Bij veel industriële processen blijven grote hoeveelheden water achter met daarin allerhande chemicaliën. Deze vervuilde waterstromen kun je in principe inzetten om met behulp van katalysatoren waterstofgas te produceren zonder daarbij het water te verdampen. Echter, de omzetting van de aanwezige chemicaliën naar waterstof is lastig en om de omzetting efficiënt te maken, is het nodig om tot in detail de chemische reacties die plaatsvinden op het oppervlak van de katalysator te begrijpen. Een apparaatje, ontworpen door Kamila Koichumanova van UT-onderzoeksinstituut MESA+, kan hier een belangrijke bijdrage in leveren. Het stelt wetenschappers in staat om tijdens de reactie precies te meten wat er gebeurt op het katalysatoroppervlak zodat ze vervolgens de katalysator en de reactiecondities kunnen verbeteren. Koichumanova promoveert op 7 oktober aan de Universiteit Twente op haar onderzoek.
Voor de productie van waterstof wordt momenteel aardgas gebruikt. Deze reactie kost vanwege hoge temperaturen relatief veel energie en draagt bovendien niet bij aan het verminderen van het verbruik van fossiele brandstoffen. Het is mogelijk om bij relatief lage temperaturen waterstofgas te produceren uit waterige afvalstromen, zoals uit de voedsel-, biobrandstof- of papierindustrie. Momenteel is de omzettingsreactie echter niet efficiënt genoeg om op grote schaal onder industriële condities in te zetten. Om een efficiëntieslag te kunnen slaan is het noodzakelijk dat je tot in detail begrijp hoe de reactie werkt, om zodoende te zorgen dat je de juiste reactiecondities, de juiste samenstelling van de componenten in de afvalstroom en de juiste katalysator (chemische stof die de reactie kan versnellen) kunt selecteren.
Meten tijdens reactie
In haar promotieonderzoek heeft Kamila Koichumanova een apparaatje ontwikkeld dat tot in detail kan bestuderen wat er tijdens de reactie plaatsvindt. In tegenstelling tot veel methodes – waar op basis van de eindproducten beredeneerd wordt hoe de reactie waarschijnlijk verlopen is – meet dit apparaat gedurende de reactie precies wat er gebeurt op het oppervlak van de katalysator. Hierdoor kun je ook zien welke ‘tussenproducten’ een reactie oplevert en hoe goed een specifieke katalysator in de praktijk werkt. Op basis van deze gegevens kun je de efficiëntie van de reactie verbeteren en zo brengt het apparaatje de industriële omzetting van afvalstromen naar duurzame brandstof een stap dichterbij.
Infrarood spectroscoop
Het apparaatje dat de promovendus ontwikkelde maakt het mogelijk infrarood spectroscopie te bedrijven in water. Het bestaat uit een kristal dat aan de buitenkant is gecoat met een katalysator. Het kristal is in een metalen buis geplaatst waarbinnen je de temperatuur, de druk, de aanvoer van chemicaliën en de afvoer van waterstof nauwkeurig kunt regelen. Door tijdens de reactie infrarood licht het kristal in te sturen en te meten hoe het licht aan het einde van de metalen buis er weer uit komt, kun je bepalen welke reactie-intermediairen er op welk moment precies aan het oppervlak van het kristal aanwezig zijn.
Onderzoek
Koichumanova voerde haar onderzoek uit in de vakgroep Catalytic Processes and Materials die onderdeel uitmaakt van UT-onderzoeksinstituut MESA+. Tijdens haar promotieonderzoek – waarbij ze werd begeleid door prof. dr. ir. Leon Lefferts, prof. dr. K. Seshan en dr. Barbara Mojet – werkte Koichumanova samen met onderzoekers van de UT-vakgroep Soft matter, Fluidics and Interfaces en van Università degli Studi di Palermo (Italië). Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door CatchBio, een initiatief van de Nederlandse overheid, bedrijven en kennisinstellingen die schone en efficiënte processen willen ontwikkelen voor de omzetting van biomassa naar betaalbare en duurzame brandstoffen en chemicaliën.
Koichumanova verdedigt op 7 oktober om 14.45 uur haar proefschift in collegezaal 4 van gebouw De Waaier op de campus van de Universiteit Twente.
