Je leest:

’Zuurstofspons’ bespaart energie bij productie kunststoffen

’Zuurstofspons’ bespaart energie bij productie kunststoffen

Auteur: | 20 januari 2005

De Amsterdamse onderzoeker Bart de Graaf ontwikkelde een solid oxygen carrier; een soort zuurstofspons die ingezet kan worden tijdens de productie van grondstoffen voor veelgebruikte kunststoffen. Het scheelt veel energie en dus geld.

De kunststoffen PE (polyetheen of polyethyleen) en PP (polypropyleen of polypropeen) zijn de manusjes van alles in de hedendaagse materiaalkunde. Van boterhamzakjes tot autobumpers, van tapijten tot bankbiljetten, overal zijn ze te vinden. Jaarlijks produceren grote fabrieken zoals op het Chemelot terrein bij het Limburgse Geleen PP en PE in vele miljoenen tonnen. Ze worden daarom ook wel bulkplastics genoemd.

Voorbeelden van producten uit PE. Beeld: Arak Petrochemical Company

PE en PP worden gemaakt door afzonderlijke moleculen van de grondstoffen etheen en propeen aan elkaar te rijgen. Die grondstoffen worden op hun beurt gemaakt uit ethaan en propaan, producten die gemaakt worden bij het kraken van olie in raffinaderijen.

Het is de omzetting van ethaan en propaan in etheen en propeen, de zogenaamde dehydrogenering, waarvoor de vinding van Bart de Graaf van belang is. In deze reactie wordt bij hoge temperatuur waterstof ‘afgeplukt’ van de ethaan en propaan moleculen. Een groot industrieel nadeel daarbij is dat het een evenwichtsreactie is. Er ontstaat wel etheen en propeen, maar de beginstoffen reageren nooit helemaal door tot ze volledig opgebruikt zijn. Om toch product te verkrijgen tappen de chemisch technologen een gasstroom uit de reactor af, waarna ze met behoorlijk veel moeite beginstoffen en producten van elkaar scheiden. Dat vind plaats bij zeer lage temperaturen (meer dan 140 graden onder nul) en dat kost veel energie. Daarnaast kost het nog eens extra energie om de overgebleven beginstoffen terug in de reactor te krijgen.

De ‘truc’ van De Graaf is nu om tijdens de dehydrogeneringsreactie het gevormde waterstof af te vangen. Zijn ‘zuurstofspons’ is een keramisch materiaal waarin zuurstof gebonden is. Het reageert met het waterstof tot water. Als gevolg daarvan kan er steeds meer waterstof vrijgemaakt worden van de beginstoffen. Chemici zeggen dan dat door het afvangen van één van de producten de evenwichtsreactie kunnen laten ‘aflopen’. De beginproducten reageren in de aanwezigheid van de zuurstofspons dus wel steeds verder door, tot ze bijna op zijn. Het resultaat is een productstroom waarin vooral etheen en propeen aanwezig is en nauwelijks nog beginstoffen. Het kost relatief weinig energie om die gasstroom op te werken tot de voor de kunststoffenproductie benodigde zuiverheid van 99,5% en hoger.

Industriecomplex Chemelot bij Geleen. Inzet: Buisvormige reactor voor de bulkproductie van kunststof. Beeld: DSM

Katalysator

De Graaf voerde een verkennend, exploratief onderzoek uit. Hij toonde in het laboratorium en op de computer de haalbaarheid van de zuurstofspons aan. Daarbij onderzocht hij ook welke materialen zoal geschikt zijn om als spons te fungeren. Spons is trouwens een wat verwarrende benaming omdat het materiaal functioneel wel wat van een spons heeft, maar verder keihard poreus keramiek is.

Schematische weergave van de onderzoeksreactor van Bart de Graaf. Het is een zogenaamde ‘gepakt bed’ buisreactor, opgebouwd uit zuurstofsponsdeeltjes en deeltjes van een dehydrogenatie katalysator. Bij A is de normale werking weergegeven: een alkaan koolwaterstof (zoals ethaan of propaan) wordt omgezet in een alkeen en waterstof. Daarbij raakt de zuurstof uit de spons langzaam op; bovendien vermindert de activiteit van de katalysator doordat er vaste koolstof (‘coke’) op neerslaat. De stappen B, C en D geven de regeneratie van de reactor weer. Na spoelen met stikstof (B) wordt er zuurstof toegevoerd zodat de spons weer wordt opgevuld en de coke van de dehydrogenatiecatalysator afbrandt ©. Na opnieuw spoelen met stikstof kan de reactor weer gebruikt worden (D). Beeld: Bart de Graaf

De Graaf ging uit van de bekende driewegkatalysator die de uitlaatgassen van hedendaagse automobielen reinigt. Voor toepassing bij de productie van etheen of propeen moest hij vooral de selectiviteit van de katalysator aanpassen. De autokatalysator zet immers alle koolwaterstofverbindingen om, terwijl dat voor de kunststofproductie juist de nuttige verbindingen zijn. De Graaf kon er onder andere voor zorgen dat het zuurstof uit de spons alleen met waterstof reageert door in de actieve component ceriumzirkoonoxide het zirkoon te vervangen door wolfraam.

Reacties die zijn meegenomen in de computermodellering van de omzetting van propaan in propeen in de reactor met de zuurstofspons. De bovenste (hydrogenering) is de evenwichtsreactie waar het bij de productie van propeen om draait.

Hoewel De Graaf ervan overtuigd is dat de zuurstofspons echt werkt, is er nog een flinke stap te maken van de exploratie naar productie. Voordat de fabrieken van bedrijven zoals Sabic, BP en Montell (Shell/BASF) de nieuwe zuurstofspons echt kunnen gebruiken is dan ook vervolgonderzoek nodig. Dat gaat binnenkort van start in het kader van het ‘ASPECT’ programma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek (NWO) die trouwens ook het onderzoek van De Graaf financierde. Het vervolgproject vindt plaats in samenwerking tussen de Universiteit van Amsterdam en de Technische Universiteit Delft.

Voorstelling van een van De Graafs beste zuurstofsponzen: CeWOx. Beeld: Bart de Graaf

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 januari 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.