Je leest:

Nederlands supermembraan nu breder inzetbaar

Nederlands supermembraan nu breder inzetbaar

Auteur: | 27 juni 2011

De ontwikkelaars van het innovatieve HybSi membraan voor energiezuinige industriële scheiding zijn er in geslaagd de toepassingsmogelijkheden van het membraan verder te vergroten. In het tijdschrift ‘Advanced Functional Materials’ beschrijven ze hoe ze de scheidingseigenschappen van het membraan kunnen optimaliseren aan de hand van de moleculaire structuur. Daarmee is voor allerlei verschillende gas- en vloeistofmengsels precies het juiste membraan te ontwerpen.

Het HybSi membraan, ontwikkeld door de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Twente en het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), heeft alles in zich om een industrieel succes te worden. Het ‘nanofilter’ is in staat moleculen van elkaar te scheiden op een manier die weinig energie kost. Bovendien is het bestand tegen relatief hoge temperaturen en agressieve chemicaliën, zoals zuren en oplosmiddelen.

Die bijzondere kwaliteiten zijn te danken aan de hybride structuur van het materiaal. Het is een soort kruising tussen keramiek en kunststof waarin moleculaire ‘bruggen’ tussen siliciumatomen de hoofdrol spelen. Silicium brengt het keramiek-aspect in het hybridemateriaal, de bruggen worden gevormd door koolwaterstofmoleculen. Zulke moleculen bestaan uitsluitend uit koolstof- en waterstofatomen. Ze vormen ook de moleculaire basis voor kunststoffen, waarvan producten als boterhamzakjes, emmers en bierkratten worden gemaakt.

Dwarsdoorsnede van het supermembraan. Aan de linkerkant zie je vooral aluminiumoxide: eerst het grofkorrelige dragermateriaal, daarop een tussenlaag ook van aluminiumoxide. De eigenlijke membraanlaag bevindt zich tussen de twee zwarte strepen.
ECN

Moleculaire brug

In de eerste ontwikkelingsfase brachten de ontwikkelaars steeds twee koolstofatomen tussen de siliciumatomen. Dat leverde weliswaar een membraan met uitstekende eigenschappen op, maar slechts geschikt voor een beperkt aantal scheidingen. “Om de HybSi-technologie echt tot een succes te maken, moesten we een veel breder scala aan industriële scheidingsprocessen aankunnen”, zegt dr. Hessel Castricum van de Universiteit van Amsterdam (Van ’t Hoff Instituut for Molecular Sciences).

Onder aanvoering van Castricum is daarom onderzoek gedaan naar het variëren van de moleculaire brug. Castricum vertelt vooral gekeken te hebben naar de lengte, vorm en flexibiliteit van de brugmoleculen. “Daarmee beïnvloedden we de grootte van de nanoporiën in het membraan, maar ook de interactie van het membraanmateriaal met de moleculen die we wel – of juist niet – willen doorlaten. Beide aspecten zijn bepalend voor de werking van het nanofilter.”

De vijf onderzochte moleculaire bruggen. De bovenste twee zijn kort en flexibel, de derde is lang en flexibel, de vierde brug is kort en star en de vijfde moleculaire brug is lang en star.

Castricum en zijn collega’s beschrijven in Advanced Functional Materials hoe met slechts een vijftal verschillende brugmoleculen een heel breed scala aan scheidingstechnieken mogelijk wordt. De kortste brugmoleculen maken van het membraan een moleculaire zeef waarbij alleen de grootte bepaalt of een molecuul er wel of niet door kan. Dat is bijvoorbeeld van belang bij het verwijderen van water uit oplosmiddelen of uit reactiemengsels met organische verbindingen.

Bij de langere bruggen worden de poriën groter en gaat de interactie met het materiaal een rol spelen. Zo kan bijvoorbeeld CO2 gescheiden worden van waterstof, terwijl juist CO2 het grotere molecuul is. Hierbij speelt de grotere affiniteit tussen het membraan en CO2 een rol. Langere brugmoleculen maken het membraanmateriaal als geheel ook meer waterafstotend.

Hessel L. Castricum, Goulven G. Paradis, Marjo C. Mittelmeijer-Hazeleger, Robert Kreiter, Jaap F. Vente, en Johan E. ten Elshof

Pervaporatie

Het HybSi membraan is zeer geschikt voor pervaporatie. Dat is een energiezuinig scheidingsproces via selectieve verdamping door een membraan. De te verwijderen stof gaat dan, via het membraan, in de dampfase. In deze illustratie is aangegeven hoe de verschillende moleculaire uitvoeringen van het membraan steeds een andere component uit het mengsel laten ‘ontsnappen’. Pervaporatie is een stuk energiezuiniger dan destillatie, waar het hele mengsel grotendeels wordt verdampt. Vooral in het geval van een azeotroop (waarbij het mengsel een lager kookpunt heeft dan elk van de te scheiden componenten) is de energiewinst aanzienlijk.

Castricum denkt dat de onderzoeksresultaten de toepassingsmogelijkheden van het membraan flink zullen vergroten. “We weten nu hoe we door het aanpassen van de poriegrootte en de affiniteit het membraan geschikt kunnen maken voor de scheiding van specifieke mengsels. Ik denk dat dit de industrie over de streep kan trekken om eerder aan de toepassing van onze membranen te denken, en voor meer processen”.

Hij ziet onder andere mogelijkheden voor de ontwatering van biobrandstoffen, de opslag van CO2 en de productie van waterstof. “Een andere belangrijke mogelijke toepassing is de productie van esters, zoals bijvoorbeeld polyester”, zegt Castricum. “Daarbij is de ontwatering van het reactiemengsel erg belangrijk”. Hij legt uit dat door het verwijderen van het water het reactie-evenwicht zodanig verschuift dat er daadwerkelijk esters ontstaan. “Dit gebeurt meestal bij hoge temperatuur en onder zure omstandigheden. Daarvoor is ons membraan uitstekend geschikt.”

Breed project

Het HybSi membraan is een echt Nederlands membraan. Hessel Castricum vervulde een spilfunctie in het recente project, waaraan onderzoekers van het MESA+ instituut voor nanotechnologie (Universiteit Twente) en het Van ‘t Hoff instituut voor moleculaire wetenschappen (HIMS, Universiteit van Amsterdam) samenwerkten met het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN). Het project werd gefinancierd door de Nederlandse overheid (Agentschap.NL) in het programma ’Energie Onderzoek Structuur Lange Termijn’ (EOS-LT).

De ontwikkeling van het HybSi membraan – hier enigszins artistiek weergegeven – begon tien jaar geleden in een project voor de Technologiestichting STW. Het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) besloot vijf jaar geleden patent aan te vragen en het membraan samen met de ontwikkelaars tot industriële toepassing te brengen. Inmiddels is de eerste licentie verleend aan het Nederlandse bedrijf Pervatech, dat de membranen onder andere wil gebruiken voor de ontwatering van organische oplosmiddelen via pervaporatie. Eerder deze maand ging een onderzoek van start in de nieuwe testfaciliteit Plant One in het Rotterdamse petrochemiegebied. Dat onderzoek moet uitwijzen hoe de HybSi membranen zich gedragen in processen op industriële schaal.

Meer over het HybSi membraan:

Meer over membranen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/membraan/membranen/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 juni 2011
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.