Kunststoffen en chemicaliën voor de farmacie en de landbouw kunnen op basis van goedkoop aardgas worden gemaakt. Onderzoekers van de TU Eindhoven laten in het tijdschrift Science zien hoe.
Medicijnen, kunststoffen en landbouwchemicaliën hebben op het eerste gezicht weinig met elkaar te maken. Toch is er een belangrijke overeenkomst: ze worden voor een groot deel van dezelfde fossiele grondstoffen gemaakt: alkanen. Dat zijn simpele ketens van koolstofatomen, met van opzij het maximaal mogelijke aantal waterstofatomen eraan vast. Methaan, ethaan, propaan en butaan – de kortste en lichtste alkanen – zijn de hoofdbestanddelen van aardgas (methaan maakt er zelfs 94 procent van uit). Dat maakt ze goedkoop beschikbaar.
Daarom is het voor de industrie nogal spijtig dat juist de gasvormige alkanen over het algemeen niet als grondstof bruikbaar zijn. De processen werken alleen met de zwaardere, vloeibare alkanen. Die moeten door raffinaderijen uit olie worden gemaakt en zijn daarom duurder.
Geen warmte, maar licht
Waarom lukt het niet met de gassen? ‘Wat de processen doen, is een alkaan omzetten in een nieuwe stof door er een ander molecuul aan te koppelen’, legt chemisch technoloog Timothy Noël van de TU Eindhoven uit. ‘Voor dat zogeheten functionaliseren moet er eerst met behulp van verhitting één waterstofatoom van het alkaan worden afgehaald.
Maar bij de lichte, gasvormige alkanen is de waterstof sterker gebonden dan bij de vloeibare, waardoor er extra hoge temperaturen nodig zijn. Bij die temperaturen vallen de moleculen die je had willen aankoppelen uit elkaar.’
Vrijdag publiceerden Noël en zijn onderzoeksgroep in het wetenschappelijke topblad Science een doorbraak: een functionaliseerproces dat de lichte alkanen heel goed aankan. Voor het afkoppelen van waterstof gebruikt het geen warmte, maar licht. ‘Naar zo’n proces heeft de industrie lang uitgekeken. Overigens niet alleen vanwege de lagere kosten van aardgas, maar onder andere ook omdat de huidige processen milieuonvriendelijke stoffen zoals chloor en broom gebruiken.’
Lichtchemie
Het nieuwe proces gebruikt een katalysator (hulpmolecuul) om het waterstofatoom te ontkoppelen. De katalysator is decawolframaat, een verbinding van het metaal wolfraam die in actie komt na het absorberen van licht. Dat licht moet een golflengte van 365 nanometer hebben, wat in het ultraviolette deel van het spectrum ligt.
Dit soort lichtchemie is volgens Noël sinds een jaar of tien booming in de onderzoekswereld. De achtergrond daarvan is de hoge CO2-uitstoot van chemische fabrieken, die geweldige hoeveelheden aardgas verbranden om hun processen van warmte te voorzien.
Chemie op licht in plaats van warmte is een veelbelovende manier om daar iets aan te doen. De opkomst van de led kwam wat dat betreft net op tijd: die lijkt haast uitgevonden voor lichtchemie. Het spectrum van een led heeft namelijk maar bij één golflengte een piek, zodat die geen energie verspilt aan golflengten die de chemicaliën toch niet kunnen opnemen. Leds zijn tegenwoordig verkrijgbaar in zo’n beetje elke golflengte – ook infrarood en ultraviolet.
Webwinkel
Voor hun eerste serie proeven kocht de Eindhovense groep een 2,5 meter lange strip van 365 nanometer-leds bij een webwinkel. Die wonden ze tot een spoel, waarmee ze de binnenkant van een kunststof cilinder konden verlichten. Met die zelfgebouwde reactor toonden ze aan dat het proces werkte.
Nu was het tijd voor het echte werk, waarvoor ze een commercieel verkrijgbare reactor gebruikten. Daarin konden ze het gasmengsel onder een druk van tien bar brengen, zodat het vloeibaar werd. ‘Een katalysator moet een tijdje vlak bij de reagerende moleculen blijven om zijn werk te doen. In een gas krijgt het die kans vrij weinig, vandaar de overgang naar de vloeistoffase.’
De reactor van het merk Vapourtec is een zogeheten microreactor. Daarin stroomt de vloeistof door een transparant buisje van ongeveer een millimeter dik, dat tot een spoel is gewonden. Een lichtbron binnen de spoel kan de reagerende stoffen dan heel uniform verlichten, zodat de reactie overal even snel gaat.
38 verschillende stoffen
Er was nu ook een betere lichtbron nodig dan de ledstrips. ‘Vapourtec stelde ons zij nieuwste en sterkste lamp van 150 watt ter beschikking, die nog niet in de verkoop is.’
Met deze opstelling lukte het om de vier gasvormige alkanen vlot en met weinig bijproducten te functionaliseren. Vooral voor methaan is dat een mooi resultaat, want dat molecuul heeft de sterkste bindingen van allemaal en is tegelijk verreweg de belangrijkste component van aardgas.
Om de veelzijdigheid van het proces te laten uitkomen, geven de onderzoekers in Science een lijst van 38 verschillende stoffen die ze op basis van lichte alkanen hebben gemaakt. En nu? Het zou mooi zijn als de industrie zich op het nieuwe proces gaat storten, maar zo snel zal het naar alle waarschijnlijkheid niet gaan.
Flowreactor
Bijna alle fabrieken werken namelijk met zogeheten batchreactoren, grote kookketels voor reagerende mengsels. Die zijn niet goed genoeg te verlichten en zijn daarom voor dit proces niet geschikt. De batchreactoren zullen aan de kant moeten voor compleet andere typen, zogeheten flowreactoren. De microreactor uit het experiment is daarvan een voorbeeld.
Voor een grotere opbrengst stelt het Science-artikel voor dat de industrie een andere flowreactor gebruikt, de spinning disc-reactor van Noëls Eindhovense collega John van der Schaaf. Tegen zulke fundamentele veranderingen heeft de industriële chemie echter altijd een grote weerstand aan de dag gelegd.
Maar dezelfde munt heeft ook een andere kant. Omdat het nieuwe proces zo lucratief belooft te zijn, maakt het een echte kans die weerstand te overwinnen en de eerste grootschalige toepassing van flowreactoren te worden. Als dat gebeurt, zal de flowchemie waarschijnlijk ook steeds meer andere productieprocessen gaan overnemen.
Tekst: Timo Können
Beeld: Pompmodule voor het opvoeren van de druk in de reactor. Credit: TU Eindhoven
MEER LEZEN OVER DE DOORBRAAK IN LICHTCHEMIE?
Lees het hele verhaal in het julinummer van De Ingenieur, dat op 13 juli verschijnt. Neem hier een digitaaal abonnement of hier een abonnement op de printeditie.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.