Recycling plastic waste to purify water

Jan Fockedey
Water zuiveren met plastic afvalWatertekort is één van de belangrijkste wereldproblemen. Een veelbelovende oplossing is het zuiveren en direct hergebruiken van afvalwater. Membraanfiltratie is hiervoor een uitstekende techniek, maar de kostprijs van de membranen is nog te hoog om de techniek op grote schaal toe te passen. Dit thesisonderzoek stelt een technologisch vernieuwende oplossing voor: de ontwikkeling van goedkopere, ecologische membranen door ze te produceren uit … plastic afval.We’ve become a plastic societyPlastic is niet meer weg te denken uit deze wereld.

Recycling plastic waste to purify water

Water zuiveren met plastic afval

Watertekort is één van de belangrijkste wereldproblemen. Een veelbelovende oplossing is het zuiveren en direct hergebruiken van afvalwater. Membraanfiltratie is hiervoor een uitstekende techniek, maar de kostprijs van de membranen is nog te hoog om de techniek op grote schaal toe te passen.

Dit thesisonderzoek stelt een technologisch vernieuwende oplossing voor: de ontwikkeling van goedkopere, ecologische membranen door ze te produceren uit … plastic afval.

We’ve become a plastic society

Plastic is niet meer weg te denken uit deze wereld. Kijk maar even om u heen: het beeldscherm waarnaar u kijkt, de balpen waarmee u notities neemt, de GSM die naast u ligt, … alles is doordrongen van plastic. Het succes van plastic is te danken aan een aantal belangrijke troeven, zoals een lange levensduur en lage kostprijs. Maar net deze troeven maken plastic afval zo problematisch: de lange levensduur zorgt ervoor dat plastic afval lang in het milieu circuleert, de lage kost ontmoedigt recyclage.

Gevolg: een opeenstapeling van plastic afval, op land en in zee. Veel afval wordt geëxporteerd naar derdewereldlanden en daar gedumpt of verbrand, vaak met giftige uitlaatgassen als gevolg. De ‘plasticsoep’ in de Stille Oceaan is ondertussen gegroeid tot een gebied twee keer zo groot als Frankrijk. Om deze problemen op te lossen, is recyclage van plastic cruciaal. Plastic afval moet vaker gebruikt worden als grondstof voor nieuwe toepassingen.

Eén op de drie landen kampt binnen tien jaar met watertekort (Verenigde Naties, 2013)

“Het zal wel zo’n vaart niet lopen”, denkt u misschien. Niets is minder waar: in sommige regio’s is deze onheilspellende profetie nu al realiteit. Rond Peking zijn graanproducerende gebieden van weleer gereduceerd tot uitgedroogde vlaktes. Ook Californië (VS), Australië, Colombia, Guatemala, Kenia, Pakistan en Somalië kampen vandaag met watertekort.

Afvalwater zuiveren en direct hergebruiken biedt een oplossing voor dit probleem. Industrieën die veel water verbruiken moeten gestimuleerd worden om hun afvalwater zelf te behandelen en intern te recycleren, zodat ze netto geen grondwater meer oppompen. Maar om bedrijven te kunnen overtuigen dit te implementeren, zijn nieuwe technologieën nodig die afvalwater zuiveren op een kostefficiënte manier.

Membranen: technologisch goed, maar te duur

Een opkomende technologie voor waterzuivering is membraantechnologie. Een membraan kan je vergelijken met een koffiefilter: het is een dunne plastic folie met kleine gaatjes of poriën. De koffie kan door de filtergaatjes passeren, terwijl de gemalen koffiebonen achterblijven omdat ze groter zijn dan de filtergaatjes. Het verschil is dat de poriën in een membraan veel kleiner zijn dan de gaatjes in een koffiefilter.

In dit thesisonderzoek zijn membranen gemaakt met poriën met een diameter kleiner dan 10 nanometer, meer dan duizend keer dunner dan de dikte van een menselijk haar. Deze membranen kunnen bacteriën en virussen verwijderen uit afvalwater.

Membraantechnologie is innovatief omdat het minder chemicaliën en minder energie verbruikt dan de conventionele waterzuiveringsprocessen. Dat de technologie nog niet volledig is doorgebroken in de industrie, komt door de te hoge kostprijs van de huidige membranen.

Membranen uit plastic afval: drie vliegen in één klap

De drie voorgaande problemen – plastic afval, watertekort en te dure membranen – worden samen aangepakt in dit thesisonderzoek: kunnen we membranen produceren uit plastic afval, en zo goedkopere en ecologische membranen ontwikkelen? Indien het antwoord positief is, betekent dit een significante vooruitgang voor elk van de drie problemen:

  • de plastic afvalberg verkleint omdat we op grote schaal membranen maken uit plastic afval;
  • membranen worden gevoelig goedkoper want plastic afval is heel goedkoop;
  • het watertekort vermindert want goedkope membranen zorgen op hun beurt voor goedkopere zuivering van afvalwater.

In het licht van deze doelstelling, is het onderzoek opgesplitst in drie concrete onderzoeksvragen:

Vraag 1: kunnen membranen gemaakt worden van plastic afval?

Het antwoord is ja.In het onderzoek zijn verschillende soorten huishoudelijk plastic afval gebruikt om membranen te produceren. Drie soorten afval (bijvoorbeeld plastic wegwerpbordjes) komen in aanmerking voor de productie van kwaliteitsvolle membranen. Productie van membranen uit plastic afval is dus fundamenteel mogelijk.

Vraag 2: kunnen de membranen gebruikt worden op grote schaal?

Het antwoord is ja.Vandaag worden membranen uit zuiver plastic geproduceerd. Plastic afval gebruiken in plaats van zuiver plastic heeft een tiental consequenties voor de productie van membranen op grote schaal, maar deze problemen zijn opgelost in dit thesisonderzoek.

Een voorbeeld: de kwaliteit van huishoudelijk plastic afval. De compositie van dit afval kan sterk variëren, er kunnen voedselresten aanwezig zijn, en er kan foutief gesorteerd zijn. Al deze factoren kunnen leiden tot een lagere of variabele kwaliteit van membranen geproduceerd uit huishoudelijk afval. De oplossing voor dit probleem is het gebruik van plastic productieafval van fabrieken. Bijvoorbeeld plastic potjes die afgekeurd zijn omdat ze net iets te veel wegen of net iets te hoog zijn. Dit soort afval is overvloedig beschikbaar, het plastic is van goede kwaliteit, én het is een heel homogene bron van steeds dezelfde soort plastic. Op deze manier hebben de membranen steeds dezelfde kwaliteit.

Vraag 3: zijn de membranen competitief voor industriële toepassingen?

Het antwoord is ja, zowel op vlak van kwaliteit als kostprijs.Kwaliteit. Vier soorten industrieel plastic afval leveren membranen met even goede testresultaten als de commerciële membranen gemaakt uit zuiver plastic. De membranen werken vooral goed voor ultrafiltratie, waarbij onder andere bacteriën en virussen uit afvalwater worden gefilterd.

Kostprijs. De belangrijkste grondstof voor de membranen is het plastic zelf. Plastic afval is natuurlijk een stuk goedkoper dan zuiver plastic. Zuiver plastic vervangen door plastic afval leidt tot een kostenverlaging van de membranen met minstens 30%.

Besluit: water kan (moet) gezuiverd worden met plastic afval!

Waterzuiveringsmembranen kunnen gemaakt worden uit plastic afval. Meer nog, deze membranen zijn technisch evenwaardig, zijn minstens 30% goedkoper en kunnen op grote schaal geproduceerd worden.

Membranen van plastic afval kunnen zowel het probleem van het watertekort als dat van de plastic afvalberg op een duurzame manier aanpakken. Waar wachten we nog op?

Bibliografie

[1] Synder Filtration, “Membrane Technology.” [Online]. Available: synderfiltration.com/products/membrane-technology/

[2] Sulzer, “Membrane separation in aqueous environment.” [Online]. Available: http://www.sulzer.com/en/Products-and-Services/Separation-Technology/Me…

[3] M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology. Enschede: Academic Press, 2000.

[4] C. Barth, M. Gonçalves, A. Pires, J. Roeder, and B.Wolf, “Asymmetric polysulfone and polyethersulfone membranes: Effects of thermodynamic conditions during formation on their performance,” Journal of Membrane Science, vol. 169, no. 2, pp. 287–299, 2000.

[5] K. Boussu, C. Vandecasteele, and B. Van der Bruggen, “Study of the characteristics and the performance of self-made nanoporous polyethersulfone membranes,” Polymer, vol. 47, no. 10, pp. 3464–3476, 2006.

[6] J. Lonsdale, “Annex A: Water treatment & Monitoring,” in Detailed assessment of the market potential and demand for, an EU ETV scheme. European Policy Evaluation Consortium (EPEC), 2011, pp. 4–41.

[7] M. W. Rosegrant, X. Cai, and S. A. Cline, Global Water Outlook to 2025: Averting an Impending Crisis. Washington, D.C.: International Food Policy Research Institute, 2002.

[8] W. J. Cosgrove, Water Security and Peace: a Synthesis of Studies Prepared under the PCCP - Water for Peace Process. UNESCO - Green Cross International, 2003.

[9] OECD, Infrastructure to 2030: volume 2: Mapping Policy for Electricity, Water and Transport, Paris, 2007.

[10] B. Van der Bruggen, Water Technology. Leuven: Acco, 2013.

[11] “Grand new canals - China’s water crisis,” The Economist, pp. 14, 51–52.

[12] M. Koba, “The High Cost of Droughts Around the World,” The Fiscal Times, Sep. 2014. [Online]. Available: http://www.thefiscaltimes.com/Articles/2014/09/05/High-Cost-Droughts-Ar…

[13] B. Van Der Bruggen, C. Vandecasteele, T. Van Gestel, W. Doyen, and R. Leysen, “A review of pressure-driven membrane processes in wastewater treatment and drinking water production,” Environmental Progress, vol. 22, no. 1, pp. 46–56, 2003.

[14] European Commision, Green paper: on a European strategy on plastic waste in the Environment, Brussels, 2013.

[15] A. C. Rogero, Project converting waste plastic into fuel. United Nations Environment Programme, 2012. [Online]. Available: http://www.unep.org/ietc/ourwork/wastemanagement/projects/wasteplastics…

[16] European Commission Environment, “Plastic Waste.” [Online]. Available: http://ec.europa.eu/environment/waste/plastic_waste.htm

[17] S. Weinstein, “Main ingredient in "Marine Soup": Eliminating plastic bag pollution through consumer disincentive,” California Western International Law Journal, vol. 40, pp. 291–321, 2010.

[18] N. Saikia and J. De Brito, “Use of plastic waste as aggregate in cement mortar and concrete preparation: A review,” Construction and Building Materials, vol. 34, pp. 385–401, 2012.

[19] C. M. Rochman, M. A. Browne, B. S. Halpern, B. T. Hentschel, E. Hoh, H. K. Karapanagioti, L. M. Rios-Mendoza, H. Takada, S. Teh, and R. C. Thompson, “Classify plastic waste as hazardous,” Nature, vol. 494, pp. 169–171, 2013.

[20] K. D. Klika, “Waste plastic and pharmaceuticals, could an integrated solution help?” Environmental Science and Technology, vol. 47, no. 18, pp. 10 111–10 112, 2013.

[21] M. Gross, “Plastic waste is all at sea,” Current Biology, vol. 23, no. 4, pp. 135–137, 2013.

[22] B. Van der Bruggen, Advanced Separation Processes course text. KU Leuven, 2013.

[23] M. Peter-Varbanets, C. Zurbrügg, C. Swartz, and W. Pronk, “Decentralized systems for potable water and the potential of membrane technology,” Water Research, vol. 43, no. 2, pp. 245–265, 2009.

[24] H. Lonsdale, “The growth of membrane technology,” Journal of Membrane Science, vol. 10, no. 2-3, pp. 81–181, 1982.

[25] H. Strathmann, “Membrane separation processes: Current relevance and future opportunities,” AIChE Journal, vol. 47, no. 5, pp. 1077–1087, 2001.

[26] X. Zheng, M. Yu, H. Liang, L. Qi, H. Zheng, H. Exler, W. Schier, and F.-B. Frechen, “Membrane technology for municipal drinking water plants in China: progress and prospect,” Desalination and Water Treatment, vol. 49, pp. 281–295, 2012.

[27] G. Pearce, “Introduction to membranes: Water and wastewater - RO pre-treatment,” Filtration+Separation, pp. 28–31, 2007.

[28] P. van de Witte, P. J. Dijkstra, J. A. van den Berg, and J. Feijen, “Phase separation processes in polymer solutions in relation to membrane formation,” Journal of Membrane Science, vol. 117, no. 1-2, pp. 1–31, 1996.

[29] K. Guerra and J. Pellegrino, “Development of a Techno-Economic Model to Compare Ceramic and Polymeric Membranes,” Separation Science and Technology, vol. 48, no. 1, pp. 51–65, 2013.

[30] P. Menut, Y. S. Su, W. Chinpa, C. Pochat-Bohatier, A. Deratani, D. M. Wang, P. Huguet, C. Y. Kuo, J. Y. Lai, and C. Dupuy, “A top surface liquid layer during membrane formation using vapor-induced phase separation (VIPS) - Evidence and mechanism of formation,” Journal of Membrane Science, vol. 310, no. 1-2, pp. 278–288, 2008.

[31] N. Riyasudheen and A. Sujith, “Formation behavior and performance studies of poly(ethylene-co-vinyl alcohol)/poly(vinyl pyrrolidone) blend membranes prepared by non-solvent induced phase inversion method,” Desalination, vol. 294, pp. 17–24, 2012.

[32] Y. Liu, G. H. Koops, and H. Strathmann, “Characterization of morphology controlled polyethersulfone hollow fiber membranes by the addition of polyethylene glycol to the dope and bore liquid solution,” Journal of Membrane Science, vol. 223, no. 1-2, pp. 187–199, 2003.

[33] I. C. Kim, H. G. Yoon, and K. H. Lee, “Formation of integrally skinned asymmetric polyetherimide nanofiltration membranes by phase inversion process,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 84, no. 6, pp. 1300–1307, 2002.

[34] A. Idris, N. Mat Zain, and M. Y. Noordin, “Synthesis, characterization and performance of asymmetric polyethersulfone (PES) ultrafiltration membranes with polyethylene glycol of different molecular weights as additives,” Desalination, vol. 207, no. 1-3, pp. 324–339, 2007.

[35] S. Judd, “Historical perspective: Membranes and Membrane Technology,” in The MBR Book: Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater treatment. Oxford: Elsevier Ltd, 2011, pp. 2–4.

[36] A. C. Sun, W. Kosar, Y. Zhang, and X. Feng, “A study of thermodynamics and kinetics pertinent to formation of PVDF membranes by phase inversion,” Desalination, vol. 309, pp. 156–164, 2013.

[37] H. Strathmann, K. Kock, P. Amar, and R. Baker, “The formation mechanism of asymmetric membranes,” Desalination, vol. 16, no. 2, pp. 179–203, 1975.

[38] Q. Huang, D. Paul, and B. Seibig, “Advances in solvent-free manufacturing of polymer membranes,” Desalination, vol. 144, pp. 1–3, 2002.

[39] K. K. W. Wong and B. Van der Bruggen, Production of Potable Water for Small Scale Communities Using Low-Cost Polymer Membrane Filtration. KU Leuven, 2013.

[40] J. Lin, R. Zhang, W. Ye, N. Jullok, A. Sotto, and B. Van der Bruggen, “Nano-WS2 embedded PES membrane with improved fouling and permselectivity,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 396, pp. 120–128, 2013.

[41] U.S. National Library of Medicine, “Malachite Green Oxalate.” [Online]. Available: http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Malachite_Green_Oxalate#sectio…

[42] Sigma Aldrich, “Congo Red,” 2014. [Online]. Available: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/c6767?lang=en&region=…

[43] Plastics Europe - Association of plastics manufacturers, “Expanded Polystyrene (EPS).” [Online]. Available: http://www.plasticseurope.org/what-is-plastic/types-ofplastics-11148/ex…

[44] T. Van Gerven, Resource Recovery and Recycling course text. KU Leuven, 2015.

[45] R. Zhang, J. Vanneste, L. Poelmans, A. Sotto, X. Wang, and B. Van der Bruggen, “Effect of the Manufacturing Conditions on the Structure and Performance of Thin-Film Composite Membranes,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 125, pp. 3755–3769, 2012.

[46] C. A. Smolders, A. J. Reuvers, R. M. Boom, and I. M. Wienk, “Microstructures in phase-inversion membranes. Part 1. Formation of macrovoids,” Journal of Membrane Science, vol. 73, no. 2-3, pp. 259–275, 1992.

[47] The University of Southern Mississippi (Department of Polymer Science), “Differential scanning calorimetry,” 2005. [Online]. Available: http://www.pslc.ws/macrog/dsc.htm

[48] TA Instruments, “Q2000 Differential scanning calorimeter,” 2015. [Online]. Available: http://www.tainstruments.com/product.aspx?siteid=11&id=15&n=1

[49] C. Clasen, Design and Analysis of Polymeric Systems course text, 2014.

[50] R. Welsh, L. Glenna, W. Lacy, and D. Biscotti, “Close enough but not too far: Assessing the effects of university-industry research relationships and the rise of academic capitalism,” Research Policy, vol. 37, no. 10, pp. 1854–1864, 2008.

[51] E. Van Burg, A. G. L. Romme, V. A. Gilsing, and I. M. M. J. Reymen, “Creating university spin-offs: A science-based design perspective,” Journal of Product Innovation Management, vol. 25, no. 2, pp. 114–128, 2008.

[52] The Economist, “Companies and water - Value diluted,” November 8th, p. 61, 2014.

[53] G. F. Molelekwa, M. S. Mukhola, B. Van der Bruggen, and P. Luis, “Preliminary Studies on Membrane Filtration for the Production of Potable Water: A Case of Tshaanda Rural Village in South Africa,” PLoS ONE, vol. 9, no. 8, p. e105057, 2014.

[54] Economic Commission for Africa, Water in Africa - Management options to enhance survival and growth. United Nations, 2006.

[55] N. Powell, “Membrane technology in wastewater treatment: Tertiary membrane filtration (TMF) systems, an economicallly attractive alternative to membrane bioreactors (MBR).” [Online]. Available: http://www.membraneconsultant.com/MBRTertiary_UF_Comparison.pdf

[56] B. R. Barringer and R. D. Ireland, Entrepreneurship - Successfully launching new ventures. New Jersey: Pearson Education, Inc., 2008.

[57] Benelux Office for Intellectual Property, “Wat is een i-DEPOT?” [Online]. Available: https://www.boip.int/wps/portal/site/ideas/what

[58] D. Skok, “Startup Killer: the Cost of Customer Acquisition,” 2009. [Online]. Available: http://www.forentrepreneurs.com/startup-killer/

[59] O. Wallberg, A. Jönsson, and P. Wickström, “Membrane cleaning: a case study in a sulphite pulp mill bleach plant,” Desalination, vol. 3, no. 141, pp. 259–268, 2001.

[60] I. Pinnau, Membranes for Water Treatment : Properties and Characterization. Advanced Membrane Technologies, Stanford University, 2008.

[61] Entrepreneur, “Unique Selling Proposition (USP).” [Online]. Available: http://www.entrepreneur.com/encyclopedia/unique-selling-proposition-usp

[62] Forbes, “Starbucks Revives the Unique Selling Proposition,” 2014. [Online]. Available: http://www.forbes.com/sites/robertpassikoff/2014/04/16/starbucks-revive…

[63] Frank Lynn & Associates, “Market share analysis.” [Online]. Available: http://www.franklynn.com/services/?t=2541&st=3881&sst=432

[64] The Ocean Cleanup, “Crowd funding campaign successfully completed,” 2014. [Online]. Available: http://www.theoceancleanup.com/blog/show/item/crowd-fundingcampaign-suc…

[65] IWT, “KMO-Innovatieprojecten.” [Online]. Available: http://www.iwt.be/subsidies/kmo-innovatie/steun

[66] Technische Universität Braunschweig, “Beer-Lambert Law.” [Online]. Available: http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC4/Kap_I/beerslaw.htm

[67] TA Instruments, “AR 2000ex Rheometer,” 2015. [Online]. Available: http://www.tainstruments.com/product.aspx?id=35&n=1&siteid=11

[68] C. W. Macosko, Rheology: Principles, Measurements and Applications. Wiley-VCH, 1994.

[69] Instituto Nacional de Estadistica, “Labour cost per employee FTE by country.” [Online]. Available: www.ine.es/jaxi/tabla.do?path=/t05/p048/e01/l1/&file=01006.px&type=pcax…

[70] Platts McGraw Hill Financial, “Polymerscan.” [Online]. Available: http://www.platts.com/products/polymerscan

[71] GoLanTec Energietechniek, “Prijs van leidingwater.” [Online]. Available: http://www.golantec.be/prijs van stadswater.htm

[72] Acerta, “Ik wil starten: vennootschap oprichten.” [Online]. Available: http://www.ikwilstarten.be/starten/wat-je-zeker-moet-doen/richt-jevenno…

[73] Rijksinstituut voor de Sociale Verzekeringen der Zelfstandigen (RSVZ), “Wettelijke verplichtingen van vennootschappen.” [Online]. Available: http://rsvzinasti.fgov.be/nl/companies/companycontribution/index.htm

[74] Nationale Bank van België, “Neerleggingskosten voor ondernemingen.” [Online]. Available: https://www.nbb.be/nl/balanscentrale/neerleggen/tarief/neerleggingskost…

Universiteit of Hogeschool
Master of Chemical Engineering
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden