Het efficiënter maken van atmosferisch wateroogsten is de sleutel in droge regio’s

Schoon water uit de lucht

In veel regio’s ter wereld is zoet water schaars en duur. Ontzilting kan een oplossing bieden, maar kost vooralsnog veel energie, al hebben recente ontwikkelingen in zonne-energietechnologie deze optie haalbaarder gemaakt. Zeewaterontzilting biedt bovendien geen oplossing voor veel droge gebieden in het binnenland, zoals Centraal-Azië, Mongolië, de Chileense bergen en het grootste deel van de Sahara.

Een andere optie is water uit de lucht halen. Veel woestijnen hebben een vrij hoge luchtvochtigheid, maar door de klimatologische omstandigheden ontstaan er geen regen en wolken. Waterwinning uit de atmosfeer biedt hier mogelijkheden. We bespraken eerder hoe passieve koeling in combinatie met een siliciumcoating de efficiëntie van waterwinning met behulp van zwaartekracht kan verhogen.

Onderzoekers proberen de methode nu verder te verbeteren, met name door nieuwe soorten polymeren te gebruiken. Wetenschappers van Osaka Metropolitan University voerden dit onderzoek uit. Het verscheen in ACS ES&T Water onder de titel “Liquid Polyether-Based Water Harvester for Near Ambient Temperature Operation via Hydrophilicity-Difference-Induced Water Transfer¹.”

Wateradsorptie

Een manier om water uit de lucht te winnen is een polymeer te gebruiken dat water kan adsorberen. Adsorptie is het vermogen van vaste stoffen om moleculen uit gassen of oplossingen waarmee ze in contact komen aan hun oppervlak te binden. Hier gaat het om waterdamp en waterdruppeltjes in de lucht.

In het dagelijks leven kennen we adsorberende materialen zoals silicagel in verpakkingen. Dit proces is vrij efficiënt en kan veel water uit de omgevingslucht verzamelen.

Bron: Osaka Metropolitan University

Het probleem is het polymeer dat water weer te laten afgeven. Meestal is hiervoor een temperatuur van ongeveer 100°C nodig. Die desorptie vergt veel energie en is kostbaar. Het nieuwe polymeer uit Osaka werkt anders.

Desorptie bij lage temperatuur

De eigenschappen waardoor een polymeer water goed adsorbeert, zorgen er ook voor dat het dit water moeilijk weer afgeeft. Daarom is voor het vrijmaken van het water doorgaans een hoge temperatuur nodig.

Eerder mengden de onderzoekers polyethyleenglycol (PEG) met oligomeer polypropyleenglycol (PPG). Zo ontstond een mechanisme voor wateroverdracht door een verschil in hydrofiliciteit, aangeduid als HWT.

Eenvoudig gezegd zorgde het verschil in wateradsorptie tussen de twee polymeren ervoor dat het geadsorbeerde water minder sterk werd vastgehouden. Hierdoor ontstond een vloeibaar vochtadsorbens dat het water al bij ongeveer 35°C / 95°F kan afgeven.

Dit beperkte echter de wateradsorptiecapaciteit van het mengsel. Het verbruikte weliswaar veel minder energie, maar leverde ook minder water op.

PEG-PPG-copolymeer

In het nieuwste experiment mengden de onderzoekers in plaats daarvan een PEG-PPG-copolymeer met PEG.

Bron: ACS Publication

Dit mengsel versterkte het HWT-effect verder en combineerde twee voordelen:

• De lage temperatuur voor het terugwinnen van water bleef behouden
• De waterwinningssnelheid was zelfs hoger dan bij alleen PEG, dat normaal gesproken het beste water adsorbeerde.

Het willekeurige PEG-PPG-copolymeer vertoonde de hoogste waterwinningssnelheid, hoger dan die van PEG. De verbeterde waterterugwinning kwam voort uit de gezamenlijke werking van HWT en het uiteenvallen van waterclusters.

Toepassingen

De lage temperatuur die nodig is om water te verzamelen en het polymeer te regenereren, vergroot de mogelijkheden van deze technologie aanzienlijk. Er zijn geen hoge temperaturen nodig die veel energie kosten, waardoor het concept veel milieuvriendelijker wordt.

“Verbeteringen van deze technologie zullen naar verwachting ook leiden tot minder broeikasgasuitstoot en een efficiënter gebruik van watervoorraden. We willen nu het vloeibare vochtadsorbens verbeteren en de efficiëntie van het gehele systeem verhogen om het praktisch toepasbaar te maken.”

Masahide Takahashi – hoogleraar aan Osaka Metropolitan University

Daarnaast is 35°C / 95°F veel eenvoudiger te bereiken. Mogelijk volstaat het dag-nachtritme, vooral in woestijngebieden met hete dagen, zoals veel woestijnen rond de tropen: de Sahara, het Midden-Oosten, India, Mexico en het zuidwesten van de Verenigde Staten.

In koudere regio’s zoals Mongolië kan dit lastiger zijn. Mogelijk kan een eenvoudige spiegel van metaalfolie bij zonnig weer helpen de grens van 35°C te bereiken. Dit opent de weg naar een volledig passief systeem dat met weinig inspanning automatisch water verzamelt.

Dezelfde technologie zou ook snel kunnen worden ingezet in gebieden die dringend schoon water nodig hebben.

“Deze technologie kan mogelijk niet alleen worden toegepast voor de watervoorziening in droge gebieden en op plaatsen met beperkte energiebronnen, maar ook om toegang tot water te waarborgen bij rampen en noodsituaties.”

Arisa Fukatsu – universitair docent aan Osaka Metropolitan University

Ook verdere ontwikkelingen kunnen op dit onderzoek voortbouwen. Zo is nog niet aangetoond dat het hier ontdekte polymeermengsel de optimale combinatie is.

In theorie zouden veel andere mengsels van hydrofiele en iets minder hydrofiele polymeren kunnen werken. Nu het principe is aangetoond, kan systematisch onderzoek naar nieuwe wateradsorberende materialen de opbrengst verder verhogen en de techniek dichter bij commerciële toepassing brengen.

Bedrijf dat watertekorten aanpakt

Xylem Inc.

Samen met het Europese Veolia is Xylem een wereldleider in waterzuivering, afvalwaterbehandeling en ontzilting. Het heeft meer dan 23,000 werknemers, waaronder meer dan 6,000 ingenieurs, en is actief in 150 landen, met de Verenigde Staten als zwaartepunt. Het bedient rechtstreeks meer dan 35,000 industriële klanten.

De belangrijkste markt bestaat uit gemeentelijke drinkwater- en afvalwatersystemen. Het levert ook specifieke oplossingen voor andere sectoren, zoals gezondheidszorg, energie, voedingsmiddelen en dranken, olie en gas, en micro-elektronica.

Bron: Xylem

Xylem levert essentiële gepatenteerde apparatuur voor het zuiveren of produceren van water, zoals ozongeneratoren, UV-lampen, ontziltingsmembranen en installaties voor ultrazuiver water. Het levert ook eenvoudiger apparatuur die even essentieel is voor watersystemen, zoals turbines, pompen, leidingen, injectiesystemen en software, evenals onderhouds-, reparatie- en installatiediensten.

Bron: Xylem

De watermarkt is nog sterk versnipperd. Xylem is een van de grootste bedrijven in de sector, maar heeft toch “slechts” een marktaandeel van 10% binnen de adresseerbare markt van $80B die het bedient.

Het bedrijf besteedt ongeveer 4% van zijn omzet aan R&D. Het kan profiteren van nieuwe regelgeving voor PFAS (per- en polyfluoralkylstoffen, ook wel eeuwige chemicaliën genoemd), aangezien meer dan 6,000 nutsvoorzieningsinstallaties een dergelijke PFAS-behandeling nodig hebben.

Xylem groeit gestaag. De nettowinst steeg van $297M in 2012 naar $609M in 2023, bij een volgens de brontekst stabiele EBITDA-marge van 17-219%.

Hierdoor lijkt het beleggingsprofiel van het bedrijf minder op dat van een vaak cyclisch industriebedrijf en meer op dat van een nutsbedrijf dat met de economie meegroeit of iets sneller groeit, zoals de meeste van zijn klanten.

Onderzoeksreferentie:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Vloeistofpolyether‑gebaseerde wateroogstapparaat voor werking bij bijna‑ambienttemperatuur via door hydrofiliciteitsverschil geïnduceerde wateroverdracht. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}