Krediet: Pixabay/CC0 Publiek domein
Veel futuristische romans en films hebben onderzocht hoe de wereld eruit zou kunnen zien zonder water. Maar waterschaarste is geen probleem voor de verre toekomst: het is er al.
In zijn Verslag 2021 UN Water schetste de omvang van de crisis: 2,3 miljard mensen leven in landen met waterschaarste en 733 miljoen van die mensen bevinden zich in “landen met een hoge en kritieke waterschaarste”.
In 2018 in Kaapstad, waar ik woon en mijn onderzoek doe, staarden bewoners naar beneden “dag nul“, wanneer de watervoorziening van huishoudens zou opraken. Goede regens hebben de Zuid-Afrikaanse stad gespaard, maar nu worden andere delen van het land geconfronteerd even erg voorspellingen van lege kranen.
Dit scenario dreigt zich in heel Afrika af te spelen. In de Hoorn van Afrika regio, bijvoorbeeld, hebben grote delen van Ethiopië, Somalië en Kenia vier opeenvolgende regenseizoenen voorbij zien gaan zonder behoorlijke regenval. De opkomst van “megasteden” in Afrika – met miljoenen mensen die naar stedelijke gebieden verhuizen – legt nog meer druk op de toch al beperkte infrastructuur.
En de crisis breidt zich uit tot ver buiten het Afrikaanse continent.
Er is niet één oplossing voor deze grimmige realiteit. Een veelzijdige aanpak zal nodig zijn, zoals de ervaring van Kaapstad geïllustreerd.
Technologie zal een sleutelrol spelen bij het oplossen van de wereldwijde waterschaarstecrisis. Technologische oplossingen kunnen variëren van de meest elementaire, zoals waterlekdetectoren voor huishoudens, tot zeer geavanceerde, zoals manieren om vocht uit de lucht halen om schoon drinkwater te produceren, of om het overvloedige zoute water van de planeet om te zetten in zoet water.
In een recent papier collega’s en ik schetsten een andere potentieel krachtige technologie: koolstofnanomaterialen, die hebben getoond om organische, anorganische en biologische verontreinigende stoffen uit water te verwijderen.
Verontreiniging bedreigt waterbronnen
Verontreiniging is een van de factoren die waterbronnen onder druk zetten. Alle watervoorraden bevatten enkele microben en ziekteverwekkers. Maar industrieel afval is een enorm probleem: voertuigen stoten bijvoorbeeld zware metalen uit, en zure mijnafvoer sijpelt in waterbronnen. Dit resulteert in verontreinigd grond- en oppervlaktewater dat niet veilig kan worden gebruikt voor de meeste menselijke activiteiten, laat staan voor drinken of het wassen van voedsel.
Sommige huidige technologieën maken de behandeling van water te duur. Anderen zijn simpelweg niet in staat om het werk te doen en zijn niet in staat om micro-organismen te verwijderen. Bij het verwijderen van organische verontreinigende stoffen zoals farmaceutisch afval, organische kleurstoffen, kunststoffen en detergenten uit bijvoorbeeld afvalwater, zijn sommige conventionele technieken zoals membraanfiltratie ontoereikend gebleken.
Dat is waar koolstofnanomaterialen een rol spelen. Samen met anderen onderzoek ik het gebruik ervan en ontdek ik dat ze efficiënter en economisch levensvatbaarder zijn dan conventionele materialen.
Nanomaterialen
Nanomaterialen worden grofweg gedefinieerd als materialen die deeltjes bevatten met een grootte tussen 1 en 100 nanometer (nm). Een nanometer is gelijk aan een miljardste van een meter. Verschillende nanomaterialen zijn samengesteld uit verschillende atomen – sommige, zoals de materialen die ik onderzoek, bestaan uit koolstofatomen.
Koolstof is qua massa de op één na meest voorkomende element in het menselijk lichaam na zuurstof. Het is ook een gemeenschappelijk element van al het bekende leven. Koolstofnanotechnologieën zijn milieuvriendelijk omdat ze minder risico op secundaire vervuiling inhouden dan sommige adsorbentia (vaste stoffen die worden gebruikt om verontreinigingen uit vloeistoffen of gassen te verwijderen).
Koolstofnanomaterialen worden ontwikkeld in de vorm van nanomateriaal begroet door vele wetenschappers over de hele wereld vanwege hun superieure fysische en chemische eigenschappen. Ze worden steeds meer gewaardeerd vanwege hun vermogen om zware metalen uit water te verwijderen dankzij hun grote oppervlakte en adsorptie capaciteiten, hun grootte op nanoschaal en hun chemische eigenschappen.
Koolstofnanomaterialen zijn dat allemaal geweest getoond om effectief te zijn in de behandeling van afvalwater.
Waterschaarste aanpakken
Ik werk met koolstofgecoate magnetische nanomaterialen. Dit gemengde composiet speelt een cruciale rol bij het ontsmetten van water. Tegelijkertijd verwijdert het materialen zoals zware metalen. Dat maakt het ideaal voor waterbehandeling, net als het gemakkelijke, snelle herstel en de recyclebaarheid, dankzij wat bekend staat als magnetische filtratie. Hierbij worden de aan het verontreinigde water toegevoegde magnetische nanomaterialen na behandeling door een externe sterke magneet teruggewonnen. De teruggewonnen materialen kunnen worden geregenereerd en opnieuw worden gebruikt.
Op koolstof gebaseerde nanomaterialen hebben nog steeds tekortkomingen. Nanomaterialen hebben de neiging samen te klonteren tot grote deeltjes, waardoor hun vermogen om verontreinigende stoffen te adsorberen (aantrekken en vasthouden) afneemt. En nanodeeltjes worden niet altijd volledig teruggewonnen uit gezuiverd water, wat leidt tot secundaire verontreiniging. We weten nog steeds niet zeker hoe we uitgeputte – volledig benutte – nanomaterialen kunnen scheiden van gezuiverd water.
Het werk gaat door in ons lab en anderen over de hele wereld. Wetenschappers houden niet van tijdlijnen, omdat doorbraken zelden binnen vastgestelde deadlines plaatsvinden. Maar we hopen dat er de komende jaren steeds meer vooruitgang zal worden geboekt met op koolstof gebaseerde nanomaterialen, waardoor de wereld een belangrijk instrument krijgt om waterschaarste aan te pakken.
Aangeboden door Het gesprek
