Een nieuw systeem kan CO2 uit zeewater omzetten in biologisch afbreekbaar plastic. Het proces draait volledig op hernieuwbare elektriciteit.
Het systeem wordt beschreven in een studie in het vakblad Nature Catalysis. Het werd ontwikkeld door onderzoekers uit China. Het werkt in drie stappen: eerst wordt CO2 opgevangen, daarna wordt het omgezet naar mierenzuur, en ten slotte worden microben gebruikt om het om te zetten tot barnsteenzuur. Dat laatste is de bouwsteen voor biologisch afbreekbaar plastic.
De eerste stap begint met het verwerken van onbehandeld zeewater. De oceanen absorberen namelijk ongeveer een kwart van alle door mensen uitgestoten CO2; de koolstofconcentratie in zeewater ligt volgens de onderzoekers 140 keer hoger dan in de atmosfeer. Deze opgeloste koolstof bestaat vooral uit bicarbonaat- en carbonaationen, die samen met van nature voorkomende CO2 de zogenoemde opgeloste anorganische koolstof vormen.
De onderzoekers ontwikkelden om dit CO2 op te vangen een elektrolyseapparaat met vaste elektrolyten (een soort geleidende zouten in vaste vorm) dat CO2 uit het zeewater scheidt door het water aan te zuren. Anders dan eerdere systemen werkt dit apparaat rechtstreeks op zeewater zonder dat het op voorhand moet worden behandeld.
Traditionele methoden faalden vaak na enkele uren doordat zouten neerslaan en de membranen beschadigen. Het nieuwe ontwerp vermijdt dit doordat er speciale scheidingswanden zijn die zowel positief als negatief geladen ionen doorlaten.
De onderzoekers namen de proef op de som door het apparaat gedurende 536 uur te testen. Het bleek goed te werken: het apparaat produceerde ongeveer 6,5 liter pure CO2 uit 177 liter zeewater. Daarvoor gebruikte het slechts 3 kilowattuur per kilogram CO2.
Mierenzuur als tussenstap
Na opvang wordt het CO2 omgezet in mierenzuur via elektrokatalyse. Dat is een proces waarbij elektrische energie chemische reacties aandrijft. De onderzoekers ontwikkelden hiervoor een katalysator, een stof die de reactie op gang zet zonder zelf opgebruikt te worden, op basis van bismut. Dat is een metaal dat bekend staat om zijn selectiviteit voor de vorming van mierenzuur. Het systeem produceerde tijdens een proef die twintig dagen duurde ongeveer 20 liter aan mierenzuuroplossing.
Bacteriën als biofabriek
Voor de laatste stap schakelden de wetenschappers Vibrio natriegens in. Dat is een bacteriesoort die in de zeeën voorkomt en snel groeit. Onder optimale omstandigheden kan de bacterie zich elke tien minuten delen. De onderzoekers plakten drie genen uit een andere bacterie in dit organisme, waardoor het mierenzuur als enige voedingsbron kan gebruiken.
De aangepaste bacteriën produceerden barnsteenzuur. Dat is het beoogde eindproduct: het is een grondstof voor polybutyleensuccinaat, oftewel PBS. Dat is een plastic dat door microben volledig kan worden afgebroken tot CO2 en water. De onderzoekers hebben al PBS geproduceerd met het geproduceerde barnsteenzuur. Het materiaal heeft dezelfde eigenschappen als PBS dat nu op de markt is.
Kosten en toekomstperspectieven
CO2-opvang met dit systeem zou ongeveer 230 dollar per ton kosten. Dat is nog altijd heel duur, maar vergelijkbaar met bestaande technieken om CO2 rechtstreeks uit de lucht op te vangen. Een extra troef van deze techniek is dat kleine hoeveelheden waterstof geproduceerd worden.
Er zijn wel wat haken en ogen, zoals altijd bij dergelijke onderzoeken. Het systeem is tot nu toe enkel in het laboratorium getest en dus nog niet onder omstandigheden die je in de echte wereld terugvindt. Ook moet worden onderzocht of het kan worden opgeschaald zonder dat het proces duurder wordt.
