Recyclage van lampfosforen uit spaar- en Tl-lampen met behulp van licht op industriële schaal
Heeft u ooit al eens naar een spaarlamp gekeken en gedacht waarom die een witte coating heeft? Wellicht toen u ze vastnam om ze te vervangen wanneer ze haar laatste foton uitblies, ik alvast wel. Deze coating blijkt belangrijker te zijn voor de lamp dan u had kunnen denken. Niet alleen dat, de coating kan tevens dienen als grondstof voor nieuwe technologieën. Nieuwe technologieën die vervaardigd kunnen worden als een geschikte recyclage hiervan op punt staat wat in dit project onderzocht werd.
‘Die witte coating’ bestaat uit lampfosforen, ofwel stoffen die ultraviolet licht omzetten in zichtbaar licht en bevat elementen die zowel in de productie van deze lampen kan gebruikt worden alsook in militaire toepassingen. Een van deze lampfosforen, die bekomen wordt door scheiding op basis van dichtheid en grootte, genaamd YOX maakt deel uit van dit onderzoek. YOX bestaat uit yttriumoxide met een kleine hoeveelheid europiumoxide in het kristalrooster, oftewel twee stoffen die bestaan uit zeldzame aarden en we weinig mee in contact komen. Hoewel, europium heeft u vroeger zeker nog gezien in CRT-schermen en beeldbuizen. Yttrium is te vinden in meer toepassingen gaande van beeldbuizen tot lasers en metaallegeringen, heel divers dus.
De recyclage van YOX tot zijn individuele bestanddelen (europium en yttrium) heeft zeker voordelen omdat deze dan als grondstoffen kunnen dienen voor de diverse toepassingen die hierboven werden opgesomd. De scheiding van YOX gebeurt nog steeds via een heel inefficiënt proces, een extractieproces waarbij enkele 10-tallen stappen voor nodig zijn om een zuiver product te krijgen. Een één-staps-proces dat in het labo ontwikkeld werd, is een veel beter alternatief omwille van zijn simpliciteit en hoge zuiverheid in die eerste stap. Dit procedé houdt in dat het YOX-poeder wordt opgelost en gemengd wordt met chemicaliën (o.a. sulfaten) om de scheiding mogelijk te maken. De oplossing wordt belicht met Uv-licht waardoor het europium(III) reduceert en nadien zal het gereduceerde europium door de toegevoegde chemicaliën een onoplosbaar zout (europium(II)sulfaat) vormen en neerslaan. Dit neergeslagen zout wordt nadien eenvoudig afgescheiden. Dit proces werd reeds in batch (ter vergelijking met een grote beker) uitgevoerd en geëvalueerd, maar de efficiëntie en productiviteit (hoeveel product per tijdseenheid wordt geproduceerd) liet nog de wensen over om het op industriële schaal toe te passen. Met dit project wordt gericht op een hogere efficiëntie, een hogere productiviteit die het mogelijk maakt om het proces op industriële schaal toe te passen.
Om naar deze verhoogde productiviteit toe te laten wordt van een batch naar een continue reactor overgeschakeld. Een continue reactor is in de regel steeds productiever en efficiënter dan een batch reactor. Deze reactorconfiguratie (zie Figuur 1) bestaat uit een buisvormige reactor gewikkeld rond een lamp. Dit heeft eveneens als effect dat de efficiëntie verhoogt omdat meer licht de reactor bereikt aldus minder licht verloren gaat omwille van de constructie.
Figuur 1 Continue reactor bestaande uit buisvormige reactor (1), reactor inlaat (2), reactor uitlaat (3), koelmantel (4), lagedruk kwiklamp (5), koeling in- (6) en uitlaat (7), lamp ballast (8), peristaltische pomp (9) en spectrometer (10).
De constructie, zoals hierboven beschreven, werd wiskundig beschreven en in MATLAB uitgewerkt om zo de efficiëntie en productiviteit te evalueren. De resultaten hiervan werden getoetst in praktijk met oplossingen van europium ter evaluatie van het principe en YOX-oplossingen ter evaluatie van de te realiseren scheiding. Uit de evaluatie van het principe, aldus de oplossingen zonder yttrium, bleek dat de productiviteit 50 keer hoger was dan de voornoemde batch reactor en de efficiëntie 20 keer. Maar de productiviteit en efficiëntie bleken te dalen wanneer yttrium in de reactor aanwezig was omdat het de chemicaliën voor de scheiding naar zich toe trok en het een terug-reactie stimuleerde. Hierdoor daalt de reactiesnelheid en zal eveneens het product verdwijnen wat zeer nadelig is.
Deze nieuwe reactor configuratie zorgt voor problemen in deze toepassing waardoor de implementatie niet vanzelfsprekend is. Zoals hiervoor aangegeven werd, wordt een vaste stof (europiumsulfaat) gevormd in de reactor die meteen neerslaat, combineer dit met zeer dunne buisjes en de kans op verstopping is reëel. Omwille van die reden worden microreactoren niet gebruikt bij reacties die vaste stoffen vormen. De reactor in dit onderzoek gebruikte buisjes van 1.4mm interne diameter, groter dan microreactoren, maar klein genoeg om opstopping te krijgen. Dit probleem was vooral hardnekkig wanneer de stroomsnelheid te laag werd waardoor te weinig turbulentie aanwezig was en de deeltjes konden samenklonteren. Een oplossing bood zich aan door het creëren van turbulente stroming in de buis zonder de gemiddelde stroomsnelheid te wijzigen. Door een pulserende stroom te creëren, wordt aan deze behoeften voldaan. Er bleek dat geen klonters werden gecreëerd door zeer korte, maar harde pulsen te geven, wat inderdaad te verwachten is. De waarnemingen werden kwalitatief en kwantitatief beschreven. Deze gepulsde fotochemische reactor was de eerste in zijn soort voor het gebruik met neerslagreacties.
Een tweede vernieuwing, naast een gepulseerde fotoreactor voor vaste stofvorming, is het gebruik van kristalkiemen. Kristalkiemen zijn kleine kristallen die toegevoegd worden aan de reactor aan de start van de reactor om kristalgroei te versnellen. Omdat er een zekere inductie-tijd aanwezig is, dit is de tijd waarin de oplossing oververzadigd wordt vooraleer kristallen kunnen groeien, is het mogelijk om de reactor efficiënter te maken door het toevoegen van kristalkiemen. Dit principe werd toegepast door een kleine hoeveelheid van de reactor uitgang (3%) terug te koppelen naar de ingang. Door deze kleine ingreep werd de omzetting van europium verhoogt van 33% tot 47% bij een korte reactietijd van 10 min, dit is een stijging van 42%.
Dit onderzoek leidde tot de ontwikkeling van wiskundige modellen die toegepast kunnen worden bij het ontwerp van een continue fotochemische reactor. Het uiteindelijke doel werd behaald met een verhoging van productiviteit door omschakeling naar een continue reactor en nogmaals door het introduceren van kristalkernen in de reactor. De gepulste reactor die getest en ontwikkeld werd, kan ingezet worden in andere continue kristallisatie-reactoren ter voorkoming van opstopping.
