Pertractie

Principeschema

 

 

Principe- en installatiebeschrijving

Pertractie is gebaseerd op het extraheren van organische verbindingen (vluchtige en niet-vluchtige) uit vloeistoffen (o.a. water) met behulp van membranen. Het membraan heeft hierbij geen enkele selectiviteit. Het is een hydrofoob microfiltratiemembraan dat zorgt voor een hoog contactoppervlak tussen het organische extractiemiddel en de te zuiveren vloeistof. Het voorkomt bovendien de menging van de twee fasen. Dat betekent dat er geen scheiding van de vloeistof en het extractiemiddel nodig is, wat tijd en geld bespaart. Het membraan maakt ook een flexibele, onafhankelijke regeling van de stromen van beide fasen mogelijk waardoor optimalisering van het proces eenvoudig wordt. Hierdoor is het ook mogelijk kleine hoeveelheden extractant met grote hoeveelheden te behandelen vloeistof in contact te brengen. Dit houdt de installaties compact.

Een pertractie-installatie bestaat uit één of meerdere membraanmodules in serie (membranen zijn meestal in holle vezel configuratie voor een zo hoog mogelijk membraan oppervlak per volume).  Hierbij stroomt de extractievloeistof langs één zijde van het membraan (binnenzijde holle vezel). Het afvalwater wordt langs de andere zijde van het membraan gestuurd (buitenzijde holle vezel). De poriën van het membraan zijn dan gevuld met het organische extractiemiddel. De vervuilende stoffen diffunderen vanuit het afvalwater door het membraan naar de extractant. Regeneratie van de extractant kan gebeuren met behulp van o.a. een vacuüm filmverdamper. Hergebruik van extractant is mogelijk.

De selectiviteit kan worden beïnvloed door de keuze van het extractiemiddel. In een aantal gevallen verschillen de verdelingscoëfficienten van verschillende te verwijderen stoffen niet of nauwelijks waardoor selectieve afscheiding moeilijk of kostbaar wordt, omdat meerdere stappen dienen te worden toegepast. Echter, voor verwijdering van organische stoffen uit bijvoorbeeld afvalwater, is selectieve afscheiding in het algemeen niet noodzakelijk.

Bij de keuze van het extractiemiddel moet naast de standaard criteria voor extractie (affiniteit voor te verwijderen componenten, chemische stabiliteit en toxiciteit) ook rekening gehouden worden met het membraansysteem i.e. chemische resistentie van het membraan en viscositeit. Door de lage hoeveelheid benodigd extractiemiddel komen nu ook duurdere extractanten in aanmerking. Daarbij is het nu ook niet noodzakelijk dat er een dichtheidsverschil bestaat tussen te behandelen stroom en extractant, hetgeen bij conventionele extractie gewenst is wegens de benodigde scheiding nadien.

Het proces is gedemonstreerd op pilootschaal op verschillende industriële locaties. Een full-scale installatie van 15 m3/u op een industriële site in Nederland (chemisch bedrijf in Vlissingen) is sinds 1998 in operatie (zie 3de referentie). De installatie reinigt een waterige afvalstroom die sterk vervuild is met aromatische componenten, afkomstig uit een reactor. Een feed-stock stroom van de reactor wordt hierbij gebruikt als extractant. Het bedrijf bespaart zo ~5 Mm3 gas per jaar omdat de afvalstroom niet meer moet verbrand worden. Pertractiemodules (incl. membranen) zijn inmiddels commercieel verkrijgbaar.

Specifieke voor- en nadelen

De grote voordelen van pertractie boven gewone extractie[1], zijn het gebruik van een veel geringere hoeveelheid extractiemiddel en het overbodig zijn van de vaak tijdrovende fasescheiding tussen te behandelen vloeistof en extractant. De installaties zijn ook zeer compact en het energieverbruik is gering.

Pertractie werkt voor een breed scala aan organische verbindingen en werkt ook bij lage waterdebieten en bij hoge gewenste rendementen waar alternatieven als lucht stripping, actief kool behandeling of biologische zuivering niet meer aantrekkelijk zijn.

Er kan membraanvervuiling optreden indien membraanvervuilende componenten aanwezig zijn.  

Toepassing

Pertractie kan economisch worden toegepast voor de verwijdering van organische componenten uit industrieel proceswater, afvalwater en vervuild grondwater. Enkele voorbeelden van sectoren waarin pertractie kan worden toegepast zijn: proces- en afvalwaterstromen van de chemische en petrochemische industrie, metaalindustrie, tankcleaningbedrijven, garages, chemische wasserijen en houtconserveringsbedrijven, alsook farmaceutische industrie, kleinschalige afvalwaterzuiveringsinstallaties, raffinaderijen, en verf-, lak-, vernis- en drukinktproductie.

De techniek is toepasbaar voor het verwijderen van een breed scala componenten (zie paragraaf werkingsgraad). Zowel biologisch moeilijk afbreekbare verontreinigingen zijn verwijderbaar, als verontreinigingen die biologisch goed afbreken zijn mogelijk. 

Ook ongewenste metaalelementen uit o.a. passivatiebaden uit de galvanische industrie kunnen verwijderd worden via een specifieke vorm van pertractie namelijk. emulsie pertractie. Het enige verschil met gewone pertractie is dat hier het waterige extractiemiddel gedispergeerd wordt in een organische vloeistof.

Randvoorwaarden

Bij hydrofiele verontreinigingen zoals fenol en ethanol kan het moeilijk zijn een geschikt extractiemiddel te vinden.

De verhouding van de verontreinigingsconcentratie in extractiemiddel en waterfase moet minimaal ca 100 zijn.

Werkingsgraad

Pertractie kan ingezet worden voor het verwijderen van een breed scala componenten, zoals persistente organische stoffen (pesticiden) en organische verbindingen (MAK en PAKs) (zowel biologisch afbreekbare componenten als niet-biologisch afbreekbare).

Het rendement voor de verwijdering van koolwaterstoffen is in het algemeen hoog, ook bij lage concentraties (ppb-niveau). Waarden van meer dan 99.5% zijn bereikt.

In het bijzonder bij lage vervuilingsconcentraties is dit proces uiterst efficiënt.  

Hulpstoffen

Zoals bij elk extractieproces wordt hier een extractiemiddel gebruikt. Bij pertractie kan de hoeveelheid extractant klein gehouden worden. De extractant kan bovendien eenvoudig worden geregenereerd en hergebruikt.

Milieu-aspecten

De geringe hoeveelheid extractant kan geregenereerd en hergebruikt worden. Het energieverbruik is gering.

Kosten

De kosten van pertractie zijn sterk afhankelijk van de hoeveelheid en de samenstelling van de te behandelen stroom en van de te bereiken eindconcentraties. Bij het procesoptimalisatie speelt de hoeveelheid extractant een grote rol. Een grotere hoeveelheid extractiemiddel betekent een grotere drijvende kracht en dus  een kleiner membraanoppervlak. Een kleine hoeveelheid extractant leidt tot een kleinere regeneratie-unit.

Als voorbeeld wordt hier een kosteninschatting gemaakt voor de behandeling van afvalwater met trichlooretheenverontreiniging.  De afvalstroom heeft een debiet van 10 m3/u en een concentratie organische stof van 10 mg/l. Voor een verwijdering van de verontreiniging tot 10 ?g/l bedragen de kosten ca 0,5 € per m3 behandeld water (prijs 2008). Dit maakt pertractie goedkoper dan luchtstrippen (zie ook technische fiche 'Luchtstrippen') gevolgd door actief koolfiltratie (zie ook technische fiche 'PACT-systeem'), of alleen actief koolfiltratie over 2 filters in serie. Dit geldt ook voor debieten van 1.5 en 100 m3/u.

Voor een biologisch afbreekbare stof als tolueen is de situatie duidelijk anders. Hier blijkt pertractie alleen voordeliger dan biologische zuivering of actief koolfiltratie, bij lage waterdebieten en hoge verwijderingspercentages.

Opmerkingen

Er zijn momenteel weinig referenties beschikbaar voor deze techniek.  Het is een opkomende techniek. Bijgevolg is er momenteel ook nog weinig informatie beschikbaar omtrent de levensduur en performantiestabiliteit van de membranen in reële industriële toepassingen.

Complexiteit

Pertractie is een relatief eenvoudig proces. Procesparameters voor procesoptimalisatie zijn de aard en hoeveelheid van de extractant.

Automatiseringsgraad

Een verregaande automatisering is mogelijk.

Referenties

  • Kiani A. et al., Solvent extraction with immobilized interfaces in a microporous hydrophobic membrane” Journal of Membrane Science, 20, 125-145, 1984 
  • Klaassen R. et al., Removal of hydrocarbons from waste water by pertraction” Proceedings of the 7th International Symposium on Synthetic Membranes in Science and Industry, Tübingen, Germany, 316-319, August 29-September 1, 1994 
  • Klaassen R. et al., Membrane Contactor Applications”, Proceedings of the 11th Aachener Membran Kolloquium, Aachen, March 2007, 19-29, 2007 
  • SPA Industrieel afvalwater,  Infoblad nr 04 
  • TNAV, leverancierbevraging, 2008
  • VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2008
  • website TNO, Nederland : www.tno.nl

[1] Methode om een mengsel van stoffen te scheiden op basis van een verschil in oplosbaarheid.

 

 

 

Versie : februari 2010

Producten en diensten: