Omdat overheden, bedrijven en onderzoek steeds meer afstappen van fossiele brandstoffen, kijken veel onderzoekers naar biogas als een haalbaar alternatief. Biogas is een bijproduct van veel landbouwactiviteiten en wordt vaak gewoon verbrand voor warmte of stroom. Om efficiënter gebruik te maken van de waardevolle moleculen die in het gas verborgen zitten, kun je het zuiveren met membranen.

Een van de manieren om deze membranen te maken is via niet-oplosmiddel geïnduceerde fasescheiding (non-solvent induced phase separation, NIPS). ‘Het is een proces waarbij een polymeeroplossing wordt omgezet in een vast, poreus materiaal door contact met een niet-oplosmiddel’, legt Ivo Vankelecom uit, hoogleraar aan de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen van de KU Leuven. Vankelecom, Amit Shenoy en collega’s ontwierpen zo’n membraan met behulp van polyimide Matrimid 5218s in combinatie met groene oplosmiddelen, zo melden ze in het Journal of Membrane Science.

Groen

‘Conventioneel worden deze polyimide-membranen gemaakt met oplosmiddelen zoals DMF of NMP’, zegt Shenoy, promovendus in de groep van Vankelecom. Hoewel deze heel gangbaar zijn en prima werken voor het oplossen van polyimiden, is het grote nadeel dat ze niet altijd veilig zijn in gebruik. Tijdens het fabricageproces ontstaat er veel afvalwater met oplosmiddelen. ‘Het afval is schadelijk voor waterleven en mogelijk gevaarlijk voor operators als je er niet voorzichtig mee omgaat’, vervolgt Shenoy. ‘We kozen voor een combinatie van oplosmiddelen die minder giftig zijn voor het milieu en minder schadelijk voor operators.’

Deze oplosmiddelen – dimethylsulfoxide (DMSO), methyl-THF en Tamisolve® – kun je volgens Vankelecom als groen beschouwen. ‘Groen is een heel breed begrip in de chemie. Er zijn twaalf principes waarin een chemische stof of proces groen kan zijn, zoals het milieu, toxiciteit, vluchtigheid enzovoort. Deze drie oplosmiddelen zijn groen in minstens één van deze aspecten.’ Shenoy voegt toe: ‘Tamisolve® wordt beschouwd als niet-reprotoxisch, wat betekent dat het niet schadelijk is voor de voortplanting van leven. DMSO en methyl-THF zijn beide biologisch afbreekbaar en de laatste is ook biobased.’

Koffiefilter

Het was niet eenvoudig om de groene oplosmiddelen te laten werken. ‘Hoewel er veel literatuur is over polyimiden, wordt het een compleet nieuwe syntheseomgeving als je de standaard oplosmiddelen verandert’, legt Shenoy uit. ‘En sommige van deze groene oplosmiddelen zijn pas sinds kort goed verkrijgbaar, er was praktisch geen literatuur waarop we ons werk konden baseren.’ Dit betekende dat het Leuvense team niet alleen hun protocol bijna vanaf de grond moest opbouwen, maar ook de fundamentele wetenschappelijke concepten die in het spel waren moest onderzoeken. ‘We wilden weten wat er gebeurde tussen het polymeer, het niet-oplosmiddel en de groene oplosmiddelen.’

Het was een lastige balanceeract. ‘Membranen voor biogaszuivering moeten hele kleine poriën hebben om gasmoleculen zoals methaan of kooldioxide te scheiden’, zegt Vankelecom. ‘Voorzichtigheid was daarom geboden voor ons NIPS-protocol; de verschillende onderdelen kunnen zich heel onvoorspelbaar gedragen, waardoor je ofwel een membraan krijgt met nanoporiën of iets dat meer lijkt op een koffiefilter.’

Industrieel niveau

Hoewel de publicatie vrij recent is, werkt het team al een paar jaar hard aan dit membraantype. Vankelecom: ‘In deze paper laten we ons begrip van het systeem zien, maar op de achtergrond hebben we gekeken naar het opschalen en op de markt brengen van onze uitvinding. We hebben al een paar plekken waar we de membranen kunnen testen, om te zien hoe ze zich gedragen in een echte omgeving vergeleken met het lab.’ Deze piloottests beginnen over een paar weken.

Shenoy had de leiding over het opschalen en testen van het membraan. ‘Dat was echt een hoogtepunt voor mij’, zegt hij. ‘We hebben een tijdje met dit membraan gewerkt in het lab, maar werken op pilootschaal is heel anders. Hiervoor gebruikten we onze zogenaamde Smart Coater, die NIPS via een continue roll-to-roll procedure op grote schaal kan doen, wat de synthese geschikter maakt voor de industrie.’

Lees verder onder de afbeelding

Het team werkt samen met het onderzoeksinstituut Inagro, dat organisch afval uit de lokale landbouw vergist. Daarnaast maken collega’s van de VUB in Brussel, die zich richten op verdere zuivering van biogas door adsorptie, deel uit van dit FWO-SBO-project. ‘We willen uitzoeken of onze membranen de biogaszuivering op zichzelf kunnen uitvoeren of dat ze de adsorptietechnologie nodig hebben die aan de VUB ontwikkeld is om de uiteindelijke zuiveringsdoelen te bereiken’, verduidelijkt de Leuvense professor.

In het algemeen is het doel van dit onderzoek om een zeer goedkoop systeem te maken dat zelfs op boerderijschaal kan werken. ‘Op dit moment richten we ons niet op de zeer grote industriële operaties, maar op kleinere en meer lokale boerderijen of gegroepeerde boerderijen’, zegt Vankelecom. ‘We mikken dus niet per se op maximale procesefficiëntie, maar eerder op maximale betaalbaarheid en gebruiksgemak. Dat is de niche waar we naar op zoek zijn.’

Shenoy, A.M. et al. (2025) J. Mem. Sci. 717, DOI: 10.1016/j.memsci.2024.123573