De techniek van omgekeerde osmose

Puur, zuiver water…

de techniek van omgekeerde osmose maakt het mogelijk

Water is onmisbaar. We gebruiken het voor talloze toepassingen. In ons dagelijks huishouden, voor irrigatie, veeteelt, noem het maar op. Het is cruciaal voor medische doeleinden, transport, energieproductie, als oplosmiddel of verdunningsmiddel. Maar ook voor ons plezier.
In deze blogpost lees je wat meer informatie over de werking van de techniek van omgekeerde osmose als zuiveringstechniek voor bijvoorbeeld puur drinkwater.

Omgekeerde osmose, wat is het

Omgekeerde osmose is een zuiveringstechniek die het water zuivert van alle opgelost stoffen mineralen en micro-organismen tot 90 – 99%. De mate van zuiverheid is o.a. afhankelijk van de samenstelling van het invoerwater, de temperatuur, het RO-membraan en de werkdruk die opgebouwd kan worden om water door het membraan te persen. Leidingwater zuiveren met de techniek van omgekeerde osmose is een oplossing om veilig zuiver gedemineraliseerd(drink)water te verkrijgen.

De oorsprong van die techniek ligt in de natuur. De celstructuur van bomen en planten, maar ook van mens en dier, is in staat om voedingsstoffen uit het water te onttrekken.
Uit de natuurkunde kennen we het natuurlijke proces dat water door een half-doorlatende vlies stroomt van een plek met lage concentratie opgeloste stoffen naar een plek met vloeistof met een hoge concentratie.
Stroomt bij ‘Osmose’ het water spontaan van lage concentratie naar hoge concentratie om evenwicht te bereiken, bij de techniek van omgekeerde osmose (Reverse Osmosis of RO) wordt dit proces omgedraaid en wel door toevoeging van druk.

Hoe werkt omgekeerde osmose?

De kern van een RO (omgekeerde osmose) systeem is het osmosemembraan. Deze bestaat uit vele gewikkelde dunne, semi-permeabele lagen die werken als microscopisch fijne zeefjes. Het membraan laat alleen de zuivere watermoleculen door en blokkeert opgeloste vaste stoffen, bacteriën, zouten en andere verontreinigingen die daarmee uit het water worden gezuiverd.

De techniek van omgekeerde osmose werkt het beste onder hoge druk. Het te zuiveren (leiding)water wordt met een boosterpomp (hoge druk) door het semi-doorlatende RO-membraan geperst. De atomen van bijna alle opgeloste mineralen (95% tot 99%) en verontreinigingen (zouten) zijn namelijk te groot voor de fijnmazige structuur van het membraan en blijven achter in de vuilwater stroom die langs het membraan loopt.

De hoeveelheid druk, nodig om het zuivere water (H2O) te verkrijgen hangt af van de verontreiniging (zoutconcentratie) van het te zuiveren water. Die watersamenstelling kunnen we meten door de TDS (Total Dissolved Solids) waarde te bepalen. Hoe hoger de TDS waarde, hoe meer mineralen en zouten er in het (leiding)water zitten.

Kruisfiltratie: Permeaat vs. Concentraat Water

Simplistisch verwoord, inkomend te zuiveren water wordt door een RO-membraan geperst waardoor er twee soorten waterstromen ontstaan: gezuiverd water (permeaat) en water met hoge concentraties zouten (concentraat).

De capaciteit van een RO-systeem is gebaseerd op de permeaat(osmosewater)stroom. Zo zal een 100 gallon per minuut (GPM) RO-systeem 100 gpm permeaatwater produceren, 378 ltr/24hr..

Het “slechte” water, het concentraat, is de overgebleven vloeistof met alle verontreinigingen welke niet door het RO-membraan kunnen. Deze wordt afgevoerd. In onderstaand schema wordt op eenvoudige wijze de werking weergegeven.

Terwijl het inkomend water onder druk het RO-membraan binnenkomt (genoeg om de osmotische druk te overwinnen) gaan de watermoleculen door het semi-doorlaatbare membraan en blijven de zouten en andere verontreinigingen aan de andere kant en worden ze door de concentraatstroom uit het systeem gevoerd.

Het concentraat gaat ofwel naar een afvoer of wordt bij modernere systemen deels weer teruggevoerd in de inkomende waterstroom waarmee het opnieuw via het RO-membraan gezuiverd wordt. Zo ontstaat o.a. een hogere waterefficiëncy wat water besparing oplevert.

Deze waterefficiëncy is één van de kenmerken waarop de kwaliteit van een osmosewatersysteem beoordeeld wordt. Oudere systemen hebben een efficiëncy van rond de 1 : 3, moderne systemen met recycling kunnen een waterefficiëncy realiseren van zelfs 1 : 0.25 (zuiver : afvalwater).

Een essentieel verschil tussen RO-zuivering en andere filtertechnieken is dat RO-systemen gebruik maken van kruisfiltratie in plaats van standaard dead-end filtratie. Bij dead-end filtratie blijven de verontreinigingen binnen in de filtermedia. Bij kruisfiltratie gaat de oplossing door of kruist het het membraan welke dan twee uitvoeren heeft. Het gefilterde water gaat de ene kant op terwijl het vervuilde water een andere route gaat.

Kruisstroomfiltratie maakt het mogelijk dat water een opbouw van verontreinigingen in het filter voorkomt door voldoende turbulentie te creëren om membraanoppervlakken schoon te houden. Filtermaterialen bij kruisfiltratie gaan dan ook langer mee dan zgn. dead-end filters.

Wat is omgekeerde osmose water?

Omgekeerd osmosewater ook wel gedemineraliseerd water genoemd, is gezuiverd water dat door een semi-doorlatend membraan gefilterd is om opgeloste zouten, onzuiverheden en verontreinigingen te verwijderen. Dit proces elimineert effectief mineralen, chemicaliën en andere verontreinigende stoffen en produceert schoon water van hoge kwaliteit met (zeer) lage TDS waarden. Heeft leidingwater in nederland een TDS waarden van tussen de 150 – 600 ppm, osmose(demi)water heeft een TDS van 10 – 60 ppm.

Welke verontreinigingen zullen omgekeerde osmose uit water verwijderen?

RO kan 95-99% van opgeloste zouten (ionen), deeltjes, colloïden, organische stoffen, bacteriën en pyrogenen uit inkomende water verwijderen. Een RO-membraan blokkeert verontreinigingen op basis van hun grootte en lading. Elke verontreiniging met een molecuulgewicht groter dan 200 zal (afhankelijk van type membraan) worden afgewezen. Mits systeeminstellingen goed ingesteld staan met voldoende werkdruk.

Hoe groter de ionische lading van de verontreiniging, hoe groter de kans dat het niet door het RO-membraan kan. Een natriumion heeft bijvoorbeeld slechts één lading (monovalent) en wordt niet afgewezen door het RO-membraan en calcium, dat twee ladingen heeft juist wel. Beide stoffen zijn voor het RO-membraan eigenlijk een soort van tegenovergestelden.

Natrium wordt dus niet door RO uit het water gezuiverd, terwijl Calcium juist een RO-membraan kan doen verstoppen door verkalking (scaling).

RO-systemen kunnen opgeloste gassen, zoals kooldioxide (CO2) niet goed verwijderen omdat ze niet sterk geïoniseerd zijn (opgeladen) terwijl ze in oplossing zijn en een zeer laag molecuulgewicht hebben.

Omdat RO-systemen geen gassen verwijderen, kan permeaatwater een iets lagere dan normale pH-waarde hebben, afhankelijk van hoeveelheid opgeloste CO2 in het inkomende water, omdat CO2 wordt omgezet in koolzuur.

Nieuw: Aquaporin Inside®

In de RO-membramen met Aquaporin Inside®zijn de Aquaporine-eiwitten in een dunne filmlaag van het RO-membraan ingebed. Door de selectieve werking van deze eiwitten werken de Aquaporin Inside® door hun hogere efficiëncy sneller. Met als gebruiksvoordelen hogere doorstroom, betere selectiviteit en minder energieverbruik doordat een lagere werkdruk noodzakelijk is.

RO-zuivering, toepassingen

RO is zeer effectief in het behandelen van brak, oppervlakte- en grondwater voor zowel grote als kleine debieten. Bedrijven die RO-water gebruiken, zijn onder meer de farmaceutische, voedingsmiddelen en dranken industrie, fijnmetaal en halfgeleiderproductie om er maar een paar te noemen.

Omgekeerde osmose wordt sinds een aantal jaren ook zeer veel toegepast in de glasbewassing en carwash vanwege de hoge reinigende werking. Osmosewater zorgt voor een streeploos resultaat. Doordat er geen mineralen in het water zitten droogt de lak en ruit op zonder strepen, er hoeft dus niet gezeemd te worden. De voordelen van afspoelen met osmosewater voor reinigingsdoeleinden zijn legio:

• Osmosewater heeft een hoog vuil oplossend vermogen, trekt vuil ook a.h.w. uit de poriën van het te reinigen materiaal. Zonnepanelen kunnen dan ook eenvoudig en grondig met osmosewater schoon gemaakt worden.
• Osmosewater bevat geen zeep, waardoor er geen zeepresten achterblijven. Dat is voordelig, want zeepresten zorgen er juist vaak voor dat stof of vuil zich weer snel aan het raam of de autolak hecht.
• Osmosewater is milieu- en kozijnvriendelijk. Er zitten totaal geen chemicaliën in dit water zitten.

Voorbehandeling voor omgekeerde osmose (RO)

De juiste voorbehandeling van het inkomende te zuiveren water is van groot belang voor zowel het uiteindelijke zuiveringsresultaat (kwaliteit permeaat) als ook voor de levensduur van het RO-membraan.

Met zowel mechanische filtratie als ionisatie en injectie kan het inkomende water behandeld worden waardoor praktische problemen en storingen van het RO-systeem voorkomen worden.

Hieronder een samenvatting van veelvoorkomende problemen die een RO-systeem ervaart als gevolg van een gebrek aan goede voorbehandeling.

Vervuiling

Vervuiling treedt op wanneer verontreinigingen zich ophopen op het membraanoppervlak, waardoor het membraan effectief verstopt raakt. Veel verontreinigingen in openbaar leidingwater als inkomend water voor het RO-proces zijn voor het menselijk oog niet zichtbaar en ook niet schadelijk voor menselijke consumptie. Ze zijn echter groot genoeg om een RO-systeem snel te vervuilen (of te verstoppen).

Vervuiling treedt doorgaans op aan de voorkant van een RO-systeem en resulteert in een drukval over het RO-systeem en een lagere permeaatstroom. Dit vertaalt zich in hogere bedrijfskosten en uiteindelijk de noodzaak om de RO-membranen schoon te maken of te vervangen.

Vervuiling / verstopping van het membraan kan veroorzaakt worden door:

• Deeltjes of colloïdaal materiaal (vuil, slib, klei, )
• Organische stoffen (humus-/fulvinezuren,)
• Micro-organismen (bacteriën, )
• Storingen in voorafgaande behandelingstechnieken als ionisatie, koolstof lekkage e.d.

Bacteriën zijn een van de meest voorkomende vervuilingsproblemen. Dit komt omdat RO-membranen geen ontsmettingsmiddelen zoals chloor kunnen verdragen. Micro-organismen dringen zich dan door tot aan het membraan en kunnen zich vermenigvuldigen op het membraanoppervlak. Micro-organismen kunnen biofilms produceren die het membraanoppervlak bedekken en tot ernstige vervuiling/verstopping leiden.

Met analyses van het inkomende water naar het RO, kan bepaald worden of de samenstelling van dit inkomende te zuiveren water een groot risico op vervuiling van het membraan geeft. Mechanische (voor)filtratie helpt vervuiling van het RO-systeem te voorkomen.

Scaling / verkalking

Scaling van een omgekeerd osmosesysteem is de ophoping van onoplosbare mineralen (Calcium en Magnesium o.a.) en zouten op de membranen, wat leidt tot verminderde efficiëntie, verstoppingen en daarmee hogere kosten omdat de membranen eerder vervangen moeten worden.

Naarmate bepaalde opgeloste (anorganische) verbindingen meer geconcentreerd voorkomen, kan er aanslag optreden. Als deze verbindingen hun oplosbaarheidslimieten overschrijden, kunnen ze als aanslag op het membraanoppervlak neerslaan. Scaling veroorzaakt een hogere drukval over het systeem, hogere zoutdoorgang (minder zoutafstoting) en lage permeaatstroom.

Veel voorkomende aanslag die zich vaak op RO-membranen vormt, is calciumcarbonaat (CaCO3).

Dit wordt voorkomen door middel van voorbehandeling van het leidingwater door waterontharding en het regelmatig (laten) flushen, spoelen van het membraan.

De betere osmosesystemen hebben een automatische flushsystematiek ingebouwd. Deze werkt meestal bij het opstarten van het systeem en met een regelmatige (tijds)interval tijdens productie.

Voorfiltratie

Bij osmosewatersystemen voor huishoudelijke toepassingen vindt dan ook altijd (mechanische) voorfiltratie plaats. Aanbevolen wordt om als laatste stap tot 1 micron filterfijnheid sediment toe te passen. Voorafgegaan door GAC-actieve kool granulaat en actieve kool blok, het meest veelzijdige filtermedia die organische stoffen adsorberen, maar ook schadelijke stoffen als pesticiden en chloriden.

Is er sprake van een (zeer) hoge hardheid, > 12 °dH, dan is het wenselijk om het leidingwater ook te ontharden. Dit voorkomt scaling en dus ook voortijdige verstoppingen in het RO-membraan.