Ons drinkwater is schoon, maar kan schoner. Gemodificeerde membranen moeten hardnekkige restjes medicijnen, pesticiden en andere microverontreinigingen eruit gaan halen.

‘Ons kraanwater is absoluut veilig’, benadrukt Kitty Nijmeijer, hoogleraar membraantechnologie aan de TU Eindhoven. ‘Maar om dat ook in de toekomst zo te houden, is een betere zuivering nodig. Want we ontdekken steeds meer resten en afbraakproducten van pesticiden, geneesmiddelen, hormonen en industriechemicaliën in het oppervlaktewater.’ Voorbeelden van die zogeheten microverontreinigingen zijn pyrazolen (pijn­stillers, pesticiden), perfluoralkylzuren (teflonproductie), bisfenol A (weekmaker), methyl-tert-butylether (oplosmiddel) en tris(2-chloroethyl)fosfaat (vlamvertrager).

Deze kleine organische moleculen lossen goed op in water en zijn slecht bioafbreekbaar. Ze overleven zo de reguliere afval- of rioolwaterzuivering. Het is niet altijd duidelijk welke microverontreinigingen en welke combinaties schadelijk kunnen zijn. Nijmeijer: ‘Schoon drinkwater is voor ons vanzelfsprekend. En dat moet natuurlijk zo blijven. Wetenschappers, waterbedrijven en industrie hebben de bedreiging ook echt opgepikt, merk ik. Samen werken we aan methodes om het probleem op te lossen.’

Persen

Een oplossing is in principe al voorhanden. Maak de gaatjes in een filter extreem klein en er past alleen nog water door. Zo’n superfilter, het omgekeerde-osmosemembraan, vangt microverontreinigingen weg tot ver onder alle normen. Ze vinden vooral toepassing in het Midden-Oosten om drinkwater te maken uit zeewater. Maar de superfilters zijn duur, omdat ze een hoge druk (circa 60 bar) en dus veel energie vragen.

Om hoge drukken te omzeilen, richt veel onderzoek zich op membranen met grotere poriën, die dankzij slimme aanpassingen toch de microverontreinigingen eruit filteren. Nijmeijer werkt bijvoorbeeld met ultrafiltratiemembranen met poriën in de grootte van 1 tot 100 nm. Door ze chemisch te modificeren of er een of meerdere dunne coatings op aan te brengen, is het mogelijk de membranen geschikt te maken om microverontreinigingen te verwijderen. Dankzij de modificaties scheiden de membranen niet alleen op basis van grootte, maar ook op stofeigenschappen als polariteit, lading of vorm. Of ze houden stoffen vast via adsorptie.

‘Het moet een soort plug-and-play-systeem worden’

Nijmeijer gebruikt polymere membranen, omdat je juist daarop vrij eenvoudig extra groepen op het oppervlak kunt zetten. ‘Wij willen een stuk of vijf, zes verschillende modificaties ontwikkelen, een soort mastertypes, waarmee je commercieel verkrijgbare membranen kunt aanpassen’, vertelt ze. Afhankelijk van het type microverontreinigingen, kies je dan een of meerdere modificaties om het water goed te reinigen. Nijmeijer: ‘Het is een jong vakgebied. Maar met de huidige grote aandacht voor het onderwerp, verwacht ik dat er binnen vijf jaar een bruikbare oplossing is gevonden. Het moet een soort plug-and-play-systeem worden.’

Ook membraanspecialist Anita Bueken houdt van het Vlaamse onderzoeksinstituut VITO noemt polymere membranen een van de opties. Zelf werkt zij aan keramische membranen, die ondanks hun robuustheid (nog) niet geschikt blijken voor deze toepassing. ‘Keramische membranen zijn minder eenvoudig te modificeren. Er lopen wel onderzoeken, maar voor micro­verontreinigingen zijn keramische membranen pas op lange termijn een oplossing.’

Gesponnen rietjes

Ook membraantechnoloog Robert Gerard van de Twentse spin-off NX Filtration kent de microverontreinigingen die nu nog door de mazen glippen. NX Filtration wil ze stoppen met gemodificeerde rietjes. Gerard: ‘Bij membraanfiltratie stroomt het vervuilde water meestal door duizenden dunne membraanrietjes, gebundeld in een module. Schoon water sijpelt door de wanden heen, de vervuiling blijft achter. Wij gebruiken gesponnen rietjes; het zijn holle vezels van gemodificeerd polyethersulfon.’ De gesponnen rietjes (circa 0,5 à 1 mm in diameter) zijn een milieuvriendelijk alternatief voor de meer klassieke rietjes van spiraalgewonden membranen, waar bij de productie veel oplosmiddel nodig is.

Maar de grootste vernieuwing zit aan de binnenzijde van de NXF-rietjes. Die is bedekt met maar liefst acht tot twaalf dunne coatings om ook de microverontreinigingen weg te vangen. De coatings zijn afwisselend positief en negatief geladen. De benodigde druk ligt met 3 tot 6 bar een stuk lager dan bij omgekeerde-osmosemembranen.

‘Met membraanfiltratie kun je naar minder zuiverings­stappen’

‘Een ander belangrijk voordeel is dat ze robuust zijn’, vertelt Gerard. Elk membraan slibt bij gebruik langzaam dicht. Verontreinigingen kruipen in poriën en verstoppen de zaak. Door frequent de stroomrichting even om te keren, komt het vuil weer los. Maar om de aangroei van biofilms tegen te gaan, moet je ze ook regelmatig met een reinigingsmiddel spoelen. Gerard: ‘Wij kunnen onze rietjes spoelen bij hoge en lage pH’s en ook hogere concentraties chloor gebruiken.’

Betaalbaar?

De grote vraag is natuurlijk of de nieuwe membranen een betaalbare oplossing zijn. ‘Wat is betaalbaar?’, kaatst Nijmeijer de vraag terug. ‘Een extra reinigingsstap verhoogt de kosten waarschijnlijk wat, maar ik denk dat de bereidheid om voor blijvend schoon water te betalen er zeker is.’

Het alternatief tegen microverontreiniging is nu advanced oxidation. Microverontreinigingen worden na een gewone biologische zuivering of filtratie met een (keramisch) membraan geoxideerd met ozon, waterstofperoxide of uv-licht. Daarbij ontstaan echter weer nieuwe restproducten, zodat ook een extra absortiestap met bijvoorbeeld actieve kool nodig is.

‘Het grote voordeel van membraanfiltratie is dat je wellicht juist naar minder stappen in een waterzuivering toe kunt’, stelt

Emile Cornelissen, membraanexpert bij KWR, het Nederlandse onderzoeksinstituut van de waterbedrijven. ‘Want met membraanfiltratie combineer je desinfectie, ontzouting, ontharding én verwijdering van verontreinigingen. Zo zijn er minder zuiveringsprocessen, wat kan leiden tot kostenbesparing.’ NXF start begin 2017 een pilotproject samen met het Nederlandse waterbedrijf Oasen naar deze direct filtration, waarbij geen voorbehandeling nodig is om álle verontreinigingen te verwijderen. Gerard: ‘In het laboratorium werkt het systeem prima. Maar het moet zich natuurlijk ook op grotere schaal in de praktijk bewijzen.’

De membraantechnologen zijn allemaal optimistisch, maar Cornelissen wijst erop dat een membraan nooit alle microverontreinigingen voor 100 % wegneemt. Het blijft dus oppassen voor (nieuwe) persistente stoffen. Nijmeijer pleit ook voor membraanfiltratie dichtbij de bron. ‘Direct na een fabriek of ziekenhuis heb je de hoogste concentraties aan vervuiling. Het is effectiever om daar te reinigen. De hoeveelheid water die je moet behandelen is dan immers zo klein mogelijk en je kunt de installatie optimaal instellen op specifieke verontreinigingen. Bovendien blijft het oppervlaktewater dan zo schoon mogelijk.’

Zwitterionlaagje

Om met ultrafiltratiemembranen microverontreinigingen tegen te houden, brengen technologen meerdere coatings aan op het oppervlak. Afwisselende laagjes van positief en negatief geladen polymeren blijken het meest effectief. De laagjes zorgen niet alleen voor nauwere poriën, maar weren geladen en polaire microverontreinigingen ook door hun ladingen. Chemisch technoloog Joris de Grooth onderzocht als promovendus aan de Universiteit Twente of je met een coating van zwitterionen (moleculen met zowel een negatieve als een positieve lading) wellicht twee vliegen in één klap slaat. Hij modificeerde een membraan, ­zodat het ook een laagje PSBMA bevat; een polyzwitterion met ­zowel sulfongroepen (-) als quaternaire ammoniumgroepen (+). Dat werkt. Geladen microvervuilingen, zoals de pijnstiller naproxen (-) en bètablokker atenolol (+), worden effectiever geweerd. Helaas schieten ongeladen moleculen van vergelijkbare grootte, zoals de weekmaker bisfenol A of onkruidverdelger atrazine, er nog vaak door.