Ultra-permeabel porieus koolstofvezel: uitzonderlijke adsorptie en geleiding

Toray's nieuwe porieuze koolstofvezel (linksboven, met holle centrale as) heeft een controleerbare, nano- of microschaal poriestructuur door het hele vezel (rechtsboven). Die porieuze structuur maakt het materiaal een effectief filtratiemedium dat nuttig kan zijn als ondersteuningsstructuur van gas-scheidingsmembranen. Omdat koolstof bekende adsorptie-eigenschappen heeft (voor chemische en fysieke filtratie) en een effectieve thermische en elektrische geleider is, kan het porieuze koolstofvezel ook toepassing vinden in geavanceerde batterijsystemen en katalysatordragers in chemische verwerking.

Werelds eerste continu porieuze koolstofvezel

Midden november 2019 kondigde Toray Industries Inc. (Tokio, Japan) aan de werelds eerste porieuze koolstofvezel met een continue nano- en/of microschaal poriestructuur te hebben ontwikkeld, met als doel commercialisatie binnen vijf jaar. Een potentiële toepassing is gebruik in gasscheidingstechnologie, toegepast door diverse industrieën om koolstofdioxide (CO2), biogas, waterstof en andere gassen te scheiden.

Toray rapporteert dat conventionele benaderingen voor gasscheiding plaatsvinden in grote faciliteiten die zelf veel energie gebruiken en significante CO2-emissies produceren. Een nieuwere, milieuvriendelijkere benadering gebruikt nanoporieuze membranen voor gasfiltratie die aanzienlijk minder energie verbruiken. Tot nu toe ontbrak deze methode echter de efficiëntie en duurzaamheid voor grootschalig, langdurig gebruik.

Volgens het bedrijf kan Toray's nieuwe porieuze koolvezelfiber dit probleem oplossen - met potentieel voor waterstofproductie voor brandstofcellen - door de prestaties van huidige gasscheidingsmembranen te verbeteren, waardoor membranen dunner, lichter, compacter en beter bestand tegen hitte, druk en chemicaliën worden.

Porieuze filtratiemedia

Nano- en microporieuze filtratiemedia zijn niet nieuw. Een handvol polymeren - voornamelijk thermoplastische - worden gebruikt voor zowel nanoporieuze vlakke membranen als nanoporieuze vezels. Typische toepassingen omvatten hoogpresterende waterfilters (industrieel en drinkwater); drank- en voedselfiltratie (kleur, geur, smaak verbeteren); medische filters (bloedscheiding en dialyse); en industriële gasscheiding (chemicaliën, petrochemicaliën, energie, mijnbouw, staalproductie, medisch, kunstmest, milieubescherming, elektronica en luchtvaart).

Meest gebruikte polymeren voor hoogpresterende filtratie: polyethersulfoon (PES), polysulfoon (PSU), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroetheen (PTFE) en celluloseacetaat (CA). Voor de meest eisende omstandigheden - hoge/lage temperaturen, agressieve chemicaliën, hoge vaste stof niveaus - worden ook keramieken (aluminiumoxide) en metalen (titandioxide, roestvrij staal) gebruikt.

Afhankelijk van de toepassing kunnen filtratiemedia in verschillende porositeitsniveaus geproduceerd worden met poriégroottes op orde van 0,1 micrometer (microfiltratie), 0,01 micrometer (ultrafiltratie), 0,001 micrometer (nanofiltratie) en 0,0001 micrometer (omgekeerde osmose).

Kritieke technische eisen voor hoogpresterende filtratiemedia: goede en brede chemische resistentie (ook tegen natriumhypochloriet, een veelgebruikt desinfectiemiddel); goede mechanische sterkte (hoge druk bij scheiding); permeabiliteit voor filtratiefunctie; en lage vervuiling voor efficiënte, langdurige operatie.

Porieuze koolstofvezel

Dat koolstofvezel als nanoporieuze filtratiemedium kan dienen is op meerdere manieren aantrekkelijk. Geactiveerd koolstof - een vorm met kleine gaten om beschikbaar oppervlak te vergroten voor adsorptie/chemische reacties - wordt al lang gebruikt in lagere-presterende filtratiesystemen. Door atoomkoolstofs overvloed aan lege orbitalen en het verhoogde oppervlak van geactiveerd koolstof, kan het materiaal een effectief medium zijn om diverse actieve stoffen te vangen en binden (adsorberen). Helaas is geactiveerd koolstof eigenlijk vast, waardoor de permeatiefunctie meestal beperkt is tot het oppervlak van het substraat, en de filtratiefunctie primair fysiek (niet chemisch), wat de typen en groottes van stoffen die effectief gescheiden kunnen worden, beperkt.

In het geval van Toray's porieuze koolstofvezel - of poeders geproduceerd door zo'n vezel te malen - zijn de poriën continu door de structuur, wat betekent dat producten van het materiaal zowel fysiek als chemisch moeten kunnen filteren. Door atoomkoolstofs adsorptie-eigenschappen te benutten, kan het nanoporieuze koolstofvezel nuttig blijken voor elektrodematerialen en katalysatordragers in hoogpresterende batterijen. Bovendien is koolstof in alle vaste vormen zowel een goede thermische als elektrische geleider - eigenschappen die in bepaalde toepassingen nuttig kunnen zijn.

Toray rapporteert dat zowel poriégrootte (micro- tot nano-niveau) als dwarsdoorsnede porievorm controleerbaar zijn in het product, of ze nu een "vast" porieuze vezel of een holle porieuze vezel (met centrale as) creëren. Tot nu toe zijn "grote" en "kleine" poriën gerealiseerd (geen specifieke maten gegeven). Aangezien koolstofvezel al gecarboniseerd en gegrafitiseerd is, is het chemisch stabiel en zeer stijf en sterk - eigenschappen die ook benut kunnen worden in de productie van sterkere, compactere gasscheidingsmembranen.

Volgens het bedrijf werd gebruikgemaakt van drie interne expertisegebieden: polymeren, koolstofvezel, en scheidingsmembraan/waterfiltratietechnologieën.

Nieuw R&D-innovatiecentrum

Op 11 december 2019 hield Toray een lintsnijceremonie voor de opening van het nieuwe R&D Innovation Center for the Future. Het tweeverdiepingen faciliteit, op het terrein van de Shiga-plant in Otsu, Japan, waar het bedrijf in 1926 de activiteiten startte, zal dienen als wereldwijd hoofdkwartier voor strategische initiatieven, waaronder porieuze koolstofvezel, door betrokkenheid van academische instellingen en industriepartners uit diverse velden. Toray rapporteert dat het bedrijf al samenwerkt met diverse partners om de commercialisatie van geavanceerde gasscheidingsmembranen te versnellen voor economische en ecologische methoden voor natuurlijke gas- en biogaszuivering en waterstofproductie voor brandstofcellen die elektrische voertuigen en gebouwen aandrijven. Dat team heeft een concept ontwikkeld voor een nieuw type gasscheidingsmembraan dat meer bestand is tegen hitte, chemicaliën en drukken. Door Toray's porieuze koolstofvezel als ondersteunende laag en partnertechnologie voor de gasscheidingslagen te combineren, zou het voorgestelde vier-lagen systeem in staat moeten zijn om natuurlijk gas (laag A), biogas (laag B), waterstof (laag C) en propyleen (laag D) te scheiden en te zuiveren.

Het bedrijf rapporteert ook dat het onderzoek in dit nieuwe materiaal voortzet om koolstofrecycling te bevorderen, waterstofenergieproductie te tappen en de ecologische voetafdruk van de industrie te verkleinen. Het is één arm van Toray's Group Sustainability Vision om laag-koolstof economieën te helpen realiseren tegen 2050 door bijdragen aan milieu-, hulpbronnen- en energie-kwesties.