Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en NHL Stenden Hogeschool ontwikkelden een polymeermembraan uit biobased appelzuur. Het superamfibisch vitrimere epoxyhars membraan scheidt water en olie en is volledig recyclebaar. Wanneer de poriën verstopt zijn door verontreinigingen, kan het worden gedepolymeriseerd, gereinigd en vervolgens tot een nieuw membraan worden geperst.

Superamfibische membranen, die zowel van olie als van water houden, zijn een veelbelovende oplossing voor het opruimen van olievlekken op water. Helaas zijn deze membranen  vaak niet robuust genoeg voor gebruik buiten de laboratoriumomgeving. Bovendien kunnen de membraanporiën dichtslibben door aangroei van algen en zand. Chongnan Ye en Katja Loos van de Rijksuniversiteit Groningen en Vincent Voet en Rudy Folkersma van NHL Stenden gebruikten een relatief nieuw type polymeer om een membraan te maken dat zowel sterk als gemakkelijk te recyclen is.

De wetenschappers maken het nieuwe vitrimeer membraan door polymeren uit het natuurlijke monomeer appelzuur te persen en sinteren. Dit membraan kan worden gerecycled door het te malen en vervolgens te persen en te sinteren.

Dynamisch netwerk

Vitrimeerplastics zijn polymeren met de mechanische eigenschappen en chemische resistentie van een thermohardende kunststof. Vitrimeer-kunststoffen kunnen zich echter ook gedragen als een thermoplast, omdat ze kunnen worden gedepolymeriseerd en hergebruikt. Dit betekent dat een vitrimeer kunststof alle kwaliteiten bezit om een goed membraan te vormen voor de sanering van olielekken.

De polymeren in het vitrimeer zijn op een omkeerbare manier verknoopt’, legt Voet uit. Ze vormen een dynamisch netwerk, dat recycling van het membraan mogelijk maakt.’ De wetenschappers produceren het vitrimeer via basegekatalyseerde ringopeningspolymerisatie tussen appelzuur en epoxy-gemodificeerd appelzuur.

Poriën

Zowel water als olie verspreiden zich over het resulterende superamfibisch membraan. Bij een olieramp is veel meer water aanwezig dan olie. Het overvloedig aanwezige water bedekt het membraan en passeert  vervolgens door de poriën. Voet: ‘De waterfilm aan het oppervlak van het membraan houdt de olie uit de poriën en scheidt deze van het water.’

Het membraan is stevig genoeg om olie uit het water te filteren. Als zand en algen de poriën verstoppen, kan het membraan na verwijdering van de verontreinigingen worden gedepolymeriseerd. Daarna kan men van de bouwstenen een nieuw membraan maken. ‘We testten dit op laboratoriumschaal van enkele vierkante centimeters’, zegt Loos. ‘En we zijn ervan overtuigd dat onze methoden schaalbaar zijn. Zowel voor de polymeer-synthese als voor de productie en recycling van het membraan.’ De wetenschappers hopen dat een industriële partner de verdere ontwikkeling op zich zal nemen.

Toepassingen

Het maken van dit nieuwe membraan voor olielekkagesanering toont de kracht van samenwerking tussen een onderzoeksuniversiteit en een toegepaste universiteit. Loos: ‘Een tijdje geleden besloten we dat de polymeergroepen van de twee instituten één moesten worden. Door studenten, staf en faciliteiten te delen. We startten onlangs de eerste hybride onderzoeksgroep in Nederland. Dat maakt het makkelijker om toepassingen te vinden voor nieuw ontworpen materialen. Voet: ‘Polymeerchemici streven ernaar moleculaire structuren te koppelen aan materiaaleigenschappen en toepassingen. Ons hybride onderzoeksteam heeft de ervaring om precies dat te doen.’

UT-onderzoekers laten een nieuwe manier zien om anionuitwisselingsmembranen te ontwikkelen. Ze maakten de membranen uit een nieuw soort plastic (saloplastic). De onderzoekers laten ook zien dat hun techniek membranen kan maken die zeer stabiel zijn in extreme omstandigheden zoals een zeer hoge of lage pH. Dit maakt ze bruikbaar voor brandstofcellen of waterontzilting.

Elektrodialyse is een beproefde techniek voor de ontzilting van zeewater of brak water. Deze techniek vereist een ionenuitwisselingsmembraan dat selectief de ionen uit waterig zout doorlaat, maar tegelijkertijd het water zelf tegenhoudt. Deze membranen produceren is nog een uitdaging en leidt vaak tot dure membranen die niet stabiel zijn in extreme omgevingen met een zeer hoge of een zeer lage pH.

Saloplast

De onderzoekers vonden een techniek die de problemen van de commercieel gebruikte ionenuitwisselingsmembranen kan oplossen door een zogenaamde saloplast maken. ‘Bij het mengen van bepaalde positief- en negatief geladen polymeren in water konden we al een poly-elektrolyt complex (PEC) maken dat het best kan worden omschreven als een mozzarella-achtige bol van plastic’, zegt onderzoeker Wiebe de Vos. ‘Het grootste probleem bleef de eenvoudige verwerking van dit complex tot een bruikbaar membraan.’

Hittepers

Na onderzoek van verschillende technieken vonden de onderzoekers dat hittepersen de hoogste kans van slagen had. Bij dit proces plaatst men de PEC in een mal die vervolgens in een hittepers wordt geplaatst. In het begin sluit de pers zonder extra druk en warmt op tot een temperatuur van tachtig graden Celsius. Na ongeveer twintig minuten, wanneer het materiaal de gewenste temperatuur bereikt, verhoogt de druk tot tweehonderd bar. Dit is vergelijkbaar met de druk ongeveer twee kilometer onder water.

De PEC houdt deze omstandigheden vijf minuten vast. Daarna koelt het materiaal af tot 25 graden Celsius. Het hele proces duurt ongeveer een uur, veel minder dan bij andere gebruikte technieken die tot enkele dagen kunnen duren. Het eindproduct is een transparante film met hoge dichtheid. Het plastic is stevig en flexibel en volledig dicht tot op de nanometerschaal. Bovendien is het proces volledig schaalbaar met uitstekende controle over de grootte, dikte en structuur van het membraan.

Brandstofcellen en ontzilting

Naast ontzilting kan het membraan ook op veel andere manieren gebruikt worden. De stabiliteit bij zeer hoge en lage pH-waarden maakt het geschikt voor brandstofcellen. Ook hangt het relatief eenvoudige productieproces niet af van organische oplosmiddelen, en repareert het materiaal zichzelf in zout water. Mogelijk gaat het hier om het membraan van de toekomst.

Nederlandse watertechnologiespecialist PWNT en de Japanse keramische membraanspecialist Metawater hebben een overeenkomst getekend om de bestaande samenwerkingsverbanden te verdiepen om de ontwikkeling en het gebruik van watertechnologieën op basis van keramische membranen te stimuleren.

Joke Cuperus, CEO van PWN en interim CEO van PWNT: ‘PWNT gelooft sterk in het gebruik van keramische membraantechnologieën voor de toekomst van waterzuivering en is ervan overtuigd dat onze intensievere samenwerking met Metawater voordelen voor meer klanten en het milieu oplevert door het leveren van schoon, duurzaam geproduceerd drinkwater.’

Yasushi Nakamura, CEO van Metawater: ‘Metawater is van mening dat deze overeenkomst een resultaat is van onze langdurige vertrouwensrelatie. Ook al kost het soms wat tijd, we zullen doorgaan met de oprichting van een nieuwe businessformatie. Ik ben ervan overtuigd dat onze samenwerking tot grote successen zal leiden.’

Succesvolle samenwerking

De twee bedrijven hebben al succesvol samengewerkt aan CeraMac-fabrieken zoals de Andijk III-fabriek van PWN, Choa Chu Kang Waterworks van PUB in Singapore, de Mayflower-fabriek South West Water in het Verenigd Koninkrijk en de Sonnenberg-fabriek ewl energie wasser luzern, Zwitserland. Voortbouwend op deze succesvolle casestudies hebben PWNT en Metawater een overeenkomst getekend voor bredere samenwerking op het gebied van watertechnologie-ontwikkeling met een specifieke focus om samen in de Verenigde Staten een project te ontwikkelen op het gebied van keramische membraanfiltratie.

Keramische membranen

Systemen op basis van keramische membranen, ontwikkeld door PWNT, bekend als CeraMac, hebben het voordeel van een lange levensduur van meer dan twintig jaar, zeer kleine footprint, zeer lage levenscycluskosten, hoge productiviteit van meer dan 97 procent en een lage impact op het milieu. De keramische membranen van Metawater zijn zeer robuust, waardoor het gebruik van sterke chemicaliën en terugspoelsnelheden mogelijk is om aangroei te voorkomen en waarvan bewezen is dat ze gedurende meer dan twintig jaar onafgebroken worden gebruikt zonder breuk, met het potentieel voor een onbeperkte levensduur.

Net als veel innovaties zit ook de ontwikkeling van duurzame membraantechnologie MemPower en Memstill gevangen in de vallei tussen laboratorium en commercieel product. De membraanzuivering die ook nog eens energie opwekt, is ook interessant voor industriële toepassingen. Opschaling is gewenst en ontwikkelaar Norbert Kuipers zoekt dan ook partners om de techniek naar de volwassenheidsfase te begeleiden.

Water is er genoeg op de wereld, maar goed drinkwater is schaars. MemPower maakt zeer zuiver water met membraandestillatie met gebruik van zonnewarmte of restwarmte. Met deze nieuwe technologie is geen elektriciteit nodig want het wordt juist geproduceerd. Zo kan bijvoorbeeld schoon drinkwater én elektriciteit gemaakt worden uit zout (zee)water. Wageningen University & Research zoekt partners om deze kansrijke technologie verder te ontwikkelen en naar de markt te brengen.

De wereldwijde vraag naar schoon water is groot en daarmee ook het potentieel voor deze nieuwe technologie. Naast drinkwater is ook een goede kwaliteit water nodig voor andere sectoren. Hierbij kan worden gedacht aan voedsel, de biobased industrie, de glastuinbouw, de chemie en de energiesector.

Indikken

MemPower is een uitbreiding van Memstill: een waterzuiveringstechnologie die met behulp van membraantechnologie en (duurzame) warmte selectief water uit zeewater haalt, maar geen elektriciteit produceert. Memstill is niet alleen geschikt voor het ontzilten van zeewater, maar kan ook waterige stromen zoals vruchtensappen of pekelstromen concentreren of afvalstromen reduceren. Dat is efficiënter bij het transport, omdat je minder water hoeft te vervoeren.

MemPower gaat een stap verder dan Memstill. Kuipers: ‘We zorgen dat de hoeveelheid waterdamp die uit het membraan komt, net iets groter is dan de hoeveelheid drinkwater die we aftappen. Het drinkwater komt dan onder druk te staan en het drukverschil gebruiken we om elektriciteit op te wekken, waarmee je bijvoorbeeld de pompen van de installatie kunt aandrijven.”

Duurzame elektriciteit

MemPower wekt op een duurzame manier elektriciteit op. Ontzilten van zeewater is en blijft een proces dat energie vergt. Bij MemPower is hiervoor (lage temperatuur) warmte nodig, bijvoorbeeld van zonnepanelen of van industriële restwarmte.

Ook in de ontwikkeling van de uitgebreidere Nexus van Water-Food-Energy kan MemPower een belangrijke doorbraak rol spelen. Dit kan door water te produceren dat gebruikt wordt in de voedingssector of juist afvalwater uit deze sector verder op te werken.

Thermische zonnepanelen

Intussen werkt Kuipers verder aan de veelbelovende techniek: ‘Samen met TNO werken we aan een project waarin we MemPower koppelen aan thermische zonnepanelen en de installatie optimaliseren, om de opbrengst aan water en elektriciteit verder te verbeteren. Net als bij Memstill zoeken we daarvoor partners uit het bedrijfsleven.’

Een consortium van Belgische investeerders en Dow doen een initiële investering van 2,5 miljoen euro in Blue Foot Membranes (BFM). BFM is een spin-off van VITO, het resultaat van jarenlang onderzoek naar innovatieve membraantechnologie. BFM produceert de membranen in gebruiksklare vorm voor zogenaamde membraanbioreactoren (MBR), die worden gebruikt in waterzuiveringsinstallaties voor zowel industrieel als huishoudelijk afvalwater.

BFM zal membranen produceren en aanleveren voor efficiëntere waterzuivering van industrieel en huishoudelijk afvalwater, gebaseerd op de nieuwe en gepatenteerde Integrated Permeate Channel (IPC) technologie. Deze technologie bevat een open 3D-textiel uit kunststof. Op deze weefselstructuur wordt rechtstreeks een membraanlaag aangebracht die mechanisch verankerd is in het weefsel. Dankzij de mechanische verankering van de membraanlaag aan de weefselstructuur kan het membraan ‘teruggespoeld’ worden. Dit betekent dat het gezuiverd water, met tussenpozen, in de andere richting kan worden gestuurd waarbij het IPC-membraan wordt schoongemaakt. Dit voorkomt verstoppingingen.

Deze unieke membranen zijn volgens het bedrijf wereldwijd de eerste volledig terugspoelbare vlakkeplaatmembranen en kunnen worden geïnstalleerd in zowel bestaande als nieuwe membraanbioractoren. IPC-membranen zouden de productiecapaciteit per vierkante meter met 100 procent verhogen en verlagen de operationele kost met minstens 50 procent, vergeleken met MBR’s die zijn uitgerust met conventionele filtratiemembranen.

De Universiteit Twente en het Duitse onderzoekscentrum Jülich werken samen aan membranen voor een efficiënte scheiding van gassen voor bijvoorbeeld de productie van zuurstof of waterstof.

De keramische ionengeleidende membranen zijn een alternatief voor bestaande, dure afscheidingsprocessen en dragen bij aan het verminderen van de CO2-uitstoot. De nieuwe technologie kan binnen vijf tot tien jaar beschikbaar komen, verwacht Wilhelm Meulenberg, hoogleraar Inorganic Membranes aan de Universiteit Twente.

Efficiënter

Bestaande technieken voor het afvangen van CO2, zoals chemisch wassen (Water Wash), zijn volgens de universiteit kostbaar en gaan gepaard met veel energieverlies. Ook de oxyfuel-technologie, waarbij brandstoffen CO2-neutraal worden verbrand met zuivere zuurstof, is met de huidige technologie geen ideale oplossing. De productie van zuivere zuurstof door destillatie bij –190 graden Celsius vergt namelijk veel energie. Een veel beter en efficiënter alternatief is volgens de onderzoekers het inzetten van membranen die in staat zijn om zuurstof te scheiden. Zo kan de brandstof alsnog met zuivere zuurstof worden verbrand en een gas met een heel hoge concentratie CO2 worden geproduceerd.

Een van de mogelijkheden is ook de productie van synthetische brandstoffen, die ontstaan door de reactie van CO2 met waterstof over een membraan. De Universiteit Twente en onderzoekscentrum Jülich hebben de samenwerking gezocht om hiervoor keramische ionengeleidende membranen te ontwikkelen. Deze membranen zijn bedoeld voor membraanreactoren, die onder extreme omstandigheden (hoge temperaturen, hoge druk) het scheidingsproces combineren met een chemische reactie en zo synthetische brandstoffen of basischemicaliën produceren.

Wafilin Systems is door Chaincraft geselecteerd als technologieleverancier voor het afscheiden en zuiveren van de vetzuren. ChainCraft realiseert in de haven van Amsterdam een demonstratiefabriek voor de productie van biobased vetzuren.

In de demonstratiefabriek van Chaincraft zet men groente- en fruitafval via een eigen ontwikkeld en gepatenteerd mengcultuurfermentatieproces om in hoogwaardige vetzuren.

Wafilin Systems is sinds 2015 betrokken geweest bij de ontwikkeling en optimalisatie van een innovatief scheidingsproces van de vetzuren vanuit de vloeibare fractie die vrijkomt bij het fermentatieproces. Het proces bestaat uit een aantal scheidingsstappen op basis van membranen. Wafilin Systems zal voor de demonstratiefabriek de membraansystemen ontwerpen, leveren en inbedrijfstellen.