Grondwaterzuivering, omgekeerde osmose, principe van de techniek

Principe van de techniek
Bij de zuivering van water via omgekeerde osmose (ook wel hyperfiltratie genoemd) wordt gebruik gemaakt van een halfdooorlatend membraan. Dit membraan heeft de eigenschap dat watermoleculen er door heen kunnen diffunderen, terwijl andere moleculen zoals bijvoorbeeld zouten of organische oplosmiddelen worden tegengehouden. Hierbij komt een gereinigde deelstroom (permeaat) en een kleine deelstroom met een hoge concentratie aan verontreinigingen (concentraat of retentaat) vrij. Omgekeerde osmose is een concentratietechniek, in een vervolgstap moet het concentraat worden gereinigd of hergebruikt.

Voorbehandeling
Een goede voorbehandeling vormt een vereiste voor een succesvolle toepassing van membraantechnologie zoals omgekeerde osmose. Voorkomen van vervuiling van het membraan is hierbij het hoofddoel. Voor-oxidatie en bezinken van ijzer kan voorkomen dat ijzeroxiden neerslaan op het membraan. Gesuspendeerd materiaal kan verwijderd worden via eenvoudige zand- of multimediafilters. Voor meer informatie zoek op Zandfiltratie.

Behandeling
Bij omgekeerde osmose (ook wel hyperfiltratie) wordt gebruik gemaakt van een halfdoorlatend membraan. Dit membraan heeft de eigenschap dat watermoleculen erdoorheen kunnen diffunderen, terwijl andere moleculen zoals bijvoorbeeld zouten of organische oplosmiddelen worden tegengehouden. Hierbij ontstaan een gereinigde deelstroom (permeaat) en een kleine deelstroom met een hoge concentratie aan verontreinigingen (concentraat of retentaat). Omgekeerde osmose is een concentratietechniek, in een vervolgstap moet het concentraat worden gereinigd of hergebruikt.

Het percentage gereinigd water ten opzichte van de voeding wordt recovery genoemd, de retentiefactor geeft aan welk deel van de verontreinigingen door het membraan wordt tegengehouden.

Om water door een membraan te persen, moet de osmotische druk van die oplossing worden overwonnen (ter indicatie, de osmotische druk van zeewater, circa 35 g/l zout, bedraagt circa 25 bar). Daarom worden bij dit proces relatief hoge drukken toegepast. De flux over het membraan neemt toe bij hoger wordende druk of temperatuur, maar neemt af bij stijgende concentraties aan verontreinigingen (hogere osmotische druk). Meerwaardige ionen en grotere ionen worden beter tegengehouden dan eenwaardige ionen en kleine ionen. Niet alleen ionen maar ook moleculen ter grootte van watermoleculen en groter kunnen worden tegengehouden. Elk soort membraan heeft zijn eigen retentie-eigenschappen; een hoge retentie gaat meestal gepaard met een lage flux (het membraan is relatief dicht).

Aangezien de recovery per membraanmodule beperkt is, is een opeenvolging van modules noodzakelijk om het water tot de gewenste norm te zuiveren. In het algemeen bieden zich hiervoor twee principes aan, het doorloopsysteem en het circulatiesysteem. Voor meer informatie zoek op Uitvoeringsvormen omgekeerde osmose.

Nabehandeling
Bij reiniging van grondwater middels omgekeerde osmose met membranen komt altijd een geconcentreerde deelstroom vrij. Reiniging hiervan kan plaatsvinden met behulp van conventionele technieken. In een aantal gevallen is hergebruik te overwegen om zodoende de reinigingskosten uit te sparen; in veel gevallen zal hergebruik echter niet aan de orde zijn.

Het gereinigde permeaat heeft over het algemeen een loosbare concentratie aan verontreinigingen.

Kritische punten
Kritische punten bij toepassing van waterzuivering middels omgekeerde osmose zijn lekkage en vervuiling.

Door lekken of andere defecten aan het membraan kunnen de af te scheiden componenten niet of niet voldoende worden tegengehouden. Het opsporen en verhelpen van lekken en defecten is zeer tijdrovend. Een voordeel is hierbij dat de systemen modulair van opbouw zijn, zodat een defecte module relatief eenvoudig kan worden vervangen. Bij frequent benodigde membraanvervanging als gevolg van lekken of defecten dient men zich af te vragen of het juiste materiaal is gekozen of dat de druk op het systeem te hoog is.

Een veel voorkomend verschijnsel is membraanvervuiling. Vervuiling resulteert in een lagere flux door het membraan en lagere retenties. Soms is de vervuiling zodanig dat membraanvervanging noodzakelijk is. Vervuiling treedt op in twee vormen:

Scaling
Dit is het neerslaan van zouten op het membraan. Aan het membraanoppervlak ontstaat als gevolg van de filtratie een hogere zoutconcentratie dan in de bulk van de vloeistof. Hierdoor kan plaatselijk het oplosbaarheidproduct worden overschreden. Te denken valt aan neerslag van CaCO3, CaSO4, MgCO3 en Mg(OH)2.

Overige vervuiling
Andere vormen van vervuiling omvatten de neerslag van organische moleculen en van gesuspendeerd, geëmulgeerd of ander colloïdaal materiaal op of in het membraan (bijvoorbeeld bacteriële vervuiling).

Door de juiste keuze van de moduleconfiguratie, een goede voorbehandeling en procesvoering (hoge stroomsnelheid langs de membranen) kan membraanvervuiling worden geminimaliseerd. Indien mogelijk kan het membraan mechanisch (bijvoorbeeld via sponsballetjes) of chemisch worden gereinigd. Bij de keuze van het membraanmateriaal dient rekening te worden gehouden met de reinigbaarheid van het materiaal.