Wetenschappers van het Amerikaanse Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben een innovatieve stroomcelreactor ontwikkeld die rioolwater kan raffineren tot waardevolle chemicaliën en tegelijkertijd waterstof kan genereren die kan worden gebruikt om voertuigen aan te drijven of warmte te genereren. Dit verfijningsproces is potentieel CO2-neutraal en kan uiteindelijk zelfs CO2-negatief zijn.
Onder leiding van Juan A. Lopez-Ruiz, ingenieur voor katalysatoronderzoek, begint het brandstofterugwinningssysteem voor autokatalytische oxidatie van het PNNL-team met bio-olie die kan worden gemaakt uit gewassen, algen en zelfs rioolwater. Deze bio-olie wordt gemaakt door middel van een proces dat hydrothermale liquefactie (HTL) wordt genoemd, dat weliswaar energie-intensief is omdat het hoge temperaturen en druk gebruikt om ruw organisch materiaal om te zetten in bio-olie. Door de natuurlijke processen na te bootsen die de fossiele brandstoffen van de wereld hebben gecreëerd, kan HTL “in enkele minuten iets bereiken dat Moeder Natuur miljoenen jaren kost.”
“Om vandaag de dag bio-olie te maken is waterstof nodig onder hoge druk. Deze waterstof wordt meestal gemaakt met aardgas”, zegt Juan A. Lopez-Ruiz
Dit is waar het gepatenteerde proces van PNNL om de hoek komt kijken. Uit onderzoek bleek dat elektrokatalytische processen een duurzamere manier van verfijning kunnen bieden in vergelijking met thermokatalytische processen zoals HTL die waterstof gebruiken onder hoge temperatuur en druk.
Zoals Lopez-Ruiz uitlegt: “Ons systeem kan die waterstof zelf genereren en tegelijkertijd het afvalwater behandelen onder bijna atmosferische omstandigheden met behulp van overtollige hernieuwbare elektriciteit, waardoor het goedkoop in gebruik en mogelijk koolstofneutraal is.”
Het proces begint met een mengsel van bio-olie en afvalwater dat in de stroomcelreactor terechtkomt. De reactor wordt gedeeld door een membraan dat doorlaatbaar is voor protonen, maar niet voor elektronen. Als het mengsel de anodezijde van de cel binnenkomt, komt het in contact met een dunne titaniumfolie die is gecoat met nanodeeltjes van rutheniumoxide. Door met deze anode te reageren, ondergaat de afvalstroom een katalytische omzetting die de chemie ervan verandert. Dit breekt de hoofdbestanddelen, waaronder carbonzuur, af en scheidt de nuttige oliën en paraffinen af. Oplosbare verbindingen die zuurstof en stikstof bevatten, worden ook afgebroken en omgezet in deze gewone gassen.
De afvalstroom slingert rond naar de kathodezijde van de reactor waar het door geladen koolstofvilt gaat. Hier ondergaat het verdere reacties die organische moleculen kunnen hydrogeneren of waterstofgas kunnen genereren dat kan worden gebruikt om een deel van het proces van brandstof te voorzien. De vezels van het koolstofvilt zijn niet alleen een uitstekende geleider van elektriciteit, maar zorgen ervoor dat de moleculen van de stroom zich met een hoge mate van turbulentie vermengen, waardoor de katalytische reacties verder worden versneld. De energiebehoefte van de cel is zo relatief laag dat de rest van de behoefte mogelijk kan worden voorzien van elektriciteit die wordt opgewekt door zonnecellen.
Inmiddels heeft het systeem bijna 200 uur zonder problemen gedraaid. De test moest stopgezet worden omdat de invoer van biologisch materiaal op was. “Het is een hongerig systeem”, zegt Lopez-Ruiz. “Het kan oneindig draaien zolang we het blijven voeden met rioolwater.”
Maar er zitten ook nadelen aan het systeem. Het apparaat is namelijk sterk afhankelijk van zeldzame metalen. Maar dit probleem is overkomelijk, denkt Lopez-Ruiz. Dankzij de coating van rutheniumoxide werkt de reactor met titanium, dat al een stuk makkelijker te verkrijgen is dan platina dat vaker in dit soort reactoren wordt gebruikt.
Hoewel het normaal is om een concept als dit te gebruiken om grote, gecentraliseerde brandstofraffinaderijen te bouwen, kan het milieuvriendelijker zijn om kleinere versies in de buurt van hun bronmateriaal te plaatsen. Boerderijen, brouwerijen en afvalwaterzuiveringsinstallaties zouden hiervoor ideaal kunnen zijn, zodat ze zowel producenten als consumenten kunnen zijn.
et inmiddels gepatenteerde systeem van PNNL, dat onderdeel is van het Amerikaanse ministerie van Energie, is op dit moment al beschikbaar voor gemeenten en bedrijven. Het Amerikaanse energiebedrijf CogniTek is een van de eerste die het systeem gebruikt in hun biomassaverwerkers.
Bron: geekwire.com
