Voeg twee vaste stoffen bij elkaar, roer even en je hebt een vloeistof: deep eutectic solvent, ofwel DES. Deskundigen stellen vast dat de nieuwste inzichten de populariteit hiervan enorm doen toenemen.

De Confederation of European Paper Industries (CEPI) lanceerde in 2011 haar visie voor de komende 35 jaar in de papier- en pulpindustrie: een reductie van 80 % in koolstofdioxide-uitstoot en tegelijkertijd 50 % meer toegevoegde waarde. Het PROVI­DES-project dat CEPI initieerde, waaraan ook de Universiteit Twente en de Tech­nische Universiteit Eindhoven deelnemen, liet afgelopen oktober zien dat die doelen mogelijk te halen zijn met behulp van revolutionaire oplosmiddelen: deep eutectic solvents (DESs).

Ook in andere toepassingsgebieden bieden DESs hoop in bange dagen. Ze kunnen op termijn de klassieke toxische oplosmiddelen wellicht deels gaan vervangen, processen efficiënter laten verlopen en bovendien alles veel duurzamer maken. Maar wat zijn DESs precies en wat maakt ze nou zo goed?

Groot temperatuurbereik

Het principe van DESs is gebaseerd op smeltpuntsverlaging via een tweede component en al zeker honderd jaar bekend. De naam DES is echter vijftien jaar geleden in zwang geraakt, en pas de laatste paar jaar komen we steeds meer te weten over de wonderbaarlijke eigenschappen van die vloeistoffen. ‘Een DES maak je door twee vaste stoffen, meestal kristalpoeders, met elkaar te mengen. Je krijgt dan een vloeistof met een lager smeltpunt dan beide componenten afzonderlijk’, zegt Boelo Schuur, onderzoeker van de sustainable process technology-groep van de Universiteit Twente.

‘Je kunt het enigszins vergelijken met zout strooien op een met ijs bedekte weg. Door het zout verlaag je het smeltpunt van ijs, waardoor het bij lagere temperatuur smelt. Het verschil met DESs is dat het in dit geval draait om een extreem sterke daling van het smeltpunt, van meer dan 50 °C’, legt Schuur uit.

Hoogleraar fysische chemie Remco Tuinier, promovendus Laura Kollau en andere collega’s (TU Eindhoven), hebben onlangs gepubliceerd over hoe die smeltpuntsverlaging precies werkt. ‘Bij een mengsel van de vaste stoffen neemt de entropie sterk toe. Dat maakt dat ze een vloeistof kunnen vormen onder het reguliere smeltpunt. En verder geldt: hoe meer interactie – in de vorm van waterstofbruggen – tussen de twee stoffen, hoe lager het uiteindelijke smeltpunt.’

Daarmee kom je ook gelijk bij een van de pluspunten van DES als oplosmiddel: doordat het smeltpunt zo laag is, heb je een enorm temperatuurbereik om je chemische reactie(s) in te laten plaatsvinden. Het is dus een zeer veelzijdig oplosmiddel. ‘Bovendien is een DES een designer solvent. Door de juiste combinatie van waterstofbrugdonor en -acceptor te kiezen, verkrijg je het benodigde oplosmiddel’, vertelt Schuur. ‘Computersimulaties die de interacties voorspellen, kunnen daarbij helpen’, voegt Tuinier daaraan toe.

Milieuvriendelijk

DESs staan bekend als veel milieuvriendelijker dan de klassieke oplosmiddelen in de chemische industrie. Die laatste zijn vluchtig, vaak giftig, allerminst veilig en maak je bovendien uit fossiele brandstoffen. Dat zijn allemaal eigenschappen waar de huidige industrie het liefst van af wil. DESs zijn minder vluchtig, doordat de zuivere componenten waaruit ze bestaan een smeltpunt hebben dat veel hoger is dan kamertemperatuur. Bovendien kun je ze maken uit natuurlijke bronnen. ‘Een voorbeeld van zo’n natural DES (NADES, red.) is ureum met chloride. Andere componenten zijn suikers, of zuren als melkzuur en appelzuur’, zegt Schuur.

Je kunt DESs maken uit natuurlijke bronnen

DESs worden weleens vergeleken met ionische vloeistoffen, ook genoemd als hét groene oplosmiddel van de toekomst. ‘Dat type oplosmiddel leek in eerste instantie heel veelbelovend, maar nu blijken veel varianten toch toxisch te zijn’, zegt Tuinier. ‘Bovendien moet je een aantal ervan alsnog uit olie maken en blijkt de productie duurder dan gedacht.’

Een voorbeeld van een toekomstig toepassingsgebied voor DESs zijn extractieve destillatieprocessen, zoals C4-koolwater­stoffen fractioneren, waarvoor je op dit moment N-methylpyrrolidon (NMP) en dimethylformamide (DMF) gebruikt, beide toxisch. Ook in elektrochemische processen lijken DESs het goed te doen. In de huidige elektrochemische industrie zet je nu water in als oplosmiddel, maar dat is niet altijd ideaal, volgens Jon Ustarroz, onderzoeker van de SURF-groep (Re­search Group Electro­chemical and Surface Engineering) aan de Vrije Universiteit Brussel. ‘De technologie gebruikt veel giftige additieven om neerslaan in water mogelijk te maken. Maar wij hebben gevonden dat het gebruik van DESs hetzelfde product geeft, maar dan zonder toevoeging van zoveel additieven.’

Ustarroz en zijn groep doen veel onderzoek naar hoe de verschillende types DESs en omstandigheden, zoals temperatuur en additieven, het neerslaan van metalen beïnvloeden. De neergeslagen producten zijn dan bijvoorbeeld coatings die materialen corrosiebestendig maken. Ook kijkt het team naar fundamentele eigenschappen, zoals de samenstelling van de interface tussen substraat en elektrolyt in DESs. ‘Daaruit blijkt dat dit type oplosmiddel een breder elektrochemisch bereik heeft dan water’, zegt Ustarroz. ‘Dat wil zeggen dat metalen coatings die moeilijk te maken zijn in water goed te produceren zijn met behulp van sommige DESs. Dat geldt bijvoorbeeld voor chroom, nikkel, ijzer en kobalt.’

Regenereren

Een derde toepassingsgebied is in de al eerder genoemde papier- en pulpindustrie. Daar gebruik je nu waterige oplossingen, maar door toevoeging van giftige chemicaliën en het hoge energiegebruik is het proces niet bepaald duurzaam. Daar kunnen DESs verandering in brengen: je kunt het gebruik van zwavel vermijden en je hoeft minder te verhitten. Het oplosmiddel kun je zowel gebruiken in het papiermaakproces als in de recycling van oud papier. In het eerste geval heb je te maken met hout dat je moet gaan verwerken. ‘Hout is hoofdzakelijk opgebouwd uit cellulose, hemicellulose en lignine’, legt Schuur uit. ‘De cellulosemoleculen, of papiervezels, bestaan uit lineaire ketens waar hemicellulose en lignines als een soort lijm tussen zit. Die lijm los je prima op met behulp van DESs, waarna je de papiervezels overhoudt voor verdere verwerking.’

De lignine zelf kun je gebruiken als grondstof om chemicaliën en brandstoffen te produceren. Die wil je dus weer terugwinnen uit de DESs. Bovendien kun je de DESs op die manier regenereren, oftewel opnieuw gebruiken, om papier te maken. Schuur en zijn collega’s ontwikkelen daarvoor nieuwe extractiemethodes. ‘We gebruiken tweefasensystemen waarbij we furanen, biobased-oplosmiddelen die je uit hemicellulose maakt, gebruiken om lignineproducten uit de DESs te extraheren.’

‘Het heeft een breder elektrochemisch bereik dan water’

Voor het papiermaakproces zet je hydrofiele DESs in. Maar sinds drie jaar bestaan er ook hydrofobe DESs, speciaal ontwikkeld door Dannie van Osch, onlangs gepromoveerd bij Tuinier aan de TU Eindhoven. Dit apolaire oplosmiddel is uitermate geschikt voor de recycling van oud papier. ‘Sommige kleurstoffen in de inkt lossen goed op in hydrofobe DESs’, verklaart Tuinier.

Interesse

De academische wereld begint de DESs steeds meer te ontdekken. Het aantal publicaties erover neemt rap toe en zowel Tuinier als Schuur krijgen regelmatig verzoeken om met andere universiteiten nieuwe projecten op te starten. Ook bedrijven tonen interesse om te gaan onderzoeken wat DES voor hen kan betekenen. Schuur: ‘De aandacht voor DESs stijgt enorm en ik verwacht dat ze net als ionische vloeistoffen heel populair gaan worden. Dan zal voor bijna alle mogelijke reacties worden gekeken of ze ook in DESs kunnen plaatsvinden. Dat zal zeker niet altijd het geval zijn. Maar nadat de hype wat geluwd is, zal blijken dat het oplosmiddel voor zeker een aantal processen een vaste waarde kan zijn in de toekomst.