Nieuw proces ‘bakt’ defectvrije zeolieten

Amerikaanse onderzoekers hebben een maner bedacht om zeolietmembranen te maken zonder structurele defecten. Daarmee worden die membranen ineens een stuk bruikbaarder voor industriële scheidingsprocessen, zo meldt Michael Tsapatsis ( University of Minnesota) vandaag in Science.

Tot nu toe moet de procesindustrie zich voor die scheidingsprocessen nog behelpen met energievretende destillatiekolommen. Mmebraanscheiding scheelt in theorie enorm in het energieverbruik maar de huidige zeolieten vertonen te veel lekken, en kunststofmembranen zijn veelal niet robuust genoeg.

Tot nu toe worden zeolieten meestal gemaakt door metaaloxiden te laten kristalliseren, waar een vleugje organisch materiaal doorheen zit. Vervolgens verhit je de kristallen tot 400 à 500 graden Celsius,zodat de organische stof er uit wordt gebrand. Wat er dan aan ruimte overblijft zijn de poriën van je membraan. Door de componenten zorgvuldig te kiezen kun je poriegrootte en -structuur aardig instellen.

Probleem is dat de zeoliet niet bestaat uit één groot kristal maar uit een groot aantal kleintjes. Tussen die kristalletjes vormen zich scheuren die vaak groter dan de poriën zijn en de eigenschappen van het membraan verpesten. Je kunt dit enigszins voorkomen door het verhitten heel langzaam en voorzichtig te laten verlopen, maar dat maakt het productieproces meteen een stuk tijdrovender en duurder.

Tsapatsis en collega’s hebben nu een proces otnwikkeld waarbij je de kristallen juist heel snel verwarmt, en tot een hogere temperatuur dan gebruikelijk. Denk aan opstoken tot 700 graden Celsius binnen een minuut, en dan die temperatuur hooguit 2 minuten vasthouden.

Volgens de onderzoekers worden de kristallen door dit ‘Rapid Thermal Processing’-proces (afgekort RTP) als het ware uitgegloeid (‘annealing’) waardoor ze onderling bindingen vormen en min of meer aan elkaar groeien. scheidingseigenschappen zuden hierdoor ‘dramatisch’ worden verbeterd. Herhaal je het proces nog een keer, dan krijg je een membraan dat goed genoeg is om een bruikbaar alternatief voor de huidige scheidingsprocessen te vormen.

Tot nu toe heeft Tsapatsis alleen zeolietmembranen van een aantal micrometers dikte gemaakt. Hij is nog aan het proberen of het een factor 10 tot 100 minder kan, zodat de scheiding een stuk sneller verloopt.

bron: National Science Foundation