Sweet spot voor membraandikte biedt duurzame scheidingen

Superdunne koolstofmoleculaire zeef (CMS)-membranen zijn misschien niet de beste voor het scheiden van industrieel belangrijke chemische mengsels. Door ervoor te zorgen dat de CMS-filmdikte precies goed is, kan een meer energie-efficiënte zuivering van chemische producten mogelijk worden, hebben onderzoekers van KAUST aangetoond.

CMS-membranen kunnen, zoals hun naam al doet vermoeden, mengsels van vloeistoffen of gassen zuiveren door alleen bepaalde moleculen door hun subnanometergrote poriën te laten gaan. Momenteel gebruikt de chemische industrie voornamelijk op warmte gebaseerde processen zoals distillatie om productmengsels te scheiden, maar deze processen verbruiken ongeveer 10 procent van de wereldwijde energie-output. “Deze situatie is hoogst onhoudbaar”, zegt Wojciech Ogieglo, onderzoekswetenschapper bij KAUST. “Wij zijn van mening dat een groot deel van deze energie-intensieve scheidingen zou kunnen worden vervangen door veel milieuvriendelijkere membraanscheidingen.”

CMS-membranen worden gemaakt door een laag koolstofrijke polymeren op een geschikte drager af te zetten en vervolgens warmte toe te passen om het polymeer om te zetten in een microporeuze CMS-film. “CMS-materialen leveren verreweg de beste prestaties voor een breed scala aan zeer energie-intensieve membraangebaseerde gasscheidingstoepassingen”, zegt groepsleider Ingo Pinnau.

“Deze materialen zijn ook bijzonder chemisch robuust”, merkt Ogieglo op. “Ze zijn veelbelovend voor situaties zoals de productie van plastic of het opvangen van broeikasgassen, omdat ze betrouwbaar presteren, zelfs in zeer agressieve chemische omgevingen en bij hoge temperaturen”, zegt hij.

Een aspect van CMS-membraanonderzoek is het optimaliseren van de CMS-filmdikte om de energie die nodig is om een ​​chemisch mengsel te scheiden, te minimaliseren. “Intuïtief zou je kunnen denken dat hoe dunner het membraan, hoe beter”, zegt Ogieglo. Een dunnere CMS-laag zou naar verwachting de minste transportweerstand opleveren voor moleculen die door de poriën gaan. Het team ontdekte echter dat toen ze CMS-films van minder dan 50 nanometer maakten, de CMS-laag erg compact was met een lage microporositeit. “Zulke extreem dunne films blijken veel meer transportweerstand te bieden dan verwacht”, zegt Ogieglo. Dikkere CMS-films van 300 nanometer hadden een significant hogere microporositeit, zo toonde het team aan.

“Wij zijn van mening dat er een goede plek moet zijn in het diktebereik – niet te dun, niet te dik – waar de membraanprestaties optimaal zijn”, zegt Ogieglo. “We proberen momenteel uit te zoeken waar deze sweet spot ligt voor verschillende soorten membraanmaterialen.”

“De resultaten zullen bijdragen aan de bredere inspanningen van het team om schaalbare, industrieklare CMS-scheidingsmembranen te creëren”, zegt Pinnau. “We zijn momenteel bezig met het opschalen van de productie van CMS-composietmembranen om hun prestaties en stabiliteit op lange termijn in membraanmodules te testen”, voegt hij eraan toe.