- Onderzoek
- 04/04/2019
CursorOnTour@ST | Membranen voor een duurzame toekomst
Voor de klimaatdoelen kunnen we nieuwe technologieën om schone energie te maken en op te slaan goed gebruiken, net als manieren om CO2 af te vangen en waardevolle stoffen terug te winnen uit afvalstromen. Membranen kunnen in al die ontwikkelingen een grote rol spelen, denken Kitty Nijmeijer en haar collega’s van de nog jonge onderzoeksgroep MM/P. "De ingenieurs die we nu opleiden, gaan de circulaire economie en energietransitie vormgeven."
Een membraan is een filter dat sommige stoffen wel doorlaat en andere niet. Ze worden al tientallen jaren grootschalig toegepast in bijvoorbeeld waterzuiveringsinstallaties. Sinds enkele jaren beschikt de faculteit Scheikundige Technologie over een onderzoeksgroep, Membrane Materials and Processes (MM/P), die zich volledig richt op het maken, karakteriseren (bestuderen) en toepassen van membranen.
MM/P is opgezet door hoogleraar Kitty Nijmeijer en haar collega Zandrie Borneman, die in 2016 vanuit Twente naar de TU/e kwamen om op de begane grond van Helix een gloednieuw lab op te bouwen. In het MM/P-lab houden de onderzoekers zich bezig met toepassingen die een stap verder gaan dan eenvoudigweg het filteren van vuil uit water. De membraan-experts hebben sinds hun komst niet stilgezeten; wie nu een kijkje neemt op de website van MM/P, vindt daar een vijftiental onderzoeksprojecten waarin membranen worden gemaakt voor uiteenlopende toepassingen, zoals energieopslag en -productie, het afvangen van CO2 en het terugwinnen van kostbare mineralen uit afvalwater.
Perfect membraan
In het lab, en ook prominent aan de muur van Nijmeijers kamer, hangen foto’s van microscopiebeelden van de membranen die in het lab zelf zijn gemaakt van polymeren (plastic). Hun scheidende werking is afhankelijk van de grootte van de poriën, maar vooral ook van de chemische eigenschappen van het gebruikte polymeer, want die bepalen bijvoorbeeld de aantrekking of afstoting tussen het membraan en de verschillende stoffen. Die interactie vormt meteen ook een van de grote uitdagingen voor de onderzoekers, want een membraan dat te snel vervuilt, of zelfs dichtslibt, is in de praktijk nutteloos.
De poriën op de felgekleurde afbeelding variëren nogal qua grootte en oriëntatie, wijst de hoogleraar aan. “Het liefst zou je een perfect membraan willen hebben, waarvan alle poriën precies dezelfde grootte hebben, zodat de scheiding zeer selectief is”, zegt ze. “Dat proberen we nu te bereiken samen met de groepen van Albert Schenning en Rint Sijbesma, waarmee we vier promovendi delen.” Die samenwerking ontstond nadat de betreffende scheikundehoogleraren langs de vitrinekast van MM/P liepen waarin Nijmeijer een breed scala aan membranen - veelal bestaande, commerciële varianten - heeft tentoongesteld.
“Ze waren nieuwsgierig naar wat ze nu precies zagen, en van het één kwam het ander”, vertelt ze met een glimlach. Met de expertise van Schenning en Sijbesma is het volgens haar mogelijk om het ‘perfecte’ membraan te maken. “Zij weten alles van de chemie die daarvoor nodig is, terwijl ik daar als chemisch technoloog minder verstand van heb. Het mooie van deze faculteit is dat zo’n samenwerking heel makkelijk kan ontstaan. Er zijn geen interne grenzen, en je kunt zelf bepalen met wie je samenwerkt. We hoeven geen rekeningen naar elkaar te sturen.”
In de onderstaande video neemt Kitty Nijmeijer ons mee in het MM/P-lab, en laat ze onder meer een demonstratieopstelling zien voor 'blauwe energie'.
Blauwe energie
Een ander in het oog springend project waaraan Nijmeijer en haar collega’s zich hebben verbonden, is Blue Energy. Daarbij wordt elektriciteit opgewekt door zoet rivierwater en zout zeewater via een membraan met elkaar in contact te brengen, legt ze uit. “Het membraan laat in dit geval geen water door, maar wel de zoutionen die vanuit het zoute water naar het zoete water willen diffunderen.” En die beweging van elektrisch geladen ionen zorgt voor een elektrische stroom. ‘Blue Energy’-centrales op de grens van zoet en zout water (zoals bij riviermondingen) zouden wereldwijd potentieel meer dan tien procent van de wereldwijde elektriciteitsbehoefte kunnen dekken, aldus Nijmeijer.
Al een aantal jaren staat een kleine ‘blauwe’ energiecentrale op de Afsluitdijk (in 2016 uitgeroepen tot Nationaal Icoon), en nu zijn er plannen voor een tienmaal grotere centrale bij Katwijk, met een vermogen van 1 Megawatt. “Dat is voldoende stroom voor ongeveer zestienhonderd huishoudens. Daarvoor is tachtig tot honderd miljoen euro nodig; als dat geld er komt, zou de bouw volgend jaar beginnen.”
Nijmeijer en haar collega’s zijn al vanaf het begin betrokken bij het onderzoek naar blauwe energie. “We zijn nu aan de vierde generatie promovendi toe. Samen met Wetsus en een aantal bedrijven hebben we in de eerste jaren fundamenteel onderzoek gedaan naar de benodigde membranen, en op een gegeven moment is door Wetsus-spin-off REDstack en Fujifilm de testcentrale op de Afsluitdijk gerealiseerd. Fujifilm produceerde met onze input de membranen voor de grote installatie, terwijl wij tegelijkertijd nieuwe membranen in een kleine experimentele opstelling op de Afsluitdijk konden testen.”
Zo’n praktijkproef is essentieel als je met natuurlijk water werkt, benadrukt Nijmeijer: “In de praktijk heb je bijvoorbeeld heel veel last van vervuiling, dat kon je niet nabootsen met laboratoriumwater. Toen we begonnen, zat al na twee weken alles dicht met een algenmassa. Er moesten filters geplaatst worden met speciale weerhaakjes zodat er geen mosselen op konden groeien. En het zout in zeewater is niet alleen natriumchloride, maar ook magnesiumsulfaat, wat een grote negatieve impact bleek te hebben op de elektriciteitsopwekking.”
Afvangen en opslaan
Een andere onderzoekslijn die kan bijdragen aan een oplossing voor de klimaatproblematiek, richt zich op het afvangen van CO2, bijvoorbeeld in energiecentrales. Membranen kunnen daarbij gebruikt worden om dit broeikasgas te scheiden van onschuldige gassen zoals stikstof en zuurstof, legt Nijmeijer uit. “Daarbij werken we samen met DIFFER, waar ze deze CO2 omzetten naar CO, wat weer een belangrijke grondstof is voor de chemische industrie. Dat is ook een heel leuke samenwerking hier op de campus.”
Ook bij energieopslag kunnen membranen in de toekomst mogelijk een belangrijke rol spelen. Zo werken ze bij MM/P samen met de groep van faculteitsgenoot René Janssen aan zogeheten ‘flow batteries’, waarin - net als bij blauwe energie - membranen worden gebruikt die alleen bepaalde geladen moleculen doorlaten. De gedachte is dat in dergelijke membraanbatterijen in de toekomst duurzaam opgewekte elektriciteit goedkoop kan worden opgeslagen. Nijmeijer verwacht dat dit in eerste instantie met name zal worden toegepast voor kleinschalige opslag, en dat grootschalige opslag van energie met deze technologie nog wel een aantal jaren op zich zal laten wachten.
“We werken op dit gebied met name samen met het bedrijf Elestor in Arnhem, en die hebben nu een modulair systeem geschikt om energie op te slaan van bijvoorbeeld een windmolen, of een dak vol zonnepanelen. Maar dat zijn nu nog relatief grote installaties, dus werken we er hard aan om het proces efficiënter te maken en de capaciteit te verhogen, zodat de installaties kleiner kunnen worden.”
Circulaire toekomst
Toch is de membraan-expert optimistisch over de toekomst. “Over dertig jaar zou onze economie volledig circulair moeten zijn. Dat lijkt een hele opgave, maar als je bedenkt dat onze huidige industrie in minder dan honderd jaar is opgebouwd, en dan vooral sinds de Tweede Wereldoorlog, dan is dertig jaar met het huidige tempo best een lange periode. De mensen die nu bij ons afstuderen - die zijn over dertig jaar pas in de vijftig -, zullen daar een belangrijke rol in spelen. Dat zijn de ingenieurs die de circulaire economie en de energietransitie vorm zullen geven. Zij gaan dat gewoon voor elkaar krijgen en wij gaan dat allemaal meemaken!”
Dit artikel maakt deel uit van de speciale reeks CursorOnTour@ST, met verslaggeving op locatie, dit keer vanuit de faculteit Scheikundige Technologie.
Discussie