membraansystemen in Nederland

Mem braan Applicatie Centrum Twente I nd u s tri ëi e toe pass i ngen van membraansystemen in Nederland Beschrijving van een aantal cases van toepassingen van membraantechnologie bij industrieel waterbeheer. In opdracht van: Opdrachtnummer: Uitgevoerd door: Periode: REA Lelystad 31881 / EMP W.F. Boeken & A.C.M. Franken Membraan Applicatie Centrum Twente b.v. Enschede 1 januari 1999-30 april 1999

Samenvatting Samenvatting. In dit rapport wordt een beschrijving gegeven van een inventarisatie van concreet toegepaste procesgeïntegreerde membraansystemen in de (Nederlandse) industrie. Bij deze beschrijvingen van praktijkcases ligt de nadruk op de volledigheid van de technische en economische beschrijvingen van een installatie en niet op het inventariseren van het aantal toegepaste installaties in Nederland. De bedoeling van dit "pilot-project'' is om te beoordelen of de vergaarde informatie van voldoende omvang en kwaliteit is om in een kennissysteem te worden opgenomen. In het eerste deel van de studie wordt een overzicht gegeven van membraanprocessen, hun werking en de begrippen die van belang zijn voor het functioneren van een membraanproces. Tevens worden in deze hoofdstukken een aantal vuistregels gegeven met betrekking tot technische parameters van diverse membraanprocessen (zoals flux en selectiviteit) en met betrekking tot economische parameters (kosten van membranen). Het tweede deel van de studie bevat de beschrijving van twintig cases voor het toepassen van mem- braantechnologie voor (procesgeïntegreerde) afvalwaterbehandeling. Bij deze beschrijvingen zijn cases uit de proces- en drinkwaterbereiding en cases uit de galvanische industrie buiten beschouwing gelaten. In deze beschrijvingen worden de technische en economische details van een installatie zoveel mogelijk op dezelfde wijze beschreven. Een deel van de gegevens (met name economische kentallen, maar in twee gevallen betreft het ook de eindgebruikers zelf) zijn vanwege de vertrouwelijkheid niet in dit rapport opgenomen. De belangrijkste conclusie van de studie is dat het mogelijk is om gedetailleerde informatie over een membraaninstallatie te verzamelen voor een databestand. Daarnaast is gebleken dat het niet eenvoudig is om de verschillende membraansystemen in verschillende toepassingen met elkaar te vergelijken, en om de getallen te herleiden tot enkele kentallen of een beslisslingsschema voor de meeste optimale techno- logie. Hiervoor is de vergaarde informatie te beperkt van omvang en zijn de toepassingen te divers. Wel kan worden gesteld dat de huidige beschrijvingen en het format van de beschrijvingen de basis kunnen vormen voor de opzet van een kennissysteem voor geavanceerde waterbehandelingstechnologie..7 2 Y MACT

Samenvatting Summary This report describes a number of membrane installations used in waste water and process water treatment systems in the Outch industry. The description of the systems focuses on presenting al1 the technical and economical data of these systems. These descriptions are part of a pilot project to assess whether the gathered information is sufficient, both in size and quality, to become part of data base on advanced technologies for process integrated water treatment. The first part of the study gives an overview of membrane technology in general and parameters essential for the functioning of membrane processes. In addition some rules of thumb with respect to several parameters of membrane processes (such as flux and seledivity) and to its costs are given. The second part of the study comprises of twenty descriptions of installations used for process integrated (waste) water treatment. Installations for process- and drinking water preparation and installations used in the galvanic industry have been excluded. In these descriptions the technical and economical parameters are described in the same manner for comparison. Part of the data (mainly econornic details of an installation but also data on the end-users thernselves) is not presented for reasons of secrecy. The main conclusion of the study is that it is possible to gather enough data on a specific installation to make it worthwhile to put the information in a data base on advanced technology for process integrated water treatment. Furthermore, it appeared that it is difficult to compare different installations for different applications with each other and to reduce the description to some basic numbers or assessment scheme. The present information and format of presentation of the installations can be the core of the data base on advanced technologies for process integrated water treatment. T.? V MACT 3

In houdsopgave In houdsopgave Samenvatting... 2 Summary... 3 Inhoudsopgave... 4 1. Inleiding... 6 2. Opdrachtomschrijving... 7 2.1. Opdrachtomschrijving... 7 2.2. Randvoorwaarden/afbakening studie... 7... 2.3. Orienterende inventarisatie... 8 3. Uitvoering van de studie... 9 3.1. Opzet van het kennissysteem... 9 3.2. Bronnen... 9 3.2.1. Membraanleveranciers... 9 3.2.2. Systeemleverancierdinstallatiebouwers... 10 3.2.3. Kennisinstellingen en ingenieursbureaus... 10 3.2.4. Overheidsinstellingedsubsidiegevers... 11 3.2.5. Geheimhouding... 11 3.3. Rapportage... 12 3.3.1. Inventarisatieformulieren... 12 3.3.2. Verwerking van de gegevens... 12 3.3.3. " RIZA-Informatiebladen"... 12 3.3.4. Overige informatie... 12 4. Criteria voor toepassingen van membraantechnologie... 13 4.1. Membranen en membraanprocessen... 13 4.1. 1. Microfitratie... 14 4.1.2. Ultrafiltratie... 15 4.1.3. Nanofiltratie... 17 4.1.4. Omgekeerde osmose... 17 4.2. Membraanmaterialen... 18 4.2.1. Polymere membranen... 18 4.2.2. Keramische membranen... 19 4.2.3. Andere membraanmaterialen... 19 4.3. Membraanmodules... 20 4.3.1. Vlakke plaat module... 20 4.3.2. Spiraalgewonden module... 20 4.3.3. Disc-tube module... 21 4.3.4. Capillaire membraanmodule... 21 4.3.5. Tubulaire membraanmodule... 22 4.3.6. Holle vezel membraanmodule... 23 4.3.7. Welke module voor welk proces?... 23 4.4. Procesontwerp en uitvoeringswijze... 24 4.4.1. Hydrodynamische maatregelen... 25 4.4.2. " Back-flush "... 25 4.4.3. Systeemontwerp... 25 4.4.4. Pompkeuze... 27 4.4.5. Batchgewijze vs. continue uitvoering... 29 4.5. Procesbeheersing... 29 4.5.1. Drukval over het membraan (transmembraandruk)... 29. 7 4 V MACT

In houdsopgave 4.5.2. Systeemdruk... 29 4.5.3. Drukval in de module... 30 4.5.4. Langsstroomsnelheid ("cross-flow snelheid ")... 30 4.5.5. Back-flush of Back-shock... 30 4.6. Membraanvervuiling en reiniging... 30 4.6.1. Concentratiepolarisatie... 30 4.6.2. Cake layer filtratie... 31 4.6.3. Pore blocking... 31 4.6.4. Fouling (vervuiling)... 31 4.6.5. Membraanreiniging... 32 5. Haalbaarheid van de opzet van een datasysteem... 33 5.1. Haalbaarheidsparameters... 33 5.1. 1. Omvang van de informatie... 33 5.1.2. Kwaliteit van de informatie... 33 5.1.3. (Vrije) beschikbaarheid van de informatie... 33 5.1.4. Afbakening van de gebieden... 34 5.1.5. Technische vergelijkbaarheid van de informatie... 34 5.2. Waarom de keuze voor membraantechnologie?... 34 6. Conclusie... 36 Bijlage 1 : Inventarisatie-formulier... 37 Bijlage 2 : Ge heim houd ingsve rklaring RIZA... 39 Bijlage 3: Index... 40 T *7 5 V MACT

Inleiding 1. Inleiding Uit vragen vanuit de industrie is naar voren gekomen dat er behoefte bestaat aan informatie over schone productieprocessen, over verbeterde methoden van afvalwaterbehandeling en over het sluiten van de waterkringloop. Een veelgehoorde klacht is dat veel informatie over milieugerichte procestechnologie vaak te algemeen van aard is. In de meeste gevallen worden wel enkele technische specificaties van het scheidingsproces besproken, maar economische kentallen en mogelijke kwaliteitsverbeteringen van het proces ontbreken. Daarnaast bestaat het probleem dat veel bedrijven door de veelheid en verscheidenheid van informatie door de bomen het bos niet meer kunnen zien. Membraantechnologie is één van de processen waarmee afvalwaterbehandeling en sluiten van de waterkringloop kan worden gerealiseerd. Echter zelfs voor deze technologie op zich bestaat er al een verscheidenheid van processen en van procesaanpak. Het maakt namelijk een wezenlijk verschil of een proces wordt ingezet voor afvalwaterbehandeling, voor proceswaterhergebruik of voor producthergebruik. Een verschillende aanpak vraagt ook om een verschillend type filtratieproces, met name als een hoge concentratie van het retentaat wordt gevraagd en/of het concentraat gevoelig is voor afschuifspanningen. Het moge duidelijk zijn dat de prijzen en de terugverdientijden van een installatie daardoor aanmerkelijk kunnen verschillen. Het doel van deze studie is tweeledig. In de eerste plaats zal een overzicht worden gegeven van allerlei aspecten van het gebruik van membraantechnologie en in het tweede deel worden twintig verschillende praktijkcases beschreven. Bij de beschrijving van de verschillende cases worden naast technische beschrijvingen ook economische kentallen als kosten, besparingen en terugverdientijd (voor zover deze niet vertrouwelijk zijn) beschreven. Het technologie-overzicht is gekoppeld aan praktijkcases middels verwijzingen, die een praktische illustratie van de technologische begrippen geven.

O pdrach tomschrijving 2. Opdrachtomschrijving In dit hoofdstuk wordt een korte samenvatting gegeven van de opdrachtomschrijving van het RIZA aan het Membraan Applicatie Centrum Twente. Tevens worden de randvoorwaarden voor de afbakening van de studie, alsmede de resultaten van een oriënterende gespreksronde met diverse bedrijven vermeld. 2.1. Opdrachtomschrijving Bij de industrie bestaat behoefte aan kant-en-klare informatie over in de Nederlandse industrie toegepaste vormen van schone technologie. Het blijkt echter dat veel informatie over milieugerichte procestechnologie vaak te algemeen van aard is. In sommige gevallen worden nog wel enkele technische bijzonderheden besproken, maar economische kentallen en mogelijke kwaliteitsverbeteringen van het proces ontbreken. RIZA wil in dit gemis voorzien door een kennissysteem "nieuwe technologie" op te zetten, waarin beknopte, maar volledige, voorbeeldbeschrijvingen van industriële installaties voor schone technologie zijn opgenomen. Om te beoordelen of de vergaarde informatie van voldoende omvang en kwaliteit zal zijn om in een kennissysteem te worden opgenomen is besloten een pilot-project te starten. In dit pilot-project zal een inventarisatie van concreet toegepaste procesgeïntegreerde membraansystemen in de (Nederlandse) industrie worden gemaakt. Aan het Membraan Applicatie Centrum Twente (MACT) wordt gevraagd om: (i) in samenwerking met RIZA een mogelijke opzet voor een kennissysteem "nieuwe technologie" (welke gegevens dienen te worden vergaard) te verzorgen; (ii) het vergaren van de informatie voor een 20-tal beschrijvingen van membraaninstallaties; (iii) het presenteren van de vergaarde informatie in het overeengekomen format en een bijbehorend rapport. 2.2. Randvoorwaarden/afbakening studie Voor de studie gelden de volgende randvoorwaarden/afbakening: de nadruk dient te liggen op procesgeïntegreerde waterbehandeling, evt. afvalwaterbehandeling. Het bereiden van proceswater uit drink-, oppervlakte- of grondwater behoort niet tot het onderwerp van de studie;. in totaal dienen 20 cases te worden beschreven; er dient zo goed mogelijk een afbakening naar techniek te geschieden (microfiltratie/ultrafiltratie: circa 5 cases; nanofiitratie/omgekeerde osmose: 1 O cases; enkele case electrodialyse); indien mogelijk dienen de beschreven installaties in technisch opzicht vergelijkbaar te zijn qua debiet en functie; bij voorkeur recente cases; bij voorkeur in Nederland; cases uit de galvanische industrie en uit de proces- enlof drinkwaterbereiding worden uitgesloten voor deze pilot-studie. Dit betekent overigens niet dat cases uit de galvanische industrie worden uitgesloten voor opname in het databestand. 'c.7 V MACT 7

Opdrachtomschrijving 2.3. Oriënterende inventarisatie Uit een oriënterende inventarisatie van het RIZA bij diverse leveranciers van membranen en membraan- systeembouwers bleek dat algemene informatie in principe wel te leveren is, maar dat voor gedetailleerde informatie over processen en proceswatersamenstelling overleg met gebruikers nodig is. Op het moment dat naar meer gedetailleerde informatie wordt gevraagd, worden zowel leveranciers als eindgebruikers minder enthousiast en komt met name het aspect vertrouwelijkheid aan de orde..(.7 V MACT 8

Uitvoering van de studie 3. Uitvoering van de studie In dit hoofdstuk wordt de wijze waarop de studie is uitgevoerd beschreven. Aspecten als opzet van het kennissysteem, de gebruikte bronnen voor het vergaren van informatie, de bereikte resultaten van de benadering (welke informatie is beschikbaar en, vooral, is men bereid beschikbaar te stellen), geheimhouding van gevoelige informatie, de wijze waarop de verkregen gegeven worden verwerkt en de wijze van rapportage. 3.1. Opzet van het kennissysteem Voor het verzamelen van de informatie wordt het format gehanteerd zoals weergegeven in het bijgevoegde inventarisatieformulier (bijlage 1 ). Daarnaast zullen een schema van de installatie, afbeeldingen en eventuele bijzondere kenmerken worden verzameld. Bij het formulier dient te worden opgemerkt dat dit een hulpmiddel is bij de inventarisatie. Niet alle gegevens zullen boven tafel (kunnen) komen en daarnaast zal er een wat uitgebreidere beschrijving van het proces worden bijgevoegd zodat het doel van de installatie eenduidig staat vermeld. 3.2. Bronnen Bij het inventariseren van installaties welke in aanmerking komen voor opname in het kennissysteem, zal gebruik worden gemaakt van de volgende bronnen: het eigen databestand van het MACT; gegevens bekend uit literatuur (inclusief informatie van membraanleveranciers en installatiebouwers); gegevens van adressen en/of membraaninstallaties verzameld in eerdere projecten door bijv. Novem (N.B.: hierbij is slechts beperkte toegang verkregen tot deze bestanden vanwege de vertrouwelijkheid van de verkregen informatie); informatie over (adressen van) gebruikers van membraansystemen zoals bekend bij membraanleveran- ciers, ingenieursbureaus en kennisinstellingen. Tijdens de studie zijn de navolgende bedrijven/instanties benaderd met het volgende resultaat: 3.2.1. Membraanleveranciers De medewerking van membraanleveranciers is positief te noemen. Veelvuldig werd echter verwezen naar de installatiebouwers, omdat deze uiteindelijk het systeem hebben geplaatst en het proces beter kennen. Deels heeft dit te maken met minder kennis over de geplaatste installatie, maar de belangrijkste reden is dat de verantwoordelijkheid voor het functioneren van de installatie bij de systeembouwer ligt. - Hydranautics: hebben zelf geen cases anders dan proces- en drinkwaterbereiding. Zij verwijzen naar apparaten bouwers. - Stork Friesland: verwijzen ook naar apparatenbouwers voor uitgebreidere informatie. Zij hebben wel een aantal mogelijke cases doorgegeven. - Velterop: één bruikbare case (doorverwezen naar ECN). - X-flow: verwijzen ook naar apparatenbouwers voor uitgebreidere informatie. Hebben een aantal cases doorgegeven (o.a. wasserijen). 'c.7 9 V MACT

Uitvoering van de studie 3-2.2. Systeemleverancierdi nstal lat iebouwers De medewerking van systeemleveranciers/installatiebouwers is goed tot zeer goed te noemen. Hierbij moet worden aangetekend dat vertrouwelijkheid een belangrijke factor blijft en dat in een aantal gevallen een positieve bijdrage van de leverancier door een categorische weigering van de gebruiker werd gevolgd. Deze cases zijn dan ook niet beschreven. Vertrouwelijkheid is ook een item wat betreft leveranciers met name wat betreft economische kentallen. Uit concurrentie-overwegingen kunnen niet altijd alle gegevens ter beschikking worden gesteld voor publicatie. De benadering van de individuele leveranciers leverde het volgende resultaat op: ATP Europe: één mogelijk bruikbare case in Nederland (welke uiteindelijk niet is gebruikt). Degrémont Loran: zeer goede medewerking ontvangen. Uiteindelijk zijn drie cases beschreven met installaties van Degrémont Loran. Electrolyse Project: is vooral betrokken bij cases in de galvanische industrie. Goede medewerking bij enkele cases uit de voeding- en genotmiddelenindustrie, welke als onderdeel van een studie van Novem waren beschreven. Koch Membrane Systems: zeer goede medewerking ontvangen. Uiteindelijk zijn drie cases beschreven waarin installaties van Koch zijn toegepast. Najade Separation: had geen interesse om mee te werken aan de studie. De meeste installaties van Najade zijn overigens gebouwd voor galvanotoepassingen. Norit Membrane Technology: zijn vooral actief in de proces- en drinkwaterbehandeling. Er lopen enkele waterprojecten in de voeding- en genotmiddelenindustrie; deze zijn echter nog niet gereali- seerd en zijn voorlopig vertrouwelijk van aard. Septo Biotechniek: goede medewerking bij beschrijven van één case (membraanbioreactor). USF Rossmark: goede medewerking bij beschrijven van een drietal cases. Zenon: is niet benaderd. De reden hiervoor is dat Zenon in het verleden herhaaldelijk telefonisch medewerking heeft toegezegd en deze afspraken nooit is nagekomen; zelfs het opsturen van een fol- der lijkt al problemen te geven. Een mogelijke case van een membraanbioreactor is niet beschreven. 3.2.3. Kennisinstellingen en ingenieursbureaus De medewerking van de kennisinstellingen en ingenieursbureaus was zeer wisselend. In enkele gevallen werd een goede medewerking verkregen: ECN, Crontmij en TNO waren positief over de studie en hebben daar waar mogelijk een positieve bijdrage geleverd. In een aantal andere gevallen was de medewerking beduidend minder, variërend van een ontwijkend antwoord tot geen medewerking. Ook passieve medewerking in de vorm van een verwijzing of een tip werd dan niet verleend. Dit is deels verklaarbaar, omdat men enerzijds de studie misschien liever zelf had uitgevoerd en anderzijds omdat men geen tijd wil steken in een activiteit die niet wordt betaald. Toch dient opgemerkt te worden dat een aantal reacties (zoals bijvoorbeeld van een medewerker van het NIZO) ons heeft verbaasd. - ATO/DLO: volgens de contactpersoon had AT0 geen cases die voor ons interessant waren. - DHV Water: geen interesse. - ECN: goede medewerking bij de beschrijving van één case (op het ECN-terrein). - Crontmij: goede medewerking van de heer Wortel ("zwembad-case"). Had nog enkele andere zwem- baden om te beschrijven. - NIZO: geen medewerking, zelfs geen verwijzing ("benader de gebruikers zelf maar")..7 10 V MACT

- Tauw: geen interesse. - Tebodin: hierbij werd het (begrijpelijke) uitgangspunt "voor wat, hoort wat" gehanteerd. Hierover is een afspraak gemaakt met het MACT over het uitvoeren van een aantal haalbaarheidstesten als tegenprestaties. Uiteindelijk heeft Tebodin besloten geen cases aan te leveren. - TNO-MEP: wilden wel medewerking verlenen, maar beschikten niet over cases op het gebied van procesgeïntegreerde waterbehandeling (wel op het gebied van " pertractie " in de chemische industrie, maar dit viel buiten de "scope" van deze studie). - Witteveen & Bos: geen interesse. 3.2.4. OverheidsinstelIingen/subsidiegevers Hierbij wordt met name Novem bedoeld. Wat Novem betreft is gebruik gemaakt van de volgende ingangen: TIEB (Tender Industriële Energie Besparing): brochures van afgeronde projecten welke een begin vormden van een case. In de regel bleek de informatie in de brochures onvolledig en in een aantal ge- vallen bleek de informatie van de brochure zodanig gedateerd dat de installatie inmiddels aan andere procesomstandigheden was aangepast. Brochure " Membraantechnologie als milieutechnologie I'. In deze brochure stonden een aantal goed gedocumenteerde cases welke allen achterhaald waren: een bedrijf had zijn vestiging in Nederland opgeheven (Tollens), terwijl een ander de beschreven installatie had gedemonteerd (Elektroschmelz). de heer Ongenae van Novem. De heer Ongenae was projectleider van een inventarisatieproject over membranen in voeding- en genotmiddelenindustrie en beschikte over een aantal goed gedocumen- teerde cases. Na veel vijven en zessen (met name met betrekking tot de vertrouwelijkheid van de adresgegevens), hebben wij de beschikking gekregen over een tweetal cases welke zijn beschreven in de studie. projectinformatie via brochures van subsidieprogramma's als " Milieutechnologie". De belangrijkste informatie bestond hierbij uit adresgegevens. 3.2.5. Geheimhouding Bij een korte rondvraag door het MACT bleek dat er bij de leveranciers in de regel wel enthousiasme bestaat voor het aanleveren van informatie over (succesvolle) installaties, maar dat veel gebruikers deze gegevens liever niet aan de "grote klok" hangen, omdat men bang is het concurrentievoordeel te verliezen. Daarnaast wilden enkele leveranciers een aantal gegevens liever geheim houden (zoals membraankeuze en economische parameters als installatieprijs). In een specifiek geval (bij Septo Biotechniek) werd gevreesd dat concurrenten met deze gegevens op bepaalde projecten concurrerende offertes zouden kunnen uitbrengen. Dit was in het verleden voorgekomen. Economische gegevens zijn in een aantal gevallen onder uitdrukkelijke geheimhouding verkregen. In de meeste gevallen was een mondelinge toezegging van de kant van het MACT voldoende. Hierbij werd afgesproken dat de gegevens "voor intern gebruik van het RIZA zijn en dat in geval van verdere verspreiding van de gegevens (via publicaties of door het beschikbaar stellen van informatie over vergelijkbare projecten aan potentiële toepassers van membraantechnologie) eerst contact zal worden opgenomen met zowel de gebruiker als de leverancier". In een enkel geval was het noodzakelijk dat een schriftelijke verklaring werd overlegd..'i v MACT 11

Uitvoering van de studie In de inventarisatieformulieren van de verschillende cases is aangegeven welke gegevens door hetzij leverancier, hetzij gebruiker als vertrouwelijk werden aangemerkt. Deze inventarisatieformulieren maken overigens geen deel uit van deze rapportage en worden in enkelvoud aangeleverd aan het RIZA. 3.3. Rapportage 3.3.1. Inventarisatieformulieren Alle gegevens in de inventarisatieformulieren die niet uit publieke bronnen zijn gehaald moet als vertrouwelijke informatie worden beschouwd. Een aantal gegevens is slechts na een expliciete verklaring van vertrouwelijkheid verkregen. In een aantal gevallen moest, voordat de informatie beschikbaar werd gesteld, een copie van de verklaring van RIZA (zie bijlage 2) worden overlegd. Deze informatie is afgedrukt met witte karakters op een zwarte ondergrond. Deze informatie mag in geen geval, noch via het origineel noch via een copie het RIZA verlaten. De gegevens voorzover die niet vertrouwelijk zijn, zijn verwerkt in de " RIZA-informatiebladen " en staan verderop in deze studie uitgewerkt in de cases. De informatie van de inventarisatieformulieren wordt in enkelvoud aangeleverd aan het RIZA. 3.3.2. Verwerking van de gegevens Voor zover mogelijk zijn de gegevens direct verkregen uit publicatie of door contact met de leverancier of eindgebruiker van de membraaninstallatie. In een aantal gevallen zijn kentallen berekend op basis van aannames. Indien een aanname enlof berekening ten grondslag ligt aan een verkregen kental, wordt hiervan melding gemaakt. 3.3.3. "RIZA-Informatiebladen" Naast de inventarisatieformulieren is voor alle cases een informatieblad gemaakt. De informatie uit de inventarisatieformulieren, die door de leveranciers of gebruikers als vertrouwelijk is aangemerkt, is niet vermeld in de informatiebladen. Hierdoor is dit format mogelijk geschikt om te gebruiken voor het opzetten van een publicatiereeks over membraantechnologie in industriële toepassingen. Hierbij moet echter worden opgemerkt dat in een aantal gevallen bleek dat bedrijven bepaalde publiek beschikbare informatie in publicatiebladen geheim willen houden. Daarnaast heeft een aantal bedrijven slechts toestemming gegeven voor het gebruik van de gegevens door RIZA. Het is in ieder geval duidelijk dat publicatie bij geen enkele case direct kan gebeuren, maar dat er eerst contact met de leverancier en de eindgebruiker moet worden opgenomen. 3.3.4. Overige informatie Bij de beschrijving van een aantal cases is de bronpublicatie (TIEB-bladen en dergelijke) en beeldmateriaal bijgevoegd. Deze bronpublicaties zullen evenals de inventarisatieformulieren slechts in enkelvoud worden aangeleverd. v.7 V MACT 12

Criteria voor toepassingen van membraantechnologie 4. Criteria voor toepassingen van membraantechnologie In dit hoofdstuk zal een beschrijving worden gegeven van de diverse membraanprocessen, begrippen en uitvoeringsvormen van membraansystemen en van criteria welke van invloed zijn op (i) de keuze voor membraantechnologie als proces, (ii) de systeemkeuze en (iii) de keuze van de procescondities. Omdat het merendeel van de afvalwaterstromen uiteindelijk met een filtratieproces (microfiltratie, ultrafiltratie, nanofiltratie of omgekeerde osmose) zal worden behandeld, wordt hierop de nadruk gelegd. Tevens worden via omkaderde tekstblokjes een aantal veelvoorkomende en belangrijke begrippen uit de membraantechnologie uitgelegd. In dit hoofdstuk zullen achtereenvolgens de verschillende membraantypes, de verschillende modulevormen, belangrijke begrippen en definities bij filtratieprocessen, operationele aspecten (zoals druk, langsstroomsnelheid, vervuiling, etc.) en kosten worden besproken. In de beschrijving van de diverse begrippen zal indien van toepassing worden verwezen naar één of meerdere cases. 4.1. Membranen en membraanprocessen In deze paragraaf worden de karakteristieken van verschillende membraanprocessen en hun toepassingen beperrneaat sproken. Membraantechnologie is een scheidingstechniek (zie Figuur 4.1 ), waarvan de voeding meer dan één component bevat en waarbij het membraan zorgt voor een selectieve scheiding van deze componenten. Het retentaat permeaat is de stroom die het membraan gepasseerd is, Figuur 4.1: Membraanscheiding (schematisch) het retentaat (ook wel concentraat genoemd) is de stroom die wordt tegengehouden door het membraan. In Tabel 4.1 worden de eigenschappen van diverse membraanprocessen samengevat. De voeding is de ingaande stroom in een membraanunit. In het geval van een "batch-proces'' wordt hiermee de beginhoeveelheid van een mengsel aangeduid. Het retentaat (ook wel concentraat genoemd) is de fractie van de voeding die door het membraan wordt tegengehouden. In het geval van een "batch-proces'' wordt hiermee de eindhoeveelheid (de "ingedikte" fractie) van een mengsel aangeduid. Het permeaat is de fractie van de voeding die door het membraan gaat. Het permeaat kan zowel het product (bijvoorbeeld in het geval de productie van proceswater) als een bijproduct/afvalstroom betreffen (bijvoorbeeld bij het indikken van eiprodukten is het retentaat het product terwijl het permeaat een afvalfractie betreft). Retentie is de mate waarin een specifieke component door een bepaald membraan wordt tegengehouden. Bijvoorbeeld: een zeewaterelement bij omgekeerde osmose heeft een retentie van 99% voor NaCI. De concentratiefador van een membraan proces (vaak afgekort tot CF) wordt gedefinieerd als de verhouding van de concentraties van een specifieke component in het retentaat en de concentratie in de voeding. Men spreekt in de regel van concentratiefactor indien het retentaat de gewenste fractie is. Bij batch processen is het de concentratie in het eindvolume gedeeld door de concentratie in de voeding. Let op: het is dus niet de verhouding tussen de volumes van beide stromen; alléén als de retentie voor de gevraagde component 100% is, is de verhouding van de volumes gelijk aan de concentratiefactor. Recovery is een term die veel wordt gebruikt bij omgekeerde osmose en nanofiltratie. Hierbij gaat het om de verhouding tussen de permeaatstroom en de voedingsstroom x 100%. Recovery is een getal dat in procenten wordt uitgedrukt en heeft altijd een waarde tussen O en 100%. Bijvoorbeeld: bij het ontzouten van brak water wordt het proces vaak bij een recovery van 75 tot 80% bedreven. v.7 V MACT 13

~ Criteria voor toepassingen van membraantechnologie Tabel 4.7: Karakteristieken van membraanprocessen Mem braan proces Voeding Permeaat Drijvende kracht Toepassing microfiltratie vloeistof vloeistof AP (O. 1-2 bar) "koude" sterilisatie, klaren u I traf i I tratie vloeistof vloeistof AP (1-5 bar) olie-water emulsies nanofiltratie vloeistof vloeistof AP (2-15 bar) ontharden water, ontzilten, microverontreinigingen omgekeerde osmose vloeistof vloeistof AP (8-150 bar) scheiding laagmoleculaire stoffen electrodialyse vloeistof vloeistof AE ionen uit water of processtromen mem braanelectrolyse vloeistof vloeistof AE chloor-aikali proces diffusie-dialyse vloeistof vloeistof AC terugwinnen van zuren en basen dialyse vloeistof vloeistof AC kunstnier gasscheiding gas gas partiële druk scheiding N-JOz damp permeatie damp damp partiële druk terugwinnen organische dampen pervaporatie vloeistof damp partiële druk ontwateren van organische vloeistoff en membraancontactor vloeistof/gas vloeistof/gas AC/partiële druk VOC's uit water / SOx uit lucht De eerste vier processen in Tabel 4.1 zijn de zogenaamde filtratieprocessen. Bij al deze processen is de drijvende kracht een drukverschil over het membraan. In Figuur 4.2 staat een schematische voorstelling van het principe van de filtratieprocessen. Bij industriële (afva1)waterbehandeiing zijn deze processen de meest toegepaste. Welk filtratieproces toegepast kan worden, wordt bepaald door de deeltjesgrootte van de componenten die moeten worden afgescheiden. Pin I i P uit.. P perm In de bovenstaande figuur staat schematisch een membraanmodule met hierin een aantal drukken weergegeven. De transmembraandruk Af' is de drukval over het membraan. Dit is drijvende kracht voor het membraanproces. Indien in een publicatie wordt gesproken over "druk" dan wordt daarmee de transmembraandruk bedoeld, tenzij anders aangegeven. De drukval over de module (in de figuur aangegeven als (Pin - Puit) is de drukval die ontstaat ten gevolge van de ingestelde langsstroomsnelheid. Met name als veel modules in serie zijn geplaatst kan de drukval over de module(s) aanzienlijk zijn. De permeaatúruk (P perm) is meestal atmosferisch. Het kan echter voorkomen dat een tegendruk wordt ingesteld om de transmembraandruk laag te houden bij meerdere modules in serie (zie onder andere case 14). indien een 'I back-flush" wordt uitgevoerd wordt Pperm zodanig verhoogd dat AP negatief wordt. Osmotische druk is de druk van een waterige oplossing met ionen die ontstaat ten gevolge van een gedeeltelijke doorlaatbaarheid van een membraan. Bijvoorbeeld: de osmotische druk van zeewater (ca. 35 g/l NaCl) is in het geval van een RO-membraan (100% retentie) ca. 25 bar; voor een NF membraan (met bijv. 20% retentie voor NaCl) is dit ca. 5 bar en voor UF of MF membranen (met 0% retentie voor NaCl) is dit O bar. 4.1.1. Microfitratie Microfiltratie (MF) is een membraan proces voor de verwerking van suspensies en emulsies. De poriegrootte in MF-membranen loopt van 0.05 tot 1.O pm en het proces wordt uitgevoerd bij lage transmem- T.7 14 V MACT

Criteria voor toepassingen van membraantechnologie braandruk (0.1 tot 3 bar). De schoon-water-flux door de membranen (swf) bedraagt in de orde-grootte van 1000 tot 10.000 Vm2.uur.bar. In praktijksituaties (dus als vervuilende componenten aanwezig zijn) worden waarden tussen 50 en 500 I.m2.uur.bar gemeten. Een toegepaste vuistregel is dat de swf voor MF in de orde-grootte van 1 I/m2.seconde.bar bedraagt en praktijkwaarden in de orde-grootte van 5 tot 10% van deze waarde. Microfiltratie wordt meestal toegepast in processen waar hoge eisen aan de zuiverheid van de te gebruiken materialen worden gesteld. Medische toepassingen zoals de productie van pyrogeenvrij water en de sterielfiltratie van farmaceutische materialen, toepassingen in de levensmiddelenindustrie (klaren van vruchtensappen, wijn en bier), de halfgeleiderindustrie (ultrapuur water) en biomedische toepassingen zijn allemaal in een vergevorderd stadium van ontwikkeling. Toepassingen van MF in proces- en afvalwaterbehandeling zijn in de regel processen waarbij de verwijdering van emulsies voorop staat. Voorbeelden in de beschreven cases zijn onder andere de behandeling van waswater in industriële wasserijen (case 2 en 7), de verwijdering van zwevende deeltjes uit een afvalwaterstroom (bijv. case 6 en 18) en hergebruik van spoelwater (case 16). De meeste microfiltratiemembranen zijn van polymeren gemaakt. Enkele voorbeelden van materialen die vaak worden gebruikt zijn: polypropyleen (case 16, 18 en 191, polysulfon, polyethersulfon (case 21, polyamides, cellulose esters (cellulose acetaat, cellulose nitraat). Er worden tevens anorganische materialen toegepast: alumina (case 7), zirconia en koolstofvezel. De laatste groep materialen is weliswaar duurder, maar kan voor bepaalde toepassingen duidelijke voordelen bieden. Met name de bestendigheid tegen agressieve chemische vloeistoffen en hoge temperatuur is gunstig. a O O deeltjes opgeloste stof (hoge mol. massa) opgeloste stof (lage mol. massa) oplosmiddel!o 9 * 0.0. O: &.. o.. o. O.&O.&.*....o..*.@... :. :c.*... : :o:::.:.o.... ultrafiltratie 1; : ; : ; ; : : ; : : ; : ; I....... nanofiltratie / omgekeerde osmose Figuur 4.2 : Schematische voorstelling van filtratieprocessen 4.1.2. Ultrafiltratie Net als bij microfiltratie berust het scheidingsprincipe bij ultrafiltratie op een zeefmechanisme. De poriegrootte van deze membranen loopt van 3 tot 50 nm en de benodigde druk bedraagt 1 tot 5 bar. De schoon-water-flux door de membranen (swf) bedraagt in de orde-grootte van 50 tot 1000 I/m2.uur.bar..7 15 V MACT

~ toplaag Criteria voor toepassingen van membraantechnologie Symmetrische membranen zijn membranen waarbij de structuur van toplaag tot onderlaag gelijk is. De structuur van dergelijke membranen is "sponsachtig" met een hoge porositeit (70 tot 80%) en uniforme poriegrootte. Deze 'structuur komt alleen voor bij microfiltratiemembranen. Een voordeel van een symmetrische structuur is dat de kans 1 op defecten ten gevolge van beschadigingen klein is. Nadeel is de grotere weerstand tegen stoftransport. ~Asymmefrische membranen zijn membranen waarbij de structuur van de toplaag dichter is dan de structuur van de I onderlaag. De onderlaag zorgt voor de mechanische stevigheid terwijl de scheidingseigenschappen door de dunne worden bepaald. Dit membraantype wordt toegepast bij alle membraanprocessen met poriegroottes kleiner dan 0,05 bm, omdat anders de weerstand tegen stoftransport te groot zou worden. Nadeel van een dergelijk mernbraantype is de grotere kwetsbaarheid van de toplaag; dit is tevens de reden dat bij buis en capillaire membranen de toplaag vaak aan de binnenkant zit. Composietmembranen vormen het derde type. In feite zijn composietmembranen een bijzondere vorm van asymmetrische membranen. Het verschil is dat de toplaag van een ander materiaal is gemaakt dan de steunlaag. Dit type membraan wordt veel toegepast bij nanofiltratie en omgekeerde osmose. Het voordeel van dit membraantype is dat toplaag en steunlaag onafhankelijk van elkaar kunnen worden geoptimaliseerd. In praktijksituaties worden waarden tussen 10 en 100 I.m2.uur.bar gemeten. Een toegepaste vuistregel is dat de swf voor UF in de orde-grootte van 1 I/m*.minuut.bar bedraagt en praktijkwaarden in de orde- grootte van 10 tot 20% van deze waarde. Ultrafiltratie wordt toegepast in processen waar componenten met een hoge molekuulmassa gescheiden moeten worden van componenten met een lage molekuulmassa. Bij deze discussie over de begrippen ultra- en microfiltratie kan enige spraakverwarring plaatsvinden. Veel toepassingen (met name waar het gaat om de filtratie van emulsies) maken bij voorkeur gebruik van Molecular Weight Cut-Off (M WCO) is een maat voor het scheidend vermogen van een ultrafiltratiemembraan. Een MWCO van een bepaalde grootte (uitgedrukt in de eenheid Dalton) geeft aan dat meer 90% van die moleculen door het membraan worden tegengehouden. * T.7 V MACT 16

Criteria voor toepassingen van membraantechnologie 4.1.3. Nanofiltratie Ongeveer 10 jaar geleden heeft nanofiltratie (NF) een plaats veroverd bij de membraanscheidingsprocessen. De NF-membranen hebben een poriegrootte van 0.5 tot 3 nm en het proces wordt uitgevoerd bij drukken van 2 tot 15 bar. De schoon-water-flux door de membranen (swf) bedraagt in de orde-grootte van 3 tot 10 I/m2.uur.bar. In praktijksituaties worden waarden gemeten die slechts marginaal lager zijn. Een toegepaste vuistregel is dat de swf voor NF in de orde-grootte van 5 I/m2.uur.bar bedraagt en praktijkwaarden in de orde-grootte van 50 tot 80% van deze waarde. Nanofiltratie wordt toegepast om enkelwaardige ionen te scheiden van meerwaardige ionen of in processen waarbij oplossingen van kleine macromolekulen (met een molekuulmassa tussen 200 en 1000 Dalton) gescheiden moeten worden van componenten met een lage molekuulmassa (in het algemeen ionen). Speciaal op het gebied van de drinkwaterproductie heeft NF in de Verenigde Staten veel aandacht gekregen voor de vermindering van de hardheid van het water (de term "softening membranes" wordt wel gebruikt). Naast de meeste tweewaardige ionen (calcium, magnesium, etc.) kan NF ook gebruikt worden om pesticiden en kleurstoffen te verwijderen. Voorbeelden van het gebruik van nanofiltratie in de proces- en afvalwaterbehandeling zijn onder andere het verwijderen van zware metalen uit een stroom met éénwaardige ionen (case 12), het verwijderen van "grotere" molekulen (met molekuulgewichten tussen 200 en 1 O00 Dalton; zie case 41, het verwijderen van fosfaten uit een afvalwaterstroom (case 17) en het gelijktijdig concentreren en ontzouten van wei (case 11). 4.1.4. Omgekeerde osmose Omgekeerde osmose (Engels: Reverse Osmosis (RO)) wordt gebruikt als zouten, suikers of andere kleine moleculen moeten worden gescheiden van water. Het scheidingsprincipe is gebaseerd op een oplos- diffusie mechanisme en het proces wordt meestal uitgevoerd bij een druk van 15 tot 60 bar. De schoon- water-flux door de membranen (swf) bedraagt in de orde-grootte van 1 tot 3 I/m2.uur.bar. In praktijksituaties worden waarden gemeten die slechts marginaal lager zijn. Een toegepaste vuistregel is dat de swf voor NF in de orde-grootte van 1 I/m2.uur.bar bedraagt en praktijkwaarden in de orde- grootte van 80 tot 100% van deze waarde; alleen indien de voeding een hoge osmotsiche druk heeft (zoals bijvoorbeeld zeewater) dan wordt deze waarde lager. Evenals de spraakverwarring bij UF en MF, kan deze ook optreden bij nanofiltratie en omgekeerde osmo- se. Een echt scheidingscriterium bestaat niet, maar in de regel wordt aangehouden dat als de retentie voor NaCI groter is dan 95% men over RO spreekt en als deze minder is dan 50% NF als term wordt gebruikt. Daartussen heerst spraakverwarring. De belangrijkste reden dat de overgang tussen NF en RO niet scherp is, komt waarschijnlijk voort uit het gegeven dat de meeste bedrijven die zich bezig houden met nanofiltratie ook actief zijn op het gebied van de omgekeerde osmose. De belangrijkste toepassing van omgekeerde osmose is het ontzilten van brak water en zeewater tot drinkwater. Deze toepassing vertegenwoordigt 50% van de verkoop in omgekeerde osmose. Andere toepassingen van omgekeerde osmose zijn te vinden in de productie van industrieel proceswater, spoel- water voor de electronische industrie, water voor medische toepassingen en voedselverwerking. Bij proces- en afvalwaterbehandeling met RO staat vrijwel altijd hergebruik van water voorop. Hierbij kan men denken aan de navolgende toepassingen: recycling van warm waswater voor hergebruik in het spoelproces (case 3), behandeling en hergebruik van zwembadwater (case 5), opwerking van afvalwater tot demi-water (case 19)..c.7 17 V MACT

Criteria voor toepassingen van membraantechnologie 4.2. Membraanmaterialen Membranen worden ingedeeld naar het soort materiaal waarvan ze zijn gemaakt. De belangrijkste twee typen zijn polymere membranen en keramische membranen. 4.2.1. Polymere membranen Het leeuwendeel van de membranen die worden gebruikt zijn polymere membranen (meer dan 95%). Voor de meeste toepassingen bij kamertemperatuur en in waterige omgeving zijn dit de beste membra- nen qua prijs en prestatie. Als men buiten dit gebied komt, dient men bij polymere membranen rekening te houden met een beperktere keuze qua membraanmateriaal. Enkele procesvariabelen, welke van invloed zijn op de keuze van een polymeer membraanmateriaal, zijn: - Zuurgraad (PU). Binnen een ph-gebied van 4 tot 10 zijn vrijwel alle polymere membraanmaterialen toepasbaar. Veel toegepaste membraanmaterialen en hun ph resistentie zijn: cellulose-acetaat (4-9), polyamides (3-101, polyacrylonitril (3-101, polyethersulfon (2-13) en polypropyleen (0-14). Ook zijn er veel composietmaterialen, waarbij de bestendigheid niet alleen door het membraanmateriaal wordt bepaald maar ook door de resistentie van de steunlaag. - Temperatuur. Tot 50 C zijn er geen problemen te verwachten met de meeste membraanmaterialen. De maximum gebruikstemperaturen voor enkele membraanmaterialen zijn ongeveer: cellulose-acetaat (70 C), polyamides (70"C), polyacrylonitril (70"C), polyethersulfon (90 C) en polypropyleen (60 C). Ook hier geldt dat de temperatuurbestendigheid van de totale module (dus steunlaag, lijmverbin- dingen, etc.) kan afwijken van de bestendigheid van individuele membranen. - Organische verbindingen. Dit is sterk afhankelijk van het type organische verbinding en de concen- tratie. De keuze voor keramische membranen in het geval van Neproma (case 7) is ingegeven door het feit dat de organische oplosmiddelen uit de poetsdoeken polymere membranen aantasten. Polypropyleen is één van de weinige materialen met een goede bestendigheid tegen organische oplos- middelen. Bij de beschreven cases is in slechts enkele geval de keuze voor een membraanmateriaal specifiek bepaald door één van hierboven beschreven criteria (ph: case 15; temperatuur: case 2, 3 en 7; organische oplos- middelen: case 7). De prijzen van polymere membranen kunnen sterk variëren. De prijs hangt af van de volgende fac- toren: (i) het type membraanmateriaal; (ii) de modulevorm en (iii) de hoeveelheid ("kwantumkorting"). Enkele voorbeelden zijn: UF-membranen van polyethersulfon voor drinkwatertoepassingen (grote hoeveelheden, capillaire of buisvormige membraanmodules): ca. 150-250 gulden/m2. dezelfde membranen voor kleinschalige toepassingen: ca. 1 O00 gulden/m2. MF membranen van polypropyleen (capillaire of buisvormige membraanmodules): ca. 1500-2000 gulden/m2. RO membranen (brak of zeewatertoepassing, spiraalgewonden module): 50-70 gulden/m2. NF membranen (waterige toepassingen, spiraalgewonden module): 80-120 gulden/m2. RO membranen (zure of basische omstandigheden of hogere temperatuur, spiraalgewonden module): 150-250 gulden/m*. NF membranen (zure of basische omstandigheden of hogere temperatuur, spiraalgewonden module): 150-250 gulden/m2..7 18 V MACT

Criteria voor toepassingen van membraantechnologie 4.2.2. Keramische membranen In tegenstelling tot polymere membranen worden keramische membranen uitsluitend gemaakt van alumina composieten voor gebruik in micro- en ultrafiltratie. De membraanconfiguratie is of buis- vormig of meerkanaals monolithisch (" multich an nel " ). De toepassing van anorganische membranen is er niet op gericht om polymere membranen te ver- vangen, maar is aanvullend op plaatsen waar de polymere membranen tekort schieten. Met name bij toepassingen bij hoge temperatuur en als de membranen in aanraking komen met agressieve chemicaliën zijn de keramische membranen in het voordeel. Milieutechnische toepassingen, met name de reiniging van gas, is een groeimarkt voor keramische membranen. Verder zijn in industriële toepassingen (chemische behandelingen, reinigen van oplosmiddelen en terugwinnen van katalysa- toren) de voordelen van keramische membranen overduidelijk. 7- kanaalsbuis 19-kanaalsbuis :en rnultichannel-membraan is een uitvoeringsvorrr man een membraan die alleen bij keramische membraien voorkomt. Hierbij wordt een grofporeuze keranische buis (met poriën van 5 tot 10 pm) met een iiameter van 25 rnrn een lengte van 1 m geëxtrudeerd. ij deze extrusie worden kanalen (zoals in de figuur tangegeven) aangebracht. In een tweede bewerking wordt via het "slip-casting' proces een dunne rnemxaanlaag met de gewenste poriegrootte aan de linnenkant van de kanalen aangebracht. Het permeaat wordt door de poreuze onderlaag afgevoerd naar )uitenkant van de buis en aldaar verzameld. In het algemeen zijn de kosten van keramische MF- en UF-membranen vijf tot tien keer zo hoog als de kosten van polymere membranen. De prijs voor keramische membranen ligt in de orde-grootte van 3000 gulden/m2 voor grootschalige toepassingen (multichannel-mem branen). Voor éénkanaals buizen dient een prijs van ca. 6000 gulden/m2 te worden gerekend. Keramische membranen voor NF en RO zijn beschikbaar (veelal zijn deze echter nog experimenteel) en de kosten zijn extreem hoog. Prijzen van 10.000 gulden/m2 en hoger zijn normaal. Een scherpe daling van deze prijzen is ook niet te verwachten vanwege het feit dat de productiekosten zeer hoog zijn (de NF-laag dient namelijk in ca. 5 tot 6 aparte processtappen te worden aangebracht). Bij de beschreven cases is in twee gevallen een (bewuste) keuze gemaakt voor keramische membranen, zijnde in case 6 (membraanleeftijd dient zo lang mogelijk te zijn vanwege hoge afvoerkosten van radioactief materiaal) en case 7 (aanwezigheid van organische oplosmiddelen). In alle andere gevallen kon worden volstaan met polymere membranen. 4.2.3. Andere membraanmaterialen In deze groep nemen gesinterd glas en koolstof een prominente plaats in. Het marktaandeel van dit soort membranen is minder dan 1% en dit percentage zal zich in de komende jaren stabiliseren. Over het algemeen is de prijs van dit soort membranen gelijk aan, of hoger dan, de prijs van keramische membranen. Het gebruik van deze membranen blijft beperkt tot kleine, specialistische toepassingen. Een belangrijke toepassing voor UF koolstofmembranen is standtijdverlenging van ontvettingsbaden. door de speciale structuur en lage vervuilingsgraad van de membranen worden deze buisvormige membranen steeds vaker ingezet bij deze toepassing. Kosten voor een membraanmodule per m2 zijn in de orde-grootte van 8000 gulden. 7.7 V MACT 19

Criteria voor toepassingen van membraantechnologie 4.3. Membraanmodules Bij de vraag of membraantechnologie in een bepaalde situatie kan worden toegepast zijn membraanmodules en/of procesontwerp vaak nog belangrijker factoren dan het membraan zelf. Dit heeft te maken met het feit dat de uiteindelijke prijs en prestatie in grote mate worden bepaald door deze factoren. in deze sectie wordt aandacht besteed aan aspecten van membraanmodules. Binnen het veld van de membraantechnologie worden verschillende soorten modules toegepast. De zes belangrijkste moduletypes en hun toepassingsmogelijkheden worden hieronder beschreven. 4.3.1. Vlakke plaat module In dit type module worden vlakke platen membraan, gescheiden door zogenaamde spacers, op elkaar ge- iraan voedingsspacer plaatst (zie Figuur 4.3). In dit type module kan de voe- Pemeaat spacer dingsspacer worden aangepast aan de soort voeding. eenheid De vlakke plaat module is relatief duur en de oppervlakte/volume verhouding is laag. Desalniettemin wordt dit type module nog steeds gebruikt in een Figuur 4.3: Vlakke plaat module aantal toepassingen. De belangrijkste toepassing is electrodialyse; in dit geval is het zelfs de enige geschikte configuratie. De kosten van een vlakke-plaat-module zijn erg hoog. Er is namelijk veel handwerk nodig om de module in elkaar te zetten. Daarbij is het is niet eenvoudig de module lekdicht te krijgen. Voor filtratiedoeleinden wordt dit moduletype nauwelijks nog toegepast. 4.3.2. Spiraalgewonden module Een spiraal gewonden module is een configuratie waarbij een membraanenvelop samen met een voedingsspacer wordt opgerold rond de centrale buis. Een membraanenvelop bestaat uit twee vlakke membraanplaten gescheiden door een permeaatspacer die aan drie kanten wordt dichtgelijmd. De open zijde membraanenvelop met permeaatspacer permeaat verzamelbuis mem braanenvelo voedingsspacer Figuur 4.4: Schematische tekening van een "uitgerolde " spiraalgewonden module wordt verbonden met een centrale buis, de " permeaat verzamelbuis". Deze envelop wordt samen met een voedingsspacer opgerold. Als dit opgerolde membraan in een drukvat wordt geplaatst ontstaat de spiraalgewonden module. Een spacer (letterlijk: afstandhouder) is een gewoven of geperste gaasachtige structuur van kunststof die tot doel heeft te zorgen dat twee zijden van een membraan niet tegen elkaar aankomen en dat er een kanalenstructuur aanwezig is waar de voeding of het permeaat doorheen kan stromen. Voor zout en brak water toepassingen wordt een spacer met een dikte van 0.7 mm toegepast. Daarnaast bestaat er een "normal flow spacer" met een dikte van 1.1 mm toegepast of zelfs een 'viscous flow spacer" met diktes tot 1.5 mm..c.7 20 Y MACT

Criteria voor toepassingen van membraantechnologie De lage fabricagekosten en de hoge oppervlakteívolume verhouding maakt dit soort module erg populair in toepassingen als nanofiltratie, omgekeerde osmose en gasscheiding. In omgekeerde osmose is ongeveer 75% van alle modules spiraalgewonden en dit marktaandeel breidt zich uit ten koste van holle vezelmembranen. De belangrijkste reden hiervoor is dat de asymmetrische vlakke plaat membranen met een polyamide toplaag minder gevoelig zijn voor vervuiling, betere resultaten geven en een lagere prijs hebben dan holle vezel membranen. De kosten in RO toepassingen variëren van 50 tot 200 gulden per m2, waarmee dit type module het goedkoopste is van alle module-types. Alle NF- en RO-membranen welke in de cases worden beschreven zijn spiraalgewonden (in totaal in 9 cases toegepast). Dit module-type wordt trouwens ook steeds meer toegepast in ultrafiltratie, waarbij dan een speciale spacer (in de regel dikker) wordt ingezet. Het ultrafiltratieproces zoals toegepast bij Trobas (case 13) is een voorbeeld van een UF-proces met een spiraalgewonden membraan. Hiervoor is een " normal flow spacer" met een dikte van 1.1 mm toegepast. Ter vergelijking: voor zout en brak water toepassingen wordt een spacer met een dikte van 0.7 mm toegepast. 4.3.3. Disc-tube module zijaanzicht van membraankussen Deze module bestaat uit "membraankussens", twee cirkelvor-! mige vlakke platen membraan, gescheiden door een permeaatspacer (zie Figuur 4.5). De membranen worden langs de buiten- rand geseald, terwijl een gat in het midden het opvangen van het permeaat mogelijk maakt. De kussens worden op elkaar, rond een permeaatverzamelbuis het een drukvat geplaatst. bovenaanzicht van membraankussen membraan kussens permeaaiverzamelbuis wordt in Figuur 4.5: schematische voorstelling van een úisc-tube module In dit moduletype komen een aantal voordelen van de vlakke plaat module terug, zonder het nadeel van de hoge prijs. Dit module-type is vrij populair in Duitsland (waar deze ook is ontwikkeld), maar er zijn geen toepassingen in Nederland bekend. 4.3.4. Capillaire membraanmodule In Figuur 4.6 is een voorbeeld te zien van een capillaire membraanmodule die toegepast wordt in micro- of ultrafiltratie. De voeding stroomt door de capillaire kanaaltjes die als een bundel in een buis zijn inge- lijmd. De capillairen hebben een inwendige diameter van 0.5 tot 5.0 mm. De barstdruk van de vezels beperkt de druk tot enkele bars. Hierdoor worden deze modules gebruikt in toepassingen waarbij de drukval over het membraan laag is, zoals (diffusie)dialyse, micro- of ultrafiltratie. Het voordeel van een capillaire membraanmodule is de relatief hoge oppervlakte-volume verhouding en de eenvoudige wijze van produceren. De vezels kunnen van de binnenzijde of van de buitenzijde worden aangestroomd. In de meeste toepassingen worden de vezel van de binnenzijde aangestroomd. Dit heeft twee voordelen, te weten (i) als bij membraanproductie de (kwetsbare) toplaag aan de binnenkant zit, kan deze niet mechanisch beschadigd bij het inlijmen en (ii) bij aanstroming aan de binnenzijde is het stromingsregime beter gedefinieerd (laminair, geen last "channelling"). Aanstroming aan de buitenzijde 'c.7 V MACT 21