‛Probeer altijd iets te vinden dat selectief is, want selectiviteit leidt tot duurzaamheid.’ Dat is wat Shoubhik Das, hoogleraar binnen het Departement Chemie van de Universiteit Antwerpen, zijn studenten graag voorhoudt. Het is tevens de essentie van een recente publicatie van zijn groep in Chem, die laat zien hoe je de benzeenringen uit polystyreenketens kunt knippen terwijl je de andere moleculen in je kunststofafvalmix ongemoeid laat.

Das legt uit dat wereldwijd veel vraag is naar simpele aromaten, zoals benzeen en tolueen. Ze zitten in talloze producten, van polystyreen (PS) tot medicijnen. Maar tot nu toe komen ze bijna allemaal uit fossiele grondstoffen, bij gebrek aan beter. Depolymerisatie van lignine uit afvalhout geldt als veelbelovend alternatief, maar praktische toepasbaarheid is nog ver weg.

Toen de onderzoekers puur PS vervingen door authentieke afvalproducten (van yoghurtbekers tot een speelgoedpistooltje) daalde de opbrengst nauwelijks

Jaarlijks eindigen intussen miljoenen tonnen plastic bekertjes, piepschuim en andere PS-producten op de stort of in de plastic soep. Omsmelten voor hergebruik als plastic kost veel energie en leidt tot kwaliteitsverlies. Vandaar dat Das het afval liever ziet als alternatieve benzeenbron.

Chemisch is het wel te doen, legt Das uit. Juist omdat PS een lange koolwaterstofketen is waar benzeenringen aan hangen als functionele groepen, is dit ketenmolecuul reactiever dan andere bulkplastics, zoals polyetheen (PE) en polypropeen (PP). Dat vergroot de kans om een katalysator te vinden die alleen de PS-ketens verknipt, en bovendien alleen op de gewenste punten.

Yoghurtbekers

Het idee kwam volgens Das bovendrijven tijdens een brainstormsessie met eerste auteur Yuman Qin. De groep richt zich op ‛groene’ chemie met een zekere nadruk op fotokatalyse, waarbij invallend licht een katalysator activeert door er tijdelijk een radicaal van te maken. Liefst onder milde omstandigheden, dus bij kamertemperatuur en atmosferische druk. Dat kun je combineren met hydrogen atom transfer (HAT), waarbij zo’n radicaal een waterstofatoom onttrekt aan een organische verbinding en op de lege plek een nieuw radicaal achterlaat. Doe je dit bij PS en verwijder je selectief de H’s van de C’s in de ruggengraat van de keten, waaraan ook de aromaatringen hangen, dan ben je op weg.

Das en Qin redeneerden dat N-broomsuccinimide, een veelgebruikte katalysator in de organische chemie, dit voor elkaar zou moeten krijgen. Dat bleek te kloppen. Geëxciteerd door 390 nm-ledlicht knipt het PS-ketens, opgelost in ethylacetaat, op de gewenste manier door. Vervolgreacties met zuurstof uit de atmosfeer zetten de brokstukken daarna vanzelf om in benzoëzuur. Na een aantal uren noteerden de onderzoekers een opbrengst van 48%, wat opliep tot 73% na toevoeging van triflaat (CF₃SO₂Na), een reagens dat de fotokatalytische werking versterkt.

’De mate waarin je economy of scale kunt bereiken, bepaalt uiteindelijk of het competitief is met de wat ruwere manieren om PS in stukjes te knippen’

Toen de onderzoekers het pure PS vervingen door authentieke afvalproducten, variërend van yoghurtbekers en piepschuimvlokken tot een speelgoedpistooltje, daalde dat percentage nauwelijks. Kennelijk is het proces selectief én robuust genoeg om geen last te hebben van kleurstoffen, weekmakers en andere toevoegingen. In Antwerpen hebben ze nog niet geprobeerd wat er gebeurt als er ook restjes van andere kunststoffen doorheen zitten. Maar gezien het voorgaande zou dat weinig kwaad moeten kunnen.

Das geeft meteen toe dat de markt voor benzoëzuur niet groot is. Maar bij kamertemperatuur is het een vaste stof die je eenvoudig kunt opzuiveren door herkristallisatie. Daarna kun je het omzetten in beter verkoopbare bouwstenen, zoals zuivere benzeen, fenol of salicylzuur - géén styreen, benadrukt hij, want je wilt niet recyclen maar upcyclen. ‛In producten met een hogere waarde bestaat momenteel veel meer interesse.’ Om de publicatie kracht bij te zetten heeft Das’ groep al met succes een paar vervolgreacties getest.

_{Lees verder onder de afbeelding}

Schaalbaar?

Vakgenoot Bert Weckhuysen, hoogleraar in Utrecht en ervaringsdeskundige op het gebied van lignine-valorisatie, noemt het elegant werk. Hij is met name te spreken over het naar zijn oordeel solide onderzoek naar het vermoedelijke reactiemechanisme. Maar hij vraagt zich wel af of zo’n fotokatalytische reactie echt groot opschaalbaar is. En zo ja, ga je dan moeite doen om je kunststofafval vooraf te sorteren of laat je PE, PP en andere resten er gewoon in? ‛Daarvan hangt af of het echt iets kan worden. De mate waarin je economy of scale kunt bereiken, bepaalt uiteindelijk of het competitief is met de wat ruwere manieren om PS in stukjes te knippen.’

Weckhuysens groep publiceerde onlangs in Angewandte Chemie een andere route naar aromaten uit kunststofafval. Door langdurig gebruik verziekte FCC-kraakkatalysatoren uit de olieraffinage blijk je een tweede leven te kunnen geven door ze los te laten op PP-afval. Dat dit aromaten oplevert is chemisch gezien niet zo verrassend, wel dat het er onverwacht veel zijn.

De schaalbaarheid van de Antwerpse route is zeker een punt. Tot nu toe heeft de chemische industrie fotokatalyse eigenlijk nooit durven omarmen. Maar Das is optimistisch: hij heeft octrooi aangevraagd en er is belangstelling, al kan hij nog geen namen noemen. ‛We hebben de proof-of-principle geleverd: voor aromaten hoef je niet te uitsluitend te vertrouwen op fossiele grondstoffen. Dat was niet makkelijk. Nu de chemie op gramschaal werkt, is de tweede stap om het in de praktijk te realiseren. Dat zou minder moeilijk moeten zijn.’

Qin, Y., Zang, T. et al. (2022) Chem, doi:10.1016/j.chempr.2022.06.002