KOOLSTOFMEMBRAAN MET NANOPORIËN SCHEIDT ZUURSTOF

Gemeenschappelijk onderzoek van het chemische concern DuPont en de universiteit van Delaware heeft een nieuwe klasse van membranen opgeleverd voor de scheiding van gasmengsels. Hiermee wordt het bijvoorbeeld mogelijk om heel efficiënt de in lucht aanwezige zuurstof zuiver in handen te krijgen. Want hoewel zuurstof en stikstof - waar lucht voor het grootste gedeelte uit bestaat - fysisch veel op elkaar lijken, is het toch mogelijk ze op grond van verschillen in afmetingen of vorm te scheiden. Daarvoor zijn poriën nodig met een diameter van ongeveer een halve nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter): zuurstofmoleculen bewegen zich daar zo'n dertig sneller doorheen dan stikstofmoleculen (Science, 17 sept).

Het uitgangsmateriaal voor de membranen is een speciaal polymeer, polyfurfuryl alcohol (PFA). Om dit op een gecontroleerde manier op een oppervlak te kunnen aanbrengen werd gebruik gemaakt van een ultrasone sproeikop. Hiermee werd het polymeer in de vorm van kleine druppeltjes op de roestvrijstalen, poreuze ondergrond gespoten. Dit werd vervolgens in een oven onder uitsluiting van zuurstof verhit tot zo'n 450°C. Hierbij ontstaat een dun koollaagje met de gewenste nanoporiën. De precieze afmetingen van de poriën en hun inwendige structuur kunnen worden gevarieerd via de temperatuur waarbij de pyrolyse plaatsvindt en de duur van deze warmtebehandeling. De zo gevormde membranen zijn chemisch inert en hittebestendig. Hoewel al veel langer geprobeerd is om dit soort membranen te fabriceren, liepen alle pogingen stuk omdat de laagjes op een zeker moment scheuren gingen vertonen, hetgeen natuurlijk funest is. Dat blijkt te kunnen worden voorkomen door het membraan laagje voor laagje op te bouwen. Voor het eerst kon zo worden vastgesteld dat scheurvorming pas optreedt bij een kritische dikte van zo'n twintig micrometer.

Met name in de (petro)chemische industrie zullen deze flinterdunne koollaagjes goede diensten kunnen bewijzen. De zuivere zuurstof die nodig is voor allerlei verbrandingsprocessen wordt tot nu toe overwegend verkregen door middel van ingewikkelde installaties waarin bij lage temperatuur zuurstof en stikstof van elkaar worden gescheiden. Deze cryogene destillatie is een energieverslindend en daardoor kostbaar proces. Het is bovendien niet ongevaarlijk, gezien de hoge drukken waarbij geopereerd wordt. Maar ook bij de scheiding van het kostbare en nuttige waterstof uit gasstromen op een raffinaderij zullen deze nieuwe membranen straks zeker kunnen worden toegepast.

(Rob van den Berg)