Groene Chemie (5hv) - Artikelen

VWO

Amsterdammers maken moleculaire waterstofgenerator. Klik hier!

Kuststof is klimaat vriendelijk. Klik hier!

Rijden op liters oud frituurvet, klik hier!

DNA met slappe schokbreker? klik hier!

Groen gaat niet gemakkelijk. Klik hier!

De ideale oplossing

Door handig gebruik te maken van kooldioxide onder hoge druk kan het voor de fijnchemische industrie veel interessanter worden om gebruik te maken van een bijzondere klasse milieuvriendelijke oplosmiddelen: ‘ionische vloeistoffen’. Onderzoekster dr.ir. Maaike Kroon liet zien dat de besparingen, in elk geval op papier, astronomisch zijn.

Door: Dap Hartmann

De farmaceutische industrie heeft geen best imago. Ze gebruikt veel energie en produceert meer afval dan welke andere industrietak ook. Voor iedere kilo nuttig product schiet gemiddeld 25 tot 100 kilo afval over en is zo'n 50 tot 200 megajoule energie nodig – genoeg om 150 tot 600 liter water aan de kook te brengen. De medicijnindustrie genereert zelfs duizend maal meer afval dan de olieraffinage en verbruikt twintig keer zoveel energie.

Voornaamste boosdoener: de grote hoeveelheden oplosmiddelen die de fijnchemische procesindustrie gebruikt. De meeste reacties vinden plaats in organische oplosmiddelen, zoals methanol of aceton. Het afscheiden van het reactieproduct uit het oplosmiddel kost echter veel energie en geeft veel afval.

Geen wonder dat onderzoekers al jaren zoeken naar milieuvriendelijker alternatieven. Sinds de jaren negentig richten veel van de inspanningen zich op zogeheten ionische vloeistoffen. Die zouden weleens het groene alternatief kunnen zijn voor organische oplosmiddelen.

Ionische vloeistoffen zijn zouten die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur. Ze bestaan uit grote, asymmetrische, positief en negatief geladen ionen, die vloeibaar blijven omdat ze niet gemakkelijk een kristalrooster vormen. Dat verschaft ze tevens een groot voordeel ten opzichte van organische oplosmiddelen: ionische vloeistoffen kunnen niet verdampen. Als een negatief geladen ion (anion) ontsnapt, blijft er een positief geladen vloeistof achter die hem weer terugtrekt. Daardoor gaat er geen oplosmiddel verloren, en raakt de lucht niet vervuild.

Een ander belangrijk voordeel is dat ionische vloeistoffen veelzijdig zijn als oplosmiddel. Normaliter lost een stof alleen op in een oplosmiddel met een grote moleculaire verwantschap. Zo lossen vetten goed op in alkanen (verzadigde koolwaterstoffen) omdat ze beide apolair zijn, en lost keukenzout op in water, omdat beide moleculen een positieve en een negatieve pool hebben en dus polair zijn. Maar wat als je een polaire stof wilt laten reageren met een apolaire stof? Daar brengen ionische vloeistoffen uitkomst. “Ionische vloeistoffen kunnen zowel polaire als apolaire stoffen oplossen”, zegt Maaike Kroon. “Stoffen die normaal gesproken niet mengbaar zijn, kunnen we zo toch in één fase brengen, zodat ze op moleculair niveau mengen en met elkaar kunnen reageren.

Kunst

Daarbij is het aantal mogelijke ionische vloeistoffen vrijwel onbeperkt, omdat elke combinatie tussen een positief geladen ion (kation) en een anion een ionische vloeistof oplevert. Het is de kunst om combinaties te vinden met de gewenste eigenschappen. "Inmiddels zijn ongeveer 250 ionische vloeistoffen goed onderzocht”, vertelt Kroon. “We proberen een verband te leggen tussen de structuur van zo’n zout en zijn eigenschappen. Dat stelt ons in staat om een ionische vloeistof op maat te ontwerpen, met precies de eigenschappen die we willen hebben.” Daarbij gaat het vooral om de oplosbaarheid en de thermische en elektrochemische stabiliteit. Kroon: “Je wilt een ionische vloeistof die niet vluchtig, brandbaar of giftig is, en die biologisch afbreekbaar is.”

Voor de bruikbaarheid in de industrie is het bovendien cruciaal om te weten welke stoffen wel en niet in de ionische vloeistof oplossen. “Ik heb theoretische modellen ontwikkeld waarmee ik een ionische vloeistof kan ontwerpen waarin wel de reactanten oplossen, maar niet het reactieproduct. Dat product komt dan gewoon bovendrijven, en kan eenvoudig worden afgescheiden.”

Geen wonder dat er de laatste jaren steeds meer belangstelling is voor de toepassing van ionische vloeistoffen als ‘groen oplosmiddel’. Alleen: het kan allemaal nog beter. Zo hebben de huidige processen met ionische vloeistoffen als nadeel dat ze langzaam verlopen, vooral omdat er meerdere productiefasen bij komen kijken, met tijdrovende tussenstappen.

Maaike Kroon heeft een manier gevonden om het reactieproces te versnellen. Tijdens haar promotieonderzoek ontwikkelde ze een methode waarbij de reacties en scheidingen plaatsvinden in één homogene oplossing. Doordat alle stoffen in één fase zijn opgelost, gaat de reactiesnelheid flink omhoog. Daarmee wordt het gebruik van ‘groene oplosmiddelen’ een stuk interessanter.

Superkritisch

De sleutel is kooldioxide (CO2). Als dat onder hoge druk aan een ionische vloeistof wordt toegevoegd, verhoogt het de oplosbaarheid van bepaalde stoffen. Het CO2 bevindt zich dan in de zogeheten ‘superkritische fase’, een fasetoestand waarbij geen onderscheid meer bestaat tussen vloeistof en gas.

En het superkritische kooldioxide heeft nog een voordeel. In het productieproces is het in te zetten als een soort ‘schakelaar’ tussen verschillende productiestappen. Als de reactie is voltooid, wordt de druk verlaagd en ontstaan twee fases: de ionische vloeistof met de katalysator, en het superkritische CO2 met het eindproduct. Door de druk nog verder te verlagen, verdampt het CO2 en blijft alleen het product achter. Het CO2 kan opnieuw worden gecomprimeerd voor hergebruik; de ionische vloeistof en de katalysator kunnen eveneens opnieuw worden gebruikt.

Dat de gevolgen voor de procesindustrie enorm kunnen zijn, werd duidelijk toen Kroon voor haar promotieonderzoek bestudeerde wat er zou gebeuren als Levodopa, een medicijn tegen de ziekte van Parkinson, met behulp van het nieuwe procedé zou worden geproduceerd. Momenteel zijn voor de productie van Levodopa tien processtappen nodig, die allemaal energie kosten en afval produceren. In één van die stappen moet een reactie plaatsvinden tussen een vaste stof en waterstof, waarbij methanol als oplosmiddel wordt gebruikt. Per kilo (tussen)product kost die processtap 17 megajoule aan energie, en geeft hij 3 kilo afval (methanol en katalysator). Met ionische vloeistoffen zou dezelfde stap minder dan eenderde van de energie gebruiken en geen afval produceren. Jaarlijks zou dat wereldwijd 20 duizend gigajoule aan energie uitsparen, 4800 ton methanol en 480 kilo katalysator, zo becijferde Kroon.

Inmiddels is patent verleend op het proces. Kroon: “Deze nieuwe technologie is natuurlijk in het laboratorium heel mooi. Maar ik wil ook dat het in de praktijk van de fijnchemische industrie wordt toegepast.”

---

Amsterdammers maken moleculaire waterstofgenerator

Aan de Universiteit van Amsterdam hebben onderzoekers een eerste stap gezet op weg naar een nieuwe productieroute voor waterstof. Ze maakten complexe enzym-achtige moleculen die alleen maar licht nodig hebben om waterstof te kunnen maken. De Amsterdamse laboratoriumprobeersels, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), houden een belangrijke belofte in voor een werkelijk schone waterstofeconomie.

Een auto die op waterstofgas lijkt schoon, want er komt alleen water uit de uitlaatpijp. Maar ‘schoon’ is een relatief begrip. Kijk je verder dan je neus lang is, dan vallen belangrijke vraagtekens te zetten bij de toekomstige waterstofeconomie. Want hoe moet al dat waterstof gemaakt worden? Zou je daarvoor elektrolyse van water toepassen, dan moet je wel goed uitkijken waar je de elektriciteit vandaan haalt. Uit een centrale gestookt met steenkool? Dan draag je uiteindelijk toch bij aan het broeikaseffect. We moeten dus over technieken beschikken voor echt schone waterstofproductie willen we straks werkelijk schoon rijden op waterstof.

Om de waterstofeconomie écht duurzaam te maken moet de beloftevolle brandstof schoon geproduceerd kunnen worden. Foto: Boek ‘De Waterstofeconomie’, auteur Jeremy Rifkin, uitgeverij Lemniscaat.

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam denken dat de sleutel voor schone waterstofproductie in de natuur ligt. Op verschillende plaatsen. Aan de ene kant zijn er enzymen, hydrogenases geheten, die met grote efficiëntie en snelheid waterstof genereren uit protonen (waterstofionen) en elektronen. Aan de andere kant beschikt de natuur over ingenieuze systemen om de daarvoor benodigde energie te leveren. Neem de fotosynthese: daar wordt lichtenergie omgezet in chemische energie.

Supramoleculair

Bij de onderzoeksgroep voor Supramoleculaire Katalyse (met hoogleraren Joost Reek, Franti Hartl en Piet van Leeuwen) lieten Sander Kluwer en Ruta Kapre zich inspireren door deze natuurlijke processen. Ook Fred Brouwer, hoogleraar Moleculaire Spectroscopie, was bij het onderzoek betrokken.

Kluwer en Kapre ontwikkelden synthetische supramoleculaire complexen die in staat zijn om waterstof te genereren met licht als energiebron. De complexen zijn spontaan gevormde combinaties van twee afzonderlijke moleculaire bouwstenen die ieder een belangrijke rol vervullen in de waterstofproductie.

Centraal in de Amsterdamse moleculaire waterstofgenerator staat een verbinding die sterk lijkt op de actieve plek in natuurlijke hydrogenase-enzymen. Dit -H2ase is in staat om van protonen moleculair waterstof te maken. Daarbij zijn elektronen nodig, die geleverd worden door de andere bouwsteen, PSII. Dat is een synthetische variant van het groene chlorofyl uit de bladeren van planten.

Door de supramoleculaire aanpak konden de onderzoekers relatief eenvoudig verschillende varianten van de twee bouwstenen combineren. Voor acht combinaties onderzochten ze of er onder invloed van licht waterstof gevormd werd en in één van de combinaties bleek dat duidelijk het geval. Onderzoeksleider Joost Reek wil niet van een ‘eureka-moment’ spreken, maar hij was toch blij verrast: “We verwachten dat onze aanpak resultaat zou opleveren, maar we konden niet precies voorspellen wélke combinatie zou werken.” Hij is zeer tevreden met het resultaat: “We hebben nu laten zien dat twee in essentie natuurlijke moleculaire systemen ook buiten hun biologische omgeving samen actief kunnen zijn”.

Prof.dr. Joost Reek (Universiteit van Amsterdam)

Half systeem

Toch hebben de Amsterdammers nu in feite pas de helft van een moleculair systeem voor waterstofproductie gerealiseerd. De protonen waar ze waterstof van maken komen namelijk van de ionische vloeistof (een soort vloeibaar zout) waarin de experimenten zijn uitgevoerd. De schone waterstofeconomie kan pas echt een feit worden als het lukt om met licht protonen van water af te splitsen. Reek heeft daar wel ideeën over: “We gaan katalytische systemen ontwerpen om de energiebarrière bij het splitsen van water te overwinnen. In de natuur spelen mangaan en cadmium daarbij een rol, in laboratoria lijkt rutheen een kansrijk metaal.” Reek hoopt een watersplitsend moleculair complex te vinden dat zich makkelijk laat combineren met de nu ontdekte waterstofgenerator.

bron: www.kennislink.nl

---

Kunststof is klimaatvriendelijk

De chemische industrie vermindert juist de globale kooldioxideuitstoot, zo concludeert een studie van McKinsey.

door: Henk Tolsma

zondag 9 augustus 2009
De koolstofdioxide-balans van de chemische industrie is positief, blijkt uit een McKinsey-studie. Milieugroeperingen plaatsen kanttekeningen.

Sabic maakt polybutyleen tereftalaat (pbt) met hergebruik van polyethyleen tereftalaat (pet). DSM gaat vanaf eind 2007 barnsteenzuur op biologische basis produceren. DSM maakt ook een engineering plastic (EcoPaxx) die voor zeventig procent gebaseerd is op olie van de tropische plant ricinus communis.

Het zijn ontwikkelingen die passen in het streven van de chemische industrie om de carbon footprint te verkleinen. Bedrijven merken dat klanten daar toenemend belang aan hechten. De mondiale organisatie voor de chemische industrie ICCA (International Council of Chemical Associations) heeft daarom McKinsey onderzoek laten doen naar haar koolstofdioxide-balans.

McKinsey concludeert dat die balans nu al positief is. De wereldwijde chemische industrie stoot bij haar productie 3,3 gigaton koolstofdioxide-equivalenten uit (meetjaar 2005), maar de producten besparen tijdens hun toepassing 6,5 tot 8,5 gigaton koolstofdioxide en –equivalenten ten opzichte van de beste alternatieven van niet-chemische herkomst. De chemie is daarom onmisbaar bij de realisatie van klimaatdoelstellingen, aldus de ICCA.

Het grootste koolstofdioxide-voordeel in de levenscyclus wordt gerealiseerd door isolatie van woningen, aldus McKinsey. Deze toepassing neemt veertig procent van de koolstofdioxide-winst voor zijn rekening. Daarnaast dragen kunstmest, gewasbeschermingsmiddelen, verlichting, kunststof verpakkingen, coatings voor schepen, synthetische weefsels, kunststoffen voor de auto-industrie, lage-temperatuur wasmiddelen en kunststofleidingen in sterke mate bij.

Erik Honig van de Stichting Natuur en Milieu reageert met ongeloof op de conclusies van de McKinsey-studie: ‘het lijkt me heel onwaarschijnlijk’. De in het rapport gepresenteerde cijfers komen wat hem betreft uit de lucht vallen. Als voorbeeld neemt hij de vermeende koolstofdioxide-besparing door isolatie. ‘Het rapport noemt een besparing op koolstofdioxide-uitstoot in de gebouwde omgeving wereldwijd van 2,4 gigaton. Maar dat is wel heel erg veel als je weet dat de totale koolstofdioxide-emissie van huizen en gebouwen in de wereld 3,6 gigaton bedraagt.’

Hij noemt het rapport overigens methodologisch goed onderbouwd. De uitstoot van de basischemie is meegenomen, en ook andere emissies dan koolstofdioxide met een broeikaseffect, zoals lachgas (ontstaat vooral door bodemreacties met kunstmest), lijken in de studie verwerkt, aldus Honig.

Ook Kim Schoppink van Greenpeace toont haar twijfels over de studie. Ze raadt deze sector aan behalve naar het energiegebruik ook naar levensduurverlenging van producten te kijken. Bovendien zou deze bedrijfstak zich het cradle-to-cradle principe eigen moeten maken: een afgedankt eindproduct als grondstof voor een volgend product.

In lijn met het McKinsey-rapport rekent de Beco Groep (adviesbureau voor duurzame ontwikkeling) in opdracht van DSM voor dat als een twaalf meter lange verkeersbrug van kunststof glasvezelcomposiet wordt gemaakt in plaats van beton of staal, dat een energiebesparing oplevert van resp. 1300 of 2700 gigajoule (met navenant kleinere koolstofdioxide-emissie). Als de provincie Utrecht de 169 bruggen die op termijn moeten worden vervangen van glasvezelcomposiet maakt, dan levert dat een energiebesparing op gelijk aan het jaarlijkse stroomverbruik van 27.000 huishoudens

---