Database technieken waterzuivering en -behandeling

Omgekeerde Osmose (RO)

Principeschema

Principe- en installatiebeschrijving

Omgekeerde osmose (ook wel Reverse Osmosis of kortweg RO genoemd) is een drukgedreven membraanproces dat een scheidingsbereik heeft tussen 0,1 en 1 nm. Hierdoor weerhouden ze in 99% alle enwaardige ionen. De techniek is gelijkaardig aan NF, maar hier wordt op een veel hogere druk gewerkt (10 – 100 bar). Scheiding gebeurt voornamelijk op basis van moleculair gewicht en lading. Hoe groter het moleculair gewist of landing van een molecule, hoe kleiner de kans dat het doorheen het membraan gaat migreren.

Doordat RO-membranen in staat zijn deze hoge retenties te behalen ontstaat er een osmotisch drukverschil over het membraan. Aan de voedingszijde bevindt zich een hoge zoutconcentratie en aan de andere zijde van het membraan (permeaatzijde) bevindt zich een lage zout concentratie. De natuur streeft naar thermodynamisch evenwicht tussen beide vloeistoffen gescheiden door het membraan. Dit wil zeggen dat het water met lage concentratie aan ionen doorheen het membraan diffundeert en aan de andere zijde de concentratie aan ionen doet dalen. Dit proces heet osmose. Hierna ontstaat er een hoogteverschil tussen beide vloeistoffen. Dit hoogteverschil is gerelateerd aan een druk. De osmotische druk.

Door een druk toe te passen (groter dan de osmotische druk) op het water met de hoge concentratie aan ionen (de voeding) wordt het zuiver water geforceerd om doorheen het membraan te diffunderen naar de zijde met lage concentratie aan ionen (permeeatzijde). Dit proces noemt omgekeerde osmose. De grootte van deze druk hangt af van de concentratie aan ionen in de voeding.

Een omgekeerde osmose membraan is opgebouwd uit spiraal gewonden polyamide membraan lagen (zie onderstaande figuur). 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.

Een full-scale installatie werkt net zoals NF (zie technische fiche ‘Nanofiltratie‘) typisch in cross-flow bedrijfsvoering. De installatie is opgebouwd uit één of meerdere spiraal gewonden RO-membranen in serie of parallel. De seriële configuratie laat een zuiverder permeaat toe maar zorgt voor meer concentraat. De parallelle configuratie produceert een minder goed permeaat dan de seriële maar maakt maximaal gebruik van het concentraat om dit debiet te minimaliseren.

Specifieke voor- en nadelen

De specifieke voor- en nadelen van omgekeerde osmose zijn hieronder opgelijst.

Voordelen:

vermindering zoutgehalte en gehalte opgeloste stoffen van brak water;
vermindering zware metalen;
vermindering nitraten en sulfaten;
reductie in kleur, tannines, en turbiditeit;
verzacht hard water;
chemicaliënvrij – bv. heeft geen zout of chemicaliën nodig tijdens de werking;
hoge retentie voor zouten en bepaalde eenwaardige ionen (tot >99%);
desinfectie inclusief virussen.

Nadelen:

hogere werkingskosten;
hogere energie kosten;
hogere lozingsdebieten, meer concentraatvolume dan NF;
hogere werkdrukken dan NF;
voorbehandeling van het voedingswater vereist (voorfiltratie 0,1 – 20 µm);
pH van het permeaatwater bij omgekeerde osmose is typisch agressief (dit wil zeggen een lage of hoge pH in een water dat weinig ionen bevat);
membranen gevoelig aan vrije chloor;
Backflush van de membranen niet mogelijk

Toepassing

Omgekeerde osmose kent in België zijn toepassingen in de industrie voor de productie van proceswater of ketelvoedingswater vertrekkende van leidingwater, oppervlakterwater of grondwater.

Ook voor waterhergebruiktoepassingen in de industrie wordt RO gebruikt. Deze industrieën zijn oa voeding, chemie, wasserij… Hierbij is het zeer belangrijk dat er een goede controle gebeurt op het permeaat, dit gebeurt oa via staalname, maar ook door geleidbaarheidsmeters te plaatsen.

In het Midden-Oosten kent RO zijn grootste toepassingen in het ontzouten van brak en zeewater voor drinkwaterbereiding. Hier wordt deze techniek op grote schaal toegepast.

Randvoorwaarden

Omgekeerde osmose heeft strikte vereisten voor het voedingswater. 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);
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

RO kan toegepast worden voor de verwijdering van o.a. de volgende parameters (verwijderingsrendementen aangegeven tussen haakjes):

Divalente ionen (>99%);
Monovalente ionen (>98%);
Metalen en alumium (>98%);
Componenten met moleculair massa > 200 g/mol (>90%);
Componenten met moleculair massa < 200 g/mol (0-99%), hierbij is de retentie voornamelijk bepaald door de polariteit van de component;
Schadelijke micro-organismen, bv. bacteriën, protozoa, algen, schimmels, virussen (>99%).

Hulpstoffen

(verder uitwerken en opzoeken!!) Om fouling te voorkomen wordt er soms gespoeld met een anti-fouling oplossing of desinfectant. Daarnaast dient er ook regelmatig een chemische reiniging van de RO-installatie plaats te vinden. Hierbij mogen geen chloor gebaseerde componenten gebruikt worden!

Het is belangrijk om membranen preventief en regelmatig te reinigen op een milde manier dan af en toe met een agressief middel.

Milieu-aspecten

Bij omgekeerde osmose worden zo goed als alle ionen opgeconcentreerd in een waterige stroom, het concentraat. 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 of afgevoerd worden. Bij het lozen is het noodzakelijk dat de lozingsnormen in de vergunning vergeleken worden met de kwaliteit van het concentraat. Indamping van het concentraat kan een alternatief zijn.

Opmerkingen

Bij RO wordt er gewerkt bij zeer hoge drukken (20 – 100 bar). De nodige veiligheidsmaatregelen (bv. veiligheden op de machine) dienen genomen te worden om de risico’s van het werken met hoge drukken te beperken.

Complexiteit

Er dienen voorafgaande labotesten en piloottesten uitgevoerd te worden om na te gaan of de gewenste effluent kwaliteiten kunnen gehaald worden met RO, alsook wat de impact gaat zijn.

Automatiseringsgraad

Een RO-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.

Bronnen

Versie

Februari 2010

Herziening augustus 2021