Technologie-evaluatie membraandestillatie/kristallisatie. Eindrapport 10 juli 2014

Transcriptie

1 Technologie-evaluatie membraandestillatie/kristallisatie Eindrapport 10 juli 2014 Kvk rapportnummer KvK 128/2014

2 Copyright 2011 Nationaal Onderzoekprogramma Kennis voor Klimaat (KvK). Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd, in geautomatiseerde bestanden opgeslagen en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, geluidsband of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van het Nationaal Onderzoekprogramma Kennis voor Klimaat. In overeenstemming met artikel 15a van het Nederlandse auteursrecht is het toegestaan delen van deze publicatie te citeren, daarbij gebruik makend van een duidelijke referentie naar deze publicatie. Aansprakelijkheid Hoewel uiterste zorg is besteed aan de inhoud van deze publicatie aanvaarden de Stichting Kennis voor Klimaat, de leden van deze organisatie, de auteurs van deze publicatie en hun organisaties, noch de samenstellers enige aansprakelijkheid voor onvolledigheid, onjuistheid of de gevolgen daarvan. Gebruik van de inhoud van deze publicatie is voor de verantwoordelijkheid van de gebruiker.

3 Eindrapport 10 juli 2014 Technologie evaluatie membraandestillatie/kristallisatie Auteurs Raymond Creusen Wilfred Appelman Kvk rapportnummer KvK 128/2014 Dit onderzoeksproject is uitgevoerd in het kader van het Nationaal Onderzoekprogramma Kennis voor Klimaat ( Dit onderzoeksprogramma wordt medegefinancierd door het Ministerie van Infrastructuur en Milieu.

4

5 Inhoudsopgave 5 1. Samenvatting 6 2. Inleiding 7 3. Principe Membraandestillatie 8 4. Principe Membraandestillatie-kristallisatie 9 5. Pilot installatie membraandestillatie (MD) Resultaten MD pilot experiment Conclusie Pilot experimenten met membraandestillatie Onderzoek Membraandestillatie-kristallisatie Resultaten onderzoek naar membraandestillatie-kristallisatie Conclusie onderzoek membraandestillatie-kristallisatie Conclusie technologie evaluatie membraandestillatie/kristallisatie Referenties 17

6 1. Samenvatting 6 Om te voldoen aan de watervraag in de glastuinbouw in de regio Haaglanden is naast regenwater een aanvullende waterbron noodzakelijk. In het KvK rapport KvK105/2013B [2] zijn een aantal mogelijke bronnen geïdentificeerd. De kwaliteit van het water in deze bronnen is doorgaans niet van voldoende kwaliteit om geschikt te zijn als gietwater. Dit betekent dat het water behandeld moet worden alvorens het geschikt is als gietwater. Voor deze behandeling zijn diverse fysisch chemische behandelingstechnieken mogelijk (b.v. omgekeerde osmose, ionenwisseling, oxidatietechnieken, etc.). Een relatief nieuwe technologie is membraandestillatie (MD). Met membraandestillatie kan zeer zuiver water verkregen worden. De techniek wordt uitgevoerd bij temperaturen van C en biedt daarmee de mogelijkheid om restwarmte te gebruiken. Gezien de aanwezigheid van warmte kracht installaties in veel tuinbouwbedrijven, is restwarmte daar mogelijk aanwezig. In een pilot installatie bij een rozenteler is de werking van membraandestillatie onderzocht bij het terugwinnen van water uit de spuistroom uit de kas. Uit de resultaten blijkt dat het mogelijk is om een zeer goede kwaliteit water te maken met membraandestillatie. Tevens blijkt het mogelijk om 50-60% van het water uit de spuistroom te hergebruiken. Bij toepassing op andere bronnen kan dit nog beduidend hoger zijn, afhankelijk van de hoeveelheid opgeloste stoffen in de betreffende bron. Membraandestillatie kan zonder probleem tot het verzadigingspunt van deze opgeloste stoffen toegepast worden. Of gebruik van restwarmte mogelijk is, blijkt sterk afhankelijk van de lokale situatie. Dit geldt ook voor de prijs van restwarmte. Nog interessanter is het wanneer het niet alleen mogelijk is om schoon water te maken en te hergebruiken, maar wanneer ook de aanwezige stoffen (zouten en nutriënten) in het spuiwater hergebruikt kunnen worden. Dit zal waarschijnlijk gemakkelijker zijn wanneer deze in vaste vorm beschikbaar komen. Daarom is onderzocht (op laboratoriumschaal) of membraandestillatie ook toegepast kan worden voorbij het verzadigingspunt van de opgeloste zouten., waarbij kristallisatie van deze zouten optreedt en ze dus in vaste vorm beschikbaar komen. Diverse vormen van membraandestillatie, geïntegreerd met kristallisatie in de membraanmodule, zijn onderzocht, maar een stabiel proces, waarbij de kristalliserende zouten het membraan niet vervuilen is nog niet beschikbaar.

7 2. Inleiding 7 Uit het watervraag en wateraanbod rapport [1,2] is gebleken dat aanvullend water nodig is om te voorzien in de waterbehoefte in de glastuinbouw in Nederland. Eén van de mogelijke bronnen daarbij is grondwater. In het westen van Nederland moet dit grondwater echter ontzout worden om kwalitatief als gietwater geschikt te zijn. De huidige technologie die daarvoor wordt gebruikt is omgekeerde osmose. Een alternatieve en veelbelovende technologie is membraandestillatie. Membraandestillatie is een technologie in ontwikkeling. De technologie is op pilotschaal succesvol getest op spuistromen uit de glastuinbouw. Tevens is op laboratoriumschaal onderzocht welke mogelijkheden er zijn om de spuistroom zover in te dikken met membraandestillatie dat er vaste zouten en schoon water over blijft (membraandestillatie-kristallisatie). In dit rapport worden de resultaten uit deze projecten samengevat en zal de relevantie van deze technologie voor de bereiding van aanvullend gietwater besproken.

8 3. Principe Membraandestillatie 8 Membraandestillatie combineert membraanfiltratie met distillatie. Met behulp van warmte kan zout- of verontreinigd water worden opgewerkt tot schoon gedestilleerd water. Het schone water verdampt door het membraan en wordt op die manier van het vuile en/of zoute restvocht gescheiden. Dit water is vervolgens in te zetten in de industrie of geschikt te maken als drinkwater. Membraandestillatie is oorspronkelijk ontwikkeld voor zeewaterontzouting ten behoeve van drink- en proceswaterbereiding. In een module stroomt langs een membraan opgewarmd zout- of vervuild water. Het membraan laat enkel de vrijkomende waterdamp door. De waterdamp condenseert vervolgens aan de andere kant van het membraan, waarvandaan het wordt afgevoerd. Daarbij staat de waterdamp de warmte af aan het zoute water dat door de membraan stroomt. Dankzij het tegenstroomprincipe is de warmtebenutting maximaal. Omdat dit werkingsprincipe daarbij wordt toegepast in een compacte module is maar een klein temperatuurverschil en weinig energietoevoer nodig. Figuur 1 geeft schematisch het proces van membraandestillatie weer. Figuur 1. Schematische weergave proces Membraandestillatie Deze technologie wordt inmiddels op pilot schaal gedemonstreerd.

9 4. Principe Membraandestillatiekristallisatie Bij membraandestillatie-kristallisatie wordt membraandestillatie toegepast tot voorbij het kristallisatiepunt van de aanwezige zouten in de oplossing. Het principe is in figuur 2 weergegeven. 9 Figuur 2. Principe membraandestillatie-kristallisatie. Met deze technologie is het in principe mogelijk schoon water te produceren uit b.v. brak water, waarbij de aanwezige zouten uitkristalliseren afhankelijk van hun oplosbaarheid. Op deze wijze blijft slechts een zeer geringe vloeibare reststroom over. Deze technologie is nog in de ontwikkelingsfase op laboratoriumschaal. De uitdaging hierbij is om tijdens kristallisatie van zouten de ongewenste vervuiling van de membranen te voorkomen.

10 5. Pilotinstallatie membraandestillatie (MD) 10 Binnen het KRW project glastuinbouw waterproof [3] is membraandestillatie op pilotschaal uitgevoerd bij een rozenkwekerij. Het water dat behandeld is betreft drainwater. Doel van deze pilotproef was om vast te stellen of membraandestillatie een geschikte technologie is om een deel van het drainwater terug te winnen om zo de zelfvoorzienendheid van de kwekerij te vergroten (zie figuur 2). De optie membraandestillatie is onderzocht, omdat er in de kas mogelijk goedkope restwarmte aanwezig is afkomstig uit de WKK installatie. Figuur 2. Waterterugwinning uit het drainwater (restantwater) van de kas om zelfvoorzienendheid van de kwekerij te vergroten. In figuur 3a is een foto van de pilotinstallatie weergegeven en in 3b een foto van de gebruikte membraanmodules

11 11 Figuur 3a. MD-Pilotinstallatie bij rozenkweker. Figuur 3b. Toegepaste spiraalgewonden membraanmodules van de firma Aquastill.

12 De condities waaronder de pilot plant bedreven wordt staan vermeld in tabel Aspect Gemaakte ontwerpkeuze Capaciteit installatie 1-2m3/hr (product) Capaciteit installatie (min/max feed) min 1m 3 /h max 10 m3/h Operatiedruk 1 bar, atmosferisch Operatie-temperatuur Max C Dimensies installatie 20 voets Container (mobiel) (6 m x 2,44 m x 2,6m) Energie (ontwerp max) Warmte: 60 kw Koude: 60 kw Elektrisch: ca. 0,5 kw Buffering ingebouwd 1m 3 Bediening en monitoring Bediening on site (evt. online*), monitoring on-site en online Te behalen recovery >80% Afvoer concentraat Intern hergebruik of afzet/afvoer extern Afvoer schoon water Interne terugvoer of lozing extern Tabel 1. Condities MD pilot plant Resultaten MD pilot experiment Belangrijke indicatoren voor de prestatie van de MD installatie zijn de flux (opbrengst aan schoon water per m 2 geïnstalleerd membraan) en de mate van verwijdering van componenten. Om het water te kunnen hergebruiken in de glastuinbouw moet het van goede kwaliteit zijn. Uit de resultaten in tabel 2 blijkt dat het met MD mogelijk is circa 50-60% van het water uit het drainwater terug te winnen. Verdere terugwinning blijkt niet mogelijk door precipitatie van zouten bij verdere indikking. Ook blijkt dat de kwaliteit van dit water goed is, want de retentie (tegenhoudend vermogen van het membraan) voor de opgeloste stoffen is hoog. Dit betekent dat het teruggewonnen water nog maar weinig opgeloste stoffen bevat en het daarom geschikt is als gietwater. In tabel 2 zijn de belangrijkste resultaten uit het MD pilot experiment opgenomen.

13 13 Aspect/Techniek Resultaten met pilot Waterterugwinning (%) Ca % Opbrengst (l/m2/h) (*) 1.6 (*) Retentie obv praktijkwater (%) >99% voor alle nutriën- 100 (**) ten, behalve SO 2-4 (80%) Specific flux (l/m 2-7 (**) /Pa/s) Max 2.5*10 Effect op gewasbeschermingsmiddelen diverse GBM s Retentie wisselend voor Vervuiling 50% flux verlies na 2-3 weken (worst case pilot proef) 1500 ml 30% HCL (elke2-3 weken) -> ml/m 3 behandelde voeding Neerslag Sterk afhankelijk van bedrijfssituatie. Water kwaliteit (nutrienten en zouten) ten beneden detectie- Alle nutriënten en zougrens (****) (NO 3 at 0.2 mmol/l) Tabel 2. Belangrijkste resultaten uit MD pilot experiment Conclusie Pilot experimenten met membraandestillatie De MD pilotinstallatie is in staat gebleken met het aangeboden drainwater een concentratiefactor van 2-3 te bereiken wat betekent dat meer dan 50% procent van het water terug kan worden gewonnen. De pilot laat een hoge retentie zien voor zouten en nutriënten. De retentie voor gewasbeschermingsmiddelen is niet voor alle middelen hoog. De beoogde toepassing van het destillaat als gietwater is echter niet kritisch wat betreft deze middelen. MD in deze toepassing is vooral interessant wanneer restwarmte goedkoop beschikbaar is. Dit blijkt niet zo eenduidig vast te stellen. De Warmte-kracht (WKK) installatie levert weliswaar restwarmte, maar de waarde van deze restwarmte blijkt sterk afhankelijk van de lokale situatie. Daarom kan geen algemene conclusie getrokken worden t.a.v. de economische haalbaarheid van membraandestillatie voor het terugwinnen van water uit het spuiwater.

14 6. Onderzoek Membraandestillatiekristallisatie 14 Uit de experimenten met de pilot installatie van MD blijkt dat een waterhergebruik uit de spuistroom van 50-60% mogelijk is. Dit percentage zou veel hoger kunnen zijn wanneer kristalliserende zouten tijdens het terugwinnen van water afgescheiden zouden kunnen worden, zonder een negatieve invloed op het waterverwijderingsproces te hebben. Om dit te realiseren is onderzoek gedaan naar een gecombineerd membraandestillatiekristallisatieproces. Ook bij dit proces is het belangrijk dat er goedkope restwarmte beschikbaar is op een temperatuurniveau van C. Essentieel bij de ontwikkeling van dit proces is het voorkomen van kristallisatie op de membranen. Wanneer kristallisatie op de membranen plaatsvindt, zal de capaciteit van de membranen tot onaanvaardbaar laag niveau dalen. In een poging dit te voorkomen zijn op laboratoriumschaal een aantal verschillende uitvoeringsvormen van membraandestillatie getest om na te gaan of kristallisatie op het membraan voorkomen kan worden en op deze wijze vergaand hergebruik van water gerealiseerd kan worden Resultaten onderzoek naar membraandestillatiekristallisatie Gestart is met het onderzoek naar membraandestillatie (MD) op laboratoriumschaal gebruikmakend van een modeloplossing van NaCl in water. Het blijkt mogelijk om deze oplossing te concentreren tot NaCl verzadiging met behulp van hydrofobe PTFE membranen bij een voedingstemperatuur van 73 C en een temperatuurverschil over het membraan van 13 C. zonder dat zich problemen van vervuiling voordoen. Echter op het moment dat er kristallisatie optreedt door waterverwijdering, daalt de flux door het membraan drastisch. Dit duidt op kristallisatie op het membraan. Om dit te voorkomen is de mogelijkheid van het toevoegen van enten onderzocht. Idee hierachter is dat door het aanbieden van een groot kristallisatieoppervlak via deze enten, kristallisatie op deze enten i.p.v. op het membraan kan plaatsvinden. Vele type enten zijn getest, van zowel verschillende grootte als verschillende lading, maar het is niet mogelijk gebleken het kristallisatiegedrag van NaCl via deze enten te beïnvloeden en lijkt dan ook geen geschikte methode. Beïnvloeding van het kristallisatiegedrag van Ca-zouten met behulp van enten lijkt beter te gaan.

15 15 Een andere optie om kristallisatie op het membraan te voorkomen is de toepassing van osmotische destillatie (OD) i.p.v. MD. Bij OD wordt aan de destillaatzijde van het membraan een trekvloeistof gebruikt. Als trekvloeistof is een geconcentreerde CaCl 2 oplossing gebruikt. Door gebruik van een dergelijk geconcentreerde oplossing kan een waterdampdruk verschil over het membraan ingesteld worden, terwijl de temperatuur aan de destillaatzijde hoger kan zijn dan aan de voedingszijde van het membraan. De verwachting is dat als gevolg hiervan de temperatuur aan het membraan hoger zal zijn dan in de bulk van de vloeistof. Hypothese is dat daardoor NaCl kristallisatie eerder op zal treden in de bulk dan aan het membraan (waar de oplosbaarheid hoger is door de hogere temperatuur). OD experimenten zijn uitgevoerd met zowel modeloplossing als zeewater en alhoewel de fluxafname na kristallisatie langzamer lijkt te gaan, daalt de flux tot een laag niveau, wat wijst op vervuiling (kristallisatie) van het membraan Conclusie onderzoek membraandestillatie-kristallisatie De resultaten van de laboratoriumexperimenten laten zien dat membraandestillatie goed toepasbaar is tot verzadiging van aanwezige zouten. Op het moment dat de verzadiging calciumzouten betreft en dan in het bijzonder calciumcarbonaat, is het mogelijk precipitatie van deze zouten op het membraan te voorkomen/te beperken door toevoeging van enten, waarop de precipitatie dan plaatsvindt i.p.v. op het membraan. Wanneer de verzadiging NaCl en vergelijkbare zouten (b.v. KCl) betreft is er nog geen afdoende oplossing gevonden om precipitatie van deze zouten op het membraan te voorkomen. Noch de toevoeging van enten, noch een andere wijze van bedrijven van membraandestillatie (zogenaamde osmotische destillatie) geven op dit moment voldoende resultaat ten aanzien van het voorkomen van precipitatie op het membraan.

16 7. Conclusie technologie evaluatie membraandestillatie/kristallisatie 16 Membraandestillatie is een technologie die goed inzetbaar is bij hergebruik van water. Het is een concentreringstechniek, waarbij vrijwel alle opgeloste stoffen geconcentreerd worden in een concentraat en waarbij het herbruikbare water van goede kwaliteit is voor de glastuinbouw. Afhankelijk van de concentratie opgeloste zouten kan een bepaalde hoeveelheid water teruggewonnen worden. Verder concentreren dan de verzadigingsgraad van zouten lijkt op dit moment niet raadzaam. Met de techniek membraandestillatie-kristallisatie kan het kristallisatiegedrag nog onvoldoende beheerst worden. Wel is het mogelijk membraandestillatie tot verzadiging uit te voeren en daarna apart te kristalliseren in een kristallisator (b.v. door afkoeling) en daarna de onderverzadigde stroom weer naar de membraandestillatie unit te leiden en dit proces te herhalen. Dit vergt echter meer energie (iedere keer weer afkoelen en opwarmen). Concrete pilot proeven met membraandestillatie hebben aangetoond dat het mogelijk is 50-60% van het water van een spuistroom uit de rozenteelt (glastuinbouw) te kunnen terugwinnen. Belangrijk aspect bij membraandestillatie is het energieverbruik. Het energieverbruik kan circa 300 MJ/m 3 geproduceerd water bedragen. Deze energiebehoefte kan echter ingevuld worden bij een temperatuur van C, dus laagwaardige warmte. De kosten van membraandestillatie zijn in sterke mate afhankelijk van de prijs van de restwarmte en dit blijkt vaak zeer lokaal bepaald. Voor grootschalige toepassingen (gebaseerd op de kosten van concentrering van zeewater) zijn de geschatte kosten voor membraandestillatie tot het verzadigingspunt van NaCl (ongeveer 10 x concentrering) 1,50 Euro/m 3 geproduceerd water. Voor kleinschalige toepassingen kan dit oplopen naar 3,50 Euro/m 3 geproduceerd water.

17 8. Referenties 1. Vergroten zelfvoorzienendheid watervoorziening glastuinbouw, Watervraag Glastuinbouw Haaglanden, Deelrapport A, KvK105/2013A, Deelrapport B, Wateraanbod Glastuinbouw Haaglanden, KvK105/2013B, Glastuinbouw Waterproof, substraatteelt WP5, Fase 3: pilotonderzoek membraandestillatie, TNO-060-UT , november 2012

18 18 Ontwikkelen van wetenschappelijke en toegepaste kennis voor een klimaatbestendige inrichting van Nederland en het creëren van een duurzame kennisinfrastructuur voor het omgaan met klimaatverandering Contactinformatie Programmabureau Kennis voor Klimaat Secretariaat: Communicatie: p/a Universiteit Utrecht p/a Alterra, Wageningen UR Postbus Postbus TC Utrecht 6700 AA Wageningen T T E office@kennisvoorklimaat.nl E info@kennisvoorklimaat.nl