Twee miljoen euro voor onderzoek naar fosfaatrecycling

De beurs stelt hem in staat om vijf jaar met een team aan fundamenteel onderzoek te werken. “Er wordt wel gezegd: je hebt de hoofdprijs gewonnen. Het voelt zéker zo”, zegt de trotse wetenschapper, verbonden aan de faculteit Technische Natuur Wetenschappen. Louis de Smet: “Er zijn verschillende methoden voor het terugwinnen van fosfaat, bijvoorbeeld het recyclen van fosfaat uit verbrandingsas van zuiveringsslib. Maar ik richt mij op het water zelf. Ook dat gebeurt al, je kunt fosfaat bijvoorbeeld neerslaan uit een oplossing met behulp van zouten. Je krijgt dan struviet, dat te gebruiken is als alternatieve meststof. Echter, het neerslaan is een niet-selectief proces en verontreinigingen kunnen in het struviet worden ingevangen.”

Capacitieve deionisatie
Als alternatief wil hij gebruikmaken van capacitieve deionisatie (CDI). “Met deze techniek kun je brak water ontzilten met behulp van een elektrisch veld. Hierbij worden poreuze elektroden opgeladen met zout, waardoor de zoutconcentratie in het water daalt. Bij CDI ligt de focus vooral op waterzuivering, maar als je bepaalde zouten specifiek uit het water kunt halen, dan is de techniek ook geschikt om hoogwaardige afvalstoffen, zoals fosfaat, te recyclen.”

Ultradun
De Smet wil nieuwe (polymeer) materialen ontwikkelen en deze als coating aanbrengen op de poreuze elektroden. “Het doel is om één bepaalde stof door deze coating heen te ‘trekken’ met behulp van een elektrisch veld. De positieve elektrode trekt de negatief geladen ionen, de anionen, aan (zie figuur). Dankzij de ultradunne uitvoering van de coating ondervinden de ionen minder weerstand bij het transport door het laagje.” De Smet wil het polymeerlaagje voorzien van receptoren ook wel liganden genoemd,  “een soort ‘chemisch handje’ om de fosfaationen selectief te hechten”.

pH waarde beïnvloeden
In zijn voorstel heeft hij een midden trachten te houden tussen een risicovoller traject (zuiver fosfaat terugwinnen) en een veiliger tussenroute: hierbij onderzoekt hij de mogelijkheid om ionen voor te selecteren op grootte, wat de terugwinning  vereenvoudigt. De Smet: “Fosfaat kan 1-, 2- en 3- waardig zijn, afhankelijk van de pH. Hoe groter het gehydrateerde ion, hoe moeilijk het is om deze te selecteren, omdat alle kleinere elementen in principe ook kunnen passeren. Maar grotere (3-waardige) ionen worden mogelijk weer sterker aangetrokken door het elektronische veld dan kleinere ionen.” De Smet kan zich voorstellen dat in dit spel een soort balans ontstaat. Tegelijk ziet hij ook bezwaren bij een voorselectie. “Er moeten weer chemicaliën aan te pas komen om  de pH waarde van de fosfaationen te beïnvloeden.

Afvangen, maar ook terugwinnen
De uitkomst van het onderzoek kent onzekerheden. De Smet: “De fundamentele vragen richten zich met name op het transport van de geladen deeltjes door de coatings. Selectiviteit gaat vaak gepaard met een sterke binding tussen het ‘ligand’ en datgene wat het ligand afvangt ofwel bindt (het ion). Maar ik wil transport en recycling bewerkstelligen. De afgevangen ionen moet je dus ook weer los zien te krijgen.” Ook over dit aspect zal hij zich buigen: “De uitdaging is om de juiste balans te vinden tussen selectiviteit (sterke binding) en de omkeerbaarheid van de binding (de ionen moeten ook weer los). En wat doet een elektrisch veld met dit alles?”
“Een andere uitdaging zal zijn om de stap van laboratorium naar praktijk te maken. De komende vijf jaar richt ik me vooral op fundamenteel onderzoek, maar afvalwater uit de praktijk is nog een stuk complexer en dat maak specifieke scheidingen extra lastig.“

Momentum was ook goed
Aan het winnen van de beurs ging een heel traject vooraf. “In februari vorig jaar heb ik een gedetailleerd projectvoorstel ingediend en in juli werd ik geselecteerd voor een gesprek in Brussel dat plaatsvond in oktober. Het goede nieuws kwam in december. Het voorstel moet bijzonder goed zijn en ook je trackrecord wordt onder een vergrootglas gelegd. Al met al zal het slagingspercentage zo’n 10% zijn. Blijkbaar viel mijn voorstel goed in de smaak. Ik heb maar liefst tien referentenrapporten ontvangen. De wetenschappelijke kwaliteit is het voornaamst, maar ik denk ook dat het momentum goed was: er is veel aandacht voor duurzaamheid. De fosfaatvoorraden zijn eindig en efficiënter gebruik van fosfaatproducten en hergebruik van fosfaatstromen worden dus steeds belangrijker.”

Wetsus
“Met deze beurs kan ik drie promovendi en één postdoc aanstellen. Ook kan ik apparatuur aanschaffen, waaronder een gevoelige microbalans waarmee ik veranderingen in de massa kan waarnemen met een gevoeligheid van ng/cm2. Dit is niet alleen nuttig voor het maken van de coatings, maar ook voor stabiliteitsmetingen en de opname van ionen in de coatings.” De beurs is persoonsgebonden en onafhankelijk. “Er is geen verplichte samenwerking, maar ik kan dit onderzoek natuurlijk niet alleen realiseren. Ik werk al bijna acht jaar samen met Wetsus, vooral op het gebied van sensoren. Ook dit onderwerp past prima bij het onderzoeksprogramma van Wetsus en binnen dit instituut is al veel kennis op het gebied van CDI.”

Spin-off
De ERC Consolidator Grant helpt meer ervaren wetenschappers hun eigen onderzoek of onderzoeksgroep te consolideren. “De afgelopen jaren heb ik vooral gewerkt aan sensoren en dan met name de ontwikkeling van coatings om sensoren specifiek te maken, zodat één type stof gemeten wordt en de interferentie door andere stoffen minimaal is. Deze lijn wil ik doorzetten en verbreden naar de terugwinning van ionen. De focus ligt op fosfaat, een lastige stof, want zoals aangegeven hangt de grootte en de ‘vorm’ hangt af van de pH, maar ik kijk ook naar andere ionen. Interessant is bijvoorbeeld de optie om het waardevolle metaal lithium te winnen uit zeewater. Dat zou een mooie spin-off zijn.”

Meer info via www.louisdesmet.nl