Zero Brine is een van de kandidaten van de Water Innovator of the Year-verkiezing. Brijn, de zoute stroom die overblijft na waterzuiveringsprocessen, vormt een beperking voor circulaire waterprojecten. Een Europees onderzoeksconsortium onder leiding van de TU Delft weet de waardevolle zouten selectief te splitsen. Daarmee is brijn een waardevolle bron van magnesium, calcium, natrium en schoon water. Bekijk hier de film van Zero Brine

Toenemende waterschaarste dwingt bedrijven in een aantal landen nu al om extreme maatregelen te nemen. In droge gebieden dwingen overheden steeds vaker af dat bedrijven geen druppel water afvoeren, ook wel zero liquid discharge (ZLD) genoemd. Nu zijn de huidige zuiveringstechnieken zo goed dat zelfs redelijk vervuild water na behandeling als proceswater of ketelwater kan worden gebruikt. Groot minpunt van technieken als ionenwisseling en omgekeerde osmose is echter dat na zuivering een sterk zoute waterstroom overblijft: brijn. Soms kan deze brijn in zee worden geloosd, maar aan lozingen zitten ook restricties. Zeker als bedrijven ver van de zee zitten, kunnen de brijnstromen een beperking vormen voor circulaire waterprojecten. 

Vier pilotlocaties 

Onderzoekers van de TU Delft in samenwerking met een aantal bedrijven en universiteiten in Italië, Griekenland, Verenigd koninkrijk en Polen bundelden hun krachten om het brijnprobleem aan te pakken. Het project wordt Zero Brine genoemd. Uitgangspunt was om de waardevolle stoffen in het mengsel van zouten en water te extraheren. Universitair hoofddocent Henri Spanjers is coördinator voor de TU Delft van het Europese project dat zich op vier Europese pilotlocaties voltrekt.

‘Er zijn vele processen waar brijn een probleem kan vormen’, zegt Spanjers. ‘De mijnbouw zoals kolenmijnen, maar bijvoorbeeld ook de siliciumindustrie en de textielindustrie kampen allemaal met overschotten aan brijn. De enige oplossing voor deze bedrijven is tot nog toe om het zeer zoute water te lozen. Dat belast niet alleen het milieu, maar is ook zonde omdat er waardevolle grondstoffen in zitten.’  

De mix van zouten bevat naast natrium ook de waardevollere tweewaardige ionen calcium en magnesium. Spanjers: ‘In kleinere concentraties zitten er ook nog wat zeldzamere zouten in en vergeet ook niet de waarde van zoet water. Enige probleem is dat de zouten en het water lastig te scheiden zijn. Toch zijn er interessante ontwikkelingen geweest die het mogelijk maken de zouten selectief te laten kristalliseren en te scheiden. Wij onderzoeken nu hoe we met een combinatie van technieken zoveel mogelijk waarde uit het brijn kunnen halen tegen de laagst mogelijke kosten.’ 

Kristalliseren 

‘De eerste techniek die we nu testen is een combinatie van nanofiltratie, kristallisatie en verdamping’, zegt Spanjers. ‘De eerste stap produceert een permeaat met eenwaardige ionen en een concentraat met tweewaardige ionen. De kristallisatie-unit kan tweewaardige ionen na elkaar laten kristalliseren. Deze kristallen kunnen dan van elkaar worden gescheiden, waarna ze gedroogd worden.  Het permeaat van de nanofiltatie en het effluent van de kristallisatiereactor worden samengevoegd en in de verdamper geconcentreerd. Hierbij ontstaat condensaat: schoon water. Idealiter zal dit verdampingsproces met restwarmte uit de industrie worden gevoed, wat gunstiger is voor de businesscase.’

De bron van het brijn is in dit geval het water uit de ionenwisselaars van Evides Industriewater. Spanjers: ’De demiwaterplant (DWP) van de industriewaterspecialist maakt proceswater van oppervlaktewater en houdt daarbij brijn als residu over. Evides mag die zoute stroom wel lozen op het nabijgelegen oppervlaktewater, maar is geïnteresseerd in de toegevoegde waarde van een dergelijke circulaire aanpak. Als de businesscase gunstig uitpakt, kan dit aanleiding zijn voor verdere investeringen. Met name magnesium heeft een hoge marktwaarde.  

Pilot 

De proefopstelling van Zero Brine staat niet geheel toevallig in PlantOne, de testfaciliteit op het terrein van chemiebedrijf Huntsman, waar ook DWP staat. Inmiddels draait de proef volop en de eerste resultaten zijn veelbelovend. Twee clusters van vier nanofiltratiemembranen van Lenntech zorgen ervoor dat het permeaat met natrium wordt gescheiden van het concentraat met de tweewaardige ionen calcium en magnesium. Het concentraat gaat naar de kristallisatiereactor waarin loog wordt toegevoegd aan concentraat. Een speciale techniek maakt het mogelijk calciumhydroxide en magnesiumhydroxide afzonderlijk te laten kristalliseren.   

De slurry met calcium, dan wel magnesium sproeit men op een ronddraaiende trommelzeef. Een vacuüm aan de binnenkant van de zeef trekt het water er doorheen, terwijl de vaste stof achterblijft. Daarna is het een kwestie van schrapen. 

Het water uit de trommelzeef wordt samengevoegd met het permeaat van de nanofiltratie. Dit water, dat vooral natriumchloride bevat, wordt in de verdamper verder ingedampt. 

Eutectische vrieskristallisatie

Spanjers: ‘Na deze test willen we ook nog het concentraat van de omgekeerde osmose van DWP behandelen. We gebruiken eutectische vrieskristallisatie (EFC): een redelijk nieuwe techniek dat koude gebruikt voor de kristalvorming. Via deze weg kunnen we sulfaatzouten terugwinnen en uiteraard ook weer keukenzout en water.’ 

Uitgangspunt voor het Zero Brine project is om zeventig procent van de waardevolle stoffen in brijn te gebruiken in de processen. Maar daarbij proberen de onderzoekers ook de energiebalans in evenwicht te houden. Door restwarmte te gebruiken voor verdamping of de koude die ontstaat bij EFC in andere processen in te zetten, blijft het energieverbruik binnen de perken.