Superkritisch water - Wageningen UR E

PLATFORM
Veeleigenschappen vanwaterinnormale
toestand zijngebaseerd opdeaanwezigheid
vanwaterstofbruggen; doordat H-atomen
interacterenmet meerdereO-atomenbestaat
eenkluwenvanH,0-moleculen diemiddels
dezewaterstofbruggen verbonden zijn.Dit
verklaartdevoorwaterzospecifiekeeigenschappen alshogewarmtecapaciteit,hoog
kookpunt,sterkegeleidbaarheid enhoge
oplosbaarheid voorzouten.
Superkritischwater:naar een
nieuweregeneratiemethode
vanactievekool
Cruciaalishetfeit dat,zodrawaterinde
superkritische fasekomt,de waterstofbruggen
vrijwelgeheelverdwijnen. Eigenlijk wordt
waterdan pasH20,indevormvanindividuele
moleculen.Defysisch/chemische eigenschappen vanSCW zijngespiegeld aandievan
normaal water:
• dediëlectrischeconstanteiseenfractie ten
opzichtevannormaalwater,
• (apolaire)organischestoffen lossenzeer
goed opin SCW
• enanorganischezouten zijn nauwelijks
oplosbaar inSCW.
[os BOERE, NORIT N E D E R L A N D BV
EVERT VAN DEN BERG, NORIT NEDERLAND BV
Ecuinnovatieve, milieuvriendelijke methodevoorregeneratievanactievekooluitdednukwaterztiiveruig isgebaseerdopextractiedoormiddel van superkritisch water. IVaterwordtsuperkritischbij
eentemperatuur van 374C incombinatie meteendrukvan221bar.Defysisch/chemische eigenschappen veranderen daarbij sterk:superkritisch water,gedraaigtzichah een apolairoplosmiddel.
Ah vervohj op succesvolleproevenopkleineschaal,wordtopdit moment^ewerktaan hetopschalen
van de techniek 111ecuindustriële pilot.Alsdeopschaluiqslaaft, biedtdezenieuwetechnick^rote
voordelen tenopzichte van deconventionelethermische reactivatie, namelijk minderenergieverbruik,i'semi-Jmobieleinstallatiesenlagerekosten.
Dagelijks hebbenwetemakenmetwater
inzijn drieverschillendegedaanten:alsvloeistof ijsenstoom.Veelminder bekend isde
vierdestaat waarin water kanvoorkomen:
superkritisch water(deEngelse afkorting
SCW) (zieafbeelding 1). Eenmaal superkritisch
geworden,veranderen deeigenschappenvan
Ajb. 1;
Superkritisch waterleentzichinbeginsel
als eenapolairextractiemiddel(zieafbeelding 2).
Drinkwaterzuivering
Actievekooliseensterkporeus adsorbens
datvoornamelijk uitelementair koolstof
bestaat ineenvormdieenigszins lijktop
grafiet. Hetinterneoppervlakbedraagtvoor
gangbareprodukten indepraktijk tussen500
en 1500m2/g.Indemodernedrinkwaterzuivering,metnamebijoppervlaktewaterals
grondstof,isactievekoolnietmeerwegte
denken,voornamelijk korrelvormigeactieve
waterdrastisch.Inveelopzichten is SCW een
regelrechtetegenpool vanwater inzijn
normalevorm.Ditbiedt mogelijkheden voor
bepaaldetechnologische toepassingen,waaronderregeneratie vanbeladenactievekorrelkooluitdedrinkwaterzuivering.
Fasediagram van water(nietopschaal).
Eigenschappen van water ensuperkritisch water1'.
Afb. 2:
Kritische
temperatuur
Superkritische
fase
ra
Kritisch
punt
-O
-^
3
1.0
3
0.5 - Dichtheid (g/cm )
221
40
" I l| I
lil
II
_
constante
100
Oplosbaarheid
50 - koolwaterstoffen
(gew. %)
0,006
Oplosbaarheid
- anorganische zouten
(gew. %)
0
100
Temperatuur (°C)
H2o
374
•
1
100
200
300
400
Temperatuur (°C)
^ *
500
*•
600
PLATFORM
SCW + b e l a d e n GAC
!
s c h e i d e n v a n SCW e n GAC
SCW +
organische
stoffen
I
afkoelen e n
druk aflaten
Voorbeeldenvankorrelvormyeactievekool:gebroken(links)en^eextrudeerd(rechts).
kool (granular activated carbon ofGAC). GAC
wordt daarbij in vaste filterbedden toegepast
en meestal na een looptijd variërend van één
tot driejaar geregenereerd door middel van
thermische reactivatie.
Thermische reactivatie vindt plaats in
draai- ofetage-ovens bij temperaturen boven
5>oo°C. Degeadsorbeerde organische stof wordt
daarbij gepyrolyseerd en met behulp van
stoom geoxideerd.Afgassen worden behandeld
in een naverbrander en scrubber; degereactiveerde GACgaat weer terug naar het waterwerk. Demeeste drinkwaterbedrijven laten de
GACextern reactiveren op centrale fabrieken;
in een enkel geval - in het buitenland - is
ervoor gekozen op het waterwerk zelfeen reactivatiestation tebouwen. Thermische reactivatie is hiermee de huidige stand van de techniek voor regeneratie en hergebruik van beladen GACuit de drinkwaterzuivering.
Voorbeeldvoneendraaioven,aebruiktvoorthermischereactivatie.
Het basisidee van SCW-regeneratie(SCWR)
van beladen actieve kool berust op het gebruik
maken van superkritisch water als extractiemiddel:geadsorbeerde organische sroffen
worden uit de actieve kool geëxtraheerd.
Nadat vervolgens het superkritisch water is
afgekoeld en de druk isafgelaten, ontstaat een
waterige sterk geconcentreerde oplossing. Dit
waterig extract moet vervolgens verder
worden behandeld (zieafbeelding 3).
Het ontwerp van deextractor is in ontwikkeling.Gestreefd wordt naar een (semi-)continue reactor.
Op kleine schaal (tot 1.5dm; GAC)is de
regeneratie met superkritisch water getest en
succesvolgebleken in termen van herstel van
het adsorptievermogen, behoud van de mechanische sterkte en voldoende volumetrische
opbrengst.
geregenereerde
GAC
1
waterbehandeling
Ajh. 3:
Hetprincipevande regeneratievansuperkritischwatervanbeladenactieve kool.
Op dit moment wordt gewerkt aan het
opschalen van de techniek in een industriële
pilot, waarin batchgewijs kan worden geregenereerd. Hierbij wordt nauw samengewerkt
met een buitenlands ingenieursbureau dat
wereldwijde expertise heeft met superkritische media (SCWen COJ. Belangrijke
aandachtspunten in het onderzoek van de
industriële opschalingzijn onder meer de
kwaliteit van degeregenereerde GAC(adsorptie-eigenschappen, mechanische sterkte),de
energiehuishouding, het regeneratietempo, de
optimale methode om het waterig extract te
behandelen, de materiaalkeuze, de veiligheidsaspecten en de kosten van het proces.
Deontwikkeling van SCWRvormr onderdeelvan een groter project gericht op optimalisatie van GAC-filtratie bij de drinkwarerbereiding. Dit project wordt gesponsord door
Senter en uitgevoerd in een partnership met
Gemeentewaterleidingen Amsterdam, WaterleidingbedrijfMidden-Nederland, Kiwa,
Wageningen Universiteit en deTU Delft2!.
Op het procédéSCWRvan GACzijn in
diverse landen octrooien aangevraagd cq.
verleend.
D e r e g e n e r a t i e van d e t o e k o m s t ?
Gesteld dat deopschaling tot een industrieel proces slaagt, wat zijn dan de voordelen
van SCWRboven conventionele, thermische
reactivatie vanGAC?
•
Deconsumptie van energie (gas en electra)
is naar schatting meer dan 50procent
lager dan bij conventionele reactivatie;
29
PLATFORM
Temperature controller
(E~J
Pressure indicator
Chamber
desorption
Pump
O
O
Oven
refrigerant
Computer
Solution
H,0
.4:
Detector
Exit
'Metering
valve
Regeneratiemetsuperkritisch watervanbeladenactievekoolonderzochtopminischaa!(Universiteitvan
Salamanca).
Integenstelling tot thermische reactivatie
isSCWRinpotentiegeschiktvoormobiele
Eendeelvandepilotinstallatie.
installaties.Ditkangrote transportvoordelenopleveren;dehuidigepraktijk isdat
beladenGACoverafstanden totmeerdan
500kilometer wordtvervoerdomthermischtewordengereactiveerd;
• Gebaseerdopdehuidige inzichten zullen
detotalekosten vanregeneratieentransportingevalvanSCWRlager uitvallen;
• Thermische reactivatiewordt uitgevoerd
invasteinstallatiesdieeenbepaaldeminimum schaalgroottebehoeven (ordegrootte
minimaal 3000mVjaar).Metnamein
geïsoleerdegebieden buiten West-Europa
ontstaat regelmatigeendilemma.Bij
afwezigheid vanregeneratiemogelijkhedenzijn waterwerken huiverigom
grootschaligeGAC-filtersteinstalleren.
Andersomzijn leveranciersnietgeïnteresseerdomeenreactivatiestation tebouwen
bijonvoldoendevraag.MetanderewoordenSCWRheeft als(semi-)mobieletechniekdepotentieomgenoemd dilemmate
doorbreken.
SCWRlijkt hiermeeeennieuweregeneratiemethodevanactievekool,diemetname
geschikt isvoorbeladenGAC uitdedrinkwaterzuivering. «
LITERATUUR
1] J05ephsonJ.{ipSz). Supercriticalfluids. Environ. Sei.
Techncil.16, paß. 548A-551A.
2)
VanderHoekJ.P.[zooo). Combinatievan bedrijvenbegint
3]
BallP.[1999). H20:abioßraphy ofwater.
uitgebreid kooloriderzoek.H.0 nr. 10,paß.7.
30 H 2 0 « 7-2001