Een membraan gemaakt van laagjes grafeenoxide lijkt veelbelovend voor het energiezuinig ontzilten van water. Kanaaltjes zijn zo te in te stellen dat watermoleculen er doorheen kunnen, maar zoutmoleculen niet. De huidige technieken om zouten uit zeewater te halen kosten nog veel energie en zijn dus duur.

Veel gebieden op aarde hebben een probleem om voldoende zoet water te maken. Gebieden in de woestijn of aan zee hebben soms alleen maar zeewater tot hun beschikking. Daaruit kun je weliswaar de zouten verwijderen, maar dat kost met de huidige technieken veel energie en dat is dus duur.

Daarom zijn materiaalwetenschappers al een tijdje op zoek naar manieren om met minder energie toch zouten, verontreinigingen en micro-organismen uit water te halen. Veelal richten ze zich daarbij op membranen; uitgestrekte structuren met gaatjes erin. Die gaatjes laten watermoleculen wel door en de ongewenste deeltjes – zouten, vuiligheid, bacteriën – niet, zo is het idee.
 

Bruikbaar membraan

Een prima principe, maar het blijkt nog helemaal niet mee te vallen om een bruikbaar membraan te maken. Onderzoekers hebben het de afgelopen jaren geprobeerd met koolstof nanobuisjes, grafeen (een koolstofrooster van één atoom dik) en met grafeenoxide. Vooral dat laatste materiaal zou een grootschalige industriële productie mogelijk moeten maken.

In deze zoektocht komt een team wetenschappers uit Manchester nu met een nieuwe aanpak. Ze demonstreren een manier om met gestapelde lagen grafeenoxide een filter te maken dat water doorlaat, maar vaste deeltjes tegenhoudt, zo rapporteren ze in vakblad Nature Nanotechnology.
 

Nobelprijs

Het zijn trouwens niet de minsten die hiermee komen, want onder de auteurs van het artikel zien we ook Andre Geim staan, de Russische Nederlander die grafeen mede ontdekte en daarvoor in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde kreeg.

De onderzoekers in Manchester legden een aantal lagen grafeenoxide op elkaar en maakten zo een gelamineerd materiaal dat ze verwerkten in proefstukken (zie foto's rechts). De crux is hierbij dat de stapel laagjes is ingepakt, zodat het grafeenoxide niet kan gaan zwellen onder invloed van water, wat het normaal gesproken doet.

Zo’n proefstuk werd aan de ene zijde blootgesteld aan zout water (de linkerkant in de figuur hieronder) en aan de andere kant aan gedestilleerd water. Zoutionen gaan nu reizen door de poriën van het membraan en zo wordt het water rechts steeds een beetje zouter. Deze proeven deden ze met verschillende afstanden tussen de folies tussen 0,74 en 0,98 nm.

 

Zijaanzicht van het membraan, opgebouwd uit laagjes grafeenoxide (zwart). Links zout water, rechts gedestilleerd water. Te zien is dat watermoleculen van links naar rechts door de kanaaltjes reizen.

 

Selectiviteit omhoog

Toen de breedte van de doorgangen stapsgewijs kleiner werd gemaakt, zagen de onderzoekers dat de snelheid van doordringing van de zoutmoleculen met twee ordegroottes omlaag ging, terwijl de snelheid van doordringing van watermoleculen slechts halveerde. In andere woorden: water ging er relatief veel sneller doorheen – de selectiviteit van het membraan ging dus omhoog. En dat is de cruciale eigenschap voor een praktische toepassing, zeggen de onderzoekers. Als je de doorvoersnelheid van water verhoogt, gaat vaak ook die van zoutdeeltjes omhoog en daar heb je dus niets aan. De enige manier om een energiezuinige ontzilting mogelijk te maken, is door de selectiviteit te verhogen.
 

Ring

De wetenschappers hebben ook een waarschijnlijke verklaring voor de verhoogde selectiviteit van de nauwere kanalen. Zoutionen dragen meestal watermoleculen in een ring om zicht heen, waardoor dit hele complex nog veel groter is dan slechts het zoutmolecuul (zie afbeelding hieronder). Wordt een kanaal nu smaller gemaakt, dan moet zo’n zoutdeeltje twee of meer watertjes afschudden – en dat kost energie. Ook watermoleculen zelf houden elkaar vast, maar dat gaat met waterstofbruggen, die gemakkelijker loslaten. Hier komt de verhoogde selectiviteit vandaan, denken de onderzoekers.


 

Vervolgonderzoek richt zich op het produceren van de membranen van grafeenoxide in grote aantallen en met een stabiele kwaliteit. Verder moet het materiaal worden behandeld zodat de hechting van viezigheid (zout, organische en biologische materialen) onmogelijk wordt gemaakt.


Openingsbeeld Impressie van het membraan, opgebouwd uit laagjes grafeenoxide. Bron: University of Manchester. Ander beeldmateriaal: Abraham et al., Nature Nanotechnology, 2017.