Koud ontzouten

Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft kunnen water en zouten gelijktijdig en onafhankelijk van elkaar laten kristalliseren. Dat kost aanmerkelijk minder energie dan het laten verdampen van water.

Om er achter te komen hoeveel suiker er in een glas cola zit, kun je al het water laten verdampen, waarna gekristalliseerde suiker overblijft. Dat kost echter veel energie, want het water moet van kamertemperatuur naar het kookpunt worden verwarmd, om via de faseovergang naar stoom uit de oplossing te verdampen. Een deel van die energie kan wel via condensatie in warmtewisselaars worden teruggewonnen, maar het proces vergt niettemin onplezierig veel energie. En netto is er met het water eigenlijk niets gebeurd. Alsof je een trui verft door hem eerst helemaal uit te halen, de strengen wol verft, en daar vervolgens weer diezelfde trui van breit. De andere faseovergang, van water naar ijs, ligt slechts 20 °C beneden kamertemperatuur. Kunnen de suiker en het water wellicht ook via die faseovergang gescheiden worden? Iedereen die weleens heeft geprobeerd om een cola-ijsje te maken weet hierop eigenlijk al het antwoord. Want uit zo'n ijsje zuig je gemakkelijk alle kleur en smaak, waarna gewoon bevroren water resteert.

Professor Geert-Jan Witkamp van het Laboratorium Apparatenbouw voor de Procesindustrie van de Technische Universiteit Delft werd een jaar of vier geleden benaderd door een bedrijf dat uit een processtroom de in water opgeloste zouten wilde terugwinnen. De vraag was of daarvoor een economisch rendabel proces bestond, en of er een efficiënt apparaat voor gebouwd kon worden. Samen met collega Jan de Grauw en promovendus Frank van der Ham berekende Witkamp de energiehuishouding van verschillende processen. Vrij snel werd duidelijk dat `eutectische vrieskristallisatie' (EFC) theoretisch beschouwd veel energiezuiniger is dan verdampingskristallisatie. In de jaren zeventig werd hiermee voor het eerst geëxperimenteerd, met als mogelijk praktische toepassing het ontzilten van (zee)water. Wanneer een zoutoplossing wordt afgekoeld tot beneden het vriespunt van water, zullen zich ijskristallen vormen. Die stijgen naar de oppervlakte, waar ze kunnen worden verwijderd. Zo wordt water aan de oplossing onttrokken, die daardoor steeds meer geconcentreerd wordt. Dit proces heet vriesconcentratie. De industrie past het onder meer toe voor het indikken van vruchtensappen, om zo te besparen op transportkosten.

Wanneer de temperatuur van een zoutoplossing nog verder wordt verlaagd, raakt deze op zeker moment verzadigd. Dit snijpunt tussen de vriespuntslijn en de verzadigingslijn wordt het `eutectisch punt' genoemd. Voorbij dat punt zullen zich dan, behalve ijskristallen, ook zoutkristallen vormen. Omdat die zwaarder zijn dan water, zinken ze naar de bodem. Er treedt zo een fysische separatie op van water- en zoutkristallen. In theorie werkt eutectische vrieskristallisatie prachtig, maar dertig jaar geleden was het niet mogelijk hiervoor een efficiënt werkend apparaat te bouwen.

Van der Ham en Witkamp ontwikkelden nieuwe technologieën en bouwden op basis daarvan een eerste prototype met een capaciteit van 15 liter. Proefnemingen met dit apparaat bevestigden dat EFC ook in de praktijk veel minder energie vergt dan verdampingskristallisatie. Afhankelijk van het type oplossing werd een besparing van 30 tot 70 procent gemeten. Witkamp: ``Dat was een hele belangrijke stap, want er bestaat een groot vooroordeel tegen processen die gebruik maken van koeling. `Koeling is duur', denkt men altijd. Maar wanneer je alle warmtestromen efficiënt hergebruikt, dan is die opvatting gewoon aantoonbaar onjuist.''

Met financiële steun van Economische Zaken en in samenwerking met een industriële partners ontwikkelden promovendus Raymond Vaessen en Witkamp vervolgens een tweede prototype. Dat apparaat bestaat uit een cilindrisch vat met een inhoud van 185 liter, waarin horizontaal een aantal metalen platen zijn aangebracht. Door die platen stroomt een speciale koelvloeistof met een lage viscositeit en hoge warmteoverdrachtscapaciteit. Die indirecte koeling is een van de wezenlijke vernieuwingen ten opzichte van het EFC-proces uit de jaren zeventig. Toen werd namelijk de koelvloeistof direct aan de oplossing toegevoegd, hetgeen voor talloze problemen zorgde. De cilinder wordt geheel gevuld, en continue gevoed met de zoutoplossing. Kristalgroei geschiedt nabij het oppervlak van de metalen platen. Om te voorkomen dat kristallen zich daaraan gaan hechten, hebben de technici een soort ruitenwissers aangebracht die het oppervlak schoonvegen. Nabij de cilinderwand zijn de platen voorzien van openingen waardoor de ijskristallen naar boven, en de zoutkristallen naar beneden kunnen bewegen. Omdat ze op die manier fysisch van elkaar gescheiden worden, kunnen het ijs en het zout eenvoudig worden afgevangen.

waskolommen

Maar daarmee is het verhaal nog niet af. De kristallen bevinden zich namelijk nog in de zoutoplossing en moeten daarom gewassen worden. Dat gebeurt in waskolommen waarmee tegenwoordig een zeer hoge mate van zuiverheid kan worden bereikt. Over het algemeen zal men vooral geïnteresseerd zijn in de zoutkristallen. Die worden na het wassen gefilterd en gedroogd.

De ijskristallen kunnen nog van nut zijn door er in een warmtewisselaar de aanvoerstroom mee te koelen. Het gesmolten zuivere water wordt weer gebruikt in de waskolommen, en het afvalwater daarvan wordt tenslotte weer toegevoerd aan de invoerstoom. Op deze wijze wordt zoveel mogelijk energie in het proces hergebruikt. En de zuiverheid van de kristallen is zo hoog, dat het meten van verontreiniging bijna niet mogelijk is.

Het aantal toepassingen voor de nieuwe Delftse EFC-technologie is enorm. De omvang van de zoutoplossingen die in Nederland als processtromen in de industrie vrijkomen, ligt in de orde van miljoenen tonnen per jaar. Daaruit kunnen met behulp van EFC de waardevolle zouten worden teruggewonnen voor hergebruik, terwijl tevens het milieu wordt ontlast. Want momenteel worden veel van dergelijke stromen ingedikt en verbrand, of gewoon geloosd. Zonde van de zouten, en slecht voor het milieu. Daarnaast zijn Witkamp en zijn medewerkers nauw betrokken bij twee projecten met een geheel andere inslag: kaliumnitraat uit aardappelen, en zouten uit drijfmest winnen. Bij Avebe in Veendam wordt in een ionenwisselaar aan gemalen aardappelen salpeterzuur toegevoegd. Uit die oplossing kan met EFC het waardevolle kaliumnitraat, grondstof voor bijvoorbeeld vuurwerk, worden verkregen. En met promovendus Chrismono Himawan werkt Witkamp samen met Kemira Agro Ventures aan het winnen van technische zouten uit drijfmest. Het Deense bedrijf Bioscan heeft een aantal experimentele verwerkingsinstallaties waarmee uit drijfmest biogas wordt gewonnen. Aan de hoofdzakelijk anorganische afvalstroom van zo'n bioreactor zal straks fosforzuur worden toegevoegd, om daaruit met behulp van EFC kalium- en ammoniumfosfaten te winnen. Het uiteindelijke doel is om te komen tot, wat Hans Vrijenhoef van Kemira noemt, een `Waste to Products' proces. Grondgedachte daarbij is dat alle bestanddelen uit een afvalstroom een nuttige bestemming krijgen. Een Bioscan installatie kan in de toekomst dagelijks 40 m³ drijfmest omzetten naar vijf megawattuur energie, een kuub compostvezels, een ton fosfaatzouten, en 30 m³ schoon water.

Witkamp en zijn promovendi zijn nu druk doende met het opschalen van het EFC-proces naar steeds grotere machines. Deze apparaten, die er in bedrijf uitzien als de `Slushpuppie' machine van de snackbar om de hoek, zullen voor eens en voor altijd afrekenen met het vooroordeel dat koelen duurder is dan verwarmen. In de toekomst zal er meer worden uitgevroren dan worden ingedampt, omdat het maar half zoveel energie kost.