Waterschaarste is wereldwijd een groot probleem. "Het treft elk continent, " zegt Amir Barati Farimani, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University. "Vier miljard mensen leven minstens een maand per jaar onder ernstige waterschaarste. Een half miljard mensen leven het hele jaar door onder ernstige waterschaarste."

Maar zelfs als mensen worstelen zonder toegang tot veilig drinkwater, er zijn oceanen van ondrinkbaar water voor hun deur. "71% van het wereldoppervlak is bedekt met zeewater, " zegt Barati Farimani. "Dus dit is een zeer interessante tegenstrijdigheid."

Om dit probleem te bestrijden, Barati Farimani heeft zijn onderzoek gericht op ontzilting van water. Dit is het proces waarbij zout zeewater kan worden omgezet in zoet water.

Er zijn veel manieren om water te ontzilten, maar een van de meest effectieve is membraanontzilting. Bij deze methode, water wordt door een dun membraan met kleine gaatjes geduwd. Het water stroomt door de poriën, maar de zoute ionen kunnen dat niet, aan de andere kant alleen vers water achterlatend.

In zijn laatste onderzoek Barati Farimani onderzoekt het potentieel van een nieuw type membraan, een metaal-organisch raamwerk (MOF) genoemd. "Deze membranen bestaan ​​uit zowel het metaalcentrum als de organische verbinding, " zegt Barati Farimani. De organische verbinding en het metaal verbinden zich in een vijfhoekig patroon, een gat in het midden achterlatend dat als porie dient. "Als je naar ze kijkt, ze zijn als een honingraat, " voegt Barati Farimani toe.

Er zijn een aantal redenen waarom het raamwerk effectiever is. Eerst, het is ongelooflijk dun. Het is een paar atomen dik, wat betekent dat er heel weinig wrijving is als de watermoleculen door de poriën gaan.

Aanvullend, de plaatsing van de poriën helpt bij permeatie. "Als je geen aangrenzende poriën hebt, er is een enorme druk van de muur op de moleculen, ", zegt Barati Farimani. Dit maakt het ontziltingsproces minder efficiënt. Om te begrijpen waarom, stel je voor dat je water in een trechter giet. Het water stroomt aan het einde langzamer door het gat omdat het tegen de muren wordt geduwd en door een kleine ruimte wordt gedwongen.

de MOF, anderzijds, heeft meerdere aangrenzende poriën. "Er is geen druk van de muurzijde, " zegt Barati Farimani. "En dat geeft ze de mogelijkheid om gemakkelijker door de porie te gaan." Stel je voor dat je deze keer water door een zeef giet - het beweegt veel sneller, omdat het meerdere uitgangen heeft waar het doorheen kan ontsnappen.

Eindelijk, de MOF heeft meer structurele integriteit dan andere materialen. Bij de meeste materialen, wetenschappers moeten kleine gaatjes boren om de benodigde poriën te creëren, wat de hoeveelheid die per oppervlakte kan worden gecreëerd beperkt. "Als je veel poriën wilt maken, grafeen of MoS ₂ kan dat niet, "zegt Barati Farimani. "Structureel kunnen ze de druk niet aan."

Maar dankzij de honingraatstructuur, MOF is intrinsiek poreus. Dit zorgt voor een hogere verhouding tussen poriën en oppervlakte. Het bespaart ook tijd en energie, omdat de poriën niet geboord hoeven te worden, of zelfs aangepast in grootte.

De verschillen tussen de MOF en andere typische membranen zijn opmerkelijk, zowel in termen van hoe snel water er doorheen gaat als hoeveel ionen worden afgewezen. En dat is gewoon kijken naar een simulatie van een paar poriën. Een ontziltingsinstallatie kan miljarden poriën hebben, waardoor de efficiëntie exponentieel toeneemt. "Op de schaal van een grote operatie, het zou enorm zijn, " zegt Barati Farimani. "Zelfs een kleine verhoging van de efficiëntie zou een enorme sprong betekenen."

Barati Farimani's artikel over zijn onderzoek is gepubliceerd in: Nano-letters , een maandelijks peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd door de American Chemical Society. Het draagt ​​bij aan een groeiend gesprek over ontzilting van water en is een belangrijke stap voorwaarts in het veld.

Naast de academische wereld, Barati Farimani hoopt dat zijn onderzoek een impact kan hebben op het leven van mensen. "We moeten zorgen voor zoet water voor veel kansarme mensen, zoals in Afrika of andere plaatsen, "zegt hij. "In feite is dat onze missie:het zo energiezuinig maken dat we overal waterontzilting hebben."