Onmogelijke nanobubbels van CO2 voorkomen kalkaanslag

Kalkaanslag voorkomen door de kristallisatie van CaCO₃ tot op de nanoschaal in kaart te brengen – dat is de uitdaging die promovenda Talie Zarei op haar bordje kreeg. Maar in het bewegelijke water iets bekijken op moleculaire schaal leek onmogelijk. Haar eerste resultaten waren dan ook zeer teleurstellend, totdat ze een onnatuurlijk fenomeen, tot ieders verbazing, in het wild spotte: nanobubbels. En als klap op de vuurpijl, bleken de nanobubbels een chemicaliënvrij alternatief om kalkaanslag te voorkomen.

Magnetische waterbehandeling

Ons drinkwater bevat, niet zonder reden, een dosis opgelost calcium. Dit calcium kan vervelende bijeffecten hebben en leiden tot verkalking van apparatuur zoals wasmachines en waterkokers. Tegen deze kalkneerslagen worden o.a. magneten gebruikt. Maar werken ze ook?

Een magnetische waterbehandeling klinkt te mooi om waar te zijn, stelt menig onderzoeker. En omdat het moeilijk wetenschappelijk te onderbouwen was, is het vaak afgeschilderd als onzin. Toch leek er een kern van waarheid verstopt in deze chemicaliënvrije zuiveringstechniek. Voordat kalk kristalliseert en neerslaat vormt het kleine polymeren genaamd DOLLOPs – Dynamisch Geordend Vloeistof-Achtige Oxyanion Polymeren. Deze calciumcarbonaatketens zijn het chaotische voorstadium van geordende kalkkristallen. En de DOLLOPs lijken langer verstoord in een magnetisch veld.

Aan Wetsus-onderzoeker Talie Zarei was de schone taak om met een scherp oog te kijken naar deze veronderstelling, maar in plaats daarvan deed ze een fascinerende ontdekking.

Onmogelijke ontdekking

Het bestuderen van deze ongrijpbare structuren brengt unieke uitdagingen met zich mee. “Het karakteriseren van DOLLOPs moet in situ gebeuren, in hun oorspronkelijke vloeibare omgeving bij minuscule concentraties,” zegt Zarei. Om deze hindernis te overwinnen, gebruikte ze een innovatieve benadering waarbij gebruik wordt gemaakt van flow field fractionation multi-angle light scattering. Een behoorlijke klus om voor elkaar te krijgen.

Zareis ontdekkingsreis nam een onverwachte wending toen haar eerste experimenten raadselachtige resultaten opleverden. “In het begin was ik erg enthousiast gezien we al snel resultaten zagen,” herinnert ze zich. “Maar toen zag ik soortgelijke patronen in de controle-proeven zonder calcium, en de structuren waren ook nog eens groter dan je zou verwachten van DOLLOPs. Ik was er kapot van, omdat ik dacht dat ik zoveel tijd voor niets had besteed om zover te komen.”

De ogenschijnlijke tegenslag leidde echter tot een fascinerende ontdekking. “We realiseerden ons dat ik nanobubbels aan het meten was – piepkleine CO₂-belletjes in oplossing die onmogelijk klein zijn en van nature niet zouden moeten bestaan in vloeistof, maar dat op de een of andere manier wel doen!”

Deze nanobellen openden een nieuwe weg voor onderzoek. De belletjes zijn bijzonder interessant omdat ze geladen zijn en een wisselwerking aangaan met pre-nucleatieclusters van kalk, waardoor ze het stollen van calciumcarbonaat vertragen. “Nog intrigerender is dat we ontdekten dat ze stuurbaar zijn met magnetische velden – we kunnen hun lading, grootte en andere eigenschappen manipuleren.”

Toepassing aan de horizon

“We zitten nog maar aan het begin, het begrijpen van een nieuw fenomeen, maar als je ziet wat je er mee kan – verbreed je wel echt de horizon van watertechnologie,” zegt Ruud van Nieuwenhuijze, oud innovator bij Brabant Water. Traditionele technieken verbeteren enkel het proces op basis van het bestaande, dit onderzoek opent nieuwe mogelijkheden.

En dat maakt het toekomstbestendig. “Ook de waterwinning moet gewoon duurzamer in de toekomst. Als je bijvoorbeeld chemicaliën moet toevoegen om ijzer of mangaan neer te laten slaan in de drinkwaterwinning, voeg je altijd ballast aan het systeem toe.” Dat heeft invloed op je omgeving.

Magnetische waterbehandeling, stelt Van Nieuwenhuijze, kan dit soort praktijken in de toekomst wellicht vervangen. En überhaupt is dit soort onderzoek hard nodig. “Wat je nu hier echt hebt, is serendipiteit. Per toeval stuit je verder op geweldige vondsten. Als we in de eerste plaats niet naar magnetische waterbehandeling hadden gekeken, dan hadden we nooit DOLLOPs gevonden. En als we niet verder dan DOLLOPs keken, vonden we nooit de nanobubbels.”

Van Nieuwenhuijze is overtuigd van de kansrijkheid van het onderzoek. Als je dergelijke meer fundamentele onderzoeken niet doet, mis je simpelweg kansen. “En hoewel het nog in een vroeg stadium staat, zie je de brede toepassingen al aan de horizon opkomen.”

Samenwerkingspartners

Het project “Characterisation and tuning of DOLLOPs in potable waters” was een samenwerking tussen Wetsus, Brabant Water, WLN, IPF/Grander, Schauberger Nature Technologies, Integro, H2MOTION en Coherent Water Systems.