April 2024
Uniek en urgent testcentrum wateronderzoek
Waterlab Universiteit Twente
Afgelopen zomer is op het terrein van de Universiteit Twente het Waterlab geopend. De afmetingen van het glazen gebouw zijn compact, maar binnen staan verschillende proefopstellingen die mogelijk een deeloplossing zijn voor grootse problemen, zoals het dreigend tekort aan drinkwater.
De Department of Membrane Science & Technology van de Universiteit Twente bestond vorig jaar vijftig jaar. In deze vijf decennia is deze technologie zodanig doorontwikkeld dat het inmiddels mogelijk is een groot aantal verschillende stoffen – zowel vloeistoffen als gassen – van elkaar te scheiden. Een membraan werkt als een filter en is op twee manieren toe te passen: enerzijds wordt de technologie gebruikt om verontreinigingen uit substanties te halen – bijvoorbeeld ongewenste stoffen uit afvalwater, brandstof of bloed – anderzijds is hij te gebruiken om waardevolle stoffen te onttrekken aan het medium waarin het zich bevindt.
Membranen vormen een vakgebied met potentie. Het departement heeft in de afgelopen decennia bijvoorbeeld al verschillende spin-offs voortgebracht waarvan enkele behoorlijk succesvol zijn geworden. De technologie speelt verder inmiddels een onderscheidende rol in onder meer de (petro)chemie bij het scheiden van gassen, de medische sector, de energietransitie en binnen de waterbehandeling. Prof.dr.ir. Wiebe de Vos doet onderzoek naar verschillende membranen en geeft aan: ‘Waterbehandeling is een thema dat steeds belangrijker wordt. Al langer waarschuwen drinkwaterbedrijven voor een dreigend tekort aan drinkwater. Dit als gevolg van onder meer de klimaatcrisis.’
Waterzuivering
De Vos: ‘Daarbij hebben deze bedrijven een steeds grotere uitdaging om water zodanig te zuiveren dat het voldoet aan onze hoge standaarden voor drinkwater. Er komen steeds meer en andere verontreinigingen in het water terecht die de bestaande zuiveringsinstallaties eenvoudig niet kunnen verwijderen met de technieken die op dit moment commercieel beschikbaar zijn. Een serieus maatschappelijk probleem dus, dat ons noodzaakt om op zoek te gaan naar nieuwe technologieën voor waterzuivering. Membraantechnologie is hierin een van de meest veelbelovende oplossingen, mede door het lage energiegebruik. Het is ook de directe reden om in ons jubileumjaar het Waterlab te openen.’
Het Waterlab is specifiek bedoeld om de resultaten van onderzoek dat binnen de universiteit wordt uitgevoerd – in samenwerking met het bedrijfsleven en kennisinstituten – te testen en te valideren. Door middel van grotere opstellingen kunnen wetenschappers onderzoeken of een idee, dat in een gewoon lab veelbelovende resultaten oplevert, ook in dit laboratorium succesvol is. Ir. Heleen Sombekke: ‘De locatie vormt de perfecte plek voor onderzoekers, studenten en bedrijven om de mogelijkheden van membraantechnologie in de praktijk te testen en ook aan anderen te demonstreren. Hiermee is het overigens niet alleen een testlab, maar speelt het ook een rol in het onderwijs van de Universiteit Twente zelf.’
Het testlab en de doelstelling ervan passen naadloos in de visie van de universiteit dat onderzoek niet alleen fundamenteel moet zijn, maar bovenal relevant voor de praktijk. Sombekke: ‘We willen een plek zijn om uitstekende wetenschappers op te leiden waarbij ook de praktische toepasbaarheid en relevantie niet uit het oog wordt verloren. Een resultaat in het laboratorium kan immers nog zo mooi zijn, om een technologie uiteindelijk te kunnen toepassen in de maatschappij zal het moeten worden vertaald naar een oplossing die aan nog veel meer eisen voldoet. Zo moet het mogelijkheden bieden voor opschaling en veilig, efficiënt en eenvoudig in gebruik zijn. En moet het tegen een acceptabele prijs kunnen worden geproduceerd.’
Het Waterlab staat midden op de campus van de Universiteit Twente.
Een van de membraantechnologieën die momenteel wordt getest in het Waterlab is de hollevezel membraan-technologie. Het principe is eenvoudig: door een holle vezel stroomt vervuild water. De wanden van de holle vezel zijn het eigenlijke membraan dat alleen schoon water doorlaat. De resterende substantie die niet door het membraan heen kan, stroomt verder door de holle vezel. Dit effluent is uiteraard veel viezer dan het medium dat bij aanvang in de holle vezel werd geleid en zal aan het einde dan ook verder moeten worden behandeld.
De Vos werkt al jaren aan deze technologie en is tevens promotor van studenten die dezelfde technologie doorontwikkelen: ‘Het voordeel van het gebruik van holle vezels is dat het de verhouding tussen oppervlak en volume van het membraan vergroot. Bovendien maakt het de membranen minder gevoelig voor vervuiling, wat de prestaties ten goede komt.’
Voor het onderzoek waar De Vos bij betrokken is, geldt dat de filtratie in het nanobereik plaatsvindt. Dit is een van de fijnste vormen van filtratie waarbij ook zouten als calcium en magnesium door het membraan worden tegengehouden. Dit geldt ook voor organische en microverontreiniging. Een stap ‘grover’ valt onder de noemer ultra-filtratie, waarbij vooral deeltjes en bacteriën worden afgescheiden, maar zouten en organische verontreinigingen nog doorkunnen.
Membraan-technologie veelbelovende oplossing voor drinkwatertekort
Barrière voor OMP’s
De Vos: ‘Binnen de waterzuivering met behulp van membraantechnologie kijken we onder meer naar het verwijderen van organische microverontreinigingen (OMP’s) in het oppervlaktewater. Dit zijn zeer kleine organische moleculen afkomstig van onder meer medicijnen die via het toilet in het oppervlaktewater terecht komen. Ook de industrie is verantwoordelijk voor een deel van deze verontreiniging, denk bijvoorbeeld aan de discussie rond PFAS. Deze deeltjes kunnen op lange termijn schade toebrengen aan mens en milieu en vormen een serieus probleem voor onze huidige waterzuiveringsinstallaties, die nooit zijn ontworpen om deze deeltjes te verwijderen. Wat dat betreft zijn waterzuiveringen inmiddels zelfs ‘hotspots’ geworden voor de uitgifte van OMP’s aan het milieu.’
Er zijn in de loop van de tijd technieken ontwikkeld om deze OMP’s te verwijderen, maar deze zijn zonder uitzondering duur, gebruiken veel energie en zijn uiteindelijk niet duurzaam. Om die reden werkt de academische wereld samen met kennisinstellingen en de industrie aan technologieën die wél duurzaam en bovendien betaalbaar zijn. Het zojuist genoemde nanofiltratie membraan is zo’n mogelijke oplossing. Parallel daaraan wordt gewerkt om het effluent – dat zeer rijk is aan OMP’s – af te breken in een conventionele bioreactor. Dit lukt zeker niet in één stap, maar elke reductie levert een bijdrage. Voor deze oplossing heeft de industrie een typische meerwaarde geleverd, omdat deze reactoren al commercieel beschikbaar zijn.
Een van de technologieën die momenteel worden getest in het Waterlab is de hollevezel membraan-technologie.
Doorontwikkeling
Met het doorontwikkelen van de hollevezel membraan-technologie zoeken de wetenschappers verder naar oplossingen voor nog onopgeloste vraagstukken. Een uitdaging is bijvoorbeeld dat bij standaard nanofiltratie niet alleen de gewenste vervuiling, zoals medicijnresten, maar ook verschillende zouten worden tegengehouden. Dit leidt tot de uittreding van weliswaar schoon water, maar met te weinig zouten om te voldoen aan de richtlijnen voor drinkwater. Tegelijk wordt een complexe afvalstroom gecreëerd waar de microverontreinigingen en zouten samen worden geconcentreerd; juist die afvalstroom is erg lastig te behandelen. Om het volledig tegenhouden van zouten te voorkomen, zijn er oplossingen die nanofiltratie en omgekeerde osmose combineren. Het nadeel is het hoge energiegebruik en het feit dat de membranen relatief snel vervuilen waarmee hun efficiëntie vermindert.
In het onderzoek naar een betere oplossing wordt een hollevezel membraan ontwikkeld die is opgebouwd uit meerlaagse polyelektrolyt membranen. Deze membranen maken gebruik van de eigenschappen van polyelektrolyten om geavanceerde filtratielagen te creëren. Het membraan wordt hierbij opgebouwd uit laagjes die om en om een positieve en negatieve lading hebben. De Vos: ‘Door de hoeveelheid lading te variëren, lijken we in staat te zijn bepaalde stoffen wel en niet door te laten. Daarbij zouden de ultradunne polyelektrolytlagen de energie die nodig is voor filtratie kunnen verminderen. Ook lijken ze bestand te zijn tegen omstandigheden met een hoog zoutgehalte en chemische reinigingsstappen. Zowel de doorlaatbaarheid als de bestendigheid van deze polyelektrolyt membranen is van belang voor het doorlaten van een bepaalde hoeveelheid zouten, bijvoorbeeld NaCl.’
Toekomst Waterlab
De hollevezel membraan-technologie wordt in het Waterlab getest. Hiervoor zijn de holle vezels eerst met een groot aantal samengevoegd tot platen. Vervolgens laten de onderzoekers water door de hollevezels stromen waarbij ze kunnen kiezen uit vier ‘bronnen’ uit de praktijk: afvalwater, regenwater, vijverwater en drinkwater. Vervolgens wordt het uittredende water en het effluent opgevangen en geanalyseerd.
Sombekke: ‘Naast deze proefopstelling van de hollevezel-technologie staan er nog vier andere proefopstellingen. Het Waterlab is hiermee tevens een plek waar verschillende organisaties en belangstellenden elkaar tegenkomen en de mogelijkheden hebben kennis uit te wisselen en elkaar te inspireren.’
En dat is nodig. De watersector van vandaag kampt met vele uitdagingen, zoals het verwijderen van microverontreinigingen, ontzilting, droogte en watertekort. Met onderzoek en ontwikkeling naar nieuwe technologieën voor het schoonmaken en hergebruiken van afvalwater, kunnen wetenschappers een bijdrage leveren aan het verminderen van de druk op drinkwater en grondwaterbronnen.
De Vos geeft de urgentie aan met een aansprekend voorbeeld: ‘We zitten gemiddeld op een drinkwaterverbruik van 127 liter per persoon per dag. Dat zou omlaag moeten naar maximaal 100 liter. Er zijn al grotere stappen te maken door met geel, grijs en zwart water te werken. Dit is water dat niet van voldoende kwaliteit is om te drinken, maar schoon genoeg om het toilet te spoelen, de tuin te sproeien of schoon te maken. Een mooi product in dat kader is de Hydraloop. Dit systeem recyclet decentraal water en is oorspronkelijk ontwikkeld voor particuliere woningen. Het systeem neemt grijswater uit de douche, het bad en de wasmachine, behandelt dit en maakt het zo geschikt voor het spoelen van het toilet en wederom de wasmachine. De ‘oplossing voor thuis’ is inmiddels beschikbaar in verschillende capaciteiten voor woningen, commercieel onroerend goed, hotels, lodges enzovoorts.’
Hij besluit: ‘Er zijn voldoende succesvolle voorbeelden die ons motiveren om vooral door te gaan met onderzoek en dit te testen voor toepassing in de praktijk, zoals een oplossing om ammoniak te verwijderen uit rioolwater. Machtig interessante materie en geweldig dat we hiermee ook een bijdrage kunnen leveren aan een betere wereld.’
De Water Miracle is een slimme, modulaire ultrafiltratie-installatie.
H2O voor het hockeyveld
In het kader van ‘praktische toepasbaarheid’, heeft het Department of Membrane Science & Technology meegewerkt aan een project voor het bewateren van de eigen kunstgras hockeyvelden. Heleen Sombekke: ‘Om het kunstgras bespeelbaar te maken, wordt het voorafgaand aan een wedstrijd of training besproeid met 30 m3 drinkwater. Sec gezien is de kwaliteit van drinkwater natuurlijk veel te hoog voor deze toepassing, maar echte alternatieven zijn er niet. Oppervlaktewater uit de naburige sloot bevat bijvoorbeeld algen die het kunstgras vervuilen; het wordt glad, vies en de watertoevoer verstopt.’
Om dit probleem van waterverspilling aan te pakken, is een voorstel gedaan om oppervlaktewater te filtreren met een ultramicrofilter membraan met een filterfijnheid van ongeveer 20 nm. Hiermee is relatief eenvoudig water te maken dat ruim voldoende schoon is voor het bewateren van de velden zonder dat het drinkwaterkwaliteit is. De vertaling van de membraantechnologie om oppervlaktewater te upgraden naar een werkbaar en praktisch systeem, is onder meer ingevuld door gebruik te maken van een bestaande kelder die onder de sportvelden aanwezig is. Met een grootte van 1.000 m3 biedt deze kelder voldoende ruimte om via microfiltratie de benodigde capaciteit te genereren.
Sombekke: ‘Je kunt voortdurend water filtreren en dat in de kelder laten lopen. Zo is er altijd voldoende beschikbaar om te gebruiken wanneer dit nodig is. Door de behoorlijke overcapaciteit van de kelder kan het water ook worden gebruiken om in tijden van droogte vegetatie te sproeien. Zeker in Twente – wat een droogtegevoelige omgeving is door de zandgronden – zou dit een deeloplossing zijn voor de te verwachten drogere zomers.’
De slimme, modulaire ultrafiltratie-installatie kreeg de naam Water Miracle en is een van de pronkstukken in het Waterlab als drinkwaterbesparende oplossing. Sombekke besluit: ‘De oplossing zou ook toepasbaar zijn voor bedrijven die veel water gebruiken, maar daarvoor feitelijk geen drinkwaterkwaliteit nodig hebben. Voor de huidige tijd waarin de economie en bevolking groeien en onze waterleverancier Vitens al langer waarschuwt voor watertekorten vanaf 2030, is dit dan ook zéker een oplossing om op te schalen.’
Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: iStock, Laurens Kuipers, Universiteit Twente