Verschillende componenten van elkaar scheiden met membranen kost veel energie dan wanneer je verhitting gebruikt, zoals de gangbare destillatie in de olieraffinage. Membranen worden al breed toegepast in reverse osmose om water te ontzilten. ‘Vroeger gebeurde dat door water te laten verdampen en weer te laten condenseren. Het pompen van water door een membraan is veel efficiënter’, zegt Wiebe de Vos, hoogleraar Membrane Surface Science aan de Universiteit Twente. De onderzoeksgroep van Andrew Livingston (Imperial College Londen) werkte samen met wetenschappers van de King Abdullah University of Science and Technology (Saoedi-Arabië) en ExxonMobil aan polyamide membranen voor het scheiden van olie. ‘Voor reverse osmose zijn dunne film polyamide membranen de standaard. Het gebruik van deze membranen voor oliescheidingen is nieuw’, aldus De Vos.

MOA’s

Polyamide membranen worden gesynthetiseerd via zogeheten interfaciale polymerisatie. Hierbij vindt polymerisatie plaats op het grensvlak van twee niet-mengbare fasen; een waterige en een apolaire laag. Zo ontstaat op de scheidingslaag een zeer dunne membraanfilm. Deze membranen zijn erg robuust in waterige omgevingen, maar kunnen slecht tegen koolwaterstoffen en industriële oplosmiddelen. ‘De uitdaging voor membraanonderzoekers is om hoge fluxen [doorlaatbaarheid, red.] te behalen en een lage cut-off, ofwel een hoge selectiviteit. Daarbij moeten de membranen ook stabiel blijven bij temperaturen tot 80 graden Celsius. In het geval van een oliescheiding moeten ze niet oplossen in industriële solventen of er ook niet excessief in zwellen’, legt Ivo Vankelecom, hoogleraar membraantechnologie van de KU Leuven, uit.

Het team van Livingston had een membraan voor ogen dat aan al deze voorwaarden voldoet. Ze synthetiseerden een toplaag opgebouwd uit zogeheten multiblock oligomeer amines (MOA’s); een centraal amine-segment met twee hydrofobe oligomeer-uiteindes. Door deze MOA’s in een olie-water mengsel te brengen, ontstonden kleine belletjes of vesicles genaamd. Het hydrofobe deel is naar binnen gericht en het hydrofiele deel naar buiten. De vorming van de belletjes is vergelijkbaar met de vorming van micellen van zeepmoleculen. De onderzoekers pasten vervolgens de interfaciale polymerisatietechniek toe om een robuuste membraanfilm van slechts 10 nanometer dik te vormen. De vesicles zijn mechanisch sterk en blijven ook onder een druk van 10 bar intact. Daarnaast blijven de membranen stabiel bij temperaturen tot 50 graden Celsius, zonder negatieve effecten op de doorlaatbaarheid en de selectiviteit. Door de lengte of samenstelling van de hydrofobe ketens te variëren is de selectiviteit te beïnvloeden. Activatie met aceton maakte de doorstroming door het membraan nog efficiënter.

‘Opschalen is vaak ook een geldkwestie’

Ivo Vankelecom

Weerstand

Zowel Vankelecom als De Vos merken op dat de gebruikte materialen nieuw zijn voor deze toepassing. ‘Polyamide membranen voor omgekeerde osmose zijn hydrofiel. Voor oliescheidingen moet de actieve laag juist hydrofoob zijn’, zegt De Vos. ’Het is mooi om te zien dat zij dezelfde toolbox gebruiken, maar het membraan apolaire eigenschappen geven om ze geschikt te maken voor oliescheidingen.’ Vankelecom: ‘In het membraanonderzoek worden verschillende strategieën bestudeerd om de permeatie te verbeteren. In de selectieve polymeerlaag worden vaak vullers toegevoegd om zo mixed matrix membranes te bekomen. Er worden bijvoorbeeld zeolieten of MOFs, [metal organic frameworks, red.] om simultaan flux en selectiviteit te verhogen. De MOA’s die hier worden gebruikt, heb ik nog niet eerder gezien in membraantoepassingen.’

Dit nieuwe membraan zorgt voor een veel hogere permeatie van koolwaterstoffen. De flux is wel tien tot honderd keer groter dan tot nu toe was gelukt. Een bijzondere prestatie, aldus Vankelecom. ‘De hoge permeatie van dit nieuwe membraan is indrukwekkend. De membranen die tot nu toe zijn getest voor het scheiden van ruwe olie behalen veel lagere fluxen. Dat komt doordat de selectieve laag meer weerstand biedt. De micellen zorgen er in dit geval voor dat de olie er gemakkelijker doorheen stroomt.’ De Vos voegt toe: ‘Ze hebben de juiste hydrofobiciteit en de juiste permeatie bereikt om een specifieke fractie, kleine moleculen, te verkrijgen.’

Vel papier

Beide membraan-wetenschappers zien veel potentieel in dit nieuwe materiaal, maar denken dat er nog wel werk te verrichten valt. Vankelecom: ‘De stabiliteit van het membraan moet nog over een langere periode worden gegarandeerd. En het moet stabiel blijven onder druk.’ Daarnaast moet ook de steunlaag waarop het laagje wordt afgezet sterk zijn en niet oplosbaar. Voor een industriële toepassing moet het membraan bovendien flink worden opgeschaald. Het lukte de onderzoekers om een membraan zo groot als een vel papier, maar voor industrieel gebruik zijn oppervlaktes van tientallen vierkante meters nodig. De Vos: ‘Het voordeel is dat gebruik gemaakt wordt van polyamidechemie, die al op grote schaal in membranen wordt toegepast. Maar de onderzoekers maken in dit geval eerst een vrijstaande film, die ze vervolgens op een drager aanbrengen. Dat is zeker niet schaalbaar. Normaal gesproken wordt de membraanfilm op de drager gebracht door de ene component in waterfase in de drager te brengen en dan de oliefase hieraan toe te voegen. Hierdoor reageren de twee componenten met elkaar, exact waar de scheidende laag nodig is, bovenop het dragermateriaal.’ De Vos denkt daarom dat de onderzoekers de membraanlaag dikker moeten maken. ‘Hoe dunner de membraanlaag, hoe beter de permeatie, terwijl de selectiviteit niet zozeer beïnvloed wordt door de dikte van de film. Maar het voorkomen van defecten in zo’n dunne laag is een enorme uitdaging. Op kleine schaal kun je zo’n dunne laag nog wel aanbrengen zonder dat er defecten ontstaan. Maar op grote schaal is dat moeilijk. En een defect in een membraanfilm betekent dat de olie er zo doorheen stroomt en er geen scheiding plaatsvindt.’

‘Het gebruik van deze membranen voor oliescheiding is nieuw’

Wiebe de Vos

Roll-to-roll synthese

Ook Vankelecom denkt dat het opschalen van dit membraan moeilijk wordt. ‘De honderden vierkante meters membraan die je voor een industriële toepassing nodig hebt, zul je met een roll-to-roll synthese moeten uitvoeren. Dat is een continu proces. Omdat het om een nieuw materiaal gaat, zal dat een uitdaging zijn. Maar de groep van Andrew Livingston heeft zeker wel ervaring met het opschalen van membranen en weet daar ook geld voor te vinden. Want het is vaak toch ook een geldkwestie: je hebt een groter apparaat nodig om een groter membraan te maken en daar is budget voor nodig.’

De Vos denkt dat destillatie voorlopig nog niet kan worden afgezworen. ‘Het is een proces dat al jaren gewoon heel goed werkt. Olie kan op die manier in wel twintig fracties worden gescheiden. Dit membraan zorgt voor twee fracties. Als je de selectiviteit van het membraan kunt sturen, kun je moleculen met andere afmetingen afvangen of tegenhouden. Je zou kunnen denken aan membraan-stageing om meerdere fracties te verkrijgen.’ Ook kunnen andere typen membranen als aanvulling worden toegepast. ‘Een aantal onderzoekers dat betrokken was bij dit onderzoek, publiceerde in juni in Science over een ander type membraan waarmee lichte koolwaterstoffen van zwaardere en lineaire van aromatische koolwaterstoffen konden worden gescheiden.’ Maar het kan misschien nog wel tien jaar duren eer dit membraan echt in de industrie wordt gebruikt. ‘Alternatief kan de membraanscheiding ook gebruikt worden om bijvoorbeeld een eerste fractionering te maken en vervolgens met andere technologieën verder op te zuiveren. Zulke hybride processen zijn vaak nog het meest efficiënt’ vult Vankelecom aan.