CO2 scheiden met speciaal membraan

De hoeveelheid CO₂ in de lucht moet omlaag. Uit aard- en biogas, maar ook uit industriële verbrandingsgassen kan CO₂ verwijderd worden, zodat de uitstoot minder is. Hiervoor zijn al verschillende polymeermembranen ontwikkeld. Maar deze membranen werken niet goed bij een hogere druk, en daarom onderzocht promovendus Menno Houben hoe deze membranen efficiënter CO₂ kunnen afvangen.

Membranen zonder gaatjes

Wanneer je gas wilt scheiden met een membraan is daar een drukverschil voor nodig, legt Houben uit. “Bij een hogere druk komt er meer gas door je membraan. Bij een membraan denk je aan een soort koffiefilter, met microscopische gaatjes. Maar de membranen die wij gebruiken voor gasscheiding zijn heel anders, die hebben geen gaatjes. Ze worden ook wel ‘dense membranes’ genoemd.”

“Deze membranen kunnen een hele hoge scheidingsefficiëntie hebben, maar wanneer de gasdruk  omhoog gaat, ontstaan er problemen en zijn ze ineens een stuk minder efficiënt. Lastig, want hoge druk heb je nodig om de productiviteit hoog te houden. En bijvoorbeeld aardgas zit ook onder een hoge druk in de grond.”

Opzwellend membraan

De problemen ontstaan volgens Houben door plastificering, het opzwellen van het membraan doordat er veel CO₂wordt opgenomen. Zeker bij hogere druk zwelt het membraan snel op en functioneert het daarom een stuk minder.

Daarbij komt ook dat CO₂ onder hoge druk zich in de superkritische fase bevindt. In deze verschijningsvorm is het onderscheid tussen gas en vloeibare fase verdwenen en heeft het unieke eigenschappen. Superkritisch CO₂ komt alleen voor bij een relatief hoge temperatuur en druk, juist condities waarin de scheidingsmembranen snel plastificeren.

Hittebehandeling

Houben bekeek het plastificeringsproces op moleculair niveau en ontdekte dat bij hoge druk en superkritische omstandigheden de werking van het membraan vooral wordt bepaald door de balans tussen de vloeibare eigenschappen van CO₂ en plastificering.

“We zagen ook dat stabiele membranen een stuk beter bestand zijn tegen plastificering en het membraan dus langer goed blijft scheiden. Die stabiele membranen hebben we op drie verschillende manieren verkregen: door polymeren te mixen, een hitte-behandeling en door het chemisch crosslinken van de membranen. Alle methodes bleken effectief, maar de membranen die een hitte-behandeling hadden ondergaan gaven de gunstigste eigenschappen.”

“Zo konden we een stabiel membraan maken dat goed werkt bij hoge druk en niet zo snel plastificeert. Nu weliswaar alleen nog op labschaal, maar hopelijk kunnen deze inzichten gebruikt gaan worden bij de ontwikkeling van nieuwe stabiele membranen voor hogedruktoepassingen.”

Menno Houben verdedigt zijn proefschrift ‘Critical aspect of high-pressure CO₂-induced plasticization in polyimide membranes’ op vrijdag 19 november. Hij werd begeleid door prof.dr.ir. Kitty Nijmeijer en dr.ing. Zandrie Borneman.