Grafeen-gebaseerde zeef verandert zeewater in drinkwater

Een team van onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk heeft een zeef op basis van grafeen ontwikkeld die zout uit zeewater kan verwijderen.

Deze gewenste ontwikkeling zou de miljoenen mensen kunnen helpen die geen toegang hebben tot schoon drinkwater.

Grafeen is veelbelovend

De veelbelovende grafeenoxidezeef zou zeer efficiënt kunnen zijn bij het filteren van zouten. De zeef wordt nu getest tegen bestaande ontziltingsmembranen.

Tot nu toe was het moeilijk om grafeen gebaseerde barrières op industriële schaal te produceren.

Ze rapporteren hun resultaten in het tijdschrift Nature Nanotechnology, extern Wetenschappers van de Universiteit van Manchester, onder leiding van Dr. Rahul Nair, laten zien hoe ze een aantal uitdagingen hebben opgelost met behulp van een chemisch derivaat genaamd grafeenoxide.

Grafeen, geïsoleerd en gekarakteriseerd door een team onder leiding van de Universiteit van Manchester in 2004, bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster. De bijzondere eigenschappen, zoals een buitengewone treksterkte en elektrische geleidbaarheid, maken het tot een van de meest veelbelovende materialen voor toekomstige toepassingen.

Maar het is lastig gebleken om grote hoeveelheden enkellaags grafeen te produceren met bestaande methoden, zoals chemische dampdepositie (CVD). De huidige productiemethoden zijn bovendien vrij kostbaar.

Grafeenoxide

Aan de andere kant, zei Dr. Nair, “kan grafeenoxide worden geproduceerd door eenvoudige oxidatie in het laboratorium”.

Hij vertelde BBC News: “Als inkt of oplossing kunnen we het op een substraat of poreus materiaal aanbrengen. Vervolgens kunnen we het als membraan gebruiken.

“Wat betreft schaalbaarheid en de kosten van het materiaal heeft grafeenoxide een potentieel voordeel ten opzichte van enkellaags grafeen.”

Over het enkellaagse grafeen voegde hij eraan toe: “Om het permeabel te maken, moet je kleine gaatjes in het membraan boren. Maar als het gaatje groter is dan één nanometer, gaan de zouten erdoorheen. Je moet een membraan maken met een zeer uniforme gatgrootte van minder dan één nanometer om het geschikt te maken voor ontzilting. Het is een echt uitdagende klus.”

Grafeen heeft zijn waarde bewezen

Grafeenoxidemembranen hebben hun waarde al bewezen bij het uitfilteren van kleine nanodeeltjes, organische moleculen en zelfs grote zouten. Maar tot nu toe konden ze niet worden gebruikt om gewone zouten eruit te filteren, waarvoor nog kleinere zeven nodig zijn.

Uit eerder onderzoek was gebleken dat grafeenoxidemembranen licht opzwellen wanneer ze in water worden ondergedompeld, waardoor kleinere zouten samen met watermoleculen door de poriën kunnen stromen.

Nu hebben Dr. Nair en zijn collega’s aangetoond dat het plaatsen van wanden van epoxyhars (een stof die wordt gebruikt in coatings en lijmen) aan beide kanten van het grafeenoxidemembraan voldoende was om de uitzetting te stoppen.

Door de zwelling op deze manier te beperken, konden de wetenschappers ook de eigenschappen van het membraan aanpassen, bijvoorbeeld door meer of minder keukenzout door te laten.

Wanneer gewone zouten in water worden opgelost, vormen ze altijd een “schil” van watermoleculen rond de zoutmoleculen.

Hierdoor kunnen de kleine haarvaten van de grafeenoxidemembranen voorkomen dat het zout met het water meestroomt.

“Watermoleculen kunnen er individueel doorheen, maar natriumchloride niet. Het heeft altijd de hulp van de watermoleculen nodig. De waterschil rond het zout is groter dan de kanaalgrootte, dus het kan er niet doorheen,” aldus dr. Nair.

Daarentegen stromen watermoleculen uitzonderlijk snel door de membraanbarrière, waardoor het uitermate geschikt is voor gebruik bij ontzilting.

“Als de capillaire grootte ongeveer een nanometer bedraagt, wat heel dicht bij de grootte van een watermolecuul ligt, vormen die moleculen een mooie, onderling verbonden structuur, die lijkt op een trein”, legt Dr. Nair uit.

“Dat maakt de waterbeweging sneller: als je aan de ene kant harder duwt, bewegen alle moleculen aan de andere kant door de waterstofbruggen die ertussen zitten. Die situatie is alleen mogelijk als de kanaalgrootte heel klein is.”

De VN verwacht dat 14% van de wereldbevolking in 2025 met waterschaarste te maken zal krijgen. Nu de gevolgen van klimaatverandering de stedelijke watervoorraden blijven aantasten, investeren ook rijke, moderne landen in ontziltingstechnologieën.

Wereldwijd maken huidige ontziltingsinstallaties gebruik van membranen op basis van polymeren.

“Dit is onze eerste demonstratie dat we de afstand [tussen de poriën in het membraan] kunnen controleren en dat we ontzilting kunnen toepassen, wat voorheen niet mogelijk was. De volgende stap is om dit te vergelijken met de nieuwste materialen die op de markt verkrijgbaar zijn”, aldus dr. Nair.

In een nieuws- en opinieartikel bij het onderzoek in Nature Nanotechnology stelde Ram Devanathan van het Pacific Northwest National Laboratory in Richland (VS) dat er meer onderzoek moet worden gedaan om grafeenoxidemembranen op industriële schaal en tegen lage kosten te produceren.

Hij voegde toe dat wetenschappers ook de duurzaamheid van de membranen bij langdurig contact met zeewater moesten aantonen en ervoor moesten zorgen dat het membraan bestand was tegen ‘vervuiling’ door zouten en biologisch materiaal (waarvoor bestaande barrières periodiek moeten worden schoongemaakt of vervangen).

“De selectieve scheiding van watermoleculen van ionen door middel van fysieke beperking van de tussenlaagafstand opent de deur naar de synthese van goedkope membranen voor ontzilting”, schreef Dr. Devanathan.

“Het uiteindelijke doel is om een ​​filterapparaat te creëren dat drinkwater produceert uit zeewater of afvalwater met een minimale energie-input.”