Mobiele installatie produceert drinkbaar water met de zon

In de ontwikkelde landen is zuiver water vanzelfsprekend geworden maar dat is niet overal en altijd het geval. In de derde wereld is de toegang tot voldoende zuiver water voor heel wat mensen een probleem. Wanneer bij rampen de toevoer van zuiver water aan de mensen belemmerd wordt dan ontstaat er een grote chaos. Water is een basisbehoefte voor de mensen en dus is de voorziening ervan van uiterst belang. Drinkwater speelt dan ook een heel belangrijke rol in de ontwikkeling van de derde wereld. En wanneer men naar de toekomst kijkt, ontstaat er ook een bezorgdheid over zuiver water. Momenteel leven er bijna 7 miljard mensen op de aarde en het aantal neemt steeds sneller toe. Zo duiden de voorspellingen erop dat tegen 2050 de wereldpopulatie zou toegenomen zijn tot 11 miljard mensen. Er komen heel wat vragen bij zo'n grote wereldpopulatie en één van deze vragen gaat over de voorziening van zuiver water. Namelijk kan er tegen 2050 genoeg zuiver water vrijgemaakt worden om aan de noden van al deze 11 miljard mensen te voldoen? Momenteel is er een grote onverdeeldheid op de wereld op het vlak watergebruik, namelijk dat een beperkte groep mensen het overgrote aandeel zuiver water gebruikt. En dus blijft er een veel kleinere hoeveelheid water over voor een veel grotere groep mensen. Dus, naar de toekomst toe, wordt het waarschijnlijk een belangrijke opdracht om deze ongelijkheid zoveel mogelijk weg te werken. Maar dit zal uiteraard nog niet volstaan om genoeg zuiver water vrij te maken voor alle 11 miljard mensen.

Er moet dus nog een andere oplossing bedacht worden. En eigenlijk is dit een vrij eigenaardig probleem aangezien 71% van de aarde bedekt is door water. Maar het probleem komt namelijk doordat van al het water op de wereld er slechts 2,75% zoetwater is en al de rest is zoutwater. Het is dan ook logisch dat men het ontzilten van zoutwater als dé potentiële oplossing beschouwd voor het watertekort. Het proces om van zoutwater zoetwater te maken heet ontzilten. Een ontziltingsinstallatie kan op twee verschillende manieren gebeuren, als eerste kan dit gedaan worden via destillatie van zeewater. Bij destillatie wordt zorgt men ervoor dat zeewater gaat verdampen en daarna wordt de verkregen waterdamp ergens anders gecondenseerd. En aangezien het zout in het zoutwater niet mee kan verdampen, blijft het daar achter. En dus het water die men verkrijgt na de condensatie van de waterdamp is zuiver water.

Een tweede manier voor ontzilting is via osmotische membranen. Deze membranen zijn vereist om aan omgekeerde osmose te doen. Om te verstaan wat er gebeurt bij omgekeerde osmose moet men eerst op de hoogte zijn van wat osmose is. Osmose is een proces op basis van diffusie waarbij een vloeistof, waarin stoffen zijn opgelost, door een zogenaamd halfdoorlatend membraan stroomt, dat wel de vloeistof maar niet de opgeloste stoffen doorlaat. In het begin van het proces bevindt er zich vloeistof langs beide kanten van het membraan. Maar de concentratie aan de opgeloste stof is niet dezelfde aan de twee kanten. Het vloeistofniveau is gelijk aan beide kanten. Via het membraan kan er dus vloeistof uitgewisseld worden tussen de twee kanten maar er kunnen geen opgeloste stoffen van de ene kant naar de andere kant gaan. Maar aangezien de concentratie aan opgeloste stoffen verschillend is, kan er eigenlijk ook gezegd worden dat de concentratie aan vloeistof verschillende is aan beide kanten. De uitwisseling van vloeistof via het membraan zal niet gelijk zijn in beide richtingen. Namelijk zal er meer vloeistof van de kant met de hoge vloeistofconcentratie stromen naar de kant met de lagere vloeistofconcentratie dan omgekeerd. Hier zal de hoeveelheid water aan de kant met de lagere vloeistofconcentratie gaan toenemen, en dus zal de vloeistofconcentratie hierbij dus afnemen. En dit tot er een evenwichtssituatie bereikt wordt tussen de twee concentraties. Maar doordat er bij de evenwichtssituatie dus een bepaalde hoeveelheid van de ene kant naar de andere kant is verplaatst, zullen de vloeistofniveau's niet meer even hoog zijn. En door het verschil in vloeistofniveau's ontstaat er ook een drukverschil.

Dit drukverschil is bij omgekeerde osmose de drijvende factor voor het proces. Bij omgekeerde osmose wordt er over een halfdoorlatend membraan een drukverschil aangebracht. Hierdoor gaat dit membraan als filter gaan werken. Door het drukverschil zal de vloeistof zich door het membraan verplaatsen naar de kant waar de druk het laagst is. En wanneer men dit effect dan verder doortrekt dan kan men dit dus gaan gebruiken om van zoutwater zoetwater te maken. Namelijk brengt men aan de ene kant van het osmotisch membraan zoutwater. En aan deze kant van het membraan, waar het zoutwater zich bevindt, gaat men de druk sterk gaan opvoeren. Doordat de druk aan de andere kant van het membraan, zal de vloeistof verplaatsen naar de andere kant via het membraan. Maar aangezien enkel de vloeistof doorgelaten wordt door het membraan, blijft het zout daar achter. En aan de andere kant, waar de druk het laagst is, verkrijgt men dus zuiver water.

Deze twee technieken kunnen dus toegepast worden om op grote schaal zoutwater te gaan ontzilten zodat men grote hoeveelheden zoetwater verkrijgt. Maar deze twee ontziltingsprocessen vragen een relatief grote hoeveelheid energie, zeker voor grote installaties. En niet overal is er dus voldoende energie beschikbaar om deze installaties te gaan aandrijven. Een groep van MIT's Field and Space Robotics Laboratory (FSRL) heeft daarom hun koppen bij elkaar gestoken om hiervoor een oplossing te bedenken. Het resultaat was een ontziltingsysteem die aangedreven kan worden met zonne-energie. Daarnaast hebben ze bijzonder aandacht besteed om hun systeem inzetbaar te maken na grote rampen. Daarom was het dus ook belangrijk tijdens de ontwikkeling van dit systeem dat het snel inzetbaar zou zijn en dat het relatief eenvoudig te transporteren naar afgelegen gebieden. Het is vooral op deze locatie dat de voorziening van zuiver water erg moeilijk en bijzonder duur is.

Het team onderzoekers werd geleid door Steven Dubowsky, een professor van het Department of Mechanical Engineering en het Department of Aeronautics en Astronautics. Samen met een aantal studenten hebben ze een klein prototype van hun systeem gebouwd. Aan de hand van dit prototype ging men dan algoritmes gaan ontwikkelen die nodig zijn bij de werking van het systeem. Tijdens de demonstratie van hun prototype hebben ze getoond dat het mogelijk is om 300 liter zuiver water per dag te gaan produceren, bij variërende weersomstandigheden. De onderzoekers schatten dat een grotere versie van hun prototype zo'n $8000 zou kosten en dat het 3785 liter zuiver water per dag zou kunnen produceren. Aangezien dit systeem ook bedoelt is voor in rampgebied moet er ook naar de omvang van de installatie gekeken worden. Er zouden 24 zo'n grote versies in een C-130 vrachtvliegtuig passen en deze 24 installaties samen kunnen voldoende drinkwater voor 10 000 mensen.

Een klein computertje stelt de variabelen in voor de werking van het systeem. Dit computertje stelt deze variabelen in volgens een bepaald algoritme dat ervoor zorgt dat de opbrengst maximaal is bij variabele weersomstandigheden en ook rekening houden met de vraag naar water. Deze variabelen zijn onder andere bijvoorbeeld het vermogen van de pomp, de stand van de kleppen en dergelijke. Verschillende sensoren houden alle relevante zaken in gaten en koppelen deze informatie door naar het computertje. Voor de ontzilting zelfs wordt geroep gedaan op het proces van omgekeerde osmose. De technologie die hierbij gebruikt wordt is de conventionele technologie die ook bij de bestaande installaties gebruikt wordt. Wel zijn alle componenten een stuk kleiner dan bij bestaande installaties, namelijk doordat deze veel groter en stationair zijn. Maar voor de rest er alles gelijk.

Het vernieuwende bij dit systeem is de regelingen van de parameeters voor een zo optimale werking in correspondentie met de omstandigheden. Bij de verdere ontwikkeling van dit systeem moet er wel nog gewerkt worden aan de robuustheid van het systeem aangezien het in allerhande omgevingen terecht zal komen en dus zal het tegen een stootje moeten kunnen. Daarnaast moet er ook voor gezorgd worden dat ook iemand die geen of een beperkte kennis met de installatie om kan gaan.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [web.mit]