Koolstofdioxide voor schone, kleurige kleren

Veel jonge koppies in het laboratorium aan de Leeghwaterstraat. ,,Het is de CO2!” roept Vanesa Fernandez Cid (30). Dat veel onderzoekers in het laboratorium Apparatenbouw voor de Procesindustrie(API) er jonger uitzien dan ze werkelijk zijn mag toeval zijn, de proeven die ze daar met koolstofdioxide (CO2) doen, zijn dat natuurlijk niet.

Zo probeert een promovendus aan de ene kant van het gebouw een soort reuzenwasmachine waarmee met CO2 textiel wordt geverfd aan de praat te krijgen. Halverwege de ruimte vangt een Spaanse promovendus met CO2 medicijnen in afbreekbare polymeren, zodat ze makkelijk in het lichaam worden afgeleverd. Een Erasmus-student, ook uit Spanje, vergezelt haar en een Duitse promovendus komt haar methode ‘afkijken’.

Verderop staat de wastrommel van Maaike van Roosmalen (28). Ze promoveerde onlangs bij de sectie API (Ontwerp, Constructie en Productie en Technische Natuurwetenschappen). Met wat lapjes in haar hand met eigeel, botervet, huidvet en andere groezelige vlekken legt ze uit wat ze tijdens haar promotieonderzoek heeft onderzocht: of het chemisch reinigen van textiel, zoals dat in de stomerij gebeurt, ook met CO2 kan.

In de stomerij wordt gewassen zonder water, om beschadiging, vervorming en krimpen van wasgoed te voorkomen. In plaats van water gebruiken stomerijen vaak perchloorethyleen als oplosmiddel; een giftige stofje, schadelijk voor natuur en mens en waarschijnlijk kankerverwekkend. ,,Een ideale vervanger zou CO2 zijn. Dat is niet giftig, niet vlambaar en beschikbaar op grote schaal”, weet Van Roosmalen.

In de CO2-wasmachine, die er uitziet als de wastrommel thuis, wordt de druk omhoog gebracht tot 57 bar, zodat de CO2 vloeibaar wordt. Na het wassen gaat de druk eraf en wordt CO2 weer gasvormig. Het gas ontsnapt met het vuil naar buiten en de was is daarom meteen droog.

Ideaal, maar een geschikt wasmiddel ontbrak. ,,Voordat je een wasmiddel vindt, is de eerste eis dat het goed oplosbaar is. Daarna kijk je of het wel wast. Ik heb die eerste eis links laten liggen en zocht op een andere manier naar een goed wasmiddel”, zegt Van Roosmalen. Uiteindelijk vond ze het op aminozuur gebaseerde amihope LL (‘N-lauroyl-L-lysine’), een biologisch afbreekbare stof. Alleen, amihope LL lost niet volledig op. Maar juist die eigenschap bleek een voordeel te zijn voor de uit deeltjes bestaande vlekken, zo bleek uit de lapjes vol roet en klei waarop ze testte. ,,Het lijkt erop dat onopgeloste wasdeeltjes de mechanische actie vergroten. Misschien botsen ze met klei- en roetdeeltjes. Daardoor raken ze los van het textiel en wordt het schoon”, aldus Van Roosmalen.

Eigenlijk hebben deeltjes in een wastrommel, zoals knikkers,sowieso een positief wasresultaat op de verwijdering van grote deeltjes, dus zonder wasmiddel. Van Roosmalen: ,,We weten niet precies hoe het werkt. In een vervolgonderzoek wordt dat bekeken. Net als andere mogelijkheden voor het gebruik van de wasactieve stoffen. We denken aan het reinigen van harde oppervlakten, zoals chips. Maar het belangrijkste is dat het werkt, ook al is het best een raar gezicht als je door het kijkglas van je wasmachine kijkt. Al die deeltjes die in de was rondzweven…”

Samen met drie studenten en een collega van het bedrijf FeyeCon D&I BV heeft Van Roosmalen een patent op een klasse van wasactieve stoffen waaronder amihope LL.

Of stomerijen daadwerkelijk overgaan op wassen met CO2 is de vraag. Volgens Van Roosmalen hebben stomerijen het economisch zwaar. ,,Het is dus niet de tijd om nieuwe investeringen te doen. Jammer, want alles is voorhanden.”

Een andere kans ziet Van Roosmalen als Europa het giftige middel perchloorethyleen verbiedt. ,,Of als er een investeerder komt die het nieuwe groene-stomerijconcept fantastisch kan marketen.”

In Amerika wordt sinds enkele jaren op kleine schaal gewassen met CO2. Maar hoe krijgen ze daar dan kleding schoon zonder amihope LL? Van Roosmalen: ,,Ik vermoed dat hun kleding minder vies is, omdat ze die vaker wegbrengen. Nederlanders brengen hun pak pas naar de stomerij als er een vlek op zit.”
Afval

In een bijgebouw van het API is de Duitse Christof Kersch (31) aan het werk. Groene helm op, witte labjas aan, reageerbuisje in de hand. Achterin zijn werkplaats staan vijf grote tonnen met vliegas, afkomstig van afvalverbrander Rijnmond. Vliegas is afkomstig uit de rook van vuilverbranding en wordt opgevangen nadat de rook langs een elektrostatisch filter is geleid. Afvalverbrander Rijnmond betaalt veel geld om de vliegas te storten, omdat deze is vervuild met zware metalen. Het bedrijf vroeg zich af of de vliegas niet opgeschoond kon worden. ,,Het gevaar bestaat dat de zware metalen na een regenbui alsnog in het grondwater terechtkomen”, zegt Kersch, die vorige maand promoveerde op een methode om met CO2 zware metalen uit de rook van afvalverbrandingsovens te halen.

,,Eigenlijk lijkt mijn methode om metalen uit vliegas te halen op die van Maaike”, vertelt Kersch. ,,Zij gebruikt amihope LL om de vuildeeltjes met CO2 te verwijderen. Ik gebruik een ‘ligand’, een stof die bindt met zware metalen. Eenmaal gebonden is het complex oplosbaar in CO2 en kan het worden verwijderd.”

Kersch heeft een hogedrukvat met een inhoud van twaalf liter ontworpen, waardoor de CO2 wordt geleid onder een druk van driehonderd bar en een temperatuur tussen de veertig en vijftig graden Celsius. Het vat draait in de lengte om zijn as. Kersch: ,,Dat mengen is heel belangrijk. Net als bij het wassen van kleding is de mechanische actie ook belangrijk in mijn proces. Daardoor komt CO2 goed in contact met het ligand en gaan ze een verbing aan met de metalen in de vliegas.”

Kersch heeft twaalf metalen onderscheiden. Zink en lood kan hij goed verwijderen, maar er is één nadeel. ,,Doordat ik het ene metaal verwijder, worden andere metalen beter toegankelijk voorwater en komen ze soms vrij. Zo komt antimoon vrij als ik zink weghaal, terwijl dat antimoon blijft zitten als ik dat niet doe.”

In een vervolgonderzoek wordt onderzocht hoe andere metalen kunnen worden verwijderd. Bijvoorbeeld door te experimenteren met CO2 onder andere druk en temperaturen, met andere liganden of door het voorbehandelen van roet met water zodat de chloride eruit gehaald wordt. ,,Uiteindelijk wil afvalverbranding Rijnmond alle zware metalen uit de vliegas hebben, zodat het geen dure stortingskosten meer hoeft te betalen”, aldus Kersch. met CO2
Indigoblauw

Terug in het hoofdgebouw van API werkt Martijn van der Kraan (32) aan een machine om textiel milieuvriendelijk te verven. Nu gebeurt dat met water; per kilo geverfd textiel wordt gemiddeld honderd liter water vervuild, voor donkerblauw wat meer dan voor lichtblauw. Van der Kraan ontwerpt een prototype waarmee textiel niet wordt geverfd met water, maar met CO2.

De CO2 waarmee Van der Kraan werkt is % net als bij het onderzoek van Kersch – niet in gasfase en niet vloeibaar, maar daar exact tussenin, de ‘superkritische’ CO2. In deze toestand heeft CO2 de eigenschappen van zowel gas als vloeistof. ,,Dat is het lastige van mijn onderzoek”, zegt Van der Kraan. ,,Handboeken vol zijn er geschreven over gassen en vloeistoffen, maar voor de superkritische fase niet.” Toch verft Van der Kraan met superkritische CO2, omdat verf daarin het beste oplost. Hij moest daardoor bij het begin beginnen: verfstoffen testen op hun oplosbaarheid in CO2.

Het meeste textiel wordt, volgens Van der Kraan, geverfd in lagelonenlanden. Het is de vraag of westerse investeerders bereid zijn om dure milieuvriendelijke apparaten aan de andere kant van de wereld te plaatsen. Van der Kraan denkt van wel: ,,In China is een tekort aan schoon water. Dat land zal interesse hebben in de installatie.”

Textiel is goedkoop goed. Daarom wil niemand veel geld besteden aan een duur verfapparaat of het verfproces met CO2. Vanwege de hoge druk die nodig is tijdens het verven, zo’n driehonderd bar, heeft de verfmachine dikke stalen pijpen, kleppen, drukvaten en dure pompen nodig. ,,In Duitsland staat een veel te duur apparaat, dat raken ze aan de straatstenen niet kwijt”, weet Van der Kraan. Zijn missie is dan ook een zo goedkoop mogelijk apparaat maken, inclusief een goedkoop verfproces. Daarvoor maakte hij onder andere een systeem waarbij de verfmachine versneld opwarmt en afkoelt – iets wat normaal erg lang duurt. ,,Nu kan elke rol textiel een halfuur sneller van de band afkomen”, beweert de onderzoeker. Intussen heeft hij ‘een paar patenten’ op zijn ontwerp.

Van der Kraan mag dan een apparaat maken, er moet ook daadwerkelijk mee geverfd worden. Fernandez Cid onderzoekt welke kleurstoffen het beste aan textiel hechten als er met CO2 wordt geverfd. Haar labdagboek is kleurig: pagina’s met lapjes polyester, wol, zijde, katoen, viscose onder elkaar geplakt in allerlei lilatinten. De lila kleurstof is voor elk lapje hetzelfde. Omdat de kleurstof niet bij elke stof goed pakt, houdt ze allerlei kleuren roze, fuchsia en paars over.

Polyester is een apolaire stof, waardoor de kleurstof erg goed hecht. Ook zijde en wol pakken de verf goed. Maar katoen niet.,,Katoen is een hydrofiele vezel en de apolaire kleurstof, die in de CO2 is opgelost, reageert moeilijk met katoen”, vertelt Cid. ,,Katoen is toch de meest gebruikte textielsoort, vandaar dat ik ga proberen om een geschikte kleurstof te vinden.”

Hoeveel lapjes de Spaanse al heeft geverfd, weet ze niet. Maar ze schat elke dag wel eentje, de afgelopen drie jaar. Wat er zo leuk aan is? ,,Het is een nieuwe techniek en milieuvriendelijk. Maar het leukste is dat het onderzoek dicht bij de mensen staat. Als ik hen uitleg wat ik doe, begrijpen ze het.”

www.api.tudelft.nl . .

www.feyecon.com . .

Veel jonge koppies in het laboratorium aan de Leeghwaterstraat. ,,Het is de CO2!” roept Vanesa Fernandez Cid (30). Dat veel onderzoekers in het laboratorium Apparatenbouw voor de Procesindustrie(API) er jonger uitzien dan ze werkelijk zijn mag toeval zijn, de proeven die ze daar met koolstofdioxide (CO2) doen, zijn dat natuurlijk niet.

Zo probeert een promovendus aan de ene kant van het gebouw een soort reuzenwasmachine waarmee met CO2 textiel wordt geverfd aan de praat te krijgen. Halverwege de ruimte vangt een Spaanse promovendus met CO2 medicijnen in afbreekbare polymeren, zodat ze makkelijk in het lichaam worden afgeleverd. Een Erasmus-student, ook uit Spanje, vergezelt haar en een Duitse promovendus komt haar methode ‘afkijken’.

Verderop staat de wastrommel van Maaike van Roosmalen (28). Ze promoveerde onlangs bij de sectie API (Ontwerp, Constructie en Productie en Technische Natuurwetenschappen). Met wat lapjes in haar hand met eigeel, botervet, huidvet en andere groezelige vlekken legt ze uit wat ze tijdens haar promotieonderzoek heeft onderzocht: of het chemisch reinigen van textiel, zoals dat in de stomerij gebeurt, ook met CO2 kan.

In de stomerij wordt gewassen zonder water, om beschadiging, vervorming en krimpen van wasgoed te voorkomen. In plaats van water gebruiken stomerijen vaak perchloorethyleen als oplosmiddel; een giftige stofje, schadelijk voor natuur en mens en waarschijnlijk kankerverwekkend. ,,Een ideale vervanger zou CO2 zijn. Dat is niet giftig, niet vlambaar en beschikbaar op grote schaal”, weet Van Roosmalen.

In de CO2-wasmachine, die er uitziet als de wastrommel thuis, wordt de druk omhoog gebracht tot 57 bar, zodat de CO2 vloeibaar wordt. Na het wassen gaat de druk eraf en wordt CO2 weer gasvormig. Het gas ontsnapt met het vuil naar buiten en de was is daarom meteen droog.

Ideaal, maar een geschikt wasmiddel ontbrak. ,,Voordat je een wasmiddel vindt, is de eerste eis dat het goed oplosbaar is. Daarna kijk je of het wel wast. Ik heb die eerste eis links laten liggen en zocht op een andere manier naar een goed wasmiddel”, zegt Van Roosmalen. Uiteindelijk vond ze het op aminozuur gebaseerde amihope LL (‘N-lauroyl-L-lysine’), een biologisch afbreekbare stof. Alleen, amihope LL lost niet volledig op. Maar juist die eigenschap bleek een voordeel te zijn voor de uit deeltjes bestaande vlekken, zo bleek uit de lapjes vol roet en klei waarop ze testte. ,,Het lijkt erop dat onopgeloste wasdeeltjes de mechanische actie vergroten. Misschien botsen ze met klei- en roetdeeltjes. Daardoor raken ze los van het textiel en wordt het schoon”, aldus Van Roosmalen.

Eigenlijk hebben deeltjes in een wastrommel, zoals knikkers,sowieso een positief wasresultaat op de verwijdering van grote deeltjes, dus zonder wasmiddel. Van Roosmalen: ,,We weten niet precies hoe het werkt. In een vervolgonderzoek wordt dat bekeken. Net als andere mogelijkheden voor het gebruik van de wasactieve stoffen. We denken aan het reinigen van harde oppervlakten, zoals chips. Maar het belangrijkste is dat het werkt, ook al is het best een raar gezicht als je door het kijkglas van je wasmachine kijkt. Al die deeltjes die in de was rondzweven…”

Samen met drie studenten en een collega van het bedrijf FeyeCon D&I BV heeft Van Roosmalen een patent op een klasse van wasactieve stoffen waaronder amihope LL.

Of stomerijen daadwerkelijk overgaan op wassen met CO2 is de vraag. Volgens Van Roosmalen hebben stomerijen het economisch zwaar. ,,Het is dus niet de tijd om nieuwe investeringen te doen. Jammer, want alles is voorhanden.”

Een andere kans ziet Van Roosmalen als Europa het giftige middel perchloorethyleen verbiedt. ,,Of als er een investeerder komt die het nieuwe groene-stomerijconcept fantastisch kan marketen.”

In Amerika wordt sinds enkele jaren op kleine schaal gewassen met CO2. Maar hoe krijgen ze daar dan kleding schoon zonder amihope LL? Van Roosmalen: ,,Ik vermoed dat hun kleding minder vies is, omdat ze die vaker wegbrengen. Nederlanders brengen hun pak pas naar de stomerij als er een vlek op zit.”
Afval

In een bijgebouw van het API is de Duitse Christof Kersch (31) aan het werk. Groene helm op, witte labjas aan, reageerbuisje in de hand. Achterin zijn werkplaats staan vijf grote tonnen met vliegas, afkomstig van afvalverbrander Rijnmond. Vliegas is afkomstig uit de rook van vuilverbranding en wordt opgevangen nadat de rook langs een elektrostatisch filter is geleid. Afvalverbrander Rijnmond betaalt veel geld om de vliegas te storten, omdat deze is vervuild met zware metalen. Het bedrijf vroeg zich af of de vliegas niet opgeschoond kon worden. ,,Het gevaar bestaat dat de zware metalen na een regenbui alsnog in het grondwater terechtkomen”, zegt Kersch, die vorige maand promoveerde op een methode om met CO2 zware metalen uit de rook van afvalverbrandingsovens te halen.

,,Eigenlijk lijkt mijn methode om metalen uit vliegas te halen op die van Maaike”, vertelt Kersch. ,,Zij gebruikt amihope LL om de vuildeeltjes met CO2 te verwijderen. Ik gebruik een ‘ligand’, een stof die bindt met zware metalen. Eenmaal gebonden is het complex oplosbaar in CO2 en kan het worden verwijderd.”

Kersch heeft een hogedrukvat met een inhoud van twaalf liter ontworpen, waardoor de CO2 wordt geleid onder een druk van driehonderd bar en een temperatuur tussen de veertig en vijftig graden Celsius. Het vat draait in de lengte om zijn as. Kersch: ,,Dat mengen is heel belangrijk. Net als bij het wassen van kleding is de mechanische actie ook belangrijk in mijn proces. Daardoor komt CO2 goed in contact met het ligand en gaan ze een verbing aan met de metalen in de vliegas.”

Kersch heeft twaalf metalen onderscheiden. Zink en lood kan hij goed verwijderen, maar er is één nadeel. ,,Doordat ik het ene metaal verwijder, worden andere metalen beter toegankelijk voorwater en komen ze soms vrij. Zo komt antimoon vrij als ik zink weghaal, terwijl dat antimoon blijft zitten als ik dat niet doe.”

In een vervolgonderzoek wordt onderzocht hoe andere metalen kunnen worden verwijderd. Bijvoorbeeld door te experimenteren met CO2 onder andere druk en temperaturen, met andere liganden of door het voorbehandelen van roet met water zodat de chloride eruit gehaald wordt. ,,Uiteindelijk wil afvalverbranding Rijnmond alle zware metalen uit de vliegas hebben, zodat het geen dure stortingskosten meer hoeft te betalen”, aldus Kersch. met CO2
Indigoblauw

Terug in het hoofdgebouw van API werkt Martijn van der Kraan (32) aan een machine om textiel milieuvriendelijk te verven. Nu gebeurt dat met water; per kilo geverfd textiel wordt gemiddeld honderd liter water vervuild, voor donkerblauw wat meer dan voor lichtblauw. Van der Kraan ontwerpt een prototype waarmee textiel niet wordt geverfd met water, maar met CO2.

De CO2 waarmee Van der Kraan werkt is % net als bij het onderzoek van Kersch – niet in gasfase en niet vloeibaar, maar daar exact tussenin, de ‘superkritische’ CO2. In deze toestand heeft CO2 de eigenschappen van zowel gas als vloeistof. ,,Dat is het lastige van mijn onderzoek”, zegt Van der Kraan. ,,Handboeken vol zijn er geschreven over gassen en vloeistoffen, maar voor de superkritische fase niet.” Toch verft Van der Kraan met superkritische CO2, omdat verf daarin het beste oplost. Hij moest daardoor bij het begin beginnen: verfstoffen testen op hun oplosbaarheid in CO2.

Het meeste textiel wordt, volgens Van der Kraan, geverfd in lagelonenlanden. Het is de vraag of westerse investeerders bereid zijn om dure milieuvriendelijke apparaten aan de andere kant van de wereld te plaatsen. Van der Kraan denkt van wel: ,,In China is een tekort aan schoon water. Dat land zal interesse hebben in de installatie.”

Textiel is goedkoop goed. Daarom wil niemand veel geld besteden aan een duur verfapparaat of het verfproces met CO2. Vanwege de hoge druk die nodig is tijdens het verven, zo’n driehonderd bar, heeft de verfmachine dikke stalen pijpen, kleppen, drukvaten en dure pompen nodig. ,,In Duitsland staat een veel te duur apparaat, dat raken ze aan de straatstenen niet kwijt”, weet Van der Kraan. Zijn missie is dan ook een zo goedkoop mogelijk apparaat maken, inclusief een goedkoop verfproces. Daarvoor maakte hij onder andere een systeem waarbij de verfmachine versneld opwarmt en afkoelt – iets wat normaal erg lang duurt. ,,Nu kan elke rol textiel een halfuur sneller van de band afkomen”, beweert de onderzoeker. Intussen heeft hij ‘een paar patenten’ op zijn ontwerp.

Van der Kraan mag dan een apparaat maken, er moet ook daadwerkelijk mee geverfd worden. Fernandez Cid onderzoekt welke kleurstoffen het beste aan textiel hechten als er met CO2 wordt geverfd. Haar labdagboek is kleurig: pagina’s met lapjes polyester, wol, zijde, katoen, viscose onder elkaar geplakt in allerlei lilatinten. De lila kleurstof is voor elk lapje hetzelfde. Omdat de kleurstof niet bij elke stof goed pakt, houdt ze allerlei kleuren roze, fuchsia en paars over.

Polyester is een apolaire stof, waardoor de kleurstof erg goed hecht. Ook zijde en wol pakken de verf goed. Maar katoen niet.,,Katoen is een hydrofiele vezel en de apolaire kleurstof, die in de CO2 is opgelost, reageert moeilijk met katoen”, vertelt Cid. ,,Katoen is toch de meest gebruikte textielsoort, vandaar dat ik ga proberen om een geschikte kleurstof te vinden.”

Hoeveel lapjes de Spaanse al heeft geverfd, weet ze niet. Maar ze schat elke dag wel eentje, de afgelopen drie jaar. Wat er zo leuk aan is? ,,Het is een nieuwe techniek en milieuvriendelijk. Maar het leukste is dat het onderzoek dicht bij de mensen staat. Als ik hen uitleg wat ik doe, begrijpen ze het.”

www.api.tudelft.nl . .

www.feyecon.com . .