Hightech filters voor waterzuivering

Openingsbeeld: Gijs van Ouwerkerk

 

In april opende de Universiteit Twente de deuren van haar nieuwe Waterlab. Het kleine glazen gebouw gaat als testcentrum fungeren voor onderzoek en educatie op het gebied van water- en membraantechnologie. De Ingenieur ging op bezoek.

 

‘Hé, wat is dat?’ In het stille glazen gebouwtje op de campus in Enschede begint plotseling een machine te zoemen en te borrelen. ‘Er zijn bewakingscamera’s, misschien hebben ze ons gehoord en het apparaat speciaal voor ons aangezet’, oppert Heleen Sombekke. Zij is projectleider bij de afdeling membrane science and technology van de Universiteit Twente en één van de drijvende krachten achter de bouw van het gloednieuwe Waterlab waarin we ons bevinden. Hier gaan membraanwetenschappers uit Twente voortaan waterzuiveringsexperimenten opschalen een noodzakelijke tussenstap voordat een technologie naar een waterbedrijf kan.

‘Als je op een A4-tje een destillatiekolom uitrekent en je bouwt hem, dan doet hij vervolgens wat je verwacht’, vertelt Wiebe de Vos, hoogleraar membraanwetenschappen aan de Universiteit Twente. ‘Voor membranen geldt dat niet. Membraanprocessen worden meestal nog enigszins aangepast als ze vanuit labomstandigheden naar de praktijk gaan.’ Het gaat dan om de druk, stroomsnelheid van het water en benodigde schoonmaakfrequentie, waarvan pas achteraf bekend is hoe hoog die moet zijn.

 

Een paar kuub per uur

 

De schaal van waterzuivering in een laboratorium is ongeveer een miljoen keer kleiner dan in een drinkwaterbedrijf, zegt Walter van der Meer, directeur van drinkwaterbedrijf Oasen in Gouda en deeltijdhoogleraar aan de Universiteit Twente. ‘Waar men in een lab water behandelt met een snelheid van pakweg een liter per uur, gaat het bij drinkwaterbedrijven om duizend tot drieduizend kuub per uur.’

Het Waterlab zit hier tussenin, daar wordt een paar kuub water per uur verwerkt. Zo krijgen wetenschappers niet alleen de kans de technologie geschikt te maken voor opschaling, maar hebben ze ook een beter demonstratiemodel om eventuele gebruikers van de technologie te overtuigen.

‘Als iemand op basis van een reageerbuisje water zegt: Kijk dan, het werkt!, zijn die toekomstige gebruikers niet meteen overtuigd’, zegt van der Meer. ‘Maar zo’n membraanmodule op tussenschaal, die draait bij regen en zon, of het nu warm is of koud, lijkt het al meer op het echte werk.’

 

 

Waterwonder

 

Zo’n testmodule is het Watermiracle, de machine die zojuist plotseling in actie kwam. Het water dat door de membranen in deze installatie stroomt, komt uit de nabijgelegen vijver en wordt na zuivering gebruikt om de hockeyvelden in de buurt te beregenen. Voorheen gebeurde dat met water uit de kraan. De Vos: ‘Het is kunstgras, als dat droog is en je valt of maakt een sliding, krijg je brandwonden.’

De zuivering heeft met name als doel algen uit het water te filteren. Die maken de velden spekglad. Vervolgens gaat het water eerst naar de opslag – een ondergronds bassin van duizend kubieke meter. Indien nodig kan het in perioden van droogte ook voor beregening van het gras en de bomen op de campus zelf worden gebruikt.

 

Dit is een verhaal uit De Ingenieur van juni 2023. Interessant? Neem eens een proefabonnement van drie nummers voor 25 euro.

 

Watertekort in Twente

 

Dat is geen overbodige luxe, want Twente kent perioden met watertekort. Nieuwe bedrijven die zich er willen vestigen, krijgen van drinkwaterbedrijf Vitens nu al vaak te horen dat ze geen aansluiting kunnen krijgen. ‘Wel voor hun kantoor en toiletten’, zegt Sombekke, ‘want dat is wettelijk verplicht. Maar niet voor hun productieproces.’

Het probleem van Twente is dat het zich op de hoge zandgronden bevindt en afhankelijk is van grondwater. Het aanvullen van die grondwatervoorraden gebeurt hier alleen door de regen: grote rivieren gaan om het gebied heen, water stroomt nu eenmaal omlaag en niet omhoog.

‘Door bedrijven te weigeren voorkomen we dat er in perioden van piekvraag niet genoeg water voor huishoudens overblijft’, zegt Van der Meer. ‘In droge warme zomers, als mensen hun zwembadjes vullen, is de vraag soms wel anderhalf keer groter dan gemiddeld.’ Ook ander drinkwaterbedrijven hebben hiermee te maken, vertelt hij. ‘We kunnen wel water opslaan als de vraag minder hoog is, maar de kelders van drinkwaterbedrijven zijn niet groot genoeg voor een maand. Eerder voor een dag.’

 

WAT IS EEN MEMBRAAN?

Simpel gezegd is een membraan een zeer fijne zeef, waarvan de grootte van de gaten bepaalt wat er wel en niet doorheen gaat. Voor waterzuivering is dat ideaal, omdat watermoleculen veel kleiner zijn dan de verontreinigingen. Circa 10 tot 20 procent van het water blijft achter met daarin de stoffen die niet door de poriën van het membraan passen. De concentratie aan verontreinigende stoffen in dit restwater is dan vijf tot tien keer hoger dan in het ongefilterde water.

Poriegrootte

Onderzoekers zijn erin geslaagd de poriën van membranen in de loop der jaren steeds kleiner te maken. Dat begon met poriën op micrometerschaal die bacteriën tegenhouden en ging via poriën van vijftig tot honderd nanometer waar de meeste virussen niet doorheen kunnen, naar poriën van een tot twee nanometer waar ook organische moleculen, zoals medicijnresten, niet meer door passen. Daarnaast zijn er reverse osmose-membranen, die bekend zijn van het ontzilten van zeewater. Hierbij is geen sprake meer van echte poriën, maar verplaatsen de watermoleculen zich door de vrije ruimte tussen polymeerketens waaruit de membranen bestaan. Door het water onder hoge druk door zo’n membraan te duwen wordt het gezuiverd en blijft het zout in een hoge concentratie achter in het restwater – precies andersom dan bij osmose het geval is.

Moleculaire eigenschappen

Naast de poriegrootte spelen de lading van het membraan en de moleculaire affiniteit een rol. Zo laten sommige membranen vooral hydrofiele stoffen door en andere vooral hydrofobe stoffen. Een positief geladen membraan kan op die manier negatief geladen virussen uit het water oppikken. Deze blijven plakken op het membraan als vliegen op een vliegenkleefstrip. ‘Met al die materiaaleigenschappen kunnen we spelen’, zegt membraanexpert Wiebe de Vos van de Universiteit Twente, ‘zodat membranen bepaalde stoffen juist tegenhouden en andere weer doorlaten.’

Vorm

Er zijn verschillende manieren waarop water door een membraan kan stromen. Grofweg komt het er op neer dat het membraan de vorm kan hebben van een vel – zoals een koffiefilter – of van een rietje. In het eerste geval spreekt men van vlakke plaatmembranen, in het laatste geval van tubulaire, capillaire of holle vezelmembranen. Het water gaat door de opening van het rietje naar binnen, en komt het er aan de zijkanten via het membraan weer uit. Membraanmodulen bestaan vaak uit tienduizenden van zulke rietjes met aan de bovenkant lijm ertussen, zodat het water alleen door de holle vezels naar binnen kan stromen. In een installatie bevinden zich vaak vier- tot vijfhonderd van zulke modulen, van elk ongeveer een meter lang.

 

 

PFAS en medicijnresten

 

Op dit moment zijn er een paar drinkwaterbedrijven die membranen gebruiken bij de zuivering van grond- of oppervlaktewater, waaronder Oasen. Afvalwaterzuivering gebeurt vooralsnog vooral in een bioreactor, waar bacteriën de verontreinigende stoffen afbreken. Maar ook daar wordt de mogelijkheid om membranen te gebruiken overwogen.

De Vos: ‘Zeker als het erg droog is en verontreinigingen in hogere concentraties in het water voorkomen, zien we medicijnresten, PFAS en nano- en microplastics opduiken. Deze stoffen worden steeds meer gebruikt en dankzij verbeterde analysemethoden kunnen we ze ook steeds beter meten.’ Een membraan kan al die stoffen in één keer wegvangen – als de poriën maar nauw genoeg zijn – terwijl andere technologieën vaak óf PFAS óf medicijnresten óf plastics verwijderen.

‘We halen er waarschijnlijk zelfs moleculen uit waarvan we nu nog niet weten dat ze erin zitten’, zegt Van der Meer. Bij de metingen gaat de grootteorde namelijk met dezelfde snelheid omhoog als bij de poriën van de membranen: dertig jaar geleden was men heel trots als men op het lab iets op micronschaal kon meten, nu kan men stoffen ontdekken waarvan slechts een nanogram per liter aanwezig is. Van der Meer: ‘Dat is te vergelijken met een voetbal vinden in een tot de rand toe met water gevuld voetbalstadion.’

Een ander voordeel van membranen is dat hun prestatie minder afhankelijk is van externe omstandigheden dan waterzuivering op basis van biologische of chemische processen: sommige bacteriën werken minder goed als het te koud is en chemische processen kunnen verstoord raken door onverwachte stoffen in het water die gaan mee reageren.

 

Energie

 

‘Het energieverbruik van membraanfiltratie is twee tot drie keer hoger dan dat van een traditionele drinkwaterzuivering met zandfilters, actieve koolfilters, desinfectie en ontharding’, zegt Van der Meer desgevraagd. ‘Maar als we alles meetellen, dus ook de productie van de onthardingschemicaliën en het gebruik en verversen van de actieve kool, zijn we met membranen toch beter af.

De CO₂-voetafdruk van drinkwaterzuivering op basis van membraanfiltratie ligt zelfs 60 tot 70 procent lager dan van een traditionele drinkwaterzuivering.’ Membranen zijn behoorlijk efficiënt, beaamt De Vos. ‘Alleen bij omgekeerde osmose van zeewater is wel heel veel energie nodig om de osmotische druk te overwinnen.’ Een nadeel van membraantechnologie is wel dat er altijd een afvalstroom overblijft, waarin de vervuiling in een hoge concentratie aanwezig is.

 

Biomembraanreactor

 

Voor the best of both worlds is een bioreactor met membranen te combineren, zegt De Vos. Op dit moment heeft hij bij een afvalwaterzuivering een pilot lopen waar dit gebeurt, met als doel medicijnresten uit het water te halen. Ook Van der Meer is bij het project betrokken.

‘Een bioreactor werkt minder efficiënt bij lage concentratie. Daarom laten wij steeds een bioreactor 10 tot 20 procent van de medicijnresten afbreken en halen het water daarna door een membraan. Het restwater dat achter dit membraan achterblijft, met de verhoogde concentratie aan medicijnresten, gaat vervolgens terug de reactor in.’

Dit resulteert in een recyclingloop waarbij de effectieve verblijftijd van een molecuul in de bioreactor veel langer is dan gebruikelijk. Het membraan moet dan alleen niet te veel andere dingen tegenhouden, zoals zouten. De Vos: ‘Als die ook terugkeren in de bioreactor, verkalken en verzilten de bacteriën en die worden dan minder actief.’

 

Mozaïekmembranen

 

Mede om die reden ontwikkelt de groep van De Vos nu membranen die heel precies te tunen zijn, zodat ze zout wel doorlaten, maar organische moleculen zoals medicijnresten niet. Deze nieuwe mozaïekmembranen zijn opgebouwd uit lagen die beurtelings positief en negatief zijn geladen. Het basismembraan heeft poriën van tien nanometer, maar die worden bij elke nieuwe coatingslaag met een poly-elektroliet (een geladen polymeer) verder gedicht tot er helemaal geen poriën meer zijn.

De Vos: ‘Deze lagen laten zich als een soort legoblokjes heel goed op elkaar stapelen. Maar omdat de poriën uiteindelijk dicht zijn, vindt het transport van moleculen daarna alleen nog plaats in de ruimten tussen de polymeerketens. De geladen polymeren liggen als een soort spaghetti bij elkaar, waarbij altijd nog ruimte tussen de slierten zit.’ Uiteindelijk blijven de medicijnresten aan de polymeren haken, terwijl het zout – dat zelf ook uit positief en negatief geladen deeltjes bestaat – er wel doorheen kan.

De eerste generatie van deze membranen is al op de markt gebracht, door de bedrijven NX Filtration en Pentair X-flow. De Vos: ‘Wij kijken nu naar nieuwe toepassingen. Kan dit in bioraffinaderijen worden gebruikt? Of bij de voedselproductie? Dat zou veel nieuwe kansen bieden.‘

 

Ultrafiltratie

 

In het Waterlab is het Watermiracle intussen hard aan het werk. Te zien is hoe het vervuilde water omhoog komt uit de vijver en het schone water door een andere buis omlaag gaat naar de opslagkelder. De membranen bevinden zich in buizen – het zijn opgerolde vellen, legt Van der Meer uit, waardoor er veel membraan in een kleine ruimte past. Het Watermiracle maakt gebruik van ultrafiltratie, een bekende technologie die in het Waterlab een nieuwe toepassing heeft gekregen. De membranen zijn afkomstig van een bedrijf dat ooit bij de Universiteit Twente als startup begon.

Een andere opstelling in het Waterlab heeft als doel gemineraliseerd drinkwater te maken. Van der Meer: ‘De norm is in Nederland dat we alle essentiële mineralen die we nodig hebben, zoals natrium, kalium en magnesium, binnenkrijgen uit het drinkwater. Dat kun je overdreven noemen – vrijwel niemand leeft hier op water en brood, en zelfs dan zou je nog flink wat uit het brood halen – maar je kunt ook zeggen dat we het echt goed voor elkaar hebben hier.’

Hoe dan ook: als water met een membraan is gezuiverd, is het vaak té schoon en moeten er achteraf weer zouten aan worden toegevoegd. De Vos: ‘Bij de pilot met de mozaïekmembranen laten we het zout niet door, maar trekken we ionen zoals calcium en magnesium al uit het water voordat dit door het membraan gaat. Dan voegen we ze na de membraanbehandeling weer toe.’ Dat heeft meerdere voordelen. Zo raakt het membraan niet verkalkt en hoeft het zout niet ergens anders vandaan te komen. Van der Meer: ‘Dat is duurzaam, want er hoeft geen zout te worden versleept met vrachtauto’s. En het zout is nog gratis ook!’

 

Locatie

 

Of het niet onhandig is dat het Waterlab niet naast de afdeling voor membrane science and technology staat maar op een afstand van ruim tien minuten lopen? ‘Het is de ideale plek’, zegt Sombekke. ‘We hebben toegang tot het oppervlaktewater in de vijver en tot regenwater dat van de ernaast gelegen High Tech Factory afstroomt en we staan naast een hotel en studentenflat waarvan we afvalwater kunnen afnemen. Ook daarvan kunnen we op termijn proberen drink- of proceswater te maken.’

Het uiteindelijke doel is – wellicht wat optimistisch – om uiteindelijk met membranen het water op de campus circulair te maken. Van der Meer: ‘Alles is circulair tegenwoordig, van gft-afval tot plastic, hout en batterijen, maar water wordt alleen door de natuur als circulaire grondstof beschouwd – zij het met een omlooptijd van eeuwen.’ Drinkwaterbedrijven lozen hun gebruikte water doorgaans via de rioolwaterzuivering op het oppervlaktewater, waarna het meestal in de Noordzee belandt. ‘Als we van het rioolwater in Twente weer drinkwater kunnen maken, zijn de steden hier van het drinkwaterprobleem af’, zegt Van der Meer. ‘En daarvoor zijn membranen ontzettend geschikt.’