(Bilde: Colourbox)

HVORDAN VIRKER: MEMBRANER

Uten membraner stopper livet

Forskning ved NTNU

På MEMFO (Membranforskning) ved Institutt for kjemisk prosessteknologi Ved NTNU, leder Professor May-Britt Hägg utviklingen av nye membraner for ulike separasjonsprosesser, blant annet CO2 rensing fra naturgass og røykgass. I arbeidet med finne en passende membran for CO2-rensing av naturgass har de utviklet en komposittmembran som består av en hydrofob porøs bærestruktur i form av en syltynn polymer hulfiber med en diameter på 1 mm og en veggtykkelse på 0,25 mm. Denne bærestrukturen er dekket på utsiden med en polymer som effektivt ioniseres i fuktig gass og trekker vann til et CO2-selektivt belegg. Polymeren er en såkalt Polyelektrolytt og har en basisk karakter som er ment å forbedre løseligheten av CO2 vs andre gasser igjennom en selektiv reaksjon som i følge teorien skal forbedre gjennomstrømningen.

Som tidligere nevn er dette en mer elegant måte å løse problemet på når man skal skille to like store typer molekyler. Når man skal skille metan og karbondioksid, som har en molekylstørrelse på henholdsvis 3,2 og 3,6 ångstrøm. (10 meter). Dette arbeidet har pågått over lengre tid og resultatene kan skilte med å være bedre enn dagens industristandard som er Cellulose Acetate. Disse resultatene er publisert og patentert. Veien videre er utfordringen i forhold til industrielle applikasjoner er holdbarheten til dette systemet. Det selektive laget må beholde sin karakter over tid. Dette er utfordrende når fødegassene har høye trykk og inneholder stoffer som kan være nedbrytende for både membran og polymer. For eksempel, porestørrelsene til bærestrukturen må være små nok at det selektive belegget ikke trykkes igjennom. Dette kontrolleres i selve fremstillingen av hulfiberet som skjer ved en kontrollert faseseparasjon av en polymerblanding i en koagulant.

En membran kan være det lille skillet mellom to gasser eller væsker som gjør den store forskjellen. På badet er membranen skillet mellom der det kan være vann og der det ikke skal være vann, altså et sperresjikt.

Den er designet for å stoppe vann i væskefase, men er åpen for damp. Men membraner kan også være mye mer høyteknologi enn som så. Membraner er tynne materialhinner med evne til å sperre eller separere ulike stoffer.

Uten membraner stopper livet, kan være et slagord. Alle levende celler er omsluttet av en cellemembran som beskytter den og gjør at den selektivt kan utveksle næringsstoffer, salter, gasser og avfallsstoffer.

En tynn materialhinne som er selektivt permeabel og åpen for ioner og organiske molekyler altså.

En sil

I sin enkleste form er membraner en slags sil. Vi kan betrakte det porøse papiret i et kaffefilter som en slik membran.

Den tette fiberstrukturen i papiret slipper gjennom aromastoffene løst i vann og holder tilbake de finmalte kaffekornene.

Det finnes en rekke slike materialer som fungerer som membraner basert på porestørrelse, spesielt innen ulike typer keramer.

Les også: Norsk membran setter verdensrekord

Kjemi

Ikke alle membraner har en porestørrelse som gjør dem åpne, slik at de kan fungere som en sil. Da må membranoverflaten fungere på en annen måte for å transportere molekyler gjennom.

Ved NTNU arbeider de for å kunne skille metan og karbondioksid ved hjelp av polymermembraner. Polymersjiktet de arbeider med er bare 0,0001 mm tykt, og det bygges opp som et belegg på porøse, hule fibre.

For å få CO2-gassen til å strømme gjennom membranen, som i utgangspunktet er for tett for å slippe gjennom, bruker man gassens løselighet til polymermateriale og evne til å diffundere gjennom en tynn hinne for å «lokke» den igjennom.

CO2 og polymeren som benyttes har lik polaritet, og det gir høy løselighet. I tillegg er polymeren basisk, og det danne en kjemisk forbindelse med CO2-gassen og fuktighet som er til stede i gassen.

Dette øker gjennomstrømmingen av CO2 ytterligere. For at CO2-gassen skal passere gjennom membranen, må det være forskjell i trykk og konsentrasjoner på de to sidene av membranen - dette blir den «drivende kraften» .

Siden f.eks. metan og karbondioksid har svært lik molekylstørrelse på henholdsvis 3,2 og 3,6 ångstrøm (10-10 meter), er det viktig å kunne skille dem effektivt, og det skjer fordi løseligheten for metan i polymeren er svært liten slik at den hindres i å bli transportert gjennom polymeren.

Les også: Utvikler nye katalysatorer med karbon

ØKT LØSELIGHET: Figuren illustrerer hvordan økt løselighet av CO2 i membranen kan oppnås. Her reagerer CO2 fra høytrykkssiden med amingruppene på polymeren og fraktes gjennom membranet med trykkfall.
ØKT LØSELIGHET: Figuren illustrerer hvordan økt løselighet av CO2 i membranen kan oppnås. Her reagerer CO2 fra høytrykkssiden med amingruppene på polymeren og fraktes gjennom membranet med trykkfall. Lina Merit Jacobsen

Stor overflate

Målet med forskningen ved NTNU er at slike membraner skal kunne skille CO2 fra naturgass på plattformer eller på havbunnen slik at den kan brukes som drivgass for økt olje- og gassutvinning.

Til det kreves enorme arealer med membranoverflate. Et hult rør med en diameter på en halv mm har ikke stor overflate, men pakket tett ved siden av hverandre kan man komme opp i 20.000 kvadratmeter per kubikkmeter.

Det gjør at slike anlegg kan bli svært kompakte. De vil heller ikke kreve kompressorer for å drive prosessen, fordi reservoartrykket ofte er nok til å presse CO2-molekylene gjennom membranen.

Les også: Prøver å forstå styrken til aluminium

Industrielle muligheter

Svært mange prosesser som brukes i industrien i dag for å skille stoffer krever mye tilført energi slik som ved destillasjon, sublimasjon og krystallisasjon.

Det kan være for å produsere oksygen, rense vann, desalinere havvann eller å hente ut CO2 fra avgasser. På mange områder brukes allerede membraner, men vi har bare så vidt pirket i potensialet.

Den norske «månelandingen» kan bli basert på en prosess for kjemisk absorpsjon i aminer eller ammoniakk. Det er svært kostbart og energikrevende, og miljøeffekten av absorbentene er omdiskutert.

På sikt kan membranteknologi bli et billigere, mer kompakt alternativ uten miljøulempene til dagens teknologi. Membrangruppen ved NTNU skal nå pilotteste en ny membrantype med amingrupper i overflaten som har stor selektivitet for CO2.

Målet er at den skal rense røykgasser fra ulike varmekraftverk.

Les også: Dette tauet er like sterkt som stål

Karbonmembraner

I Trondheim ble selskapet Memfoact etablert i 2008 med utspring fra membranforskningen ved NTNU. De har utviklet og patentert en helt spesiell membran basert på karbon til bruk for å separere ulike gasser.

Selskapet produserer svært tynne karbonrør ved å varme opp celluloserør i en O2-fri atmosfære.

Ved å variere betingelsene under forkullingsprosessen, kan de variere porestørrelsen. Slik tilpasses membranene til ulike gasser.

I pilottest

Det første pilotprosjektet er å oppgradere biogass, som er en blanding av CO2 og CH4 etter fermentering av matavfall. Gassmotorer kan ikke ha for mye CO2, så den må fjernes.

I dag gjøres dette med tradisjonelle aminprosesser eller vannscrubbere, men med karbonmembranen til Memfoact kan dette potensielt gjøres mye billigere og mer kompakt.

Et pilotanlegg på Lillehammer separerer inntil 50 Nm3/h og gir 96 prosent rent metan. Det gjør de uten å produsere kjemisk avfall. Hele prosessen er mekanisk, og lite av energien til kompresjon av biogassen går tapt.

Metanfraksjonen må likevel komprimeres videre til 250 bar. Andre tester har vist at membranene har stabil kapasitet over flere år.

Ved å variere porestørrelsen har selskapet også laget membraner som kan separere hydrogen fra ulike gassblandinger og for å separere propan fra propen.

I dag må den siste prosessen gjøres med kostbar destillasjon. Metoden er også testet ut på separasjon av O2 og N2.

Håpet er å kunne bruke den til for eksempel å redusere utslippet av nitrøse gasser fra dieselmotorer. Ved å redusere O2-mengden inn i motoren, dannes det vesentlig mindre NOX.

Membranen viser god lønnsomhet ved liten og mellomstor skala, men er ikke egnet for røykgasser som fra et kraftverk. Her er konsentrasjonen av CO2 for liten.

Kilder: Stipendiat Institutt for kjemisk prosessteknikk ved NTNU, Tom-Gøran Skog og forskningssjef i MemfoACT dr. ing. Jon Arvid Lie.

Les også:

Dette er verdens letteste materiale

Her finner de råstoffet til fremtidens supermateriale

Vil fange CO2 med grafén