Elektrodialyse

Hij was nog maar een jonge man! Student aan een HBO-opleiding, met een breed vakkenpakket. Zijn studie vorderde flink, maar er moest eerst nog wel een half jaartje stage worden gelopen. Zijn voorkeur ging uit naar een zuivelbedrijf. Een groot zuivelbedrijf, met een goed functionerende en omvangrijke research-afdeling. Voor het research-werk had hij niet de juiste achtergrond. Dat besefte hij wel! Maar het proces dat leidt tot het ontwikkelen van nieuwe producten en tot nieuwe productietechnieken, boeide hem. En nu kon hij er mogelijk een glimp van opvangen. Hij kreeg een stage op de afdeling: "weiontzouting".

Wei is een vloeibaar afvalproduct dat bij de kaasbereiding vrijkomt. In vroeger tijden werd dit product gewoon op het oppervlaktewater geloosd. Maar dat was zeer bezwaarlijk! Namelijk vanwege de zeer ongewenste eutrofiëring van het oppervlaktewater, welke daar een gevolg van is. En het dumpen van wei is bovendien een kwalijke zaak, omdat het nog veel waardevolle stoffen bevat waarvan voor de voeding van mens en dier gebruik kan worden gemaakt. Maar het grote probleem daarbij is dat in wei eveneens een relatief hoog percentage van een aantal verschillende zouten vóórkomt. En dat belemmert het gebruik van wei voor de voeding in ernstige mate. Voordat wei voor de voeding van waarde kan zijn, zal het dus eerst drastisch moeten worden gedemineraliseerd.

Er zal dan ook een proces van dialyse in gang moeten worden gezet om dit te kunnen realiseren. Dit nu blijkt onder andere mogelijk te zijn, door gebruik te maken van daarvoor geschikte semi-permeabele membranen. En door het realiseren van een potentiaalverschil aan weerszijden van die membranen in de vloeistof welke moet worden gedemineraliseerd (het diluaat). Het beoogde potentiaalverschil moet met elektrische energie worden opgewekt. Vandaar de naam elektrodialyse voor dit proces. De betreffende membranen moeten onder invloed van het elektrische potentiaalverschil ieder voor zich de eigenschap hebben preferent anionen, dan wel kationen, door te laten. De anion-permeabele membranen laten dan de anionen door in de richting van de anode. En de kation-permeabele membranen laten dan de kationen door in de richting van de kathode.

"Maar is er een markt voor gedemineraliseerde wei?", zult u mogelijk vragen. "En kunnen daarmee de kosten worden terugverdiend die er in moeten worden geïnvesteerd?" Ja, zeker wel! Want dit product is onder andere zeer geschikt voor het maken van babymelkpoeder. Een product dus waaraan in de hele wereld behoefte is. En jonge moeders die van kunstvoeding afhankelijk zijn, zullen kosten nog moeite sparen om dat te kunnen aanschaffen. Dat gegeven was voor onze jonge student meteen duidelijk.

Maar het was hem ook meteen duidelijk dat er door middel van elektrodialyse eveneens vele andere technologische problemen zouden kunnen worden opgelost. Aan een aantal van die oplossingen werd op dat moment zelfs al gewerkt. Eén van de oplossingen die onze jonge student onder andere voor zich zag, was het ontzouten van brak water. En brak water, wat niet voor consumptie geschikt is, is er helaas maar al teveel in de wereld. Om met behulp van het proces van elektrodialyse van een aanmerkelijke hoeveelheid brak water zoet water te maken, is er echter behoefte aan een goedkope bron van energieopwekking. In ons zuidelijk werelddeel is dat door de vele zonneschijn vaak ruimschoots voorhanden. En juist dáár is ook vaak een groot gebrek aan zoet water. Niet zo gek dus dat onze jonge student mogelijkheden zag om elektrodialyse te gaan inzetten voor het oplossen van één van de grote wereldproblemen, namelijk het gebrek aan geschikt drinkwater.

Van studenten wordt doorgaans verwacht dat zij van hun stage een verslag maken. Een verslag van hun stage waaruit duidelijk blijkt dat zij voldoende kennis en inzicht hebben in de achtergrond van de processen waarmee zij tijdens hun stage in aanraking zijn gekomen. Voor onze jonge student was dat geen probleem, schrijven was nu eenmaal zijn lust en zijn leven. En het werd dan ook een uitvoerig verslag. Een verslag, niet alleen over het productieproces zelf, maar eveneens over de problematiek die ermee gepaard gaat. Ook een kostenberekening; een berekening van de opbrengsten en een berekening van de winst die er met dit alles zou kunnen worden behaald, werden door hem aan het verslag toegevoegd. Bovendien beschreef hij de analyses van de eindproducten die er zoal met gedemineraliseerde wei(poeder) bij het bedrijf werden gemaakt. En hij vergeleek die producten ook nog eens met de alternatieven die er voor die producten op de markt waren.

Maar waar hij zich in dat verslag vooral ook mee bezig hield, waren de mogelijkheden die er waren om, met behulp van allerhande verschillende soorten membranen, de meest interessante oplossingen te vinden voor productieproblemen. Vooral voor productieproblemen op het gebied van de procestechnologie kon een aantal opzienbarende oplossingen naar worden aangedragen. Zoals:

• MEMBRAANPERMEATIE.
Als men vloeibare voedingsmiddelen wil gaan concentreren, kan het water met dit proces van membraanpermeatie uit die voedingsmiddelen worden geëxtraheerd zonder bijvoorbeeld verlies van meel; olie en/of vluchtige stoffen. Bij dit proces bewerkt hitte een vloeistof, die gescheiden door een membraan een vacuum aan de andere kant heeft.
• ULTRAFILTRATIE.
Als er met name opgeloste stoffen met een hoog moleculaire massa in een vloeistof dienen achter te blijven, is het toepassen van een proces van ultrafiltratie een goede techniek. Hierbij moet men bijvoorbeeld denken aan de scheiding van melksuiker en melkeiwit in wei en in tapmelk; of aan diverse problemen bij de rioolwaterzuivering, of aan problemen bij de bewerking van suikeroplossingen. Bij het proces van ultrafiltratie wordt vloeistof door een hydraulisch persapparaat door een semi-permeabele membraan heen gedrukt.
• VERSWATERVOORZIENING.
Met de term "vers water" duidt men schoon water aan. Dat wil zeggen: water wat zonder meer geschikt is voor menselijke consumptie. Water wat niet geschikt is voor menselijke consumptie is er in de meeste landen in overvloed. Wij gaven eerder al aan dat elektrodialyse een oplossing voor dit probleem zou kunnen zijn. Bij dat proces zou het echter wel gunstig zijn als men membranen zou kunnen maken die bij betrekkelijk hoge temperturen goed zouden kunnen functioneren. Hoe hoger namelijk de temperatuur van het te zuiveren water is, hoe lager de elektrische weerstand ervan is. Dat bevordert de efficiëntie van het proces.
• WATERZUIVERING.
In grote tegenstelling tot bij verswatervoorziening (zie het vorige item) gaat het bij waterzuivering niet om water geschikt te maken voor menselijke consumptie. Maar om afvalwater (rioolwater) te zuiveren van organische en chemische afvalstoffen. En wel in zoverre dat het biologische leven in het oppervlaktewater geen hinder zal ondervinden van het lozen van dit gezuiverde afvalwater. In afvalwater bevindt zich vaak wel 30 à 40 ppm ammonia en het nitraatgehalte is vaak nog hoger. Membranen kunnen daar bij van pas komen. Ook bij de verwijdering van medicijnresten en hormonen uit het afvalwater zouden membranen allicht van pas kunnen komen.
• LUCHTZUIVERING.
Met behulp van elektrodialyse kan men verder ieder zuur of basisch gas gaan zuiveren. En men kan er bijvoorbeeld ook het gehalte aan CO₂ in de lucht mee gaan verlagen. Vooral in onderzeeboten kan dat goed van pas komen.

Onze jonge student schreef het uitvoerige verslag van zijn stage handmatig. In die tijd waren er nog geen computers voor tekstverwerking beschikbaar. Typen had hij niet geleerd!... En het was een dik verslag!...Bovendien, hij moest zich nu toch eindelijk ook weer eens op zijn studie gaan storten. Binnen het bedrijf wilde men echter toch graag dat het hele verslag keurig werd uitgetypt. Men zag blijkbaar het grote belang van dit verslag in. Dus bood men hem aan om het volledige verslag in de speciale typekamer van het bedrijf te laten uittypen; te laten kopiëren en het in meerdere exemplaren te laten inbinden.

Opmerkelijk snel kreeg hij een tijdje daarna enkele exemplaren van het keurig uitgetypte verslag aangeleverd. Hij was trots op het resultaat! En op de school waar hij zijn HBO-opleiding volgde, werd het bijzonder goed gewaardeerd. Verschillende van zijn medestudenten hadden er ook belangstelling voor. En al gauw bleek het ook op andere HBO-opleidingen te circuleren. Zelfs jaren nadat het verslag geschreven was, bleek er nog grote belangstelling voor te zijn. Met name op de Hogere Technische School en de Hogere Technologische School was de belangstelling voor dit verslag groot. Onze jonge student liet dit maar gebeuren. Hij had ondertussen een heel ander doel in zijn leven gekregen. Uiteindelijk had hij toch maar gekozen voor een beroep waar hij echt verstand van meende te hebben. Als andere afgestudeerde studenten iets met de in zijn verslag aangedragen ideeën wilden gaan doen, dan was dat hem prima. Hij wilde zich nu zelf, voor de rest van zijn werkzame leven, gaan inzetten voor het bestrijden van het probleem van de honger in de wereld.

Toch twijfelde onze ondertussen afgestudeerde nieuwbakken ingenieur nog wel eens aan de wijsheid van zijn, in de vorige alinia vermelde beslissing. Want uit nieuwsberichten in de Leeuwarder Courant viel al spoedig op te maken dat sommige afgestudeerde studenten zijn verslag niet alleen hadden gelezen, maar ook dat zij er veel furore mee maakten. Zij hadden ondertussen voor het doorontwikkelen van de in hun opborrelende ideeën zelfs een speciale instelling opgericht waarin men al de mogelijkheden in georganiseerd verband verder uit kon werken. En die instelling had van hen de naam: "Wetsus" gekregen. Met deze instelling trokken zij veel aandacht van beleidspersonen uit de wereld van de techniek en de technologie. Maar ook van het bestuur van de Leeuwarder gemeente en van het bestuur van de provincie Friesland. De jonge, pas afgestudeerde studenten, lieten zich nu betitelen als watertechnologen. De zuiveltechnologie, waarin zij over het algemeen waren opgeleid, lieten zij vanaf dat moment achter zich. Want, geheel terecht, hadden zij ingezien dat er op het gebied van de watertechnologie een wereld aan nieuwe ontwikkelingen voor hen open lag.

Onze jonge watertechnologen schroomden ondertussen niet om flink de publiciteit op te zoeken. Wat dat betreft was hun aanpak geheel a-typisch aan de normale aanpak van uitvinders. Uitvinders richten zich immers juist vaak erg eenzijdig alleen op hun uitvinding zelf en duidelijk niet op het in de markt zetten van hun uitvinding. Door deze tactische aanpak waren deze watertechnologen in staat om erg veel financiële ondersteuning naar zich toe te trekken. Grote subsidiebedragen stroomden richting hun instelling. Voor de stad Leeuwarden en voor de provincie Friesland legden zij daarmee geen windeieren. Want met Wetsus had men niet alleen de mogelijkheid om werkgelegenheid van hoog technologisch niveau in deze regio te behouden, maar ook om die betreffende werkgelegenheid er naar toe te trekken. De spin-off van Wetsus werd steeds groter. In het voorjaar van het jaar 2014 was er een opvallend aantal van in totaal 23 zelfstandige bedrijven ontstaan uit Wetsus. En in diezelfde periode waren er in totaal 95 internationale bedrijven en 19 universiteiten, in samenwerking met Wetsus, betrokken bij het vinden van innovaties op het gebied van de behandeling van water.

In het jaar 2008 werd onder auspiciën van Wetsus overgegaan tot het oprichten van een academie. Voor die academie had men voor een drietal Nederlandse universiteiten de formele erkenning van het ministerie van OCW ontvangen tot het geven van masteronderwijs. En men koos, vanwege het internationale karakter van deze academie, voor de Engelstalige naam: "Wetsus Academy". Vanaf die tijd kan men nu dus in Leeuwarden academisch gericht onderwijs volgen in de watertechnologie. Om de samenwerking te bevorderen tussen veel van de bedrijven, kennisinstituten en onderwijsinstellingen, die zich op de watertechnologie zijn gaan richten, was er in Leeuwarden al gauw behoefte aan een vorm van samenbundeling van de activiteiten op één vaste locatie. Om dat idee vorm te geven werd op zeker moment het concept van een campus aantrekkelijk geacht. En uiteindelijk heeft dat dan nu geleid tot de aanwezigheid van een toonaangevend, nieuw gebouw in het groene hart van Leeuwarden. Een groot, en van binnen ruim opgezet gebouw, dat alle voorzieningen biedt om innovatie op het gebied van de watertechnologie mogelijk te maken.

Onze voorheen zo jonge, hierboven aangehaalde, student had in zijn leven dus energie gestort in het oplossen van twee grote levensproblemen. Namelijk het grote gebrek aan voor de mensheid geschikt drinkwater. En het steeds nijpender gebrek aan voedsel voor de vele mensen op aarde. Voor het voortbestaan van de mensen op aarde zijn dit twee zeer essentiële basisvoorwaarden. Maar zo langzamerhand realiseerde hij zich steeds meer, dat er ook een groot luxe-probleem voor de mensheid aanwezig was. Een luxe-probleem, dat veel meer mensen zo langzamerhand scherp in het vizier kregen. Dat was het gegeven dat de elektriciteit, die voor een behaaglijk leven van de mensen een voorwaarde was geworden, vrijwel alleen steunde op de aardolie die slechts in een zeer beperkt aantal landen op aarde in voldoende hoeveelheden kon worden gewonnen. Voor het voorziene, toekomstige tekort aan aardolie moest een oplossing worden gezocht. De mensheid had nog wel even tijd, dat realiseerde hij zich ook wel, want er waren nog flinke, te winnen hoeveelheden aardolie beschikbaar in de bodem van de aardolieproducerende landen. Maar van de andere kant: er kon op zeer korte termijn ook een groot tekort aan aardolie ontstaan door eventuele strategische beleidsbeslissingen door de regering van de desbetreffende olieproducerende landen.

Om die redenen was het voor de bovengenoemde, voorheen zo jonge student, een geweldige eye-opener te vernemen dat er door middel van omgekeerde elektrodialyse energie uit water gewonnen kon worden. Als er namelijk in twee, van elkaar gescheiden watermassa's, een verschil in zoutconcentratie bestaat, komt er bij menging van het water energie vrij. En die energie is vervolgens goed te gebruiken voor het opwekken van elektriciteit. Het is vervolgens de grote verdienste van Wetsus geweest om met dit idee in de praktijk aan de slag te gaan. Eerst natuurlijk op laboratorium-schaal, waarbij men op die betreffende energie al gauw een molentje wist te laten draaien. En later, in de buurt van Harlingen, de praktische opstelling van een heuse energiecentrale. Weliswaar voorlopig nog een zeer kleine energiecentrale. Maar de praktische problemen voor het maken van een energiecentrale op het principe van de omgekeerde elektrodialyse, konden daarmee voorlopig wel worden opgelost. De zogenaamde "blauwe energie", die in potentie in zulke watermassa's ligt opgeslagen, bleek dus ook in de praktijk te kunnen worden gewonnen.

In principe kon men nu overgaan tot het bouwen van een grote elektriciteitscentrale. Maar er moest daarvoor eerst nog wel een flink aantal praktische problemen worden opgelost. Zoals de vervuiling van de membranen bij het toepassen van de elektrodialyse-techniek bij (licht) vervuild water. En bovendien: men had vanzelfsprekend ook de grote behoefte om eerst veel meer zicht te krijgen in de kosten en de baten van een dergelijke groot opgezette energiecentrale. Het bouwen van een echte, grote energiecentrale is extreem duur. Als men dan ook tijdens de bouw tegen problemen aan zou lopen die de verdere uitbouw van de energiecentrale zouden belemmeren, zou dat een gigantische financiële strop kunnen betekenen. Men koos er daarom voorzichtigheidshalve voor om in eerste instantie voor een tussenvorm te kiezen tussen de kleine energiecentrale bij Harlingen en een echte, grote energiecentrale zoals men die tegenwoordig gewoon is te bouwen.

De energiecentrale waarin dit concept van een tussenvorm tussen een kleine en een grote energiecentrale vorm zou kunnen krijgen, had men gedacht te realiseren op het voormalige werkeiland van de Afsluitdijk. Namelijk bij Breezanddijk, vlakbij de Friese kust. Men koos voor deze locatie op de Afsluitdijk omdat daar ruimte aanwezig was om een dergelijk energiecentrale te bouwen en omdat de Afsluitdijk twee relatief grote watermassa's scheidt, met een relevant verschil in zoutconcentratie. Na jaren van bouw en ontwikkeling werd die centrale uiteindelijk op 26 november 2014 in gebruik genomen. En men meende vervolgens een drietal jaren nodig te hebben om de werking van die energiecentrale goed te kunnen analyseren. Pas wanneer die fase eenmaal naar alle tevredenheid is doorlopen en pas wanneer er geen onoverkomelijke moeilijkheden meer aanwezig zijn voor het bouwen van die grote energiecentrale, zal een verantwoord besluit kunnen worden genomen over de bouw van een grote energiecentrale. Het mag duidelijk zijn, dat wanneer de opzet slaagt en er werkelijk een grote, goed werkende elektriciteitscentrale zou kunnen worden gebouwd, er fantastische exportkansen met dit concept van een energiecentrale opdoemen voor het Nederlandse bedrijfsleven. Overal in het buitenland waar zoet water en zout water dicht bij elkaar in de buurt komen (zoals bij de meeste rivierdelta) kan dit concept van een energiecentrale op het principe van omgekeerde elektrodialyse dan worden gerealiseerd.

Verschillende andere mogelijkheden voor ontzouting van zoute vloeistoffen kunt u vinden door op deze link te klikken.