Moleculaire zeven; ideale asymmetrische membraan is bij toeval ontdekt

Filtering met behulp van membranen levert mooi schoon water op. Maar wat vervolgens te doen met het vervuilde restwater?

VANAF 1998 zullen de chemische fabrieken van DSM in Limburg worden voorzien van gedemineraliseerd water uit het Julianakanaal. Oppervlaktewater dus, waar tot voor kort grondwater werd gebruikt. EDeA, een joint venture van DSM en Energie Zuid Nederland wil het water reinigen met behulp van membranen, moleculaire zeven. De installatie heeft een capaciteit van 1500 kubieke meter per uur en is daarmee een van de grootste van Europa.

Membraan-installaties zijn een booming business, zo bleek tijdens de afgelopen dinsdag gehouden Waterdag van het Nederlands Corrosie Centrum in Breda. Een toenemend aantal industrieën schaft zo'n installatie aan, bijvoorbeeld voor de recycling van het steeds duurder wordende water. “Je betaalt twee keer voor water”, zo verzuchtte een van de deelnemers. “Een keer als je het koopt van het waterbedrijf en nog een keer als je het wil lozen.” Ook bedrijven die zelf grondwater oppompen zien zich geconfronteerd met toenemende kosten. Om de verdroging tegen te gaan rust er sinds 1995 een heffing op elke kubieke meter opgepompt grondwater.

Membraan-installaties zijn er in drie varianten, afhankelijk van de grootte van de moleculaire zeven. Je hebt micro- en ultrafiltratie en omgekeerde osmose. Bij microfiltratie gaat het om membranen met een poriegrootte van 100 tot 1000 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). Dergelijke membranen kun je bijvoorbeeld gebruiken om olie en water te scheiden. Ook bacteriën en pigmenten kun je er mee tegenhouden. Ultrafiltratie zeeft deeltjes uit van 1 tot 100 nanometer: macromoleculen, virussen, eiwitten en suikers. Omgekeerde osmose tenslotte maakt gebruik van membranen waarvan de poriën kleiner zijn dan 1 nanometer. Daarmee kun je ionen en pesticiden uit het water halen.

HYDROSTATISCHE DRUK

De scheiding met behulp van membranen verloopt niet vanzelf; er moet een drijvende kracht zijn die het water door de poriën perst. Bij genoemde scheidingstechnieken is dat de hydrostatische druk. Deze loopt op naarmate de poriën kleiner zijn. Voor microfiltratie is 5 atmosfeer voldoende, bij omgekeerde osmose zijn drukken tot 60 atmosfeer nodig.

In de jaren vijftig gebruikte de medische wereld membranen van cellulose-acetaat. Deze dichte membranen lieten geen zout door, maar ook vrijwel geen water. Membraanscheiding nam in die tijd uren in beslag. Min of meer bij toeval werden eind jaren vijftig de zogeheten asymmetrische membranen ontdekt. Aan de Universiteit van Los Angeles had men de gewoonte om alle membranen een poosje in heet water te leggen. De scheiding verliep namelijk sneller als het membraan opzwelde. Op een goede dag werd een bacteriefilter in heet water gelegd. Niemand vermoedde dat je met zo'n filter ook zouten kon tegenhouden, daar was het niet voor gemaakt. Maar de hitte-behandeling leverde een membraan op dat én zout tegenhield én een hoge doorlatendheid had voor water. Die tot dan toe ongekende combinatie van eigenschappen was te danken aan de asymmmetrie in het membraan. De poriën van het membraan worden van binnen naar buiten toe steeds kleiner. Hoewel het maar eentiende millimeter dik is, bestaat het membraan zelf dus ook weer uit een reeks zeven met verschillende poriegrootte.

De asymmetrische membranen werden in eerste instantie ingezet voor het ontzouten van zeewater via omgekeerde osmose. In Saoedi-Arabië en Californië verrezen enorme installaties. Nadeel is dat omgekeerde osmose nog steeds veel energie vraagt, met name pompenergie om de hydrostatische druk op peil te houden.

RIETJES

Een forse waterverbruiker is de textielindustrie. Per kilo product wordt ongeveer 200 kilo water verbruikt onder meer voor het wassen en spoelen van garens en lappen. Zo worden garens geïmpregneerd met polymeren om ze sterker te maken voor ze worden geweven. Die impregneermiddelen (onder andere zetmeel en poly-acrylaten) moeten worden uitgewassen. Volgens dr.ir. M.H.V. Mulder van de Universiteit Twente kun je membraanscheiding gebruiken om zowel het water als de grondstoffen opnieuw te gebruiken.

Voor de meeste industriële toepassingen is superschoon water niet nodig. Voor koelwater of waswater is micro- en/of ultrafiltratie afdoende. De hiervoor gebruikte membranen bestaan uit kunststoffen, zoals polyacryl of polysulfon. Voor het reinigen van water wordt meestal gebruik gemaakt van buisvormige membranen, zeg maar rietjes, van polyester met een diameter van 1 tot 15 millimeter. De rietjes worden met zijn honderden of duizenden gebundeld in een buis. Het membraan bevindt zich aan de binnenzijde van het rietje.

Door opeenhoping van vervuilingen hebben membranen de neiging dicht te slibben. Daarom wordt op gezette tijden van buiten naar binnen schoon water door het membraan gespoten.

Ook de drinkwaterbedrijven gaan zich interesseren voor membraanscheiding. Sinds eind vorig jaar reinigt het Nutsbedrijf voor de Regio Eindhoven (NRE) het spoelwater met een membraaninstallatie. Dat water is, aldus G. Vos van NRE, afkomstig van grindfilters, die ijzer- en mangaanverbindingen uit grondwater filteren. Die grindfilters moeten elke 24 uur worden gespoeld om ze te ontdoen van de bruine neerslag. Het bruine water wordt door een membraaninstallatie geleid en dat levert schoon, helder drinkwater op. Voor alle zekerheid wordt het daarna nog gedesinfecteerd met ultraviolet licht, maar echt nodig is dat niet.

Het Provinciaal Waterbedrijf in Noord-Holland (PWN) is inmiddels bezig met de bouw van een membraan-installatie in Heemskerk. Brak water uit het IJsselmeer wordt daar via ultrafiltratie en omgekeerde osmose in drinkwater omgezet. Het waterleidingbedrijf Drenthe (WMD) wil voor het eind van het jaar een membraan-installatie (laten) bouwen, die 150 tot 200 kubieke meter 'gietwater' gaat leveren aan de tuinbouwgebieden rond Klazienaveen. Het water, afkomstig uit een zandwinningsput hoefde tot voor kort niet gereinigd te worden, vertelt ir. R. Bos van WMD. Het water bevat echter steeds meer ijzerverbindingen die colloïden vormen. Via membraanscheiding kunnen die worden verwijderd.

INDAMPEN

Gebruik van membranen levert niet alleen schoner water op, maar ook een 'concentraat', een reststroom van 20 procent, waarin de vervuiling zich bevindt. Je zou dat verder kunnen indikken bijvoorbeeld door indampen, maar dat kost veel energie. Een ander alternatief is lozen op het oppervlaktewater. Volgens de Vereniging van Waterleidingbedrijven in Nederland, VEWIN, is dat een te verdedigen oplossing. De stoffen die met het concentraat geloosd worden zijn immers van oorsprong ook afkomstig uit het oppervlaktewater. De beheerders van oppervlaktewater aarzelen bij deze oplossing. Eigenlijk vinden ze dat het concentraat gezuiverd moet worden. De kosten daarvan kunnen echter een belemmering vormen voor de verdere opmars van membraanscheiding bij de bereiding van drink- en industriewater. Volgens een woordvoerder van de VEWIN zou dat erg jammer zijn, gezien de milieuvoordelen van membraanscheiding.