Molecuulzeven lusten wel een biertje

Sommige poreuze materialen hebben zulke kleine gaatjes dat de ene soort moleculen er wel doorheen gaat en de andere niet....

KERAMISCHE membranen. Het klinkt als een exotisch vakgebied, en dat is het ook. Het gaat over minuscule zeven waar het ene molecuul wel doorheen valt en het andere niet. Na tien jaar in het laboratorium staan ze nu op het punt in de chemische industrie ingezet te worden. Daar gaan ze onvoorstelbare hoeveelheden energie besparen. Aldus de wereldtop op het gebied, die afgelopen week in Purmerend in een golfhotel bijeen was.

Dat zit zo. In de chemie is het onmogelijk zuivere stoffen te maken. Je krijgt altijd een vervuild mengsel. Om de ongewenste stoffen eruit te halen, wordt geselecteerd op kookpunt. Het bekendste voorbeeld is het scheiden van alcohol en water. Alcohol kookt bij tachtig graden, water bij honderd. Verwarm je het mengsel tot negentig graden dan verdampt de alcohol wel en het water niet. Als je de damp afvangt, krijg je redelijk zuivere alcohol.

Maar verwarmen vreet energie. Sommige scheidingsprocessen spelen zich bij honderden graden af. Andere processen, zoals het zuiveren van de grondstof voor de populaire kunststof polyetheen, juist bij min tachtig. Dat kost ook energie. Houd rekening met de enorme volumes aan stoffen die de industrie moet produceren, en er valt veel te besparen wanneer de mengsels gewoon bij kamertemperatuur zou kunnen worden gezuiverd.

Welnu, dat kan. Door niet te selecteren op kookpunt maar op formaat van de moleculen. Dan heb je membranen (zeven) nodig met microscopisch kleine gaatjes waar bijvoorbeeld watermoleculen wel doorheen gaan, maar de grotere alcoholmoleculen niet.

Het omgekeerde is ook mogelijk: zeven die alcohol wel doorlaten, maar water afstoten op dezelfde manier waarop vet water afstoot. Dat is bijvoorbeeld handig bij de productie van alcoholvrij bier. Dan wil je juist alle stoffen houden, behalve de alcohol. Bovendien is het altijd het eenvoudigst om de stof met de minste hoeveelheid ergens uit te halen.

De bestaande membranen zijn vaak gemaakt van kunststof. Dat is niet bestand tegen grote temperatuurwisselingen. Bovendien heeft het de neiging op te lossen in veel van de stoffen die de chemische industrie nou juist graag zou zuiveren. Daarom wordt momenteel druk onderzoek gedaan naar keramische materialen, zoals siliciumdioxide: zand. Die hebben deze nadelen niet.

'Met keramische membranen kunnen we nu al veel stoffen scheiden', vertelt prof. dr. Freek Kapteijn van de TU Delft, organisator van de werkconferentie. 'In Japan, dat met Nederland en de Verenigde Staten geldt als het land waar de ontwikkeling het verst is, maakt men nu al grote eenheden met een heleboel membranen erin. Ik denk dat we één à twee jaar afzitten van de eerste grootschalige toepassing.'

Die grootschaligheid is een kunst op zich. Het is mooi als je in een laboratorium een membraan hebt dat twee stoffen perfect scheidt. Maar de chemische industrie wil dat ze goedkoop zijn en niet om de haverklap kapotgaan of schoongemaakt moeten worden. Maar bovenal moeten ze heel veel kunnen verwerken, want de volumes zijn groot.

Een voorbeeld is aardgas. Elk gasveld levert ander gas op, maar de consument wil een constante vlam onder zijn pannetje. Dus is de Gasunie voortdurend bezig met mengen om de energie-inhoud van het aardgas constant te houden. Ook worden stoffen als stikstof en kooldioxide eruit gehaald met polymeermembranen. Van keramische membranen is echter bekend dat ze sneller werken.

Akzo toonde in Purmerend een proces om de productie van polyester te verbeteren. Bij deze synthese ontstaat water, dat als vervelende eigenschap heeft het polyester ook weer af te breken. Door het water via een membraan voortdurend af te voeren, verloopt de reactie efficiënter.

Keramische membranen kunnen ook de rol van landbouwproducten in de chemie versterken ten koste van olie. Eén van de problemen bij bijvoorbeeld de productie van kunststof uit melasse is de grote hoeveelheid water die de grondstof bevat. Die moet eruit. Als dat met destillatie gebeurt, is de bioplastic meteen stukken minder milieuvriendelijk. Met membranen kan dat probleem worden opgelost.

Mogelijkheden te over dus, maar ook nog wel wat hobbels te gaan. 'Membranen zijn vaak de eerste keus, maar je moet ze wel eerst hebben', zegt Kapteijns collega dr. ir. Michiel Makkee. 'En het blijft vrij lastig om bestaande bulktechnieken te verdringen.'

Kapteijn: 'Energiebesparing is de drijvende kracht achter deze ontwikkeling. Maar je moet wel opboksen tegen destillatie, een systeem dat in de loop van decennia geoptimaliseerd is. Daarom valt te verwachten dat keramische membranen eerst deel zullen uitmaken van hybride systemen in bestaande fabrieken. Dan wordt slechts een bepaald percentage van de te scheiden stroom via membranen gezuiverd. Zo beperkt men het risico van de nieuwe technologie. Als er iets misgaat, kan men immers terugschakelen naar de vertrouwde techniek.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden