Principeschema
Principe- en installatiebeschrijving
Nanofiltratie is een drukgedreven membraanproces dat zich qua scheidingsgrens situeert tussen UF of ultrafiltratie (zie technische fiche 'Ultrafiltratie' ) en RO of omgekeerde osmose (zie technische fiche 'Omgekeerde osmose').
Net zoals bij MF of microfiltratie en UF of ultrafiltratie , vormt zeefwerking één van de scheidingsprincipes, naast oplosdiffusie en elektrostatische repulsie. Zeefwerking berust op het verschil tussen de deeltjesgrootte en de poriëndiameter. De poriegrootte van een nanofiltratiemembraan wordt gekarakteriseerd door een cut-off waarde. Deze cut-off waarde komt overeen met het moleculegewicht van het kleinste molecule dat voor 90% wordt tegengehouden door de toplaag van het membraan (2 µm dik). De cut-off waarde wordt uitgedrukt in Dalton (Dalton = gewicht in gram van 1 mol van het molecule). Een typisch nanofiltratiemembraan situeert zich in het gebied van 150 – 500 Dalton, afhankelijk van de molecuulstructuur.
Nanofiltratiemembranen bezitten poriën met een grootte van ongeveer 1 nm. Een nanofiltratiemembraan wordt gekarakteriseerd op basis van zijn retentie[1] voor geladen en ongeladen deeltjes. De retentie van een nanofiltratiemembraan kan experimenteel bepaald worden uit filtratietesten met vooraf geselecteerde moleculen. Voor geladen deeltjes wordt een enkelvoudige zoutoplossing gekozen (NaCl of Na2SO4). Voor niet-geladen deeltjes worden polysacchariden (dextranen) of polyethyleenglycolen (PEG) van verschillende molecuulgewichten gekozen. De zoutretentie voor een typisch nanofiltratiemembraan is beduidend lager dan bijvoorbeeld voor omgekeerde osmose, terwijl de zoutretentie naar nul gaat voor ultrafiltratie.
Een nanofiltratiemembraan kent ook een ion-selectiviteit. Dit is het vermogen om verschillende ionen van elkaar te onderscheiden. Doordat een nanofiltratiemembraan vaste geladen groepen in zijn membraanstructuur herbergt, kunnen er elektrostatische repulsie- / aantrekkingskrachten optreden tussen de componenten in de vloeistof en het (nanofiltratie)membraanoppervlak waardoor een zekere ion-selectiviteit ontstaat. Op basis van het principe van de zeefwerking (poriegrootte 1 nm) en de molecuulgrootte van chloriden (0,12 nm in grootte) en sulfaten (0,23 nm in grootte) wordt verwacht dat deze ionen doorheen het membraan diffunderen. Toch is de retentie voor chloriden maximaal 90 % en deze voor sulfaten minimaal 90% (zie ook paragraaf werkingsgraad).
Een nanofiltratiemembraan kan bestaan in tubulaire, spiraalgewonden, of vlakke plaat vorm. Een spiraalgewonden module (zie onderstaande figuur) is opgebouwd uit spiraal gewonden polyamide membraanlagen. Aan het uiteinde van het membraan worden de spiraal gewonden lagen afgedicht door een eind cap. Middenin de spiraal gewonden module bevindt zich de permeaat verzamelbuis. Al het zuiver water wordt doorheen de spiraal windingen afgeleid en verzameld in deze buis.
Specifieke voor- en nadelen
Hieronder enkele specifieke voor en nadelen van NF:
Voordelen:
- lagere lozingsdebieten, lagere retentaat concentraties dan RO voor laagwaardige zouten;
- vermindering zoutgehalte en gehalte opgeloste stoffen (TDS) van brak water;
- vermindering zware metalen;
- vermindering nitraten en sulfaten;
- reductie in kleur, tannines, en turbiditeit;
- verzacht hard water bij gebruik van specifieke onthardingsmembranen;
- chemicaliënvrij, bv. heeft geen zout of chemicaliën nodig tijdens de werking;
- pH van het water na nanofiltratie is typisch niet agressief;
- desinfectie.
Nadelen:
- hoger energieverbruik dan UF en MF (0,3 tot 1 kWh/m³);
- voor sommige sterk vervuilde waters is voorbehandeling vereist (voorfiltratie 0.1 - 20 micron). Bij spiraalgewonden membranen is dit steeds het geval.
- beperkte retentie voor zouten en eenwaardige ionen;
- nanofiltratie membranen zijn iets duurder dan omgekeerd osmose membranen;
- membranen zijn gevoelig aan vrije chloor (levensduur van 1000 ppmh). Bij hoge chloor concentraties is een actief kool filter aangewezen of een bisulfiet behandeling.
Toepassing
Bekende toepassingen van NF zijn waterontharding en de verwijdering van pesticiden uit grondwater.
Nanofiltratiemembranen kunnen vooral gebruikt worden om multivalente ionen en kleinere organische moleculen uit water te verwijderen.
Randvoorwaarden
Nanofiltratie heeft striktere vereisten voor het voedingswater dan bijvoorbeeld UF of MF, maar niet zo streng als omgekeerde osmose. De kwaliteit van het voedingswater moet voldoen aan de eisen van de leverancier van de membranen volgens het bijgeleverde technisch informatieblad. Enkele voorbeelden hiervan kunnen zijn:
- max. 0,5 ppm Fe/Al/Zn/Mn;
- SDI-waarde van het water voor SDI15500 < 5;
- geen vrije chloor aanwezig in het voedingswater (resistentie slechts 1000 ppm uren vrije Chloor, of max 0,1 ppm vrije chloor);
- maximale water temperatuur van 40 – 50 °C
- maximale werkdruk 45 bar;
- pH werkingsbereik 3- 10, gedurende reiniging pH kortstondig 2-12 (raadpleeg steeds technische fiche of leverancier).
Werkingsgraad
Micropolluenten zoals herbiciden, insecticiden alsook laagmoleculaire componenten zoals kleurstoffen en suikers kunnen in hoge mate tegengehouden worden door een nanofiltratiemembraan.
NF kan toegepast worden voor de verwijdering van o.a. de volgende parameters (verwijderingsrendementen aangegeven tussen haakjes):
- opgeloste stoffen (>75%);
- schadelijke micro-organismen, bv. bacteriën, protozoa, algen, schimmels (>90%);
- persistente organische stoffen (50-75%);
- organische verbindingen (50-90%);
- nutriënten (o.a. fosfaten);
- metalen (50-90%);
- anorganische zouten (bv. sulfaten).
Het werkingsgebied van nanofiltratie situeert zich tussen dat van omgekeerde osmose en ultrafiltratie zoals aangeven in de onderstaande figuur.
Milieu-aspecten
Bij nanofiltratie worden zo goed als alle twee waardige ionen opgeconcentreerd in een waterige stroom, het retentaat. Deze stroom is een ingedikte versie van de voedingsstroom. De indikking hangt af van de gewenste permeaatkwaliteit, het ontwerp van de installatie en de retentie van de membranen.
Indien de geconcentreerde stroom niet nuttig kan ingezet worden in een procestoepassing moet hij geloosd worden (na zuivering). Bij het lozen is het noodzakelijk dat de lozingsnormen in de vergunning vergeleken worden met de kwaliteit van het concentraat.
Kosten
Een nanofiltratie installatie voor de productie van 100 m³/u permeaat kost ongeveer tussen 300 000 en 350 000 €. Dit bij volgende procesconfiguratie:
- 2-traps ontwerp;
- recovery 75 %;
- CIP tank;
- energieverbruik gemiddeld 25 kW voor 1e trap, 7 kW voor de 2e trap;
- 76 NF-membranen;
- 2-1 configuratie bestaande uit 6 drukbuizen voor 1e trap en 3 voor 2e trap;
- 54 membranen in 1e trap, 18 membranen in 2e trap;
- nominale zoutretentie 30-85%;
- werk temperatuur 15-30°C;
- inlaat druk pomp 3 -6 bar;
- design temperatuur 25°C.
Opmerkingen
/
Complexiteit
/
Automatiseringsgraad
Een NF-installatie is voor meer dan 95% automatiseerbaar. Bijvoorbeeld het reinigingsproces kan volledig automatisch gebeuren. Het vervangen van de membranen dient echter steeds manueel te gebeuren.
Referenties
- EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
- Manual of Effluent Process Technology, Environmental & Process Engineering Department, AEA Technology, Harwell (GB), 1991.
- Mulder M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (NL), 1996.
- Nederlandse Membraangids, versie 2.0, 1996.
- TNAV, leverancierbevraging, 2008
- Van der Bruggen B., Schaep K_J., Vandecasteele C. en Wilms D., Nanofiltratie, Waterbehandeling voor de 21ste eeuw, in het Ingenieursblad, Oktober/November 1999
- VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2008
- Wang Z., Liu G., Fan Z., Yang X., Wang J. and Wang S., Experimental study on treatment of electroplating wastewater by nanofiltration, J. Membr. Sci. 305 (2007), pp. 185–195, 2007
- http://www.kochmembrane.com/prod_spiral.html
[1] Mate waarin deeltjes door een membraan worden tegengehouden.
Versie : februari 2010