Water is van levensbelang – daarom afvalwater moet zo efficiënt mogelijk worden gereinigd. Keramische membranen maken dit mogelijk. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS in Hermsdorf, Duitsland was in staat om de scheidingsgrenzen van deze membranen aanzienlijk te verlagen en opgeloste organische moleculen met een molecuulmassa van slechts 200 Dalton betrouwbaar af te filteren. Zo kan zelfs industrieel afvalwater efficiënt worden gereinigd.

Iedereen die zich midden in de zomer over een zonnig kustpad heeft gesleept met te weinig water in zijn tas weet maar al te goed:zonder water, we kunnen het niet te lang maken. Water is een van de fundamenten van het leven. In industrie, water is een must, ook:in veel productieprocessen, het dient als oplosmiddel, wasmiddel, te koelen of warmte over te dragen. Naarmate er meer en meer water wordt verbruikt, afvalwater moet worden behandeld en hergebruikt. Keramische membranen bieden hiervoor een goede manier:omdat ze mechanisch worden gescheiden – vergelijkbaar met een koffiefilter – zijn ze bijzonder energiezuinig. Echter, aan deze methode kwam eerder een einde toen een molecuulgrootte van 450 Dalton werd bereikt:kleinere moleculen konden niet worden gescheiden met keramische membranen. Volgens experts, het werd zelfs als onmogelijk beschouwd om onder deze limiet te gaan.

Moleculen zo klein als 200 Dalton kunnen worden gescheiden

Dr. Ingolf Voigt, Dr.-Ing. Hannes Richter en Dipl.-Chem. Petra Puhlfuerss van het Fraunhofer IKTS heeft het onmogelijke bereikt. "Met onze keramische membranen, we hebben bereikt, Voor de eerste keer, een moleculaire scheidingslimiet van 200 Dalton - en, daarbij, een geheel nieuwe kwaliteit, " zegt Voigt, Plaatsvervangend instituutsdirecteur van het IKTS en locatiemanager in Hermsdorf.

Maar hoe hebben de onderzoekers dit voor elkaar gekregen? Op weg om het onmogelijke mogelijk te maken, eerst moesten verschillende obstakels worden overwonnen. De eerste was in de productie van het membraan zelf:als zulke kleine moleculen betrouwbaar zouden worden gescheiden, er was een membraan nodig met poriën die kleiner waren dan de moleculen die gescheiden moesten worden. In aanvulling, alle poriën moesten zo groot mogelijk zijn, omdat een enkele grotere opening voldoende is om moleculen door te laten glippen. De uitdaging was daarom om zo klein mogelijke poriën te maken, met allemaal min of meer dezelfde grootte. "We hebben deze resultaten bereikt door de sol-geltechnologie te verfijnen, " zegt Richter, Afdelingshoofd bij het IKTS. De tweede hindernis was om dergelijke membraanlagen over grotere oppervlakken defectvrij te maken. De Fraunhofer-onderzoekers zijn hierin geslaagd, ook. "Terwijl meestal maar een paar vierkante centimeter van het oppervlak is gecoat, we hebben een pilotsysteem uitgerust met een membraanoppervlak van 234 vierkante meter, wat betekent dat ons membraan een aantal magnitudes groter is, " legt Puhlfuerss uit, wetenschapper aan het IKTS.

Transfer van het laboratorium naar de praktijk

In opdracht van Shell, het proefsysteem werd gebouwd door de firma Andreas Junghans – Anlagenbau und Edelstahlbearbeitung GmbH &Co. KG in Frankenberg, Duitsland en is gevestigd in Alberta, Canada. Daar zuivert het systeem sinds 2016 met succes afvalwater, die wordt gebruikt voor de winning van olie uit oliezand. De onderzoekers plannen momenteel een eerste productiefaciliteit met een membraanoppervlak van meer dan 5, 000 vierkante meter.

De innovatieve keramische membranen bieden ook voordelen in industriële productieprocessen:ze kunnen worden gebruikt om deelstromen direct in het proces te zuiveren en om het gereinigde water in de cyclus te geleiden, wat water en energie bespaart.

Voor de ontwikkeling van het keramische nanofiltratiemembraan, Dr. Ingolf Voigt, Dr.-Ing. Hannes Richter en Dipl.-Chem. Petra Puhlfuerss ontving dit jaar de Joseph von Fraunhofer-prijs. De jury rechtvaardigt de prijs door te vermelden, onder andere, "de allereerste realisatie voor filtratietoepassingen binnen deze materiaalklasse."