MEMBRAANLOOS WATER FILTREREN MET CO₂

Een nieuwe stap op het pad van goedkopere waterzuivering

 

Rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI) gebruiken verschillende membraantechnieken - van microfiltratie tot omgekeerde osmose - om zwevende en opgeloste stoffen uit het rioolwater te verwijderen. Wat ze gemeen hebben, zijn hoge pompkosten, fouling en periodieke vervanging van de membranen. Dit artikel beschrijft een alternatieve membraanloze methode voor het afscheiden van gesuspendeerde deeltjes door colloïdale suspensies aan CO₂ bloot te stellen. Hierdoor is een schaalbaar en continu membraanloos proces mogelijk dat lage energiekosten heeft en geen vervuiling kent. De investeringskosten zullen ongetwijfeld hoger zijn dan die van een klassiek filter, maar de operatingkosten zijn veel lager. Dit maakt kooldioxideabsorptie een veelbelovende manier om water te reinigen in de ontwikkelingslanden, waar waterzuiveringstechnieken met een lage energiebehoefte nodig zijn. 

WERKINGSPRINCIPE DIFFUSIOFORESE

De meest hardnekkige zwevende deeltjes in water zijn geladen. Door onderlinge afstoting blijven deze deeltjes zweven en zakken ze niet uit. In zo'n suspensie kan kooldioxide worden opgelost in de bovenste waterlaag direct onder het grensoppervlak. Het vormt daar ionen volgend de vergelijking: CO₂ + H₂O ↔ H⁺ + HCO₃^-. De ionen diffunderen verder de vloeistof in. Doordat H+-ionen met een grotere snelheid in het water diffunderen dan HCO₃^--ionen ontstaat er een tijdelijke ladinggradiënt met meer negatieve lading nabij het gasvloeistof- oppervlak en meer positieve lading verder weg hiervan. Hierdoor bewegen negatief geladen zwevende deeltjes weg van het gasvloeistofoppervlak en positief geladen deeltjes in tegengestelde richting. Op beide plekken kunnen deze zwevende deeltjes eenvoudig worden verwijd. Dit verschijnsel heet diffusioforese.

 

 

MEETOPSTELLING

Er is al een meetopstelling voor dit verschijnsel ontwikkeld door Stone [1] in de vorm van een microreactor (Figuur 1), waarin een stabiel gasvloeistofgrensvlak is gemaakt. Het gas boven het water bestaat hierin uit kooldioxide, waarbij de druk nauwelijks hoger hoeft te zijn dan 1 bar. De meetopstelling is gemaakt uit ultraviolet verhard epoxy om te voorkomen dat er gassen in doordringen en heeft twee hoofdkanalen die verbonden zijn door capillairen die een colloïdale suspensie bevatten. Bij het blootstellen aan CO₂ (druk = 136 kPa) bewegen negatief geladen deeltjes van polystyreen onmiddellijk weg van de twee gas-vloeistofoppervlakken. Er is echter geen enkele beweging van deze deeltjes gevonden bij blootstelling aan N₂. Gebaseerd op de hypothese wordt de gevonden deeltjesbeweging dan ook verklaard door het diffusieverschil van H⁺ en HCO₃. Deze aanname wordt verder ondersteund door experimenten met positief geladen deeltjes (amine-functionele polystyreen) die in de richting van het gasvloeistof bewegen bij blootstelling aan CO₂ en zo clusters vormen met deeltjes bij het oppervlak. De verantwoordelijkheid voor de beweging van deeltjes door een ionengradiënt werd verder bevestigd door het meten aan de vloeistofkolom gevuld met een indicatoroplossing bij blootstelling aan gas. Er werd een Oregon Green fluorescente tint pH-indicator gebruikt, omdat deze een lineaire afhankelijkheid heeft van de fluorescentie- intensiteit over een breed pH-gebied. Als het water wordt blootgesteld aan kooldioxide neemt de fluorescentie-intensiteit onmiddellijk af bij de gasvloeistofoppervlakken, en de afnemende intensiteit breidt zich uit naar het midden van de kolom, wat erop duidt dat de pH afneemt vanaf het oppervlak naar binnen. In tegenstelling tot kooldioxide leidt blootstelling aan stikstof met dezelfde druk niet tot plaatsafhankelijke fluorescentie-intensiteit, maar alleen tot een geleidelijke afname van de fluorescentie-intensiteit veroorzaakt door fotoverbleking.

 

PROTOTYPE

Figuur 2 laat het principe van een continu scheidingsapparaat zien. Een colloïdale oplossing stroomt door een recht kanaal in een voor gassen permeabel materiaal, in dit geval polydimethylsiloxaan (PDMS). Gescheiden door een dunne wand stroomt kooldioxide parallel aan het hoofdstroomkanaal. Dit gas dringt door de wand en lost op in de deeltjesstroom, en veroorzaakt daarbij deeltjesbeweging loodrecht op de stroomrichting, waarbij de richting van deze beweging afhangt van de oppervlaktelading van de deeltjes. Een luchtkanaal aan de andere kant van de wand voorkomt verzadiging van kooldioxide in de suspensie, waardoor de concentratiegradiënt behouden blijft. Nadat alle deeltjes zijn geconcentreerd aan één kant van het kanaal worden ze afgescheiden door de stroom te splitsen bij de uitgang.

  

OPSCHALEN

Opschalen is een kwestie van reactoren parallel zetten (zie Figuur 3). Een efficiënte opschaling van het proces naar significante stroomsnelheden vereist wel de optimalisatie van de kanaalafmetingen (lengte en diameter), de stroomsnelheid in elk kanaal, de splitsverhouding van de stromen en het aantal parallelle kanalen. Bij deze opschaling zijn dus veel factoren betrokken. Het hier beschreven ontwerp kan gemakkelijk in alle richtingen worden opgeschaald door de isotropische permeabiliteit van gas in PDMS. De deeltjesverwijdering in termen van logreductiewaarde was 5,3 [1], vergelijkbaar met de waardes voor microfiltratie- en ultrafiltratietechnieken. Dit werd gemeten gedurende vijf minuten waarin van de 2,2.107 zwevende deeltjes slechts 104 in de filtraat stroom terechtkwamen, wat correspondeert met een logreductiewaarde van: log(2,2.107/104) = 5,3 [1] 
De nieuwe waterzuiveringstechniek werkt het best in een microreactor waar je geen last hebt van turbulenties [2].

 

 

  

ENERGIECONSUMPTIE

De energieconsumptie is drie ordes van grootte kleiner dan bij gemiddelde microfiltratie- en ultrafiltratieprocessen, omdat de nieuwe techniek geen gebruik- maakt van filters zoals bij conventionele filtratiemethodes. Dit komt doordat de vloeistofstroom door een kanaal stroomt dat veel wijder is dan de deeltjes in plaats van door poriën die veel kleiner zijn dan de deeltjes zoals bij micro- en ultrafiltratie. De energiezuinigheid kan nog verder worden vergroot door het optimaliseren van de kanaalgrootte. Terwijl de drukverliezen kunnen worden verminderd door het gebruik van een wijder kanaal leidt deze vergroting tot een verlaging van de concentratiegradiënt.
Een verminderde concentratiegradiënt en een lagere verblijftijd door hogere stroomsnelheden kunnen worden gecompenseerd door het gebruik van langere kanalen, wat wel weer gepaard gaat met een verhoging van de benodigde energiekosten. De afvalstroom kan meerdere malen door hetzelfde proces worden gevoerd om de deeltjesstroom verder te concentreren en extra water te verkrijgen. De opgeloste kooldioxide in de uitgaande stromen kan worden verwijderd door die bloot te stellen aan lucht.

 

TOEPASSINGEN

De beschreven techniek kan worden gebruikt voor de vervanging van microfiltratie en ultrafiltratie of deze traditionele filtratietechnieken ondersteunen door het verminderen van de membraanvervuiling. Volgens Stone [1] zijn de meeste biologische deeltjes geladen, zodat de beschreven methode volgens hem kan worden gebruikt voor het verwijderen van bacteriën en virussen zonder chloreren of ultravioletbehandeling.

 

CONCLUSIE

In dit artikel is de oplossing van kooldioxide in water beschreven als drijvende kracht achter een geladen zwevendedeeltjesbeweging. Hierdoor ontstaat er een membraanloze methode voor het afscheiden van deze deeltjes die anders een stabiele suspensie zouden vormen. Door hun kleine grootte, oppervlaktelading en de afwezigheid van ionen om deze lading te neutraliseren zouden deze zwevende deeltjes moeilijk te scheiden zijn door sedimentatie. De beschreven techniek is gemakkelijk schaalbaar en heeft een energieconsumptie die drie ordes van grootte kleiner is dan conventionele filtratietechnieken met membranen. Bovendien heb je geen last meer met de vervuiling van deze membranen en is de gebruikte kooldioxide niet giftig en gemakkelijk van de waterfase af te scheiden door diffusie in lucht.