Gerecycled accuzuur en plastic afval omgezet in waterstof en industriële chemicaliën

Moeilijk recyclebaar plastic afval afbreken en omzetten in waterstof en industriële chemicaliën. Dat kan nu, dankzij een reactor op zonne-energie die is ontwikkeld aan de universiteit van Cambridge. Hulpstof is oud accuzuur.

De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Joule.

De ingenieurs die het onderzoek uitvoerden, ontwikkelden een fotokatalysator die robuust genoeg is om de zeer corrosieve effecten van zuur te weerstaan, terwijl het tegelijkertijd het zuur in gebruikte autoaccu’s, dat normaal gesproken wordt geneutraliseerd en weggegooid, productief benut.

Het team zegt dat hun methode een circulair systeem kan creëren waarin de ene afvalstroom de andere oplost. “De ontdekking was bijna toevallig”, aldus professor Erwin Reisner van het Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge, die het onderzoek leidde. “We dachten altijd dat zuur absoluut verboden terrein was in deze systemen op zonne-energie, omdat het simpelweg alles zou oplossen. Maar onze ontwikkelde katalysator deed dat niet – en plotseling ging er een hele nieuwe wereld van reacties voor ons open.”

“Zuren worden al lang gebruikt om plastic af te breken, maar we hadden nog nooit een goedkope en schaalbare fotokatalysator gehad die ertegen bestand was”, zegt hoofdauteur Kay Kwarteng, promovendus in Reisners onderzoeksgroep en ontwikkelaar van de fotokatalysator. “Toen we dat probleem eenmaal hadden opgelost, werden de voordelen van dit type systeem duidelijk.”

De methode behandelt afvalplastic eerst met het afvalzuur van autoaccu’s. Hierdoor worden de lange polymeerketens afgebroken tot chemische bouwstenen zoals ethyleenglycol, die de fotokatalysator vervolgens onder invloed van zonlicht omzet in waterstof en azijnzuur.

In laboratoriumtests leverde de reactor een hoge waterstofopbrengst op en produceerde azijnzuur met een hoge selectiviteit. Bovendien kon de reactor meer dan 260 uur draaien zonder prestatieverlies.

Onbenutte bron

De methode werkt voor verschillende soorten plastic afval, zelfs voor materialen die momenteel moeilijk te recyclen zijn, zoals nylon en polyurethaan. Ook is niet persé nieuw, laboratoriumkwaliteit azijnzuur nodig, maar kan het ook met het zuur dat uit autoaccu’s wordt teruggewonnen. Deze accu’s bevatten tussen de 20 en 40% zuur per volume en worden jaarlijks wereldwijd in enorme aantallen vervangen. Het lood in deze accu’s wordt doorgaans teruggewonnen voor wederverkoop, maar het zuur zorgt voor extra afval zodra het veilig is geneutraliseerd.

“Het is een onbenutte bron”, aldus Kwarteng. “Als we het zuur kunnen opvangen voordat het geneutraliseerd wordt, kunnen we het steeds opnieuw gebruiken om plastic af te breken: het is een win-winsituatie, waarbij we de milieukosten van het neutraliseren van het zuur vermijden en het tegelijkertijd gebruiken om schone waterstof te produceren.”

Kostenbesparing van een factor tien

De onderzoekers zeggen dat hun methode een potentiële kostenbesparing van een factor tien oplevert in vergelijking met andere fotoreforming-methoden, voornamelijk omdat het zuur hogere waterstofproductiesnelheden mogelijk maakt en hergebruikt kan worden in plaats van verbruikt of verspild.

Kwarteng zegt dat er nog uitdagingen zijn – zoals ervoor zorgen dat reactoren bestand zijn tegen corrosieve omstandigheden – maar dat de fundamentele chemie deugt. “Deze zuren worden in de industrie al veilig verwerkt”, zei hij. “De vraag is nu: hoe bouwen we reactoren die continu kunnen draaien en afval uit de praktijk kunnen verwerken?”

De onderzoekers zeggen dat hun aanpak de conventionele recycling niet zal vervangen, maar deze wel kan aanvullen door verontreinigd of gemengd plastic te verwerken waarvoor momenteel geen haalbare hergebruiksmogelijkheid bestaat. “We beloven niet het wereldwijde plasticprobleem op te lossen”, aldus Reisner. “Maar dit laat zien hoe afval een waardevolle grondstof kan worden. Het feit dat we waarde kunnen creëren uit plastic afval met behulp van zonlicht en afgedankt accuzuur, maakt dit een veelbelovend proces.”

Commercialiseren

Het team is van plan dit proces te commercialiseren met de steun van Cambridge Enterprise, de innovatietak van de universiteit, en met een UKRI Impact Acceleration Account. Het onderzoek werd mede gefinancierd door de Cambridge Trust, de Royal Academy of Engineering, de Leverhulme Trust, de Isaac Newton Trust en de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), onderdeel van UK Research and Innovation (UKRI). Erwin Reisner is fellow van St John’s College, Cambridge. Kay Kwarteng is lid van Churchill College, Cambridge.