Nieuwe plasmareactor kan chemie veel groener maken

Onderzoekers UAntwerpen ontwikkelen methode om erg duurzaam tot stikstoffixatie te komen

Chemici van UAntwerpen bouwden een nieuwe plasmareactor, op basis van microgolfstralen. Dat opent de deur naar een veel duurzamere manier om op industriële wijze aan stikstoffixatie te doen. Van groot belang, want stikstoffixatie – onder meer gebruikt voor de productie van kunstmest – is vandaag enorm belastend voor het milieu.

Eerst enkele definities:

-          Atomair stikstof (N): een essentiële component voor alle vormen van leven.

-          Moleculair stikstof (N2): 78% van de lucht bestaat uit stikstofmoleculen, maar deze zijn niet reactief.

-          Stikstoffixatie: het proces waarbij niet-reactieve stikstofmoleculen uit de lucht worden omgezet naar eenvoudige, reactieve stikstofcomponenten, zoals ammoniak of stikstofoxides.

-          Plasma: de vierde aggregatietoestand, naast vast, vloeibaar en gasvormig. Het ontstaat ofwel door verwarmen van een gas, ofwel door het inbrengen van elektrische energie in een gas.

Het ‘fixeren’ van stikstof is essentieel om de beide stikstofatomen van moleculair stikstof als basisbouwstenen voor levende organismen te kunnen gebruiken. Het proces vergt enorm veel energie. Voor de productie van kunstmeststoffen is fixatie bijvoorbeeld noodzakelijk: dat gebeurt nu via het Haber-Bosch-proces. “Dit proces verbruikt echter bijna 3% van de wereldwijde aardgasproductie en stoot wereldwijd meer dan 300 miljoen ton CO2 per jaar uit. Er is dus dringend nood aan duurzame alternatieven”, legt prof. Annemie Bogaerts uit.

Elektrificatie

Op de Universiteit Antwerpen leidt Bogaerts de onderzoeksgroep PLASMANT, gespecialiseerd in plasmatechnologie voor duurzame chemie. “Plasma is veelbelovend én duurzaam”, aldus de chemieprof. “Plasmatechnologie is heel interessant voor de ‘elektrificatie’ van chemische processen, een van de grote uitdagingen van deze eeuw, om een halt toe te roepen aan de verdere klimaatopwarming. Zo is het ook mogelijk om stikstoffixatie te bewerkstelligen op basis van plasma.”

Sean Kelly, postdoctoraal onderzoeker bij PLASMANT, bouwde nu een nieuwe plasmareactor, gebaseerd op microgolfstraling. Met deze reactor kan mogelijk de stap gezet worden naar duurzame stikstoffixatie op grote schaal. “Deze nieuwe reactor werkt zonder elektroden”, legt Kelly uit. “Het plasma zelf komt niet in contact met de wanden, waardoor de levensduur van de reactor aanzienlijk verlengd kan worden en er minder energieverlies is.”

Industriële opschaling

De Antwerpse onderzoekers hebben bovendien recordwaarden in rendement opgemeten, aan de laagste energiekost die ooit gerapporteerd werd voor plasmagebaseerde stikstoffixatie bij atmosfeerdruk. De experimenten tonen aan dat dit proces zeer goed schaalt met toenemend elektrisch vermogen en gasdebiet, want de beste resultaten werden bekomen bij de hoogste vermogens en debieten. Dit opent bijgevolg mogelijkheden naar industriële opschaling.

Dit baanbrekend onderzoek verscheen in het tijdschrift Joule, een van de meest toonaangevende tijdschriften voor duurzame chemie en energie.