Hoe werkt een RO membraan – Werking, voordelen en waterzuivering uitgelegd

Een omgekeerde osmose membraan: hoe werkt het eigenlijk?

Omgekeerde osmose (Reverse Osmosis of RO) is een van de meest effectieve technieken om water te zuiveren. Of het nu gaat om drinkwater, aquarium water of de productie van ultrapuur water voor glasbewassing of luchtbevochtigers, wereldwijd vertrouwen zowel consumenten als bedrijven op deze technologie.

Het belangrijkste onderdeel van een RO-installatie is het RO membraan. Tegenwoordig wordt vrijwel altijd gekozen voor een Thin Film Composite (TFC)-membraan. Deze membranen combineren een goede wateropbrengst met een uitstekende verwijdering van in het water opgeloste stoffen en andere verontreinigingen.

Maar hoe werkt zo'n membraan eigenlijk? En waarom kan het wel water doorlaten maar geen in het water opgeloste stoffen?

Van osmose naar omgekeerde osmose

Om te begrijpen hoe omgekeerde osmose werkt is het handig om eerst naar gewone osmose te kijken.

Osmose is een natuurlijk proces waarbij water zich verplaatst door een halfdoorlatend membraan. Het water stroomt van een oplossing met weinig opgeloste stoffen naar een oplossing met juist veel opgeloste stoffen. Zo probeert de natuur de concentraties aan beide kanten gelijk te maken.

Bij omgekeerde osmose doen we precies het tegenovergestelde. Met behulp van druk wordt water onder tegen een membraan geperst. Die druk is groter dan de natuurlijke osmotische druk waardoor alleen de watermoleculen door het membraan worden geduwd. De opgeloste stoffen blijven achter.

Zo ontstaan er twee waterstromen:
● Permeaat: het gezuiverde water dat door het membraan is gegaan.
● Concentraat: het water waarin de achtergebleven opgeloste stoffen en verontreinigingen zijn geconcentreerd.

Hoe is een membraan opgebouwd?

Een TFC-membraan bestaat uit meerdere lagen. Deze scheidende lagen samen zijn het membraanvel en worden om een centrale buis gewikkeld.

Dragende lagen
De onderste lagen zijn poreuze dragende lagen. Deze lagen worden kleiner in poriën grote en geven weinig weerstand maar geven wel stevigheid. Dit zorgt voor een hoge doorstroming van het water.

Bovenste laag
De bovenste laag (een extreem dunne polyamidelaag) is verantwoordelijk voor de daadwerkelijke scheiding.

Waarom werkt een osmose membraan zo goed?

Hoewel vaak wordt gedacht dat een osmose membraan een soort ultrafijne zeef is, is dat eigenlijk niet helemaal juist. Dit zit als volgt:

De bovenste actieve laag van een RO membraan is slechts een fractie van een micrometer dik. Watermoleculen kunnen hierin vervolgens oplossen en naar de andere kant bewegen. Opgeloste zouten en veel andere stoffen kunnen dat veel minder goed. Daardoor worden ze vrijwel volledig tegengehouden.

Oplossen van het water in het membraan betekend in dit geval iets anders dan een stof die oplost in een vloeistof, zoals suiker in water. Bij een RO-membraan betekent "oplossen" iets anders.

Een TFC-membraan is namelijk geen poreuze zeef waar water door gaatjes stroomt. De actieve polyamidelaag is een dichte polymeerlaag. Op moleculair niveau zitten de polymeerketens niet perfect op elkaar gepakt waardoor er voortdurend heel kleine vrije ruimtes ontstaan. Deze ruimtes zijn niet permanent maar veranderen continu door de thermische beweging van de polymeerketens.

De werking van een RO membraan wordt beschreven met het solution-diffusion-model. Dit bestaat uit drie stappen:

1. Adsorptie (opname)
Watermoleculen hechten zich aan het oppervlak van het membraan. De polyamidelaag bevat chemische groepen die water aantrekken (hydrofiele groepen), waardoor water gemakkelijk in de bovenste laag van het membraan terechtkomt.

2. Diffusie
Eenmaal in de polymeerlaag "springen" de watermoleculen van de ene vrije ruimte naar de volgende. Dat gebeurt doordat moleculen altijd in beweging zijn (Brownse beweging). Omdat aan de permeaatzijde een lagere waterdruk en lagere chemische potentiaal heerst bewegen netto meer watermoleculen die kant op.

3. Desorptie
Aan de andere kant verlaten de watermoleculen het membraan weer en vormen opnieuw gewoon vloeibaar water.

Het water blijft dus tijdens het hele proces water. Het verandert niet van fase en wordt geen damp. Individuele watermoleculen bewegen zich simpelweg door de vaste polymeerlaag.

Met andere woorden: het membraan filtert dus niet alleen op grootte maar maakt ook gebruik van verschillen in moleculaire eigenschappen.

De natuurkunde achter het proces

Omgekeerde osmose lijkt misschien eenvoudig maar er spelen verschillende natuurkundige principes tegelijk een rol.

Druk maakt het verschil
De motor achter het hele proces is druk. Zolang de druk op het voedingswater hoger is dan de natuurlijke osmotische druk zal water door het membraan stromen.

Hoe hoger de druk op het membraan hoe meer gezuiverd water geproduceerd kan worden. Daarom werken installaties voor het zuiveren van zeewater bijvoorbeeld met een veel hogere drukken dan osmosesystemen die kraan- of grondwater zuiveren. Zeewater bevat immers veel meer opgeloste zouten dan kraan of grondwater.

Niet alleen grootte bepaalt de scheiding
Dat opgeloste stoffen niet door een RO-membraan komen heeft niet alleen met de grootte van de ionen te maken.

De actieve polyamidelaag heeft ook een lichte elektrische lading. Veel opgeloste ionen worden daardoor extra afgestoten. Vooral calcium, magnesium en sulfaat worden hierdoor zeer efficiënt verwijderd.

Het uiteindelijke resultaat is een combinatie van molecuulgrootte, elektrische eigenschappen en de manier waarop stoffen zich in het membraan kunnen oplossen.

Welke stoffen worden door een membraan verwijderd?

Een RO membraan verwijdert een groot deel van de opgeloste en zwevende verontreinigingen uit water. Denk bijvoorbeeld aan:

● opgeloste zouten
● calcium en magnesium (waardoor het water zachter wordt)
● zware metalen
● nitraten en sulfaten
● pesticiden
● PFAS
● Medicijnresten
● Bestrijdingsmiddelen
● bacteriën en virussen
● microplastics
● organische stoffen

En zo gaat de lijst nog wel even door en wordt het eigenlijk een aanzienlijke lijst van stoffen welke uit het water worden gezuiverd.

Waarom wordt niet al het toevoerwater gezuiverd?

Tijdens het filtreren hopen opgeloste stoffen zich op aan het oppervlak van het membraan. Dit verschijnsel heet concentratiepolarisatie.

Als die stoffen niet worden afgevoerd neemt de werking van het membraan al snel af. Daarom wordt een deel van het toevoerwater continu langs het membraan geleid en als afvalwater afgevoerd. Deze spoelstroom voert de opgehoopte zouten af en helpt het membraan schoon te houden voor optimale prestatie.

Een schoon membraan presteert beter

Na verloop van tijd kan een membraan vervuild raken. Dat noemen we fouling. De meest voorkomende oorzaken zijn kalkafzetting, organische vervuiling en fijne zwevende deeltjes.

Daarom wordt een osmose apparaat vrijwel altijd voorzien van een goede voorbehandeling. Denk aan sedimentfilters en actief koolfilters. Met de juiste voorbehandeling gaat een RO membraan langer mee en blijft de waterkwaliteit hoog.

Wat zijn de voordelen van een TFC membraan?

Een TFC membraan geeft een goede doorstroomsnelheid in combinatie met een groot vermogen om ongewenste stoffen tegen te houden en zo zeer zuiver water te krijgen.

Waar worden TFC-membranen gebruikt?

TFC-membranen zijn tegenwoordig de standaard in de waterzuivering. Je vindt ze onder andere in installaties voor:

● Drinkwaterproductie
● Aquaria
● Luchtbevochtigers
● Glasbewassing
● De voedingsmiddelenindustrie
● Farmaceutische processen
● Laboratoria
● De halfgeleiderindustrie
● Glastuinbouw
● Ketelvoedingswater
● Ontzilting van brak- en zeewater
● Etc

Wat is de levensduur van een membraan?

Er is geen vaste levensduur voor een membraan doordat dit van meerdere factoren afhankelijk is. Denk hierbij aan waterdruk, watertemperatuur, watersamenstelling, opbouw van het osmoseapparaat zelf, het aantal liter wat gezuiverd wordt en nog veel meer. Als vuistregel wordt gehanteerd dat een membraan preventief elke 2 jaar wordt vervangen. Ga je de zuiverheid van het water meten met een TDS meter en dit vergelijken met de TDS waarde van het ongezuiverde water dan kan met zekerheid bepaald worden of een membraan vervangen moet worden.

Wat moet je nog meer over het membraan weten?

De opbrengst van membranen wordt aangegeven in Gallon Per Day (GPD). 50 GPD komt overeen met 190 liter per dag. Deze opbrengst is gebaseerd op een waterdruk van 4 BAR en een watertemperatuur van 25 graden. Is een van de twee hoger of lager dan heeft dat ook invloed op de opbrengst.

Samenvattend

Een osmose membraan (RO membraan) is veel meer dan een heel fijn filter. Dankzij een slimme combinatie van materiaaltechnologie, druk en natuurkundige principes laat het vrijwel alleen watermoleculen door en houdt het de meeste opgeloste stoffen en andere verontreinigingen tegen. Dat maakt omgekeerde osmose tot een van de meest betrouwbare en efficiënte methoden om water van hoge kwaliteit te produceren.

Juist die combinatie van eenvoud in het principe en geavanceerde membraantechnologie maakt TFC-membranen al jarenlang de standaard voor moderne waterzuivering.