Ontzilten van zeewater, het omzetten in zoetwater is belangrijk in landen met waterschaarste. Voor dat proces moeten bepaalde geladen deeltjes - ionen - uit het water gehaald worden. Sommige ionen zijn alleen lastig uit water te verwijderen vanwege hun chemische eigenschappen. Recent onderzoek van wetenschappers uit Israël en Nederland helpt dit proces te verbeteren. De onderzoekers weten het gedrag van boor-ionen in waterbehandeling te voorspellen en daarmee verwijdering te vereenvoudigen. Het onderzoek staat online op de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Veel schadelijke of juist waardevolle ionen in zee-, brak- of zoetwater zijn amfoteer: hun eigenschappen variëren met de pH. “Met de standaard membraantechnologieën is het lastig deze deeltjes uit het water te verwijderen”, vertelt Jouke Dykstra, Universitair Docent bij de afdeling Milieutechnologie van Wageningen University & Research. “Je moet dan bepaalde chemicaliën toevoegen om de pH te sturen. Maar dat willen we zoveel mogelijk vermijden: er is een sterke trend om minder chemicaliën te gebruiken.”
Ontzilten van zeewater
Als voorbeeld noemt Dykstra het ontzilten van zeewater. Dit gebeurt wereldwijd op plekken met een tekort aan zoet water. Veel landen rond de Middellandse Zee gebruiken bijvoorbeeld ontzout zeewater voor irrigatie. “Zeewater bevat boor. Dat is in hoge concentraties toxisch en het remt plantengroei. Dat is een probleem bij irrigatie. Daarom zijn we op zoek naar nieuwe manieren om onder andere boor uit zeewater te verwijderen.” Ontzouten wordt vanwege droogte steeds belangrijker. Dykstra: “Niet alleen in het Middelandse zeegebied of Midden-Oosten, ook in Nederland zijn nieuwe technieken nodig om te blijven voldoen aan de zoetwaterbehoefte.”
Wageningse onderzoekers werken hierbij samen met collega’s van Technion – the Israel Institute of Technology en Wetsus, European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology in Leeuwarden. Samen ontwikkelden ze een nieuw theoretisch model waarmee je het gedrag van boor kunt modelleren tijdens zogeheten capacitive deionization. Dit is een nieuwe, membraanloze techniek voor waterbehandeling met microporeuze elektroden waar water doorheen stroomt. Onder invloed van een elektrische stroom adsorberen de ionen aan de elektroden en worden zo uit het water verwijderd. Dykstra: “Wij zijn de eersten die een theoretisch model hebben ontwikkeld waarmee we dit gedrag kunnen voorspellen en in ons voordeel gebruiken.”
Anders dan gebruikelijk
De Israëlische en Nederlandse onderzoekers ontdekten dat je dergelijke systemen op een geheel nieuwe manier zou moeten ontwerpen. Zowel theoretisch als met experimenten lieten ze bijvoorbeeld zien dat je het water van de positieve naar de negatieve elektrode moet laten stromen, en niet andersom, zoals nu gebruikelijk is.
“Al met al hebben we aangetoond dat je een goed theoretisch model nodig hebt als je dergelijke complexe, chemische processen goed wilt aansturen”, besluit Dykstra. “Dit biedt veel interessante mogelijkheden. Je zou dit model ook kunnen gebruiken voor andere uitdagingen op watergebied. Bijvoorbeeld voor de verwijdering van arseen of van kleine organische moleculen zoals medicijnresten of herbiciden.”
Zoutresten zullen op een andere manier moeten worden verwerkt.
PNAS beschrijft het proces als volgt: Water treatment is required for a sustainable potable water supply and can be leveraged to harvest valuable elements. Crucial to these processes is the removal of charge pH-dependent species from polluted water, such as boron, ammonia, and phosphate. These species can be challenging for conventional technologies. Currently, boron removal requires several reverse-osmosis stages, combined with dosing a caustic agent. Capacitive deionization (CDI) promises to enable effective removal of such species without chemical additives but requires a deep understanding of the coupled interplay of pH dynamics, ion electrosorption, and transport phenomena. Here, we provide a detailed theory tackling this topic and show both theoretically and experimentally highly counterintuitive design rules governing pH-dependent ion removal by CDI.
