Rapporteringsdatum 26-09-2023

Het PSYCHE project richt zich op de productie van belangrijke basischemicaliën (olefienen) uitgaande van kunststofafval voor hergebruik binnen de chemische industrie. Een techno-economische analyse en duurzaamheidsanalyse werden ook uitgevoerd. In een eerste deel van het project (WP3) werd een innovatieve technologie voor de vergassing van verschillende stromen kunststofafval aangetoond. Aan UGent (LCPE) werd de voorbehandeling van kunststofafval bestudeerd aan de hand van verschillende fysische en chemische methodes om de recyclagemogelijkheden voor kunststoffen te vergroten. Deze methoden werden toegepast voor het verwijderen van verschillende types heterogene bestanddelen zoals additieven, kleurstoffen, lijmen en andere. Aan UGent (LCT) werd het modelleren en simuleren van de vergassing van kunststofafval opgestart door het creëren van een 1D model om het beschikbare kinetische model te valideren in het OpenFOAM simulatieplatform. Dit werd gevalideerd aan de hand van TGA experimenten van verschillende vaste brandstoffen zoals biomassa en kunststoffen. Een 3D niet-reactief simulatiemodel werd uitgewerkt en werd getuned gebruik makende van nieuwe experimentele datasets (bvb snelheidsprofielen die verkregen werden aan de hand van PIV metingen). Een 2D reactief raamwerk werd opgesteld en geïnitialiseerd voor de vergassing van biomassa. Ook "proof of concept"-experimenten voor de pyrolyse van PS werden in deze opstelling uitgevoerd. Aan UCL werd de pyrolyse van gedispergeerde kunststofdruppels behandeld. Zowel conventionele opstellingen (geïnspireerd op sproeidroogtechnologieën) als een vortexkamer type reactor werden overwogen. Integratie van gas-deeltjesscheiding werd eveneens bestudeerd. Een multischaal reactormodel werd ontworpen om het potentieel van deze technologie te evalueren en de performantie van verschillende opstellingen te vergelijken – vortexkamer versus klassieke sproeidroger en volledig vermengde bubbel type reactoren. Aspecten van het model worden bestudeerd door gebruik te maken van Computational Fluid Dynamics (CFD) en experimentele studies in een pilootschaal vortexkamer waarbij gebruik gemaakt wordt van water evaporatie data. Het tweede deel van het project (WP4) richt zich op de katalytische omzetting van het verkregen syngas naar basischemicaliën via het Fischer-Tropsch proces. Het werk aan CERTECH rond de opzuivering van syngas vormt de link tussen de vergassing (UGent/UCL) en het Fischer-Tropsch werk (UCCS/UGent). De doelstellingen voor de onzuiverheden werden bepaald in samenwerking met UGent en UCCS. Op basis van deze informatie begon CERTECH met het uitwerken van een zo eenvoudig mogelijk proces voor de opzuivering van syngas. Het eerste resultaat is dat er twee aanpakken mogelijk zijn: adsorptie en absorptie. Daarnaast werd ook het experimentele werk rond de screening van adsorbenten en het gebruik van absorbenten in een waterige oplossing uitgevoerd op laboschaal. Ook werden enkele verwijderingstesten voor COS en H2S uitgevoerd aan de hand van geactiveerde kool die aangeleverd werd door Chemviron Carbon. Aan UCCS werden verschillende ijzergebaseerde katalysatoren ontwikkeld op basis van silica of zirconium, welke de studie van verschillende promotoren (mobiele metalen en alkali metalen) en verschillende reactiecondities toelaten. Het hoofddoel in dit project was de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren en processen voor de directe omzetting van syngas naar lichte olefienen onder milde reactiecondities (P=1-5 bar). Het process en de katalysatoren werden geoptimaliseerd aan de hand van syngas dat geproduceerd wordt uit de vergassing van kunststofafval door gebruik te maken van een multischaal aanpak dat start bij het katalysatorontwerp, optimalisatie, katalytische testen, SSITKA transient experimenten, en het modelleren van de actieve sites van microkinetiek. Met de geoptimaliseerde ijzergebaseerde Fischer-Tropschkatalysatoren op basis van vloeibare metalen werd een selectiviteit rond de 60% verkregen voor lichte olefienen. Syngas dat geproduceerd wordt via de vergassing van kunststoffen bevat ongeveer 15% aan CO2. Nieuwe ijzerkatalysatoren gepromoot met kalium en transitiemetalen werden ontwikkeld voor de synthese van lichte olefienen uit CO2 met een selectiviteit van 30%. In-situ en operando karakterisering toonden een merkbare mobiliteit van de promotoren in beide katalysatoren voor de synthese van lichte olefienen uit syngas en CO2. Het meest positieve effect op de selectiviteit werd gevonden wanneer de katalysatoren werden gepromoot met kalium en molybdeen. Kinetische modelleertechnieken en machine learning benaderingen aan UGent (LCT) bieden unieke inzichten om de ontwikkeling van nieuwe hoogperformante katalysatoren te ondersteunen. De in het LCT aanwezige Single Event MicroKinetics (SEMK) code voor de kobalt gebaseerde Fischer-Tropsch synthese werd uitgebreid voor het beoordelen van prestatiekenmerken van ijzergebaseerde katalysatoren die ontwikkeld werden aan UCCS. Het single event model werd gebruikt voor de analyse van de impact van atomische chemisorptie enthalpieën op de kinetiek. In het bijzonder werden neurale netwerken gebruikt als machine-learning methodologie om de Single-Event MicroKinetic simulaties van de effecten van de werkingscondities op de katalytische performantie aan te vullen. Hierbij werd de interpreteerbaarheid van het ML model geanalyseerd. De invloed van de bedrijfsomstandigheden op de selectiviteit van de lichte olefines werd geanalyseerd aan de hand van SEMK. De mate waarin methoden voor machinaal leren geschikt zijn om de belangrijkste trends in chemische kinetische data te vatten werd geëvalueerd. Verder werd in de laatste fase van het project de mogelijkheid onderzocht om katalysatoren te ontwerpen door kinetische informatie te combineren met clustering. Tijdens het project werden er vijf proof-of-concepts gerealiseerd: - Ontinkingsproces voor de voorbehandeling van kunststoffen (hiervoor werden eveneens 3 patenten ingediend). - Pyrolyse van polystyreen in de vortexreactor tot een vloeibaar product dat hoofdzakelijk uit styreen bestaat. - Ontwikkeling van een regenereerbaar droog proces bij hoge temperatuur voor de verwijdering van zwavelcomponenten om zo de vereiste syngassamenstelling te verkrijgen voor het Fischer-Tropsch proces. - Nieuw type metallische promotoren die de performantie van ijzerkatalysatoren verbeteren voor de omzetting van syngas naar lichte C2-C4 olefinen in de Fischer-Tropsch synthese. De ontwikkelde strategie kan uitgebreid worden naar andere katalysatoren en katalytische reacties voor selectieve hydrogenatie. - Ontwikkeling van een virtuele katalysator screeningsmethode in de SEMK modellering voor de identificatie van dominante descriptoren. Voor het project werd ook een industriële adviesraad opgesteld bestaande uit 22 bedrijven (13 Vlaamse, 4 Waalse, 4 Franse en 1 Nederlands) die de volledige waardeketen van het PSYCHE project beslaat: - Afval management: Indaver (Vl), Vanheede (Wl), Suez (Vl), Galloo (Vl), Comet Traitement (Wl), Fost Plus (Vl), Tivaco (Wl) en NUD Global (Vl) - Vergassing: AVGI (Vl), Engie (Vl) en Energo Green (Fr) - Productie van kunststoffen: Unilin (Vl), Recticel (Vl), Dow (Nl), TotalEnergies Feluy (Wl), Coperion NV (Vl) en Teamcat Solutions (Fr) - Eindgebruikers: Ostend Basic Chemicals (Vl), Ematco (Vl), Arcelor Mittal (Vl), Bonduelle (Fr) en Telene SAS (Fr) Op 25 september 2019 vond een kick-off meeting plaats met de industriële adviesraad waarbij een eerste introductie tot het project werd gegeven. Sindsdien vond er om de 6 maanden een consortium meeting plaats in aanwezigheid van de adviesraad. In totaal vonden er 7 meetings plaats met de adviesraad (inclusief kick-off meeting). Op deze consortium meetings werd er aan de leden van de adviesraad en de geassocieerde partners inhoudelijke informatie gegeven met betrekking tot het project en is er mogelijkheid tot discussie met de project partners. Op 8 december 2022 vond het slotevent plaats voor het PSYCHE event in aanwezigheid van de leden van de adviesraad alsook externe geïnteresseerden. Op de slotevent werd o.a. een overzicht gegeven van alle verwezenlijkingen die binnen het PSYCHE project gerealiseerd werden. Binnen het project (WP5) werden er jaarlijks een workshop georganiseerd rond de verschillende hoofdthema's waarop een breed industrieel publiek (inclusief de leden van de adviesraad) wordt uitgenodigd. De bedoeling hierbij is om enerzijds het project bij de industrie bekend te maken en anderzijds om waardevolle aanvulling te hebben van de industrie aan de hand van hun praktijkkennis op het wetenschappelijk kader van de workshops. Een eerste workshop rond het thema "Voorbehandeling van kunststofafval' vond plaats op 8 mei 2019 te Gosselies tijdens het "Greenwin International Conferences Green Chemistry – White Biotechnology". In totaal namen er 39 deelnemers deel aan de workshop afkomstig uit de 3 verschillende programmagebieden of zelfs daarbuiten. Een tweede workshop rond het thema "Vergassing en vortexreactortechnologie” vond plaats op 14 mei 2020 via Microsoft Teams. In totaal namen er 95 deelnemers deel aan deze workshop. Een derde workshop rond het thema "Opzuivering van syngas' vond plaats op 10 mei 2021, eveneens via Microsoft Teams. In totaal namen er 86 deelnemers deel aan deze workshop. Een vierde workshop rond het thema “Fischer-Tropsch synthese” vond plaats op 2 juni 2022 als hybride evenement (zowel live bij UCCS als online). In totaal namen er 203 verschillende deelnemers deel aan deze workshop. Binnen het project (WP5) werden er jaarlijks ook een serie van twee gastlezingen georganiseerd voor alle geïnteresseerde onderzoekers van de verschillende projectpartners. Een eerste serie gastlezingen werd georganiseerd op 14 mei 2019 bij UGent: één rond Fischer-Tropsch (Andrei Khodakov, UCCS) en één rond vergassing (Juray De Wilde, UCL). Een tweede serie gastlezingen werd georganiseerd op 28 mei 2020 via Microsoft Teams rond opzuivering van syngas (Lilia Ben Mustapha, CERTECH) en rond vortex reactor technologie (Kevin Van Geem, UGent). Een derde serie gastlezingen werd georganiseerd op 27 mei 2021 via Microsoft Teams rond het Fischer-Tropsch proces (Mirella Virginie, UCCS) en rond vergassing (Juray De Wilde, UCL). Een vierde serie gastlezingen werd georganiseerd op 9 mei 2022 via Microsoft Teams rond de opzuivering van syngas (Benoit Kartheuser, CERTECH) en rond de Fischer-Tropsch modellering (Joris Thybaut, UGent). Deze laatste drie series gastlezingen werden als webseminarie op de PSYCHE website geplaatst en zijn eveneens beschikbaar als Youtube video's. Website: www.psycheplastics.eu