Hoe werkt membraantechnologie?

Gasmembraantechnologie scheidt gassen van elkaar zonder bewegende delen, chemicaliën of warmte. Een membraanmodule laat het ene gas sneller door de wand van een holle vezel dan het andere en juist dat verschil in doorlaatsnelheid maakt de scheiding mogelijk. Dat werkingsprincipe, diffusie en permeatie, is uniek voor membraangeneratie en onderscheidt de techniek van PSA-generatoren, waar stikstof wordt gewonnen door zuurstof te adsorberen aan een moleculaire zeef.

In deze blog leest u hoe dat scheidingsproces verloopt, welke factoren de zuiverheid en opbrengst bepalen en wanneer membraantechnologie de betere keuze is dan PSA.

Wat is gasmembraantechnologie?

Gasmembraantechnologie is een scheidingstechniek waarbij een gasmengsel onder druk langs een selectief permeabel membraan wordt gevoerd. Het membraan bestaat uit duizenden holle polymeervezels, gebundeld in een cilindrische module. Elke vezel werkt als een miniatuurscheider: gassen die snel door het polymeer diffunderen verlaten de vezel via de wand, gassen die langzaam diffunderen blijven in de vezel achter en stromen door naar de uitgang.

Er zijn dus geen filters die deeltjes tegenhouden en geen adsorptiebed dat regenereert. De scheiding gebeurt op moleculair niveau en volledig continu, wat de techniek onderhoudsarm en stil maakt.

Hoe werkt het scheidingsproces stap voor stap?

1. Voorbereiding van de perslucht

Het membraan is de meest kritische component in de installatie en tegelijk de meest kwetsbare. Olie, vocht en vaste deeltjes in de voedingslucht tasten de polymeervezels aan en veroorzaken permanent capaciteitsverlies. De perslucht gaat daarom altijd eerst door een reeks persluchtfilters én een persluchtdroger: voor membraangeneratie geldt een drukdauwpunt van maximaal 3 °C. Concreet betekent dit minimaal klasse 1.4.1 volgens ISO 8573-1:2010, de norm die persluchtkwaliteit indeelt op deeltjes, water en olie. Wat die klassen precies inhouden, leest u in onze blog over ISO 8573-1 en persluchtkwaliteit.

2. Toevoer in de membraanmodule

De schone, droge perslucht stroomt onder druk de vezelbundel in. De druk aan de binnenzijde van de vezels is hoog, aan de buitenzijde heerst omgevingsdruk. Dit drukverschil is de drijvende kracht achter het hele proces. 

3. Selectieve permeatie

Door het drukverschil worden gasmoleculen door de vezelwand geduwd, een proces dat permeatie heet. De snelheid waarmee dat gebeurt verschilt sterk per gas:

waterdamp permeëert zeer snel;
zuurstof permeëert snel;
argon permeëert langzaam;
stikstof permeëert het langzaamst.

4. Product en permeaat

Wat overblijft in de vezel is een stikstofrijke, droge gasstroom: het product. De gassen die door de vezelwand zijn ontsnapt vormen het permeaat en worden als zuurstofrijke lucht afgevoerd naar de omgeving. Omdat een deel van het argon in de productstroom achterblijft, ligt de haalbare stikstofzuiverheid tot maximaal 99,6%

Hetzelfde principe werkt ook omgekeerd. Bij een zuurstofmembraan is niet het achterblijvende gas het product, maar juist de snel permeërende fractie: dat levert een zuurstofverrijkte gasstroom op.

Wat bepaalt de prestaties van een gasmembraan?

Vier parameters bepalen samen wat een membraan levert:

Werkdruk
Een hogere voedingsdruk vergroot het drukverschil over de vezelwand en daarmee de opbrengst per module. Elke module heeft echter een maximale werkdruk.

Temperatuur
Warmere voedingslucht laat gassen sneller permeëren, waardoor de doorzet stijgt. Tegelijk neemt het onderscheid tussen de gassen af, wat de haalbare zuiverheid drukt.

Debiet en zuiverheid
Dit is de belangrijkste afweging in het hele ontwerp. Laat u de lucht langzamer door de module stromen, dan heeft meer zuurstof de tijd om te ontsnappen en stijgt de zuiverheid, maar daalt de hoeveelheid stikstof die u eruit haalt. Wilt u meer volume, dan gaat dat ten koste van de zuiverheid.

Air factor
De hoeveelheid perslucht die nodig is per m³ stikstof. Deze verhouding bepaalt in de praktijk uw energierekening: de compressor verbruikt de energie, niet het membraan.

De laatste twee punten verklaren waarom vraag naar een zo hoog mogelijke zuiverheid vaak duurder uitpakt dan nodig. Elke procent extra zuiverheid kost onevenredig veel perslucht. Bepaal daarom eerst welke zuiverheid uw proces werkelijk vereist.

Membraan of PSA?

Beide technieken produceren stikstof uit omgevingslucht, maar op een fundamenteel andere manier. Een PSA-generator gebruikt koolstofmoleculaire zeef die zuurstof adsorbeert en periodiek regenereert, waardoor het proces cyclisch verloopt en zuiverheden tot in de ppm-orde haalbaar zijn.

Membraangeneratoren werken continu, hebben een snellere opstarttijd, minder bewegende delen en een lager geluidsniveau. Voor toepassingen met een middelhoge zuiverheidseis, zoals tankinertisering, blanketing en het vullen van leidingwerk, is membraantechnologie doorgaans de eenvoudigste en meest robuuste keuze. Membraangeneratoren leveren een stikstofzuiverheid tot 99,6%. Is een hogere zuiverheid vereist, dan komt PSA in beeld.

Waar wordt gasmembraantechnologie toegepast?

• Olie, gas en chemie: inertisering van tanks, leidingwerk en reactoren, ook op offshore-locaties waar compacte, onderhoudsarme installaties noodzakelijk zijn.
• Voedingsmiddelen en dranken: beschermende atmosfeer bij opslag, afvullen en transport.
• Kunststof- en elektronica-industrie: droge, zuurstofarme atmosfeer in productieprocessen.
• Brandpreventie en banden vullen: toepassingen waarbij een lage zuurstofconcentratie het doel is.
• Laboratoria: stikstof als draag- en drooggas voor analyseapparatuur zoals LC-MS, GC-MS en TOC.

Levensduur en onderhoud

Een membraanmodule heeft geen bewegende delen en vraagt daarom nauwelijks onderhoud. Hoe lang een module meegaat, laat zich echter niet vastleggen op een vast aantal jaren. Dit hangt af van de kwaliteit van de ingaande perslucht, de ingangs- en omgevingstemperatuur, trillingen en het aantal bedrijfsuren.

De persluchtkwaliteit weegt daarvan het zwaarst. Het onderhoud zit dan ook vooral in de voorbehandeling: olie, vocht en deeltjes tasten de vezels onherstelbaar aan. Een dalende zuiverheid of een afnemende opbrengst bij gelijke instellingen is het signaal dat het membraan aan vervanging toe is.

Gasmembranen van Avilo

Avilo is Parker-distributeur en Authorised Repair Center in de Benelux. Wij leveren de HiFluxx- en SmartFluxx-stikstofmembranen en EnOxy-zuurstofmembranen en bouwen daarnaast complete stikstofgeneratoren op maat.

Zoekt u een losse module voor uw eigen machine of een compleet systeem? Wij rekenen graag met u door welke configuratie past bij uw zuiverheid, debiet en energieverbruik. Neem contact met ons op voor een vrijblijvend adviesgesprek of een kostenindicatie.