3D‑nanotechnologie Doorbraak Biedt Schoon Water Gezuiverd door Zonlicht

Iedereen die toegang heeft tot veilig, schoon drinkwater is een van de grootste uitdagingen waar de wereld vandaag de dag voor staat.

Ongeveer de helft van de wereldbevolking, volgens het UN World Water Development Report 2024, ervaart ten minste een deel van het jaar ernstige waterschaarste. Watertekorten zijn gelinkt aan een stijging van 10% in wereldwijde migratie.

Lage niveaus van afvalwaterzuivering veroorzaken slechte waterkwaliteit in lage‑inkomenslanden, terwijl afvloeiing van de landbouw een groot probleem is in hoge‑inkomenslanden.

Ondertussen blijft de vraag naar schoon drinkwater stijgen naarmate de wereldbevolking toeneemt. Snelle bevolkingsgroei, verstedelijking en toenemende waterbehoeften van de energiesector, landbouw en industrie dragen bij aan de groeiende watervraag.

Data suggereren echter dat tegen 2030 miljarden mensen geen toegang zullen hebben tot veilig water, sanitatie en hygiëne. In 2022 had 703 miljoen mensen geen basiswatervoorziening, terwijl een veel hoger aantal, 2,2 billion, geen veilig beheerd drinkwater had.

Te midden hiervan wordt de beschikbaarheid van water minder voorspelbaar, terwijl de waterschaarste naar verwachting zal toenemen door de stijgende wereldtemperaturen als gevolg van klimaatverandering. Waterbronnen lopen ook risico door vervuiling en door waterovergedragen ziekten.

De Uitdaging van Onbehandeld Afvalwater

Een overweldigende meerderheid van industrieel afval, volgens de Verenigde Naties, wordt in ontwikkelingslanden gestort zonder volledig behandeld te zijn.

Ondertussen wordt slechts een klein deel van het wereldwijde afvalwater adequaat behandeld. Volgens de VN kon alleen voor 73 landen (42 % van de wereldbevolking) worden berekend dat al het afvalwater een zekere mate van behandeling kreeg, van de 107 landen (73 % van de wereldbevolking) die in 2022 afvalwaterstatistieken rapporteerden.

Rapportage over industriële afvalwaterzuivering is uiterst beperkt, met gegevens uit slechts 22 landen (8 % van de wereldbevolking), waar slechts 38 % van het industriële afvalwater gemeld werd als behandeld. Bovendien is slechts 27 % van het afvalwater veilig behandeld.

Wat betreft huishoudelijk (residentieel) afvalwater, werd 42 % niet veilig behandeld. De belangrijkste reden hiervoor was het ontbreken van een geschikt systeem voor het verzamelen van grijs‑ en zwart water.

Afvalwater is water dat ontstaat na het huishoudelijke, industriële en commerciële gebruik van grondwater, zoet water of drinkwater. Het bevat diverse stoffen die schadelijk kunnen zijn voor ecosystemen en de menselijke gezondheid.

Stoffen zoals zware metalen, organische en anorganische verontreinigingen, pathogenen en industriële lozingen, onder andere, die in water terechtkomen, worden niet van nature afgebroken, waardoor ze in het milieu blijven bestaan.

Daarbij komen opkomende verontreinigende stoffen, waaronder detergenten, industriële chemicaliën, farmaceutica, cyanotoxinen, hormonen, per‑ en poly‑fluoroalkylstoffen (PFAS) en nanomaterialen, die enorme schade veroorzaken.

Technologische innovatie kan hoog‑presterende, goedkope zuiveringsopties bieden om voldoende schoon, betaalbaar water voor iedereen te waarborgen.

Enkele van deze innovaties in waterzuivering omvatten geavanceerde membretechnologieën zoals omgekeerde osmose (RO), ultrafiltratie (UF) en directe‑contact membraan destillatie (DCMD).

Zonne‑aangedreven filters gebruiken zonne‑energie om schoon water toegankelijk te maken in afgelegen gebieden. Opkomende technologieën zoals elektrocoagulatie, microbiële brandstofcellen en geavanceerde oxidatieprocessen helpen eveneens de waterkwaliteit te verbeteren.

Een andere technologische innovatie die waterzuivering aandrijft, is nanotechnologie, die een efficiënte verwijdering van verontreinigingen en ziektekiemen biedt.

Nanotechnologie voor Effectieve Waterbehandeling

Conventionele waterdesinfectiemethoden zijn zeer effectief en worden dan ook veelvuldig toegepast, maar ze hebben hun eigen nadelen. Bij chlorering bestaat bijvoorbeeld het risico op de vorming van schadelijke desinfectie‑bijproducten. Ultravioletstraling vereist bovendien aanzienlijke energie‑invoer en heeft beperkte effectiviteit tegen bijvoorbeeld tetracycline‑resistente E. coli.

Om waterbehandelingsprocessen te verbeteren, hebben wetenschappers technologische vooruitgangen geboekt die hebben geleid tot het gebruik van nanotechnologie bij waterzuivering voor veilig drinkwater.

Nanotechnologie omvat de bewuste manipulatie van materie op een uiterst kleine schaal en heeft het potentieel een sleutelrol te spelen in geïntegreerd waterbeheer, waardoor behandelingen effectiever worden en zelfs waterbronnen kunnen worden uitgebreid door onconventionele waterbronnen te benutten.

Om de toegang tot schoon, veilig drinkwater te vergroten, behandelt nanotechnologie grondwater, oppervlaktewater en afvalwater met innovatieve nanomaterialen. Enkele van de ontwikkelingen in nanotechnologie die voor afvalwaterzuivering worden gebruikt, omvatten magnetische nanodeeltjes, bio‑actieve nanodeeltjes, nanofiltratie, nano‑adsorbenten, nanokatalysatoren, nanopoeder, nano‑biociden en nanovezels.

Wetenschappers hebben het gebruik van koolstofnanobuizen en nanocellulose voor waterfiltratie breed gedemonstreerd. Deze methoden verwijderen giftige zware metalen uit water, voorkomen dat biologische en chemische gevaren het water binnendringen, en adsorberen verontreinigingen uit waterstromen. Zelfs gouden nanodeeltjes zijn gebruikt om water te zuiveren van verontreinigingen zoals pesticiden en farmaceutica.

Hoewel nanotechnologie veelbelovende oplossingen biedt voor schoon drinkwater, kent het potentiële gezondheids‑ en milieurisk’s van nanomaterialen en ondervindt het grotere moeilijkheden bij grootschalige productie en kosten, waardoor de implementatie beperkt blijft.

Nu bieden onderzoekers van de Ohio State University een nieuwe methode voor het zuiveren van drinkwater: 3D‑nanotechnologie dekens.

Gemaakt van titaan‑dioxide (TiO₂) nanovezels, benutten ze zonlicht om schadelijke verontreinigingen in water af te breken en duurzame energie te genereren. Ze produceren geen toxische bijproducten, en het team beschikt over de middelen om ze commercieel op te schalen.

Een Nieuwe Methode voor het Zuiveren van Drinkwater

In de recentste studie, gesteund door de National Science Foundation, hebben onderzoekers een nieuw materiaal ontwikkeld om water te zuiveren door gevaarlijke verontreinigingen te verwijderen.

Het nieuwe materiaal is ontwikkeld door twee methoden te combineren — zachte chemische gels en meng‑elektrospinnen.

Bij elektrospinnen, een vezelproductiemethode, wordt elektrische kracht op een oplossing uitgeoefend om nanovezels te creëren. Deze methode wordt vaak gebruikt om lange, continue nanovezels te produceren. Het team ontwikkelde op deze manier dunne, vezelachtige strips van titaan‑dioxide.

Titaan‑dioxide (TiO₂) is een anorganische verbinding die doorgaans wordt gebruikt in gas‑sensoren, zonnecellen, fotokatalyse en zelfreinigende technologieën.

Hoewel de verbinding een uitstekende alternatieve energiebron is, zijn zonne‑brandstofsystemen die zijn nanodeeltjes gebruiken meestal beperkt in vermogen. Dit komt doordat ze alleen fotokatalyse kunnen uitvoeren door niet‑zichtbaar ultraviolet (UV) licht te absorberen, wat leidt tot lage efficiëntie en complexe filtratiesystemen die implementatie bemoeilijken.

Bovendien belemmert de korte levensduur van de fotogegenereerde elektronen en gaten in TiO₂‑nanodeeltjes hun effectieve benutting, terwijl het ontbreken van een gemakkelijk terug te winnen zelf‑ondersteunde nanostructuur een uitdaging blijft.

Verschillende studies hebben onderzocht hoe het te doperen met diverse metaalionen zoals Ag (zilver), Fe (ijzer), Pd (palladium), Pt (platinum), Zn (zink), Mn (mangaan), B (boor) en Zr (zirkonium) om deze beperkingen te overwinnen en de fotokatalytische eigenschappen van titaan‑dioxide te verbeteren.

Maar koper (Cu) toonde de meeste belofte. Het toevoegen van dit zachte metaal met zeer hoge thermische en elektrische geleidbaarheid aan het materiaal veranderde de situatie. Dit vereiste echter het verkleinen van de optische bandgap en het vergroten van de oppervlakte‑tot‑volumeverhouding van Cu‑gedoopte titania om de gewenste fotokatalytische activiteit te verkrijgen, wat weer andere problemen met zich meebracht.

Daarom moesten de onderzoekers een systeem ontwerpen dat stabiele Cu‑gedoopte TiO₂‑nanodeeltjes levert met een hoge oppervlakte‑tot‑volumeverhouding via nanovezel‑gebaseerde processen.

Click here to learn how solar-powered desalination is solving water scarcity.

Een Waterzuiverings‑ en Energieopwekkingsinstrument

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science¹, beschreef de nieuwe resulterende structuren, die nano‑matten worden genoemd. Deze nano‑matten kunnen voldoende lichtenergie absorberen om gevaarlijke verontreinigingen in lucht en water af te breken.

“Er is nog nooit een eenvoudige manier geweest om iets als een deken te maken die je op water kunt leggen en energie kunt gaan genereren. Maar wij zijn de enigen die deze structuren hebben gemaakt en hebben aangetoond dat ze daadwerkelijk werken.”

Wat het toevoegen van koper aan titaan‑dioxide deed, was het proces van het vernietigen van verontreinigingen een enorme impuls geven.

Onder dit proces, wanneer TiO₂ licht absorbeert, ontstaan elektronen die water oxideren en verontreinigingen aanvallen, die worden vernietigd totdat ze onschadelijk zijn.

Om de hoge effectiviteit van het nieuwe materiaal te bepalen, karakteriseerden de onderzoekers de bijgewerkte eigenschappen van de nano‑mat. Dit hielp hen te begrijpen hoe het zich gedroeg en wat het precies anders maakte dan andere zelfreinigende nanodeeltjes.

Onderzoekers ontdekten dat deze nano‑matten, wanneer ze worden blootgesteld aan natuurlijk zonlicht, meer succes kunnen hebben bij energieopwekking dan traditionele zonnecellen.

“Deze nanomatten kunnen worden gebruikt als energie‑generator, of als waterzuiveringsinstrument. In beide gevallen heb je een katalysator met de hoogste tot nu toe gerapporteerde efficiëntie.”

– Gouma

Bovendien zijn deze vezelmatten lichtgewicht, gemakkelijk te verwijderen en kunnen ze drijven en werken boven elk waterlichaam. Ze zijn ook herbruikbaar en kunnen meerdere reinigingscycli doorstaan.

Gezien de hoge effectiviteit van deze nanomatten zien de onderzoekers hun inzet voor het verwijderen van industriële verontreinigingen uit water in ontwikkelingslanden en het omzetten van vervuilde rivieren en meren in bronnen van schoon drinkwater.

Daarbovenop maakt het feit dat deze technologie geen toxische bijproducten genereert, de nanomatten milieuvriendelijk.

“Het is een veilig materiaal, het zal niets beschadigen, en het is zo schoon als het maar kan zijn.”

– Gouma

Wat betreft de commercialisering van deze efficiënte technologie, waarvoor het team de juiste middelen heeft, hangt het af van industrieën die er aandacht aan besteden.

“We hebben de middelen om ze in grote hoeveelheden te produceren en naar verschillende industrieën te vertalen. De enige beperking is dat er iemand moet profiteren van deze overvloedige bronnen.”

– Gouma

Over het geheel genomen gelooft het team in het potentieel van de nano‑matten. Ze zouden kunnen worden ingezet om schoon drinkwater te leveren in waterzuiveringsinstallaties, afgelegen gebieden en bij rampenbestrijding. Afhankelijk van verdere tests en schaalbaarheid, zouden commerciële toepassingen binnen 3 tot 5 jaar kunnen ontstaan.

Het team gelooft dat deze nano‑matten ook veelbelovende instrumenten kunnen zijn in tal van toekomstige fotokatalytische toepassingen. Deze omvatten langetermijn‑duurzaamheidsinitiatieven zoals zonne‑gedreven waterstofproductie en milieuremediatie.

Voorlopig werkt het team aan manieren om het materiaal verder te ontwikkelen, dat volledig nieuw is. Deze nieuwe vorm van nanotechnologie, zei Gouma, is “echt indrukwekkend en iets waar we erg enthousiast over zijn.”

Innovatief Bedrijf

Xylem Inc.  

Een wereldleider in watertechnologie, Xylem ontwikkelt innovatieve oplossingen voor waterzuivering en -behandeling, waardoor het een sterke kandidaat is voor de integratie van nanotechnologie‑gebaseerde waterzuiveringssystemen.

Het bedrijf biedt producten voor een breed scala aan toepassingen, waaronder water, waterpompen, behandelingsapparatuur, pompen, kleppen en warmtewisselaars. Het levert ook analytische instrumentatie voor wateranalyse en oplossingen voor het intelligente gebruik en behoud van kritieke water‑ en energiebronnen.

Wat afvalwaterzuivering betreft, biedt Xylem een biologisch proces genaamd aerobe behandeling, dat plaatsvindt in aanwezigheid van zuurstof en organisch materiaal omzet in kooldioxide en nieuw biomateriaal. Daarnaast is er anaerobe afvalwaterzuivering, die plaatsvindt zonder zuurstof, waarbij micro‑organismen organisch afval afbreken. Dit wordt meestal gebruikt voor de behandeling van warm, sterk vervuild industrieel afvalwater met een grote hoeveelheid biologisch afbreekbare organische stof.

Xylem biedt ook een digitale waterbeheersoplossing genaamd Water One® die uw waterbehandelingssysteem optimaliseert voor grotere efficiëntie.

De desinfectiesystemen van het bedrijf worden aangeboden voor gemeentelijke, industriële en recreatieve watertoepassingen. Ze omvatten analyzers en procescontrollers, chloor‑dioxide‑generatieapparatuur, gas‑voedingssystemen, ozonsystemen, hypochloriet‑generatie‑systemen, ultraviolet‑desinfectiesystemen en meer.

De systemen voor hoogzuiver water behandelen water via meerdere stappen om te voldoen aan de kwaliteitsnormen voor kritieke toepassingen in laboratoria, de gezondheidszorg, de farmaceutische industrie en de halfgeleiderindustrie.

De filtratieoplossingen van Xylem omvatten onder andere regenererende media‑filters, schijf‑filters, zandfilters, hoogrendement‑microsandfilters en drukfilters, evenals omgekeerde osmose‑membranen, schroefpompen, UF‑systemen, micro‑filtratie, damp‑fase geur‑controle‑systemen en waterverzachters. Dit biedt een breed scala aan opties voor recreatief en industrieel gebruik, evenals voor zwembaden en tertiaire afvalwaterzuivering voor gemeenten.

Momenteel is Xylem een bedrijf met een marktkapitalisatie van $29,65 billion waarvan de aandelen, op het moment van schrijven, worden verhandeld tegen $122,02, een stijging van 5,17 % YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 3,65, een P/E‑ratio (TTM) van 33,40 en een ROE (TTM) van 8,55 %. Het bedrijf betaalt een dividendrendement van 1,31 %.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, rapporteerde het voor Q4 2024 een omzetstijging van 7 % tot $2,3 billion, terwijl de orders $2,2 billion bedroegen. De winst per aandeel voor het kwartaal bedroeg $1,34, een stijging van 22 %, en kwam uit op $1,18 op aangepaste basis, een stijging van 19 %.

“Het team leverde een sterk vierde kwartaal om een recordjaar voor Xylem af te sluiten. Alle segmenten boekten sterke Q4‑ordergroei, waardoor we momentum hebben voor 2025 dankzij veerkrachtige onderliggende vraag.”

– CEO Matthew Pine

De nettowinst tijdens het kwartaal bedroeg $326 million, en de aangepaste nettowinst $287 million. Xylem verhoogde zijn dividend voor het eerste kwartaal met 11 % tot $0,40 per aandeel, dat deze maand aan aandeelhouders werd uitgekeerd.

Voor het volledige jaar 2024 bedroeg de omzet $8,6 billion, een stijging van 16 %. De winst per aandeel was $3,65, een stijging van 31 % en $4,27 op aangepaste basis, een stijging van 13 %.

Voor dit gehele jaar ligt de outlook van Xylem op een omzet tussen $8,6 en $8,7 billion, en de vrije‑kasstroommarge wordt voorspeld op 9 tot 10 %.

Het bedrijf verwacht dat de winst per aandeel voor dit jaar zal liggen tussen $4,50 en $4,70. Volgens Pine:

“Onze guidance voor 2025 weerspiegelt de toewijding van het team aan ons langetermijn‑kader terwijl we onze klanten blijven in staat stellen de grootste wateruitdagingen van de wereld aan te pakken.”

Laatste Nieuws over Xylem Inc.

Conclusie

De wereld staat voor een watercrisis waarbij miljoenen mensen geen toegang hebben tot veilig drinkwater en sanitatie. Deze waterschaarste is het gevolg van een groeiende bevolking, vervuiling, overexploitatie en klimaatverandering. De situatie zal naar verwachting de komende jaren nog erger worden, waardoor er behoefte is aan kosteneffectieve en efficiëntere oplossingen om het probleem aan te pakken.

Afvalwaterzuivering is zo’n cruciale strategie die kan helpen de watertekorten te verminderen door de waterkwaliteit te verbeteren, de toegang tot water te vergroten, de afhankelijkheid van zoetwaterbronnen te verminderen en water duurzamer te maken.

Nanotechnologie heeft lange tijd beloofd waterzuivering te revolutioneren, maar heeft nog geen brede adoptie bereikt. De ontwikkeling van 3D‑nanotechnologie‑dekens vormt daarom een belangrijke doorbraak. Deze dekens gebruiken zonlicht om verontreinigingen te verwijderen en tegelijkertijd duurzame energie te genereren.

De lichtgewicht, herbruikbare aard van deze nano‑matten, gecombineerd met het ontbreken van toxische bijproducten, maakt ze een milieuvriendelijk alternatief voor conventionele filtratiemethoden. Naarmate industrieën hier aandacht aan besteden, zou deze nieuwe technologie wereldwijd de aanpak van waterbehandeling kunnen herdefiniëren. Een succesvolle commercialisering zal ondertussen voldoen aan de behoefte aan schoon, veilig drinkwater voor honderden miljoenen mensen wereldwijd!

Click here for a list of top nanotechnology stocks.