“Een mooie omgeving om de eerste stappen te zetten van theorie naar praktijk”

Een modelstudie heeft laten zien hoe een reactor voor foto-elektrokatalytische oxidatie met behulp van zonlicht eruit zou kunnen zien en hoe efficiënt deze werkt. De techniek is bedoeld om op een innovatieve, duurzame manier organische microverontreinigingen zoals medicijnresten te verwijderen uit afvalwater. Jan Peter van der Hoek van Waternet is positief: “TKI-projecten zijn ervoor bedoeld om techniek, innovatie en markt bij elkaar te brengen. Ik vind het een mooie omgeving om de eerste stappen te zetten van theorie naar praktijk en dat is hier goed gelukt.”

Het onlangs afgeronde TKI-project ‘Foto-elektrokatalyse geavanceerde oxidatie (PEC-AOP) voor verwijdering organische microverontreinigingen uit afvalwater’ komt voort uit een driejarig Europees project, vertelt Van der Hoek, tevens hoogleraar aan TU Delft. “Door promovendus Ali Agha Zeeshan is aan onze universiteit laboratoriumonderzoek uitgevoerd om tot de juiste materialen te komen voor de techniek van foto-elektrokatalyse geavanceerde oxidatie, ofwel PEC-AOP. Het gaat dan met name om de halfgeleider die wordt toegepast in de anode; de elektrode waar de gewenste reacties plaatsvinden. Zodra spanning op de elektrodes wordt gezet, met zonlicht als energiebron, treden aan de oppervlakte van de foto-anode reacties op, waaronder de oxidatie van verbindingen zoals medicijnresten. Uiteindelijk is het doel om alleen maar CO₂ en water over te houden.”

Reactor ontwerpen

Toen uit het promotieonderzoek duidelijk was geworden welke materialen als beste uit de bus kwamen, werd het TKI-project opgezet. Het doel hiervan was om aan de hand van een modelstudie een zo optimaal mogelijke reactor te ontwerpen en te berekenen wat deze kan. Van der Hoek: “Als je de literatuur erop naslaat, kom je bij vergelijkbare processen uit op een verblijftijd van het water van zo’n twee tot drie uur. Dat is voor de praktijk natuurlijk veel te lang, want je hebt dan enorm grote reactoren nodig omdat je het water hier lange tijd in moet laten staan. Daarom wilden we kijken hoe we zo’n reactor kleiner en efficiënter kunnen maken.”

Turbulente stroming

KWR heeft de kennis ingebracht om het benodigde model te ontwikkelen. “We hebben met name gekeken hoe we de stroming van het water kunnen beïnvloeden”, vertelt KWR-onderzoeker Bas Wols. “De bedoeling is om hiermee de reactie aan het oppervlak van de foto-anode te optimaliseren, zodat de stoffen die je kwijt wilt zo goed mogelijk worden afgebroken. Het blijkt dat turbulente stroming het beste werkt. Hierbij krijg je allerlei wervelingen in het water, waardoor de verontreinigingen die je wilt afbreken eerder in de buurt van de anode komen. Maar voor een turbulente stroming heb je wel een hoge stroomsnelheid nodig. Dit betekent dat de medicijnresten ook snel langs de anode voorbijkomen. Onze berekeningen laten zien dat je het water een keer of twintig door de reactor moet laten rondstromen, omdat je anders niet genoeg medicijnresten te pakken krijgt.”

Verblijftijd moet omlaag

Twintig keer recirculeren voor een goed resultaat; dat lijkt vrij veel. Maar Van der Hoek ziet zeker mogelijkheden: “Na één keer recirculeren zie je al een afname in medicijnresten van 5 tot 10 procent. Het model vertelt ons dat je met een verblijftijd van 30 minuten tot een verwijdering kunt komen van 80 procent. Dat is een behoorlijke stap voorwaarts. Vergeleken met bestaande technieken is het nog niet concurrerend genoeg. Daar is de verblijftijd ongeveer 20 minuten, zoals voor actieve kool en ozon. Die verblijftijd moet dus nog omlaag. Daartegenover staat dat PEC-AOP veel energiezuiniger is, omdat het gebruik maakt van gratis zonlicht. En er zijn geen chemicaliën voor nodig. Dat maakt het in principe een duurzame techniek. Bij andere technieken zit het hoge energieverbruik bijvoorbeeld in het feit dat je ozon moet maken. Of dat je actieve kool om de zoveel tijd moet reactiveren. Daar valt veel winst te halen.”

Doorpakken

Van der Hoek begrijpt dat marktpartijen terughoudend zijn. “Het Technology Readiness Level van PEC-AOP ligt nog niet op het niveau om te spreken van een praktijktoepassing”, zegt hij. “En er wordt gewerkt aan een techno-economische evaluatie en een duurzaamheidsanalyse. De uitkomsten daarvan zijn nog niet bekend. Maar een onderzoeksinstelling zoals TU Delft of KWR staat er iets anders in. Wij zeggen: we zijn vanaf scratch begonnen in het lab, en hebben nu een reactor gemodelleerd. Laten we nu doorpakken. Natuurlijk, er zijn nog wel stappen nodig. Maar het zou mooi zijn om op grond van de huidige resultaten daadwerkelijk een experimentele reactor te bouwen. We kunnen beginnen op een kleine schaal, want de reactor is modulair en valt later op te schalen.” Van der Hoek vertelt dat  gesprekken met waterschappen gaande zijn, maar er zijn nog geen concrete plannen. Met zo’n pilot plant is zomaar een miljoen euro gemoeid. Van der Hoek: “Bij Waternet nemen we de projectresultaten mee in het evalueren van de technieken die in de komende periode bij ons moeten worden geïnstalleerd. In principe zou PEC-AOP een kans kunnen maken, maar we moeten natuurlijk wel afwegingen maken op grond van bepaalde criteria en in vergelijking met andere technieken. Er is nog weinig ervaring met PEC-AOP, dat is een nadeel omdat er ook technieken zijn die we al goed kennen. Daarom vind ik het lastig om in te schatten wat er gaat gebeuren.”

Uitdagingen

Nu met de herziening van de Europese Richtlijn Stedelijk Afvalwater de lat voor het verwijderen van organische microverontreinigingen aanzienlijk hoger ligt dan voorheen, zou PEC-AOP een mogelijke kans hebben. Wat Van der Hoek betreft, liggen er nog twee grote uitdagingen. Zoals hij eerder aangaf, moet het reactorontwerp dat er nu ligt in de praktijk worden getest. Daarnaast moet de techniek worden onderworpen aan een evaluatie die voor alle innovatieve technieken op dit gebied geldt. Hiertoe is door STOWA en het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat een speciaal programma opgezet: IPMV (Innovatieprogramma Microverontreinigingen). “In dit programma zijn alle technieken geëvalueerd op basis van drie aspecten”, licht Van der Hoek toe. “Dat zijn: CO2-footprint, verwijderingsrendement en kosten. Ik verwacht dat PEC-AOP in CO2-footprint zeer goed zal scoren, want we werken met zonne-energie. En met een verwijderingsrendement van 80 procent gaan we ook de goede kant op. Het is alleen spannend hoe het met de kosten zit, want het is geen standaardreactor. Daar liggen nog wel wat vraagtekens. De meerwaarde van dit TKI-onderzoek is dat antwoord is gegeven op de vraag hoe een full-scale PEC-AOP installatie eruit kan komen te zien. Nu kunnen we volgende stappen maken.”

Samenwerkingspartners

Het project ‘Ontwikkeling van foto-elektrokatalyse geavanceerde oxidatie (PEC-AOP) voor de verwijdering van organische microverontreinigingen uit afvalwater’ kwam tot stand met de volgende samenwerkingspartners: KWR, Nijhuis Industries, TU Delft en Waternet.