Waterschaarste is een groeiend probleem over de hele wereld. Ontzilting van zeewater is een gevestigde methode om drinkbaar water te produceren, maar brengt enorme energiekosten met zich mee. Voor het eerst gebruiken onderzoekers op fluor gebaseerde nanostructuren om zout met succes uit water te filteren. Vergeleken met de huidige ontziltingsmethoden werken deze fluorhoudende nanokanalen sneller, hebben ze minder druk en minder energie nodig en zijn ze een effectiever filter.

Als je ooit hebt gekookt met een koekenpan met anti-aanbaklaag, Teflon-coating, dan heb je waarschijnlijk gezien hoe natte ingrediënten er gemakkelijk omheen glijden. Dit gebeurt omdat het belangrijkste bestanddeel van Teflon fluor is, een lichtgewicht element dat van nature waterafstotend of hydrofoob is. Teflon kan ook worden gebruikt om leidingen te bekleden om de waterstroom te verbeteren. Dergelijk gedrag trok de aandacht van universitair hoofddocent Yoshimitsu Itoh van de afdeling Scheikunde en Biotechnologie van de Universiteit van Tokio en zijn team. Het inspireerde hen om te onderzoeken hoe pijpen of kanalen gemaakt van fluor op een heel andere schaal zouden kunnen werken, de nanoschaal.

"We waren benieuwd hoe effectief een fluorhoudend nanokanaal zou kunnen zijn bij het selectief filteren van verschillende verbindingen, met name water en zout. En na het uitvoeren van enkele complexe computersimulaties, besloten we dat het de tijd en moeite waard was om een ​​werkend monster te maken, ’ zei Ito. "Er zijn momenteel twee manieren om water te ontzilten:thermisch, door warmte te gebruiken om zeewater te verdampen zodat het condenseert als zuiver water, of door omgekeerde osmose, waarbij water door een membraan wordt geperst dat zout blokkeert. Beide methoden vereisen veel energie , maar onze tests suggereren dat fluorhoudende nanokanalen weinig energie nodig hebben en ook andere voordelen hebben."

Het team creëerde testfiltratiemembranen door nanoscopische fluorringen chemisch te synthetiseren, die werden gestapeld en ingebed in een anders ondoordringbare lipidelaag, vergelijkbaar met de organische moleculen waaruit celwanden bestaan. Ze maakten verschillende testmonsters met nanoringen tussen ongeveer 1 en 2 nanometer. Ter referentie:een mensenhaar is bijna 100.000 nanometer breed. Om de effectiviteit van hun membranen te testen, hebben Itoh en het team de aanwezigheid van chloorionen gemeten, een van de belangrijkste componenten van zout - de andere is natrium - aan weerszijden van het testmembraan.

"Het was heel opwindend om de resultaten uit de eerste hand te zien. De kleinere van onze testkanalen stootten perfect binnenkomende zoutmoleculen af, en ook de grotere kanalen waren nog steeds een verbetering ten opzichte van andere ontziltingstechnieken en zelfs geavanceerde koolstof nanobuisfilters," zei Itoh. "De echte verrassing voor mij was hoe snel het proces plaatsvond. Ons monster werkte ongeveer duizenden keren sneller dan typische industriële apparaten en ongeveer 2.400 keer sneller dan experimentele op koolstof nanobuisjes gebaseerde ontziltingsapparaten."

Omdat fluor elektrisch negatief is, stoot het negatieve ionen zoals het chloor in zout af. Maar een extra bonus van deze negativiteit is dat het ook zogenaamde waterclusters afbreekt, in wezen losjes gebonden groepen watermoleculen, zodat ze sneller door de kanalen gaan. De op fluor gebaseerde waterontziltingsmembranen van het team zijn effectiever, sneller, hebben minder energie nodig om te werken en zijn ook nog eens heel eenvoudig te gebruiken, dus wat is het addertje?

"Op dit moment is de manier waarop we onze materialen synthetiseren zelf relatief energie-intensief; dit is echter iets dat we hopen te verbeteren in aankomend onderzoek. En gezien de lange levensduur van de membranen en hun lage operationele kosten, zullen de totale energiekosten veel lager zijn dan met de huidige methoden", aldus Itoh. "Andere stappen die we willen nemen, zijn dit natuurlijk opschalen. Onze testmonsters waren enkele nanokanalen, maar met de hulp van andere specialisten hopen we binnen enkele jaren een membraan te creëren van ongeveer 1 meter breed. Parallel aan deze productieproblemen, we onderzoeken ook of soortgelijke membranen kunnen worden gebruikt om kooldioxide of andere ongewenste afvalproducten die door de industrie vrijkomen te verminderen."

De resultaten zijn gepubliceerd in Science . + Verder verkennen

Ontzilting van water versnelt