Employing interfaces to design polyether-based carbon capture membranes

Promovendus/a: Daan Van Havere

Promotor(en): Prof. dr. ir. Ivo Vankelecom, Mevrouw Rhea Verbeke

In de strijd tegen klimaatverandering speelt het verminderen van de uitstoot van koolstofdioxide (CO₂), gevormd tijdens de verbranding van fossiele brandstoffen, een cruciale rol. Naast de transitie naar duurzame energiebronnen en een efficiënter energiegebruik, is ook post-combustion carbon capture and storage een veelbelovende methode om de nodige CO2-emissiereducties te bereiken. In post-combustion carbon capture and storage wordt CO₂ verwijderd uit de uitlaatgassen van grote emissiebronnen (bijv. elektriciteitscentrales) en vervolgens opgeslagen of hergebruikt. Een cruciale uitdaging in dit proces is CO₂ op een kostenefficiënte manier scheiden van de andere uitlaatgassen (voornamelijk stikstof). Een van de toonaangevende technologieën om deze scheiding uit te voeren is het gebruik van gasscheidingsmembranen. Deze membranen werken als barrières die in staat zijn om CO₂ door te laten, terwijl andere gassen worden tegengehouden. Echter, door het grote geproduceerde volume aan uitlaatgassen met een lage CO₂-concentratie, is de ontwikkeling van membranen die sneller CO₂-transport (permeantie) toelaten en efficiënt CO₂ van andere gassen onderscheiden (selectiviteit) noodzakelijk.

Het ontwikkelen van membranen met deze eigenschappen vereist zowel optimalisatie van de membraanmaterialen als het minimaliseren van de dikte van de membranen. Een bijzonder beloftevol polymeermateriaal voor de ontwikkeling van post-combustion carbon capture membranen is crosslinked poly(ethylene oxide) (XLPEO), aangezien het zowel een hoge CO₂/N₂-selectiviteit als een hoge intrinsieke CO₂-transportsnelheid (permeabiliteit) heeft. XLPEO dankt beide eigenschappen aan de CO₂-fiele ethergroepen in het polymeer en de flexibiliteit van de polymeerketens. Echter, de gecrosslinkte structuur van XLPEO maakt het slecht oplosbaar, waardoor het moeilijk in dunne membraanfilms kan worden omgezet. Interfacial initiation of polymerization (IIP), een recent ontwikkelde methode gebruikt voor de synthese van membranen voor vloeistofscheidingen, biedt een mogelijke oplossing voor dit probleem. De IIP methode is namelijk in staat om dunne, intrinsiek gecrosslinkte polymeerfilms te vormen op de interfase van twee niet-mengbare vloeistoffen. Tijdens IIP worden epoxidemonomeren verbonden door vorming van etherbindingen, wat resulteert in een poly(epoxyether) (PEE) polymeer met een structuur gelijkaardige aan XLPEO. Deze gelijkaardige structuur maakt PEE polymeren interessante materialen voor de ontwikkeling van post-combustion carbon capture membranen. Daarom had dit proefschrift het tweeledig doel om (1) aan te tonen dat de IIP-methode ook gebruikt kan worden om dunne PEE-gasscheidingsmembranen te bereiden en (2) een synthese-structuur-gasscheidingsefficiëntie relatie te ontwikkelen voor deze PEE-membranen.

In een eerste studie werd de IIP-methode succesvol gebruikt om dunne PEE-membranen met gasscheidingseigenschappen te bereiden uit poly(ethylene oxide)-gebaseerde epoxidemonomeren. Door variatie in de bereidingscondities kon de chemische structuur van het PEE-membraan worden aangepast. Dit resulteerde in meerdere membranen met een hoge CO₂/N₂-selectiviteit, maar met een beperkte CO₂-permeantie, als gevolg van porie-impregnatie. Om porie-impregnatie te vermijden, werd het epoxidemonomeer vervangen door het hydrofobe en grote monomeer G-POSS. Hoewel de dunne film PEE-membranen gemaakt uit G-POSS minder leden onder porie-impregnatie, aangetoond door hun drie- tot zesmaal hogere CO2 permeantie, bleek het onmogelijk om porie-impregnatie volledig te verhelpen. Verdere analyse van de G-POSS-membranen toonde aan dat een verhoogde inbouw van de amine-initiator in de PEE-polymeerstructuur de permeantie van alle gassen door het membraan verminderde en zowel de selectiviteit op basis van molecuulgrootte als de CO₂-permeantie in vochtige condities van het membraan verhoogde. Deze analyse benadrukte de invloed van de inbouw van de initiator in het PEE-polymeer op de gasscheidingseigenschappen van het membraan. Door het ontwikkelen van een synthesemethode voor het maken van vrijstaande (dense) PEE-membranen kon het belang van initiator-inbouw in meer detail onderzocht worden. Deze vrijstaande membranen lieten immers toe om de PEE CO2-permeabiliteit te meten en om de inbouw van de initiator in het membraan te controleren door de epoxide-amineverhouding in de synthese te wijzigen. Vrijstaande PEE-membranen, gemaakt uit het monomeer EO-G-POSS, toonden aan dat een hoge initiatorinbouw leidde tot membranen met een uitzonderlijk hoge CO₂-affiniteit bij een lage CO2-druk en een verlaagde CO₂-permeabiliteit. Daarentegen hadden veranderingen in initiatorinbouw weinig effect op de CO₂/N₂-selectiviteit van de membranen. Bovendien toonden deze vrijstaande PEE-membranen aan dat de intrinsieke gasscheidingseigenschappen van PEE-membranen veelbelovend zijn. Tot slot inspireerde het porie-impregnatiefenomeen de ontwikkeling van een nieuwe methode voor het maken van dunne geïmmobiliseerde -vloeistof gasscheidingsmembranen (SLM), genaamd interfacial transport (IT). De IT-methode is gebaseerd op de gecontroleerde overdracht van een vloeistof met gasscheidingseigenschappen over een vloeistof-vloeistof interfase. Deze methode maakte een snelle en materiaalefficiënte bereiding van SLM met veelbelovende drukstabiliteit mogelijk.