Tweet

Gewoon plastic, maar niet uit olie /1 reactie

Met een nieuwe nanokatalysator kunnen Utrechtse chemici synthesegas direct omzetten in de bouwstenen voor plastic. In plaats van olie kunnen daarom biomassa, steenkool en schaliegas gebruikt worden om bulkkunststoffen als polyetheen en polypropeen te maken. Maar van wie is eigenlijk het patent op de ontdekking?

De ontwikkeling van de nieuwe katalysator was “een van de leukste dingen uit mijn loopbaan”, zegt Krijn De Jong, hoogleraar anorganische chemie en katalyse aan de Universiteit Utrecht. Zo vaak komt het niet voor dat wetenschappelijk onderzoek een doorbraak in grootschalige chemische synthese inluidt. De Jong vindt het extra mooi dat zijn vinding ook een fundamentele vergroening van de kunststofindustrie kan inhouden. En dat bleek onverwacht nieuwswaardig. “Plastic uit snoeihout”, zo kopten de kranten. Zelfs RTL nieuws besteedde aandacht aan de Utrechtse ontdekking.

De nieuwe Utrechtse katalysator maakt het mogelijk om het in de chemische industrie veelgebruikte synthesegas direct om te zetten in korte alkenen (etheen, propeen en buteen). Dat zijn de basismoleculen voor de kunststofindustrie, die er polyetheen, polypropeen, polystyreen en andere veelgebruikte plastics van maakt.

Synthesegas of syngas, een mengsel van koolmonoxide (CO) en waterstof (H2), is te maken uit koolstofhoudende bronnen als aardgas, steenkool en biomassa. Het gasmengsel is de laatste jaren vooral erg in trek voor de productie van ’synthetische diesel’. Oliemaatschappijen investeren tientallen miljarden dollars in fabrieken die aardgas omzetten in synthesegas, om er vervolgens via het zogeheten Fischer Tropsch-proces diesel van te maken. Dat laatste gebeurt via katalysatoren van kobalt of ijzer.

Alkeenmoleculen

Bij diesel gaat het om relatief lange moleculen, legt De Jong uit. “Het was nog niemand gelukt om synthesegas op een beheersbare wijze om te zetten in korte alkeenmoleculen. Daar kun je behalve plastic trouwens ook allerlei andere chemische producten van maken. Oplosmiddelen bijvoorbeeld, maar ook cosmetica, wasmiddelen en medicijnen.”

De Utrechtse chemici gingen de uitdaging aan met een katalysator gebaseerd op ijzer. Die zou in principe kortere koolstofketens op moeten leveren. IJzer is ook nog eens veel goedkoper dan kobalt. “Een risico is wel dat er als bijproduct elementair koolstof ontstaat”, zegt De Jong. “Dat wil je niet, want dat verstoort het proces. Het zet zich af op de katalysator, in filters en op andere reactoronderdelen.”

De oplossing lag in extreem kleine nanodeeltjes ijzer. “Hoe kleiner de deeltjes, hoe kleiner het risico op koolstofvorming”, wist De Jong uit eerder onderzoek. Om klontering van de nanodeeltjes te voorkomen bracht promovenda Hirsa Torres Galvis ze op dragermateriaal aan. De grote vraag was of het ijzer daarbij wel voldoende katalytisch actief zou blijven.

Toevallig succes

In het Utrechtse lab bleek de nanokatalysator verrassend goed te werken. Maar toen onderzoekers van kunststofproducent Dow de katalysator onder hoge druk gingen testen, sloeg de hoera-stemming om. In Terneuzen lukte het namelijk niet de resultaten te reproduceren. Het was het begin van een moeilijke periode.

Pas na vele maanden met allerlei proeven en veel chemische analyses kwam de opluchting. In Utrecht bleek een basismateriaal voor de vervaardiging van de katalysator (ammoniumijzercitraat) verontreinigd met - onder andere - zwavel en natrium.

De verrassing was groot toen bleek welk ongelooflijk toeval Hirsa Torres in de kaart had gespeeld. “In de vervuilde pot zat precies genoeg natrium en zwavel om de werking van onze katalysator te optimaliseren”, zegt de onderzoekster. “Was het minder geweest, dan had het niet gewerkt. En als het méér was geweest ook niet.”

Het kraken van nafta

“Soms moet je dat geluk gewoon hebben”, zegt Matthijs Ruitenbeek, senior scientist bij Dow. “Bij succesvolle katalyse gaat het vaak om het ‘peper en zout’ in het recept. Dat hebben we nu gevonden.” Ruitenbeek vertelt dat Dow belangstelling voor het Utrechtse onderzoek had uit het oogpunt van feedstock flexibility.

In Terneuzen maakt Dow de bouwstenen voor plastic via het kraken van nafta, een aardolieproduct. Dat raakt langzaam op, en dus is het bedrijf op zoek naar andere grondstoffen. “De Utrechtse vinding vormt de tot nu toe ontbrekende schakel in de route van syngas naar plastic”, stelt Ruitenbeek. “We hebben nu steenkool, aardgas en biomassa technologisch gezien binnen handbereik als grondstof. Dat is een enorme doorbraak.”

Biomassa is de enige manier

Ruitenbeek waagt zich niet aan uitspraken of Dow de nieuwe syntheseroute echt zal gaan gebruiken, en met welke grondstof. “Dat heeft vooral met de kosten te maken. In Amerika is veel belangstelling voor schaliegas, dus dat wordt nu misschien een optie. In China zou je met deze technologie voor steenkool kunnen kiezen.

Biomassa lijkt voorlopig niet in beeld, want dat is nog te duur.” Toch vindt Krijn de Jong dat laatste eigenlijk de meest waardevolle toepassing van zijn onderzoek: “Op de lange duur biedt biomassa de enige manier om chemische producten te maken zonder fossiele grondstoffen.”

Dit artikel verscheen eerder in Chemie Magazine.

Ook interessant:

Bedrijfsafval biedt kansen voor grondstoffenschaarste
De nieuwste fruitgeuren komt uit de fabriek
Zelfreparerende coating doet natuurlijk groei na