Onderzoek Philippe Nimmegeers

Abstract

Polyurethanen (PU) worden veel gebruikt in matrassen, bekleding, meubels, auto's, bouw en isolatie. Het zijn vaak thermohardende schuimen, gemaakt door isocyanaten (MDI, TDI of HDI) te laten reageren met polyolen. Hun thermohardende aard beperkt mechanische recycling, waardoor chemische recycling cruciaal is voor circulariteit. De resulterende aromatische moleculen, ureas, amines en polyolen van depolymerisatie hebben verschillende fysisch-chemische eigenschappen met invloed op hun scheiding. Dit doctoraat beoogt het gebruik van thermodynamische modellering om het gemak van het scheiden van gedepolymeriseerde PU-mengsels te voorspellen. De methoden omvatten modellen op basis van activiteitscoëfficiënten (NRTL, UNIFAC, HANSEN) vergezeld van computationele scheikundige methoden voor optimalisatie en het opvullen van hiaten in beschikbare data. De resultaten zullen worden gebruikt voor engineering software voor procesontwerp, optimalisatie van recycling voor recyclers en informatie voor circulair ontwerp voor PU-formulatoren en recyclers. De nadruk ligt vooral op het voorspellen van interacties tussen verschillende polyolen die in PU worden gebruikt, rekening houdend met monomeersamenstelling, vertakkingsgraad, moleculaire gewichtsverdeling en functionaliteit, om efficiënte scheidingen mogelijk te maken. Later worden ook andere bestanddelen in meer detail behandeld. Het doel is om recyclers en formulatoren inzichten te geven voor procesoptimalisatie en verbeterde circulariteit.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Billen Pieter
• Co-promotor: Cunha Ana
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe
• Mandaathouder: de Graaf Christophe

Onderzoeksgroep(en)

• Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het ontginnen van grondstoffen eist een aanzienlijke tol van het milieu, het klimaat, de biodiversiteit en de algehele leefbaarheid van onze planeet. Door een goede verwerking van afgedankte producten en materiaalstromen voor re-integratie in de waardeketen - en deze te ontwikkelen tot circulaire waardeketen - kan deze impact drastisch worden verminderd. Circulariteitsoverwegingen zijn echter duur en vereisen de samenwerking van verschillende belanghebbenden, waaronder fabrikanten, klanten, recyclingbedrijven en de overheid. Het CIRCUS-project heeft als doel generieke optimalisatiemodellen voor circulaire toeleveringsketens te ontwikkelen om de creatie van kosteneffectieve en milieuvriendelijke circulaire waardeketens te vergemakkelijken. De beoogde modellen zijn eenvoudig (ze vermijden alle onnodige complexiteit), generiek (ze zijn toepasbaar binnen een breed scala aan industrieën en circulariteitstrategieën) en afgestemd op een multistakeholder realiteit. Als zodanig zullen we de betrokken besluitvormers, ieder met hun eigen doelstellingen, voorzien van concrete aanbevelingen om de totstandkoming van succesvolle circulaire waardeketens te bevorderen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Defryn Christof
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe
• Mandaathouder: Langenaeker Alix

Onderzoeksgroep(en)

• Engineering Management

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Er zijn nieuwe elektrolysetechnologieën nodig die de kostenefficiëntie verbeteren door de kosten voor elektriciteit en construcitieonderdelen te verlagen om zo op grote schaal waterstof uit hernieuwbare energiebronnen te kunnen produceren. Tijdens dit project zal een baanbrekend fotoelektrolyseapparaat ontwikkeld worden dat (a) de elektriciteitsvraag voor de productie van schone waterstof zal verminderen; (b) het gebruik van kritische grondstoffen in elektroden/elektrokatalysatoren zal elimineren; en (c) waterstofproductie kan koppelen aan valorisatie van een van biomassa-afgeleide stroom, waardoor de techno-economische prestaties en circulariteit worden verbeterd. Het project heeft tot doel plasmon-versterkte, hybride foto-elektrolyse te bestuderen onder alkalische omstandigheden voor de productie van groene waterstof. De celspanningen zullen in de eerste plaats worden verlaagd door vervanging van de zuurstofevolutiereactie aan de anode door een organische oxidatiereactie (OOR) die thermodynamische voordelen, voordelen in verband met component- en operationele kosten en chemicaliën met toegevoegde waarde uit bioafval zal bieden via selectieve anodische processen. Ten tweede zal foto-elektrolyse, versterkt door plasmon-ENZ (Epsilon Near-Zero)-systemen, worden toegepast om de overpotentiaal van de cellen te verlagen en de energie-efficiëntie te verbeteren. Ten derde zal het computergestuurde ontwerp van CRM-vrije materialen de waterstofproductie mogelijk maken zonder afhankelijk te zijn van edele en/of schaarse metalen. Het project zal baanbrekende verbeteringen demonstreren ten opzichte van state-of-the-art met behulp van drie belangrijke prestatie-indicatoren die zijn gedefinieerd om nauwkeurig de wisselwerkingen weer te geven in energie-efficiëntie en kosten die voortvloeien uit de OOR en uit materiaalkeuzes die afwijken van state-of-the-art, terwijl de voordelen van een overgang naar CRM-vrije strategieën en de daaruit voortvloeiende verbeteringen in de kriticiteit worden afgewogen. De techno-economische en levenscyclusanalyse zal de materiaalkeuzes sturen om een prototype CRM-vrije foto-elektrolyser op laboratoriumschaal te ontwikkelen, en zal een pad uitstippelen naar kostenconcurrerende toepassingsscenario's voor exploitatie die verder gaat dan proof-of-concept. Binnen dit project zal de UAntwerpen partner zich in het bijzonder richten op de synthese van edelmetaalvrije plasmonische nanostructuren op basis van ZrN, en nieuwe soorten fotoelektrochemisch celontwerp onderzoeken. In nauwe samenwerking met de onderzoeksgroep EnvEcon zal een gedetailleerde technisch-economische analyse worden uitgevoerd, waaruit de beste kansen voor valorisatie zullen blijken. Uniek in het opzet van de valorisatieroutekaart is dat niet alleen kostenbesparingen in de constructie van de electrolyser of verkoopvolumes van geproduceerde waterstof worden verantwoord, maar ook winst die wordt gemaakt door opconversie van bioafvalstromen die worden gebruikt als de feed, en milieu- en aanverwante kostenimpact door het vermijden van het gebruik van kritische grondstoffen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Verbruggen Sammy
• Co-promotor: Bals Sara
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe
• Co-promotor: Van Passel Steven

Onderzoeksgroep(en)

• Antwerp engineering, PhotoElectroChemistry & Sensing (A-PECS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Circulaire economie-strategieën krijgen steeds meer aandacht binnen bedrijven om hun milieu-impact te verminderen en overheidsdoelstellingen te halen. In deze context onderzoeken en implementeren bedrijven in verschillende sectoren verschillende strategieën voor het hergebruiken, repareren, opknappen, hergebruiken, recyclen en terugwinnen van afgedankte producten, componenten, onderdelen of materialen. Om te beslissen welke strategie gekozen moet worden, zijn er case-specifieke levenscyclus- en technisch-economische beoordelingen nodig, die doorgaans veel gegevens, expertise en tijd vergen. Bovendien is er geen eenduidige kwantitatieve definitie van circulariteit die direct gebruikt kan worden om de circulariteit van productontwerpen of waardeketens te beoordelen, monitoren en optimaliseren. Daarom is er behoefte aan generieke tools/methoden die gebruikt kunnen worden om circulariteit te beoordelen op basis van generieke informatie die algemeen beschikbaar is. Om dit gebrek aan te pakken, presenteren we drie centrale hypothesen, waarin we stellen dat energieverbruik een adequate projectie van circulariteit biedt en dat entropie een valide parameter is om van processpecifieke beoordelingsmethoden over te stappen naar meer generieke, op toestand gebaseerde beoordelingsmethoden: Hypothese 1: De relatie tussen de opgeslagen energie van materialen en producten en hun koolstofvoetafdruk is lineair. Dit is al aangetoond in verschillende studies. Hypothese 2: De relatie tussen de opgeslagen energie van materialen en hun economische waarde (als grondstoffen) is lineair. Dit is al aangetoond door het werk van Tim Gutowski en anderen. Hypothese 3: De relatie tussen de verdunning van hulpbronnen (wederzijdse concentratie in afzettingen) en de opgeslagen energie van materialen is lineair. Verdunning kan hier direct worden geïnterpreteerd als entropie, zie de beschrijving hierboven. Dit is al aangetoond voor metalen, terwijl we in voorbereidend werk een soortgelijke relatie hebben berekend voor verpakkingsafval na consumptie. Bewijs dat deze drie hypothesen ondersteunt, zou voor het eerst een direct en kwantitatief verband leggen tussen circulariteit van materialen en klimaatverandering. Op die manier kan entropie worden gebruikt als een indicatie voor het energieverbruik tijdens de levenscyclus van een materiaal, en op zijn beurt voor de koolstofvoetafdruk. Verder zouden we basisbewijs leveren dat bedrijven en beleidsmakers kan overtuigen aan de hand van eenvoudige casestudies. In dit project zullen we hypotheses 2 en 3 verder aantonen door ons te richten op de waarde versus entropie van afvalmaterialen en door te kijken naar biogrondstoffen. Met behulp van dit raamwerk kunnen afvalsorteer- en (bio)raffinageprocessen beoordeeld worden op de prestaties van individuele eenheidsoperaties in plaats van alleen op de eindresultaten van een complete fabrieksconfiguratie. De reikwijdte van dit project wordt beperkt tot verschillende fossiele polymeren en biogebaseerde polymeren om de haalbaarheid en complementariteit met de expertise van de groep te garanderen. De verwachte resultaten zullen het gebruik en de valorisatie van de nieuwe methodologie voor de beoordeling van circulariteit versnellen en deze toegankelijker maken voor het belangrijkste doelpubliek, d.w.z. product- en procesontwerpers. Op deze manier zal de basis worden gelegd voor een tool voor circulariteitskwantificering en -optimalisering op basis van generieke thermodynamische principes.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Billen Pieter
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe

Onderzoeksgroep(en)

• Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

De continu stijgende vraag naar hulpbronnen zorgt ervoor dat we onze planetaire grenzen overschrijden. Methoden als levenscyclusanalyse en techno-economische analyse zijn voorgesteld om duurzame systemen en processen te ontwikkelen. Deze traditionele methoden stellen ons echter niet in staat de duurzaamheid te voorspellen van disruptieve technologieën, aangezien deze gebaseerd zijn op zeer specifieke informatie die pas beschikbaar is bij een hogere technologische maturiteit (TRL) en een specifiek achtergrondsysteem. Daarom zijn er methoden nodig die enkel berusten op generieke informatie beschikbaar op elk TRL. Dit is precies wat ik wil bereiken in dit onderzoeksproject: Ik zal een innovatief design-for-sustainability paradigma creëren dat voorspellingen en optimalisaties kan doen voor de ontwikkeling van nieuwe processen en systemen naar economische en ecologische duurzaamheid op elk TRL. Daarom zal ik statistische entropie koppelen aan generieke energieberekeningen en generieke kapitaalkostenschattingen en zal ik multi-objectieve optimalisatieproblemen en oplossingsstrategieën definiëren. Ter validatie worden er drie toepassingen bestudeerd: (i) het ontwerp van lignocellulose bioraffinaderijen, (ii) polyolefine plastic afvalbeheer en (iii) fosforbeheer. Dit grensverleggend onderzoek zal wegen openen naar mijn toekomstige carrière als onafhankelijk hoofdonderzoeker werkende op procesgebaseerde modellering, controle en optimalisatie voor de ontwikkeling van duurzame systemen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Billen Pieter
• Co-promotor: Van Passel Steven
• Mandaathouder: Nimmegeers Philippe

Onderzoeksgroep(en)

• Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Polymeren maken een integraal deel uit van ons leven, maar zijn moeilijk recycleerbaar. Desondanks is de diversiteit van polymeermaterialen nog steeds toenemend, ondanks maatschappelijke en wetgevende druk om hun complexiteit te verminderen. Levenscyclusanalyse en technisch-economische inschattingen starting ongelukkig van enthalpische overwegingen (materiaal en energiebalansen) ivp entropische (productcomplexiteit en -structuur). Dit leidt to de paradox dat we niet weten welke afvalmateriaal van voldoende hoge kwaliteit is om te recycleren rekening houdend met (toekomstige) marktcondities en dat we niet exact weten hoe polymeren te produceren om de waarde van post-consument recyclaat te optimaliseren. Bovendien wordt het (macro)moleculaire niveau welke macroscopische eigenschappen bepaalt niet bekeken, alhoewel het geweten is dat industriële polymeersynthese gekarakteriseerd is door significante inter- and intramoleculaire variaties. Een connectie van polymerisatiereactietechniek (PRE; UGent) en generieke duurzaamheidinschattingsmethoden is bijna volledig afwezig, maar nuttig en rechtvaardigt de context. We mikken op een generieke methode voor het voorspellen en optimaliseren van de recycleerbaarheid van economische goederen startend op moleculair niveau. Op de lange termijn kan de methode bepalen of een variatie voor chemische modificatie niet enkel nuttig is van applicatiestandpunt maar ook voor recycleerbaarheid.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Billen Pieter
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe

Onderzoeksgroep(en)

• Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Om de klimaatverandering en de aantasting van het milieu aan te pakken, heeft de EU doelstellingen vastgesteld waarbij de uitstoot van broeikasgassen (BKG) tegen 2050 netto nul moet zijn. Koolstofafvang, -benutting en -opslag (CCUS) zal naar verwachting een van de belangrijkste technologische oplossingen zijn, omdat daarmee de onvermijdelijke uitstoot van broeikasgassen kan worden aangepakt. Om CCUS-waardeketens tot stand te brengen en investeringen te stimuleren die ervoor zorgen dat de technologie op voldoende grote schaal beschikbaar komt, is het van cruciaal belang maatregelen te begrijpen, te ontwikkelen en uit te voeren om de ontwikkeling van de technologieën met het grootste potentieel te prioriteren en een eerlijke verdeling van de effecten en voordelen ervan, alsook billijkheid en rechtvaardigheid in de besluitvormingsprocessen te waarborgen. De huidige geavanceerde techno-economische en milieueffectbeoordelingen van CCUS zijn beperkt om de volgende redenen: (i) de heterogeniteit van potentiële CCUS-waardeketens, puntbronnen, afvangmethoden, vervoer, opslag en gebruik, (ii) de afhankelijkheid van specifieke informatie met betrekking tot achtergrondsystemen van specifieke technologieën, specifieke geografische omstandigheden en perioden, (iii) het huidige gebrek aan aanvaarde benchmarks en geïntegreerde duurzaamheidsbeoordelingen voor CCUS en (iv) de sociale dimensie die in de huidige beoordelingen niet aan bod komt. Dit maakt de huidige geavanceerde methoden gegevensintensief en de verkregen resultaten zeer specifiek. Er is dus behoefte aan een gestandaardiseerd, geharmoniseerd, generiek methodologisch kader om het ontwerp en de invoering van economisch haalbare, ecologisch wenselijke en sociaal aanvaardbare CCUS-waardeketens te stimuleren. Dit vereist een multidisciplinaire en interdisciplinaire aanpak waarbij deskundigheid op verschillende gebieden wordt betrokken: chemische ingenieurstechnieken, economie, sociologie, kwantitatieve duurzaamheidsbeoordelingen, processysteemtechniek en belanghebbenden in de gehele waardeketen. De vooropgestelde postdocuitdaging luidt als volgt: " Hoe kunnen we inzicht creëren in de hefbomen die nodig zijn om economisch haalbare, milieuvriendelijke en sociaal aanvaardbare waardeketens voor de afvang, het transport, het gebruik en de opslag van koolstofdioxide (CCUS) te ontwerpen en in te voeren?" De volgende aspecten zullen naar verwachting aan bod komen : - Verder gaan dan het huidige onderzoek naar de duurzaamheidseffecten van CCUS. - Een geharmoniseerd, holistisch, geïntegreerd prospectief/ex-ante duurzaamheidsbeoordelingskader bieden voor het volledige CCUS-systeem en de CCUSwaardeketens, waardoor de ontwikkeling van de technologisch, economisch haalbare, ecologisch wenselijke en sociaal aanvaardbare CCUS-technologieën en -waardeketens wordt vergemakkelijkt. - Betrokkenheid van verschillende belanghebbenden bij de CCUS-waardeketens - Reproduceerbaarheid en eerlijke benchmarking van CCUS-technologieën - Beoordelingen die toelaten om het onderzoek en ontwikkeling in de meest optimale richting te sturen en de gebieden van technologieën en systemen aan te wijzen die het grootste potentieel hebben en waar verbetering nodig is.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Compernolle Tine
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe

Onderzoeksgroep(en)

• Engineering Management

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Het in maart 2020 opgestelde actieplan voor de circulaire economie is een van de belangrijkste bouwstenen van de Europese Green Deal om de EU tegen 2050 klimaatneutraal te maken en andere milieueffecten te verminderen (bv. stikstofverontreiniging, luchtverontreiniging, biodiversiteitsverlies). De circulaire economie vereist dat reststromen (bv. afval en nevenstromen) beter worden benut door er nieuwe hoogwaardige producten van te maken. Hierbij horen de productie van meststoffen, eiwitten of bouwmaterialen uit afvalstromen, maar ook de vervanging van fossiele kunststoffen door hernieuwbare alternatieven. Bij het nastreven van de circulaire economie moet er echter op worden toegezien dat de milieueffecten van de nieuwe goederen worden verminderd of dat de milieueffecten niet eenvoudigweg worden verwisseld tussen impactdomeinen. Bovendien ontstaan er door het hergebruik van afvalstromen nieuwe methodologische uitdagingen voor de milieubeoordelingen, zoals de vraag hoe rekening moet worden gehouden met de effecten van afval die stroomopwaarts ontstaan, wat de systemische impact is van nieuwe waardeketens op basis van afval/nevenstroomproducten en hoe rekening moet worden gehouden met het verschil in kwaliteit van recyclaten in vergelijking met nieuwe materialen. De doelstelling van het MAZE-project is het ontwikkelen van nieuwe methoden en benaderingen om de (prospectieve) evaluatie van milieueffecten van biogebaseerde producten te verbeteren. De belangrijkste methoden die in het project zullen worden gebruikt zijn levenscyclusanalyse en materiaalstroomanalyse. Het onderzoek zal betrekking hebben op de vraag hoe rekening kan worden gehouden met de stroomopwaartse effecten van afvalproducten, hoe de productkwaliteit kan worden geëvalueerd in milieu- en materiaalstroombeoordelingen en vervolgens hoe de informatie kan worden gebruikt in prospectieve besluitvorming. De methoden zullen worden toegepast op een geselecteerd aantal biogebaseerde materialen/producten om hun toepasbaarheid aan te tonen. De resultaten van het project zijn in strategisch opzicht in lijn met de circulaire economie van de EU.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Nimmegeers Philippe
• Promotor: Spiller Marc
• Co-promotor: Buyle Matthias
• Co-promotor: Nimmegeers Philippe
• Co-promotor: Spiller Marc

Onderzoeksgroep(en)

• Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Kunststoffen zijn veelzijdig en van het grootste belang in ons dagelijks leven. Deze veelzijdigheid maakt kunststoffen echter moeilijk recycleerbaar door hun complexiteit in termen van geospatiale verdeling, samenstelling van stoffen/monomeren/oligomeren en moleculaire verdeling. Deze complexiteit, later entropische aspecten genoemd, wordt nauwelijks erkend in de traditionele, state-of-the-art evaluaties van recycleerbaarheid en duurzaamheid, zoals levenscyclusanalyse (LCA) en techno-economische evaluatie (TEA). En toch, om recycleerbare en dus duurzame materialen te ontwerpen en ondersteunend beleid te voeren, is het absoluut noodzakelijk over deze kennis te beschikken via een gemakkelijk toegankelijke methodologie. Polyurethanen (PU) zijn zeer veelzijdige polymere materialen die in een overvloed van toepassingen worden gebruikt. Tot op heden zijn de belangrijkste stappen in het beheer van PU-afval aan het einde van hun levensduur verbranding en storten, met slechts beperkte recyclage. Daarom zal ik de volgende onderzoeksvraag bestuderen: "Hoe beïnvloedt de complexiteit van polyurethanen de recycleerbaarheid van gerelateerde toepassingen, en hoe kunnen we dit kwantificeren?". In dit baanbrekend klein onderzoeksproject combineer ik mijn expertise over statistische entropieanalyse en generieke recycleerbaarheidsvoorspellingen met de expertise over chemische recyclage van kunststoffen bij het iPRACS onderzoeksteam om: (i) een generieke methodologie te ontwikkelen voor de evaluatie van de recycleerbaarheid van kunststofafval, met inbegrip van informatie over de complexiteit in chemische samenstelling, complexiteit in termen van geospatiale verdeling van producten over de samenleving en monomeersamenstelling en moleculaire distributies op basis van MSEA en (ii) de methodologie te valideren door de beperkingen voor de recycleerbaarheid van PU te kwantificeren. Het resulterende volledig gevalideerde paradigma voor de beoordeling van de recycleerbaarheid zal als springplank dienen voor mijn onafhankelijk onderzoekstraject. Het voorgestelde onderzoeksproject zou voldoende demonstratie van de methodologie kunnen geven om deze toegankelijk te maken voor toekomstige toepassingen en projecten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Nimmegeers Philippe

Onderzoeksgroep(en)

• Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Project type(s)

• Onderzoeksproject