Nieuwe bouwdoos voor chemici

Foto: Sam Rentmeester

Foto: Sam Rentmeester

De TU leidt een Europees onderzoeksprogramma van tien miljoen euro naar de afvang van CO2. Het zou de eerste grootschalige toepassing kunnen worden van een nieuwe klasse poreuze materialen.

Het prestigieuze onderzoeksproject M4CO2 ging begin februari van start in het ChemE katalyselab van prof.dr. Freek Kapteijn en prof. dr. Jorge Gascon (Technische Natuurwetenschappen). Er zijn zestien Europese partners bij betrokken en het project maakt deel uit van het Europese zevende-kaderprogramma. Over vier jaar moeten er membranen zijn ontwikkeld die selectief CO2 doorlaten. Daarmee moet het mogelijk zijn om CO2 uit rookgassen te verwijderen, zoals de Europese Unie (EU) graag wil.

Dat zou namelijk een stuk goedkoper moeten uitpakken dan de huidige methode met vloeistoffen (amines) die bij lage temperatuur CO2 binden en die bij hoge temperatuur weer loslaten. Dat gejojo met temperatuur kost veel energie en dus geld. Volgens een recent rapport van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) kost CO2-afvang tussen de dertig en negentig euro per ton, afhankelijk van de soort centrale. De EU mikt op een continu proces met een streefprijs van vijftien euro per ton.

De prijs van CO2-afvang bepaalt of de techniek gebruikt wordt of dat het broeikasgas in de atmosfeer geloosd wordt. Afvang en opslag van CO2 kost volgens recente schattingen minimaal 45 euro per ton. Emissierechten op de Europese emissiebeurs EEX staan op nog geen zes euro per ton CO2. Wat zou u doen?

‘Vermindering van CO2-uitstoot van grote bronnen zoals kolencentrales en andere energie-intensieve industrieën zou een bijdrage kunnen leveren aan het gevecht tegen klimaatverandering’, stelt onderzoekspartner Dechema in een persbericht. Maar dan moet de afvang wel zo goedkoop zijn dat industrieën het zullen toepassen. En dat is de gedachte achter het onderzoeksprogramma M4CO2: mixed matrix membranes based on metal-organic frameworks (MOFs) and polymers for continuous CO2 separation.

“Tot nu toe had men de hoop gevestigd op membranen van polymeer of zeolieten”, vertelt dr. Jorge Gascon, universitair hoofddocent bij de katalyse vakgroep van Kapteijn. Maar elk van die membranen had zijn tekortkomingen. De membranen van polymeren waren niet doorlatend genoeg voor de grote hoeveelheid gas die er doorheen moest stromen. En de zeolietmembranen waren te bros. “De nieuwe benadering gaat uit van een polymeer met ingebouwde CO2-filters”, aldus Gascon. “Daarmee combineer je de eenvoudige productie van een polymeer met de selectiviteit van poreus materiaal. MOFs zijn daar heel goed in.”

Meccanodoos
MOFs. Voluit heten ze ‘metal oxide frameworks’ en het is de nieuwe bouwdoos voor chemici. De meest in het oog springende eigenschap is dat ze enorm hol zijn. “Eén gram materiaal heeft een interne oppervlakte van een voetbalveld”, zegt Gascon. Leken kunnen zich dat moeilijk voorstellen, maar chemici raakten daar in de jaren negentig behoorlijk opgewonden van. “Voor een chemicus betekent ruimte in een molecuul het zelfde als een groot huis voor een interieurontwerper: tal van mogelijkheden.”

Prof.dr. Freek Kaptein deelt dat enthousiasme: “Je kunt MOFs als poortje gebruiken om specifieke moleculen door te laten of tegen te houden, als katalysator (die moleculen met elkaar laat reageren, red.) of voor opslag van bijvoorbeeld waterstof. Je kunt ze thermisch activeren, elektrisch of met licht. Het is echt een meccanodoos met legio mogelijkheden.”

Wat alle tienduizenden MOFs gemeenschappelijk hebben – want zoveel varianten zijn er inmiddels ontwikkeld – is de combinatie van een metaalatoom met organische moleculen als vertakkingen. Of zoals Gascon zegt: “Je kunt elk metaal kiezen dat je wilt, en een willekeurige organische linker (vaak zijn dat organische zuren, red.) die je met elkaar combineert zoals je wilt. Het aantal mogelijkheden is praktisch oneindig.”

Bereiding
De bereiding heeft veel weg van koken in een snelkookpan, vertelt Gascon. Hij laat een stevige stalen cilinder zien die voor dat doel gebruikt wordt. Er gaat een mengsel in van een zout (voor de metalen kernen) en een meervoudig carbonzuur opgelost in water of een organisch oplosmiddel. De juiste verhoudingen zijn bepalend voor het eindproduct, een laagje poeder met een witte, gele of lichtgroene kleur, afhankelijk van het gebruikte metaal.
Net als in de keuken, ligt de beheersing in de finesses. “Door de omstandigheden te veranderen kun je het proces een bepaalde kant op sturen”, vertelt Gascon. De temperatuur, het gebruikte zout, het soort zuur dat je toevoegt, de mengverhoudingen en het al dan niet gebruiken van oplosmiddel heeft allemaal invloed op het eindresultaat.

Toepassingen
Een van de eerste toepassingen is die als katalysator, dus om chemische processen beter te doen verlopen.
Slim gedimensioneerde moleculen in de MOFs kunnen dienen als antennes voor zichtbaar licht. “Die antennes vangen de energie op van de fotonen en brengen de metaalkern op een hoger energieniveau waardoor die een chemische reactie in gang kan zetten”, aldus Kapteijn.

Een toepassing die veel energie kan besparen is de scheiding van etheen en ethaan. Die gasscheiding is van groot belang voor de chemische industrie die grote hoeveelheden energie investeert om het gasmengsel zover te koelen totdat een van de gassen condenseert. Een MOF die ethaan sterker bindt dan etheen zou uitkomst kunnen bieden.
Ook zijn MOFs veelbelovend voor de opslag van waterstofgas. Een gascilinder gevuld met MOFs kan volgens Gascon vrijwel net zoveel waterstofgas bevatten als een cilinder met vloeibaar waterstof. Het verschil is dat de cilinder met MOFs niet gekoeld hoeft te worden.

Dankzij het Europese M4CO2 programma kan CO2-afvang nu de eerste grootschalige toepassing van MOFs worden. Of het selectief doorlaten van waterstofgas, want ook dat valt onder het project.

“De grootste uitdaging is om membranen te maken waar enorme gasstromen doorheen kunnen”, zegt Gascon. “Dat betekent dat de weerstand zeer klein zal moeten zijn en dat we met ultradunne scheidingslagen moeten werken. Dat vereist een uitstekende match tussen het polymeer (voor het membraan) en de MOFs (als poriën, red.). Daarom werken we aan de chemie van zowel MOF als polymeer.”

Het filtermateriaal zal verwerkt worden tot lange holle rietjes die samengepakt in een bundel de gasfilter vormen. Wanneer daar rookgas doorheen blaast mag alleen CO2 door het membraan dringen.

Aan het eind van het project, over vier jaar, hoopt het consortium twee modules op te leveren. Eén voor CO2-afvang en één voor waterstofscheiding. Die zullen dan minimaal twee maanden lang beproefd worden onder realistische omstandigheden bij een van de industriële partners.

Waarom dit belangrijk is
De CO2-uitstoot neemt wereldwijd nog steeds toe. Het verwijderen van CO2 uit rookgassen met behulp van membranen is goedkoper dan de huidige methode met vloeistoffen. Een belangrijk punt, want de prijs van CO2-afvang bepaalt of de techniek gebruikt wordt of dat het broeikasgas in de atmosfeer wordt geloosd.

 

Blijf op de hoogte van het onderzoek

Ontvang de Delft Integraal nieuwsbrief 4 keer per jaar