Alternatieven voor de huidige energie-intensieve scheidingsprocessen in de chemische industrie zouden zowel de CO2-voetafdruk als het energieverbruik van de sector aanzienlijk kunnen verminderen. In het promotieonderzoek dat Serena Agnolin uitvoerde in de Sustainable Process Engineering groep, ontwikkelde ze nieuwe membranen voor de productie van waterstof op een meer duurzame manier. Ze verdedigde haar proefschrift cum laude aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry.
TU/e-onderzoeker Serena Agnolin deed als promovenda onderzoek naar effectieve manieren om veelgebruikte chemische reactoren efficiënter te maken, gedreven door haar passie voor het verduurzamen van haar eigen industrie.
De chemische industrie is een van de grootste industriële uitstoters van CO2. De meeste chemische reacties leveren niet één product op maar een mengsel van verschillende verbindingen. Hieruit moet het gezochte molecuul worden gescheiden. De meest gebruikte scheidingstechniek is destillatie.
Destillatie is echter één van de meest energie-intensieve onderdelen van een chemische fabriek en draagt aanzienlijk bij aan de CO2-uitstoot. Het scheiden van waardevolle producten op een andere manier kan dus de CO2-uitstoot verlagen en tegelijkertijd het energieverbruik verminderen.
In haar promotieonderzoek richtte de in Italië geboren Serena Agnolin zich op zogeheten membraanreactoren voor de productie van waterstof, dat gebruikt kan worden als chemische verbinding of als brandstof. In dit soort reactoren worden membranen gebruikt om de waterstof direct in het productievat te scheiden van de rest van de reactieproducten. Dit voorkomt het gebruik van andere grote, energie-intensieve scheidingstechnieken later in het proces.
Waterstofproductie
“Mijn onderzoek maakte deel uit van een grootschalig Europees project genaamd MACBETH”, vertelt Agnolin. “Dit project was gericht op de ontwikkeling van een katalytische membraanreactor voor vier verschillende chemische processen. Ik werkte aan de membranen voor waterstofproductie uit aardgas.”
Agnolin richtte zich op membranen van palladium, omdat dit materiaal een hoge selectiviteit voor waterstof heeft. Traditioneel worden palladiummembranen ondersteund door een substraat van keramiek. “Keramiek is echter kwetsbaar en heeft de neiging om te falen of te breken. Wij wilden deze membranen opnieuw maken op een metalen buis, om ze sterker te maken.”
Poriën vullen
Hoewel dit vrij eenvoudig klinkt, bleek het een uitdaging om dit idee in de praktijk te realiseren, zegt Agnolin. “Het bleek onmogelijk om een grote, defectvrije laag palladium op het metaal aan te brengen, hoeveel ik het ook polijstte. Bovendien trok het metaal bij hoge temperatuur in het palladium.”
“Zelfs het ontwikkelen van een speciale tussenlaag hielp niet om de gaten in de metalen buis te dichten.” De doorbraak kwam toen de promovendus op een dag besloot om de gaten in de metalen buis op te vullen met keramiek. “Dat leverde eindelijk de gezochte stabiele membranen op met een hoge waterstofselectiviteit.”
Agnolin testte haar membranen in een fixed bed reactor die methaan combineert met waterdamp om waterstof, kooldioxide en koolmonoxide te produceren. “Met onze membranen slaagden we erin om de waterstof efficiënt te scheiden van de andere reactieproducten. En door de waterstof al tijdens de reactie te verwijderen, werd meer methaan omgezet in waterstof.”
De ultieme test doorstaan
Naast de methaan-stoomreactie heeft Agnolin haar membranen ook getest voor een andere reactie, namelijk de productie van waterstof door het kraken van ammoniak. Aangezien deze reactie kan worden gebruikt om waterstof te produceren voor brandstofcellen, moet de geproduceerde waterstof zeer zuiver zijn en moet de selectiviteit van de membranen dus nog hoger zijn voor deze toepassing. Tot haar grote tevredenheid doorstonden Agnolin’s membranen ook deze nog zwaardere test.
Met de verdediging van haar proefschrift eindigde Agnolin’s betrokkenheid bij de ontwikkeling van de palladium membranen. Momenteel werkt ze als postdoc in dezelfde groep aan een ander type membranen: moleculaire koolstofzeven die worden gebruikt bij gasscheiding.
Creatief in tekst en technologie
“Ik vind het leuk om nieuwe dingen vanaf nul te ontwikkelen en ik hou van het schrijven van papers. Ik ben waarschijnlijk een van de weinige promovendi die het schrijven van een scriptie echt leuk vond. Schrijven is een creatief proces, net als kunst en tekenen. En nieuwe dingen creëren, of dat nu is in de vorm van een tekst of een technologie, is waar ik het meest van hou.”
Serena Agnolin verdedigde haar proefschrift “Development of metallic supported Pd-based membranes for H2 separation: Design and application in membrane reactors” bij de faculteit Chemical Engineering and Chemistry op 7 mei 2024.
Promotoren: Fausto Galucci en John van der Schaaf
