Nieuwe generatie membranen voor drinkwaterbereiding richt zich op scheiding van verontreinigingen en zouten

Doorlaten van zouten om remineralisatie te voorkomen

Membranen worden volop gebruikt bij de bereiding van hoogkwalitatief water uit allerlei typen bronnen. Ook in de drinkwaterbereiding worden verschillende soorten membranen gebruikt, voor het verwijderen van deeltjes, pathogenen (virussen en bacteriën) en opgeloste stoffen zoals microverontreinigingen, natuurlijk organisch materiaal en zouten. Dichte (hogedruk-) membranen zijn in staat om al deze verontreinigingen in één stap en zeer robuust te verwijderen. Een probleem bij drinkwaterbereiding is echter dat het membraan álle zouten zal tegenhouden, waardoor er gedemineraliseerd water ontstaat. Hiernaast kost deze behandeling relatief veel energie:  de tegengehouden zouten in het water veroorzaken een hoge osmotische druk en die moet worden overwonnen. Om het water na hogedruk-membraanbehandeling drinkbaar te maken is nog een remineralisatie-nabehandelingsstap nodig. Een ideaal membraan voor drinkwaterbereiding moet de bovengenoemde verontreinigingen vergaand tegenhouden, terwijl zouten (deels) worden doorgelaten om de noodzaak van remineralisatie te voorkomen en om de benodigde druk te verlagen.

Wat is de prestatie-trade off ?

De membranen die nu in gebruik zijn, worden geproduceerd op basis van empirische methoden. Er worden wel verbeteringen in membraanprestaties geboekt door de diverse membraanleveranciers, maar deze zijn relatief traag en stapsgewijs. Bovendien hebben de huidige membranen te maken met een zogenaamde prestatie trade-off”. Dit komt neer op een toename van de doorlaatbaarheid voor water ten koste van de doorlaatbaarheid voor zouten en microverontreinigingen, waardoor de selectiviteit voor deze stoffen afneemt. Hiernaast is de selectiviteit van dichte membranen voor kleine neutrale stoffen relatief laag, waardoor dure nabehandelingsprocessen nodig zijn.

Nieuwe generatie membranen gebaseerd op nanotechnologie

Er is dus behoefte aan een nieuwe generatie membranen die niet gebonden is aan de bestaande prestatie trade-off relatie, een hoge selectiviteit heeft voor kleine neutrale stoffen en liefst ook laag vervuilend is. Deze membranen moeten dan niet worden gemaakt op basis van empirische methoden, maar op basis van een moleculair ontwerp. Membranen uit deze nieuwe generatie bevatten bijvoorbeeld aquaporines (eiwitkanalen), synthetische nanokanalen, grafeen(oxide), zelforganiserende blok co-polymeren en layer-by-layer-technologie. Het laatste type membraan bestaat uit relatief open membranen die steeds dichter worden gemaakt met dunne polymere laagjes. Een aantal van deze nieuwe generatie membranen zijn bestudeerd in het collectieve onderzoek voor de drinkwaterbedrijven BTO2012-2017. 

KWR houdt ontwikkelingen van nieuwe membranen in de gaten die een rol kunnen gaan spelen in de drinkwaterbereiding. In het nieuwe BTO programma zullen de layer-by-layer-membranen worden bestudeerd.

Soorten spiraalgewonden membranen.