³’ün altında enerji tüketimi elde eder (özellikle tuzluluğu 32,7 mM’den 5,5 mM’ye düşürmek için 0,85 kWh/m³) ve bu da onları minimum ön arıtma ile merkezi olmayan acı su kaynakları için uygun hale getirir.^[112]

Tuzdan arındırmanın tatlı su ihtiyacının %70’inden fazlasını karşıladığı Orta Doğu’da, 2025 projeleri kirlenmeyle mücadele etmek ve kullanım ömrünü uzatmak için RO membranlarında hibrit karbon nanotüp (CNT)-TiO₂ nanokompozitlerini içermektedir. Bu hibritler, CNT ile güçlendirilmiş poliamid katmanlara TiO₂ nanopartiküllerini (5–20 nm) gömerek hidrofilikliği ve fotokatalitik kendi kendini temizlemeyi artırır ve daha düşük bakım ve enerji kullanımı (2–3 kWh/m³) sayesinde geleneksel RO’ya kıyasla %50’ye varan maliyet düşüşü sağlar. BAE ve Suudi Arabistan’daki pilot tesislerde olduğu gibi bu tür uygulamalar, genel verimliliği optimize etmek için ön arıtma amacıyla nanofiltrasyon ile entegre olur.^[113]^[114]

Sağlık, Güvenlik ve Çevresel Hususlar

Toksisite ve İnsan Sağlığı Riskleri

Su arıtma sistemlerinden nanopartikül sızıntısı, özellikle antimikrobiyal özellikleri nedeniyle kullanılan gümüş nanopartiküller (Ag NP’ler) ile önemli sağlık riskleri oluşturur. Arıtma işlemleri sırasında Ag NP’ler, özellikle klor veya diğer oksidanların varlığında oksidatif çözünme yoluyla gümüş iyonları salabilir ve bu da arıtılmış suyun kirlenmesine yol açar. Sızan bu gümüş iyonlarına kronik maruziyet, dokularda gümüş birikiminden kaynaklanan cilt, gözler ve iç organlarda kalıcı mavimsi gri bir renk değişikliği olan argyria’ya neden olabilir. İnsanlarda genelleşmiş argyria vakaları, genellikle uzun süreli yutma veya dermal temas yoluyla vücut ağırlığı başına 70 ila 1500 mg gümüş kümülatif dozlarında belgelenmiştir. Düzenleyici kurumlar, yutulan gümüş asetatın %18’e kadarı gastrointestinal kanalda emilebildiğinden, daha yüksek seviyeler güvenli emilim eşiklerini aşabileceğinden, bu tür toksisiteyi önlemek için içme suyundaki gümüşü 0.1 mg/L’nin (100 µg/L) altında sınırlamayı önermektedir.^[115]

Fotokatalitik su arıtımında yaygın olarak kullanılan titanyum dioksit (TiO₂) nanopartikülleri, temel olarak reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretimi yoluyla hücresel hasara neden olur ve insan dokularında oksidatif strese yol açar. Solunduğunda, TiO₂ NP’ler akciğerlerde birikir, burada iltihaplanmayı, genotoksisiteyi ve potansiyel kanserojenliği tetikler; Uluslararası Kanser Araştırmaları Ajansı tarafından hayvan inhalasyon çalışmalarına dayanarak “insanlar için muhtemelen kanserojen” (Grup 2B) olarak sınıflandırılır. Kirlenmiş su yoluyla yutulması durumunda, TiO₂ NP’ler bağırsak epiteline geçebilir, bağırsak hücrelerinde ROS aracılı hasara, bağırsak bariyerinin bozulmasına ve iltihaplanma veya kolon tümörlerinin desteklenmesi gibi sistemik etkilere neden olabilir. Bu mekanizmalar lipit peroksidasyonunu, protein oksidasyonunu ve DNA zincir kırılmalarını içerir ve solunum ve sindirim sistemlerinde önceden var olan koşulları şiddetlendirir.^[115]

Su arıtımı için adsorpsiyon ve filtrasyon teknolojilerinde kullanılan karbon nanotüpler (CNT’ler), yüksek en-boy oranları ve biyokalıcılıkları nedeniyle asbest liflerine benzer biyobirikim özellikleri sergiler. Solunan veya yutulan CNT’ler akciğerlerde birikebilir, makrofaj temizliğini engelleyerek asbest kaynaklı patolojiyi taklit edebilir ve kronik iltihaplanma, fibrozis ve granülom oluşumuna neden olabilir. Hayvan modellerindeki çalışmalar, çok duvarlı CNT’lerin maruziyet sonrası bir yıldan fazla bir süre akciğer dokusunda kaldığını, sert, uzun varyantların (>20 µm) altı ayı aşan uzun süreli tutulum gösterdiğini ve plevral boşlukta mezotelyoma benzeri tepkileri desteklediğini göstermektedir. Bu asbest benzeri davranış, eksik fagositozdan ve engellenmiş fagositozdan kaynaklanır ve kalıcı oksidatif strese ve potansiyel onkojenik dönüşüme yol açar.^[115]

Su arıtımındaki nanomalzemelerin risk değerlendirmeleri, akut maruziyet için temel ölçütler sağlayan öldürücü doz %50 (LD50) değerleri ile değişen toksisite profillerini vurgulamaktadır. TiO₂ gibi çoğu metal oksit nanopartikülü, kemirgenlerde 5000 mg/kg’ı aşan oral LD50 değerleriyle düşük akut toksisite sergiler; bu da minimum ani öldürücülüğü gösterir ancak kronik endişelerin altını çizer. Buna karşılık, gümüş veya bakır gibi modifiye edilmemiş metalik nanopartiküller daha düşük LD50 eşikleri gösterir; örneğin gümüş nitratın LD50’si yaklaşık 50 mg/kg (fare, oral) iken, nano ölçekli bakır parçacıklarının LD50’si 413 mg/kg’dır (fareler, oral); bu da sistemik toksisiteyi artıran daha yüksek biyoyararlanımı ve iyon salınımını yansıtır. Bu metrikler, arıtılmış su yoluyla insan maruziyeti sırasındaki riskleri azaltmak için boyut ve yüzey modifikasyonlu formülasyonlara duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.^[115]

Çevresel Etkiler ve Sürdürülebilirlik

Nanoteknolojinin su arıtımında uygulanması, özellikle sucul sistemlere salınan nanomalzemelerden kaynaklanan ekotoksisite yoluyla potansiyel çevresel etkiler doğurur. Fotokatalitik ve adsorpsiyon süreçlerinde yaygın olarak kullanılan çinko oksit nanopartikülleri (ZnO NP’ler), temel sucul türlere karşı akut toksisite göstermiştir. Örneğin, Danio rerio gibi balıklar için medyan öldürücü/etkili konsantrasyon (L(E)C50) 3.0 mg/L iken, Pseudokirchneriella subcapitata gibi algler için 0.08 mg/L ve Daphnia magna dahil kabuklular için 2.3 mg/L’dir. Bu etkiler, trofik seviyelerdeki organizmalarda iyon çözünmesi, reaktif oksijen türleri oluşumu ve hücresel yapıların fiziksel bozulmasından kaynaklanır.^[115]

Yaşam döngüsü değerlendirmeleri, nanomalzeme üretiminin enerji yoğun doğasını vurgulamakta ve bu durum bazı saflaştırma faydalarını dengeleyebilmektedir. Nanofiltrasyon ve adsorpsiyon sistemlerinde kullanılan karbon nanotüplerin (CNT’ler) sentezi, yüksek basınçlı karbon monoksit (HiPco) gibi işlemlerle enerji yoğundur. Bununla birlikte, geleneksel ters ozmozdaki %65’e kıyasla CNT bazlı membranlarda %90’a varan gelişmiş su geri kazanım oranları gibi operasyonel avantajlar, sistemin ömrü boyunca atık su hacimlerini ve kimyasal girdileri en aza indirerek net kaynak tasarrufu sağlar.^[8]

Nanoteknoloji uygulamaları, genellikle bertarafı zorlaştıran kalıcı parçacıklar içeren nano-geliştirilmiş çamur ürettiğinden, atık üretimi ek sürdürülebilirlik zorlukları oluşturur. Bu çamur, düzgün yönetilmezse toksik nanomalzemeleri toprağa veya suya sızdırma riski taşır ve standart yakma veya düzenli depolama protokollerinin ötesinde çevresel kirliliği şiddetlendirir. Avrupa Birliği’nin yeniden düzenlenen Kentsel Atık Su Arıtma Direktifi (2024 itibarıyla, 2025’te başlayan aşamalı uygulama ile), daha büyük tesisler için 2035’e kadar dördüncü aşama arıtma ve 2045’e kadar enerji nötrlüğü ile birlikte, atık sular ve çamurlar için sıfır salınım stratejileri gerektiren sıfır kirliliğe doğru bir gidişatı zorunlu kılmaktadır; bu da nanomalzeme yüklü atıklar üzerindeki düzenleyici baskıları yoğunlaştırmaktadır.^[116]

Genel sürdürülebilirlik ölçümleri, ilk üretim yükleri yüksek olsa da, nanoteknolojinin daha düşük operasyonel enerji talepleri ve daha yüksek kirletici giderme verimliliği sayesinde geleneksel tesislere kıyasla su arıtımının karbon ayak izini azaltabileceğini göstermektedir. Örneğin fotokatalitik nanomalzeme sistemleri, geleneksel aktif çamur süreçlerindeki enerji yoğun havalandırma veya pıhtılaşma adımlarından kaçınarak güneş ışığı güdümlü bozunma yoluyla bunu başarır. Bu kazanımlar, uzun vadeli çevresel uygulanabilirliği en üst düzeye çıkarmak için optimize edilmiş sentez ve kullanım ömrü sonu stratejilerine duyulan ihtiyacın altını çizmektedir.^[117]

Zorluklar ve Gelecek Yönelimler

Mevcut Sınırlamalar

Umut verici laboratuvar sonuçlarına rağmen, nanoteknoloji tabanlı su arıtma sistemlerinin endüstriyel seviyelere ölçeklendirilmesi, temel olarak taşıma dinamiklerini değiştiren ve genel verimliliği azaltan nanopartikül agregasyonu nedeniyle zorlu olmaya devam etmektedir. Laboratuvar ölçekli (tek boyutlu) modellerde, agregasyon başlangıçta boyut dışlama yoluyla nanopartikül hareketliliğini hızlandırabilir, ancak daha büyük saha ölçeklerinde (üç boyutlu gözenekli ortamlar), süzme ve olgunlaşma (ripening) gibi biriktirme mekanizmalarını önemli ölçüde artırır ve kırılma verimliliğini düşürür – örneğin, orta dereceli agregasyon oranlarında kırılma eğrilerindeki plato yüksekliklerini 1’e yakın değerlerden 0,4’e kadar düşürür. Performanstaki bu düşüş, karmaşık akış yollarındaki düzensiz dağılım ve tıkanmadan kaynaklanır ve belediye veya büyük ölçekli arıtma tesislerinde yaygın olarak benimsenmesini engeller.^[118]

Ekonomik engeller dağıtımı daha da sınırlamaktadır, çünkü nanoteknoloji sistemleri genellikle geleneksel yöntemlere kıyasla daha yüksek işletme maliyetlerine maruz kalır; bu durum büyük ölçüde pahalı nanomalzeme sentezi ve fabrikasyon süreçlerinden kaynaklanır. Örneğin, aktif karbon filtrasyonu gibi geleneksel arıtma yöntemlerinin maliyeti metreküp başına yaklaşık 0,05 $ iken, ultrafiltrasyon veya nano-geliştirilmiş sistemlerin maliyeti yaklaşık 0,06 $ civarındadır ve yüksek saflıkta öncül maddelere ve hassas mühendisliğe duyulan ihtiyaç nedeniyle sentez giderleri toplam maliyetlere önemli ölçüde katkıda bulunur. Üretimdeki ölçek ekonomisinin eksikliğiyle birleşen bu yüksek harcamalar, enerji kullanımındaki potansiyel uzun vadeli tasarruflara rağmen, nano-geliştirilmiş saflaştırmayı kaynak kısıtlı bölgeler için daha az rekabetçi hale getirir.^[119]

Kirlenme ve kararlılık sorunları önemli operasyonel engeller oluşturur; çünkü nanomebranlar organik madde, tuzlar ve biyofilmler tarafından tıkanmaya yatkındır ve bu da hizmet ömrünü büyük ölçüde kısaltır. Pratik uygulamalarda, kirlenme aylar içinde süzüntü akısını %20-50 oranında azaltır ve yoğun temizlik yapılmadığında membran ömrünü genellikle bir yıldan aza indirir; oysa geleneksel membranlar 3-5 yıl dayanabilir. Bu hızlandırılmış bozulma, nanomalzemelerin yüksek yüzey alanının kirleticileri daha kolay çekmesinden kaynaklanır ve sürekli akışlı sistemlerde bakım sıklığını ve operasyonel kesinti süresini artırır.^[120]^[78]

2025’teki düzenleyici çerçeveler, uzun vadeli güvenlik ve etkinlik verilerine ilişkin endişeleri yansıtarak, su arıtımında nanoteknoloji ürünleri için sınırlı onaylarla boşluklar sergilemeye devam etmektedir. ABD EPA ve FDA, toksisite testi ve gerçek dünya koşullarında performans doğrulaması için katı gereklilikler nedeniyle içme suyu kullanımı için az sayıda nanomalzeme bazlı cihazı onaylamıştır. Çoğu yenilik, düzenleyici onay için net yollar olmadan pilot aşamalarda kaldığından, bu kısıtlamalar ticarileşmeyi yavaşlatmaktadır.^[121]^[122]

Gelişen Trendler ve Araştırmalar

Su arıtımı için nanoteknolojideki son gelişmeler, özellikle membranlar için gözenek mühendisliğinde nanomalzeme tasarımını optimize etmek amacıyla yapay zekadan (AI) giderek daha fazla yararlanmaktadır. Makine öğrenimi algoritmaları, grafen oksit ve karbon nanotüpler gibi malzemelerdeki gözenek boyutlarının ve dağılımlarının hassas bir şekilde tahmin edilmesini ve özelleştirilmesini sağlayarak, enerji kullanımını en aza indirirken seçiciliği ve geçirgenliği artırır.^[123] Bu yapay zeka destekli yaklaşımlar, gerçek zamanlı izleme ve uyarlanabilir ayarlamalar yoluyla membran ömründe %20-30’a varan uzamalar ve enerji tüketiminde %25-30’luk azalmalar dahil olmak üzere potansiyel verimlilik kazanımları göstermiştir.^[123] Örneğin, yapay sinir ağlarını kullanan tahmin modelleri, kirlenme ve akı davranışlarını tahmin etmede yüksek doğruluk (örneğin <%5 hata) elde ederek ölçeklenebilir tuzdan arındırma çözümlerini kolaylaştırır.^[123]

Viral yapılardan yararlanan biyo-ilhamlı nanomalzemeler, hedeflenen kirletici giderimi için umut verici bir başka trendi temsil etmektedir. Viral kapsidlerin çekirdek-kabuk mimarisini ve yüzey işlevselliğini taklit edecek şekilde tasarlanan virüs taklidi nanopartiküller, adsorpsiyon ve fotokataliz mekanizmaları yoluyla ağır metaller, patojenler ve organik kirleticiler gibi kirleticilere spesifik bağlanmayı kolaylaştırır.^[124] Genellikle yüzeylerinde peptitler veya antikorlar içeren bu yapılar, endokrin bozucu kimyasallar gibi yeni ortaya çıkan kirleticiler için giderme verimliliğini artırarak su arıtma süreçlerinde çok yönlülük ve yenilenebilirlik sunar.^[124] Son gelişmeler çevre dostu potansiyellerini vurgulamaktadır, ancak ölçeklenebilirlik konusundaki zorluklar devam etmektedir.^[19]

Çok işlevli hibrit nanomalzemeler, membranlara entegre edilmiş fotokatalitik kaplamalardaki yeniliklerle saflaştırma sistemlerinde kendi kendini temizleme yeteneklerini geliştirmektedir. Örneğin, titanyum dioksit (TiO₂) ile güçlendirilmiş hibrit organik-inorganik membranlar, UV ışığı altında organik kirleticileri bozarak kimyasal temizleme ihtiyacını azaltır ve tuzların ile kurşun ve kadmiyum gibi ağır metallerin %99’dan fazla reddedilmesini sağlar.^[125] Grafen oksit, karbon nanotüpler ve metal-organik çerçeveleri birleştiren bu hibritler, hidrofilikliği, kirlenme önleyici özellikleri ve genel akışı iyileştirir ve bazı konfigürasyonlar geleneksel ters ozmoza kıyasla enerji taleplerini %20’ye kadar düşürür.^[125] 2025 tarihli patentler ve araştırmalar, sürdürülebilir, yüksek performanslı su arıtımındaki rollerini vurgulamaktadır.^[125]

Küresel girişimler, özellikle Afrika ve Asya’da 2030 yılına kadar temiz su ve sanitasyon için BM Sürdürülebilir Kalkınma Hedefi 6’ya (SDG 6) ulaşma çabalarına nanoteknolojiyi entegre etmektedir. Afrika Su Yatırım Programı, yatırım açıklarını ele almak ve milyonlarca kişi için erişimi iyileştirmek amacıyla su ile ilgili yatırımlarda yıllık en az 1 milyar dolardan yararlanmayı hedeflemektedir.^[126] 2025 yılında Afrika Su Yatırım Zirvesi, su güvenliği projeleri için 10-12 milyar dolarlık ön taahhütleri harekete geçirdi.^[127] Asya’da 2030’a kadar tahmini 800 milyar dolarlık benzer finansman ihtiyaçları, hızlı kentleşme ortamında kirlilik kontrolü ve tuzdan arındırma için gelişmiş su teknolojilerine öncelik vermektedir.^[128]

Devam eden araştırmalar ayrıca nanopartikül sızıntısından kaynaklanan potansiyel çevresel toksisite gibi zorlukları ele almakta, güvenli büyük ölçekli dağıtımı sağlamak için sürdürülebilir sentez ve hibrit teknolojileri vurgulamaktadır.