Juli 2021
‘Er is ontzettend veel dat nog niet klopt’
Team CORE werkt aan ‘zero age’ met elementaire retractie
Recycling is een belangrijk element om te komen tot een volledig circulaire maatschappij in 2050. Op dit vlak is de afgelopen decennia dan ook al veel bereikt, maar Dirk van Meer, ceo van team core weet: ’80 procent gaat goed. Maar we recyclen te veel onbelangrijke materialen terwijl de grondstoffen die écht van belang zijn voor de energietransitie, zoals kobalt en lithium, nog erg lastig zijn terug te winnen.’ Om die reden ontwikkelde het studententeam van de tu/e een proefopstelling waarmee op basis van ‘elementaire retractie’ een eerste stap in juist deze terugwinprocessen is gemaakt.
Zero age staat voor een tijdperk waarin de mensheid geen afval meer produceert. Het is tevens het hoogst haalbare in een circulaire economie omdat op dat moment alle materialen na ‘afdanken’, een nieuwe bestemming krijgen. Hetzij door een opknapbeurt in dezelfde functie, hetzij in een andere functie of via recycling. Dirk van Meer laat er als ceo van core geen gras over groeien wat het thema ‘zero age’ betreft. ‘Op dit moment is ‘zero age’ nog een droom,’ geeft hij aan. ‘Want we zijn er nog lang niet. Kijken we naar recyclen, dan wordt er voortdurend met hoge cijfers gestrooid. En inderdaad, 80 procent gaat ook goed. Een mooi percentage? In cijfers wel, maar inhoudelijk ligt het genuanceerder. Zo zijn we op dit moment bijvoorbeeld enorm goed in het recyclen van kunststoffen, terwijl dat helemaal niet nodig is. We hebben voldoende olie om nog heel veel te kunnen produceren. Hetzelfde geldt voor staal.’
‘Kijken we naar de materialen die er, bijvoorbeeld in het kader van de energietransitie écht toe doen, dan lukt het maar voor een paar procent om deze stoffen terug te winnen. Hierbij moet je denken aan zeldzame materialen, zoals kobalt en lithium; grondstoffen die belangrijk zijn om vergaand te kunnen elektrificeren, zowel in de gebouwde omgeving als mobiliteit. Een ander mooi voorbeeld zijn auto’s. Deze kunnen we tot het indrukwekkende percentage van 98 procent recyclen, maar de 2 procent waar het eigenlijk om gaat: die nog niet. Bedrijven als arn en core zijn continue bezig om deze laatste percentages mogelijk te maken.’
Zeldzame materialen dreigen uitgeput te raken, daarnaast hebben we steeds meer elektronica nodig in combinatie met de ‘wegwerpmaatschappij’
Noodzakelijke ontwikkelingen
Hoe belangrijk het is om juist deze materialen te kunnen terugwinnen en hergebruiken, wordt duidelijk wanneer een aantal feiten en cijfers op een rij wordt gezet. Centraal staat het feit dat zeldzame metalen – zoals deze nodig zijn voor accu’s en batterijen – in een rap tempo aan de aarde worden onttrokken en hierdoor eenvoudig op dreigen te raken. Dit door de toenemende hoeveelheid elektronica die mensen in hun leven aanschaffen en gebruiken. De bronnen díe nog grotere hoeveelheden bevatten, zijn te vinden in een beperkt aantal landen op de wereld. Dit betekent dat er een ongewenst grote economische afhankelijkheid van deze landen kan ontstaan. Daarnaast hebben we te maken met elektronica die een (zeer) korte levensduur heeft. De ontwikkelingen gaan immers snel, waardoor mensen binnen afzienbare tijd behoefte krijgen aan de nieuwste versie. Dit heeft de ‘wegwerpmaatschappij’ verder versterkt waardoor de jaarlijkse hoeveelheid zogeheten ‘e-waste’ die mensen genereren, alleen maar toeneemt. De groei wordt beraamd op ongeveer 8 procent per jaar.
Nu zou dit minder problematisch zijn wanneer deze e-waste volledig kon worden hergebruikt, maar dat is niet het geval. Op dit moment wordt slechts 25 procent van de e-waste gerecycled, wat betekent dat 75 procent veelal terecht komt op stortplaatsen in vooral Azië of Afrika. Niet alleen ‘zonde’ van de materialen, maar ook nog eens gevaarlijk voor de gezondheid van mens en milieu omdat veel e-waste schadelijke en giftige stoffen bevat. Van Meer: ‘Het feit dat de bronnen van deze zeldzame materialen uitgeput dreigen te raken én het feit dat we steeds meer elektronica nodig hebben in combinatie met de ‘wegwerpmaatschappij’, betekent dat we razendsnel stappen moeten ondernemen om de juiste recyclingprocessen te ontwikkelen.’
Zelfreinigende werking van de aarde.
Natuurlijke reiniging
Gabby van Meer zag een aantal jaren geleden potentie in ‘elementaire retractie’ om e-waste te kunnen recyclen en hiermee een stap dichter bij ‘zero-age te komen’. Het idee om elementaire retractie te gebruiken voor het terugwinnen van zeldzame metalen is geïnspireerd door de manier waarop de aarde zichzelf reinigt en ‘herwint’.
Al vanaf het moment dat de aarde bestaat komen (afval)stoffen in de oceaan terecht. Deze zinken naar beneden en bereiken uiteindelijk via openingen in de platen de hete kern. In deze kern wordt het afval verhit zonder de aanwezigheid van grote hoeveelheden zuurstof, waardoor het ontleedt in de basiselementen waaruit het is samengesteld. Uiteindelijk worden hierdoor drie soorten materiaalstromen weer ‘teruggegeven’ aan de hogere lagen en de atmosfeer. Soms pas na miljoenen jaren. Dit zijn ten eerste de metalen in de vorm van uiteenlopende metaallegeringen, ten tweede mineralen in de vorm van rotsen, basalt en obsidiaan en ten derde gassen die vrijkomen via vulkanische activiteit. Deze gassen worden door het weersysteem gereinigd: Regen wast de deeltjes uit de lucht die neerslaan op de aarde waar ze dienen als meststof voor het land. Hierna herhaalt de cyclus zich.
Obsidiaan is een glasachtige, zwarte substantie die als tweede laag vrijkomt bij elementaire retractie.
Technische uitdaging
Dit zelfreinigend vermogen van de aarde heeft miljoenen jaren probleemloos gewerkt, maar is in de huidige tijd onvoldoende om het tempo bij te houden waarmee mensen grondstoffen aan de aarde onttrekken en afval produceren. Om die reden is vanuit het idee van Gabby van Meer (de toepassing van elementaire retractie voor de recycling van e-waste), bij de tu/e het team core opgestart. Dirk van Meer: ‘De naam core is gekozen omdat de kern van de aarde uiteindelijk het onderdeel is dat afval afbreekt tot basiselementen die vervolgens opnieuw beschikbaar komen voor alle mogelijke doeleinden. Circulariteit pur sang. Dit principe hebben we binnen het studententeam vertaald naar een industriële oplossing om de waardevolle materialen uit e-waste te kunnen terugwinnen.’ De reden dat er specifiek voor e-waste nieuwe scheidings- en terugwinmethoden noodzakelijk zijn, heeft te maken met de vorm en samenstelling van de e-waste zelf. In de meeste gevallen zijn materialen in afvalstromen namelijk relatief eenvoudig mechanisch van elkaar te scheiden. Het gaat immers om een stroom afval die bestaat uit losse, gemengde delen die handmatig of met scheidingsmethoden op basis van bijvoorbeeld zwaartekracht, magnetisme of soortelijke dichtheid zijn te scheiden. In het geval van e-waste heeft de verwerker echter te maken met een zeer complexe mix van een groot aantal elementen die gevangen zijn in een matrix van kunststof en siliconen. Bij batterijen – waar het team op dit moment aan werkt – is het nog erger, omdat hierbij ook vluchtige stoffen betrokken zijn. Dit maakt het mechanisch scheiden van de verschillende materialen niet alleen complex, maar ook gevaarlijk voor mens en milieu. In het geval van chips is het zelfs praktisch onmogelijk. De bestaande scheidingsmethoden zijn hier dus niet bruikbaar terwijl elementaire retractie wél mogelijkheden biedt.
In Delfzijl wordt de eerste fabriek voor elementaire retractie ingericht.
Praktijkopstelling
In het proces van elementaire retractie voor het verwerken van e-waste, worden de (geshredderde) materialen verhit tot praktisch de temperaturen die ook in een reactor heersen. Bij temperaturen tot 1.450 °C wordt het smeltpunt van de materialen overschreden. Kunststoffen zullen hierbij verbranden en de metalen smelten of verdampen; zink en cadmium zijn bijvoorbeeld twee stoffen die veel voorkomen in batterijen en een kookpunt hebben van respectievelijk 907 en 767 °C. Door dit verwarmingsproces vormen zich drie lagen. De eerste laag bestaat uit gas. Bij deze temperaturen zullen organische vervuilingen – inclusief giftige substanties zoals pfos – uiteenvallen in de oorspronkelijke elementen waaruit ze zijn opgebouwd. Deze elementen reageren met zuurstof (oxideren) en vormen gassen zoals CO, CO2 en NOx. Vanuit kunststoffen die bromine gebaseerde brandvertragende stoffen bevatten, zal Br2 worden gevormd. Om die reden wordt gebruik gemaakt van een wasinstallatie die de gassen wast op dezelfde manier als de aarde dit doet met behulp van regen. In de gaswasinstallatie wordt onder meer CO verwijderd door gebruik te maken van katalytische omzetters terwijl de CO2 wordt afgevangen met een speciale installatie. Verder kunnen de gassen worden geraffineerd. Door het toevoegen van zand – SiO2 – wordt een laag slakken gevormd. Deze tweede laag absorbeert vervuilingen zoals siliconen en oxides. De viscositeit van de slakken wordt in stand gehouden door steeds het juiste evenwicht te zoeken tussen de zure en de basische componenten. Hierbij is bijvoorbeeld SiO2 het zuur en CaO de basische component. De viscositeit van de slakken is een cruciale factor in het proces en wordt daarom zorgvuldig bewaakt en in stand gehouden. Alleen bij de juiste viscositeit zijn de slakken namelijk in staat zich vrij te bewegen en de uitwisselingssnelheden tussen de drie lagen te verbeteren. Na een snelle afkoeling blijven de slakken amorf wat resulteert in een glasachtige zwarte substantie: obsidiaan. Ook kan er basalt worden gemaakt met deze stroom. Dit materiaal is onder meer te gebruiken voor ballast, constructieprojecten, in wegen en gebouwen. Metalen die door de hoge temperaturen smelten, zullen onderin een derde laag vormen. Dit gebeurt onder de slakken vanwege de hogere dichtheid. Hier vormen zich vervolgens uiteenlopende legeringen die afhankelijk zijn van de fasesamenstellingen. Deze worden geanalyseerd met behulp van thermodynamica software. Na het smelten en afscheiden zijn de metalen af te gieten. De verschillende elementen zijn vervolgens van elkaar te scheiden door gebruik te maken van beschikbare hydrometallurgische processen, zoals elektrolyse en precipitatie.
Installatie in Delfzijl waarin zich binnenkort het proces van elementaire retractie zal voltrekken.
Temperatuur en energie
Van Meer: ‘Om de benodigde hoge temperaturen te bereiken, wordt e-waste gemengd met ander afval waarin zich ook organische verbindingen bevinden. De opwarming start door elektrische verwarming of de inzet van branders. Wanneer een bepaalde temperatuur is bereikt, zullen de organische verbindingen van het andere afval ook beginnen met reageren. Hierbij komt extra warmte vrij. De kunst is nu om een mengsel samen te stellen waarin de juiste verhouding tussen exotherme en endotherme componenten is gerealiseerd. Gelijktijdig moet het mengsel ook voldoende koolstof bevatten om te voorkomen dat de metalen oxideren bij elke willekeurige temperatuur. We spreken zelf dan ook graag over een ‘slim mengsel’. Dit omdat ze door de exotherme reactie de hoeveelheid energie die we extern moeten toevoegen behoorlijk verlagen, maar ook omdat ze het mogelijk maken om andere afvalstromen samen met de e-waste te verwerken. Dit is niet alleen een zeer duurzame oplossing, maar tevens financieel interessant.’
Het échte specialisme van het team zit in het vermogen om een optimale mix samen te stellen. Dit is lastig omdat de specifieke samenstelling van de verschillende e-waste-materiaalstromen kan variëren. Daarom werkt core aan een speciale procedure waarmee de juiste hoeveelheid slakken is te bepalen evenals de optimale temperatuur, viscositeit enzovoorts. Dit betekent dat het team te maken heeft met onder meer massa balansen, energie balansen, de mate van scheiding, thermodynamische modellen van de legeringen, slakkenvorming en oxidatiegedrag en viscositeitsvoorspellingen. Van Meer: ‘De inspanningen zijn niet voor niets geweest. We zijn in 2018 gestart en inmiddels zover dat we hebben aangetoond dat deze techniek inderdaad levensvatbaar is. Om het straks ook echt in de markt te kunnen zetten, is de startup ‘core Chemistry’ opgericht. Dit bedrijf houdt zich bezig met het realiseren van fabrieken die elementaire retractie – en andere processen – toepassen in het kader van recycling. Interessant is bijvoorbeeld het onderdeel dat grond die vervuild is met pfas kan worden gereinigd op basis van elementaire retractie. Zoals de meeste mensen wel weten is op dit moment immers véél grond vervuild met deze chemische stoffen en beperkt het de bouw en grondverzetbedrijven in het uitvoeren van hun werkzaamheden.’
‘Onze planning is om in juli 2022 een werkend prototype te kunnen demonstreren’
Prototype
De technologie is getest in een r&d-oveninstallatie die in november 2020 via een livestream werd gepresenteerd. De kern van de oven is een smeltkroes, die wordt gevuld met een afvalmix en verhit tot maximaal 1.600 °C. Na beëindiging van het proces en het afkoelen van de kroes zijn de ontstane lagen door de studenten geanalyseerd. Hiermee is inzicht verkregen in de meest optimale afvalmix en procesparameters. Naast de oven omvat de installatie tevens een systeem dat de gassen, die tijdens het proces ontstaan, kan koelen en zuiveren. Van Meer: ‘Tot slot zijn ze bezig geweest met een shredder die batterijen kan verkleinen. Eenvoudig omdat deze elementen niet intact in de oven mogen worden gebracht.’ Op het moment van schrijven is Van Meer bezig met zijn laatste weken als student. Op het moment van publicatie zal hij als afgestudeerd chemisch technoloog fulltime bij core Chemistry aan het werk zijn om de installatie zo snel mogelijk ‘marktrijp’ te maken. ‘Onze planning is om in juli 2022 – dat is nog ruim een jaar – een werkend prototype te kunnen demonstreren. Hiervoor werken we onder meer samen Stibat en mirec en is een locatie in Delfzijl gevonden om de eerste fabriek in Nederland te bouwen waar elementaire retractie wordt toegepast. Tot die tijd kunnen we alle ondersteuning van bedrijven, studenten en wetenschappers die zelf onderzoek doen of geïnteresseerd zijn, gebruiken. Op LinkedIn hebben we een eigen pagina onder de naam ‘Team core’, meld je gerust aan.’
Tekst: ing. M. de Wit – Blok, freelance journaliste.
Fotografie: Team CORE
Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.