Voorwaartse osmose

Fig. 1, Restwarmtepotentieel per industriële sector in de EU (%), Voorlopige beoordeling van het restwarmtepotentieel in de belangrijkste Europese industrieën (2017)

2) Procesfunctie

Fig. 2, Vereenvoudigd schema van het FO-proces

FO maakt gebruik van het verschil in osmotische druk (Δπ) tussen de voedingsoplossing (concentratie C₁) en een synthetische trekoplossing (DS), die we bereiden met C₂ > C₁ → π₂ > π₁ → Δπ = π₂ - π₁. Door Δπ zullen de watermoleculen uit de voedingsoplossing naar de trekoplossing bewegen, waardoor een waterstroom ontstaat die ongeveer 70% van het water uit de voedingsoplossing verwijdert (maximaal 65% terugwinning (R) voor zeewater-RO, SWRO en 80% voor brakwater-RO, BWRO). Ook doordat FO geen toegepaste druk gebruikt om de osmotische druk te overwinnen, kan het veel hogere TDS-waarden aan dan RO (ongeveer 200.000 ppm (mg/L) voor FO en 70.000 ppm (mg/L) voor RO). Dat maakt FO ideaal voor de behandeling van pekel met een hoog zoutgehalte.

Fig. 3, Specifiek energieverbruik (SEC) van pekelbehandelingstechnologieën in kWh/m³ versus hun maximale TDS-capaciteit in mg/L (ppm). In serie hebben we Multi Stage Flash (MSF), Multiple Effect Distillation (MED), Mechanical Vapor Compression (MVC), Electrodialysis/Electrodialysis Reversal (ED/EDR), Forward Osmosis (FO) en Membrane Distillation (MD). FO en MD kunnen restwarmte gebruiken voor tot wel 90% van hun thermische energiebehoefte.

De waterflux in FO is afhankelijk van,

• Het osmotische drukverschil
• De membraanstructuur
• De DS-soorten
• De vervuilingseigenschappen van de toevoer

FO-membranen hebben een eenvoudige structuur (CTA) en een samengestelde structuur (TFC). TFC-membranen hebben wereldwijd betere prestaties laten zien op laboratoriumschaal.

De DS-soorten zijn meestal anorganische zouten die lange tijd in de regeneratielus kunnen worden vastgehouden voordat er meer aan het proces moet worden toegevoegd.

3) Voordelen en nadelen

Voordelen:

Doordat er geen druk wordt uitgeoefend, is de vervuilingslaag op het membraanoppervlak niet compact. Dit betekent dat fysieke reinigingsmethoden de waterflux van het membraan kunnen herstellen (Fig. 4). Dit betekent minder gebruik van chemicaliën, een langere levensduur van het membraan en lagere totale kosten.

Fig. 4, Uitleg van de omkeerbare aard van de vervuiling bij FO. Rechts zien we een typisch RO-membraan, waarbij we druk uitoefenen om het water erdoorheen te persen. De uitgeoefende druk creëert een 'koeklaag' van de verontreinigingen in het voedingswater op het membraanoppervlak. Links zien we daarentegen een FO-membraan, waarbij geen druk wordt uitgeoefend. Hierdoor is de afzetting van de verontreinigingen zeer los en kunnen ze worden verwijderd met fysische methoden (bijv. osmotische terugspoeling).

Nadelen:

Voorwaartse osmose kent twee belangrijke problemen:

• Concentratiepolarisatie (CP)
• Omgekeerde zoutflux

Concentratiepolarisatie in FO-membranen is extern (ECP) en intern (ICP). ECP is een veelvoorkomend fenomeen in RO-processen en kan worden verminderd door verbeterde dwarsstroomomstandigheden met behulp van spacers op het membraanoppervlak.

Bij ICP hopen DS-moleculen zich op in de poriën van het membraan en verlagen ze de osmotische drukgradiënt, waardoor het osmotische drukverschil, de drijvende kracht van het FO-proces, afneemt. De afgelopen jaren heeft de wetenschappelijke gemeenschap zich intensief ingespannen om het ICP-effect te bestrijden en er zijn veelbelovende resultaten geboekt met fysische methoden die de reeds hoge efficiëntie van FO kunnen verbeteren.

FO & waterflux door ICP (kan worden verminderd met fysische methoden), DS-soorten kunnen de toevoer contamineren bij omgekeerde zoutflux (voorzichtigheid is geboden bij de selectie van DS)

4) Toepassingen in de procesindustrie