Zeep retour; FILTER ZEEFT ZEEPRESTEN UIT AFGEKOELD WASWATER

De Delftse ingenieur dr.ir. Paul Brasser ontwikkelde een methode om zeepresten terug te winnen uit het waswater van industriele wasserijen. Hergebruik van warmte zorgde tevens voor een forse energiebesparing.

TUTTIGE reclamespotjes van lieden die de huisvrouw meenemen voor een educatieve wandeling langs textielvezels, zijn aan industriele wasserijen niet besteed. Het gaat hen erom hoe ze tegen de laagste kosten een acceptabel resultaat kunnen krijgen. Nederland telt circa 200 van dergelijke industriele wasserijen. Per week gaan er duizenden kilo's was doorheen, afkomstig van ziekenhuizen, bedrijven en hotels. Dat gebeurt niet in trommelwasmachines, zoals thuis, maar in wasbuizen; continu draaiende machines waarbij de was er aan de ene kant vuil ingaat en aan de andere kant weer (acceptabel) schoon uit komt.

Een wasbuis heeft gemiddeld een capaciteit van 8.000 kilo per dag. Hij is verdeeld in compartimenten voor de verschillende onderdelen van het wasproces, zoals inweken, voorwassen, wassen, spoelen en drogen. Door de draairichting van het compartiment om te keren, wordt de was door de buis getransporteerd.

Wassen is een scheidingsproces waarbij microscopisch kleine deeltjes en moleculen met behulp van zeep losgemaakt worden van textiel. Zeep bestaat uit een aantal stoffen. De belangrijkste zijn de oppervlakte-actieve stoffen, die de deeltjes losweken. Daarnaast bevat zeep soms ook een bleekmiddel en een desinfectans.

De oppervlakte-actieve stoffen adsorberen aan de deeltjes en (vet)moleculen waardoor deze `oplossen' in water. Oplossen is eigenlijk niet het goede woord; dankzij hun mantel van oppervlakte-actieve stoffen worden de vuildeeltjes omgevormd in stabiele zwevende deeltjes die zich met het water laten afvoeren.

Oppervlakte-actieve stoffen kenmerken zich door hun polaire kop gekoppeld aan een apolaire staart. Polair wil zeggen dat de kop een ladingsverdeling heeft, een plus- en een minkant.

Zo'n `kop' voelt zich dan ook thuis in een polair medium als water. De staart daarentegen absoluut niet. Die is `hydrofoob', ofwel bang van water.

Het gevolg is dat oppervlakte-actieve stoffen slecht oplosbaar zijn zowel in polaire vloeistoffen als water als in apolaire oplosmiddelen. Die tweeslachtigheid maakt deze stoffen geschikt als zeep. Ze zijn van nature geneigd om zich te nestelen op het grensvlak van een polair en een apolair milieu, bijvoorbeeld het grensvlak tussen water en een vetvlekje op textiel.

De tweeslachtigheid zorgt ook voor een merkwaardig oplosgedrag van oppervlakte-actieve stoffen. Merkwaardig in de zin dat ze `individueel' slecht oplosbaar zijn, maar collectief juist goed. Afzonderlijke moleculen vormen vanaf een zekere temperatuur micellen `bolletjes' van circa vijftig moleculen die zodanig zijn gerangschikt dat de apolaire staarten naar binnen wijzen en de polaire koppen naar buiten. Daarmee is een micel goed oplosbaar in water.

KRAFFT-PUNT

De vorming van micellen is afhankelijk van de temperatuur en de concentratie van moleculen. Bij lage temperaturen vormen zich geen micellen. Stijgt de temperatuur tot boven een bepaald punt dan neemt het aantal moleculen dat in oplossing gaat toe en wel zodanig dat zich micellen kunnen vormen.

De concentratie waarbij micelvorming optreedt heet `critical micellization concentration' ofwel CMC. De temperatuur waarbij dat gebeurt heet het Krafft-punt, genoemd naar de onderzoeker Krafft. Boven het Krafft-punt blijft de concentratie enkelvoudige moleculen in oplossing constant, maar het aantal micellen groeit ongebreideld. De totale oplosbaarheid neemt dus enorm toe.

Het omgekeerde gebeurt ook en dat is de basis voor het door dr.ir.

Paul Brasser ontwikkelde terugwinningsproces. Brasser promoveerde op 29 september op dit onderzoek dat hij uitvoerde bij de vakgroep Chemische Procestechnologie, sectie Fysische Chemie, van de TU Delft. Door de temperatuur van een oplossing met micellen te verlagen tot onder het Krafft-punt, vallen de micellen uit elkaar tot enkelvoudige moleculen. De concentratie daarvan ligt ver boven hun oplosbaarheid met als gevolg dat ze uitkristalliseren. Daarbij vormen ze sandwich-achtige structuren: De `sneetjes' bestaan uit de polaire kop van de moleculen en het `beleg' uit de ineen gevlochten staarten.

Het ontstaan van kristallen verraadt zich door het troebel worden van de oplossing. Ook het geleidingsvermogen van de oplossing neemt plotseling toe als zich kristallen gaan vormen. In het huishouden manifesteren de kristallen zich soms ook als witte vlekken op de schone was. Met name in gebieden met hard water, aldus Brasser, want calcium- en magnesiumionen beinvloeden de oplosbaarheid van zeep nogal.

De kunst is om mooie kristallen te vormen. De kristallen worden namelijk uit het waswater gefilterd. Tijdens de filtratie ontstaat een steeds dikkere filterkoek, waarvan de doorlatendheid de efficiency van het filterproces bepaalt. De doorlatendheid is op zijn beurt weer afhankelijk van vorm en grootte van de kristallen. Door niet te snel te koelen (4 graden per uur) is de oplossing slechts licht onderkoeld (en dus licht oververzadigd) als het kristallisatieproces op gang komt. Dat geeft regelmatig gevormde kristallen, die een goede filterkoek vormen.

ONTWERPSCHETS

Brasser heeft de resultaten van zijn onderzoek uitgewerkt tot een ontwerpschets voor een installatie voor het terugwinnen van oppervlakte-actieve stoffen uit waswater.

Uitgangspunt was de Voss-Archimedia wasbuis die veel in Nederland wordt gebruikt. In de verschillende compartimenten van de wasbuis komt bij elkaar zo'n zes liter waswater vrij. Het grootste deel, vijf liter, komt in aanmerking voor recycling van oppervlakte-actieve stoffen. De rest, voornamelijk spoelwater, bevat te weinig oppervlakte-actieve stoffen om ze zinvol terug te winnen.

Het te recyclen water wordt afgekoeld in een warmtewisselaar, waarbij de warmte wordt benut om water te verwarmen. In een eerste warmtewisselaar wordt het water snel afgekoeld tot net boven het Krafft-punt van de opgeloste oppervlakte-actieve stof. Afhankelijk van de oppervlakte-actieve stof ligt dat rond de 30 graden Celsius.

In een tweede warmtewisselaar wordt de temperatuur van het water volgens een tevoren vastgelegd traject verlaagd tot ongeveer 25 graden. Bij die temperatuur ontstaan zwevende zeepkristallen.

Gevaar voor het dichtslibben van de buizen van de warmtewisselaar is er niet volgens Brasser. ``Er vormt zich een gladde zeeplaag op de binnenwand van de buis waardoor de zeepkristallen niet neerslaan, maar met de waterstroom mee de warmtewisselaar verlaten.'

Na filtratie resteert een natte filterkoek. Die bestaat voornamelijk uit zeepkristallen en kan zo weer worden gebruikt. Immers, toegevoegd aan water met een temperatuur hoger dan het Krafftpunt, vallen de kristallen uit elkaar tot enkelvoudige moleculen die binnen de kortste keren micellen vormen.

Per jaar levert hergebruik van oppervlakte-actieve stoffen een besparing op van circa 7.500 gulden per wasbuis, concludeert Brasser. Aardig, maar te weinig om de investering in een terugwin-installatie rendabel te maken.

Maar dat verandert als ook rekening wordt gehouden met de warmte die tegelijk met de zeepkristallen wordt teruggewonnen.

In een originele Voss-Archimedia wasbuis wordt per uur 6 kubieke meter water opgewarmd van 15 tot 30 graden Celsius. In de buis zelf wordt het water nog verder opgewarmd tot de gewenste wastemperatuur. Door de warmte uit het waswater terug te winnen kan die 6 kubieke meter worden opgewarmd van 15 tot 42 graden Celsius zonder dat er warmte van buitenaf toegevoerd hoeft te worden. Dat levert een besparing op van 420 megawattuur per jaar hetgeen overeenkomt met een bedrag van 105.000 gulden.

In totaal levert het terugwinnen van warmte en zeep 112.000 gulden per jaar op. De investering bedraagt, aldus Brasser, ruwweg 250.000 gulden. ``Houden we ook rekening met de exploitatiekosten, onder meer extra arbeid, filters en wat dies meer zij, dan verdient de installatie zich in circa vier jaar terug.' En dat is volgens Brasser een alleszins acceptabele `pay back'-periode, waarmee een investering in een terugwin-installatie nu al te rechtvaardigen is. ``Bovendien mag je waarschijnlijk extra voordelen verwachten van het recyclen van de oppervlakte-actieve stoffen. Zo kan er meer zeep worden gebruikt, waardoor de wastijd wordt verkort en de capaciteit van de wasbuis wordt verhoogd van 2.000 naar bijvoorbeeld 2.200 ton per jaar. Dat levert extra financieel voordeel op.'