Production of Potable Water for Small Scale Communities using Low-Cost Filtration Membrane

In deze verhandeling wordt het gebruik van ultrafiltratie (UF) beschreven voor drinkwaterproductie in een rurale gemeenschap in Zuid-Afrika, het dorp Tshaanda, samen met de mogelijkheid om een nieuw type membranen te gebruiken gemaakt uit plastic afvalmateriaal.

De technische en administratieve procedures noodzakelijk voor een succesvolle installatie van een pilootinstallatie werden systematisch ontwikkeld. Omwille van het rurale karakter van Tshaanda werd rekening gehouden met de culturele en traditionele protocols. Preliminaire resultaten voor de waterkwaliteit van onbehandeld en UF permeaat werden geanalyseerd. Escherichia coli concentraties in het onbehandelde water tijdens het droge seizoen (i.e., juni en juli) waren 2 cfu/100 ml en <1 cfu/100 ml (niet waargenomen) na ultrafiltratie, wat voldoet aan de standaarden van de Wereld Gezondheidsorganisatie (WHO) en de South African National Standards (SANS) and Guidelines die een concentratie < 1 cfu/100 ml voorschrijven. Gedurende het regenseizoen (februari) was de totale coliform concentratie onaanvaardbaar hoog (> 2419.2 cfu/100 ml) voor UF. Na behandeling met UF daalde dit tot een aanvaardbaar niveau (7 cfu/100 ml), lager dan de aanbeveling van de WHO (< 10 cfu/100 ml). Bovendien waren de concentraties aan E. coli en enterococci tijdens het regenseizoen onaanvaardbaar hoog voor UF (40.4 cfu/100 ml en 73.3 cfu/100 ml, respectievelijk), maar waren niet detecteerbaar na UF, en bijgevolg beneden de WHO en SANS aanbeveling van < 1cfu/100 ml. In dit licht kan worden besloten dat het water geschikt is als drinkwater na ultrafiltratie.

Economische scenarios werden ontwikkeld om te garanderen dat zowel de lokale gemeenschap als de locale overheden overeenstemming bereiken over het eigendomsrecht van het ultrafiltratiesysteem na afloop van het project. Centraal in het beslissingsproces was dat er moest verzekerd worden dat het ultrafiltratiesysteem zou worden opgevolgd en onderhouden en dat de lokale gemeenschap blijvende toegang tot drinkbaar water zou behouden. Verder werd een model ontwikkeld voor watervoorziening vanuit het gegeven dat de huidige watervoorziening slechts beperkt is. Daardoor is het mogelijk dat individuen binnen de gemeenschap in de toekomst het niveau van dienstverlening wensen uit te breiden door privé leidingen te verbinden met hun eigendom, zodat er een nood is aan een lokale dienst voor water management om dergelijke service te voorzien.

De synthese van nieuwe membranen richtte zich op een nieuwe methode voor de aanmaak van lage kost en economisch haalbare composietmembranen voor waterzuivering. Deze methode is een éénstapsproces, gebruik makend van plastic afvalmateriaal. Op deze manier werden  samengestelde en composietmembranen ontwikkeld uit plastic afval, in het bijzonder uit gerecycleerd hoge en lage densiteits polyethyleen (rHDPE en rLDPE), en niet-gemodificeerde nanoklei (calcium montmorilloniet).

De polymere matrices bestaande uit rHDPE en rLDPE adsorbeerden aan het oppervlak van de kleipartikels, eerder dan te intercaleren in de klei galereien, wat leidde tot een structuur met gescheiden fasen. De hydrofobiciteit van de composietmembranen was hoger dan die van samengestelde membranen, wat suggereert dat de toevoeging van klei de oppervlakteruwheid van composietmembranen beïnvloedt. De nieuw ontwikkelde membranen vertoonden bovendien goede thermische eigenschappen, wat een gevolg kan zijn van het synergetisch effect van nanoklei en polymeer. De graad van kristalliniteit van het polymeer vermindert met een hoger kleigehalte, wat te wijten kan zijn aan de onvolledige dispersie van kleideeltjes, wat resulteert in de vorming van agglomeraten in de polymeermatrix. De mechanische eigenschappen van de nieuw ontwikkelde membranen werden ook nagegaan. De toevoeging van klei beïnvloedt de mechanische eigenschappen, waarbij de treksterkte van de composietmembranen lager was dan die van de zuivere rHDPE/rLDPE samengestelde membranen. Niettemin, in vergelijking met het membraan dat 4 wt% klei bevat heeft een membraan beladen met 2 wt% klei een grotere stijfheid, weergegeven door de modulus van Young. Dit kan worden toegeschreven aan de agglomeratie van kleideeltjes in de polymeermatrix omwille van het hogere kleigehalte. Oppervlakte-analyse van composietmembranen gaf aan dat poriën van verschillende grootte en vorm voorkomen, wat kan gerelateerd zijn aan de grootte en vorm van nanoklei en polymeerpoeder. De permeabiliteit en selectiviteit van de ontwikkelde membranen werd bestudeerd in verschillende omstandigheden. Composietmembranen vertoonden een hogere flux bij lage druk dan de samengestelde membranen. Het membraan met 4 wt% klei vertoonde echter een consistent hogere permeabiliteit dan zowel het membraan met 2 wt% klei en zuivere rHDPE/rLDPE samengestelde membranen; ook een hogere selectiviteit dan voor het 2 wt% klei beladen membraan werd vastgesteld. Er werd besloten dat het membraan beladen met 4 wt% klei een betere performantie heeft vergeleken met 2 wt% klei en zuivere rHDPE/rLDPE samengestelde membranen. Deze membranen kunnen potentiële kandidaten zijn voor waterbehandeling met lagedruk membraanfiltratie.