Membraanfiltratie voor drinkwater: omkeerosmose & elektrodialyse

Membraanfiltratie wordt steeds vaker toegepast in woningen om leidingwater na te zuiveren en kraanwater nóg schoner te maken. Dit uit zich hoofdzakelijk in de aanschaf en installatie van osmose-apparaten…

Fijnheid & selectiviteit van filtermembranen

Er zijn verschillende waterzuiveringstechnieken die gebruikmaken van een halfdoorlatend vlies c.q. blaas c.q. membraan. Zo’n membraan laat bepaalde stoffen door en houdt andere stoffen tegen. Welke stoffen worden doorgelaten en welke worden tegengehouden is met name afhankelijk van:

  • De grootte van de poriën in het membraan
  • De atoommassa, molecuulmassa of ionmassa van de in water opgeloste stoffen (bron + bron)

Membraanfiltratie wordt veelvuldig gebruikt voor waterzuivering om schoon drinkwater te produceren; watermoleculen zijn namelijk uitzonderlijk klein, waardoor ze –enigszins afhankelijk van externe druk– in tegenstelling tot veruit de meeste andere moleculen, atomen en ionen vrijwel elk soort membraan kunnen passeren.

Als watermoleculen worden doorgelaten, maar in water opgeloste stoffen niet, ontstaat aan één van beide kanten zuiver water…

Microfilter, ultrafilter, nanofilter & hyperfilter

Afhankelijk van de doorsnede van de membraanporiën worden verschillende classificatie (fijnheden) onderscheiden voor wat betreft membraanfiltratie, namelijk:

  • Microfiltratie (MF)
  • Ultrafiltratie (UF)
  • Nanofiltratie (NF)
  • Hyperfiltratie (HF)

Hierbij de nodige uitleg…

0. Macrofiltratie

Macrofiltratie hoort niet thuis in dit lijstje met membraanfiltratiemethoden. Voor macrofiltratie kunnen namelijk allerlei filtermaterialen (weefsels, polymeren, stalen zeven etc.) worden gebruikt, dus niet enkel membranen. Het betreft namelijk de filtering van opgeloste stoffen en zwevende deeltjes uit water die zichtbaar zijn met het blote oog (poriëngrootte ergens tussen de 35 en 5000 mcm). Deeltjes die worden verwijderd zijn groter dan 5 micrometer, maar kleiner dan 1 millimeter.

Eén micrometer = 1 mcm = 1 micron = 1 mu = 1 µm = een duizendste millimeter. Een nanometer is een duizendste micrometer.

1. Microfiltratie

Microfiltratie wordt gestuurd door de poriëngrootte van het gebruikte membraan. MF wordt met name gebruikt voor het verwijderen van relatief grote, in water zwevende stoffen, troebelheid en micro-organismen. Op basis van zeving c.q. zeefwerking houdt microfiltratie nagenoeg alle bacteriën tegen, evenals de meeste virussen.

  • Scheiding van deeltjes > 0,1 mcm
  • Poriëngrootte: 0,03 tot 10 mcm
  • Drukverschil < 2 bar
  • Membraanstructuur: symmetrisch
  • Membraandikte: 10 tot 150 mcm
  • Scheidingsprincipe op basis van deeltjesgrootte

Microfiltratie is gebaseerd op zeefwerking. De drijvende kracht van MF is een drukverschil van plusminus 0,1 tot 3 bar; het afscheidend vermogen is vergelijkbaar met dat van zandfiltratie. Vooral colloïdale deeltjes en micro-organismen worden tegengehouden door een microfiltratiemembraan; zware metalen kúnnen worden verwijderd door deze eerst te precipiteren.

Met microfiltratie kunnen bijv. bacteriën van water worden gescheiden, sappen en dranken worden geklaard of gesteriliseerd en olie-water-emulsies worden gesplitst. Microfiltratie dient vaak als voorbehandeling voor nanofiltratie of omgekeerde osmose.

De poriëngrootte van een microfiltratiemembraan verschilt nogal en ligt doorgaans ergens tussen de 0,03 en 10 micrometer (mcm).

2. Ultrafiltratie

Ultrafiltratie is vergelijkbaar met microfiltratie; de deeltjes die met een ultrafiltratiemembraan worden verwijderd, zijn echter kleiner (moleculair gewicht lager dan 1000 g/mol). In water opgeloste zoutionen worden nog altijd niet of nauwelijks tegengehouden door middel van ultrafiltratie. Ultrafiltratie wordt o.a. toegepast bij allerhande vormen van dialyse.

  • Scheiding van macromoleculen: 1 tot 100 nm
  • Poriëngrootte: 1 tot 50 nm
  • Drukverschil 1 tot 10 bar; in de praktijk vanaf 3 bar
  • Membraanstructuur: asymmetrisch
  • Membraandikte: 0,1 tot 1,0 mcm
  • Scheidingsprincipe op basis van deeltjesgrootte

Ultrafiltratie Ultra Filtratie verwijdert alle, met de microscoop zichtbare, verontreiniging, maar geen opgeloste ionzouten. Wel filtert een ultrafiltratiemembraan vrijwel alle aanwezige bacteriën en virussen uit het toevoerwater, evenals grotere colloïdale deeltjes en macromoleculaire verbindingen. Zware metalen kunnen net als bij MF worden verwijderd door deze eerst te precipiteren. UF wordt o.a. toegepast binnen de zuivelindustrie, metaalindustrie, textielindustrie en voorbehandeling van zeewaterontzouting.

De poriëngrootte van een ultrafiltratiemembraan ligt in de praktijk ergens tussen de 0,001 en 0,1 mcm. Deeltjes met een grootte van 0,005 m tot 0,3 mcm worden tegengehouden.

3. Nanofiltratie

Nanofiltratie maakt niet zomaar gebruik van druk, maar –net als omgekeerde osmose– veeleer van het drukverschil tussen twee compartimenten. Een nanofiltratiemembraan wordt vooral gebruikt voor de verwijdering van microscopisch kleine organische stoffen en microverontreinigingen met een moleculair gewicht van 200 tot 1000 g/mol. Nanofiltratie ligt qua fijnheid ergens tussen ultrafiltratie en omgekeerde osmose.

In de praktijk wordt er niet altijd onderscheid gemaakt tussen nanofiltratie enerzijds en ultrafiltratie anderzijds; beide worden in dat geval aangeduid met de term ultrafiltratie. Toch neigt een nanofiltratie meer naar hyperfiltratie… Al is minder NF beduidend minder selectief dan omgekeerde osmose; NF kan namelijk wel bivalente ionen verwijderen, maar geen monovalente ionen. De bottom-line is dat water, laagmoleculaire stoffen en eenwaardige ionen bij NF niet worden afgescheiden; tweewaardige ionen zoals zware metalen kunnen –enigszins afhankelijk van het type membraan– wél worden tegengehouden.

De poriëngrootte van een nanofiltratiemembraan ligt doorgaans ergens tussen de 0,0008 en 0,001 micron.

4. Hyperfiltratie

Hyperfiltratie is de fijnste membraanfiltratietechniek die er bestaat. Bij deze vorm van membraanscheiding zijn de poriën dusdanig klein dat er vooralsnog geen enkele methode bestaat waarmee ze zichtbaar kunnen worden gemaakt. Hyperfiltratiemembranen doen met name dienst bij omgekeerde osmose en worden zodoende ook wel osmosemembranen genoemd.

  • Scheiding van laagmoleculaire stoffen < 1 nm
  • Poriëngrootte < 1 nm
  • Drukverschil > 10 bar; meestal 20 tot 60 bar
  • Membraanstructuur: asymmetrisch
  • Membraandikte: 0,1 tot 1,0 mcm
  • Scheidingsprincipe op basis van oplosbaarheid en diffusie

Met HF kunnen de meeste zouten en laagmoleculaire stoffen worden afgescheiden. Hyperfiltratie verwijdert nagenoeg álle zoutionen uit water. Ionen zijn in water opgeloste zoutdeeltjes ter grootte van één enkel atoom. Ionenmembranen zoals nanofiltratiemembranen en osmosemembranen behoren dan ook tot de strakste, fijnste en meest nauwsluitende filtermembranen die er bestaan.

De poriëngrootte van een hyperfiltratiemembraan zijn vooralsnog met geen enkele techniek meetbaar of zelfs zichtbaar te maken; deze ligt in ieder geval lager dan één nanometer en in de praktijk ergens rond de 0,1 nm. (bron)

Dus…

In principe zijn microfiltratie, ultrafiltratie en nanofiltratie vergelijkbare methodes; ze verschillen hoofdzakelijk v.w.b. de grootte van de filteropeningen en zodoende de stoffen die kunnen worden tegengehouden. Met Micro Filtratie (MF) en Ultra Filtratie (UF) kunnen alleen vaste, zwevende deeltjes uit het water worden gefilterd; met Nano Filtratie (NF) en Hyper Filtratie (HF) oftewel Omgekeerde Osmose (RO) kunnen ook opgeloste mineralen (ionen) uit het water worden gefilterd. Van alle membraanfiltratietechnieken is microfiltratie het méést doorlaatbaar; omgekeerde osmose laat nagenoeg géén verontreiniging door. (bron + bron)

Omgekeerde osmose oftewel ‘Reverse Osmosis’ (RO) en elektrodyalise (ED) zijn de bekendste waterzuiveringstechnieken op basis van membraanfiltratie…

Omgekeerde osmose versus elektrodyalise

Elektrodialyse en omgekeerde osmose zijn allebei filtratietechnieken die gebruikmaken van semipermeabele membranen. Ze hebben vergelijkbare toepassingsmogelijkheden v.w.b. drinkwaterfiltratie, maar het scheidingsprincipe verschilt sterk per filtermethode. Bij omkeerosmose worden kleine watermoleculen dóór het semipermeabele membraan geperst, waarbij grotere moleculen van opgeloste stoffen achterblijven; bij elektrodialyse worden de opgeloste stoffen dankzij elektrisch geladen elektroden door een serie ion-selectieve membranen geduwd/getrokken, waardoor juist het zuivere water achterblijft. Zodoende is elektrodialyse beduidend energie efficiënter dan elektrodeïonisatie.

Al met al is elektrodialyse (ED) net als omgekeerde osmose een vorm van membraanfiltratie die gebruikmaakt van halfdoorlatende membranen voor het verwijderen van opgeloste deeltjes (zand, zoutionen, microben, chemische verontreinig etc.) uit water. In tegenstelling tot omkeerosmose gebruikt elektrodialyse géén pomp om enorme hoeveelheden water in beweging te brengen, maar een elektrisch spanningsveld om de elektrisch geladen, in water opgeloste ionen in beweging te brengen. Zodoende is ED beduidend energie-efficiënter dan Reverse Osmosis (RO). Helaas is deze techniek niet of nauwelijks rendabel of toepasbaar binnen filterapparaten binnenshuis.

Elektrodeïonisatie combineert eigenlijk drie technieken om zuiver water te produceren, namelijk membranen, ionenwisselingsharsen en elektrolyse middels elektrisch geladen kathoden en anoden.

Osmosefilter voor thuisgebruik = zuiver kraanwater

Hoewel elektrodialyse vooralsnog veel potentie lijkt te hebben, is omkeerosmose beduidend geschikter voor thuisgebruik door particulieren. Omgekeerde osmose wordt ‘omgekeerd’ genoemd omdat er handmatig druk dient te worden toegepast om het water door het membraan te forceren. Meestal gebeurt dit m.b.v. een pomp. Van nature vinden osmotische processen namelijk geheel vanzelf plaats.

Met behulp van omgekeerde osmose kan extreem zuiver water worden verkregen; tot wel 99% van alle onzuiverheden kan worden verwijderd. Het zuivere water dat door het semipermeabele membraan is geperst, staat ook wel bekend als ‘osmosewater’. Omkeerosmose kan in één of meerdere stappen plaatsvinden en met één of meerdere osmose-membranen.

Materiaal, fabricage en installatie bepalen hoe goed een membraan bestand is tegen druk, zuren, basen en organismen.

Membraandeïonisatie?

Omkeerosmose (RO) wordt nog weleens opgevolgd door al dan niet elektronische ‘deïonisatie’ om eventuele achtergebleven elektrisch geladen deeltjes uit het water te filteren. Deïonisatie van opgeloste ionen wordt doorgaans gerealiseerd middels ionenwisselingsharsen of elektrodialyse (ED). Indien er membranen worden gebruikt, spreekt men ook wel van membraandeïonisatie.

In beginsel zijn er 3 deïoniserende basisprincipes om ionen uit drinkwater te verwijderen. Deïonisatie kan worden bewerkstelligd middels membraanfiltratie, ionenuitwisseling en destillatie. Alle andere technieken zijn hiervan afgeleid of hieruit samengesteld. Denk maar eens aan: omgekeerde osmose (RO), continue deïonisatie (CDI), elektrodialyse (ED), elektrodeïonisatie (EDI), continue elektrodeïonisatie (CEDI), omgekeerde elektrodialyse (EDR), bipolaire elektrodialyse (BPED), capacitieve elektrodialyse (CED), omgekeerde capacitieve elektrodialyse (CRED), ion concentratie polarisatie (ICP), gepolariseerde elektrodialyse (PED) en Membraandestillatie (MD).

Eén van de belangrijkste voordelen van dit soort doorontwikkelde technieken is dat het membraan continu en volautomatisch wordt gereinigd. Zodoende kan met deze hypermoderne vormen van membraanfiltratie een continue waterkwaliteit worden gehandhaafd; bovendien wordt een optimale levensduur van het apparaat en membraan gegarandeerd.

Vrijwel al deze technieken zijn vooralsnog onpraktisch, energieverslindend en uitsluitend haalbaar en hooguit rendabel op grote, industriële schaal. Door particulieren wordt binnenshuis vooral omgekeerde membraanosmose toegepast om leidingwater door te zuiveren. Hiertoe wordt meestal een osmose-apparaat tussen de waterleiding gebruikt, al dan niet in combinatie met een ionenwisselaar op basis van kunstharskralen, een actiefkoolfilter en/of een sedimentfilter. (bron+ bron)

Deïoniseren middels ionenuitwisseling na osmose

Water heeft de eigenschap om elektrisch geladen stoffen op te lossen en als minuscule opgeloste deeltjes (ionen) mee te voeren. Hierdoor ontstaat niet alleen kalkaanslag, maar kun je ook ongewenste stoffen binnenkrijgen via kraanwater. Een osmoseapparaat haalt ionische stoffen uit het leidingwater; anorganisch tot 97% en organisch tot 100%. Voor een nóg hogere ionische zuivering kan een osmoseapparaat worden aangevuld met een zogenaamde ionenwisselaar. Hiermee kan de zuiveringsgraad worden verhoogd tot 99,99%.

Een combinatie van osmose-apparaat en ionenwisselaar is vooral praktisch als je woont in een gebied met een uitzonderlijk hoog hardheidsniveau en/of TDS (totaal aan opgeloste stoffen) in het leidingwater.

Demiwater drinken…

Volledig gedemineraliseerd water is ‘leeg’ en het drinken ervan is niet per se bevorderlijk voor de gezondheid. Daarom kun je ervoor kiezen een omleiding te installeren, waardoor je selectief kunt switchen tussen volledig gedeïoniseerd water, ‘standaard’ leidingwater en een mengeling van beide. Dit is te allen tijde raadzaam, want het is onverstandig om uitsluitend gedeïoniseerd water te drinken.

Gebruik bijvoorbeeld deels gemineraliseerd water om te drinken en ‘leeg’ demiwater voor schoonmaak en water verbruikende apparaten. Er zijn zelfs mensen die aan het eind van de rit een mineralenfilter plaatsen die het lege leidingwater mineraliseert oftewel rémineraliseert. Hierbij is het wel handig indien je deze mineralenfilter aan en uit (open en dicht) kunt zetten zodat ‘ie alleen dienstdoet zodra je kraanwater wilt drinken.

Vanwege het hoge oplossende vermogen en gebrek aan macromineralen en spoorelementen kán demiwater dus negatief uitpakken voor je lichaam. Het doorfilteren van kraanwater heeft naast positieve effecten dus ook een potentieel negatief effect.

Reiniging & onderhoud van membraansystemen

In een osmose-apparaat bevindt zich een bladdertank met osmosemembraan. Indien deze niet continu wordt gebruikt of niet periodiek wordt gesteriliseerd, kan deze op den duur een voedingsbodem worden voor bacteriologische contaminatie. Omgekeerde osmosesystemen en andere membraansystemen vergen dan ook periodiek onderhoud en regelmatige reiniging.

Met ‘scaling’ (verkalking) wordt de afzetting van slecht oplosbare anorganische verbindingen zoals calciumcarbonaat (kalk), bariumsulfaat en ijzerverbindingen bedoeld. ‘Fouling’ (vervuiling) heeft veeleer betrekking op het afzetten van zwevende (organische en colloïdale) deeltjes waarin microbiologie zoals bacteriën, schimmels en algen een voedingsbodem vinden en zodoende zullen groeien en vermenigvuldigen. Scaling & fouling gaan ten koste van de waterzuiverheid, waterveiligheid, energiezuinigheid en levensduur van je osmosesysteem.

Het is belangrijk om membranen preventief te reinigen. In veel situaties is het beter om regelmatig te reinigen met milde ontsmetters en kalkverwijderaars dan zo af en toe met een agressief chemisch middel. Het osmosemembraan gaat dan veel langer mee. De beste manier om een membraan te reinigen is afhankelijk van het membraanmateriaal, membraandikte en type. In de gebruiksaanwijzing van je osmose-apparaat vind je doorgaans het optimale onderhoudsschema.

In moderne osmose-apparaten vind je tegenwoordig een zogenaamde ‘flush’ optie. Hiermee kan het membraan handmatig worden schoongespoeld, waardoor je beduidend minder vaak en intensief hoeft te reinigen.

Tot slot

Membraanfiltratie is de algemene verzamelnaam voor een aantal scheidingstechnieken waarbij de scheiding wordt uitgevoerd door een halfdoorlatend c.q. semipermeabel membraan. Met membranen kan veel worden bereikt als het aankomt op waterpurificatiesystemen. Zo filtert een membraan o.a.

  • Ionen
  • Rondzwevende deeltjes
  • Organische verbindingen
  • Micro-organismen & microben

Enkele voorbeelden van veelvoorkomende polluenten zijn ijzer, mangaan, waterstofsulfide, hardheidsionen (calcium & magnesium) en stofdeeltjes. Ze zijn allemaal te verwijderen m.b.v. membraanscheiding.

Voor waterbehandeling waarbij een membraan wordt gebruikt, zijn vooral de grootte van de poriën in het membraan en de fysische eigenschappen van de stoffen bepalend voor welke deeltjes worden doorgelaten en welke worden tegengehouden. De diameter van de membraanporiën bepaalt dus de doorlaatbaarheid.

Membranen verschillen onderling enorm qua poriegrootte; de porie bepaalt welk moleculair gewicht wordt doorgelaten of tegengehouden. Andere factoren die een rol spelen bij afwijzing of doorlating zijn: membraanmateriaal, netto druk, watertemperatuur, deeltjesconcentratie en tot slot de atoommassa, structuur en eventuele lading/polariteit van opgeloste stoffen.

Heb jij thuis een osmose-apparaat om kraanwater na te zuiveren of door te filteren, waardoor er nóg zuiverder drinkwater uit je kraan komt lopen? Deel hieronder jouw ervaringen en bevindingen met osmose-apparaten!

Foto credits: Ben Joossen

Plaats een reactie


Je reactie wordt voor publicatie gekeurd door de redactie en dient te voldoen aan de regels voor reacties.