Uitdagingen voor waterhergebruik

Steeds meer bedrijven willen hun water hergebruiken, alsook waardevolle componenten recupereren die nog aanwezig zijn in hun afvalwater. Tegelijkertijd worden de normen voor waterlozingen steeds strenger. Dat stelt professor Gijs Du Laing (UGent), expert in de milieuchemie en -technologie van waardevolle en gevaarlijke sporenelementen. De UGent ontwikkelt daarom momenteel allerlei nieuwe hybride technieken om sporenelementen nog beter, selectiever en sneller te kunnen verwijderen uit afvalwaters.

“We worden geconfronteerd met een evolutie naar steeds strengere emissiegrenswaarden en milieukwaliteitsnormen voor toxische sporenelementen”, zegt professor Gijs Du Laing. “Er moeten voor die elementen bij lozing van afvalwater steeds lagere concentraties worden gehaald op het niveau van µg/l (microgram per liter) of zelfs sub µg/l (submicrogram per liter).” Organische componenten kan je afbreken, maar dat geldt niet voor een sporenelement zoals kobalt, chroom of arseen. “In een cyclus blijven sporenelementen dus aanwezig. Het kan dan ook belangrijk zijn om de laatste sporenelementen uit het water te halen als het de ambitie is om het water te hergebruiken. Sporen van toxische elementen kunnen anders op termijn accumuleren tot een niveau dat niet meer aanvaardbaar is. Als er een zeer lage concentratie van een toxische, niet-afbreekbare stof in je water blijft zitten, ben je al beperkt in de mate waarin je het water voor sommige toepassingen kan hergebruiken.”

Klassieke zuivering

De lage beoogde concentraties zorgen ervoor dat gebruik van klassieke zuiveringstechnieken vaak niet volstaat. Sterker nog: die schieten gewoon tekort. “In complex industrieel afvalwater komt standaardtechnologie in de problemen om op een deftige manier de zeer lage concentraties eruit te halen,” zegt Gijs Du Laing. “De klassieke waterzuivering, die gebouwd is om te lozen in oppervlaktewater, kan die lage doelconcentraties eigenlijk niet aan. De klassieke technieken slagen er bovendien niet in om meer exotische vormen van vervuiling te verwijderen en de lage normen te halen.” Kobalt valt met klassieke waterzuiveringstechnieken bijvoorbeeld moeilijk te verwijderen uit het afvalwater. “Kobalt komt dikwijls in industriële afvalwaters in een complexeerde vorm voor, die zich anders gedraagt dan een vrij ion in oplossing”, zegt Du Laing. “Kobalt geeft dan ook veel problemen met de overschrijding van milieukwaliteitsnormen in oppervlaktewater.”

Competitie

Klassieke zuiveringsinstallaties hebben het ook moeilijk om complexe matrices te behandelen, waarin veel componenten zitten die met de contaminant in competitie gaan. “Er ontstaat vaak een competitie tussen de sporenelementen in je afvalwater of proceswater voor verwijdering door bijvoorbeeld een ionenuitwisselingshars en matrixcomponenten”, zegt Du Laing. “Zo is het bijvoorbeeld vrijwel onmogelijk om selenium tot zeer lage concentraties te verwijderen in aanwezigheid van hoge sulfaatconcentraties, bijvoorbeeld in afvalwater van rookgasontzwavelingsprocessen. Als de selenaat echter eerst chemisch gereduceerd kan worden naar seleniet of eventueel naar elementair selenium, dan kan dit via sorptie wél worden verwijderd in de aanwezigheid van veel sulfaat.”

Vorm bepalen

Volgens de professor is het dan ook cruciaal om na te gaan in welke vorm de sporenelementen aanwezig zijn. Alleen dan kunnen ze goed worden verwijderd. “Het is belangrijk om via modellering na te gaan in welke vormen de sporenelementen aanwezig zijn, eerder dan te kijken naar de totale concentraties”, zegt Gijs Du Laing. “De vorm bepaalt sterk hoe de elementen zich in het afvalwater gaan gedragen.” In het laboratorium van de UGent wordt fors ingezet op speciatie-analyse en –modellering. “In speciatie-analyse bepalen we de vorm waarin sporenelementen aanwezig zijn in de milieustalen van industriële afval- en proceswaters analytisch”, zegt Gijs Du Laing. “Dat is niet altijd even eenvoudig omdat elementen in een groot aantal vormen kunnen voorkomen en die kunnen momenteel nog verre van allemaal analytisch worden bepaald. De vorm waarin elementen voorkomen kan ook gaan veranderen tussen bemonstering en analyse.”

Voorspellen

De UGent werkt daarom ook met speciatiemodellering. “Hierbij gaan we aan de hand van chemische computermodellen de vormen voorspellen waarin sporenelementen voorkomen”, zegt Du Laing. “We doen dat op basis van gemeten totaalgehaltes van die elementen en de samenstelling van de matrix, onder andere concentraties van anionen, kationen, organisch materiaal, zuurtegraad en redoxpotentiaal. Het model berekent dan in welke vorm de elementen aanwezig zouden moeten zijn in het water. Die vorm gaat onder andere bepalen met welke technologie een element het beste kan worden verwijderd en welke componenten in competitie kunnen gaan met de contaminant in de verwijderingstechnologie. Zo kunnen we de sporenelementen in andere omstandigheden verwijderen.”

Meerdere vormen

Soms heb je ook nood aan technieken die meerdere vormen van sporenelementen, bijvoorbeeld arsenaat en arseniet, tegelijk kunnen verwijderen. “Dat is nodig omdat de speciatie kan wijzigen door fluctuaties in de samenstelling van het afvalwater”, zegt Du Laing. “Bij gebruik van speciatiemodellen kun je bovendien spelen met parameters, zoals bijvoorbeeld zuurtegraad. Zo kunnen we achterhalen welke invloed een wijziging van de condities op de vorm van voorkomen van de sporenelementen heeft. We kunnen zo uitzoeken waardoor een bepaalde techniek in een bepaalde omstandigheid niet meer werkt of hoe we de vorm kunnen beïnvloeden en dus de verwijdering optimaliseren door de procesparameters te veranderen.”

Nieuwe inzichten

Dit onderzoek moet de UGent nieuwe inzichten geven in het verwijderingspotentieel van verschillende technologieën, zoals bijvoorbeeld ionenuitwisselingsharsen en adsorbentia. Momenteel moeten dikwijls verschillende stappen worden toegepast om sporenelementen te verwijderen, zeker uit complexe afvalwaters. Volgens de professor vinden die omzettingen idealiter in een éénstapsproces plaats. “In het lab wordt dan ook druk onderzoek gedaan naar slimme, hybride materialen die enerzijds de gewenste chemische omzetting kunnen doen maar anderzijds ook het reactieproduct kunnen adsorberen,” zegt Gijs Du Laing. “We werken samen met bedrijven om dergelijke hybride materialen te ontwikkelen. Die materialen moeten dan ook nog eens zo poreus mogelijk zijn, een zo hoog mogelijke sorptiecapaciteit hebben en niet snel verzadigd raken.”

Mix van vormen

Deze hybride materialen kunnen verschillende elementen en verschillende vormen van eenzelfde element samen verwijderen, tot zeer lage concentraties. “De componenten worden in één stap verwijderd,” zegt Du Laing. “Dat maakt het interessant als er in het afvalwater een mix van componenten en vormen aanwezig is. Dan denk ik meteen aan arseen, wat een moeilijk geval is. Arseen kan als arseniet of arsenaat voorkomen. Daarbij moet arseniet typisch eerst geoxideerd worden vooraleer het kan worden weggevangen door filtermaterialen. Met onze materialen kunnen beide arseenvormen in één stap efficiënt verwijderd worden, met tevens een hoge sorptiecapaciteit en zo weinig mogelijk nood aan regeneratie van de materialen.”

Uniformiseren van experimenten

Als een bepaald element moeilijk kan worden verwijderd met standaard filtermaterialen, dan kan het worden onderworpen aan een gestandaardiseerde set van experimenten om dan te concluderen welke materialen ingezet moeten worden en onder welke omstandigheden dit best kan gebeuren om het element te verwijderen. Professor Du Laing pleit voor het uniformiseren van dergelijke experimenten. “Voor wat de verwijdering van bijvoorbeeld arseen betreft, zijn reeds duizenden absorbentia getest en gerapporteerd in wetenschappelijke literatuur. Die testen gebeurden in bijna elke studie steeds onder andere omstandigheden, met onder andere verschillende testoplossingen, verschillende dosissen, verschillende contacttijden, verschillende temperaturen, enzovoort. Hierdoor is de performantie van verschillende materialen niet eenvoudig vergelijkbaar en is de ontwikkeling van hybride processen die gebruikmaken van een slimme combinatie van materialen en technologieën ook zeer moeilijk.”

Experimenten

Professor Du Laing probeert in zijn onderzoeksgroep dus ook bij te dragen aan de ontwikkeling van een gestandaardiseerde, uniforme aanpak voor sorptie- en tevens uitlogingsexperimenten. “We maken gebruik van een breed gamma aan materialen en testcondities, waarbij we ook focussen op het automatiseren van die experimenten. Dat moet toelaten om sneller en efficiënter tot een technologische oplossing te komen gebaseerd op selectieve sorptie of uitloging voor concrete problemen. Het gaat om problemen met betrekking tot verwijdering en recuperatie van sporenelementen uit specifieke vloeibare afval- of processtromen waaruit sporenelementen momenteel moeilijk te verwijderen zijn. We streven steeds naar verwijdering tot een (sub) µg/l niveau. Zo proberen we te anticiperen op een mogelijke toekomstige verstrenging van de normen en de realiteit dus een stap voor te zijn.”

Overleg met industriële partners

De UGent wil er ook voor zorgen dat de experimenten wel degelijk gerealiseerd kunnen worden. “Het is een bottleneck dat er momenteel in de vroege fase van de ontwikkeling van nieuwe materialen of technologieën dikwijls niet genoeg wordt nagedacht over de kostprijs, de praktische toepasbaarheid en het potentieel om de technologie later op te schalen”, zegt Gijs Du Laing. “Daardoor geraken veel materialen en technologieën niet verder dan batch-experimenten in het labo en wetenschappelijke publicaties. Als je naar de literatuur kijkt, dan zie je wat betreft absorbentia massa’s publicaties en nieuwe materialen die ontwikkeld zijn. Die zijn uiteindelijk allemaal te duur of kennen problemen naar opschaling toe. Daardoor komen die materialen uiteindelijk toch niet op de markt, waardoor veel onderzoeksgeld verloren gaat. Voor een efficiënte valorisatie van de ontwikkelde technologieën is in een vroege fase van ontwikkeling overleg met industriële partners, zowel probleemeigenaren, toekomstige gebruikers als technologieleveranciers, cruciaal.”

Interessante cases

De UGent wil dan ook de juiste partijen al in een vroeg stadium bij elkaar brengen. “Het is interessant om in een vroeg stadion samen te zitten met producenten en gebruikers om te vermijden dat er zaken worden gedaan in wetenschappelijk onderzoek die tot niets leiden. In de vroege fase van de ontwikkeling wordt vaak niet gedacht aan latere praktische toepasbaarheid, aan de kostprijs. Met de opzet van het CAPTURE platform willen we dat vermijden.” De UGent werkt in dit project zeer nauw samen met bedrijven uit diverse industriën die geïnteresseerd zijn in hergebruik van water of recuperatie van grondstoffen uit afval- en proceswaters. “We zijn altijd geïnteresseerd in problematische afvalwaters waar bepaalde elementen niet uit kunnen worden verwijderd,” zegt Gijs Du Laing. “We hebben dergelijke cases nodig om die nieuwe methodologie verder te ontwikkelen. En om ook te kunnen valideren wat we ontwikkelen. Het blijft hoe dan ook een interessante piste om niet enkel toxische elementen uit afvalwaters te verwijderen met oog op lozing van dat water, maar ook de sporenelementen uit dat water te verwijderen met oog op hergebruik van het water in een gesloten circuit. En als de elementen zelf tevens voldoende waardevol zijn kunnen we ze ook gaan herwinnen.”

www.capture-resources.be

“Als er een zeer lage concentratie van een toxische, niet-afbreekbare stof in je water blijft zitten, ben je al beperkt in de mate waarin je het water kan hergebruiken”

Gijs Du Laing.

“De klassieke technieken slagen er nog niet in om die exotische vormen van vervuiling uit complexe afvalwaters te verwijderen en de lage lozingsnormen te halen,”

Gijs Du Laing.

“De vorm bepaalt sterk hoe sporenelementen zich in het afvalwater gaan gedragen,”

Gijs Du Laing.