Sıvı Nanokil: Tarım ve Sürdürülebilirlikte Yenilik

Sıvı Nanokil (LNC), laminer ve türbülanslı akış rejimleri arasındaki değişimi temel alan yeni bir nano kil dispersiyonu yöntemiyle üretilir. 

Kil, çeşitli alanlarda kullanılan, yararları kanıtlanmış bir malzemedir; kozmetikten inşaata kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. Ayrıca, kil içeren topraklar, zengin besin değerleri ve su tutma kapasiteleri nedeniyle önemlidir. Sıvı nanokil, özellikle çölleşmeyle mücadelede umut verici bir çözüm olarak geliştirilmektedir. Bu bağlamda Nanografi, çevresel sürdürülebilirlik ve tarımsal iyileştirme alanlarında ileri malzeme ürünleri geliştirmek için çalışmalarını sürdürmektedir.

Giriş

Tarım, dünya genelinde su tüketimi ve kaliteli toprağa geniş alan ihtiyacı açısından önemli sektörlerden biridir. Tarımsal üretim, kaçınılmaz olarak büyük öneme sahip olmakla birlikte, endüstriyel gelişmelere kıyasla tarımsal teknolojilerin geliştirilmesine yönelik sınırlı çaba gösterilmektedir.

Sıvı Nanokil (LNC), özellikle kurak bölgelerde tarımsal verimliliği artırma potansiyeline sahip yenilikçi bir teknolojidir. Bu teknoloji, kil ve suyun nanopartiküllerini içeren bir karışımı toprağa püskürterek, kumlu ve az verimli toprakları daha verimli hale getirmeyi amaçlar. Bu işlem, toprağın su ve besin tutma kapasitesini artırır, sulama ihtiyacını azaltır ve daha önce ürün yetiştirilemeyen alanlarda tarımsal üretimi mümkün kılar. Böylece, LNC, su kıtlığına çözüm sunan ve kullanılabilir tarım arazilerini genişleten bir tarım teknolojisi olarak değerlendirilmektedir.

Sıvı Nanokilin Önemi

Artan gıda tüketimi ve toprak kalitesindeki azalma, tarım teknolojilerinin geliştirilmesini kritik bir konu haline getirmektedir. Dünyada su kaynaklarının ve yeşil alanların azalması, çölleşmeye neden olmakta ve bu, su tüketiminin azaltılması ve verimsiz toprakların değerlendirilmesi için yeni araştırmaların yapılmasını gerektirmektedir. Küresel ısınma, kuraklık, aşırı otlatma ve diğer insan faaliyetleri çölleşmeyi hızlandırmaktadır. Kumlu topraklar, tarımsal olarak değersizdir ve değerli hale getirilmesi için çeşitli işlemler gerektirir. Bir diğer önemli konu, bazı toplumların kalitesiz topraklar ve gelişmiş tarım sistemlerinin eksikliği nedeniyle tarımsal kaynaklar açısından diğer ülkelere bağımlı olmalarıdır. Bu sorunların çözümü, tarımsal üretimi desteklemek ve tarımın su tüketimini azaltmak için toprağın özelliklerinin iyileştirilmesi ve manipüle edilmesinde yatmaktadır. Kil, toprak zenginleştirme için uygun bir aday olarak görülmektedir.

Mahsul korumada nanoteknolojinin rolünü daha detaylı öğrenmek için, blog yazımızı ziyaret edin.

Kil, talk, mika, kaolinit, montmorillonit, sepiyolit gibi çeşitli mineraller içerir. Bentonit genellikle montmorillonit açısından, kaolin ise kaolinit açısından zengindir. Bu mineraller, toprağın besin içeriğini zenginleştirerek bitki büyümesini destekler. Ayrıca, kil minerallerinin yüzey yükü nedeniyle mükemmel su tutma özellikleri vardır. Kil bakımından zengin topraklar suyu daha uzun süre tutabilir, bu da su tüketimini azaltır. Ancak, gelişmiş tarımsal uygulamalar kilin bu özelliklerinin iyileştirilmesini gerektirir. Nanoteknoloji alanındaki gelişmelerle birlikte, kilin mekanik dayanıklılığı ve kimyasal aktivitesi gibi çekici özelliklerinin artırılması hedeflenmektedir. Nanokil, bu çalışmalar sonucunda ortaya çıkan özel bir malzemedir. Nanokiller, nano ölçekli kalınlıkta ve birkaç mikrometre uzunluğunda iki boyutlu plakalardan oluşan katmanlı silikatlardır. Nanokiller, mikro ölçekli benzerleri gibi çeşitli mineraller içerir. Ancak, nanokillerin kimyasal aktivitesi ve su tutma kapasitesi, yüksek spesifik yüzey alanına bağlı olarak daha fazladır.

Şekil 1: Nanokillerin özellikleri, kaplaması, hedefleri ve uygulamaları.

Norveçli bilim insanı Kristin Olesen ve ekibi, çölleşme sorunuyla mücadelede nanokil teknolojisini kullanarak önemli bir ilerleme kaydetmiştir. Bu yeni yaklaşım, Sıvı Nanokil (LNC) olarak adlandırılmıştır. Daha önce 1987 yılına kadar kil, çölleşme ile mücadelede araştırılmış ancak kumlu toprakla kuru halde karıştırılması, yoğun kil gereksinimi ve büyük mekanik karıştırma işleri gerektiğinden pratik olmayan sonuçlar doğurmuştur. Geleneksel yöntemlerle, her metrekare başına yaklaşık 90-100 kg kil gerekmekteydi.

Sıvı Nanokil, bu zorlukları aşarak verimsiz kumlu toprakları değerli arazilere dönüştürme amacıyla geliştirildi. Desert Control şirketinin sahibi ve Liquid Nanoclay'in mucidi Kristin Olesen ve oğlu Ole Morten Olesen, bu yeni sürecin etkinliğini Mısır'da gerçekleştirdikleri testlerle değerlendirdiler. Bu testlerde, Sıvı Nanokil ile işlenen araziler, işlenmeyenlere kıyasla %416 daha yüksek verimlilik gösterdi. Desert Control'e göre, Liquid Nanoclay uygulamaları, geleneksel sulama yöntemlerine kıyasla su kullanımını %50-65 oranında azaltmaktadır. Sıvı Nanokil, ayrıca Mikoriza mantarları için bir katalizör görevi görerek, artan verimde önemli bir rol oynar. İşlenen araziler, rüzgar erozyonuna karşı da daha dayanıklı hale gelmiştir. Sıvı nanokilin yeni hazırlama yöntemi, bu olumlu sonuçların anahtar faktörüdür.

Sıvı Nanokil Üretimi

Sıvı Nanokil, yalnızca su ve kil içeren patentli bir işlemle hazırlanır. Bu işlemde genellikle bentonit veya kaolin gibi kil türleri kullanılır. Üretim süreci, çok yüksek türbülans indeksine sahip bir mekanik homojenizasyon cihazında kil ve suyun işlenmesiyle gerçekleştirilir. Bu işlem sırasında kil parçacıkları, tek kil pullarına kadar indirgenerek nanokil dispersiyonu oluşturulur. Üretilen kil pullarının yaklaşık 25-2000 nm yüzey çapı ve 1-10 nm kalınlıkta olması önerilir.

Üretim süreci, nanokil parçacıklarının negatif yüklü yüzeylerine dayanır. Bu negatif yüzey, pozitif yüklü su molekülleri tarafından sarılarak stabil bir dispersiyon oluşturulur. Dispersiyonun stabilitesi, hava kabarcıklarının eklenmesiyle arttırılır; bu hava kabarcıkları, kil parçacıklarıyla zayıf etkileşimler oluşturarak süspansiyondaki nanokil parçacıklarını bir hava iyonları bulutu ile çevreler.

Kararlı bir dispersiyon oluşturmak için eklenen su miktarı, kilin katyon değişim kapasitesi (CEC), uygulama alanı ve işlenecek kil miktarına göre ayarlanır. Deneyler %1,5 askıda kil oranını tavsiye etmektedir, bu da her metrekare için yaklaşık 40 litre su ve 1 kg kil kullanımı anlamına gelir. Dispersiyon, 45-135 derece arasındaki yön değişiklikleri ile sağlanan ardışık laminer ve türbülanslı akış rejimleri kullanılarak hazırlanır. Bitki büyümesini destekleyen daha stabil ve besin açısından zengin bir dispersiyon elde etmek için, dispersan ve bitki besin maddeleri eklenir. Bu ürün, standart sulama sistemlerinde kullanıma hazır hale gelir. Sıvı nanokil, kumlu toprağa yaklaşık 7 saat içinde nüfuz eder ve bitki büyümesi için zengin, besleyici bir ortam ile toprak profilinde bir su tutucu ağ oluşturur. Sıvı nanokilin etkinliği, ince kil parçacıklarının süspansiyonunun kum parçacıklarını kaplaması ve kılcal ile statik kuvvetler sayesinde homojen, besin açısından zengin bir ortam ve geniş bir su emici ağ oluşturmasından kaynaklanır.

Şekil 2: Sıvı Nanokil'in (LNC) nasıl çalıştığını anlatan bir gösterim.

Sonuç

Çölleşme, dünya genelinde uzun süredir devam eden ciddi bir sorun olup, Kaliforniya'daki kuraklık gibi olaylarla kendini göstermektedir. Kumlu topraklar, tarımsal açıdan genellikle değersiz kabul edilir ve bu toprakların işlenmesi için zahmetli işlemler gereklidir. Kil, bu tür kumlu toprakların işlenmesinde umut verici bir malzeme olarak uzun süredir dikkat çekmiştir; ancak, kil ve kumun kuru olarak karıştırılması, metrekare başına yüksek miktarlarda kil kullanımını gerektiren ve verimsiz bir işlemdir. Bu yöntem hem maliyetli hem de yoğun mekanik karıştırma işlemi gerektirir.

Sıvı Nanokil, kalitesiz kumlu toprakları yüksek verimli tarım arazilerine dönüştürme potansiyeline sahip bir çözüm olarak geliştirilmiştir. Bu süreç, patentli bir karıştırma yöntemiyle, sulu ortamda kil nano pullarının bir dispersiyonunun oluşturulması esasına dayanır. Kil/su dispersiyonu, nanokil parçacıklarının katyonik yapısı sayesinde oluşur, burada su molekülleri anyonik parçacıklar gibi davranarak her bir pulu çevreler. Akış koşullarındaki değişiklikler, kil tanecikleri etrafında, dağılımı daha da stabilize eden küçük hava kabarcıkları oluşturur. Sıvı nanokil, doğrudan kuru kumlu toprağa uygulanarak, toprağın derinliklerine nüfuz eder ve her bir kum parçacığını kaplar. Bu işlem, toprakta su tutma ve besin seviyelerini artırır, ayrıca rüzgar erozyonuna karşı daha dayanıklı bir arazi oluşturur. Sonuç olarak, türbülanslı homojenleştirme yöntemiyle elde edilen sıvı nanokil, çölleşmeyle mücadelede ve tarımsal arazilerin iyileştirilmesinde umut verici bir malzeme olarak değerlendirilir.

Araştırmaları ve en son teknolojik gelişmeleri takip etmek için Blografi'yi ziyaret edin.

Kaynakça

Desert Control. (n.d.). Retrieved January 30, 2024, from https://www.desertcontrol.com/

Guo, H., White, J. C., Wang, Z., & Xing, B. (2018). Nano-enabled fertilizers to control the release and use efficiency of nutrients. Current Opinion in Environmental Science & Health, 6, 77-83.

Maciej Serda, Becker, F. G., Cleary, M., Team, R. M., Holtermann, H., The, D., Agenda, N., Science, P., Sk, S. K., Hinnebusch, R., Hinnebusch A, R., Rabinovich, I., Olmert, Y., Uld, D. Q. G. L. Q., Ri, W. K. H. U., Lq, V., Frxqwu, W. K. H., Zklfk, E., Edvhg, L. V, … فاطمی, ح. (2015). Kaolin ve bentonit türü killerde bulunan silikaların belirlenmesi. Uniwersytet Śląski, 7(1), 343–354. https://doi.org/10.2/JQUERY.MIN.JS

Kristian OLESEN Liquid Nano-Clay -- Articles & Patents. (n.d.). Retrieved January 30, 2024, from http://www.rexresearch.com/olesennanoclay/olesen.html

LNC — Desert Control. (n.d.). Retrieved July 15, 2020, from https://www.desertcontrol.com/liquidnanoclay

Olesen, K. P. (2012). U.S. Patent No. 8,277,682. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

Mahsul Korumada Nanoteknolojinin Rolü - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 30, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/mahsul-korumada-nanoteknolojinin-rolu-/

Peixoto, D., Pereira, I., Pereira-Silva, M., Veiga, F., Hamblin, M. R., Lvov, Y., Liu, M., & Paiva-Santos, A. C. (2021). Emerging role of nanoclays in cancer research, diagnosis, and therapy. Coordination Chemistry Reviews, 440, 213956. https://doi.org/10.1016/J.CCR.2021.213956

Prize-winning technology to make the desert bloom. (n.d.). Retrieved July 15, 2020, from https://www.theengineer.co.uk/content/in-depth/prize-winning-technology-to-make-the-desert-bloom/

World Health Organization. (2005). Bentonite, kaolin, and selected clay minerals. In Bentonite, kaolin, and selected clay minerals (pp. 175-175).