Membranen kunnen de wereld een stuk duurzamer maken, maar duurzaam produceren blijft nog altijd lastig. Wiebe de Vos van het MST cluster vertelt NEMO Kennislink over zijn onderzoek naar de duurzame productie van membranen in water. In het artikel vertelt hij over de aanleiding van zijn onderzoek, zijn nieuwe membranen, maar ook de toekomstplannen.
Het volledige artikel is hier onder te lezen of op de site van Kennislink.
Nieuwe technologie maakt groen filteren mogelijk
Auteur: Renée Canrinus-Moezelaar (Kennislink)
Nierdialyse en waterzuivering zijn twee toepassingen van flinterdunne filters die we membranen noemen. Deze membranen kunnen de wereld een stuk duurzamer maken, maar we kunnen ze nog niet duurzaam produceren. Daar wil de Twentse onderzoeker Wiebe de Vos verandering in brengen.
Waarschijnlijk gaat er bij jou niet meteen een belletje rinkelen als ik het over een membraan heb. Misschien ken je de term nog uit de biologieles, en weet je dat een membraan een dun laagje is dat om alle cellen in ons lichaam zit en zo de onderdelen van deze cel bij elkaar houdt. Maar wist je dat we in de wereld nog veel meer soorten membranen gebruiken? Deze dunne velletjes zijn heel belangrijk in de industrie, bijvoorbeeld om zout water zoet te maken en om allerlei chemicaliën en zelfs gassen van elkaar te scheiden. En in de toekomst is misschien nog wel veel meer mogelijk, zeker nu Nederlandse onderzoekers een manier hebben gevonden om deze materialen een stuk duurzamer te maken.
Divers en duurzaam
“Membranen zijn zo mooi omdat ze heel divers zijn”, vertelt professor membraantechnologie Wiebe de Vos van de Universiteit Twente. “We gebruiken ze in nierdialyse om afvalstoffen uit het bloed te halen, bij de waterzuivering om medicijnresten uit het water te vissen, in de voedingsindustrie om bacteriën uit melk te halen en noem maar op. En ze zijn ook nog flexibel, je kunt ze helemaal naar jouw wensen afstellen.”
Een membraan ziet er ongeveer uit als een extreem dunne zeef van een paar micrometer dik. Maar waar een zeef eigenlijk alleen dingen tegenhoudt die groter zijn dan de gaatjes die erin zitten, gaan deze filters verder: “Grote gaten van een paar micrometer houden bijvoorbeeld bacteriën tegen omdat die niet door de gaten passen. Maar als je kleinere gaten maakt van maximaal twintig nanometer in doorsnede gaan er ook andere processen een rol spelen, bijvoorbeeld de lading. Zo stoot een positief geladen membraan andere positief geladen deeltjes af, maar kan een negatief- of ongeladen deeltje er wel doorheen – zelfs als hij groter is dan het positief geladen deeltje.”
Al deze eigenschappen kun je heel precies aanpassen naar je eigen behoeftes, en dat maakt deze zeefjes zo interessant voor de industrie. “Ze scheiden stoffen snel en efficiënt en dat maakt ze geschikt voor duurzame toepassingen”, vertelt De Vos. “Je kunt ze bijvoorbeeld gebruiken om op een heel groene manier drinkwater te maken.” De meeste membranen maken fabrikanten met een relatief simpele methode die onderzoekers zeventig jaar geleden ontwikkelden. De Vos legt uit: “Je begint met een of twee polymeren – lange ketens van aan elkaar geklikte moleculen. Die los je op in het oplosmiddel NMP en vervolgens breng je dit oplosmiddel in contact met water. Door dit contact ontstaat er een zogenoemde fasescheiding: het polymeer lost niet meer op en vormt een dun, poreus en vast laagje. Dit is je membraan.”
Toch best schadelijk
De methode is erg snel en makkelijk aan te passen, maar toch kleeft er een groot nadeel aan. “Het oplosmiddel dat je gebruikt is niet bepaald duurzaam en bovendien schadelijk voor de mens”, vertelt De Vos. “En je hebt er ook relatief veel van nodig. Dat maakt de productie een stuk minder duurzaam.” Ook de Europese Unie ziet het gevaar van NMP, en in mei 2020 gaat de REACH-wetgeving in die het gebruik van deze stof sterk moet verminderen. De Vos: “Dit oplosmiddel en vergelijkbare oplosmiddelen zijn niet meteen verboden, maar het gebruik vergt vanaf dan veel meer papierwerk, tijd en dus geld.”
Het lijkt dus zaak voor fabrikanten om over te stappen op een duurzamere productiemethode. Alleen tot voor kort was die er helemaal nog niet. “De fabrikanten willen wel verduurzamen, maar weten niet hoe”, zegt De Vos. “Maar wij hebben nu een mogelijke oplossing gevonden.” De professor lost voor zijn methode twee verschillende polymeren op in dezelfde bak met water. “Het ene polymeer is negatief geladen, het andere polymeer is neutraal en daarom klonteren ze niet samen”, legt hij uit. “We maken er een dun laagje van en brengen dat laagje in aanraking met heel zuur water. Door die zuurgraad wordt het neutrale polymeer positief geladen, en gaan de polymeren elkaar aantrekken en samenklonteren. Dan vormen ze een membraan.”
In dezelfde machine
De methode van De Vos werkt volgens hem net zo snel en simpel als de klassieke methode waardoor hij was geïnspireerd: “We zochten iets wat net zo snel en flexibel werkt, want anders krijg je mensen niet zo ver om over te stappen. En dat lukt volgens mij aardig, we kunnen al een hele reeks verschillende membranen maken.” Hij hoopt dan ook dat zijn techniek aantrekkelijk genoeg is voor fabrikanten: “Je kunt deze techniek in principe gewoon in de oude machines gebruiken. Dat moet ze toch wel aanspreken.” Maar ook voor de gebruikers zijn er voordelen: “Membranen voor de medische wereld moet je heel goed schoonmaken na de productie, want de oplosmiddelen mogen niet in de patiënt terechtkomen. Die stappen bespaar je met onze methode.”
De onderzoeker heeft inmiddels al contact met verschillende bedrijven, maar hij merkt dat ze vaak nog afwachtend zijn. En niet geheel onterecht: “De oude methode heeft zeventig jaar gehad om recepten te ontwikkelen zodat je honderden verschillende soorten kan maken. Zo ver zijn wij nog niet.” Zo moeten de membranen die hij maakt in ieder geval nog wat steviger. “Je moet zo’n filter onder allerlei omstandigheden kunnen gebruiken en het liefst zo lang mogelijk. Hij moet niet kapotgaan door hoge druk en ook niet als je hem schoonmaakt met chemicaliën. Daar moeten we nog aan werken.”
Nieuwe eigenschappen
Maar De Vos en zijn collega’s denken verder dan alleen het vervangen van de huidige membranen. “Misschien lukt het om met onze techniek membranen te maken die stoffen scheiden die we nu nog niet uit elkaar kunnen houden. Of we geven ze hele nieuwe eigenschappen voor nieuwe toepassingen.” Zo werkt De Vos al aan filters die reageren op hun omgeving: “We hebben een polymeer gebruikt dat van vorm verandert als je de zuurgraad aanpast. Die eigenschap zit dan ook in het membraan. Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn tijdens het schoonmaken, omdat bepaald vuil er misschien niet meer aan kan hechten als het oppervlak verandert.”
Of zijn methode de nieuwe doorbraak in de membraantechnologie gaat worden durft De Vos nog niet te voorspellen. Maar hij hoopt in ieder geval dat zijn onderzoek andere wetenschappers en fabrikanten inspireert: “Membranen hebben zo veel potentie om de wereld groener te maken, het is gewoon zonde dat we ze niet optimaal duurzaam produceren.”
