Industrieel afvalwater reinigen met elektrische ontlading

Afvalwater/Han Gommeren
Foto/Bart van Overbeeke

Het dreigende mondiale tekort aan zoet water en dus drinkwater is zo dringend, dat prins Willem-Alexander er zijn specialiteit van heeft gemaakt als voorzitter van het Wereld Water Forum. Talloze deskundigen breken zich al jaren het hoofd over hoe dit probleem aan te pakken. De Poolse onderzoeker Lukas Grabowski promoveerde maandag 24 april aan de TU/e op een onderzoek naar een nieuwe technologie die moeilijk afbreekbare stoffen uit -industrieel- afvalwater haalt. Deze relatief goedkope techniek, waarbij gebruik wordt gemaakt van elektrische ontlading, biedt bij verdere ontwikkeling kansen voor toepassing in de praktijk. Zijn studie maakte deel uit van een Europees onderzoeksproject.

‘Pulsed Corona in air for water treatment’, luidt de titel van het proefschrift van Grabowski. “Dit begrip laat zich moeilijk eenvoudig uitleggen”, zegt Grabowski’s copromotor dr.ir. E. van Veldhuizen. “Wij spreken hier ook wel van de gepulste coronaontlading. Anders gezegd, is het een elektrisch verschijnsel in een gas, bijvoorbeeld lucht of helium.”
Een corona, zo legt de onderzoeker zelf uit in zijn proefschrift, is een vorm van een niet-thermisch plasma, ofwel plasma dat het gas niet opwarmt. Een corona wordt opgewekt door hoge elektrische velden, die ontstaan aan dunne draden, naalden of scherpe kanten van een werkende elektrode. Het uiteindelijke doel hiervan is waterzuivering.
De onderzoeker legt uit welke stappen hij in zijn onderzoeksproces heeft gemaakt om uiteindelijk een toepasbare techniek te ontwikkelen voor de reiniging van -industrieel- afvalwater. “We zijn begonnen om in een kleine reactor een elektrisch veld met een hoog voltage te creëren”, zegt Grabowski, wijzend op de transparante, ongeveer één meter lange reactor die hij gebruikte bij zijn onderzoek. Het voltage in de reactor bracht de onderzoeker naar honderd kilovolt, zeg maar vijfhonderd keer zoveel als het voltage van een normaal stopcontact. De stroomtoevoer werd afwisselend aan- en afgesloten: de zogenoemde gepulste corona.
Bij dit proces bevindt zich in de reactor een gas, de onderzoeker werkte met lucht, tussen de elektroden. “Het hoge voltage in de reactor zorgt ervoor dat de aan elkaar vastzittende ionen en elektronen loslaten en in tegenovergestelde richting beginnen te bewegen”, legt Grabowski uit. Het zware ion beweegt langzaam, het elektron snel. Zo ontstaat een plasma, een geïoniseerd gas dat deels bestaat uit vrije atoomkernen en vrije elektronen. “Dat ziet er in de reactor uit als een glanzende materie, waarin je een soort bliksemflits waarneemt.”

Ozon
Grabowski gebruikte in eerste aanleg een zogeheten Corona Above Waterreactor, kortweg CAW-reactor. Deze relatief kleine reactor bevatte één liter vervuild water. “Door de snelle elektronen in de reactor worden sommige moleculen in de lucht uiteengedreven en worden er onder andere zuurstofatomen gevormd. Als een zuurstofatoom en -molecuul bij elkaar komen, creëren ze samen ozon, de materie waaruit de ozonlaag bestaat en die ons beschermt tegen de ultraviolette straling van de zon. De ozon is wat we
uiteindelijk nodig hebben om het industriële afvalwater onderin de reactor te reinigen.”
De tweede stap in het reinigingsproces in de reactor is dat de ozon door diffusie de waterlaag binnendringt. “Wat we dan bewerkstelligen, is dat de molecuulstructuur verandert van zwaar verontreinigende stoffen in het water, stoffen die schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid. De ozon maakt er andere moleculen van door de verontreiniging te oxideren. Je moet denken aan diverse organische moleculen, maar ook bacteriën. Dit soort technieken is nodig om moleculen die de gezondheid van mensen in gevaar kan brengen, uit het water te halen. Met gewoon filteren van water lukt het niet deze vervuiling te verwijderen.”
Het voordeel van de gepulste corona-ontlading is dat deze alle drie de stappen van het reinigingsproces aankan. “We hebben met lucht als gasvorm gewerkt, omdat dat goedkoper is dat bijvoorbeeld het gebruik van helium. Maar in principe zouden we elke vorm van gas hebben kunnen gebruiken bij dit project.” De
onderzoeker gebruikt fenol om het water te verontreinigen. Met dit molecuul zijn bij eerdere onderzoeken ervaringen opgedaan en fenol is representatief voor de vervuiling zoals die veelvuldig voorkomt in industrieel afvalwater. En fenol is moeilijk te behandelen met de conventionele reinigingsmethoden. Op deze manier werd getracht de dagelijkse praktijk zo dicht mogelijk te benaderen.
Grabowski was ook nog in de gelegenheid te experimenteren met een tweede reactor, een zogeheten aërosolreactor. Deze werd speciaal vervaardigd door
ingenieurs in Israël die al de nodige ervaring hebben met de bouw van
dergelijke reactoren. “Het was onderdeel van het Europese project om het apparaat in Israël te laten maken en het te laten overvliegen”, licht Grabowski toe. Een belangrijk verschil met de CAW-reactor is dat in de aërosolreactor honderdtwintig liter water per uur kon worden behandeld.
In de aërosolreactor wordt de corona-ontlading bewerkstelligd via een set draadelektrodes en wordt de vloeistof geïnjecteerd in de vorm van aërosol. Het vervuilde water wordt druppelsgewijs binnengelaten, waarbij de druppels niet groter zijn dan tien tot honderd micro-meter. Deze reactor, zo heeft het onderzoek uitgewezen, is geschikter voor industriële toepassing dan zijn kleine soortgenoot. Er kan immers aanzienlijk meer, in totaal honderdtwintig liter, water in de reactor worden gebracht.
Maar hoe kunnen de reactoren met dergelijke beperkte hoeveelheden op te nemen water worden toegepast in de industriële praktijk? Grabowski: “Het bleek eenvoudig mogelijk de reactoren een factor vier op te schalen. Bovendien kunnen we in principe eindeloos veel reactoren naast elkaar inzetten om zo de te behandelen hoeveelheid water op het juiste volume te krijgen”. De gepulste corona en aërosoltechniek zijn specifiek bedoeld voor de reiniging van industrieel afvalwater; voor huishoudelijk gebruik zijn deze technieken te kostbaar. De bouw van één aërosolreactor kost al gauw twintigduizend euro, zegt Grabowski.

Chemicaliën
Behalve de efficiëntie noemt de onderzoeker nog een voordeel van de gepulste corona-ontladingstechnologie. “Bij andere reinigingstoepassingen worden bijvoorbeeld chemicaliën gebruikt. Bij chemische processen bestaat altijd het risico van het ontstaan van andere chemische substanties, die slecht zijn voor de menselijke gezondheid. Dat probleem hebben we niet met de gepulste coronaontlading.”
De Poolse master of science heeft, zoals eerder gezegd, zijn wetenschappelijke onderzoek kunnen doen in het kader van een Europees project: ytriD. Dit project van zes Europese onderzoeksgroepen beoogde de gepulste coronaontladingen voor de reiniging van water en gas te verbeteren. De conclusies zijn bemoedigend te noemen. Zowel bij de CAW-reactor als de aërosolreactor leidt het gebruik van pulsen tot ozonproductie met een hoog rendement en een heel goede verwijdering van fenol. Een ander voordeel is dat het gebruik van zeer korte pulsen het ontstaan van vonkdoorslag voorkomt. Dat voorkomt beschadiging van de elektrische voeding en beperkt bovendien het elektriciteitsgebruik. De corona-ontladingstechnologie in de lucht verbruikt aanzienlijk minder elektriciteit dan andere ontladingstechnologieën, waarbij het plasma in het water wordt gemaakt. Daarmee is de technologie veelbelovend in een tijd waarin de bruikbare watervoorraden afnemen en dringend behoefte is aan betaalbare en efficiënte technologieën voor de reiniging van afvalwater.

Kleurstoffen
De gepulste coronatechnologie heeft zijn bruikbaarheid niet alleen bewezen voor de verwijdering van fenol, maar ook voor andere toepassingen. Tests hebben uitgewezen dat elektrische ontladingen ook gebruikt kunnen worden voor de behandeling van kleurstoffen en grote anorganische moleculen en voor de behandeling van bacteriën in een sterilisatieproces. Grabowski besluit zijn proefschrift met de conclusie dat de volgende stap in de richting van industriële toepassing een demonstratiefaciliteit van middelgrote schaal kan zijn. Volgens de onderzoeker heeft een Belgische onderneming, één van de bedrijven die het onderzoek financieel mede ondersteund heeft, belangstelling getoond om de gepulste coronaontlading op de markt te gaan brengen.
Grabowski zelf zegt na drieëneenhalf jaar onderzoek toe te zijn aan vakantie. “Als het even kan, ga ik eerst een wereldreis maken.”/.