Het duurzame membraan van de toekomst

Het duurzame membraan van de toekomst

Beeld je in dat we binnenkort in staat zijn om niet alleen zeewater te ontzouten voor drinkwaterproductie, maar dat het ook mogelijk wordt om broeikasgassen te filteren uit de atmosfeer, en dat alles op een duurzame manier. Voor heel wat mensen klinken deze uitspraken als te mooi om waar te zijn, maar niet als je het vraagt aan Irian Baert (KU Leuven). Tijdens zijn thesis, binnen het veld van membraantechnologie, onderzocht hij namelijk een recent geïntroduceerde innovatieve chemie om net dit type membranen waar te maken.

Waarom nood aan een nieuw type membranen?

Wanneer er vuil of zout water wordt gefilterd, wordt er na een tijd een soort koek opgebouwd op het membraanoppervlak. Deze koek zorgt er voor dat minder water wordt doorgelaten, gelijkaardig aan wat er gebeurt als je koffie filtert. Aangezien de koek soms heel hard kan zijn en niet zomaar mechanisch verwijderd kan worden, moeten de membranen om de zoveel tijd gekuist worden met agressieve schoonmaakproducten zoals Javel. De conventionele membranen kunnen daar niet goed tegen en worden erdoor beschadigd. Ze kunnen dus eigenlijk niet grondig gereinigd worden waardoor ze na een tijd nog maar weinig water doorlaten.

Epoxides ‘to the rescue’

Vijf jaar geleden introduceerden Bio-ingenieurs aan de KU Leuven echter een nieuw type membraan voor gas- en vloeistofscheidingen dat op epoxide chemie gebaseerd is en dus enorm stabiel is. Het woord ‘epoxide’ of ‘epoxy’ klinkt je misschien bekend in de oren aangezien deze stoffen gebruikt worden in onder andere stevige lijmen en coatings. Het brede toepassingsgebied ervan is te danken aan hun eigenschappen. Ze zijn namelijk mechanisch, thermisch en chemisch zeer robuust. Aangezien dit ook interessante membraaneigenschappen zijn, gebruikten de Bio-ingenieurs deze epoxides voor hun nieuw type membranen die wel tegen de agressieve schoonmaakproducten bestendig zijn.

Time is money!

De epoxide membranen worden gemaakt door middel van twee reactiestappen. Eerst worden verschillende epoxide moleculen aan elkaar verbonden tot langere ‘polymeerketens’, die een vrij los netwerk vormen. Dit netwerk wordt daarna verdicht door de ketens aan elkaar te knopen. In die laatste stap worden er ook positieve ladingen ingebouwd, wat voordelig is om zouten tegen te houden. Het proces om dit polymeernetwerk te vormen, wordt in gang gezet door een molecule die de reactie start (i.e., de initiator). De reactie met de initiator is de stap die het meeste tijd in beslag neemt. Een belangrijk gegeven om de sprong te maken van productie op laboschaal naar industriële schaal is dat de membranen snel genoeg gemaakt moeten kunnen worden. Tot op heden duurt het maken van de epoxide membranen echter te lang voor een economisch haalbare opschaling te kunnen realiseren. Omwille van deze reden onderzocht Irian Baert verschillende strategisch uitgekozen initiatoren om na te gaan hoe ze precies reageren in het systeem en of ze een snellere membraanproductie toelaten. Verder kan een diepere kennis over het chemisch reactiemechanisme van de bouwstenen van dit membraan een mogelijkheid bieden om te stoppen met het proberen optimaliseren van de membranen zonder te weten wat er werkelijk gebeurt. Er kan namelijk overgestapt worden op een meer tijds- en grondstofefficiënte manier van optimalisatie.

Nieuwe inzichten in de productie van duurzame membranen

Door middel van verschillende karakterisatietechnieken was het mogelijk om nieuwe kennis te vergaren over het systeem. Zo werd bijvoorbeeld electronenmicroscopie toegepast om het oppervlak van het membraan op zeer sterke vergroting te bestuderen. Daarnaast gaven infrarood analyses informatie over de chemische samenstelling van de membranen.

Dankzij deze informatie werd ontdekt dat de laatste stap in het productieproces een grotere invloed heeft op het vermogen om zouten tegen te houden dan eerdere stappen omdat de initiator daar makkelijker met de reactieve groepen in de omgeving kan reageren. De efficiëntie waarop de initiator de knopen kan leggen in het polymeernetwerk in functie van de tijd werd ook duidelijker: in het begin gaat dit makkelijker dan later, wanneer steeds minder reactieve groepen overblijven. Tot slot werd ontdekt dat het systeem nood heeft aan een voldoende reactieve en grote initiator die langs twee kanten kan reageren.

Een blik op de toekomst

Dankzij de nieuwe inzichten die Irian vergaarde in zijn thesis kunnen nieuwe methodes ontwikkeld worden om de membranen op een minder tijdsintensieve manier te maken en de opschaling ervan te vergemakkelijken. Zo kan er gekeken worden naar het productieproces met een combinatie van korte en lange stappen en ook naar processen op verhoogde temperatuur of waar katalysatoren worden toegevoegd. Via Irian zijn werk zijn we een stapje dichter bij een meer uitgebreide kennis over deze nieuwe chemie voor de productie van duurzame, robuuste membranen.