Drinkwater komt uit de zilte zee en uit poep

De zoute oceanen vormen potentieel gigantische bronnen van drinkwater voor de mens, maar technologieën om het water te ontzilten, kostten tot nu toe te veel energie. Wetenschappers werken echter aan nieuwe methoden die niet alleen op een efficiënte manier drinkwater uit de zilte baren halen, maar ook uit kurkdroge woestijnlucht en zelfs menselijke ontlasting.

De zoute oceanen vormen potentieel gigantische bronnen van drinkwater voor de mens, maar technologieën om het water te ontzilten, kostten tot nu toe te veel energie. Wetenschappers werken echter aan nieuwe methoden die niet alleen op een efficiënte manier drinkwater uit de zilte baren halen, maar ook uit kurkdroge woestijnlucht en zelfs menselijke ontlasting.

Shutterstock

Zelfs van 6 miljard kilometer afstand is het zonneklaar dat de diepblauwe aarde onmetelijke hoeveelheden water herbergt.

Op de beelden die de Voyager-sonde nam tijdens zijn reis uit het zonnestelsel is de aarde nog steeds zichtbaar als een blauw stipje.

Maar liefst 71 procent van onze planeet is bedekt met water, en als je dat allemaal in halveliterflessen zou doen, had je er 2670 miljard miljard nodig.

Maar 97 procent van al het water zit in zoute zeeën, waardoor het ondrinkbaar is voor de mens.

© Don Bartletti/Getty

Toch is zeewater op sommige plaatsen een belangrijke bron van drinkwater. Daar zetten ontziltingsinstallaties het om in zoet, drinkbaar water.

In de toekomst wordt ontzilting mogelijk een van de belangrijkste manieren om Day Zero tegen te gaan en de druk op het grondwater te verminderen

Ontzilten vreet energie

De reden dat we niet gewoon een glaasje zeewater kunnen drinken is dat ons lichaam, hoewel het voor 60 procent uit water bestaat, maar een klein beetje zout nodig heeft.

We nemen 5 tot 6 gram per dag op, terwijl de nieren de rest uitscheiden. De nieren kunnen echter slechts een hoeveelheid zout uitscheiden die kleiner is dan het gehalte in zeewater: circa 35 gram per liter.

Als je een glaasje zeewater drinkt, moet het lichaam meer urine produceren dan er water in het glas zat om van het zout af te komen. Uiteindelijk zou je sterven aan uitdroging.

© Khalili Engineers

Drijvende ontziltingscentrale voorziet steden van drinkwater

De drijvende ontziltingscentrale The Pipe moet vuil en zout uit zeewater gaan halen door middel van elektromagnetische filtratie. Een elektromagnetisch veld scheidt stoffen van elkaar door ionen aan te trekken. Volgens de ontwikkelaars kan The Pipe 4,5 miljard liter per jaar ontzilten.

Elektromagneten zuiveren het water

Onder The Pipes circuleert zeewater door een buizen-stelsel. Elektromagneten trekken de ionen van vuil en zout aan en scheiden het zo van het water.

Omhulsel is van staal en zonnepanelen

De installatie is bedekt met platen gerecycled staal en zonnepanelen, die de elektriciteit leveren die nodig is voor de elektromagnetische ontzilting.

Drinkwater wordt aan land gebracht

Via een pijpleiding loopt het ontzilte drinkwater naar het waternet van de stad. De maximale omvang van The Pipe bedraagt 428 bij 60 meter.

Nergens wordt er meer water ontzilt dan in Saoedi-Arabië.

De 28 installaties van het land leveren 6,6 miljard liter zuiver water per dag: 22 procent van al het ontzilte water ter wereld.

In het Australische Perth wordt elk jaar zo’n 45 miljard liter ontzilt, wat neerkomt op 18 procent van de behoefte.

Die cijfers klinken indrukwekkend, maar het gaat maar om 1 procent van de totale wereldwijde vraag naar drinkwater.

Een van de redenen dat er maar op zo’n kleine schaal ontzilt wordt, is dat de processen die erbij komen kijken zeer veel elektriciteit en dus olie of gas verbruiken.

Bovendien is het op de meeste plaatsen een stuk makkelijker om gewoon grondwater omhoog te pompen.

Een ander probleem met ontzilting is dat er pekel bij geproduceerd wordt: water met een hoger zoutgehalte dan zeewater.

Het wordt meestal in zee geloosd, maar dat is schadelijk voor dieren en planten.

© Ritzau Scanpix

Onderzoekers zien echter wel mogelijk-heden om metalen en zouten als calcium, magnesium, lithium en natriumchloride te winnen voor gebruik in de industrie en de landbouw.

Wetenschappers van het MIT (Massachusetts Institute of Technology) in Boston in de VS hebben bijvoorbeeld een methode ontwikkeld om natriumhydroxide – ook bekend als caustische soda – te winnen uit zeewater.

1,1 miljard liter zeewater moet er vanaf 2030 dagelijks ontzilt worden in Dubai.

Deze stof wordt vandaag de dag ingeslagen door ontziltingsinstallaties om het zeewater voor te behandelen, zodat de membranen die het ontzilten niet verstopt raken.

Een deel van het afvalproduct kan zo hergebruikt worden bij het proces.

Omgekeerde osmose verdrijft zout

Grofweg kunnen de ontziltingstechnieken in twee categorieën verdeeld worden: osmose en destillatie.

Laatstgenoemde was tot 2000 de meest gebruikte techniek en werkt door middel van multi-stage flash distillation (MSF).

Het zeewater stroomt door vaten met een verschillende druk en temperatuur.

Warmte-wisselaars zorgen voor de verdamping en condensatie van het water zonder zout, en het restproduct is pekel.

Omdat dit proces veel energie kost, is een techniek die met membranen werkt, omgekeerde osmose, de laatste jaren in opkomst.

Omgekeerde osmose is het tegenovergestelde van gewone osmose, een natuurlijk verschijnsel dat optreedt als zoet water gescheiden is van zout water.

Zo kan een celmembraan alleen watermoleculen doorlaten. In een poging het verschil in zoutconcentratie aan beide kanten van het membraan op te heffen, stromen de watermoleculen naar de zoutoplossing toe.

Bij omgekeerde osmose wordt zout water onder hoge druk door een membraan geperst dat bijvoorbeeld van celluloseacetaat is gemaakt.

Aan de andere kant heerst een normale, atmosferische druk. Het membraan laat de watermoleculen door, maar niet het zout en andere moleculen in het water. Zo ontstaat er zuiver water.

Grafeenmembraan is efficiënter

Hoewel omgekeerde osmose niet zo veel energie verbruikt als destillatie, is er nog steeds elektriciteit nodig om de pompen aan te drijven die het water onder druk zetten.

Daarom werken wetenschappers nu aan een techniek om het proces te verduurzamen.

Volgens plan moet omgekeerde osmose op stroom van zonnecellen in 2030 1,1 miljard liter drinkwater per dag gaan produceren in Dubai in de Verenigde Arabische Emiraten.

Video: Forstå omvendt osmose på 4 minutter

Ook wordt er onderzoek gedaan naar een nieuw type membraan, dat watermoleculen makkelijker doorlaat en zout en onzuiverheden efficiënt tegenhoudt.

Een van de meest veelbelovende materialen is grafeen, tweedimensionale vellen koolstof van één atoom dik.

Onderzoekers van de universiteit van Manchester hebben een methode ontwikkeld om membranen van grafeenoxide te maken, waardoor de grootte van de poriën zeer precies te regelen is.

De wetenschappers maken gebruik van het feit dat zoutmoleculen zich omringen met een ‘schil’ van watermoleculen en zo te groot worden om samen met de gewone watermoleculen door de poriën te gaan.

©

3 technieken halen zout uit zeewater

Een stel boeien die het water onder druk zetten en ultradunne schijfjes van grafeen en hout – nieuwe, milieuvriendelijke methoden moeten ontzilting van zeewater via omgekeerde osmose duurzaam maken.

© The Uni. of Manchester

Grafeenmembranen maken omgekeerde osmose duurzamer

Membranen voor omgekeerde osmose houden nu 90 tot 99 procent van het zout in zeewater tegen. Maar het kost veel energie om het water er onder hoge druk door te persen. Chinese wetenschappers ontwikkelden een membraan van grafeen, dat het water 100 keer zo goed doorlaat en veel minder stroom verbruikt.

© University of Maryland

Houten membraan filtert zout effectief uit zeewater

Onderzoekers van de Princeton University maakten een 500 micrometer dik membraan van hout. Het stoot water af, maar stoom wordt doorgelaten. Door één kant van het hout te verhitten, verdampt het water en loopt de stoom door de poriën naar de koude kant, waar het condenseert. Het zout blijft aan de hete kant achter.

© atmocean.com

Golfslag zet water onder druk

Het bedrijf Atmocean heeft een pomp gebouwd die op een boei geplaatst wordt en aangedreven wordt door de golven. Op de maat met de golfslag zuigt de pomp water op, en onder hoge druk spuit hij het weer naar buiten. Met 15 pompen is de druk zo hoog dat er omgekeerde osmose kan plaatsvinden zonder extra stroom.

Omdat de grootte nauwkeurig te bepalen is, kan het membraan het water ook op een efficiëntere manier doorlaten, zodat er niet zo’n hoge druk nodig is en het ontzilten minder elektriciteit kost.

Elektrisch rooster vangt stoom op

Zeewater kan ook geheel zonder membranen ontzilt worden.

Wetenschappers van het MIT hebben een methode bedacht om zout, vuil en pesticiden uit water te halen.

Het voordeel van membraanloze ontzilting is dat membranen in de loop der tijd vol komen te zitten met vuil en bacteriën en dan moeten worden schoongemaakt of vervangen.

Bij zogeheten schok-elektrodialyse loopt het zeewater door een poreus glazen materiaal met elektroden aan weerszijden.

Door een elektrische stroom te laten lopen tussen de elektroden, die positief en negatief geladen zijn, wordt het zeewater gescheiden in een zoutrijk deel aan de ene elektrode en een zoutarm deel aan de andere.

Als de stroomsterkte een kritiek punt bereikt, gaat er een soort schokgolf door de vloeistof en worden de twee delen bijna volledig gescheiden.

Zo verdwijnt 99,99 procent van het zout.

© Claus Lunau & Mathieu Prévot/UC Berkeley

Poreus metaal onttrekt water aan woestijnlucht

Een ‘wateroogster’ die aan de University of California, Berkeley is ontwikkeld, bevat het poreuze materiaal MOF (metal-organic framework).

De piepkleine poriën hebben samen zo’n grote oppervlakte dat één gram MOF overeenkomt met een voetbalveld. Het materiaal bindt water-moleculen, en 1 kilo MOF haalt per dag 1,3 liter water uit de lucht.

Ventilator zuigt lucht op

Het apparaat zuigt lucht naar binnen met een ventilator op stroom uit zonnecellen. De wateroogster heeft ook een accu, waarmee hij ’s nachts kan draaien.

Filters binden het water

In het toestel bevinden zich raamwerken met MOF. Via zogeheten adsorptie worden de watermoleculen uit de lucht in het MOF-materiaal opgenomen.

Hitte drijft water eruit

Verwarmingselementen verhitten het water in het materiaal. Via ventilatoren stroomt het als stoom door een buis, waarna het gekoeld wordt en condenseert. Het water is zo zuiver dat het zonder meer drinkbaar is.

Ook een ander concept van het MIT werkt met stroom. Die wint echter geen drinkwater uit zeewater, maar uit stoom.

De onderzoekers ontwikkelden een manier om waterdamp uit energiecentrales te winnen.

Op dit moment wordt 39 procent van al het zoete water in de VS gebruikt voor het koelen van kerncentrales.

Een groot deel daarvan komt als waterdamp in de atmosfeer en kan dus niet als drinkwater worden gebruikt.

Daar willen de wetenschappers achter het concept Infinite Cooling verandering in brengen.

Ze bedachten een techniek waarbij een rooster druppels van de stoom opvangt.

Normaal zou 1 tot 3 procent van het water in de stoom zo ingevangen worden in de vorm van waterdruppels, maar de onderzoekers kwamen erachter dat ze de lucht met een zwakke elektrische stroom door het rooster kunnen ioniseren, zodat die een elektrische lading krijgt.

Het rooster trekt zo een veel groter deel van de stoom aan die anders in de dampkring zou verdwijnen.

Het water kan hergebruikt worden in het koelsysteem van de centrale of dienen als drinkwater voor een nabijgelegen stad.

In een stelsel van stalen buizen wordt rioolslib omgezet in zuiver drinkwater. De omniprocessor wekt bovendien genoeg stroom op voor zijn eigen verbruik, en de rest kan naar het net.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Ontlasting wordt gedroogd

Het rioolslib met ontlasting komt via een lopende band in een oven, waar het water eruit gekookt wordt. De waterdamp van het slib stroomt via een buis de oven uit.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Slib wordt verbrand

Het slib wordt in een vuur verbrand en verhit een ketel met water. De waterdamp uit de ketel loopt naar een stoommotor en een generator die stroom opwekt voor het proces.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Stoom wordt hergebruikt

De overtollige stoom uit de motor stroomt terug naar de oven, waar de energie gebruikt wordt voor het drogen van het slib. De stoom condenseert tot water en stroomt terug naar de ketel.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Stoom wordt gefilterd en gecondenseerd

Het verdampte water uit het slib wordt in een filter ontdaan van onzuiverheden. Daarna loopt de stoom door een warmtewisselaar, waar hij condenseert tot water. Dit gedestilleerde water is voor 99,9 procent zuiver en kan gebruikt worden voor irrigatie of als drinkwater na toevoeging van mineralen als kalk.

En de zoektocht naar schoon water gaat door. Zelfs vocht uit menselijke ontlasting kan omgezet worden in drinkwater.

In 2015 werd er in de Senegalese hoofdstad Dakar een prototype van een ‘omniprocessor’ in gebruik genomen.

Video: Dakars slam omdannes til vand og strøm

De stad heeft geen riool en heeft een groot afvalwaterprobleem.

Maar dankzij de omniprocessor wordt van de poep van 50.000 à 100.000 mensen schoon drinkwater gemaakt.

Samen met de overige technieken zorgt de omniprocessor voor een toekomst waarin niemand dorst lijdt.

© Youtube