Je leest:

Membranen met nano-techniek: ‘Moleculaire koffiefilters’

Membranen met nano-techniek: ‘Moleculaire koffiefilters’

Auteur: | 13 juli 2008

In het laatste jaar van zijn studie als chemisch ingenieur raakte Jörg Balster (geboren 1975, in Nordhorn, Duitsland) gefascineerd door membranen.

De dunne, vlakke structuren die twee ruimtes van elkaar scheiden, verenigden voor Balster alles wat de scheikunde zo boeiend maakt: het scheiden van stoffen door elektrochemische reacties onder minimale toevoer van energie, de zeer grote volumes die met membranen verwerkt kunnen worden, en de veelzijdige toepassingen, zoals bijvoorbeeld in het recyclen van chemische stoffen of het zuiveren van drinkwater.

dr. Jörg Balster MSc. :“Membranen zijn een soort koffiefilters voor moleculen. Dat je met zo’n relatief eenvoudig principe zoveel hightech mogelijkheden hebt, dat vind ik nog steeds fascinerend”. Foto: Ivar Pel

In 2001 kwam Balster terecht bij de vakgroep membraantechnologie aan de Universiteit Twente. Met de membraantechnologie in zijn achterhoofd, zoog hij in Twente alles in zich op wat er te weten is over poly meren. Balster: “Polymeren zijn molecuul ketens waarbij grote hoeveelheden van een of meer identieke moleculen aan elkaar zijn gekoppeld. Door de vorm en aaneenschakeling van deze moleculen kun je heel precies de materiaal- of chemische eigenschappen van het polymeer bepalen”.

Balster behaalde in 2002 zijn masters in Twente met onderzoek waarbij hij aan koolstofmembranen een polymeer toevoegde waarin door verhitting verschillende soorten metaalzouten waren bijgemengd. Tijdens dit onderzoek was hij erin geslaagd een techniek te vinden waarmee hij precies kon reguleren voor welke gassen een membraan wel en niet doorlaatbaar zou zijn. Daarna begon zijn promotieonderzoek bij Matthias Wessling. De eerste doelstelling van het onderzoek was heel toegepast: het verbeteren van een proces uit de kaas – industrie, waarbij eiwitten, vetten en mineralen uit de melk gescheiden worden van het vocht door toevoeging van stremsel, zuursel en zout. Betere membranen speelden in het nieuwe proces een belangrijke rol.

Foto: Ivar Pel

Vrijdagmiddagexperimenten

Maar door de grote onderzoeksvrijheid binnen de vakgroep kwamen er al snel andere, veel meer theoretische onderwerpen bij. Balster: “Vooral de vrijdagen zijn hiervoor doorslaggevend geweest. ’s Ochtends hielden daarbij de promovendi inspirerende lezingen en tijdens de koffiepauzes ontstonden vaak de wildste ideeën. ’s Middags doken we dan allemaal in het lab om experimenten te doen, die eigenlijk niets met ons reguliere onderzoek te maken hadden”.

Juist deze vrijdagmiddagexperimenten zetten Balster op het spoor van fundamentele verbeteringen aan de membraantechnologie en leverden hem zelfs het wereldwijd eerste experimentele bewijs op voor een wiskundig model voor de efficiëntie van membranen.

Theorie van Isaac Rubenstein

De fundamentele verbeteringen aan de membraantechnologie bereikte Balster door problemen, die men tot dan toe in zijn geheel had proberen op te lossen, in deelproblemen te scheiden. De eerste drie jaar van zijn onderzoek concentreerde hij zich op het verbeteren van de membranen zelf. Het resultaat van dit werk is een membraan met zeer hoge doorlaatbaarheid, gecombineerd met een hoge selectiviteit. Balster: “Tot nu toe konden elekto-chemische membranen moleculen alleen grof scheiden: de positief geladen deeltjes aan de ene kant, en de negatieve aan de andere kant. Met de nieuwe techniek kunnen membranen zelfs onderscheid maken tussen enkelvoudig of meervoudig geladen deeltjes”.

Het experimentele bewijs voor een van de belangrijkste theorieën in het vakgebied kon Balster in het laatste jaar van zijn onderzoek leveren. Dit theoretische model was eind jaren zeventig geformuleerd door de Israëlische wetenschapper Isaac Rubinstein. Rubinstein had uitgerekend waarom na verloop van tijd een soort elektrische barrière wordt gevormd aan het oppervlak van een membraan, met als gevolg dat het membraan verstopt raakt. Uit de theorie van Rubinstein kon men afleiden dat kleine variaties in een elektrisch veld gebruikt kunnen worden om beweging in een vloeistof te krijgen. Balster had naar de inzichten van Rubinstein het membraanoppervlak veranderd zodat er een niethomogeen elektrisch veld ontstond. Dit leidde er inderdaad toe dat het verstoppingseffect sterk verminderde.

Foto: Ivar Pel

Computersimulaties

Een tweede verbetering kwam enige tijd later. Balster: “In een andere vakgroep aan onze universiteit werden met name computersimulaties uitgevoerd naar dit soort stromingseigenschappen van elektrisch geladen deeltjes. Niet bij membranen, maar in een enkelvoudig transportkanaal. Wessling kwam toen op het idee om beide onderzoeken met elkaar te combineren”. Het bleek dat de kruisbestuiving direct vruchten afwierp voor de membraantechnologie. Balster ontwikkelde een raster uit polymeer, dat als een soort gaas over de membranen kan worden gelegd.

Dus, twee technieken verbeterden de membranen aanzienlijk: de oppervlakteverbeteringen naar de ideeën van Rubinstein en een nieuw polymeerraster. De combinatie van beide technieken loste elektrische polarisatie – een van de grootste problemen bij elektrodialyse – vrijwel volledig op. Balster: “In 2005 hadden we de eer om op de grootste conferentie voor membraan – technologie in Zuid-Korea met Rubinstein te spreken. Dat was natuurlijk fantastisch, dat wij hem konden laten zien dat zijn theorie ook werkelijk functioneert”.

Gouden toekomst

Inmiddels werkt Balster als afdelingshoofd bij de R&D-afdeling van de Nederlandse vestiging het Amerikaans bedrijf Parker Filtration & Separation. “Wat ik me nu pas realiseer is wat voor exploderende markt de membraantechnologie is. Ik werk nu bijvoorbeeld aan membranen die met minimaal energieverbruik stikstof uit de lucht kunnen scheiden met een zuiverheid van boven de 95 procent. De olie – industrie staat daarom te springen, omdat ze stikstof nodig hebben bij olieboringen. Maar ook in de luchtvaart zijn interessante toepassingen voor dit soort filters: je kunt bijvoorbeeld in elk vliegtuig ervoor zorgen dat er in de kerosinetank geen zuurstof meer zit, maar stikstof. Als er dan een ongeluk met een vliegtuig gebeurt, dan heb je een veel lagere kans op een explosie”. Balster ziet voor membraantechnologie een gouden toekomst: “van brandstofcel tot CO2 filter: overal heb je dit soort hightech koffiefilters nodig”.

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2007 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 juli 2008
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.