Het produceren van schoon water tegen lagere kosten zou in het verschiet kunnen liggen nadat onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin en Penn State een complex probleem hebben opgelost dat wetenschappers tot nu toe decennia lang heeft verbijsterd.
Ontziltingsmembranen verwijderen zout en andere chemicaliën uit water, een proces dat cruciaal is voor de gezondheid van de samenleving, waarbij miljarden liters water worden gereinigd voor landbouw, energieproductie en drinken. Het idee lijkt simpel – duw zout water erdoor en schoon water komt er aan de andere kant uit – maar het bevat complexe fijne kneepjes die wetenschappers nog steeds proberen te begrijpen.
Het onderzoeksteam heeft, in samenwerking met DuPont Water Solutions, een belangrijk aspect van dit mysterie opgelost en de deur geopend om de kosten van de productie van schoon water te verlagen. De onderzoekers stelden vast dat ontziltingsmembranen niet consistent zijn in dichtheid en massaverdeling, wat hun prestaties kan belemmeren. Een uniforme dichtheid op nanoschaal is de sleutel tot het vergroten van de hoeveelheid schoon water die deze membranen kunnen creëren.
“Omgekeerde osmosemembranen worden veel gebruikt voor het reinigen van water, maar er is nog veel dat we er niet over weten”, zegt Manish Kumar, universitair hoofddocent bij de afdeling Civiele Techniek, Architectuur en Milieutechniek aan de UT Austin, die mede-leiding gaf aan het onderzoek. “We konden niet echt zeggen hoe water er doorheen beweegt, dus alle verbeteringen van de afgelopen 40 jaar zijn in wezen in het donker gedaan.” De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Science.
Het document documenteert een toename in efficiëntie van de geteste membranen met 30% -40%, wat betekent dat ze meer water kunnen reinigen met aanzienlijk minder energie. Dat zou kunnen leiden tot betere toegang tot schoon water en lagere waterrekeningen voor zowel individuele woningen als grote gebruikers.
Omgekeerde osmosemembranen werken door aan één kant druk uit te oefenen op de zoute voeroplossing. De mineralen blijven daar terwijl het water er doorheen stroomt. Hoewel het efficiënter is dan niet-membraanontziltingsprocessen, kost het nog steeds een grote hoeveelheid energie, aldus de onderzoekers, en het verbeteren van de efficiëntie van de membranen zou die belasting kunnen verminderen.
“Zoetwaterbeheer wordt over de hele wereld een cruciale uitdaging”, zegt Enrique Gomez, een professor in de chemische technologie aan Penn State, die het onderzoek mede leidde. “Tekorten, droogtes – met toenemende zware weerpatronen wordt verwacht dat dit probleem nog groter zal worden. Het is van cruciaal belang om te beschikken over schoon water, vooral in gebieden met weinig hulpbronnen.”
De National Science Foundation en DuPont, dat tal van ontziltingsproducten maakt, financierden het onderzoek. De zaden werden geplant toen DuPont-onderzoekers ontdekten dat dikkere membranen eigenlijk beter doorlatend bleken te zijn. Dit kwam als een verrassing omdat de conventionele wetenschap was dat de dikte vermindert hoeveel water er door de membranen kan stromen.
Het team maakte contact met Dow Water Solutions, dat nu onderdeel is van DuPont, in 2015 tijdens een “watertop” die Kumar organiseerde, en ze wilden dit mysterie graag oplossen. Het onderzoeksteam, waartoe ook onderzoekers van de Iowa State University behoren, ontwikkelde 3D-reconstructies van de membraanstructuur op nanoschaal met behulp van de modernste elektronenmicroscopen van de Materials Char.