Een prototype voor het produceren van zuurstofrijk lucht met behulp van een nieuwe magnetische scheidingscel en magnetische mixed poly(ethersulfone)-matrixmembranen

Ademen wordt makkelijker met slimere luchtfilters

Het leveren van schone, zuurstofrijke lucht is cruciaal voor ziekenhuizen, de industrie en zelfs schonere motoren, maar de huidige technologieën om zuurstof uit lucht te scheiden zijn vaak omvangrijk, energie-intensief en duur. Deze studie presenteert een nieuw, compact prototype dat zuurstof kan verrijken met een speciaal op magnetisme gebaseerd membraan en een zorgvuldig ontworpen metalen cel. Door gebruik te maken van het subtiele magnetische verschil tussen zuurstof en stikstof verhoogt het apparaat het zuurstofgehalte in de lucht zonder te vertrouwen op grote externe magneten of complexe koelsystemen.

Waarom lucht scheiden zo moeilijk is

Lucht bestaat grotendeels uit stikstof, met slechts ongeveer een vijfde zuurstof, en deze twee gassen zijn bijna even groot. Traditionele methoden om ze te scheiden—kryogene destillatie en pressure swing adsorption—werken goed maar vragen om zware apparatuur en veel energie. Membraanmethode, waarbij lucht door dunne barrières wordt geperst die het ene gas meer bevoordelen dan het andere, beloven kleinere, eenvoudigere systemen. Omdat zuurstof en stikstof echter zo op elkaar lijken, hebben de meeste membranen moeite om ze te onderscheiden, waardoor verbetering van de scheiding meestal ten koste gaat van ofwel efficiëntie ofwel praktische toepasbaarheid.

Magnetisme gebruiken om zuurstof te sturen

Zuurstof wordt zwak aangetrokken door magnetische velden, terwijl stikstof licht wordt afgestoten. De onderzoekers benutten dit contrast door kleine ijzer-nikkel legeringsdeeltjes in een polymeer genaamd poly(ethersulfone) in te bedden, zodat een zogenaamd mixed matrix membraan ontstaat. Deze legeringen, gemaakt door een eenvoudige chemische reductie, hebben ongebruikelijke “zeesterren”- en “ketting”-vormen en behouden een sterke eigen magnetisatie. Omdat ze zich als kleine permanente magneten gedragen, kan het membraan sterker aan zuurstofmoleculen trekken dan aan stikstof, en zo zuurstof door het materiaal sturen zonder externe elektromagneten of spoelen.

Een slim membraan en een doordachte cel vervaardigen

Om het membraan te maken loste het team het polymeer op en dispergeerde een kleine hoeveelheid van de magnetische legering, waarna ze het mengsel in dunne vellen goten. Een ijzeren gietmes dat tijdens deze stap werd gebruikt werkt als een magneet en trekt de legeringsdeeltjes in uitgelijnde rijen net onder het membraanoppervlak, waardoor ze niet naar beneden zakken. Tegelijkertijd vergroot een porievormend zout het aantal microscopische holtes rond de deeltjes, waardoor de paden die gasmoleculen moeten afleggen korter worden. Deze eigenschappen produceren een membraan met een hogere porositeit en ruwheid dan een eenvoudige polymeerplaat, waardoor meer zuurstofrijke lucht kan passeren terwijl stikstof grotendeels wordt tegengehouden.

Een compacte cel die de prestaties verbetert

Het membraan is gemonteerd in een op maat gemaakte, roestvrijstalen vlakke cel ter grootte van een kleine tegel. Lucht komt aan één zijde binnen, stroomt over het membraan en een zuurstofverrijkt stroompje verlaat de andere zijde. Een belangrijke innovatie zit aan de permeaatzijde: vier ondiepe ribben, die later werden gecoat met dezelfde magnetische legering die in het membraan is gebruikt. Deze ribben creëren een tweede magnetische "trek"-zone voor zuurstofmoleculen die het membraan zijn gepasseerd, waardoor nog meer zuurstof wordt aangetrokken. Tests met doorstromende lucht bij matige drukken toonden aan dat het eenvoudig toevoegen van de magnetische coating aan de ribben de permeabiliteit voor zuurstofrijke lucht met 55 procent verhoogde en het zuurstofgehalte van de uitgaande stroom met ongeveer 40 procent deed stijgen, vergeleken met een identieke cel zonder magnetische ribben.

Wat dit betekent voor dagelijks gebruik

Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat dit werk een eenvoudigere manier laat zien om zuurstofrijke lucht te maken: een dunne, kunststofachtige plaat gevuld met kleine permanente magneten, geplaatst in een slim gevormde metalen cel. In plaats van grote magneten of energie-intensieve koelsystemen leiden de permanente magneetdeeltjes en het geribde ontwerp stilletjes zuurstof uit de luchtstroom. Hoewel de mate van verrijking bescheiden is vergeleken met grote industriële installaties, wijzen de prestatieverbeteringen, het gebruik van goedkope materialen en de werking zonder extern magnetisch veld op een praktische weg naar lichtere, efficiëntere zuurstofunits voor medische apparaten, schonere verbranding en andere toepassingen waar compacte, betrouwbare luchtscheiding waardevol is.

Bronvermelding: Nady, N., Rashad, N., Elmarghany, M.R. et al. A prototype for producing oxygen-rich air using novel magnetic separation cell and magnetic mixed poly(etheresulfone) matrix membranes. Sci Rep 16, 9661 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41766-y

Trefwoorden: zuurstoffractie verhogen, magnetische membranen, gasscheiding, mixed matrix membraan, luchtseparatietechnologie