Destillatie is het scheiden van vloeistoffen door middel van een thermisch proces. Hoewel dit traditionele proces zeer effectief is, kost het ook erg veel energie. Onderzoekers van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT), hebben een proces ontwikkeld dat destillatie overbodig zou kunnen maken. Daardoor kan heel veel energie worden bespaard en dus ook het uitstootten van CO2 worden voorkomen.
Het gaat dan om zogenoemde ‘poreuze vloeistoffen’. Hierbij zweven nanodeeltjes in een oplosmiddel, die gasmoleculen van verschillende grootte van elkaar scheiden. Dit gebeurt door ‘poriën’ in de nanodeeltjes, daar kunnen alleen moleculen van een bepaalde grootte doorheen. Grotere moleculen blijven achter en worden zo gescheiden van de kleinere. De poreuze vloeistoffen kunnen ook worden verwerkt tot een soort membranen “die op efficiënte wijze propeen van gasmengsels scheiden als uitgangsmateriaal voor het veelgebruikte plastic polypropyleen”.
Propeen wordt voornamelijk verkregen bij de verwerking van ruwe olie of aardgas. Het wordt gescheiden van andere gassen door middel van distillatie en zuivering. In de chemische industrie is propeen een van de belangrijkste basismaterialen voor de productie van polypropyleen. Deze kunststof wordt vooral gebruikt voor verpakkingsmateriaal en in de bouw of de automobielindustrie.
Minder broeikasgassen door een veel lager energieverbruik
“In de technische literatuur wordt aangenomen dat gasscheiding in de petrochemie met behulp van membranen slechts een vijfde van de benodigde energie voor destillaties kost”, zegt junior onderzoeksgroepleider Dr. Alexander Knebel van het Institute of Functional Interfaces van het KIT, die onderzoek deed aan de Leibniz Universität Hannover en in Saoedi-Arabië tot 2019. “Gezien de grote vraag naar propeen betekent dit dat er enorme hoeveelheden van het broeikasgas CO2 kunnen worden bespaard. Met name de petrochemische industrie kan er dus baat bij hebben om voor de scheiding van propeen membranen te gebruiken, in plaats van een distillatieproces. In de studies die Knebel en zijn collega’s hebben uitgevoerd, was het debiet van de nieuwe membranen minstens drie keer zo hoog als dat van de vorige materialen.
Het uitgangspunt van het onderzoek was het solide materiaal ZIF-67 (zeolitisch imidazool kader). Zijn atomen vormen een metaal-organisch netwerk met 0,34 nanometer brede porieopeningen. Door het specifiek aanpassen van nanodeeltjes van ZIF-67 aan het oppervlak zijn de onderzoekers er voor het eerst in geslaagd om “een metaal-organisch netwerk in vloeistoffen zoals cyclohexaan, cyclooctaan of mesityleen fijn te verdelen, d.w.z. te dispergeren”. De wetenschappers noemen de resulterende dispersie poreuze vloeistof.
Zuiverheid van minstens 99,9 procent
Volgens de onderzoekers kunnen de poreuze vloeistoffen ook worden gebruikt om vaste scheidingsmembranen met bijzonder gunstige eigenschappen te produceren. Bijvoorbeeld membranen uit een kunststof en de chemisch gewijzigde ZIF-67. Waarbij het team erin slaagde het aandeel van de gewijzigde ZIF-67 in het membraan te verhogen tot 47,5 procent zonder het mechanisch instabiel te maken. In een gasmengsel bestaande uit gelijke delen propeen en propaan, dat over twee in serie geschakelde membranen werd geleid, was het resultaat propeen met een zuiverheidsgraad van minstens 99,9 procent, “hoewel de twee gasmoleculen slechts 0,2 nanometer van elkaar verschillen”.
Doorslaggevend voor de prestaties van de membranen was dat zoveel mogelijk metaal-organische deeltjes gelijkmatig in de kunststof konden worden verdeeld en dat de poriën in de nanodeeltjes tijdens de membraanproductie niet door oplosmiddelen werden geblokkeerd, d.w.z. leeg bleven. “We hebben beide doelen kunnen bereiken omdat we geen vaste deeltjes direct in het membraan hebben opgenomen, maar de schijnbare omweg via de poreuze vloeistoffen hebben gemaakt”, legt Knebel uit.
Voor een borrel blijft destillatie nodig
Het nieuwe proces is echter niet alleen geschikt voor de petrochemische industrie. Het kan ook worden gebruikt bij de productie van alcohol. In het algemeen kan de destillatie hier ook worden vervangen, zegt Knebel. “In principe zou dat mogelijk zijn. Vermoedelijk wordt het gebruikt in een polymeermembraan, niet direct als een poreuze vloeistof. En het proces zou dan pervaporatie heten in plaats van permeatie.”
De onderzoeker ziet echter een probleem met alcoholische dranken zoals jenever, gin, rum of dergelijke. “Wat ik hier als problematisch beschouw, is dat bij membraandestillatie de geur- en smaakstoffen er helemaal uit zijn. Je hebt dan zeer zuivere alcohol als eindproduct. Maar dat is wel interessant als je bijvoorbeeld desinfecterende middelen wilt produceren. De energiebesparing zou net zo groot zijn als bij gasscheiding.”
Knebel en zijn collega’s van de Leibniz Universität Hannover, de King Abdullah University of Science and Technology en het Deutsche Institut für Kautschuktechnologie publiceerden hun onderzoek in het vaktijdschrift Nature Materials.
Foto: Poreuze vloeistoffen als membranen: Dit proces kan in de kunststoffenindustrie enorme hoeveelheden energie en dus CO2 besparen. (Foto: Alexander Knebel, KIT)
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
