Nieuwe, efficiëntere membraantechnologie
Productscheidingen zijn vandaag vaak energie-intensief en niet altijd geoptimaliseerd naar efficiëntie. Via hun spin-off A-membranes zetten VITO en Universiteit Antwerpen een geavanceerde technologie voor membraanscheidingen in vloeistoffen op de markt die doeltreffender, energiearmer en duurzamer is en bovendien de CO2-uitstoot van de chemische industrie sterk kan reduceren.
chemische affiniteit op maat
“Jarenlange samenwerking tussen de Universiteit Antwerpen en VITO heeft geleid tot een gepatenteerde technologie om keramische membranen – een soort geavanceerde filters - aan te passen en zo efficiënter te maken. Door een bijkomend, op maat gemaakt en stabiel laagje aan te brengen op het membraanoppervlak, worden gewenste producten aangetrokken om sneller doorheen het membraan te gaan. Ongewenste producten kunnen dan weer afgestoten worden. Zo halen we producten uit elkaar op basis van hun ‘liefde’ voor het membraan. We spreken in dit geval over chemische affiniteit. Dit effect kunnen we op maat van het proces van de klant instellen om zo de scheiding van producten te verbeteren”, zegt prof. Vera Meynen, medeontwikkelaar van de technologie en wetenschappelijk adviseur van A-membranes.
Duurzaam alternatief
“Onze technologie blinkt uit door stabiliteit in moeilijke chemische omstandigheden, zoals hoge temperaturen of organische solventen. Door in te spelen op de juiste combinatie van membraan en de geschikte organische laag kan A-membranes membraanfiltraties voorstellen die tot voor kort niet mogelijk waren”, verklaart Bart Coen, de CEO van het nieuwe bedrijf. “Onze membraantechnologie heeft, dankzij zijn robuustheid en instelbaarheid, een groot potentieel om diverse chemische processtromen te behandelen.”
"Energie-intensieve thermische productscheidingen zoals destillatie en evaporatie zijn vandaag goed voor zo’n 40% van het totale industriële energieverbruik. Dit is 12% tot 14% van het globale energieverbruik. Membraanscheidingen vereisen typisch slechts 10% tot 30% van het energieverbruik van dergelijke thermische processen en vormen dus een energiearm en duurzaam alternatief, met een sterk CO2-reductie potentieel."
Lagere kosten
Membraantechnologie vind je vandaag al op grote schaal in de water- en voedingsindustrie. Zelfs in toepassingen waar membraantechnologie nu al wordt ingezet kan A-membranes een meerwaarde bieden. Een uitgekozen organische oppervlaktelaag kan de efficiëntie van een filtratieproces sterk verbeteren door het afstoten van producten die de membranen verstoppen. De verhoogde efficiëntie laat toe het proces uit te voeren met een kleinere, goedkopere installatie en lagere operationele kosten.
Toepassingsvoorbeelden
Hogere performantie in organische solventen
IOI Loders Croklaan is een Nederlandse producent van eetbare oliën. In het kader van de EEMBAR- en ISRO-projecten (gefinancierd door ISPT/RVO) hebben nanofiltratie-A-membranen bewezen dat zij aceton efficiënt van oliën kunnen scheiden. Aceton is nodig in het productieproces van Croklaan om harde en zachte fracties van de olie te scheiden. In het eindproduct mag echter geen aceton achterblijven. Bovendien is de terugwinning van oplosmiddelen uit economisch oogpunt een must. Momenteel wordt bijna alle aceton teruggewonnen met een efficiënte maar zeer energie-intensieve distillatie. Aanvankelijk leken membranen geen optie, omdat de aceton deze na enkele uren zou aantasten. Maar dat risico is onbestaande bij toepassing van A-membranen. Hun gebruik parallel met het bestaande distillatieproces maakt een flexibele capaciteitsverhoging mogelijk tegen lagere kosten en een kleinere voetafdruk. Bovendien helpt het hybride proces om fors te besparen op energieverbruik en CO2-uitstoot.
Een van de mobiele pilootinstallaties van VITO draait nu al langer dan twee jaar op volle capaciteit in de fabriek IOI Loders Croklaan, met drie 120 cm lange 19-kanaals A-membranen (TRL 7). In samenwerking met VITO bekijkt het bedrijf nu een gedetailleerde economische evaluatie, en een mogelijke implementatie in één of meer van zijn fabrieken.
STERK VERMINDERDE aangroei bij waterfiltratie
De productie van olijfolie is zeer waterintensief. De grote hoeveelheid afvalwater is moeilijk te behandelen. Membranen zouden een energie- en kosteneffectief alternatief kunnen zijn voor de vaak gebruikte compostering of biologische behandeling, indien voldoende robuuste membranen beschikbaar zijn, met een lage foulingcapaciteit voor de polyfenolen die overvloedig aanwezig zijn in dit water. Behandeling van echt afvalwater van olijfolie met nanofiltratie A-membranen, in het kader van het Europese project CeraWater, heeft duidelijke voordelen aangetoond. De gemodificeerde antifouling-affiniteit van de membranen resulteerde in drie keer hogere procesfluxen gecombineerd met vijf keer hogere COD-retenties, vergeleken met natieve, niet-gemodificeerde membranen. Bovendien was via een eenvoudige reiniging (voorwaartse spoeling met water) de zuiverwaterflux voor 100% te herstellen, wat de hoge foulingweerstand van de A-membranen bevestigt.
Vergelijkbare anti-foulingeffecten zijn aangetoond voor nanofiltratie A-membranen bij de behandeling van andere moeilijke afvalwaters zoals oppervlaktewater (humuszuur in combinatie met Ca2+-fouling, algenfouling) en pulp en papier afvalwater (lignine en (hemi)cellulosefouling).
In het kader van een Nederlands project (gefinancierd door ISPT) werd ook een sterk verminderde fouling aangetoond voor microfiltratie A-membranen bij de behandeling van een echt olie/gas geproduceerd water. Momenteel leidt olie- en gasproductie tot, ongeveer 7 vaten afvalwater voor elk vat geproduceerde olie/gas. Dit afvalwater bestaat uit een moeilijk te behandelen olie in water emulsie. Membranen, en in het bijzonder keramische membranen, hebben bewezen een van de meest efficiënte technologieën te zijn, maar aangroei is een ernstig probleem. Een grootschalig anti-fouling A-membraan heeft duidelijke voordelen opgeleverd: hogere, stabielere procesfluxen en aanzienlijk hogere retenties. Bovendien resulteerde een éénstapsbehandeling in combinatie met een kleine hoeveelheid ontkoling in permeaatkwaliteiten die klaar zijn voor directe lozing (lozingslimiet voor gedispergeerde olie < 30 ppm).
SCHEIDINGEN OP BASIS VAN AFSTEMBARE AFFINITEIT
Dit wordt geïllustreerd aan de hand van een industrieel relevant mengsel, voorgesteld door een chemisch bedrijf. Het mengsel bevat bekende fosfine-liganden voor homogene overgangsmetaalkatalysatoren, die vaak in de fijnchemie worden gebruikt. Het fosfine ligand A van voorkeur is niet geoxideerd, maar in contact met lucht worden de geoxideerde versies B en C gevormd. De drie fosfines zijn ongeveer even groot, maar hun chemische affiniteit hangt af van de oxidatiegraad. Bij het filtreren van een dergelijk mengsel in isopropanol (IPA) met verschillende nanofiltratie A-membranen ontstaan verschillen in retentie, die niet haalbaar zijn met polymere benchmarkmembranen. Met één type A-membraan kan het geoxideerde fosfine C bij voorkeur door het membraan worden gepermitteerd (negatieve retentie), terwijl A en B zeer goed worden tegengehouden, zodat een duidelijke scheiding mogelijk is. Verandering van de affiniteit van het A-membraan leidt tot de omgekeerde scheiding: de fosfines A en B gaan door het membraan, terwijl C wordt tegengehouden. Dit voorbeeld toont de grote flexibiliteit aan die A-membranen te bieden hebben: de membraanwerking kan worden afgestemd door de affiniteit van het oplosmiddel voor het membraan aan te passen, wat resulteert in scheidingen op basis van affiniteit, zoals in de chromatografie. In tegenstelling tot chromatografie is A-membraanscheiding gemakkelijk schaalbaar, en continu.
Soortgelijke affiniteitsscheidingen zijn waardevol gebleken voor een breed scala van andere toepassingen. Verdere O&O wordt uitgevoerd in verschillende projecten om dit potentieel van A-membranen uit te werken en verder te ontwikkelen.
Bron: VITO