Vidi-laureaten 2020 over hun onderzoeksplannen

Stoffen scheiden met een nieuwe type nanomembranen

Met de Vidi-subsidie die hij in november ontving, hoopt fysisch chemicus Martin F. Haase een nieuw materiaal voor een moleculaire scheidingsmethode te ontwikkelen. Haase is gespecialiseerd in de ontwikkeling van membranen van nanostructuren op basis van zogeheten 'bijels'. Dat materiaal heeft grote potentie om bijvoorbeeld zeer efficiënt drinkwater te maken van zout water.

Man-made problem

“Op veel plekken op aarde heeft de mens als het ware waterschaarste gecreëerd”, zegt de Duitse soft materials onderzoeker Martin Frodo Haase van het Debye Instituut voor Nanomaterialen Wetenschap. “Landen als Nederland importeren producten zoals aardbeien, cacao en katoen vanuit de hele wereld. Het meeste drinkwater dat we wereldwijd gebruiken gaat zelfs op aan landbouw. Ik wil een technische oplossing bieden voor dit man-made problem.”

Zo’n technische oplossing is er feitelijk al: veel van die gebieden met waterschaarste liggen wel in de buurt van de zee en het zoute water kun je via een osmotisch proces ontzilten. Haase: “Wereldwijd zijn in totaal zo’n 20.000 ontziltingsfabrieken werkzaam. Samen produceren ze één procent van de totale hoeveelheid zoet water op aarde. Maar het proces is duur, kost een hoop energie en vereist duur materieel: krachtige pompen en roestvrij staal omdat dat sterk is en niet corrodeert. Ik wil de techniek verbeteren, zodat zoet water beter toegankelijk wordt.”

Een bijel-membraan kan in potentie 400 keer zoveel water zuiveren als het beste scheidingsmembraan dat nu beschikbaar is.

Martin F. Haase, universitair docent

Omgekeerde osmose

De meest efficiënte manier om zout uit water te scheiden, is via zogeheten omgekeerde osmose. Haase legt het principe van die methode uit: “Het is een membraan dat bestaat uit een substraat met daarop een ultradunne film van 10 nanometer dik. De polymeerketens in die film laten selectief watermoleculen door, waardoor die passeren maar zoutmoleculen achterblijven. Om dit proces mogelijk te maken, is een hoge druk nodig en dus veel energie. Het systeem moet die druk kunnen weerstaan en daarom is het substraatgedeelte van het membraan relatief dik. Dat is puur om mechanische steun te geven.”

Grafische weergaven van nanomembranen. Links: hedendaagse membraan, rechts: nanomembraan op basis van bijels.

Twee jaar geleden bedacht Haase een manier om het membraan te verbeteren: “In plaats van dat het substraat alleen dient voor mechanische steun, kunnen we de dunne film vergroten ín het substraat. Dat vergroot het oppervlak van het membraan aanzienlijk en daarmee ook de zoetwaterproductie.” Zijn idee was om een membraansubstraat te maken als sponsachtig materiaal, waardoor het water van buiten naar binnen stroomt, waar de film de watermoleculen kan scheiden van de zoutmoleculen. “Die ronde vorm in combinatie met het grote oppervlak maakt het net zo sterk maar wel veel productiever. Dit type membraan kan in potentie 400 keer zoveel water zuiveren als de beste variant die nu beschikbaar is.”

Modelleerklei hard maken

Voorwaarde voor het gebruik van de sponsachtige membraan is dat de zoutmoleculen die achterblijven in de structuur en daar verstoppingen zullen veroorzaken, beter weg te leiden uit het membraan. Haase is expert in onderzoek aan een materiaal dat pas sinds 2005 bekend is: de bicontinuous interfacially jammed emulsion, kortweg bijel. Het is een emulsie van twee vloeistoffen, van elkaar gescheiden door een ultradun laagje nanodeeltjes dat de oppervlakte tussen de twee vloeistoffen stabiel houdt.

Links: in een bijel worden twee vloeistoffen van elkaar gescheiden door een dunne film. Rechts: afbeelding van een bijel gemaakt met een scanning elektronen microscoop.

Haase: “Een bijel heeft normaliter de consistentie van modelleerklei, maar je kunt het hard maken, wat het geschikt maakt om als dragermateriaal te dienen voor het type membraan dat ik wil verbeteren. In mijn tijd in de Verenigde Staten deed ik onderzoek dat leidde tot de ontdekking van een nieuwe methode om bijels te maken: STRIPS, ofwel Solvent Transfer Induced Phase Seperation.” STRIPS maakt de goedkope massaproductie mogelijk van bijels als nanostructuren met hoge interne oppervlakten en controleerbare vormen.

De juiste reden voor een benadering

Want universitair docent Martin Haase had er, voordat hij naar Utrecht kwam, al een aardig rijtje aanstellingen op zitten in het fundamentele soft material onderzoek. Hij promoveerde aan het Max Planck Instituut voor Colloïdenonderzoek in Potsdam, was postdoc in New York en Philadelphia en universitair docent in New Jersey. “Via de fundamentele wetenschap kan ik met de juiste reden een bepaalde benadering kiezen voor mijn onderzoek. Zonder die fundamentele kennis kom je niet tot een toepassing.”

In die verschillende functies ontwikkelde Haase specifieke aspecten van de kennis die hij sinds 2019 in Utrecht toepast met een ERC Starting Grant. En afgelopen november ontving hij ook nog eens een Vidi. “Voor mijn ERC gebruikte ik het principe van bijels al voor katalyse. Nu ga ik die ook inzetten om membranen mee te onderzoeken.”

Naast het ontzilten van water zijn daar in de toekomst ook andere stoffen mee te scheiden. “Membranen met een groot oppervlak zijn potentieel te gebruiken om afvalwater mee te behandelen, of om in de industrie chemische stoffen te zuiveren voor bijvoorbeeld het maken van geneesmiddelen, plastic, lijm of cosmetica. Naar dat proces gaat in fabrieken nu nog de grootste hoeveelheid energie.”