Principeschema
Principe- en installatiebeschrijving
Membraandistillatie (MD) is een scheidingsproces waarbij een microporeus hydrofoob membraan twee waterige oplossingen op verschillende temperatuur van elkaar scheidt. De hydrofobiciteit van het membraan voorkomt massatransfer van de vloeistof waardoor een gas-vloeistof interfase gecreëerd wordt. De temperatuursgradiënt over het membraan resulteert in een dampdrukverschil, waardoor vluchtige componenten in het voedingsmengsel doorheen de poriën (10 nm – 1 µm) verdampen en dus via diffusie en/of convectie van het compartiment met hoge dampdruk naar het compartiment met lage dampdruk getransporteerd worden waar ze condenseren ter hoogte van de koude vloeistof/damp interfase. Bij voedingsoplossingen die enkel niet-vluchtige opgeloste stoffen bevatten, zoals o.m. zouten, zal waterdamp doorheen het membraan getransporteerd worden, waardoor gedemineraliseerd water bekomen wordt aan de distillaatkant en een opgeconcentreerde zoutstroom aan de voedingskant.
De manier waarop het dampdrukverschil over het membraan wordt gegenereerd, wordt bepaald door de specifieke moduleconfiguratie. In de meest frequent toegepaste configuratie, direct contact membraandistillatie, bestaat de permeaatkant uit een condensatievloeistof (vaak zuiver water) die in direct contact staat met het membraan. Alternatief wordt het verdampte solvent opgevangen op een condensatie-oppervlak dat van het membraan gescheiden kan worden via een luchtspleet of een vacuüm, ofwel afgevoerd wordt via een koud, inert sweep gas. In de twee laatste gevallen vindt condensatie van de dampmoleculen plaats buiten de membraanmodule. De aard van de drijvende kracht, gekoppeld aan het waterafstotende karakter van de membranen, laat theoretisch volledige retentie van niet-vluchtige componenten, zoals ionen, macromoleculen en colloïdale deeltjes toe.
Specifieke voor- en nadelen
Voordelen:
De potentiële voordelen van MD in vergelijking met conventionele scheidingsprocessen liggen voornamelijk in de lagere werkingstemperatuur en -druk, en bijgevolg de lagere elektriciteitskost en minder stringente mechanische eigenschappen. In tegenstelling tot distillatie en OO, kunnen voedingsoplossingen op een temperatuur ver beneden de kooktemperatuur en bij atmosferische druk gescheiden worden. Typische voedingstemperaturen rond 30-60°C laten bovendien hergebruik van restwarmtestromen toe, alsook het gebruik van alternatieve energiebronnen zoals zon, wind en geothermie.
Daarnaast is MD in vergelijking met OO minder onderhevig aan fluxbeperkingen ten gevolge van concentratie-polarisatie, waardoor een hogere concentratie aan opgeloste stof bekomen kan worden aan de voedingszijde. Theoretisch biedt MD 100% retentie voor niet-vluchtige opgeloste stoffen, waarbij er geen limiet staat op de voedingsconcentratie.
In vergelijking met traditionele distillatie, bezit MD de typische basisvoordelen van membraanscheidingen, namelijk eenvoudige opschaling, eenvoud van operaties, mogelijkheid tot hoge membraanoppervlak/volume ratio’s, mogelijkheid tot behandelen van stromen met hittegevoelige componenten en/of een hoog gehalte aan gesuspendeerde partikels bij atmosferische druk en een temperatuur onder het kookpunt van de voeding.
Nadelen:
De voornaamste factoren die de haalbaarheid van MD als industriële scheidingstechniek bepalen, en dus vooralsnog barrières vormen voor commerciële implementatie, zijn de relatief lage permeaatflux in vergelijking met drukgedreven membraanprocessen, fluxdalingen ten gevolge van concentratie-polarisatie, membraanvervuiling, warmteverliezen door conductie doorheen het polymerisch membraan en/of poriënbevochtiging, de hoge kost van MD modules, en de hoge thermische energieconsumptie waarvan de economische kost afhangt van de MD configuratie en de specifieke toepassing.
Toepassing
MD kan zowel toegepast worden voor de productie van gedistilleerd water als voor het concentreren van waterige oplossingen. Ontzouting van zeewater en de productie van zuiver water uit brak water is de meest gekende MD toepassing omdat niet vluchtige, ionische deeltjes nagenoeg volledig weerhouden worden.
Daarnaast biedt MD onder andere potentieel voor afvalwaterzuivering in de farmaceutische, chemische en textielindustrie, voor concentratie van vruchtensappen en melkprocessing, in biomedische toepassingen zoals het verwijderen van water uit bloed, voor het scheiden van azeotrope waterige mengsels (alcohol-water), voor de concentratie van koelvloeistoffen (glycolen), niet-vluchtige zuren en olie-in-wateremulsies, en in toepassingen waar hoge temperatuursprocessing tot thermische degradatie van de processtroom leidt. Met het oog op het lozen van een minder schadelijke afvalstroom biedt MD onder meer perspectieven in de textielindustrie waar het afvalwater gecontamineerd is met kleurstoffen.
Randvoorwaarden
Geen specifieke randvoorwaarden.
Werkingsgraad
MD kan onder andere toegepast worden voor het afscheiden/concentreren van niet-vluchtige componenten, zoals ionen, zuren, colloïden en macromoleculen, uit waterige stromen, voor het verwijderen van sporen vluchtige organische verbindingen (VOC’s), zoals benzeen, chloroform en tri-chloro-ethyleen, uit water, en voor de extractie van andere organische componenten, zoals alcoholen, uit verdunde waterige oplossingen.
Hulpstoffen
Om een constante flux te garanderen moet de temperatuursgradiënt tussen beide fasen continu onderhouden worden. Door interne recuperatie van de condensatiewarmte of hergebruik van restwarmte die elders vrijkomt, kan de energetische efficiënte van het MD proces sterk verhoogd worden.
In tegenstelling tot drukgedreven membraanprocessen vereist MD in principe geen additieven zoals zuren of antiscalants, daar de membranen veel minder onderhevig zijn aan concentratie-polarisatie of membraanvervuiling. MD vereist bijgevolg in vergelijking met OO een beperktere voorbehandeling van het voedingsmengsel.
Milieu-aspecten
Doordat MD in tegenstelling tot conventionele scheidingsprocessen zoals distillatie en OO uitgevoerd wordt bij een lagere werkingstemperatuur en -druk, is het elektriciteitsverbruik significant lager. Door het gebruik van restwarmte of alternatieve energiebronnen (zon, wind, geothermisch) kan de energetische efficiëntie van een MD plant sterk verhoogd worden.
Kosten
Door het gebruik van zeer lage drukken, die een goedkopere installatie (dunnere piping, etc.) toelaten en minder operationele problemen met zich meebrengen, zijn de investerings- en onderhoudskosten van MD beduidend lager dan die van drukgedreven membraanprocessen zoals ultrafiltratie en OO. In de veronderstelling van volledig ontwikkelde MD technologie, wordt de totale productiekost van een hypothetische direct contact MD ontzoutingsplant met 30% interne warmterecuperatie voor de productie van zuiver water aan 3800 m³/u geschat op 0,55 €/m³, wat duidelijk lager is dan de kost van een OO installatie met dezelfde capaciteit (0,89 €/m³).
De verwachte kost voor drinkwaterproductie in een grootschalige MD ontzoutingsplant wordt op dit moment geschat op 0,27 - 0,70 €/m³ (afhankelijk van het al dan niet gebruik van restwarmte), waarbij verdere kostenreducties in de lijn van de verwachtingen liggen. De kostenefficiëntie van MD hangt sterk samen met het gebruik van restwarmtestromen en/of alternatieve energiebronnen.
Opmerkingen
Ondanks het brede toepassingspotentieel en het gunstige kostenplaatje, is MD nog niet algemeen aanvaard als scheidingstechniek en laat grootschalige industriële implementatie vooralsnog op zich wachten. Hoewel MD reeds sinds de jaren ’60 gekend is en sindsdien beschouwd wordt als een veelbelovende scheidingstechniek, zijn alle geclaimde voordelen ten opzichte van conventionele processen merkwaardig genoeg nog niet volledig aangetoond op labo-schaal, laat staan op piloot- of industriële schaal. De recente ontwikkelingen lijken te wijzen in de richting van een industriële doorbraak van MD voor een duurzame zeewaterontzouting aan een lage kost.
Complexiteit
Door het gebruik van veel lagere werkingsdrukken en –temperaturen is MD veel minder complex en goedkoper op het vlak van de constructie van de installatie.
Automatiseringsgraad
Volautomatisch, analoog aan andere membraanprocessen.
Referenties
- El-Bourawi M.S. et al., A framework for better understanding membrane distillation separation process, J. Membr. Sci. 285, 4-29, 2006
- VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2009
Versie : februari 2010