Wageningen University & Research ontwikkelt samen met een aantal bedrijven een energiezuinige elektrochemische methode voor het produceren van zuivere waterstofperoxide. Daarvoor wordt de komende twee jaar een compact systeem gemaakt en in de praktijk uitgetest.
De enige ingrediënten bij deze gepatenteerde methode zijn lucht, water en elektriciteit. Met behulp van een module met elektrochemische cellen wordt een zeer zuivere en flink geconcentreerde waterstofperoxide-oplossing geproduceerd (zie kader Hoe werkt het?). Een groot voordeel is dat bij dit proces weinig energie wordt gebruikt.
Het onderzoek wordt in het kader van het project Green Oxidants uitgevoerd door Wageningen Food & Biobased Research, onderdeel van Wageningen University & Research (WUR). Verder doen vier industriële partners mee: ACN Water Treatment, Royal Avebe, Pure Water Group (PWG) en W&F Technologies.
Geen chemicaliën gebruikt
Binnen het programma Water Treatment and Technology van Wageningen Food & Biobased Research zijn elektrochemische scheidingen en omzettingen een kernthema geworden, vertelt projectleider Raymond Creusen. “Wij kijken naar de mogelijkheden om groene oxidatiemiddelen zoals waterstofperoxide op locatie bij de eindgebruiker te produceren, als vervanging van de bestaande chemische routes met bulkproductie. Hierdoor kun je het gebruik van chemicaliën en het transport met vrachtwagens voorkomen.”
Raymond Creusen
De onderzoeksgroep heeft de afgelopen jaren het concept al in het laboratorium uitgewerkt, met ondersteuning van de Topsector Agri & Food. Het doel van het recent gestarte project dat tot en met medio 2023 duurt, is om tot een in de praktijk werkende installatie te komen. Creusen: “In het eerste jaar willen we de methode vooral verder ontwikkelen. In het tweede jaar volgt dan de demonstratie in een bedrijfsomgeving.”
Honderd procent zuiver
De vernieuwing zit onder meer aan de voor- en achterkant van het proces, vertelt Pieter Hack. Hij is bestuursvoorzitter van de holding W&F Technologies, waaronder de dochterondernemingen PWG en REDstack vallen.
Pieter Hack
“In het systeem gaat water zonder zout, dat dus nog veel schoner dan kraanwater is. Aan het eind komt er een honderd procent zuivere waterstofperoxide-oplossing uit. Hierin zitten geen zout en bijproducten; het is alleen H2O2. We mikken op een hoge concentratie. De bedoeling is minstens 10 procent ofwel 100 gram peroxide per liter.”
Deze concentratie is voldoende voor driekwart van de toepassingen waarvoor waterstofperoxide wordt gebruikt, voegt Creusen eraan toe. “Onze technologie is een goed alternatief voor de chloorelektrolyse systemen die bedrijven nu nog vaak op locatie gebruiken. Daar willen ze vanaf.”
Eerst moeten nog wel enkele stappen worden gezet. Een belangrijke uitdaging is volgens Creusen om het gebruik van elektrolyten te vermijden. “In de elektrochemische cellen zitten elektrodes en membranen, die in het systeem dat we nu hebben ontwikkeld zich in gescheiden compartimenten bevinden. Voor de geleiding zijn daarom elektrolyten nodig, maar deze vloeistoffen geven toch een soort verontreiniging. We willen nu toe naar de integratie van de elektrodes en membranen, zodat er geen elektrolyten meer te hoeven worden toegevoegd.”
Tal van industriële toepassingen
De geproduceerde waterstofperoxide is geschikt voor tal van industriële toepassingen. Voorbeelden zijn het modificeren en bleken van zetmeel in de voedingsindustrie en het desinfecteren van water in koeltorens, vandaar dat zowel Avebe als ACN Water Treatment deelnemen aan het project. Een pluspunt van de innovatieve methode is dat de waterstofperoxide-oplossing ter plekke bij de eindgebruiker kan worden gemaakt. Daardoor hoeven er geen vrachtwagens met waterstofperoxide over straat meer te rijden en waterstofperoxide ook niet te worden opgeslagen, aldus Creusen en Hack.
Wat voor belang heeft de in de Brabantse plaats Sprundel gevestigde Pure Water Group bij het project? Hack licht toe: “We zijn gewend om compacte industriële waterbehandelingssystemen te ontwerpen en bouwen, bij voorkeur op basis van membraanprocessen en nog meer bij voorkeur op basis van elektrochemische processen. Als de nieuwe module goed werkt, zijn wij de gedoodverfde producent. Daarom betalen we mee aan het project, net als de eindgebruikers ACN en Avebe.”
Andere onderzoekers en bedrijven zijn ook bezig met het ontwikkelen van nieuwe methoden voor het produceren van waterstofperoxide. Hack ziet hen niet echt als concurrenten. “Zij richten zich veel meer op afvalwaterzuivering. Daarvoor zijn het zoutgehalte en de concentratie niet zo relevant. De toepassing van de waterstofperoxide die wij maken, is heel anders.”
Praktijktest bij Avebe
De cruciale vraag voor marktsucces is uiteraard: kan de waterstofperoxide voor een concurrerende prijs worden geproduceerd? De belangrijkste kostenpost is het energieverbruik bij de omzetting vanuit water en zuurstof, merkt Creusen op. “Daarom moeten we de weerstand zo klein mogelijk maken, zodat het elektrisch rendement zo hoog mogelijk is. Dat hangt onder andere af van de inrichting van het systeem en de keuze van materialen. Dit is een belangrijk aspect van ons onderzoek.”
De bedoeling is dat in het tweede jaar de laboratoriuminstallatie die nu bij WUR staat, wordt uitgeprobeerd in een fabriek van Avebe. “Wij willen kijken of het systeem ook daar werkt”, zegt Creusen. “Gezien de resultaten tot nu toe hebben we er vertrouwen in.” Als de praktijktest succesvol verloopt, is opschaling naar een volledig functionerende installatie mogelijk. Hack maakt zich daarover geen zorgen. “Met dat bijltje hakken we bij PWG vaker.”
HOE WERKT HET?
Het produceren van de zuivere waterstofperoxide start met de toevoer van water dat vooraf ultraschoon is gemaakt in een onthardingsinstallatie. Dit is een standaardtechniek en staat los van de door WUR ontwikkelde methode. De nieuwe module bevat speciale elektrochemische cellen. In deze cellen zitten de twee elektrodes (kathode en anode) heel dicht bij de ionenwisselaar, waar de elektrochemische reacties plaatsvinden. Bij de kathode wordt zuurstof binnengelaten, waarna er met een aantal elektrochemische stappen een peroxideradicaal wordt gemaakt. Bij de anode wordt het water gesplitst en dat levert waterstofionen (H+) op.
Door het samenbrengen van het peroxideradicaal en H+ ontstaat waterstofperoxide. Om en om geplaatste membranen laten selectief de positieve ionen dan wel de negatieve ionen door, zodat de juiste ionen bij elkaar worden gebracht in het kanaal waar de waterstofperoxide gemaakt wordt. Het conventionele driekanaalssysteem kan dan worden omgebouwd tot een compact geheel met slechts één kanaal. Daardoor zijn er geen elektrolyten voor de geleiding meer nodig.
MEER INFORMATIE
Toelichting op website WUR
Een interessant gegeven is dat 80% van ons drinkwater thuis wordt verbruikt. Daar ligt een enorme uitdaging, maar ook een kans om echt verschil te maken. Door slimmer om te gaan met de distributie van water, kunnen we helpen om het verbruik te verminderen zonder dat we daar veel van merken. Dit zou niet alleen helpen om onze waterbronnen te sparen, maar ook de druk op het systeem tijdens droge perioden verlagen.
Dit gaat verder dan alleen maar korter douchen; het gaat om een bewuste verandering in ons dagelijks leven om ervoor te zorgen dat er genoeg water is voor iedereen. Iemand iets gunnen. Beginnen met het nadenken over de oplossingen menukaart ook met water zoals we dat met energie doen - waar kunnen we besparen, hoe kunnen we efficiënter zijn, en hoe kunnen we ons aanpassen aan nieuwe omstandigheden?
Er is geen eenduidige oplossing voor het probleem, en additionele productie levert ons op langere termijn niets op. Misschien is het tijd om deze uitdaging aan te gaan en te kijken naar hoe we thuis ons watergebruik kunnen optimaliseren.