(PhysOrg.com) -- Er is vaak veel vraag naar drinkwater en er is weinig aanbod na een natuurramp zoals de aardbeving in Haïti of de orkaan Katrina. In beide gevallen, de rampgebieden lagen dicht bij de zee, maar het omzetten van zout zeewater in zoet drinkwater vereist meestal een grote hoeveelheid betrouwbare elektrische energie en grootschalige ontziltingsinstallaties - die geen van beide beschikbaar waren in de rampgebieden.

Een nieuwe benadering van ontzilting die wordt ontwikkeld door onderzoekers van het MIT en in Korea zou kunnen leiden tot kleine, draagbare eenheden die kunnen worden aangedreven door zonnecellen of batterijen en voldoende vers water kunnen leveren om in de behoeften van een gezin of een klein dorp te voorzien. Als een toegevoegde bonus, het systeem zou ook veel verontreinigingen verwijderen, virussen en bacteriën tegelijk.

De nieuwe aanpak, ionenconcentratiepolarisatie genoemd, wordt beschreven in een paper van postdoctoraal medewerker Sung Jae Kim en universitair hoofddocent Jongyoon Han, zowel in het MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science, en collega's in Korea. Het artikel werd op 21 maart gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Een van de toonaangevende ontziltingsmethoden, omgekeerde osmose genoemd, gebruikt membranen die het zout eruit filteren, maar deze vereisen sterke pompen om de hoge druk te handhaven die nodig is om het water door het membraan te duwen, en zijn onderhevig aan vervuiling en verstopping van de poriën in het membraan door zout en verontreinigingen. Het nieuwe systeem scheidt zouten en microben van het water door ze elektrostatisch weg te stoten van het ionselectieve membraan in het systeem - zodat het stromende water nooit door een membraan hoeft te gaan. Dat zou de noodzaak van hoge druk en de problemen van vervuiling moeten elimineren, zeggen de onderzoekers.

Het systeem werkt op microscopische schaal, met behulp van fabricagemethoden die zijn ontwikkeld voor microfluïdische apparaten — vergelijkbaar met de fabricage van microchips, maar met materialen zoals siliconen (synthetisch rubber). Elk afzonderlijk apparaat zou slechts kleine hoeveelheden water verwerken, maar een groot aantal van hen - de onderzoekers stellen zich een array voor met 1, 600 eenheden vervaardigd op een wafeltje met een diameter van 8 inch - zouden ongeveer 15 liter water per uur kunnen produceren, genoeg om meerdere mensen van drinkwater te voorzien. De hele eenheid kan op zichzelf staan ​​en wordt aangedreven door de zwaartekracht - zout water zou aan de bovenkant worden ingegoten, en vers water en geconcentreerde pekel verzameld uit twee uitlaten aan de onderkant.

Dat kleine formaat kan voor sommige toepassingen juist een voordeel zijn, legt Kim uit. Bijvoorbeeld, in een noodsituatie zoals de nasleep van de aardbeving in Haïti, de leveringsinfrastructuur om vers water te krijgen voor de mensen die het nodig hebben, ontbrak grotendeels, zo klein, draagbare eenheden die individuen zouden kunnen dragen, zouden bijzonder nuttig zijn geweest.

Tot dusver, de onderzoekers hebben met succes een enkele eenheid getest, met behulp van zeewater dat ze verzamelden van een strand in Massachusetts. Het water werd toen bewust verontreinigd met kleine plastic deeltjes, eiwit en menselijk bloed. De unit verwijderde meer dan 99 procent van het zout en andere verontreinigingen. “We hebben duidelijk aangetoond dat we het op chipniveau kunnen doen, ', zegt Kim. Het werk werd voornamelijk gefinancierd door een subsidie ​​van de National Science Foundation, evenals een SMART Innovation Center-beurs

Hoewel de hoeveelheid elektriciteit die nodig is voor deze methode eigenlijk iets meer is dan voor de huidige grootschalige methoden zoals omgekeerde osmose, er is geen andere methode die kleinschalige ontzilting kan produceren die in de buurt komt van dit niveau van efficiëntie, zeggen de onderzoekers. Als het goed is ontworpen, het voorgestelde systeem zou slechts ongeveer evenveel stroom verbruiken als een conventionele gloeilamp.

Mark A. Shannon van het Center of Advanced Materials for the Purification of Water with Systems aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die niet bij dit werk betrokken was, is het met die beoordeling eens. In een News &Views-stuk bij het Nature Nanotechnology-paper, hij schrijft dat het nieuwe systeem "misschien de laagste energie ooit bereikt voor het ontzilten van microliters water, ” en wanneer veel van deze micro-eenheden parallel worden gecombineerd, zoals Kim en zijn co-auteurs voorstellen, "het zou kunnen worden gebruikt om liters water per uur te leveren met alleen een batterij en zwaartekrachtwater." Dat voorziet in een grote behoefte, hij zegt, aangezien er momenteel weinig efficiënte methoden zijn voor kleinschalige ontzilting, zowel voor noodgevallen als voor gebruik in afgelegen gebieden in arme landen.

Alex Iles, een onderzoekswetenschapper aan de Universiteit van Hull in Groot-Brittannië, zegt dat hoewel er nog meer tests moeten worden gedaan om stabiliteit op lange termijn en fabricagetechnieken vast te stellen, “Dit is een elegant nieuw concept voor waterontzilting.” Hij zegt dat het waarschijnlijk een goedkope, onderhoudsarm systeem dat "ideaal zou kunnen zijn voor toepassingen zoals rampenbestrijding". Toen het vorig jaar voor het eerst werd gepresenteerd op een conferentie die hij bijwoonde, Iles zegt, “Ik dacht dat dit waarschijnlijk het belangrijkste nieuwe werk was op de hele conferentie, ook al was het maar een poster.”

Het basisprincipe dat het systeem mogelijk maakt, ionenconcentratiepolarisatie genoemd, is een alomtegenwoordig fenomeen dat optreedt in de buurt van ionselectieve materialen (zoals Nafion, vaak gebruikt in brandstofcellen) of elektroden, en dit team en andere onderzoekers hebben het fenomeen toegepast voor andere toepassingen, zoals preconcentratie van biomoleculen. Deze toepassing op waterzuivering is nog niet eerder geprobeerd, echter.

Aangezien de scheiding elektrostatisch plaatsvindt, het werkt niet voor het verwijderen van verontreinigingen die geen elektrische lading hebben. Om voor deze resterende deeltjes - meestal industriële verontreinigende stoffen - te zorgen, suggereren de onderzoekers dat het apparaat kan worden gecombineerd met een conventioneel koolstoffiltersysteem, dus zuiver bereiken, veilig drinkwater via een enkel eenvoudig apparaat.

Na het principe te hebben bewezen in een apparaat met één eenheid, Kim en Han zijn van plan een apparaat van 100 eenheden te produceren om de opschaling van het proces te demonstreren. gevolgd door een 10, 000-eenheid systeem. Ze verwachten dat het ongeveer twee jaar duurt voordat het systeem klaar is om zich als product te ontwikkelen.

"Daarna, " zegt Kim, "we zullen weten of het mogelijk is" om dit te laten werken als een robuust, draagbaar systeem, "en aan welke problemen er mogelijk moet worden gewerkt."