Nieuws

QSPR-modellen inzetten om de verwijdering van microverontreinigingen te voorspellen

AquaPriori nu uitgebreid met modellen die experimenteertijd en -kosten verlagen

De bronnen voor drinkwater bevatten steeds vaker en meer organische microverontreinigingen (OMV’s). Om die te verwijderen, zetten waterbedrijven diverse behandelingsmethoden in. Dankzij nieuwe modellen, die zijn opgenomen in de online tool AquaPriori, is nu beter te voorspellen welke behandelingsmethode de meeste verwijdering zal opleveren voor bepaalde OMV’s en zal het minder geld en tijd kosten om de beste behandelingsmethode met experimenten vast te stellen. De modellen zijn gebaseerd op Quantitative Structure Property Relationships die een relatie leggen tussen de molecuulstructuur van de verontreinigingen en de behandelingsprocessen. Voor de behandeling met geavanceerde oxidatie en membraantechnologie hebben deze modellen inmiddels een nauwkeurigheid van meer dan 80%. Voor behandeling met actieve kool moet nog beter in de modellen worden verwerkt wat de effecten zijn van het aanwezige natuurlijk organisch materiaal.

Omdat in de bronnen voor drinkwater steeds vaker en meer organische microverontreinigingen (OMV’s) worden aangetroffen, zijn vaak aanvullende zuiveringsmethoden nodig als membraanfiltratie, adsorptie aan actieve kool of (geavanceerde) oxidatieprocessen. Maar hoe weet je welke van de beschikbare methoden het beste werkt voor een nieuw ontdekte microverontreiniging? Alle methoden testen voor elke (nieuwe) microverontreiniging is duur en tijdrovend. Daarom zijn er binnen het collectieve onderzoek voor de drinkwaterbedrijven BTO modellen ontwikkeld die kunnen voorspellen welke behandelingsmethode waarschijnlijk het effectiefst is.

Modellen trainen

Met gegevens uit tien jaar pilotexperimenten bij KWR en uit de literatuur zijn daarom modellen getraind. Voor elke behandelingsmethode is informatie over de verwijdering van 100 tot 500 verbindingen gebruikt. Voor deze verbindingen zijn Quantitative Structure Property Relationships (QSPRs) opgesteld om een statistische relatie te vinden tussen reactieparameters (zoals de quantum yield en diverse reactieconstanten) en hun moleculaire structuur. De specifieke parameters van een verbinding werden ingezet in modellen van de processen van de verschillende behandelingsmethoden om te voorspellen hoe goed de verwijdering van deze specifieke verbinding zou verlopen bij toepassing van geavanceerde oxidatie, membraanfiltratie en behandeling met actieve kool.

De voorspelling van de verwijdering van OMV’s op basis van proces- en statistische modellen (QSAR/QSPRs).

Selectie van OMV’s voor validatie

Om de modellen te valideren, is een representatieve selectie gemaakt van OMV’s op basis van een wiskundige selectiemethode. Zo ontstond een set van 30 OMV’s die zijn gebruikt in pilotinstallaties van alle drie de behandelingsmethoden.

(Geavanceerde) oxidatie

Voor de oxidatieve methoden zijn de procesmodellen gecombineerd met QSPR’s voor specifieke kinetische parameters als de reactiesnelheidsconstanten voor O3 en OH-radicalen en quantum yield. Zo ontstonden modellen die de oxidatie en/of fotolyse kunnen voorspellen van OMV’s tijdens UV-behandeling, ozonisatie, behandeling met ozon O3 en waterstofperoxide H2O2, behandeling met UV en waterstofperoxide en behandeling met UV en ozon. Bij een vergelijking met de gemeten waarden voor de set van 30 OMV’s bleken de modellen voor meer dan 80% accuraat te zijn.

Membraanfiltratie

Ook werden modellen ontwikkeld om de verwijdering van OMV’s met membraantechnieken te voorspellen, namelijk met spiraalgewonden nanofiltratiemembranen (NF) en omgekeerde osmose (RO) membranen en met capillaire NF-membranen. Met QSPR’s werd de doorlaatbaarheid van de membranen voor de OMV’s voorspeld. Ook hierbij werd een nauwkeurigheid van meer dan 80% bereikt.

De verwijdering van organische microverontreinigingen tijdens drinkwaterbereiding met omgekeerde osmose (RO). In oranje de voorspelde verwijdering, in groen de gemeten verwijdering. Blauw is de gemiddelde verwijdering met andere typen membranen.

Behandeling met actieve kool

Als laatste is een model ontwikkeld om te voorspellen wanneer OMV’s ‘doorbreken’ (dat wil zeggen: niet meer door de kool worden verwijderd) tijdens behandeling met actieve kool. In zuiver water, waar geen natuurlijke organische materialen of NOM in voorkomen, kan deze doorbraak nauwkeurig worden voorspeld. Maar water bevat meestal wel NOM, en dan moet dat worden meegenomen in het proces van actievekoolbehandeling omdat NOM concurreert met OMV’s bij de adsorptie of de poriën in de actieve kool, waar adsorptie van OMV’s plaatsvindt. Op het moment wordt nog gewerkt aan een beter model waarin de effecten van verschillende fracties natuurlijke organische materialen op de adsorptie aan actieve kool van verschillende OMV’s correct zijn verwerkt.

AquaPriori

Met de hierboven genoemde modellen is een efficiënte methode ontwikkeld om te voorspellen welk soort behandelingsmethode het beste kan werken op een nieuwe organische microverontreiniging. Deze modellen zijn opgenomen in de online tool AquaPriori waarmee waterbedrijven en -laboratoria de verwijdering van organische microverontreinigingen snel kunnen inschatten. Daarna is natuurlijk experimenteel onderzoek nodig om deze voorspellingen te controleren, maar doordat de modellen onderbouwd richting geven aan het onderzoek, zullen dergelijke experimenten minder tijd en geld kosten.

delen