Praktische toepasbaarheid meerlaagse polyelektrolyt nanofiltratie membranen

Eerste grote pilot opgezet op rwzi Enschede-West

Het 'Department of Membrane Science & Technology' van de Universiteit Twente heeft in de ruim vijftig jaar van zijn bestaan belangrijke stappen gezet op het gebied van membraantechnologie. Eén van de highlights is het onderzoek naar de praktische inzetbaarheid van meerlaagse polyelektrolyt nanofiltratie membranen. Dit gebeurt op dit moment in een pilotopstelling op de rwzi Enschede-West. Hier wordt onderzocht in hoeverre deze technologie – in combinatie met een bioreactor voor het verwerken van het concentraat – geschikt is voor het grootschalig verwijderen van medicijnresten en andere organische microverontreinigingen.

Het zuiveren van huishoudelijk afvalwater wordt steeds lastiger door onder meer de aanwezigheid van medicijnenresten, pesticiden, nanoplastics en hormonen. De meeste stoffen zijn door menselijk toedoen in het water terechtgekomen en kunnen op korte of langere termijn schade aanrichten aan mens en milieu. Omdat de hoeveelheid bovendien oploopt, is het belangrijk dat er snel oplossingen komen.

Professor Wiebe de Vos doet onderzoek naar membraantechnologieën bij de Universiteit Twente en geeft aan: “Eén van de oplossingen om dit soort stoffen uit afvalwater te verwijderen, is gebruik te maken van membranen. We doen in Enschede al langer onderzoek naar verschillende soorten membraantechnologieën die we zelf ontwikkelen en hebben in de afgelopen jaren belangrijke resultaten behaald.”

  

Hollevezel membraantechnologie in vogelvlucht

Het specialisme van De Vos ligt bij de zogenaamde 'hollevezel'-membranen. De wand van zo’n holle vezel – een soort rietje – is in feite het membraan dat poriën bevat. De grootte van deze poriën is te controleren, bijvoorbeeld rond de 1.000 nm om bacteriën uit water te halen of maar 10-20 nm om virussen te verwijderen. Wanneer afvalwater door de holle vezel stroomt, laat de wand uitsluitend schoon water (het effluent) door terwijl het concentraat met vervuiling doorstroomt. Aan het einde van de vezel zal dit relatief vuile concentraat uiteraard verder moeten worden behandeld. Door veel holle vezels te bundelen zijn grote hoeveelheden water per tijdseenheid te filtreren.

Wiebe de Vos: “Deze membraantechnologie is geschikt voor het schoonmaken van water, maar de poriën zijn nog te groot om ook de uiterst kleine medicijnresten goed te kunnen verwijderen.”

Doorlaatbaarheid zouten

Nu bestaan er wel dichtere typen membranen, bijvoorbeeld voor omgekeerde osmose, maar deze houden niet alleen de medicijnresten maar ook de aanwezige zouten - zoals NaCl – tegen. Deze zouten zijn belangrijk voor drinkwater en vormen bovendien met het overige concentraat een complexe afvalstroom die erg lastig is te behandelen. De Vos: “Met traditionele membranen konden we het probleem van medicijnresten dus niet goed oplossen, we hadden echt membranen nodig met nieuwe eigenschappen.”

Een oplossing hiervoor werd gevonden in de ontwikkeling van zogenaamde meerlaagse polyelektrolytmembranen (PEM). Deze membranen zijn opgebouwd uit dunne laagjes (typisch 10 – 100 nm) die om-en-om positief en negatief zijn geladen en voorzien van poriën in het nanobereik. Bij het stapelen van de laagjes bevinden de poriën zich op willekeurige plekken waardoor moleculen als het ware eerst een doolhof moeten doorlopen voordat ze kunnen uittreden. Door te variëren in polyelektrolyten (hoeveelheid lading), het aantal lagen en de zuurgraad en de zoutconcentratie tijdens de opbouw, is de technologie geschikt om steeds weer een ander membraan te creëren voor specifieke toepassingen.

Wiebe de Vos: “Andere voordelen van deze technologie liggen in het feit dat het te gebruiken is in zowel vlakkeplaat- als hollevezelmembranen, chemisch stabiel is, goed te reinigen en – door de dunne laagjes – relatief energiezuinig is. Het laatste aspect geldt zeker in vergelijking met technieken als omgekeerde osmose. Inmiddels is deze technologie zover doorontwikkeld, dat membranen gebaseerd op PEM wereldwijd op diverse plaatsen worden toegepast; hetzij in een pilot, hetzij in full-scale installaties van onder andere Pentair en NX Filtration.”

Optimaliseren

Ten slotte zijn er ontwikkelingen gedaan om de retentie (het vermogen om deeltjes tegen te houden) en de permeabiliteit (de doorlaatbaarheid) te verbeteren. Dit zijn twee ogenschijnlijk tegenstrijdige eigenschappen: enerzijds wil je immers alle specifieke deeltjes tegenhouden, anderzijds wil je de weerstand zo klein mogelijk houden om grote hoeveelheden water in een kort tijdbestek te kunnen behandelen. Toch is ook hiervoor een oplossing gevonden door het combineren van meer open PEM membranen – die de doorstroming bevorderen – en daar bovenop enkele uiterst dunne maar dichte polyelektrolyt lagen. Deze laatste lagen fungeren samen als scheidende laag waarmee het membraan in staat is specifieke moleculen tegen te houden. Dit principe is schematisch weergegeven in figuur 1. 

Benchmarken

Wiebe de Vos: “Vervolgens zijn we onze membraantechnologie gaan benchmarken met andere scheidingstechnologieën op basis van een literatuurstudie. Hierdoor komen namelijk de unieke eigenschappen van deze specifieke technologie bovendrijven. Met deze kennis kunnen we op zoek naar tot nu toe onopgeloste problemen waar deze membraantechnologie mogelijk van waarde kan zijn.”

De eerste conclusie luidde dat meerlaagse polyelektrolytmembranen zeer goed in staat zijn om microvervuiling tegen te houden (y-as; tot aan bijna 100%) terwijl het vermogen om water door te laten eveneens hoog is (x-as) (zie figuur 2). De eigenschappen an sich waren bekend, maar door het onderzoek is duidelijk dat deze membranen hiertoe beter in staat zijn dan welke andere membraantechnologie ook.

Een tweede belangrijke conclusie betreft het feit dat juist de eerder genoemde zouten in deze membraantechnologie veel beter worden doorgelaten dan bij andere technologieën, zie figuur 3.

Wiebe de Vos: “Met andere woorden: de ontwikkelde PEMs lijken bij uitstek geschikt voor het zuiveren van huishoudelijk en mogelijk ook industrieel afvalwater. Bijvoorbeeld als extra stap in een waterzuivering.”

Grootschalige pilot

Op basis van onder andere deze resultaten is een grootschalige pilot opgezet bij de rwzi Enschede-West.

Hoofdonderzoeker en projectleider Sander Haase: “Dit type pilot is ongelooflijk belangrijk omdat je hier niet alleen de meerlaagse nanofiltratie membraantechnologie test op relevante eigenschappen, maar je het hele proces van nanofiltratie in combinatie met concentraatrecirculatie onderzoekt; zie figuur 4.

Dit proces is onderverdeeld in twee stukken:

1. de biologische behandeling van het afvalwater en het teruggevoerde nanofiltratieconcentraat en
2. het membraanfiltratieproces.

Het toegevoerde afvalwater is afkomstig van de gemeente Enschede en dus ‘echt’ afvalwater uit de praktijk. Het recirculeren van het concentraat leidt tot verhoogde concentraties van medicijnresten en andere verontreinigingen in de bioreactor. Dit leidt hopelijk tot aanpassing van het actief slib in de bioreactor en daarmee een versnelde afbraak van de verontreinigingen.”

Een meer gedetailleerde weergave is te zien in figuur 5 met hierin schematisch de belangrijkste onderzoeksvragen weergegeven:

1. Effect van recirculatie van nanofiltratieconcentraat op het verwijderen van organische microverontreinigingen;
2. Modellering en optimalisatie van het nanofiltratieproces;
3. Algemeen procesontwerp en basisengineering van een rwzi met deze aanvullende zuiveringstrap, inclusief een haalbaarheidsanalyse;
4. Behandeling en valorisatie van het effluent en de impact hiervan op het sluiten van de waterkringloop.

Om dit mogelijk te maken, wordt binnen de pilot samengewerkt met een groot aantal bedrijven en kennisinstituten. Zo levert de Universiteit Wageningen kennis en kunde met betrekking tot de processen in de bioreactor die het concentraat moet verwerken. Verder wordt gewerkt met membraanmodules van NX Filtration die ongeveer 1,5 m lang zijn en een diameter hebben van zo’n 10 cm; hierin zijn de holle vezels met een binnendiameter van 0,7 mm gebundeld ondergebracht.

Sander Haase: “Dit project stelt ons in staat om het proces te analyseren en de verschillende processtappen te optimaliseren. Hoe snel moet bijvoorbeeld het water door de hollevezel membranen stromen, bij welke druk werkt het proces optimaal, hoe verwerk je het overgebleven actief slib, of wat doe je met nieuwe stoffen als PFAS? De waterschappen en bedrijven spelen een belangrijke rol om de opstelling te beoordelen op praktische bruikbaarheid. Met alle kennis en ervaring die we hier opbouwen, kunnen we komen tot opschaling naar een grotere capaciteit én meer locaties.”

Van 2020 tot 2024 financierde de NWO onderzoek naar het optimaliseren van de membraantechnologie en het nanofiltratieproces; vanaf 2024 tot aan 2028 is TKI Water Technology als financier betrokken bij het pilotproject.