Recycling is mooi, maar circulaire chemie is de echte oplossing

Meer recycling moet Europa onafhankelijker maken van toevoer van schaarse grondstoffen uit landen als China of Rusland. In 2030 moeten we vijftien procent van alle kritieke grondstoffen binnen de EU recyclen. De wetenschap is al een stap verder. Circulair chemie-expert Chris Slootweg ontwikkelt methodieken om hergebruik in chemische producten ‘in te bouwen’.

Tekst: Marga van Zundert

Wie met Chris Slootweg, universitair hoofddocent Circulaire chemie aan de UvA, in gesprek gaat over schaarse grondstoffen belandt direct op een fundamenteel niveau. “Waarom zijn grondstoffen kritiek”, start zijn antwoord op de eerste vraag. “Omdat we grondstoffen lineair gebruiken.” Grondstoffenschaarste bestrijden kan op allerlei manieren, waarvan recycling er één is. Hij is voorstander van de ambitieuze Europese recyclingdoelstellingen zoals verwoord in de Critical Raw Materials Act (CRMA). Maar circulariteit zou een beter uitgangspunt zijn voor een wet die schaarse grondstoffen moet tegengaan, vindt Slootweg.


Critical Raw Materials Act

Dit is het derde deel van een serie artikelen over kritieke grondstoffen. Met de CRMA wil de EU meer controle over grondstoffen in handen krijgen. Dat moet komen van meer zelf grondstoffen mijnen, processen en recyclen.

  1. Critical Raw Materials Act: “Geopolitiek gaat de wereldeconomie domineren”
  2. Vijf redenen waarom Europa toe is aan een mijnbouw renaissance

Je zet meteen de stap van recycling naar circulair denken. Wat is het verschil?

Circulaire chemie kijkt evenzeer naar de afvalkant als de productiekant. En bij een aantal kritieke grondstoffen zit juist daar het grootste probleem. Fosfor is een goed voorbeeld. Er is een wereldwijd tekort aan schone fosfaaterts: fosforrijk gesteente met lage concentraties aan zware metalen zoals cadmium en lood. Onlangs zijn in Noorwegen nieuwe grote voorraden onder de zeebodem ontdekt. Dat is mooi nieuws voor Europa, het maakt de grondstof in de toekomst mogelijk niet meer kritiek. Maar betekent dat dat je niet meer hoeft te recyclen? Nee, want op het moment ligt de uitdaging zeker in Nederland aan de afvalkant. Bodem en oppervlaktewater bevatten teveel fosfaat dat in het milieu komt via mest en kunstmest. Recyclen kan bijvoorbeeld door fosfaat terug te winnen uit de slibas van rioolwaterzuiveringen. SusPhos, een spin-off die in mijn onderzoeksgroep is ontstaan, werkt hieraan (zie kader).

Je stelt dat we de chemie opnieuw moeten uitvinden. Dat klinkt als een revolutie?

Sinds de industriële revolutie heeft de chemie lineaire waardeketens geoptimaliseerd. Het proces van grondstof tot product is vaak zeer efficiënt. Maar vrijwel elk product is ontworpen voor zijn functie, niet op hergebruik van de grondstoffen. Waar we heen moeten is circulair by design zodat we de grondstoffen weer eenvoudig kunnen hergebruiken. Dat betekent dat vrijwel elk product opnieuw moet worden ontworpen. Dat mag je gerust een revolutie noemen.

Is die revolutie al begonnen?

Ik zie een voorzichtig begin. Batterijen bijvoorbeeld, die worden aangepast zodat ze beter recyclebaar zijn. En de recente Groeifondsaanvragen weerspiegelen dat het idee is geland. Er zijn grootschalige projecten als circular plastics en circular batteries. Dat zijn enorme stimulansen. Maar ik zie ook veel herontwerp van processen om hetzelfde product te maken op basis van een hernieuwbare grondstof in plaats van fossiel. Dat is enerzijds een stap voorwaarts, maar meestal geen circulaire oplossing. Zeker niet als het belangrijkste probleem aan de afvalkant zit. Denk aan additiepolymeren zoals polyethyleen. Die kunststof is nagenoeg onmogelijk honderd procent closed loop te recyclen met behoud van waarde. Het uit bio-ethanol produceren lost dat probleem niet op.

Je kunt polyethyleen chemisch recyclen?

Als laatste redmiddel om gemengde plastic afvalstromen op te waarderen zie ik chemisch recyclen door pyrolyse zitten. Maar dan heb je het al over afval. In een circulaire chemie wil je juist geen afval produceren.

Je introduceerde vier jaar geleden de twaalf principes voor de circulaire chemie. Hoe is dat zo gekomen?

Ik gaf het mastervak Groene chemie en daarin kwam uiteraard ook de circulaire economie ter sprake. In de groene chemie heb je de twaalf principes van Paul Anastas en John C. Warner. Ik heb studenten gevraagd een essay te schrijven over de principes van circulaire chemie, die waren nog niet geformuleerd. Met de twee beste essayisten heb ik dat uitgewerkt tot twaalf principes die in Nature Chemistry zijn gepubliceerd. Ik zie het concept steeds vaker opduiken. Dat is super, want het helpt de circulaire chemie ontwikkelen. Het vak heet overigens inmiddels Groene en circulaire chemie.

"Waar we heen moeten is circulair by design zodat we de grondstoffen weer eenvoudig kunnen hergebruiken."

Dat is nu vier jaar geleden, kriebelt het al om iets aan de principes te veranderen met de nieuwste kennis?

Bij het eerste principe, het verzamelen van afval, kriebelt het inderdaad. Afval past eigenlijk niet in de circulaire chemie, zoals ik al zei. Het begrip hoort bij de lineaire chemie. Afval als grondstof, dat is recycling. In de circulaire chemie behoudt je dankzij het design de waarde van grondstoffen en in het ideale geval circuleert het product zo dat het ook zijn waarde behoudt.

Hoe herontwerp je een product zodat het circulair is?

Doel is een circulair alternatief te vinden met dezelfde eigenschappen. Vanuit academische onderzoek zijn daar nu helaas nog niet veel handvatten voor. In mijn onderzoeksgroep ontwikkelen we er nu methodieken voor. Hoe herontwerp je een circulaire vlamvertrager? Hoe ontwerp je een circulaire weekmaker? Bedrijven zitten met smart te wachten op kennis daarover.

Zijn er al vorderingen?

We hebben bijvoorbeeld een studie gedaan naar de farmaceutische industrie. Hoe kunnen zij herontwerp het beste aanpakken? In de sector ligt de focus al niet enkel op functionaliteit maar ook op toedieningsvorm en toxiciteit. Daar wil je nog een extra parameter aan toevoegen: goede bio-afbreekbaarheid van de werkzame stof en metabolieten die in het riool belanden. Die parameter blijk je het beste vroeg mee te kunnen nemen in het optimalisatieproces. De kosten en impact op het design zijn dan het laagst. We gebruikten een methodiek om op farmacologische parameters te screenen door structuur-activiteitsrelaties en die blijkt vaak ook toegepast te kunnen worden voor bio-afbreekbaarheid. Je slaat als het ware twee vliegen in één klap.

Dat biedt ook handvaten voor herontwerp in de chemische industrie?

We staan pas aan het begin van deze ontwikkeling. Maar er loopt fascinerend onderzoek om eigenschappen van moleculen te voorspellen op basis van hun moleculaire structuur met behulp van kunstmatige intelligentie en machine learning. Tot nu toe bepalen we in de chemie eigenschappen altijd experimenteel. Is de stof bio-afbreekbaar? Is het een goede vlamvertrager? We proberen nu een chemisch product met meerdere gewenste eigenschappen te laten ontwerpen door de nieuwste computertechnieken.

"In een circulaire chemie wil je juist geen afval produceren."

Dat klinkt haast als sciencefiction.

Er bestaan al methoden om dit ruw te doen. Wij proberen de betrouwbaarheid van de modeleringen te verbeteren. Zo hebben we in silico meer dan zes miljoen alternatieven gegenereerd voor de veelgebruikte brandvertrager triisobutylfosfaat, TiBP. Moleculen die waarschijnlijk ook brandwerende eigenschappen hebben. Die hebben we vervolgens uitgeselecteerd op biodegradeerbaarheid in anaerobe, zuurstofarme, condities die bijvoorbeeld optreden bij compostering. Uit de top 500 die de computer selecteerde hebben wij een stabiel molecuul gekozen waarvan de synthese vanuit groene grondstoffen mogelijk is: di-n-butyl-fosfaat. Die stof hebben we gesynthetiseerd en blijkt in eerste tests inderdaad brandwerend en breekt sneller af dan TiBP.

Vanwege de opwarming van de aarde is er veel haast om de circulaire economie te realiseren. Maakt het je ook ongeduldig?

De transitie gaat veel trager dan we allemaal zouden willen. Maar de realiteit is dat het hele systeem op de schop moet. En al die nieuwe technologie moet van lab naar commerciële schaal worden opgeschaald. Dat zijn lange trajecten. Dat maakt me enerzijds ongeduldig, maar aan de andere kant zie ik dat het onderzoek dat we doen, aansluit bij urgente vragen in het bedrijfsleven en de maatschappij. Dat geeft vertrouwen dat innovaties snel worden opgepikt.


Fosfaat terugwinnen uit rioolwater

De proeffabriek van startup en VCNI-lid SusPhos in Leeuwarden draait inmiddels 2,5 jaar. Uit de as van verbrand zuiveringsslib wordt het fosfaat teruggewonnen. Dat is namelijk een nuttige meststof in de landbouw. Wordt het SusPhos-procedé een groot succes dan bemesten Nederlanders (via een veilige omweg) weer als vanouds akkers met eigen uitwerpselen. Tot de uitvinding van kunstmest ging het nooit anders.

SusPhos-CEO en medeoprichter Marissa de Boer: “We zijn nu bezig met het ontwerp van een commerciële installatie die de helft van al het slibas van Nederlandse rioolwaterzuiveringen kan verwerken, zo’n 35.000 ton per jaar.” Eind 2024 moet het definitieve besluit vallen of en waar de installatie wordt gebouwd. “We hebben een deel van de financiering rond.”

Voordelen van het SusPhos-procedé zijn volgens haar: het kleine aantal stappen, geen reststromen en een schone meststof. “Ons product heeft een lager gehalte aan metalen dan kunstmest geproduceerd uit fossiele fosfaaterts.” Naast het fosfaat blijft een vaste fractie over die vooral bestaat uit silica (zand), calcium (kalk) en (zware) metalen. “We zijn in gesprek met de constructie-industrie over het gebruik ervan”, aldus De Boer. Voorzichtig kijkt SusPhos ook naar het herwinnen van waardevolle metalen uit de vaste fractie. De Boer: “De Sus in onze naam staat voor SUStainibility. Duurzaamheid zit echt in ons DNA. Maar het moet natuurlijk ook economisch uit kunnen.”

“De Sus in onze naam staat voor SUStainibility."

SusPhos is niet alleen aan het opschalen, het bedrijf is ook druk met vergunningaanvragen. Slibas is een hygiënisch product. In de verbrandingsoven worden alle pathogenen gedood en ook hormonen of resten geneesmiddelen verbranden. Toch dragen producten uit slibas volgens de wet nog het label ‘afval’ en mogen ze niet in de landbouw worden gebruikt. De Boer: “Voor het regelen van een einde-afvalstatus heb je een lange adem nodig.”


Circular Industries: kritieke grondstoffen uit afgedankte printplaten

Printplaten uit afgedankte computers en elektrische apparaten bevatten zeker zestig verschillende elementen. Het Nederlandse bedrijf Circular Industries wil in ieder geval twintig kritieke elementen terug gaan winnen. “Dus niet alleen de vijf of zes meest waardevolle metalen zoals nu vaak gebeurt”, benadrukt Niels Wagemaker, medeoprichter en Chief Commercial Officer van het bedrijf.

Wagemakers bedrijf wil de beste bestaande scheidingstechnologieën bijeenbrengen in een eigen nieuwe fabriek. Dat vergt een investering van 65 miljoen euro. Hij is sinds 2017 bezig om dit idee te realiseren. “We bouwen een full scale installatie die bewezen technologieën combineert om zoveel mogelijk grondstoffen te recyclen. Nu eindigen nog veel nuttige stoffen als afval.”

Wagemaker voelde zich lange tijd een roepende in woestijn met zijn pleidooi voor diversificatie in recycling. “Pas na Covid en de oorlog in Oekraïne daalde het besef echt in dat we in Europa meer grip moeten krijgen op grondstoffen.” De recente Critical Raw Materials Act is voor Wagemaker een bevestiging daarvan. “Al in 2026 komt de beschikbaarheid van koper in het nauw, een belangrijk metaal in de energietransitie. De huidige mijnen zijn aan het eind van hun levensduur, terwijl de vraag stijgt.”

“Pas na Covid en de oorlog in Oekraïne daalde het besef echt in dat we in Europa meer grip moeten krijgen op grondstoffen.”

Circular Industries heeft twee miljoen euro opgehaald om de bewijslast te leveren die banken en investeerders verlangen voor de nieuwe fabriek. Het gaat om onafhankelijke inventarisaties van de risico’s in inkoop, technologie en afzet. Er is voldoende belangstelling van investeerders: “Het grootste obstakel voor een snelle start lijkt nu de beschikbaarheid van stroom. Er zijn wachtlijsten voor nieuwe bedrijven. Maar desnoods produceren we die stroom zelf. We zijn tot op het bot gemotiveerd.