Doctoraat
Al eens per ongeluk te veel suiker in je koffie gestrooid? Daar sta je dan. Als je snel bent, kan je er eventueel nog een brokje uitvissen, maar de suiker die al opgelost is, die vis je er zo snel niet meer uit. Waarom niet? De grote suikerkorrels zijn uiteen gevallen in extreem kleine bouwstenen: de individuele suikermoleculen. En die drijven rond in jouw koffie. Ze met een koffielepeltje opvissen lukt niet.
Tijdens mijn doctoraat onderzocht ik een nieuwe zuiveringstechnologie die wel in staat is om zulke kleine moleculen op te zuiveren. De focus lag echter niet op het verwijderen van suiker uit koffie, maar in het zuiveren van een chemische stof met de naam butanol. Butanol is een extreem belangrijke chemische grondstof die dient om bijvoorbeeld rubber of verf te maken. Momenteel maken we dat butanol volledig uit aardolie. Maar wetenschappers ontdekten bacteriën die in staat zijn om butanol te maken uit groenafval. Denk daarbij aan hout, stro, maar ook gewoon wat je elke dag in je gft container gooit: een hernieuwbare, groene bron voor deze belangrijke bouwsteen.
Dat butanol eindigt helaas in een soep van bacteriën en afval. Net zoals de suiker uit je koffie is het er extreem moeilijk uit te vissen. Tijdens mijn doctoraat gebruikte ik hiervoor een soort van poreuze sponsen, ook wel adsorbenten genaamd. Deze sponsen bevatten extreem fijne poriën en zijn daardoor in staat om het butanol op te slorpen uit die soep van afval en bacteriën.
Butanol rechtstreeks uit de soep van afval en bacteriën
In het ideale geval kunnen we dat butanol rechtstreeks uit het mengsel van afval en bacteriën halen. En dat kan. Een aantal commerciële adsorbenten zijn instaat om zeer selectief het butanol uit dat mengsel op te slorpen. We konden die adsorbenten ook hergebruiken: door ze op te warmen, verdampt het butanol uit de poriën.
Butanol uit de fermentatiedampen
De bacteriën die afval omzetten in bacteriën produceren ook heel wat gas. Dat zorgt ervoor dat het mengsel van afval en bacteriën veel weg heeft van een bruisend pintje. Een deel van het butanol verdampt hierdoor uit het mengsel. We onderzochten of we dit butanol ook konden opvangen met onze adsorbenten. Wat bleek? De materialen die goed werkten om butanol rechtstreeks uit het mengsel te halen, waren hiervoor minder geschikt. Onderzoekers uit Valencia konden echter een totaal nieuw adsorbent synthetiseren. We konden dit materiaal testen en het bleek uitermate geschikt om butanol uit deze dampen te verwijderen.
3D-geprinte adsorbenten
In een andere samenwerking, met onderzoekers van het Vlaams Instituut voor Technologisch Onderzoek (VITO), onderzochten we het gebruik van adsorbenten die 3D-geprint werden. De hoeveelheden gas die vrijkomen tijdens het gisten zijn immers enorm groot. Normaal wordt het adsorbent in een grote, lege buis gestoken onder de vorm van bolletjes van rond 1 mm. Als grote hoeveelheden gas behandeld moeten worden leidt dit tot problemen: de druk nodig om het gas door de buis te duwen wordt te groot. We konden nieuwe vormen 3D-printen die dit probleem oplossen: ze leiden tot een veel lagere druk om dezelfde hoeveelheid gas te behandelen. Bovendien bleek het design van de structuren ook een belangrijke invloed te hebben in hoe het gas verdeeld wordt in de kolom.
Knuffelende moleculen
Wat gebeurt er eigenlijk in de extreem kleine porïen van de adsorbenten die we gebruiken? Waarom werken bepaalde materialen en andere niet? Dat probeerden we te begrijpen in het laatste deel van mijn doctoraat. We ontdekten dat in een adsorbent (ZIF-8), het butanol aangetrokken kan worden door andere moleculen in het mengsel, zoals ethanol bijvoorbeeld. Hierdoor adsorbeert er plots veel meer butanol. Het bleek dat dit effect er ook voor zorgt dat we butanol aan een veel hogere concentratie kunnen recupereren.
