UT-onderzoekers laten een nieuwe manier zien om anionuitwisselingsmembranen te ontwikkelen. Ze maakten de membranen uit een nieuw soort plastic (saloplastic). De onderzoekers laten ook zien dat hun techniek membranen kan maken die zeer stabiel zijn in extreme omstandigheden zoals een zeer hoge of lage pH. Dit maakt ze bruikbaar voor brandstofcellen of waterontzilting.
Elektrodialyse is een beproefde techniek voor de ontzilting van zeewater of brak water. Deze techniek vereist een ionenuitwisselingsmembraan dat selectief de ionen uit waterig zout doorlaat, maar tegelijkertijd het water zelf tegenhoudt. Deze membranen produceren is nog een uitdaging en leidt vaak tot dure membranen die niet stabiel zijn in extreme omgevingen met een zeer hoge of een zeer lage pH.
Saloplast
De onderzoekers vonden een techniek die de problemen van de commercieel gebruikte ionenuitwisselingsmembranen kan oplossen door een zogenaamde saloplast maken. ‘Bij het mengen van bepaalde positief- en negatief geladen polymeren in water konden we al een poly-elektrolyt complex (PEC) maken dat het best kan worden omschreven als een mozzarella-achtige bol van plastic’, zegt onderzoeker Wiebe de Vos. ‘Het grootste probleem bleef de eenvoudige verwerking van dit complex tot een bruikbaar membraan.’
Hittepers
Na onderzoek van verschillende technieken vonden de onderzoekers dat hittepersen de hoogste kans van slagen had. Bij dit proces plaatst men de PEC in een mal die vervolgens in een hittepers wordt geplaatst. In het begin sluit de pers zonder extra druk en warmt op tot een temperatuur van tachtig graden Celsius. Na ongeveer twintig minuten, wanneer het materiaal de gewenste temperatuur bereikt, verhoogt de druk tot tweehonderd bar. Dit is vergelijkbaar met de druk ongeveer twee kilometer onder water.
De PEC houdt deze omstandigheden vijf minuten vast. Daarna koelt het materiaal af tot 25 graden Celsius. Het hele proces duurt ongeveer een uur, veel minder dan bij andere gebruikte technieken die tot enkele dagen kunnen duren. Het eindproduct is een transparante film met hoge dichtheid. Het plastic is stevig en flexibel en volledig dicht tot op de nanometerschaal. Bovendien is het proces volledig schaalbaar met uitstekende controle over de grootte, dikte en structuur van het membraan.
Brandstofcellen en ontzilting
Naast ontzilting kan het membraan ook op veel andere manieren gebruikt worden. De stabiliteit bij zeer hoge en lage pH-waarden maakt het geschikt voor brandstofcellen. Ook hangt het relatief eenvoudige productieproces niet af van organische oplosmiddelen, en repareert het materiaal zichzelf in zout water. Mogelijk gaat het hier om het membraan van de toekomst.
De Universiteit Twente gaat een grote rol spelen in het terugdringen van het zoute water in de deltagebieden. Wetenschapsfinancier NWO stelt voor het project SALTISolutions zo’n vier miljoen euro beschikbaar aan verschillende kennisinstellingen. Daarnaast dragen private partijen en de overheid ook 2,5 miljoen bij.
De inmenging van zout zeewater met de zoete wateren in onze deltagebieden zorgt voor problemen. De klimaatverandering en zeespiegelstijging versterken deze ook nog eens. Alleen al in de Nieuwe Waterweg, de verbinding met de zee bij Rotterdam, is zo’n achthonderd kubieke meter Rijnwater per seconde nodig om het zoute zeewater tegen te houden. Dat is bijna al het water dat nu via de Rijn ons land binnenkomt. Het tegenhouden van het zoute water met de tegendruk van het rivierwater is nodig omdat het zeewater anders de plaatsen bereikt waar zoet water wordt ingelaten naar de binnendijkse boezems.
Zoet water in onze rivieren is belangrijk voor de landbouw, natuur en onze drinkwatervoorziening. Bovendien zorgt zout water in de rivieren voor ongewenste erosie van materialen in bijvoorbeeld sluizen en havens.
De Universiteit Twente richt zich binnen SALTISolutions op drie projecten: Nature-based processen en oplossingen (coördinator: Suzanne Hulscher) Een serious game (coördinator: Mascha van der Voort) Een ‘digital twin model’ (coördinator: Jaap Kwadijk)
Natuurlijke processen
Suzanne Huslcher: ‘Hier onderzoeken we maatregelen die gebaseerd zijn op de natuurlijke processen. Het zware zoute water kruipt via de bodem de zoete wateren binnen. Er is daarom meer turbulentie nodig, een mechanisme dat het zoute en zoute water beter – in de waterkolom – met elkaar laat mengen. Hierdoor kan de zouttong niet verder kruipen. We kijken hier naar bodemvormen; golvende patronen op de bodem voorkomen de verzilting. Verder kijken we bij estuaria, de verbrede en vaak trechtervormige monding van de rivier in zee, of we met kwelders (begroeid stuk land dat aan de zee grenst) en andere oevermaatregelen via de oevers menging kunnen vergoten. In sluiscomplexen gaan we uitzoeken hoe de zoutindringing precies werkt en dit modelleren we vervolgens.’
Serious game
Bij besluitvorming over maatregelen om verzilting tegen te gaan zijn veel partijen betrokken. Daarom ontwikkelt prof. Mascha van der Voort een ‘Delta Management Game’. ‘Dit is een game die alle belanghebbenden betrekt en ondersteunt bij het nemen van beslissingen’, zegt Van der Voort. ‘De game geeft inzicht in elkaars perspectief. Ook bevordert de game de relatie en het vertrouwen in de uitkomst en in elkaar. We bouwen hiermee voort op de ‘Virtual River’ die eerder is ontwikkeld binnen het project RiverCare. Daarmee zijn we momenteel volop workshops aan het houden bij partners.”
Digital twin
Prof. Jaap Kwadijk, tevens wetenschappelijk directeur van waterinstituut Deltares, ontwikkelt een model dat het effect van alle Maatregelen binnen SALTISolutions inzichtelijk maakt.
Het tekort aan blauw water is bekend bij de meeste mensen. Denk aan de tekorten van grond- en oppervlaktewater. Het tekort aan groen water, ofwel regenwater, is echter nog vrij onbekend. Groen water is de regenval boven land die direct gebruikt wordt door planten en verdampt naar de atmosfeer. UT-onderzoekers Joep Schyns, Arjen Hoekstra en collega’s brachten in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS de tekorten van groen water in kaart.
De rivier- en grondwaterreserves nemen wereldwijd af. Nu blijkt uit een nieuwe analyse van de Universiteit Twente dat de duurzame grens aan direct regenwatergebruik (groen water) in veel regio’s is bereikt en in verschillende landen in Europa, Midden-Amerika, het Midden-Oosten en Zuid-Azië is overschreden.
Regenval voedt rivieren en grondwaterreserves, bekend als blauw water, maar een deel van de regenval wordt rechtstreeks door planten gebruikt en keert terug naar de atmosfeer als verdamping. Dit groene water is de grootste bron van water voor de productie van voedsel, vezels (voor kleding), veevoer, hout en bio-energie. Tevens is groen water essentieel voor de biodiversiteit op land die volledig van groen water afhankelijk is. Dit levert spanning op, omdat de vraag naar biomassa in de economie toeneemt, terwijl de hoeveelheid groen water beperkt is.
Groene waterschaarste
Traditioneel gaat het waterschaarstedebat altijd over blauw water. De Universiteit Twente maakt het beeld van de wereldwijde schaarste van beperkt zoetwater compleet door groene waterschaarste te kwantificeren. De onderzoekers maakten een inschatting van de hoeveelheid groen water die wordt gebruikt voor de productie van biomassa voor de menselijke economie. Dat vergeleken zij met de beschikbaarheid van groen water. De jaarlijkse regenval is beperkt en een groot deel daarvan valt in gebieden die slecht bereikbaar, onproductief of essentieel voor natuurbehoud zijn.
Consumptiepatronen
De onderzoekers konden in hun studie aantonen waar de druk op nog onaangetaste groene waterstromen het grootst is, waaronder tropische regenwouden. Schyns: ‘Door bevolkingsgroei, de consumptie van relatief meer dierlijke producten en energie uit biomassa, neemt de groene watervoetafdruk van de mens alleen maar toe. Om de toenemende druk op beperkt groen water af te remmen, is het van belang om onze consumptiepatronen te heroverwegen. Door onze eigen voetafdruk te verkleinen vermindert de noodzaak om elders groen water van de natuur ‘af te pakken’ voor land- en bosbouw.’
Het bestuur van het NWO-domein Exacte en Natuurwetenschappen keurde acht projectvoorstellen goed voor het gezamenlijke initiatief: Water challenges for a changing world. Het gezamenlijke initiatief richt zich op de uitdaging om duurzame watersystemen mogelijk te maken voor een duurzame economie in en buiten Europa. Twee van de goedgekeurde projecten worden geleid door onderzoekers van de Universiteit Twente.
Het RECOWATDIG-onderzoeksproject zal een technisch ontwerp maken van een modulaire en mobiele installatie voor het gefaseerd terugwinnen van landbouwwater door gistingsproducten met een hoog vochtgehalte te drogen.
RECOWATDIG biedt toegang tot waterreserves die momenteel niet worden gebruikt, zoals water dat verdampt tijdens het drogen van vaste gistingsproducten met een hoog vochtgehalte. Het project streeft naar synergie door waterterugwinning te integreren met een verbeterde warmtebalans tijdens het droogproces en benutting van de latente warmte die tijdens het condenseren van het water kan worden teruggewonnen.
HTC
Dankzij hydrothermische carbonisatie (HTC) wordt het synergiepotentieel verder vergroot door positieve effecten op het gebied van ontwatering en sanering. De zuivering van het water uit twee afzonderlijk verkregen stromen wordt bereikt door verschillende soorten membraanprocessen te gebruiken die het elektriciteitsverbruik, CAPEX en onderhoudskosten optimaliseren. Door zuiver water te verzamelen en op te slaan, wordt het elektriciteitsverbruik verder verbeterd en kunnen de kosten voor het gebruik van elektriciteit buiten piekmomenten worden geminimaliseerd. Hierdoor is de voorgestelde technologie klaar voor het slimme energienet.
Hergebruik
De voorgestelde technologie voor waterterugwinning uit digestaat heeft als extra voordeel dat het concentraat dat daaruit ontstaat opnieuw kan worden gebruikt: het wordt tijdens de verwerking van afvalwater gerecycled als een technologische vloeistof, waardoor de hydratering van de sludge toeneemt. Door het gebruik van concentraat is deze technologie afvalvrij. De voorgestelde installatie kan het digestaat omzetten in een waardevol en verkoopbaar product.
Informatieaqueduct
Het project iAqueduct wordt geleid door Bob Su, hoogleraar Spatial Hydrology and Water Resources Management bij de faculteit ITC. Dit voorstel bestaat uit een geïntegreerd informatieaquaduct (‘iAqueduct’) dat de kloof moet dichten tussen wereldwijde satellietobservaties van de waterkringloop en lokale informatiebehoeften voor het duurzaam beheren van waterreserves. In de achterliggende decennia werden er uiteenlopende satellietmissies ontwikkeld om de wereldwijde waterkringloop te bewaken. Daarbij werd met name gelet op de variabelen met betrekking tot neerslag, verdampingsversnelling en bodemvochtigheid – vaak met een ruimtelijke resolutie van (tientallen) kilometers.
Deze gegevens zijn uiterst effectief om verschillen in de waterkringloop te kenschetsen van regionaal tot wereldwijd niveau, maar zijn niet geschikt voor duurzaam beheer van waterreserves; deze vereisen altijd meer gedetailleerde informatie op lokaal niveau, zoals informatie die door een in-situ-sensor wordt verstrekt, bijvoorbeeld een TDR voor bodemvochtigheid of een piëzometer voor het grondwaterpeil. Ook op veldniveau is meer informatie nodig.
Droogte
De droogte in Europa in de zomer van 2018 zal worden gebruikt als concrete retrospectieve toepassing om de voordelen van gedetailleerde informatie over de waterkringloop voor waterbeheer aan te tonen. Daarbij wordt samengewerkt met lokale waterschappen, zoals Vechtstromen in Twente.
Het beoogde iAqueduct wil deze doelen realiseren door gegevens van de Copernicussatelliet (gemiddelde resolutie) te combineren met beelden in hoge resolutie van onbemande luchtvaartuigen (UAS) en lokale observaties. Op basis daarvan moeten schaalfuncties voor bodemeigenschappen en bodemvochtigheid en verdampingsversnelling op meterschaal worden ontwikkeld. iAqueduct zal de uiteenlopende componenten van de observaties van de waterkringloop integreren in lokale bodem- en wateroverzichten in een open-source waterinformatiesysteem. Ook zal het gebruik ervan voor het duurzaam beheer van waterreserves op pan-Europese schaal worden getest en gedemonstreerd op een reeks onderzoekslocaties.