Vanuit haar laboratorium op de Brightlands Chemelot Campus in Geleen vertelt Katrien Bernaerts, Assistant Professor Biobased Materials, Polymer Chemistry, over dit project dat tussen nu en twee jaar zijn beslag gaat krijgen. Het onderzoek wordt gefinancierd met een projectsubsidie van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek.
Kern van het project is het verduurzamen van membranen, gedeeltelijk doorlaatbare scheidingswanden tussen twee vloeistoffen die chemicaliënstromen uit elkaar houden. Het oplosmiddel kan de semi-permeabele wand gemakkelijk passeren, de opgeloste stof kan dit niet of moeizaam.
Specifieke eigenschappen
Membranen kunnen worden vervaardigd op basis van synthetische polymeren. ‘Hun bron bestaat uit fossiele grondstoffen. Olie is een eindige grondstof. Gezien het toenemende tekort – op middellange termijn – aan olie richt onze onderzoeksgroep zich sinds de oprichting drie jaar geleden op biobased alternatieven. In dit geval doen we dat onderzoek met de industrie, want ook SABIC is geïnteresseerd in de ontwikkeling van ‘groene’ membranen. Ze worden op grote schaal gebruikt in bijvoorbeeld in waterzuiveringsinstallaties waar deze bacteriologische en chemische bevuiling verwijderen’, aldus Bernaerts. ‘Het mooie van deze samenwerking is dat wij de onderzoekskant doen – het inbouwen van biobased polymeren in membranen – terwijl SABIC zich richt op de toepassingen. De vertaling naar toepasbaarheid en commerciële haalbaarheid doen zij dus.’
Voor het onderzoek beschikt de universiteit over een rijk geoutilleerd lab. ‘Voor dit project kunnen we voor apparatuur die we zelf niet hebben, zoals Scanning Elektronen-Microscopie, bij SABIC terecht. Het beoogde product bestaat uit conventionele synthetische polymeren, het materiaal waar SABIC groot mee is geworden, en biobased polymeren. Die hebben een dusdanige samenstelling dat we specifieke eigenschappen kunnen geven aan het membraan.’
High value applications
Rob Duchateau, Chief Scientist bij SABIC Europe, is bij dit project het directe aanspreekpunt voor de post-doc-onderzoeker. ‘Met hem zal onze postdoc nauw samenwerken. Dat is gemakkelijk, want hier op Chemelot zitten we een verdieping van elkaar. Bedenk dat de echte applicatietesten straks ook bij SABIC plaats zullen vinden. Deze onderzoekslocatie is ideaal voor zo’n samenwerking.’
Aan Duchateau de vraag waarom dit onderzoek zo interessant is voor SABIC? ‘Ons bedrijf is groot in polymeren. We willen ons meer gaan richten op nieuwe toepassingen, met name op de high value applications, een markt met hoge marges. Daartoe moet je met innovaties komen die competitief zijn in de markt. Samen met de universiteit kunnen wij dit onderzoek opstarten en kennis opbouwen. Zo kunnen we als SABIC bijdragen aan de oplossing van belangrijke problemen in deze wereld. Denk aan het garanderen van schoon drinkwater met goede waterzuiveringen. De toepassingen van biopolymeren in membranen en hergebruik daarvan past eveneens in onze milieudoelstellingen.’
Groene stempel
Bij de productie van het membraan, dat eerst zowel uit conventionele als biobased polymeren bestaat, wordt het biobased gedeelte verwijderd. Er ontstaat dan de gewenste, poreuze microstructuur met nanoporiën. ‘Het schema (zie afbeelding, red.) laat het mooi zien. De continue fase is het synthetische polymeer dat voor mechanische sterkte moeten zorgen. Dat deel blijft intact. De groene ‘bolletjes’ zijn biobased polymeren die we verwijderen en die recycleerbaar zijn. Dat is het groene stempel in dit onderzoek.’
Het doel is dan ook om polymeermembranen te maken die stuurbare eigenschappen hebben. De nieuw te maken blok-copolymeren moeten zichzelf op nanoschaal gaan ordenen voor een optimale membraanwerking. ‘Dat is de crux en dat proces moeten we in de vingers krijgen in de komende twee jaar. Door het blok-copolymeer te etsen, ontstaan er allerlei nanoporiën. Daar wil je controle over hebben. In dit project leveren we de proof of concept dat het kan, dit kan dan later toegepast worden.’
Co-polymeren
Wanneer twee verbindingen worden gemengd om samen een polymeer te vormen, ontstaat er een co-polymeer. Naast de willekeurige vorm (random co-polymeer, AAABABBABBBABAABA) en de om-en-om vorm (alternating copolymer, ABABABABABABAB) bestaat er ook nog een blok-copolymeer waarbij blokken van de twee monomeren elkaar afwisselen. Voor monomeren A en B is dat bijvoorbeeld AAAAAABBBBBB.
