Thin Film Nanocomposite Membranes: control over the position of the filler / Dunne Film Nanocomposiet Membranen: controle over de positie van de vuller

Van koffiefilters tot waterzuivering

De wekker gaat af. Je staat op, loopt de trap af en zet op de ouderwetse manier een kop koffie: koffiepoeder in het filterzakje, warm water erover, even wachten en tadaaa daar is die lekkere kop koffie. Zonder het te weten heb je net gebruik gemaakt van een veelbelovende tak van de wetenschap: membraantechnologie. Een chemisch membraan kan gezien worden als een filter: een stof gaat erdoor (water) en een ander wordt tegen gehouden (koffiepoeder). De toepassingen zijn veelbelovend en reiken, zoals je zelf al had gedacht, veel verder dan het zetten van een kop koffie. Zou het bijvoorbeeld niet fantastisch zijn om van zeewater drinkbaar water te maken?

Chemische membranen

De meeste chemische membranen bestaan uit organisch materiaal – polymeren – waar kleine poriën in zitten. Deze poriën moeten net groot genoeg zijn om de ene stof tegen te houden (zout/koffiepoeder) en de andere door te laten (water). Het vermogen van een membraan kan omschreven worden via retentie en permeabiliteit. Met retentie bedoelt men hoe goed het membraan in staat is om een stof tegen te houden. De permeabiliteit is het volume solvent (water) dat door het membraan heen kan per tijdseenheid.

Knelpunt van membraantechnologie

Het grote knelpunt van membranen is dat retentie en permeabiliteit omgekeerd evenredig verbonden zijn met elkaar. In mensentaal betekent dit dat het niet mogelijk is om snel koffie te zetten zonder dat er koffiepoeder door de filter heen komt. Dat is een spijtige zaak, niet alleen voor de koffie sensatie maar ook voor industriële toepassingen. Idealiter willen we snel (time is money) de gewenste scheiding uitvoeren, zonder dat er besmetting optreedt. Men is daarom op zoek gegaan naar oplossingen en is uitgekomen bij een fascinerende tak van de nanotechnologie. Is het mogelijk het knelpunt van membraantechnologie te omzeilen door nanopartikels in te bouwen in het membraan?

Nanotechnologie

Nanopartikels hebben een grootte in de nanometer schaal, dat is een miljardste kleiner dan een meter. Deze partikels kunnen zo gemaakt worden dat ze erg poreus zijn. Het oorspronkelijke idee achter het toevoegen van deze partikels aan het membraan is dat ze de permeabiliteit verhogen via hun eigen poriën. Het water kan nu niet enkel door de poriën van het polymeer, maar ook door de poriën van het partikel. Men verwacht dus dat de permeabiliteit voor het partikel-polymeer membraan (“nanocomposiet” membraan genoemd) hoger ligt dan voor het pure polymeer membraan. Indien de partikel poriën ook nog klein genoeg zijn, zou de retentie bewaard moeten blijven. Het lijkt in theorie dus mogelijk om zowel de retentie als de permeabiliteit van het membraan hoog te houden.

Nanocomposiet membranen

Verschillende onderzoeksgroepen ter wereld hebben kunnen aantonen dat de permeabiliteit verdubbelt indien nanopartikels worden toegevoegd aan het polymeer mengsel. Het knelpunt van membraantechnologie lijkt dus ook in praktijk afwezig bij nanocomposiet membranen. De vraag blijft echter wat het mechanisme is achter deze verhoging van permeabiliteit en bewaring van retentie. Is het werkelijk zo dat de porositeit van het partikel de grootste rol speelt? Of is het mogelijk dat andere parameters de scheiding beïnvloeden, denk bijvoorbeeld aan de grootte/vorm/massa van het partikel of zelfs de positie van het partikel in het polymeer. Precies dit laatste heb ik onderzocht in mijn masterproef.

Synthese methoden

Nanocomposiet membranen kunnen op meerdere manieren gemaakt worden. Bij de traditionele methode heeft men geen controle over de positie van de nanopartikels in de toplaag en evenmin over de hoeveelheid nanopartikels die worden ingebouwd (Figuur 1, links). Om dit op te lossen heb ik voor mijn masterproef een nieuwe methode bedacht, ECFP genaamd. Hierbij gebruiken we een extra stap die bestaat uit het laten verdampen van het solvent totdat er droge nanopartikels op de steunlaag liggen. Pas dan voegen we het puur polymeer mengsel (zonder partikels) toe. Bij deze methode zitten de nanopartikels goed ingebouwd in het polymeer (Figuur 1, rechts) en is er dus een grotere kans dat ze hun werk beter uitvoeren. En dat bleek ook zo te zijn! De permeabiliteit van de ECFP membranen was verdrievoudigd, in plaats van verdubbeld bij de traditionele nanocomposiet membranen. In koffietaal betekent dit dat het mogelijk is om in dezelfde tijd 3x meer koppen koffie te zetten met ECFP filters dan met gewone filters. Een echt plezier voor eender welk gezin, lijkt mij. Maar ook voor de membraanwereld betekent dit natuurlijk een enorme vooruitgang.

Paniek

Toen ik dacht dat mijn masterproef niet meer stuk kon, deed ik een zeer onverwachte ontdekking: er bleken maar heel weinig nanopartikels zichtbaar in de toplaag! Normaal zouden er biljoenen partikels in de toplaag moeten zitten, terwijl wij er maar enkele konden identificeren, zelfs met de krachtigste elektronenmicroscopen. Dat bleek echter ook het geval te zijn voor de traditionele nanocomposiet membranen. PANIEK! Waar zijn de partikels naartoe? Waarom zijn er zo weinig ingebouwd? Als er zo weinig in zitten, hoe kunnen ze dan toch de permeabiliteit laten stijgen? Het leek wel magie … En om eerlijk te zijn, dat lijkt het nu nog altijd voor een groot deel.

Mysterie

Het mechanisme achter de verhoging van de permeabiliteit van nanocomposiet membranen blijft tot op de dag van vandaag een mysterie. Zoals eerder vermeld, beweert men dat de verhoogde permeabiliteit het gevolg is van de porositeit van de partikels. Maar hoe kan dat als er maar zo weinig nanodeeltjes worden ingebouwd? Het lijkt dus zeer onwaarschijnlijk dat hun aanwezigheid in het membraan dus de werkelijke oorzaak is. Momenteel denken we dat de nanopartikels de structuur van het gehele polymeer veranderen, en zo de permeabiliteit beïnvloeden. Maar zeker zijn we hier nog niet van. Daarvoor is verder onderzoek nodig. Afgezien daarvan kan mijn masterproef gezien worden als het begin van een fascinerende zoektocht naar het échte mechanisme achter nanocomposiet membranen. Eenmaal dit mechanisme is achterhaald, zou het schrijnend tekort aan drinkbaar water moeten verdwijnen. De oceanen en zeeën zouden vanaf dan ons nieuw Evian-water kunnen zijn. Een serieuze uitdaging met gevolgen waar men nu enkel van kan dromen!