Nieuwe filtratietechnologie verbetert afvalwaterzuivering en maakt het energiezuinig

• Een nieuw type membraan vereist een veel lagere druk dan standaardmembranen om zwevende deeltjes uit water te filteren.
• Het gaat 3 keer langer mee en bespaart twee keer zoveel energie dan conventionele transmembranen.

Waterzuiveringstechnieken verlagen de concentratie van bepaalde stoffen zoals bacteriën, schimmels, virussen, algen, parasieten en zwevende deeltjes. Er zijn verschillende fysische, biologische en chemische processen en de afgelopen decennia hebben we elektromagnetische straling zoals UV-licht gebruikt om water te zuiveren.

Het proces van waterfiltratie en -behandeling - voor drink- en chemische en industriële toepassingen - is goed voor bijna 13% van het totale elektriciteitsverbruik in de Verenigde Staten, waarbij jaarlijks 290 miljoen ton koolstofdioxide in de atmosfeer vrijkomt. Om dit in context te plaatsen, het is gelijk aan het gecombineerde gewicht van alle mensen in de wereld.

Om water te zuiveren, wordt het meestal door een membraan met kleine poriën geleid. De grootte van deze poriën is klein genoeg om onzuiverheden of deeltjes groter dan watermoleculen eruit te filteren. Aangezien deze membranen de neiging hebben te 'slijten' door verstopping, hebben ze hogere spanningen nodig om watermoleculen te duwen, en vaak moeten verstopte membranen worden vervangen, wat de kosten van waterbehandeling verhoogt.

Nu hebben onderzoekers van Harvard University een nieuw type membraan ontwikkeld dat veel lagere druk vereist dan traditionele membranen om zwevende deeltjes uit water te filteren. Ze noemen het liquid-gated membranen (LGM's). Het is twee keer efficiënt (in termen van energieverbruik) en gaat drie keer langer mee dan bestaande membranen.

LGM's kunnen worden gebruikt in een breed scala van waterverwerkingsomgevingen, waardoor het elektriciteitsverbruik en de kosten van grote industriële processen, waaronder gas- en olieboringen, worden verminderd.

Hoe werkt het?

Elk vloeistofgestuurd membraan is gecoat met een speciale vloeistof die de poriën vult en afdicht in een 'gesloten' fase, die dienst doet als een omkeerbare poort. Wanneer je druk uitoefent (om water te filteren), wordt de vloeistof in de poriën van het membraan naar de uiteinden gesleept, waardoor open poriën worden gevormd, die kunnen worden geconfigureerd om bepaalde gassen of vloeistoffen door te laten.

Referentie:AIP | doi:10.1063/1.5047480 | Harvard-universiteit 

Dit voorkomt ‘slijtage’ van membranen door het gladde oppervlak van de vloeistof. En aangezien LGM's in staat zijn om doelstof(fen) uit verschillende vloeibare mengsels te scheiden, zou het kunnen worden gebruikt in industriële vloeistofverwerking.

Transmembraandruk (TMP) voor standaard en gated membraan | Met dank aan onderzoekers 

Om een ​​LGM te maken, hebben onderzoekers kleine schijfjes (25 millimeter) van een conventioneel filtermembraan geïnfuseerd met een speciaal vloeibaar smeermiddel, perfluorpolyether, dat al meer dan 3 decennia in de luchtvaartindustrie wordt gebruikt.

Testen en toepassingen

Onderzoekers mengden bentonietklei in water en leidden het door de poriën van LGM's door de juiste druk uit te oefenen. Daarna vergeleken ze de resultaten met conventionele membranen.

De liquid-gates-membranen vertoonden veel later tekenen van slijtage dan conventionele:ze filterden het water effectief 3 keer langer dan onbehandelde membranen voordat een proces nodig was om de op het membraan opgestapelde stoffen handmatig te verwijderen. Ook hadden ze 60% minder nanoklei verzameld op hun membraan tijdens filtratie.

Lezen:Een nieuwe manier om verontreinigingen uit regenwater te verwijderen

Om de filtratie te starten, hebben LGM's 16% minder druk nodig, waardoor er meer energie wordt bespaard. Dit kan de filtratiesnelheid verhogen van waterbehandelingsmechanismen die in verschillende industrieën worden gebruikt, waaronder textiel, petrochemie, biofarmaceutische productie en voedsel- en drankverwerking.