Waterschaarste is over de hele wereld een groot probleem. “Het treft elk continent”, zegt Amir Barati Farimani, een assistent-professor werktuigbouwkunde. “Vier miljard mensen leven ten minste één maand per jaar onder omstandigheden van ernstige waterschaarste. Een half miljard mensen leeft het hele jaar onder ernstige waterschaarste.”
Zelfs terwijl mensen worstelen zonder toegang tot veilig drinkwater, zijn er oceanen van ondrinkbaar water vlak voor hun deur. “71% van het wereldoppervlak is bedekt met zeewater,” zegt Barati Farimani. “Dus dit is een zeer interessante tegenstelling.”
Om dit probleem te bestrijden, heeft Barati Farimani zijn onderzoek gericht op waterontzilting. Dit is het proces waarbij zout zeewater kan worden omgezet in zoet water.
Er zijn vele manieren om water te ontzilten, maar een van de meest effectieve is membraanontzilting. Bij deze methode wordt water door een dun membraan met minuscule gaatjes geduwd. Het water stroomt door de poriën, maar de zoutionen kunnen dat niet, zodat aan de andere kant alleen zoet water overblijft.
Bron: College of Engineering
Een geleidend metaal-organisch kader (MOF) is een nieuw type membraan voor waterontzilting.
In zijn nieuwste onderzoek verkent Barati Farimani het potentieel van een nieuw type membraan, een metaal-organisch kader (MOF) genaamd. “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, waarbij in het midden een gat overblijft dat als porie fungeert. “Als je ernaar kijkt, lijken ze op een honingraat,” voegt Barati Farimani eraan toe.
Er zijn een paar redenen waarom het raamwerk effectiever is. Ten eerste is het ongelooflijk dun. Het is een paar atomen dik, wat betekent dat er heel weinig wrijving is als de watermoleculen door de poriën gaan.
Daarnaast helpt de plaatsing van de poriën bij de permeatie. “Als je geen aangrenzende poriën hebt, is er een enorme druk van de wand 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 beweegt langzamer door het gat aan het eind, omdat het tegen de wanden wordt gedrukt en door een kleine ruimte wordt geperst.
De MOF daarentegen heeft meerdere aangrenzende poriën. “Er is geen druk van de wandkant,” zegt Barati Farimani. “En dat geeft ze de kans om makkelijker door de porie te gaan.” Stel je voor dat je water door een zeef giet. Het beweegt veel sneller, omdat het meerdere uitgangen heeft waar het doorheen kan ontsnappen.
Ten slotte heeft de MOF meer structurele integriteit dan andere materialen. In de meeste materialen moeten wetenschappers minuscule gaatjes boren om de benodigde poriën te maken, waardoor de hoeveelheid die per oppervlakte kan worden gemaakt beperkt is. “Als je veel poriën wilt maken, kan dat niet met grafeen of MoS2,” zegt Barati Farimani. “Structureel kunnen ze de druk niet vasthouden.”
Maar dankzij de honingraatstructuur is MOF intrinsiek poreus. Dit maakt een hogere verhouding poriën/oppervlak mogelijk. Het bespaart ook tijd en energie, omdat de poriën niet hoeven te worden geboord, of zelfs maar in grootte hoeven te worden aangepast.
De verschillen tussen het MOF en andere typische membranen zijn opmerkelijk, zowel wat betreft hoe snel het water passeert als hoeveel ionen worden afgestoten. En dan hebben we het nog maar over een simulatie van een paar poriën. Een ontziltingsinstallatie kan miljarden poriën hebben, waardoor de efficiëntie exponentieel toeneemt. “Op de schaal van een grote operatie zou het enorm zijn,” zegt Barati Farimani. “Zelfs een kleine verhoging van de efficiëntie zou een enorme sprong voorwaarts betekenen.”
We moeten veel kansarme mensen van vers water voorzien. Dat is onze missie – het zo energie-efficiënt maken dat we overal waterontzilting hebben.
Amir Barati Farimani, assistent-professor , Werktuigbouwkunde
Barati Farimani’s artikel over zijn onderzoek werd gepubliceerd in Nano Letters, een maandelijks peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd door de American Chemical Society. Het draagt bij aan een groeiende discussie over waterontzilting en betekent een belangrijke stap voorwaarts op dit gebied.
Naast de academische wereld hoopt Barati Farimani dat zijn onderzoek een impact kan hebben op het leven van mensen. “We moeten veel kansarme mensen van vers water voorzien, bijvoorbeeld in Afrika of op andere plaatsen,” zegt hij. “Dat is in feite onze missie: het zo energie-efficiënt maken dat we overal water kunnen ontzilten.