Dat watertechnologie grensoverschrijdend is, bewijzen de drie kandidaten voor de Water Innovator of the Year-verkiezing 2021. De innovaties worden onder meer ingezet in de aardappelindustrie, bij het winnen van ammoniak uit mest en voor de productie van een duurzaam alternatief voor cement. Tijdens het congres Watervisie op donderdag 11 februari pitchen de innovators van Wafilin en Avebe (DuCam), Mezt (elektrodialyse) en VSGM (Mid Mix) de technologieën.

DuCam

Bioraffinage, het terugwinnen van waardevolle producten uit landbouwgewassen, is uitdagend omdat de gewassen vaak veel water bevatten. Dat water maakt de te verwerken volumestroom groter dan nodig en de processen om producten te winnen energie-intensief. Dit geldt in het bijzonder voor de winning van eiwit uit zetmeelaardappelen bij Avebe.

Een zetmeelaardappel bestaat voor 75 procent uit water waarin eiwit is opgelost: aardappelsap. Avebe scheidt het eiwit af door het aardappelsap te verhitten. Het resterende sap dampt men vervolgens in tot Protamylasse, een product met zouten en aminozuren. Bij Avebe in Ter Apelkanaal betekent dit dat jaarlijks ongeveer één miljard liter aardappelsap aan de kook wordt gebracht en ingedampt.

Wafilin en Avebe bedachten samen een duurzame alternatieve route: het Ducam-proces, wat staat voor Duurzaam Concentreren van Aardappelsap met Membranen. Met behulp van membraantechnologie concentreert Avebe het aardappelsap zodat veel minder energie nodig is voor de eiwitwinning en indamping.

In het verleden is membraantechnologie wel toegepast in de zetmeelindustrie, maar met beperkt resultaat door het sterk vervuilende effect van het aardappelsap op de membranen. Dit maakte de technologie economisch niet aantrekkelijk. Het lukte Wafilin na meerdere jaren pilotonderzoek om de juiste membranen te vinden en de optimale procesvoering en membraanreiniging te ontwikkelen. Nieuw is hierbij de toepassing van de combinatie van ultrafiltratie en omgekeerde osmose in de zetmeelindustrie en een procesregeling die ontwikkeld is waardoor met name de ultrafiltratie veel minder gevoelig is vervuiling, waardoor een hogere concentratiefactor bereikt kan worden : Hierdoor wordt bij de eiwitwinning en indamping 30% energie bespaard, resulterend in 13.000 ton minder CO2 emissie per jaar en wordt bovendien jaarlijks 400.000 m3 water uit de aardappel geschikt gemaakt voor hergebruik als proceswater in de fabriek. Binnen Avebe wordt inmiddels toepassing van de DUCAM-technologie op andere productielocaties voorbereid.  Ook bij andere bioraffinage processen is er een groot energie- en waterbesparingspotentieel bij toepassing van deze technologie.

Mezt

Ruim veertig procent van de stikstofemissie in Nederland is afkomstig van de veeteelt. De ammoniak in de mest van koeien en varkens is een goede meststof maar vormt ook een probleem. In de stal, in de opslag en bij aanwending van dierlijke mest vind er veel stikstofemissie plaats. De startup Mezt gebruikt de door de TU Delft voor de watersector ontwikkelde membraan elektrodialyse-technologie om ammoniak te extraheren uit mest.

Mezt ontwikkelde een oplossingstrein die uit dierlijke mest mineralenconcentraten van fosfaat, kalium en stikstof (ammoniak) produceert. Dit reduceert de emissie van ammoniak sterk terwijl het ook nuttige kunstmestvervangers produceert. Een sleutelrol is weggelegd voor elektrodialysetechniek met selectieve membranen. In tegenstelling tot traditionele technologieën hoeft de mest niet te worden verwarmd of met chemicaliën bewerkt. Evenmin wordt de mest door de membranen geperst, maar stroomt deze erlangs. Hierdoor omzeilt deze techniek het probleem van verstopte membranen en gebruikt het relatief weinig energie.

Zoals gezegd komt de elektrodialyse-techniek uit de koker van de TU Delft. Daar lukte het de onderzoekers al om 99 procent van de stikstof uit rejectiewater van een waterzuivering terug te winnen. De stap naar elektrodialyse in dierlijke meststromen lijkt nu de ideale toepassing van deze techniek. Met name omdat de stikstofcrisis momenteel vele economische ontwikkelingen tegenhoudt.

Het voordeel voor de veehouders is echter veel groter. Die kunnen voor ieder gewas, grond en seizoen ‘bio-based’ mest op maat maken. Er zijn ook financiële voordelen aan het terugwinnen van nutriënten uit mest. Veehouders kunnen namelijk de afvoerkosten van mest en de inkoopkosten van fossiele kunstmest sterk reduceren.

Momenteel bouwt Mezt een set modulaire prototypes voor inzet bij technologisch vooruitstrevende waterschappen en veehouders. De innovator verwacht in 2021 de eerste commerciële productlijn op te leveren.

Mid mix

Nu wordt slib nog verwerkt in verbrandingsovens, gecomposteerd of gestort, met CO2-uitstoot of vervuiling tot gevolg. Door slib te verwerken met de technologie van VSGM ontstaat een nieuw materiaal dat als grondstof te gebruiken is in de bouwindustrie. Naast zeer lage CO2-uitstoot heeft deze technologie als enige bijna geen stikstofuitstoot.

VSGM biedt met de zogenaamde MID MIX-technologie een alternatief voor slibeindverwerking. Na verwerking van ontwaterd zuiveringsslib in de MID MIX-installatie resteert een fijn wit poeder: Neutral. Neutral is te gebruiken in een breed scala van toepassingen in de bouw en kan in bepaalde producten cement geheel of gedeeltelijk vervangen. Ook is het geschikt voor bodemstabilisatie in de bouw en bij de wegenbouw.

MID MIX is een fysisch-chemisch stollingsproces waarbij diverse stoffen op moleculair niveau reageren met calciumoxide. Daardoor ontstaan nieuwe verbindingen waarmee wordt voorkomen dat de schadelijke stoffen uit de slibben uitlogen of op een andere manier het milieu aantasten.

Hoewel de techniek al in het buitenland wordt ingezet, wilde Attero de continuïteit van het verwerkingsproces vergroten. VSGM paste de bestaande installatie aan voor de verwerking van grotere hoeveelheden slib en de specifieke eigenschappen van Nederlands slib. De lifecycle analysis (LCA) die inmiddels ook is uitgevoerd, leverde gunstige cijfers op. De organische componenten binden zich chemisch met het calciumoxide tot calciumcarbonaat waardoor de CO2-uitstoot bijna nul is. En de uitstoot van stikstofoxides is zelfs onder de detectiegrens. SGS is momenteel bezig met formele certificering van de Neutral tot een bouwstof (beton, asfalt en mortel toepassingen). Er is ook een gezamenlijke project met het Belgische Carmeuse om Neutral te gebruiken voor het binden van CO2, afgevangen uit industriële processen, in een nieuw bouwproduct (Neutral+). Deze toepassing zou Neutral en MID MIX nog eens een extra gunstige milieuscore opleveren, zonder dat toepassingsmogelijkheden worden aangetast.

Er is inmiddels een aanzienlijke structurele vraag naar de gecertificeerde Neutral van VSGM. De cementindustrie gebruikt al calciumcarbonaat in het zogenaamde rauwe meel, dat met klinker wordt gemengd tot Portland cement. Ook daar lopen gesprekken over een groene toepassing.

U kunt vanaf nu stemmen op uw favoriete Water Innovator of the Year 2019. Bekijk de filmpjes en breng uw stem uit. De drie innovators verzorgen een pitch tijdens het Watervisie Congres 2019 dat op 14 februari wordt gehouden bij Heineken Zoeterwoude.

Voor de Water Innovator of the Year zijn we op zoek gegaan naar innovatieve bedrijven, start-ups of overheidsinstellingen die innovatie, duurzaamheid, publiek-private samenwerking hoog in het vaandel hebben staan. We zochten naar innovaties die het gebruik van (industrie)water goedkoper, duurzamer of efficiënter maken. Daarbij kijken we niet alleen naar technologie, maar ook naar samenwerking binnen de waterketen.

Industriewater Eerbeek – Afvalwater als proceswater

Industriewater Eerbeek had al langer de wens gezuiverd water te retourneren naar de papierfabrieken van wie het bedrijf het afvalwater zuivert. Daarop is directeur van Industriewater Eerbeek Walter Hulshof aan de slag gegaan met een even simpele als doeltreffende fysisch-chemische reactie om het in het water aanwezige calcium te verwijderen. ‘Dat is mogelijk door de balans van bicarbonaat, CO2 en calciumcarbonaat in het water te verstoren. Wij doen dat in ons proces door CO2 te strippen, waardoor het calcium neerslaat in de zuiveringsbekkens.’

Om dat proces te kunnen aantonen is Hulshof in het lab van Industriewater zelfs aan de slag gegaan met vijf aaneengesloten melkpakken. ‘We kregen het wel voor elkaar in batch, maar niet in een continu proces. Totdat ik dacht: ik maak vijf kleine aaneengeschakelde ‘reactoren’, door in ons lab vijf melkpakken aan elkaar te knopen. Dat bleek te werken: door ze achter elkaar te zetten en in iedere reactor weer steeds meer calcium te laten neerslaan is het water aan het eind van de vijfde reactor voldoende vrij van calcium.’ 

Metal Membranes – Metalen membranen reinigen zichzelf

Metalmembranes ontwikkelde een nieuw type membranen die door licht kunnen worden gereinigd. Het unieke aan deze membranen is dat de bovenste laag van deze filters bestaat uit een fotokatalytische laag van titaniumdioxide (TiO2). Wanneer die laag met UV-licht wordt beschenen, kan het bijna alle organische verbindingen verbreken.

Sybrand Metz: ‘Metalen membranen kennen een zeer hoge doorstroomsnelheid, zijn robuust, chemisch inert, functioneren bij hoge temperaturen en zijn eenvoudig in te bouwen in een systeem. Desondanks hebben ook onze membranen op den duur last van biofouling. Nu ontwikkelden we in eigen huis een zelfreinigend oppervlak dat onderhoud straks overbodig maakt en de biofouling doet verdwijnen. We zetten het oppervlak van de filters om in titaniumdioxide via onze elektrochemische processen. Een bekende eigenschap van de stof is dat het onder invloed van UV-licht als katalysator gaat werken. Hierdoor verbreekt het organische verbindingen, waaronder bacteriën. We zijn nu bezig een interne lichtbron aan de membranen toe te voegen die de membranen zelfreinigend maken. Daardoor voorkom je de inzet van chemicaliën voor reiniging en bespaar je ook energie doordat de poriën niet meer verstoppen.’

Sponsh – Slim textiel trekt water uit de lucht

Kijkend naar hoe de natuur werkt in droge kustgebieden, ontwikkelden onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven een temperatuurgevoelig, slim textiel. ’s Nachts, wanneer de temperaturen laag zijn, is het materiaal super hydrofiel. Overdag, wanneer de temperaturen hoog zijn, wordt het materiaal super hydrofoob. De vezels trekken samen en persen het water uit als een spons. Voorlopig onderzoek toont aan dat het materiaal in staat is om elke cyclus water te absorberen en af te geven over driemaal het eigen gewicht. Door de huidige resultaten te extrapoleren, wordt verwacht dat één vierkante meter tot 1,3 liter per dag zal produceren.

Kurt Hamming: ‘Je kunt hiermee bijvoorbeeld bomen en planten van water voorzien, maar er zijn ook heel andere toepassingen mogelijk zoals vochtregulatie bij airco’s. De Wageningen Universiteit stelde voor het doek in te zetten voor het ontvochtigen van kassen. Het is zelfs mogelijk het textiel in een kist te stoppen om er drinkwater mee te maken. Inmiddels is het materiaal opgeschaald van een vierkante centimeter voor de proof of concept naar een demonstratie van vijftig vierkante centimeter.

Metalmembranes ontwikkelde een nieuw type membranen die door licht kunnen worden gereinigd. Het unieke aan deze membranen is dat de bovenste laag van deze filters bestaat uit een fotokatalytische laag van titaniumdioxide (TiO2). Wanneer die laag met UV-licht wordt beschenen, kan het bijna alle organische verbindingen verbreken. Metal membranes is een van de drie kandidaten voor de Water Innovator of the Year-verkiezing 2019.

Sybrand Metz staat aan de wieg van de metalen membranen, die op zichzelf al een aantal voordelen kennen ten opzichte van polymere varianten. Metz: ‘Metalen membranen kennen een zeer hoge doorstroomsnelheid (flux), uiteraard afhankelijk van de gekozen poriegrootte, zijn robuust, chemisch inert, functioneren bij hoge temperaturen en zijn eenvoudig in te bouwen in een systeem. Nu is het mooie van onze productiemethode dat de poriën op maat kunnen worden gemaakt waardoor we een ideaal evenwicht krijgen tussen flux en filtercapaciteit.

Titaniumoxide

Desondanks hebben ook onze membranen op den duur last van biofouling. Nu ontwikkelden we in eigen huis een zelfreinigend oppervlak dat onderhoud straks overbodig maakt en de biofouling doet verdwijnen. We zetten het oppervlak van de filters om in titaniumdioxide via onze elektrochemische processen. Titaniumdioxide zit onder meer in verf, tandpasta en correctievloeistof. Een bekende eigenschap van de stof is dat het onder invloed van UV-licht als katalysator gaat werken. Hierdoor verbreekt het organische verbindingen, waaronder bacteriën. We zijn nu bezig een interne lichtbron aan de membranen toe te voegen die de membranen zelfreinigend maken. Daardoor voorkom je de inzet van chemicaliën voor reiniging en bespaar je ook energie doordat de poriën niet meer verstoppen.’

Cardridge filter

Deze toepassing leent zich met name voor cardridge filters die veel worden toegepast in praktijksituaties waar schoon water in niet al te grote hoeveelheden nodig zijn. Zoals bijvoorbeeld in systemen voor legionellapreventie. Maar ook als aanvulling in demiwatersystemen om bacteriegroei tegen te gaan of specialistische industriële processen bieden de zelfreinigende membranen een oplossing. Metz: ‘Normaal gesproken moet een cardridge filter eens in de drie tot zes maanden worden vervangen of gereinigd omdat ze dichtslibben door biologische vervuiling. Als ze niet op tijd worden vervangen kunnen ze bovendien een risico vormen voor zowel het proces als de omgeving. In deze situaties is ons fotokatalytisch membraan een uitkomst.’

Onderzoek

Hoewel Metz al heeft bewezen dat de techniek werkt, doen Wetsus en de Universiteit Twente wel verder onderzoek om het werkingsprincipe uit te diepen. ‘Hoe beter de werking onderbouwd is, hoe meer waarde het zelfreinigende membraan krijgt. De markt reageert nu al enthousiast omdat we een oplossing bieden voor vaak voorkomende problemen.’

Industriewater Eerbeek is een van de drie kandidaten voor de Water Innovator of the Year-verkiezing. Het bedrijf levert zowel proceswater als biogas aan Papierproducent DS Smit De Hoop. ‘Dat is alleen gelukt door de water- en biogasteruglevering integraal op te pakken’, aldus Walter Hulshof.

Industriewater Eerbeek had al langer de wens gezuiverd water te retourneren naar de papierfabrieken, maar kwam niet tot een juiste zuivering van het water. Op technisch vlak was de belangrijkste hobbel het kalkgehalte laag genoeg te krijgen om het gezuiverde water gelijk te maken aan vers water. ‘Dat kun je op een chemische manier doen, met natronloog of kalkmelk’, vertelt Hulshof. ‘Maar wij willen ons water niet op die manier zuiveren.’

Calcium

Daarop is Industriewater Eerbeek aan de slag gegaan met een even simpele als doeltreffende fysisch-chemische reactie. ‘Water is zwaar verzadigd met calcium. In het papierproces zorgt calcium onder andere voor verstopping van sproeiers, die de machines en hun bekleding schoonhouden. Calcium moet er dus zo veel mogelijk uit. Dat is mogelijk door de balans van bicarbonaat, CO2 en calciumcarbonaat in het water te verstoren. Wij doen dat in ons proces door CO2 te strippen, waardoor het calcium neerslaat in de zuiveringsbekkens.’

Melkpakken

Om dat proces te kunnen aantonen is Hulshof in het lab van Industriewater zelfs aan de slag gegaan met vijf aaneengesloten melkpakken. ‘We kregen het wel voor elkaar in batch, maar niet in een continu proces. Totdat ik dacht: ik maak vijf kleine aaneengeschakelde ‘reactoren’, door in ons lab vijf melkpakken aan elkaar te knopen. Dat bleek te werken: door ze achter elkaar te zetten en in iedere reactor weer steeds meer calcium te laten neerslaan is het water aan het eind van de vijfde reactor voldoende vrij van calcium.’

Full scale

Om dat principe op grote schaal aan te tonen, is een grootschalige proef uitgevoerd. Uiteindelijk heeft de proef geresulteerd in een full scale installatie van vijf zuiveringsbekkens op het terrein van Industriewater Eerbeek. Deze installatie produceert tweehonderd kubieke meter water per uur. Het water is van een hardheidsgraad die laag genoeg is om in allerlei fasen in het proces van DS Smith te kunnen worden ingebracht.

U kunt vanaf nu stemmen op uw favoriete Water Innovator of the Year 2018. Bekijk de filmpjes en breng uw stem uit.  De drie innovators verzorgen een pitch tijdens het Watervisie Congres 2018 dat op 15 februari wordt gehouden in het ICDuBo Rotterdam.

De uitdagingen voor de industriële watersector zijn groot. Door klimaatverandering en een snelle groei van de wereldbevolking neemt de druk op schoon water, maar ook op energie en grondstoffen toe. De drie finalisten leveren alle drie op hun eigen manier een bijdrage aan het vervullen van de taak van de industrie om zijn afvalwater of proceswater zo goed mogelijk te zuiveren.

Noah

Het idee van elektrocoagulatie is niet geheel nieuw. Men zet een spanning op een tweetal elektrodes waardoor aan de kant van de elektrode ijzer- of aluminiumionen vrijkomen en aan de kathodezijde waterstofgas en hydroxylionen. De ionen reageren tot metaalhydroxiden die colloïdale deeltjes en vervuilingen insluiten tot een slibmassa. Daardoor kunnen de meeste negatief geladen deeltjes zoals bacteriën en organische vervuilingen worden afgevangen, alsook fosfaten, zwarte metalen, fluoriden en cyaniden. Het bijzondere van het ontwerp van NOAH Water Solutions is dat men de vorming van waterstofgas in de reactor maximaal benut om het gevormde slib naar boven te stuwen, maar ook om emulsies te breken. Op deze manier gebruikt men de zwaartekracht om het slib binnen een half uur te scheiden van het gezuiverde water.

Kijk hier voor meer informatie

Fractiomate

Het is soms lastig en tijdrovend om ongewenste stoffen in water te detecteren, helemaal als het om zogenaamde microvervuilingen gaat. Jeroen Kool ontwikkelde samen met Marja Lamoree en Timo Hamers (VU) in samenwerking met Spark-Holland een apparaat dat razendsnel duizenden verschillende stoffen in een watermonster via chromotografie kan opdelen, ook wel nanofractioneren genoemd, op basis van hun chemische eigenschappen: De FractioMate. Kool: ‘Groepjes van stoffen komen dan in een eigen nanofractie terecht. Als je die nanofracties vervolgens direct doormeet met behulp van toxicologische tests en chemische technieken, ook wel high throughput effect directed analysis (HT EDA) genoemd, kun je veel preciezer nagaan welke vervuilende stoffen in het water zitten dan wanneer je het watermonster als geheel analyseert, of als slechts enkele fracties.’

Kijk hier voor meer informatie

PHARIO

Polyhydroxyalkanoaten (PHA’s) zijn afbreekbare polyesters die 150 verschillende monomeren kunnen vormen en zo in vele kunststofproducten kunnen worden verwerkt. Het mooie is dat bacteriën deze duurzame plastics kunnen maken uit het slib van een rioolwaterzuivering. Het Phario-project produceerde al succesvol PHA en is nu klaar voor opschaling.

In 2015 en 2016 bewezen vier waterschappen en partners in een tien maanden durend pilotproject op de rioolwaterzuivering in Bath dat ze PHA konden maken. Sterker nog: de kunststof bleek betere eigenschappen te hebben dan de commercieel verkrijgbare PHA. Met name de consistente thermische en mechanische eigenschappen maken het materiaal geschikt voor de productie van vezels of voor een hogere kwaliteit polymelkzuur, wat weer een duurzaam alternatief is voor polyetheen.

Kijk hier voor meer informatie