De meeste industriële chemici besteden hun dagen aan het scheiden van de bestanddelen van grote hoeveelheden chemische mengsels in zuivere of zuiverdere vormen. De betrokken processen, zoals distillatie, zijn goed voor 10-15% van het mondiale energieverbruik1, 2.

methoden om energie-efficiëntere chemische stoffen te zuiveren zouden, indien alleen al toegepast op de olie -, chemische en papierindustrie in de VS, 100 miljoen ton CO2-uitstoot en 4 miljard us$aan energiekosten per jaar3 kunnen besparen (zie “kostenbesparing”). Andere methoden zouden het mogelijk maken nieuwe materiaalbronnen te exploiteren, bijvoorbeeld door metalen uit zeewater te winnen.

helaas zijn alternatieven voor destillatie, zoals het scheiden van moleculen op basis van hun chemische eigenschappen of grootte, onderontwikkeld of duur om op te schalen. Ingenieurs in de industrie en de academische wereld moeten betere en goedkopere membranen en andere manieren ontwikkelen om mengsels van chemicaliën te scheiden die niet afhankelijk zijn van warmte.

hier wijzen we op zeven chemische scheidingsprocessen die, indien verbeterd, grote wereldwijde voordelen zouden opleveren. Onze lijst is niet uitputtend; bijna alle commerciële chemicaliën komen voort uit een scheidingsproces dat verbeterd kan worden.

zeven scheidingen

koolwaterstoffen uit Ruwe olie. De belangrijkste ingrediënten voor de productie van fossiele brandstoffen, kunststoffen en polymeren zijn koolwaterstoffen. Elke dag verwerken raffinaderijen over de hele wereld ongeveer 90 miljoen vaten ruwe olie — ongeveer 2 liter voor elke persoon op de planeet. De meeste doen dit met behulp van atmosferische destillatie, die wereldwijd ongeveer 230 Gigawatt (GW) verbruikt 3, wat overeenkomt met het totale energieverbruik van het Verenigd Koninkrijk in 2014 of ongeveer de helft van dat van Texas. In een typische raffinaderij worden 200.000 vaten ruwe olie per dag verwarmd in 50 meter hoge kolommen om duizenden verbindingen te bevrijden volgens hun kookpunt. Lichte gassen ontstaan aan de koele top (bij ongeveer 20 °C); steeds zwaardere vloeistoffen verlaten op lagere en warmere punten (tot 400 °C).

het vinden van een alternatief voor destillatie is moeilijk omdat ruwe olie veel complexe moleculen bevat, sommige met hoge viscositeiten, en talloze contaminanten, waaronder zwavelverbindingen en metalen zoals kwik en nikkel. Het is in principe mogelijk om koolwaterstoffen te scheiden op basis van hun moleculaire eigenschappen, zoals chemische affiniteit of moleculaire grootte. Membraangebaseerde scheidingsmethoden, of andere niet-thermische, kunnen een orde van grootte energiezuiniger zijn dan warmte-aangedreven scheidingen die destillatie gebruiken. Maar er is weinig onderzoek gedaan.

onderzoekers moeten materialen vinden die in staat zijn om vele moleculenfamilies tegelijkertijd te scheiden en die werken bij de hoge temperaturen die nodig zijn om zware oliën te laten stromen zonder te worden geblokkeerd door contaminanten.

Uranium uit zeewater. Kernenergie zal van cruciaal belang zijn voor de toekomstige koolstofarme energieopwekking. Hoewel het traject van de nucleaire industrie onzeker is, kunnen bekende geologische Reserves van uranium (4,5 miljoen ton) bij het huidige verbruik een eeuw duren.4 Er bestaat meer dan 4 miljard ton uranium in zeewater op een niveau van een deel per miljard.wetenschappers hebben tientallen jaren gezocht naar manieren om uranium te scheiden van zeewater4. Er zijn materialen die uranium kunnen opvangen, zoals poreuze polymeren die amidoximgroepen bevatten. Maar deze moleculaire ‘kooien’ vangen ook andere metalen op, waaronder vanadium, kobalt en nikkel.

chemici moeten processen ontwikkelen om deze metalen te verwijderen bij het zuiveren en concentreren van uranium uit zeewater. In 1999-2001 hebben Japanse teams ongeveer 350 gram uranium gevangen met behulp van een adsorberend stof4. Het opstarten van een nieuwe kerncentrale vereist honderden tonnen uranium brandstof, dus de schaal van deze processen zou aanzienlijk moeten worden verhoogd. Er zijn met name inspanningen nodig om de kosten voor adsorberende materialen te verlagen.

soortgelijke technologieën zouden andere waardevolle metaalsoorten kunnen vangen, zoals lithium, dat in batterijen wordt gebruikt. De hoeveelheid lithium die in de oceanen wordt opgelost, is tien keer groter dan die in bekende hulpbronnen op het land; de beperkte omvang van deze laatste kan een lange termijn barrière voor energieopslag worden.

alkenen uit alkanen. De productie van kunststoffen zoals polyetheen en polypropeen vereist alkenen-koolwaterstoffen zoals etheen en propeen, ook bekend als olefinen. De wereldwijde jaarlijkse productie van etheen en propeen overschrijdt 200 miljoen ton, ongeveer 30 kilogram voor elke persoon op de planeet. De industriële scheiding van etheen van ethaan is meestal gebaseerd op hogedruk cryogene destillatie bij temperaturen tot -160 °C. zuivering van propeen en etheen alleen is goed voor 0,3% van het wereldwijde energieverbruik, ongeveer gelijk aan het jaarlijkse energieverbruik van Singapore.

net als bij Ruwe olie kan het vinden van scheidingssystemen die geen veranderingen van de ene fase naar de andere vereisen, de energie-intensiteit van het proces (energie die per volume-eenheid of gewicht van het product wordt gebruikt) met een factor tien verminderen en de koolstofemissies met een vergelijkbaar bedrag compenseren.5 Zo worden bijvoorbeeld poreuze koolstofmembranen ontwikkeld die gasvormige alkenen en alkanen (ook paraffinen genoemd) kunnen scheiden bij kamertemperatuur en bij lichte druk (minder dan 10 bar)6. Maar deze kunnen nog niet de meer dan 99,9% zuivere alkenen produceren die nodig zijn voor de productie van chemicaliën.

Op korte termijn kunnen “hybride” scheidingstechnieken helpen — membranen kunnen worden gebruikt voor bulkscheiding en cryogene destillatie voor het “polijsten” van het product. Een dergelijke aanpak zou de energie-intensiteit van de alkeenproductie met een factor 2 of 3 Verminderen, totdat membranen goed genoeg zijn om de destillatie volledig te vervangen. Een grote hindernis is het opschalen van de membranen — de industrie kan een oppervlakte van maximaal 1 miljoen vierkante meter nodig hebben. De invoering op deze schaal vereist nieuwe productiemethoden en vooruitgang in de eigenschappen van materialen.

broeikasgassen uit verdunde emissies. Antropogene emissies van CO2 en andere koolwaterstoffen, zoals methaan dat vrijkomt uit raffinaderijen en putten, leveren een belangrijke bijdrage aan de wereldwijde klimaatverandering. Het is duur en technisch moeilijk om deze gassen af te vangen uit verdunde bronnen zoals elektriciteitscentrales, raffinage-uitlaten en lucht.

vloeistoffen zoals monoëthanolamine reageren gemakkelijk met CO2, maar omdat warmte moet worden toegepast om CO2 uit de resulterende vloeistof te verwijderen, is het proces economisch niet levensvatbaar voor energiecentrales. Als de aanpak wordt toegepast op elke elektriciteitscentrale in de Verenigde Staten, zou de CO2-afvang elk jaar 30% van de groei van het bruto binnenlands product van het land kunnen kosten7. Er moeten goedkopere methoden worden ontwikkeld om CO2-en koolwaterstofemissies met minimale energiekosten op te vangen.

een complicerende factor is het beslissen wat te doen met het gezuiverde product. CO2 kan worden gebruikt in een productiemethode voor ruwe olie die bekend staat als verbeterde olieterugwinning, of in verticale landbouw en als grondstoffen voor chemische en bioraffinaderijen. Maar menselijke activiteiten stoten zoveel gas uit8 dat in de praktijk een groot deel ervan langdurig in ondergrondse reservoirs moet worden opgeslagen, wat andere problemen met zich meebrengt.

zeldzame aardmetalen uit ertsen. De 15 lanthanide metalen, of zeldzame aardmetalen, worden gebruikt in magneten, in hernieuwbare-energietechnologieën en als katalysatoren in aardolieraffinage. Compacte fluorescentielampen gebruiken bijvoorbeeld europium en terbium en katalysatoren vertrouwen op cerium. Het economisch produceren van zeldzame aardmetalen is een probleem van scheiding, niet van beschikbaarheid. Ondanks hun naam zijn de meeste elementen veel overvloediger aanwezig in de aardkorst dan goud, zilver, platina en Mercurius. Helaas worden zeldzame aardmetalen aangetroffen in sporenhoeveelheden in ertsen en worden ze vaak met elkaar gemengd omdat ze chemisch vergelijkbaar zijn.

scheiding van zeldzame aardmetalen van ertsen vereist mechanische benaderingen (zoals magnetische en elektrostatische scheiding) en chemische verwerking (zoals schuim flotatie). Deze zijn inefficiënt: zij moeten het hoofd bieden aan de complexe samenstellingen van ertsen, grote hoeveelheden chemicaliën gebruiken en veel afval en radioactieve bijproducten produceren. Verbeteringen zijn hard nodig.

de recycling van zeldzame aardmetalen uit afgedankte producten neemt toe. Op maat gemaakte processen kunnen worden ontworpen omdat de chemische en fysische samenstellingen van de producten goed zijn gedefinieerd. Een verscheidenheid aan metallurgische en gas-fase extractie methoden zijn onderzocht, maar gerecycleerde zeldzame aarden maken nog geen deel uit van de meeste bevoorradingsketens9, 10. Er is onderzoek nodig om de ecologische impact van belangrijke voorwerpen die zeldzame aardmetalen bevatten over hun hele levenscyclus te verminderen.

Benzeenderivaten van elkaar. De toeleveringsketens van veel polymeren, kunststoffen, vezels, oplosmiddelen en brandstofadditieven zijn afhankelijk van benzeen, een cyclische koolwaterstof, evenals van derivaten daarvan zoals tolueen, ethylbenzeen en de xyleenisomeren. Deze moleculen worden gescheiden in destillatiekolommen, met gecombineerde wereldwijde energiekosten van ongeveer 50 GW, genoeg om ongeveer 40 miljoen huizen van stroom te voorzien.

de isomeren van Xyleen zijn moleculen met geringe structurele verschillen van elkaar die tot verschillende chemische eigenschappen leiden. Een isomeer, para-xyleen (of p-xyleen), is het meest wenselijk voor de productie van polymeren zoals polyethyleentereftalaat (PET) en polyester; meer dan 8 kg p-xyleen wordt per hoofd van de bevolking geproduceerd elk jaar in de Verenigde Staten. De vergelijkbare grootte en kookpunten van de verschillende xyleenisomeren maken het moeilijk om ze met conventionele methoden zoals destillatie te scheiden.

vooruitgang in membranen of sorptiemiddelen kan de energie-intensiteit van deze processen verminderen. Net als bij andere chemische processen op industriële schaal zal de toepassing van alternatieve technologieën voor de scheiding van benzeenderivaten vereisen dat de levensvatbaarheid ervan op achtereenvolgens grotere schaal wordt aangetoond voordat zij in de handel worden gebracht. De bouw van een chemische fabriek kan US$1 miljard of meer kosten, dus investeerders willen er zeker van zijn dat een technologie zal functioneren voordat er nieuwe infrastructuur wordt gebouwd.

Sporencontaminanten uit water. Ontzilting — hetzij door destillatie of membraanfiltratie — is energie-en kapitaalintensief, waardoor het in veel droge gebieden onuitvoerbaar is. Destillatie is niet het antwoord: thermodynamica bepaalt de minimale hoeveelheid energie die nodig is om drinkwater te genereren uit zeewater, en destillatie gebruikt 50 keer meer energie dan deze fundamentele limiet.

Omgekeerde osmosefiltratie, een proces dat druk uitoefent over een membraan op zout water om zuiver water te produceren, vereist slechts 25% meer energie dan de thermodynamische grens5. Maar omgekeerde osmose membranen verwerken water in beperkte mate, waardoor grote, dure installaties nodig zijn om een voldoende stroom te produceren. Omgekeerde osmose van zeewater wordt al gedaan op commerciële schaal in het Midden-Oosten en Australië. Maar de praktische problemen bij de behandeling van meer vervuild water — met inbegrip van corrosie, biofilmvorming, schilfering en deeltjesdepositie — maken ook dure voorbehandelingssystemen nodig.de ontwikkeling van meer productieve en aangroeiwerende membranen zou de exploitatie-en investeringskosten van ontziltingssystemen zodanig verlagen dat de techniek zelfs voor sterk vervuilde waterbronnen commercieel levensvatbaar is.

volgende stappen

academische onderzoekers en beleidsmakers moeten zich richten op de volgende kwesties.

ten eerste moeten onderzoekers en ingenieurs realistische chemische mengsels overwegen. De meeste academische studies richten zich op afzonderlijke chemicaliën en leiden het gedrag van mengsels af met behulp van deze informatie. Deze aanpak dreigt verschijnselen te missen die alleen voorkomen in chemische mengsels en negeert de rol van sporencontaminanten. Academici en leiders in industrieel onderzoek en ontwikkeling moeten volmachtmengsels opstellen voor gemeenschappelijke scheidingen die de belangrijkste chemische componenten en gemeenschappelijke contaminanten omvatten.

ten tweede moeten de economie en de duurzaamheid van elke scheidingstechnologie worden geëvalueerd in de context van een volledig chemisch proces. Er moet gebruik worden gemaakt van prestatiemetingen zoals de kosten per kilogram product en het energieverbruik per kilogram. Er moet rekening worden gehouden met de levensduur en vervangingskosten van componenten zoals membraanmodules of sorbentmaterialen.

ten derde moet in een vroeg stadium van de technologische ontwikkeling serieus worden nagedacht over de schaal waarop de invoering vereist is. Fysieke infrastructuur, zoals academische en industrieel bediende testbanken, zal nodig zijn om nieuwe technologieën van het lab naar proefschalen te brengen, zodat elk waargenomen risico kan worden verminderd. Het managen hiervan vereist samenwerking tussen de academische wereld, overheidsinstellingen en partners uit de industrie.in de vierde plaats legt de huidige opleiding van chemische ingenieurs en chemici in scheidingen vaak veel nadruk op distillatie. Blootstelling aan andere activiteiten — zoals adsorptie, kristallisatie en membranen — is cruciaal voor de ontwikkeling van een beroepsbevolking die in staat is om het volledige spectrum van scheidingstechnologieën te implementeren dat de toekomst nodig zal hebben.