Een elektrochemische stap dichter naar een duurzame wereld – Manon Halbertsma

Door de gunstige eigenschappen van plastic (zoals lichtgewicht, lage kosten, flexibiliteit en veelzijdigheid) is het een zeer aantrekkelijk materiaal dat voor vele doeleinden wordt gebruikt. Jarenlang overmatig gebruik van plastic heeft echter geleid tot één van de grootste milieuproblemen van vandaag. Plastic breekt niet af en komt in de natuur terecht, waar het chemicaliën lekt en microplastics verspreidt. Deze microplastics worden zelfs in ons lichaam aangetroffen.

Ondanks de nadelen is plastic tegenwoordig onmisbaar, wat leidt tot een zoektocht naar alternatieven die biobased en/of biodegradeerbaar zijn. Een van deze alternatieven is PHA (polyhydroxyalkanoaten).

PHA’s zijn zowel biobased als biodegradeerbaar. Ze worden door bacteriën geproduceerd als een vorm van energieopslag en bescherming. Tijdens de productie van PHA’s worden vetzuren door bacteriën omgezet. Een probleem in dit proces is dat archaea de vetzuren kunnen omzetten in methaan, wat leidt tot verlies van vetzuren. Dit omzettingsproces kan echter worden voorkomen door de toevoeging van etheen.

Normaal gesproken wordt etheen verkregen uit aardolie. Echter, tijdens mijn stage wordt etheen aangemaakt vanuit propionzuur aan de hand van de non-Kolbe reactie. De propionzuur is afkomstig van het Royal AVEBE, een onderneming dat producten op basis van aardappelzetmeel en -eiwit levert voor voeding, diervoeding, papier, bouw, textiel en kleefstoffen. Niet alleen is de etheen dus fossielvrij, maar wordt het gas verkregen uit een afvalstroom.

Tijdens mijn stage ben ik bezig geweest met de optimalisatie van de productie van de etheen uit propionzuur doormiddel van elektrolyse. Wat is elektrolyse eigenlijk? Elektrolyse is de ontleding van een chemische verbinding in opgeloste of gesmolten vorm onder invloed van een elektrische stroom. De ontleding vindt plaats doormiddel van elektronenoverdracht tussen twee elektrodes: de anode en de kathode. Aan de kathode kant wordt er een elektron afgegeven aan een chemische verbinding (reductie), en aan de anode wordt er een elektron afgenomen van de chemische verbinding (Oxidatie). 

Bij de elektrolyse van propionzuur wordt er waterstof (H₂), etheen (alkeen) en koolstofdioxide (CO₂) verkregen. Hierbij is de etheen en het koolstofdioxide verkregen vanuit de ontleding van de propionzuur en de waterstof vanuit de ontleding van water (waarin de propionzuur is opgelost). De ontleding van de propionzuur gaat doormiddel van de non-Kolbe reactie, bij deze reactie wordt er na de ontleding nogmaals een elektron (e^–) afgegeven aan de anode (waar de ontleding plaats vindt).

Voor mijn project ben ik eerst bezig geweest met de analyse van de gassen zodat ik tijdens het project de gassen hiermee kan meten. De elektrolyse kan doormiddel van meerdere factoren worden beïnvloed zoals pH (zuurtegraad), vloeisnelheid, stroomsterkte (ampère) en het materiaal van de elektrode.

Voordat er gekeken wordt naar de elektrolyse, is er een opstelling bedacht om de elektrolyse in een continue stroom te laten plaatsvinden. Doormiddel van “trial and error” is het uiteindelijk de opstelling in het figuur (schematisch) hierboven uitgekomen. De oplossing stroomt door een (elektroflow) cel waarbij de oplossing langs de elektrodes stroom door naar de buis en terug het reservoir in. De etheen en waterstof lossen niet op in het water en gaan (in de buis) door de vloeistof naar boven. Bovenaan de buis komt het gas terecht, terwijl de vloeistof teruggaat naar het reservoir.

Er is eerst gekeken naar het effect van de stroomsterkte op de elektrolyse, doordat dit een van de gemakkelijkste factor is om aan te passen. Hierbij is er uitgekomen dat een hoger stroomsterkte voor een hogere gasproductie zorgt bij de elektrolyse van de propionzuur en het water.

Een andere factor is de snelheid van de vloeistof dat langs de elektrodes stroomt. Hierbij zorgt een lagere flow voor een hogere gasproductie, maar neemt de hoeveelheid koolstofdioxide in het gas ook toe. Om het koolstofdioxide te verwijderen uit het gasmengsel wordt het gas door een loogoplossing gezogen, dit geeft wel een vermindering van de hoeveelheid koolstofdioxide. Alhoewel een hoger stroomsterkte een hoger gasproductie geeft, kost dit ook veel stroom. Door met een lager vloeisnelheid te werken wordt er ook een hoger gasproductie verkregen, dus de elektrolyse kan met lage stroomsterkte worden uitgevoerd met een lage vloeisnelheid.

Er zijn nog meer dingen die nog moeten worden onderzocht om de productie van etheen te optimaliseren waarbij duurzaamheid een grote rol speelt. Nu er een geschikte opstelling is voor de elektrolyse, kunnen er meer metingen worden gedaan en het systeem worden opgeschaald met gebruik van PVC als materiaal. De opstelling is niet alleen geschikt voor de elektrolyse van propionzuur, maar ook voor elektrolyse van andere chemische verbindingen.

Manon Halbertsma, vierdejaarsstudent circulaire chemie