Magische Waterbehandeling

Datum:  Juli 2021 - September 2022

Inleiding:

Vorig jaar heb ik me door mijn familieleden laten overhalen om bij Bol een waterfilter voor de douchekop te bestellen en installeren. De Vitamo™ Premium Universele 15 Stage – Douchefilter & Extra Filter – Waterfilter Voor Douchekop. De voornaamste reden om dit filter te installeren was omdat het de waterhardheid omlaag kon brengen hetgeen beter zou zijn voor het wassen van het haar. Een oppervlakkige blik op de beschrijving van de inhoud van het filter suggereerde dat zoiets in principe wel mogelijk kon zijn. Het basisontwerp van het filter zag er niet slecht uit, en de installatie was uiterst gemakkelijk. Het geïnstalleerde filter leek geen extra drukval te geven aangezien de sterkte van de waterstraal niet merkbaar beïnvloedt werd. De documentatie van het filter vermelde een levensduur van 6 maanden hetgeen me echter sterk overdreven leek gezien de hoeveelheid materiaal die je maximaal in dit filter kon installeren. Al met al genoeg reden om eens een kritische blik op dit waterfilter te werpen.
 

Materiaal:

  • Test strips: pH, Hardheid, Chloride
  • TDS meters
  • Bekerglazen
  • Weegschaal
  • Microscoop met camera
  • Creme Brulee brander

Opbouw van het filter:

Het filter is volgens de beschrijving opgebouwd uit dunne lagen van verschillende materialen zoals weergegeven op de verpakking.

In onderstaande tabel worden deze lagen besproken. Veel van de informatie die de werking van de verschillende materialen beschrijft heb ik gevonden op de website van Pureshowers.
 
Mijn ogen doen pijn na het lezen van de informatie die ik gepresenteerd wordt over sommige van deze materialen. Vooral de “mineralized balls”, “alkaline balls”, “magnetic energy balls” en “medical stone” beschrijvingen roepen hoofdpijn op, wetenschappelijk klinkende maar uiteindelijk nietszeggend verhaaltjes. Van calciumsulfiet en Vitamine C verwacht je trouwens dat ze uiteindelijk gewoon oplossen in water. Actieve kool kan weliswaar verontreinigingen adsorberen maar de capaciteit is beperkt, en verdringing van geadsorbeerde componenten kan niet uitgesloten worden. KDF-55 is op zich een interessant materiaal. Volgens de literatuur is het een koper/zink adsorbens dat gebruikt wordt voor het afvangen van chloride ionen en zware metalen. Sommige van de materialen elkaar tegen te werken zoals bijvoorbeeld Vitamine C dat de pH verlaagt terwijl de alkalische ballen die weer zouden moet verhogen. Het is me ook niet duidelijk hoe een keramisch filter in deze configuratie als filter, dat bacteriën kan verwijderen, kan functioneren. Het water slipt nl gewoon langs de ballen. Al met al is het filter gevuld met een vreemde mix van materialen, sommige nietszeggend maar enkele die wel degelijk de water kwaliteit zouden moeten kunnen beïnvloeden.
 

Ik heb een filter na gebruik geopend en daarbij valt op dat de materialen al aardig door elkaar gehusseld zijn en geen mooie lagen vormen, hetgeen de functionaliteit niet ten goede komt. Ook valt op dat er maar een enkel RVS filter geïnstalleerd is en niet twee zoals op de verpakking aangegeven was.

 
 

Ik heb de inhoud van het filter in wat petrischalen uitgegoten en vervolgens een poging gedaan om de verschillende materialen te identificeren. Helemaal zeker ben ik me niet altijd van de identificatie aangezien de beschrijvingen niet altijd even duidelijk zijn.

 
 
Aan de sortering kan men zien de verpakking niet helemaal overeenkomt met de inhoud. Een probleem is de identificatie van de KDF-55. Vanuit de kleur beschreven zou dat de lichtgele zeer kleine korrels moeten zijn. Die deeltjes zien er echter nogal harsachtig uit en lijken meer op een ionenwisselaar. Zet men even de vlam van een Crème Brûlée Brander op deze deeltjes dan kleuren ze zwart (verbranding), smelten en geven een typerende stank af hetgeen impliceert dat men inderdaad met een hars te maken heeft en niet met een Cu/Zn verbinding, Daarnaast kan men ook beschrijvingen vinden die de donkerbruine korrels als KDF-55 aanduiden. Een simpele test met een magneet laat zien dat er geen magnetische materialen in het filter zitten. Microscopisch onderzoek van het pp katoen filtermateriaal bevestigd dat het is opgebouwd uit een kunststofachtig materiaal en niet uit natuurlijk katoen.
Met de gevonden materialen kan men geen 15 lagen bouwen maar hoogstens 12 (inclusief de filters), hetgeen afwijkt van wat er op de verpakking vermeld staat.

 
Filtervezels onder de polarisatiemicroscoop
Ionenwisselaar onder de microscoop na verhitting

Praktische evaluatie van de werking van het filter:

Na een maand voeg ik me af ik niet kon meten of het filter invloed heeft op de waterkwaliteit. Ik heb een paar middelen tot mijn beschikking waarmee ik snel een paar tests kan uitvoeren die ik gebruikt heb. Een Xiaomi TDS test pen waarmee men de concentratie “Total Dissolved Solids” kan meten (een maat voor de totale hoeveelheid opgeloste stoffen die ionen produceren), pH test strips en Hardheidsbepalings strips (Duitse hardheid (dH, In Nederland 1 dH = 10 mg (0.1783 mmol) CaO per liter). De TDS pen werkt volgens het principe van geleidbaarheidsmeting, de geleidbaarheid van het water is dan een maat voor de hoeveelheid opgeloste materialen (mg/l = ppm, parts per million). De monstername voert men uit door de kraan even te laten doorspoelen, het monsterpotje enkele malen om te spoelen, vervolgens het monsterpotje te vullen, de sticks en strips in het water te dompelen en de resultaten af te lezen. Als referentie heb ik een watermonster uit een andere kraan op de badkamer genomen. Deze eerste resultaten zijn samengevat in onderstaande Tabel.
Deze resultaten laten zien dat het filter nagenoeg geen invloed uitoefent op de gemeten parameters. De TDS waardes suggereren dat er wat materiaal los komt uit het filter alhoewel men zich kan afvragen of deze verschillen wel relevant zijn. Volgens de bij de pen geleverde documentatie is water met een TDS < 300 ppm nog steeds van uitstekende kwaliteit is.
De met de test strips gemeten hardheid is erg laag. De hardheid van het water in Nederland licht typisch in de range 6-10 dH. Voor Hoofddorp (waar ik woon) is een waarde van ca. 8 dH gerapporteerd in het 2de kwartaal van 2021, hetgeen overeenkomt met zacht water. Mijn test strips geven beduidend lagere waardes aan hetgeen mij na de eerste meting deed besluiten om de meting over te doen met andere strips, met hetzelfde resultaat (deze strips waren apart verpakt).
Nu kan men zeggen dat het filter na een maand gewoon uitgewerkt zou zijn en daarom geen invloed meer kan uitoefenen op de waterkwaliteit. Bij de bestelling werd echter een tweede filter meegeleverd hetgeen het mogelijk maakte om de test procedure wat te verfijnen door het water te bemeten kort nadat het filter uitgewisseld is en een controle na een nacht (met enkele douchebeurten) uit te voeren. Voor de zekerheid heb ik bij AliExpress nog een tweede testpen besteld die ook de temperatuur van het water meet. Ook heb ik Chloride test strips verkregen. De resultaten van deze metingen zijn samengevat in ondertsaande Tabellen en zichtbaar gemaakt in onderstaande Figuren.

 
Metingen direct na uitwisselen filter

Metingen na een nacht
Ook deze resultaten laten zien dat het filter nagenoeg geen invloed uitoefent op de kwaliteit van het kraanwater. Typerend is wel dat de hardheid van het water in de meetperiode veel hoger is dan gerapporteerd voor Hoofddorp in 2022. PWN levert in heel Noord-Holland drinkwater met een gemiddelde hardheid van 7,9 graden Duitse Hardheid (dH) (zacht drinkwater). De gemeten waarden liggen beduidend hoger (hard drinkwater).

 
Metingen van pH, Chloride en TDS (links kraanwater, rechts filterwater)

Meting van de hardheid (links kraanwater, rechts filterwater)

Theoretische evaluatie:

Gegeven het feit dat het filter materialen bevat die in principe wel degelijk wat invloed kunnen uitvoeren op de waterkwaliteit begon ik me als procestechnoloog af te vragen of dit systeem wel kan werken. Op basis van de ontwerp regels die voor dit soort systemen gelden kunnen we een evaluatie uitvoeren.
 
Theoretische basis
Indien men dergelijke systemen ontwerpt voor het verwijderen van verontreinigingen uit de gas of de vloeistoffase dan moet men rekening houden met het pad dat een te verwijderen molecuul doorloopt. De materialen die men gebruikt zijn zeer vaak bolvorm geproduceerd en zien er zeer solide uit. Alhoewel stevig zijnde zijn dit ook zeer poreuze deeltjes systemen, opgebouwd uit macro en micro-poriën die uiteindelijk toegang geven tot de moleculaire structuur. Dit resulteert in materialen met een zeer groot oppervlak in de ordegrootte van 50 tot 1000 m2/g. Een groot oppervlak is noodzakelijk om voldoende opnamecapaciteit in een relatief klein volume beschikbaar te hebben. In onderstaande Figuur wordt schematisch het pad weergegeven dat een deeltje doorloopt vanuit de bulk fase (vloeistof of gas) totdat het een adsorptie site bereikt (in dit geval is een zeolitische moleculaire structuur weergegeven).
 
Het pad vanuit de bulk fase tot de filmlaag is volledig willekeurig en de reden daarvoor is dat een molecuul voortdurend botst met andere moleculen in de bulkfase, in dit geval watermoleculen. Na passeren van de filmlaag zal het molecuul eerst van de macro poriën naar de micro poriën migreren (gevuld met water) alvorens de moleculaire structuur te bereiken waar de adsorptie kan plaatsvinden. Initieel zal alleen de buitenlaag van de bol verzadigd zijn maar naarmate de tijd vordert zal een deeltje steeds dieper in de bol moeten migreren om een adsorptie site te kunnen vinden. Al deze stappen vertegenwoordigen een bepaalde weerstand die een molecuul moet overwinnen om aan een adsorptie site te kunnen binden en voor het overwinnen van weerstand heeft men tijd nodig. Voor dergelijke systemen spreken we dan van de contact tijd oftewel de hoeveelheid tijd dat het stomende water in het filter aanwezig. Er zijn enkele vuistregels voor de benodigde contacttijd waarbij men grofweg kan men zeggen dat als de reacties in de gasfase plaatsvinden men een minimum contact tijd van seconden nodig heeft, terwijl men in de vloeistoffase een minimum contacttijd van minuten nodig heeft. Dat laatste kan men zich goed voorstellen als men zich realiseert dat er binnen een bepaald volume meer moleculen aanwezig zijn in de vloeistoffase dan in de gasfase. Een molecuul zal dan vaker botsen met watermoleculen en heeft daardoor meer tijd nodig om op een specifiek plaats te komen. Voor het gebruik van actieve kool in de waterreiniging hanteert men typisch een contacttijd tussen de 6 en 30 minuten. Men hanteert langere contacttijden als men een groter opname capaciteit nodig heeft (meer adsorbent geïnstalleerd in het filter).
 

De contacttijd voor dit filter kan men vrij gemakkelijk uitrekenen door de water flow te meten. Deze is bepaald door te meten hoe lang het duurt om een bak te vullen met water en vervolgens door weging de hoeveelheid opgevangen water te bepalen. Voor douche berekende ik een waterflow van 0.1 l/s. Het filter heeft een hoogte van 6.7 cm en een diameter van 6 cm. Met V=πr^2 h berekenen we een volume van 189 cm3 (ongeveer 0.19 l). De contacttijd voor het gehele filter is dan Volume/flow = 0.19/0.1 = 1.9 s. Het filter is echter opgebouwd uit 8 lagen adsorbent en 2 pp katoen filters. Negeren we de filters en nemen we aan dat de lagen allen even hoog zijn dan spreken van een contacttijd per laag van 0.19/8/0.1 = 0.23 s per laag. Dat is zelfs lager dan het getal van 0.8 s dat opgegeven is voor calciumsulfiet.
Een andere factor die een rol speelt is de hoeveelheid verontreinigingen die in de bulkfase (water) aanwezig zijn. Is de hoeveelheid, de concentratie, hoog dan is er een grotere kans dat een verontreiniging het adsorbent binnen dringt en afgevangen wordt. Bij een lagere concentratie is die kans kleiner. Chemici verwoorden dat als zijnde dat bij een hogere concentratie de drijvende kracht groter is. Het drinkwater in Nederland is echter zeer schoon. Als men over echte toxische verontreinigingen spreekt dan gaat het niet over concentraties op ppm niveau (parts per million = mg/l) maar op ppb niveau (parts per billion = mg/l) of zelfs ppt’s (parts per trillion). Het moge duidelijk zijn dat voor dergelijke verontreinigings concentraties de drijvende kracht erg laag is. De enige manier om dat enigszins op te vangen is door meer adsorbent te installeren dus de contacttijd te verhogen.
 
Water ontharding
Een andere manier om het filter te benaderen is te berekenen hoeveel kalkionen (Ca2+/Mg2+) we maximaal kunnen verwijderen met zulk een filter. In de praktijk gebruikt men voor ontharding een ionenwisselaar, die men regelmatig moet regeneren met zout. In de zoute form reageert een ionenwisselaar dan volgens de volgende reactie:

2RNa + Me2+ <=> R2Me + 2Na+

De capaciteit van een op sulfonzuur gebaseerde ionenwisselaar is ongeveer 1.9 eq/l hetgeen betekent dat 1.9 mol ionenwisselaar 0.95 mol Ca2+  afvangen.
Het volume van het volledige filter is 0.19 l. Als we dat dan volledig met ionenwisselaar zouden vullen vertegenwoordigd dat een capaciteit van 0.19 * 1.9 = 0.361 eq hetgeen overeenkomt met het verwijderen van 0.1805 mol Ca2+, Mg2+ of een mengsel daarvan.
Het waterleidingbedrijf specificeert een hardheid van 8 DH hetgeen overeenkomt met 8 * 0.1783 mmol CaO/l oftewel 8 * 0.1783 * 40.08/56.08 = 1.02 mmol Ca2+/l.
Met een waterflow van 0.1 l/s stromen er dus 0.102 mmol/s Ca2+ uit de kraan.
Als het filter de capaciteit van de ionenwisselaar volledig zou benutten dan komt dat overeen met een tijdsperiode van  0.1805*1000/0.102 ~ 1800 s oftewel 30 minuten. Het filter is echter maar gedeeltelijk gevuld met ionenwisselaar, maar 1 van de 10 lagen adsorbent is ionenwisselaar. De ontharding functioneert dan maar maximaal voor 3 minuten, 1 korte douchebeurt.

 

Al met al kan men op basis van deze meer theoretische evaluaties alleen maar concluderen dat deze douchefilters niet kunnen werken.

Conclusies:

Op basis van enkele metingen en ook de meer theoretische evaluatie kunnen we concluderen dat dergelijke douche filters geen significante invloed hebben op de kwaliteit van het water. Weggegooid geld dus.

Literatuur:

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:
Veel mensen weten wel dat de kwaliteit van het drinkwater in NL zeer hoog is. Men kan zelfs stellen dat het water dat uit de kraan komt in NL zuiverder is (minder verontreinigingen bevat) dan water dat men in plastic flessen koopt (bv doordat weekmaker uit het plastic komt). Een van de laatste stappen in het waterzuiveringsproces is het blootstellen aan UV licht en het toevoegen van een minimale hoeveelheid chloor waardoor de allerlaatste biologische/organische verontreinigingen (met concentraties op ppb niveau) vernietigd worden. Dit alles in tegenstelling tot ervaringen die men kan hebben in het buitenland. Water dat daar uit de kraan komt kan naar chloor smaken en ruiken. De reden daarvoor is dat de kwaliteit van het leidingenwerk daar suboptimaal is. Gebroken en lekkende leidingen kunnen resulteren in stilstaand water waarin microrganismen kunnen groeien, resulterende in ziekmakend water. Om dit probleem te ondervangen voegt men een (kleine) overmaat aan chloor toe om er zeker van te zij dat het water dat uit de kraan komt nog steeds vrij is van microorganismen, maar het gevolg daarvan is dat het water naar chloor kan ruiken en smaken.

13/12/2022