Geïntegreerde elektrochemische oxidatie en ontharding: naar schoner en duurzamer drinkwater

Het project ‘Elektrochemische geavanceerde oxidatie gekoppeld aan ontharding in drinkwaterzuivering’ had als doel om een innovatieve elektrochemische behandelingstechniek (eAOP) te onderzoeken voor de efficiënte afbraak van per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) en andere organische microverontreinigingen in water. Deze technologie creëert oxidatieve en reductieve processen door elektrische spanning (zonder externe chemicaliën) en combineert dit met kathodische baseproductie die kan worden ingezet voor waterontharding.

Behaalde impact voor eindgebruikers en bijdrage aan missies

Het onderzoek heeft concrete resultaten opgeleverd die direct relevant zijn voor waterbedrijven en andere gebruikers zoals waterschappen en drinkwaterproducenten:

• Betere verwijdering van OMP’s en PFAS – door in kaart te brengen welke microverontreinigingen effectief kunnen worden afgebroken en welke reactieproducten ontstaan, krijgen waterbedrijven direct toepasbare kennis om de kwaliteit van (drink)water te verbeteren en risico’s te verminderen.
• Technologie met minder chemicaliëngebruik en potentieel lagere kosten – de elektrochemische aanpak benut elektrische energie in plaats van traditionele chemische oxidanten, wat aansluit bij de behoefte aan verduurzaming van zuiveringsprocessen en kostenreductie bij drinkwaterproductie.
• Gebruik van geproduceerde base voor ontharding – door reductieve processen aan de kathode kan gevormde base bijdragen aan het verwijderen van calcium (pellet ontharding), wat extra economische waarde creëert van deze techniek.

Deze resultaten vergroten de technologische mogelijkheden voor Nederlandse waterbedrijven om te voldoen aan strengere waterkwaliteitsnormen en leveren concrete maatschappelijke en economische impact:

• Missie Landbouw, Water en Voedsel: het project draagt direct bij aan het verbeteren van waterkwaliteit en een klimaatbestendig, veerkrachtig watersysteem door innovatieve technologieën om microverontreinigingen uit waterstromen te verwijderen. Dit ondersteunt doelstellingen voor een duurzaam waterbeheer en veilige watervoorraden.
• Missie Gezondheid & Zorg: door toxicologische risico’s van PFAS in water te verminderen, draagt de innovatie bij aan gezonder leven en het beperken van gezondheidsverschillen als gevolg van waterverontreiniging.
• Missie Circulaire Economie: de technologie vermindert chemisch verbruik en kan processtromen combineren (zuivering én ontharding), wat past bij duurzame en efficiënte waterketens met minder grondstoffen- en energiegebruik.

Meetbare effecten

• Heldere identificatie van verwijderbare microverontreinigingen en hun reactieproducten.
• Evaluatie van procesrendementen en vergelijking met conventionele AOP-technieken.
• Economische kosten-batenanalyse die aantoont dat eAOP potentieel concurrerend kan zijn voor verschillende waterstromen (rivierwater én RO-concentraat).

Uitdaging

Organische microverontreinigingen (OMP’s), zoals geneesmiddelen, pesticiden, industriële chemicaliën en producten voor persoonlijke verzorging, vormen een toenemende bedreiging voor de kwaliteit van waterbronnen. Een bijzondere zorg vormen per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS). Deze stoffen zijn extreem chemisch en thermisch stabiel en biologisch nauwelijks afbreekbaar. Daardoor worden zij met conventionele zuiveringstechnieken vrijwel niet verwijderd en kunnen zij in drinkwater terechtkomen.

Verschillende PFAS worden als matig tot sterk toxisch beschouwd en andere OMP’s staan bekend om hun negatieve ecologische impact en mogelijke gezondheidsrisico’s. Tegelijkertijd nemen normeringen voor waterkwaliteit toe en stijgt de maatschappelijke druk om watervoorraden veilig en duurzaam te beheren.

Chemisch gebaseerde geavanceerde oxidatieprocessen (AOP’s) kunnen microverontreinigingen afbreken, maar gaan gepaard met hoge kosten en aanzienlijk chemicaliëngebruik. Dit staat op gespannen voet met de ambitie om de watersector te verduurzamen en circulair te maken. Er is daarom behoefte aan innovatieve technologieën die effectief, betaalbaar en duurzaam zijn.

Technologie

In dit project is onderzocht of een geavanceerde elektrochemische oxidatietechniek (eAOP) een duurzaam alternatief kan bieden voor de verwijdering van PFAS en andere microverontreinigingen uit water.

Door een elektrische spanning aan te brengen tussen een positief geladen anode en een negatief geladen kathode worden in situ reactieve stoffen gevormd die oxidatiereacties mogelijk maken — zonder toevoeging van externe chemicaliën. Hierdoor kan de afbraak van persistente stoffen plaatsvinden met een lager chemicaliënverbruik.

Een innovatief aspect van dit onderzoek is de koppeling van oxidatieve afbraak aan reductieve processen aan de kathode. Bij deze reductie ontstaat base (OH⁻), die kan worden benut voor ontharding (verwijdering van calcium). Hiermee wordt één technologie ingezet voor twee doelen: verwijdering van microverontreinigingen én ondersteuning van bestaande onthardingsprocessen. Dit verhoogt de procesefficiëntie en economische haalbaarheid.

Twee toepassingsscenario’s zijn onderzocht:

• Behandeling van de volledige stroom voorgezuiverd rivierwater
• Behandeling van het concentraat dat ontstaat bij omgekeerde osmose (RO-concentraat)

De experimenten zijn uitgevoerd met zowel een rutheniumgebaseerde reactor als een Magnéli-type reactief elektrochemisch membraan, waardoor inzicht is verkregen in verschillende werkingsmechanismen.

Bevindingen

Het project heeft concrete en toepasbare kennis opgeleverd voor waterbedrijven en andere eindgebruikers in de watersector.

De belangrijkste resultaten zijn:

• Inzicht in welke PFAS en andere OMP’s effectief kunnen worden afgebroken
• Identificatie van gevormde reactieproducten en onderliggende afbraakmechanismen
• Vergelijking van actieve en niet-actieve anodes om proceswerking beter te begrijpen
• Evaluatie van de mogelijkheden om geproduceerde base te benutten voor ontharding
• Een kosten-batenanalyse voor toepassing op volstroom rivierwater en RO-concentraat

De resultaten laten zien dat elektrochemische oxidatie een potentieel duurzaam en concurrerend alternatief is voor conventionele chemische AOP’s. De technologie vermindert het gebruik van externe chemicaliën en biedt kansen voor integratie in bestaande zuiveringsinfrastructuur.

Daarmee draagt het project bij aan:

• Verbetering van waterkwaliteit en bescherming van drinkwaterbronnen
• Vermindering van gezondheids- en milieurisico’s
• Verduurzaming en mogelijke kostenreductie in de waterketen
• Nieuwe economische kansen voor innovatieve watertechnologie

De ontwikkelde kennis ondersteunt waterbedrijven bij strategische keuzes rond toekomstige zuiveringstechnologieën en versterkt de positie van Nederland als koploper in duurzame watertechnologie.

Samenwerkingspartners

Het onderzoek is uitgevoerd door onderzoekers van de afdeling Watermanagement van de TU Delft in nauwe samenwerking met drinkwaterbedrijf Dunea.