Membranen voor waterzuivering vormen zichzelf

Bij nieuws over watertekorten zien we meestal beelden van droogte. Dorre akkers, uitgedroogd vee en lange rijen mensen voor een zacht druppende kraan. Maar ook in ‘Nederland, Waterland’ hebben we hiermee te maken, aldus chemicus Jody Lugger van de TU Eindhoven. “In de zomermaanden kampen we in Nederland steeds vaker met een tekort aan water.”

Dan gaat het niet alleen om drinkwater, maar ook om water voor koeling, voor de landbouw en voor het onderhoud van de dijken. Lugger: “Als de waterstand te laag is, drogen de dijken uit en kunnen ze instabiel worden.” Het is even wennen, maar een land dat z’n identiteit ontleent aan de strijd tegen water heeft in sommige periodes dus te weinig water om die strijd te voeren.

Minder verspilling, meer vervuiling

Neerslag is een belangrijke aanvoerbron van water, maar ook gezuiverd afvalwater speelt een grote rol. En daar zit een ironisch probleem. “De hoeveelheid afvalwater neemt af doordat we minder verspillen”, zegt Lugger. “Onze wc’s, douches, vaatwassers en wasmachines gaan veel zuiniger om met water. Dat is enerzijds een goede zaak, maar doordat het volume van het afvalwater afneemt, neemt de concentratie van de vervuiling toe. Afvalwaterzuivering wordt steeds belangrijker, omdat we al het water nodig hebben en tegelijkertijd wordt het steeds moeilijker, omdat het afvalwater sterker vervuild is.”

En wil je, als alternatief, drinkwater maken uit zeewater, dan heb je te maken met heel kleine vervuilingen. Zoals het zout dat eruit moet. Ook dat maakt het zuiveren weer moeilijker. Om deze problemen het hoofd te bieden en te zorgen voor voldoende, veilig water – niet alleen in Nederland, maar overal ter wereld – hebben we behoefte aan efficiënte zuiveringsmethoden die ook de kleinste verontreinigingen kunnen verwijderen.

Gaatjes prikken

Momenteel wordt in de waterzuivering al veel gewerkt met membranen – dunne lagen vol kleine gaatjes waar het vuile water doorheen stroomt, zodat alle ongewenste stoffen op de membraan achterblijven en er schoon water aan de andere kant overblijft. Hier is nog veel winst te behalen, aldus Lugger. “De huidige techniek om die membranen te maken loopt tegen de grenzen aan. Nu maak je eerst de membraan en vervolgens prik je er kleine gaatjes in.”

Maar die methode is niet zonder risico’s. “Met fysiek prikken bestaat de kans dat je twee gaatjes zo dicht op elkaar prikt dat ze samen een iets groter gat vormen. Om dat te voorkomen hebben de huidige membranen relatief weinig gaatjes per oppervlak en dat beperkt weer de efficiëntie.”

Lugger onderzocht daarom een andere methode. Hij laat het membraan zichzelf vormen via ‘zelfassemblage’. Dit is de manier waarop in de natuur (waaronder ook in ons lichaam) alle materialen worden gemaakt. Lugger laat de bouwstenen zelf het werk doen en wel op zo’n manier dat vervolgens bepaalde stukjes van de bouwstenen er weer uit ‘gewassen’ kunnen worden. Het resultaat is een dunne, maar stevige laag met veel piepkleine gaatjes met een diameter van rond de nanometer (een miljardste meter). Klein genoeg om ook de meest minuscule vervuilingen tegen te houden.

De vloeibare kristallen die Lugger koos vormen schijfjes met daaraan flexibele ‘staarten’. En onder de juiste condities gaan die schijfjes zich spontaan op elkaar stapelen tot kolommen. “Als dat is gebeurd, breng je een proces op gang dat we ‘vernetten’ noemen. De staarten van de schijfjes uit naastgelegen kolommen gaan aan elkaar binden, waardoor een stevige kunststoflaag ontstaat. Vervolgens gebruik je een oplosmiddel om het hart van de schijfjes weg te wassen. Wat eerst een kolom was, verdwijnt helemaal en vormt nu een hol kanaaltje dwars door de kunststoflaag.”

Het idee om een uitwasbaar schijfje te gebruiken is niet nieuw, zegt Lugger. “In de eerste publicatie van dit principe gebruikten de onderzoekers echter heel ingewikkelde en dure moleculen. Ik heb bewust gewerkt met normale, gangbare stoffen die eenvoudig te maken zijn.” Lugger hoopt hiermee de kans te vergroten dat productie op grotere schaal ook technisch haalbaar en betaalbaar is.

Staarten selecteren

Het grootste deel van zijn promotieonderzoek was gericht op de staarten aan de schijfjes. “Het is cruciaal dat de netwerkstructuur van de aan elkaar gebonden staarten heel stabiel blijft, ook als het hart uit de kolommen is verwijderd. We hebben gezien dat de vorm, lengte en samenstelling van die staarten een grote rol speelt, net als de hoeveelheid staarten per schijfje.” Eindeloos experimenteren en aanpassen verder, lukte het Lugger om stukjes stevige membraan van enkele centimeters groot en slechts 100 nanometer dik. Maar in zo’n flinterdun laagje heb je toch nog maar liefst 3000 op elkaar gestapelde schijfjes nodig om één kanaaltje te maken dat dwars door de membraan gaat.

“Het precies uitlijnen van die kanaaltjes is een flinke uitdaging. De kolommen moeten zich heel netjes vormen en helemaal compleet zijn, zodat het water er heel efficiënt doorheen kan stromen.” Lugger gebruikt glazen plaatjes voor het maken van zo’n membraan. Via spin-coating – een techniek waarbij je het materiaal op een snel draaiend glazen plaatje aanbrengt – vormt zich een heel dunne laag. Lugger: “De staarten hechten zich aan het glas in precies de juiste oriëntatie en vanuit daar groeien de stapeltjes dan recht omhoog.” Door het membraan te laten vormen tussen twee glasplaatjes krijg je ook de juiste uitlijning tussen de kanaaltjes.

Prototype?

Lugger laat enkele stukjes membraan zien. Het zijn dunne, harde plaatjes die er, in alle eerlijkheid, niet heel spectaculair uitzien. Dat is wellicht ook te veel gevraagd, want kanaaltjes op nanometerschaal zie je natuurlijk ook niet met het blote oog. En wat nu? Zijn deze membranen geschikt voor het zuiveren van afvalwater? “We hebben hiermee een grote stap gezet en ik vind dat de tijd rijp is om een serieus prototype te maken van ons materiaal, maar het is heel lastig om dat voor elkaar te krijgen binnen een universiteit. Voor een bedrijf is dit nog veel te vroeg, te experimenteel. Ik zou heel graag dit project weer een stap verder brengen, maar hoe…?”