Efficiënte scheiding van CO2 en waterstof met nieuw membraan

Onderzoekster Meixia Shan heeft een nieuw polymeermembraan ontwikkeld en getest dat CO2 en waterstof zeer efficiënt scheidt. Op 24 oktober verdedigt Shan, die al over dit nieuwe membraan heeft gepubliceerd in Science Advances, haar promotie over dit onderwerp aan de TU Delft.

Waterstofproductie
De productie van waterstof uit koolwaterstoffen resulteert vaak in de uitstoot van CO2. Daarom moet waterstof van CO2 worden gescheiden. Membraanscheiding is vanwege de gunstige eigenschappen, zoals energie-efficiëntie en milieuvriendelijkheid, een veelbelovend alternatief geworden voor traditionele scheidingsprocessen om CO2 af te vangen. Van de verschillende membraanmaterialen zijn polymeren nog steeds de meest gebruikte materialen omdat ze zeer goedkoop en gemakkelijk te verwerken zijn. “Polymeermembranen zijn echter niet bestand tegen hoge temperaturen of vertonen slechte scheidingsprestaties. De membranen hebben last van een wisselwerking tussen selectiviteit en gasdoorlaatbaarheid', zegt Meixia Shan.

POF's en BILP
Zogenaamde ‘porous organic frameworks’ (POF's) zijn een opkomende klasse van microporeuze polymeren die een hoge CO2-doorlaatbaarheid en selectiviteit hebben bij de verwerking tot membranen, vanwege hun intrinsieke porositeit en sterke CO2-adsorptiecapaciteit. Het gebruik van POF's als membranen staat echter nog in de kinderschoenen, vanwege hun onoplosbaarheid in de meeste gangbare oplosmiddelen. “Wij hebben nu een nieuw type POF-membraan ontwikkeld, BILP (benzimidazool-gekoppeld polymeer), dat thermische en chemische stabiliteit combineert met smalle poriën, waardoor het geschikt is voor de scheiding van kleine moleculen", zegt Meixia Shan. Dit nieuw ontwikkelde membraan wordt op een poreus aluminiumoxidesubstraat gesynthetiseerd door middel van een eenvoudige interface-polymerisatiemethode. Onder hoge druk en bij een hoge temperatuur laat het membraan selectief kleine waterstofmoleculen passeren, maar houdt het het grootste deel van de koolstofdioxide tegen.”

Tests
Meixia Shan heeft het membraan met gasmengsels in het laboratorium getest, gedurende 800 uur en bij 150 graden Celsius. De selectiviteit blijkt het dubbele te zijn van bestaande membranen. Het resultaat is een membraan met een uitstekende H2/CO2-scheidingsprestatie. Daarnaast is het ook zeer stabiel bij hoge druk (tot 10 bar) en hoge temperaturen. Deze omstandigheden liggen dicht bij de echte industriële H2/CO2 scheidingscondities.

De hoge H2/CO2 scheidingsprestaties, in combinatie met langdurige stabiliteit betekent dat POF's veelbelovende kandidaten zijn voor toepassing in membraangebieden voor CO2-scheiding, met inbegrip van biogasverbetering, afvang van CO2 na verbranding en afvang vóór verbranding.