Schoon water wordt in de toekomst net als olie nu een schaars goed, waar mogelijk zelfs oorlogen over gevoerd gaan worden. Want hoewel het grootste deel van de planeet bedekt wordt door water, is maar 0,007% daarvan drinkbaar, de rest is te zout voor consumptie, en zelfs te zout voor landbouw of industriële processen. Verreweg de meeste tekorten komen in derde wereldlanden voor. Tijd dus voor een goedkoop, snel en betrouwbaar waterzuiveringssysteem. Binnen de nanotechnologie wordt hier hard aan gewerkt: een rondje langs de kandidaten.

Ontzouting

Amerikaanse wetenschappers publiceren deze week in Nature Nanotechnology een nano-gadget om water te ontzouten. Zeewater wordt door een microkanaaltje geleid. Onderweg komt het een nanokanaaltje tegen waar een klein beetje stroom op staat. Via het verschijnsel ICP worden alle geladen moleculen naar één kant van het kanaal geduwd; dus ook de zouten, die van nature geladen zijn. Precies op dat punt splitst het microkanaal zich: de zouten stromen de ene kant op, neutrale moleculen de andere. Ook bacteriën en virussen hebben een lading in water, dus die worden er ook uit gezuiverd.

Met 1600 van deze nanozuiveraars achter elkaar kun je 300 ml water zuiveren per minuut.

Sung Jae Kim/Jongyoon Han, MIT

Helemaal schoon is het water helaas nog niet: er kunnen nog elektrisch neutrale giftige moleculen zoals plasticresten of pesticiden in zitten. Je kunt dit water nog niet drinken, maar je kunt er wel mee douchen en je groenten water geven. Daar heb je dan wel een flinke hoeveelheid van die dingetjes voor nodig: met 1600 stuks zuiver je 300 milliliter water per minuut. Gelukkig zijn de micro-zuiveraars erg energie-efficiënt. Volgens de makers heb je genoeg aan een flinke batterij om die 1600 stuks van stroom te kunnen voorzien.

Mistvanger uit de natuur

De woestijn is natuurlijk de plek bij uitstek als het gaat om waterschaarste. Toch hangen er ’s morgens heel vroeg vaak flarden mist in de woestijn, die bij het eerste zonlicht verdwijnen. Zou het niet mooi zijn als je die dampen kon vangen? Zoals zo vaak in de nanotechnologie, geeft de natuur ons het voorbeeld.

De Stenocara woestijnkever en het water-vasthoudende nanomateriaal.

ANDREW PARKER; MICHAEL RUBNER

De Stenocara kever uit de Namibische woestijn, steekt zijn achterlijf in de lucht tijdens de ochtenddampen. Op zijn kont heeft hij kleine bobbeltjes, waar waterdruppeltjes aan blijven plakken. De nanostructuur van die bolletjes trekt water aan, met andere woorden: deze is hydrofiel. Als de druppeltjes een kritieke grootte hebben bereikt, glijden ze speciale kanaaltjes in. Die zijn ook weer door hun nanostructuur echter waterafstotend, dus ‘zweeft’ het druppeltje als het ware door het kanaaltje zonder aan de wanden te blijven ‘plakken’. Geen enkel watermolecuul gaat verloren en de kever slaat het water in zijn lijf op voor de hete zomerdag. Wetenschappers op MIT in Cambridge hebben beide structuren nagemaakt. Ze kunnen op allerlei oppervlakken worden aangebracht om water uit de lucht te plukken.

Nanoroest

Stel je woont op een plaats waar wel gewoon oppervlakte water is. Dan heb je bovenstaande technieken niet nodig. Maar ook voor het verkrijgen van ‘vers’ water kan nanotechnologie soelaas bieden. Op veel plaatsen over de wereld, zelfs in Amerika en Europa, is het oppervlaktewater vervuild met arsenicum. Deze geurloze, reukloze stof is moeilijk te detecteren, maar kan verstrekkende gevolgen hebben zoals misvormingen en kanker.

Eén van de vroege symptomen van arsenicum vergiftiging.

Flickr/AJC1

Wetenschappers van de Rice University proberen dit probleem in Mexico op te lossen met nano-ijzeroxide deeltjes. Roest, dus. “Van ijzeroxide wisten we al dat het arsenicum bindt,” vertelt professor Vicki Colvin. “Maar waar grotere ijzerdeeltjes maar 30% van het arsenicum uit water verwijderen, verwijderen nanodeeltjes vrijwel alles.” De nano-ijzerdeeltjes hebben nog een voordeel. Je kunt ze namelijk gewoon met een eenvoudig magneetje weer uit de oplossing trekken. Het arsenicum gaat dan vrolijk mee. Voor de grotere deeltjes was een sterke elektromagneet nodig. “Dit maakt de techniek veel geschikter voor ontwikkelingslanden. Maar eerst gaan we kijken hoe de proef in Mexico verloopt,” aldus Colvin.

Nano-sponzen

Ook zogenaamde ‘nano-sponzen’ zijn bedoeld om vers water de ontdoen van vervuiling. Eigenlijk zijn het driedimensionale filters, met een twist. Ze houden namelijk alleen geladen moleculen vast. Nano-sponzen worden gemaakt van zetmeel, of nauwkeuriger: cyclodextrines.

Wikimedia Commons

Deze moleculen zijn ringvormige suikers die een minuscuul holletje in het midden hebben. Dat holletje trekt geladen moleculen aan, terwijl de buitenkant van de ring juist neutrale moleculen zoals water aantrekt. Zo blijven de geladen vervuilingen achter in de spons, terwijl het water er gewoon doorheen loopt. Professor Rui Krause van de universiteit van Johannesburg legt uit: “De sponzen zijn bedoeld om op waterpunten te monteren, zoals een kraan. In de toekomst willen we nog een stapje verder gaan. Door actieve moleculen in de holletjes te monteren, willen we schadelijke stoffen zoals chloroform, direct omzetten in het minder schadelijke methaan.” En wat nu als alle holletjes in de spons vol zijn? “Dan kun je hem gewoon wassen met een oplosmiddel zoals alcohol.” Helemaal perfect zijn de sponzen nog niet. Ze verwijderen inmiddels zo’n 84% van alle vervuiling, ongeveer evenveel als oudere zuiveringsmethoden. Maar dat is geen slechte score voor een nieuw materiaal, volgens Krause.

Zie ook:

• Meepraten over nano in onze samenleving? Meng je in de NanoDiscussie!
• Arsenicum loop naar de pomp (Kennislinkartikel)
• Oplossingen voor de waterproblematiek (Kennislinkartikel)
• Zuinig en schoon water filtreren (Kennislinkartikel)