Op basis van mijn vorige blog hebben we een beeld kunnen vormen over wat er globaal bij RO (Reverse Osmosis) komt kijken en of het ook daadwerkelijk een toevoeging kan zijn in jouw hobbybeleving. Nu gaan we er samen eens lekker in duiken. Hoe is het allemaal begonnen en wat houden osmose en omgekeerde osmose ook alweer in?
Pionierswerk
Alhoewel membraanprocessen al uit de jaren 30 van de negentiende eeuw stammen, waren het Loeb en Sourirajan die het RO gebeuren in 1959 pas echt een zwengel gaven door de ontwikkeling van een gelaagd cellulose acetaat membraan dat bestond uit een poreuze steunlaag met daarop een veel dichtere lagen om zouten van water te kunnen scheiden.
Dertien jaar later werd het dunne film composiet membraan geproduceerd door Cadotte, dat een hogere waterdoorlaat per vierkante meter membraanoppervlak per uur toeliet. Deze waterdoorlaat wordt ook wel flux genoemd, maar daar kom ik nog een keertje op terug. We houden het er maar op dat deze nieuwere membranen efficiënter waren.
Omgekeerde osmose werd in eerste instantie gebruikt om zeewater en brakwater te ontzilten, maar kreeg al snel een belangrijke rol binnen industriële waterketens om turbines en ketels efficiënter te kunnen bedrijven, water te besparen en om verontreinigingen en grondstoffen te concentreren voor terugwinning.
Osmose en omgekeerde osmose
Iedereen die een Koiboek thuis heeft liggen zal daarin een uitleg aantreffen over het fenomeen osmose bij onze Koi. Omdat de Koi ‘zouter’ is dan de omgeving, wordt water de Koi ingetrokken om de zoutconcentratie buiten de Koi versus binnen de Koi gelijk te trekken. Tegelijkertijd diffunderen zouten vanuit de Koi naar de waterfase van een hoge naar een lage concentratie. De vis zelf is hier uiteraard niet bij gebaat, aangezien deze een bepaalde zoutconcentratie moet zien te handhaven om lekker te kunnen blijven functioneren. Deze zal daarom de overvloedige vochtstroom proberen kwijt te raken via de nier en de verloren zouten proberen aan te vullen via de chloride-cellen in de kieuwen. Aangezien de barrière tussen het bloed van de Koi en het omringende water bij de kieuwen het dunst is, is juist de ademhaling het meest belastende proces voor de Koi ten aanzien van zoutregulatie. Een goede zuurstofhuishouding is daarom van vitaal belang, aangezien het opnemen van dezelfde zuurstofvracht bij minder ademhalingen dus minder vergt van de Koi.
Bij omgekeerde osmose, de naam zegt het al, wordt dit principe omgekeerd, waarbij water onder hoge druk door een semi-permeabel membraan wordt geperst en het water juist tegen de ‘osmotische richting in’ wordt gedrukt. Met een semi- permeabel membraan bedoel ik een barrière dat idealiter alleen water doorlaat en geen zouten. Het membraan is dan semi-permeabel voor water. In de praktijk wordt echter nooit 100% van de zouten tegen gehouden. Een RO membraan verwijderd in de regel 96 tot 99% van de in het voedingswater aanwezige zouten.
Osmose
Als zich aan weerszijden van een semi-permeabel membraan oplossingen bevinden die verschillende concentraties aan opgeloste stoffen bevatten (bijvoorbeeld kraanwater en demi water), treedt er osmose op. Er diffundeert meer water van de zijde van de oplossing met de laagste concentratie opgeloste stoffen naar die van de oplossing met de hoogste concentratie dan omgekeerd. Daar de opgeloste stof niet kan mee diffunderen, wordt het zoutgehalte in het kraanwater geleidelijk verdund en neemt het in volume toe. Het demiwater wordt steeds meer geconcentreerd en neemt in volume af (figuur 1).
Na verloop van tijd zal dit proces in evenwicht komen, het verschil in niveau wordt osmotische druk genoemd. De hoeveelheid aan osmotische druk is afhankelijk van het zoutgehalte. Zeewater zal bij een zoutgehalte van 35 gram per liter, dus 35.000 mg/l, ongeveer een osmotische druk van 2,4 MegaPascal hebben, dit is zo`n 24 barg. Voor brak water met een tds van 1500 ppm is dit ongeveer 1,03 barg. Hieruit kunnen we redeneren dat het gebruik van RO voor de ontzilting van zeewater een nogal kostbare aangelegenheid is.
Omgekeerde osmose
Door een kunstmatige tegendruk te creëren met behulp van een meertraps centrifugaal pomp, welke hoger is dan de osmotische druk, kan de stromingsrichting van de vloeistof omgekeerd worden (figuur 2). Dit wordt omgekeerde osmose genoemd. De te overwinnen tegendruk is afhankelijk van de zoutconcentratie in het water. Brak water heeft zoals aangegeven een lagere osmotische druk dan bijvoorbeeld zeewater.
Filtratie ranges
Er wordt onderscheid gemaakt in diverse vormen van filtratie, gebaseerd op het scheidend vermogen, waarvan omgekeerde osmose de fijnste is, namelijk op zoutniveau. Wat ik hiermee probeer aan te geven dat je niet zomaar ieder watertype door een RO membraan kunt persen en dan verwachten dat de installatie wel goed zal gaan draaien. Een RO- installatie is erg gevoelig voor vervuilingen. Ik heb het dan niet alleen over zwevende deeltjes, maar zeker ook over stoffen die als voedsel kunnen dienen voor micro-organismen of onomkeerbaar aan het membraan worden geadsorbeerd. Daarom is een goede voorbehandeling echt wel 90% van het werk. Kijk maar eens naar het onderstaande plaatje, zan zul je zien dat omgekeerde osmose een ontzettend gevoelige vorm van waterbehandeling is.
Microfiltratie
Bij microfiltratie praten we over een poriegrootte 0,1 tot 10 micron. Deze vorm van filtratie wordt ingezet voor de verwijdering van bacteriën en deels van virussen die zich aan bacteriën hechten. Losse virusdeeltjes worden doorgelaten. In de regel worden colloïden en zwevende delen tegengehouden, terwijl grote moleculen worde doorgelaten. Deze vorm van filtratie wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het klaren van bier, waarbij de gistcellen worden gescheiden van het bier. Zou ultrafiltratie worden gebruikt, dan hebben we geen schuim meer op ons biertje en dat zou zonde zijn nietwaar? Microfiltratie wordt onder andere gebruikt voor koude sterilisatie van drankjes, het klaren van vruchtensappen, wijn, bier en als voorbehandeling voor nanofiltratie en omgekeerde osmose.
De transmembraandruk zit op zo`n 0,7 bar. Met transmembraandruk (TMP) wordt het drukverschil over het membraan bedoeld dat nodig is om het water door het membraan te kunnen persen. Hoe fijner de filtratie vorm, hoe groter de benodigde transmembraandruk.
Ultrafiltratie
Bij ultrafiltratie gaan we alweer een hele stap fijner en zitten we al op een poriegrootte 0,001 tot 0,1 micron. Dit proces houdt grote organische moleculen, eiwitten, colloïden en microbiële verontreinigingen tegen.
De membranen hebben molecular weight cutt off (MWCO) van 1000 tot 100.000. Met MWCO wordt bedoeld het laagste molecuulgewicht bedoeld, waarbij 90% van dat molecuul wordt tegengehouden door het membraan. Het molecuulgewicht wordt aangeduid in Dalton, dat staat voor 1 gram/mol. Dus de membranen houden moleculen tegen tussen de 1000 en 100.000 gram per mol. Snappie?
Ultrafiltratie wordt gebruikt binnen de zuivelindustrie en voedingsmiddelenindustrie, maar ook binnen de metaalindustrie ter bewerking van olie / water emulsies en het terugwinnen van verf. Vaak wordt voor ultrafiltratie gekozen in plaats van micro filtratie, aangezien bij grotere poriën deeltjes eerder de neiging hebben om in een porie te blijven hangen, dan bij het gebruik van veel kleinere poriën, waar de deeltjes makkelijker langsheen schieten.
De transmembraandruk zit op zo`n 1 tot 7 bar, zoals je kunt zien is dit al behoorlijk meer dan bij microfiltratie.
Nanofiltratie
Nanofiltratie heeft juist deze benaming gekregen omdat deze filtratievorm deeltjes van ongeveer 1 nanometer tegenhoudt. Creatief hé. Bij ons op het werk noemen we een nanofiltratie membraan gewoon een ‘slechte RO’, aangezien met nanofiltratie tweewaardige ionen worden tegengehouden zoals calcium- en magneseium-ionen, maar geen enkelwaardige zoals natrium- en chloride- ionen. Je kunt het eigenlijk zien als een soort van veredeld onthardingsmembraan, dat het water ook ontkleurd en organische microverontreinigingen kan verwijderen. Organische moleculen met een gewicht groter dan 200 tot 400 Dalton worden verwijderd. Enkelwaardige ionen worden met een range tussen de 20 en 80 % verwijderd, terwijl tweewaardige ionen beter worden verwijderd, namelijk met een rendement tussen de 80 en 98%.
Nanofiltratie wordt gebruikt voor het verwijderen van narigheid uit water in de vorm van pesticiden of zware metalen. Of voor het recyclen van afvalwater in wasserijen.
Omgekeerde osmose (hyperfiltratie)
Hé hé, eindelijk zijn we aanbeland bij omgekeerde osmose, ook wel hyperfiltratie genoemd.
Deze techniek wordt gebruikt om 95 tot 99% van de in het water aanwezige ionen en anorganische verbindingen te verwijderen. Organische moleculen groter dan 100 dalton kunnen met behulp van omgekeerde osmose uit het water worden verwijderd.
De transmembraandruk ligt bij RO zo rond de 5 tot 84 barg.
Waar vroeger RO dus voornamelijk werd gebruikt voor de ontzilting van zeewater in met name de Arabische landen, wordt RO in onze contreien voornamelijk ingezet binnen de waterbehandeling voor ketelhuizen, hetzij van afvalverbranders tot conservenfabrieken, maar ook voor de bereiding van drinkwater. In het streven naar gesloten waterkringlopen binnen diverse industrieën speelt RO een grote rol. De vraag is altijd of de toepassing de hoge zuiveringsgraad rechtvaardigt, of dat de industriële waterketen beter bedreven kan worden met watertypen van diverse gradaties en daarmee gebruikswaarden.
Zo kun je het met de Koihobby ook zien; Rechtvaardigt het niveau van mijzelf, de Koi en het systeem het gebruik van hoogwaardig RO permeaat? Oftewel, is het allemaal de moeite waard?
