Membraantechnologie

Membraantechnologie heeft zich in de afgelopen decennia ontwikkeld tot een volwaardige scheidingstechnologie. De kracht van membraantechnologie ligt in het werken zonder toevoeging van additionele stoffen, met een relatief lage energiebehoefte en met een goed regelbare en op te schalen procesvoering. Membraan technologie is een verzamelnaam voor diverse, in karakter sterk verschillende scheidingsprocessen. Deze scheidingsprocessen hebben als gemene deler dat in alle gevallen het membraan centraal staat. Membranen worden steeds vaker ingezet bij de opwekking van grond-, oppervlakte- of afvalwater tot proceswater. Membranen blijken in toenemende mate concurrerend te zijn geworden met conventionele technieken. Membraanprocessen baseren hun scheidende werking op de aanwezigheid van semi-permeabele membranen. Het principe is eenvoudig. Het membraan werkt als een uiterst fijn filter dat bijvoorbeeld wel water doorlaat, maar niet de vervuilende stoffen die het bevat. Er zijn verschillende methoden om stoffen door een membraan te laten dringen. Het kan door het toepassen van hoge druk, door het in stand houden van concentratieverschillen aan de beide zijden of zelfs door het handhaven van elektrische potentiaalverschillen.

Het membraan werkt dus als het ware door middel van een selectieve scheidingswand. Bepaalde stoffen kunnen het membraan passeren terwijl andere stoffen worden tegengehouden. Membraanfiltratie is een alternatief voor flocculatie/sediment, adsorptie (zand-/koolstoffilter, ionenwisselaar), extractie en distillatie.

Er zijn twee factoren die de werking van een membraan-filtratie proces bepalen: de selectiviteit en de productiviteit. Selectiviteit wordt uitgedrukt in de parameter retentie of scheidingsfactor (uitgedrukt in de eenheid l/m²·h), productiviteit in de parameter flux (uitgedrukt in de eenheid l/m²·h). De selectiviteit en de productiviteit zijn afhankelijk van het soort membraan.

Bij membraanfiltratie kan er een tweedeling gemaakt worden tussen micro- en ultrafiltratie enerzijds en nanofiltratie en omgekeerde osmose (ook wel hyperfiltratie of reverse osmose genoemd) anderzijds. Wanneer membraanfiltratie gebruikt wordt voor de verwijdering van grote deeltjes worden micro- en ultrafiltratie gebruikt. Vanwege het open karakter van deze membranen is de productiviteit hoog bij een laag drukverschil. Wanneer zouten uit het water verwijderd moeten worden, worden nanofiltratie en omgekeerde osmose gebruikt. Bij deze membranen is geen sprake meer van poriën maar vindt scheiding plaats door diffusie door het membraan. De drukken benodigd voor nanofiltratie en omgekeerde osmose zijn veel hoger dan bij micro- en ultrafiltratie, terwijl de productiviteit veel lager is.

Membraanfiltratie heeft boven de bestaande zuiveringsalternatieven een aantal belangrijke voordelen:

- Het is een mild proces, het kan bij lage temperaturen plaatsvinden, wat vooral belangrijk is bij de behandeling van hittegevoelig materiaal. Daarom heeft het ook een belangrijke toepassing in de voedingsmiddelenindustrie.

- Het is een proces dat relatief weinig energie kost. De meeste energie gaat zitten in het rondpompen van de vloeistof. Dit is echter slechts een geringe hoeveelheid in vergelijking tot het verbruik bij een alternatief proces als indampen.

- Het proces is gemakkelijk op te schalen en uit te breiden.

Bedrijfsvoering membraanfiltratie systemen

Membraanfiltratie systemen kunnen op verschillende manieren bedreven worden, in dead-end of cross-flow. Het optimaliseren van deze technieken staat gericht op het verkrijgen van een zo hoog mogelijke opbrengst gedurende lange tijd bij een acceptabel vervuilingsniveau.

Membraansystemen

De keuze welk membraansysteem te gebruiken wordt bepaald door een groot aantal aspecten, zoals bijvoorbeeld de kosten, de kans op verstopping van membranen, pakkingsdichtheid en reinigingsmogelijkheden. Hier worden via de onderstaande linken de diverse membraansystemen behandeld en wordt op de verschillende aspecten verder ingegaan. Membranen worden nooit als één vlakke horizontale plaat uitgevoerd omdat dit resulteert in een groot benodigd oppervlak en dus hoge investeringskosten. Vandaar dat gezocht wordt naar compacte systemen om zoveel mogelijk membraanoppervlak in een zo klein mogelijk volume op te bergen. Membranen worden hierom uitgevoerd in verschillende vormen van modules. Twee hoofdvormen zijn hierbij te onderscheiden, de buisvormige en de vlakke plaat membraansystemen. De buisvormige membranen worden onderverdeeld in tubulaire, capillaire en holle vezel membranen, de vlakke membranen in spiraalgewonden en kussen membranen.

Vervuiling van membranen

Bij membraanfiltratie is vervuiling van membranen zelf met een goede voorzuivering een onvermijdelijk fenomeen. De vorm en de mate waarin vervuiling optreedt is afhankelijk van vele factoren. De kwaliteit van het voedingswater, het type membraan, het gebruikte materiaal, het procesontwerp en processturing zijn factoren die de mate van vervuiling bepalen.

Deeltjes, biofouling en scaling zijn de drie hoofdvormen van verontreiniging die onderscheiden kunnen worden bij de vervuiling van membranen. Deze leiden in eerste instantie tot een hogere werkdruk om de filtratie capaciteit constant te houden. Op een gegeven moment wordt de druk zo hoog, dat deze niet meer technisch of economisch op te brengen is.

Reiniging van membranen

Uit de literatuur kwam naar voren dat voor verwijdering van membraanvervuiling een aantal reinigingsmethoden voor handen zijn, namelijk forward flush, back flush, AirFlush en chemische reiniging, en combinaties van deze methodes.