Voortschrijdende Inzichten

Verrassende onderwerpen | Nieuwe invalshoeken

 

Een chemicus zegt: 'N=stikstof'

Link Uitwassen van stikstof

[11 apr 2020] Zie ook over de huidige problemen met stikstof in Nederland in het Dossier stikstof op onze website 'Over lucht'.

Overigens is de overmaat aan stikstof een mondiaal probleem.

Industriële stikstof

Ondanks de chilisalpeter waren er zorgen. Zo verscheenn in 1906 het boek De hedendaagsche en toekomstige stikstofbronnen van onze cultuurgewassen van de hand van Dr JC de Ruijter de Wildt. De auteur schetste een somber beeld van de stikstofvoorziening in de toekomst. Hij becijferde dat met de op dat moment bekende voorraden in Chili de wereld nog 37 jaar vooruit kon. De Ruijter de Wildt sprak van een 'schrikbeeld'. Hoe moet het nu verder met de stikstofvoorziening? Wat de zaak er ook niet beter op maakte, was het gebruik van chilisalpeter voor de bereiding van springstoffen. Hierdoor kreeg het stikstofprobleem nog een extra politiek lading. Wie toegang had tot salpeter, kon springstoffen maken. Wie die toegang niet had, had vooral in het geval van oorlog een probleem. En een land dat zo'n probleem had, was Duitsland vlak voor het begin van de Eerste Wereldoorlog. Voor de oorlogsvoering zouden echter grote hoeveelheden nitraat nodig zijn. Hoe daarin te voorzien? Dat was het probleem van Duitsland.

Het stikstofprobleem was niet aan de chemische wereld voorbij gegaan. Integendeel, aan het eind van de negentiende en in het begin van de twintigste eeuw hadden vele chemici al geprobeerd langs kunstmatige weg stikstof te binden. Ht probleem was om elementaire stikstof f met zuurstof f met waterstof te laten reageren en een voldoende opbrengst te krijgen. Bij de reactie met zuurstof ontstaat stikstofmono-oxyde (NO) en met waterstof ammoniak (NH3). In beide gevallen is het chemisch eenvoudig om allerhande gewenste volgproducten te maken. Alle inspanningen waren dus gericht op de eerste stap: de omzetting van elementair stikstof. Er waren wel wat kleine succesjes geboekt, maar geen ervan was op dat moment economisch rendabel. Zo was er de methode van Birkeland en Eyde. Met een vlamboog wordt uit lucht stikstofmono-oxyde gemaakt. Het proces vraagt echter enorme hoeveelheden energie, terwijl het rendement erg laag is. Een andere mogelijkheid was de reactie van elementair stikstof met calciumcarbide bij hoge temperatuur. Er ontstaat calciumcyanimide dar gemakkelijk omgezet kan worden in bijvoorbeeld ammoniak of ureum. Ook hier ligt het probleem is de grote hoeveelheden energie die nodig zijn voor de productie van calciumcarbide en voor de omzetting ervan.

In het begin van de twintigste eeuw was al bekend dat het mogelijk was om ammoniak te maken direct uit de elementen stikstof en waterstof. De Duitse chemicus Fritz Haber lukte het in 1909 om bij zeer hoge druk en temperatuur ammoniak (in kleine hoeveelheden) te maken. De gewenste omstandigheden waren voor die tijd echter zo extreem dat de productie van ammoniak alleen in het laboratorium lukte. Bovendien nam de vorming veel tijd in beslag. Eén van de problemen was de traagheid van de reactie. Om de zaak nog enigszins te laten verlopen, waren zeer hoge temperaturen nodig. Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de reactie verloopt. Een hinderlijk detail is helaas dat hoe hoger de temperatuur hoe lager de opbrengst aan ammoniak is. De hoge temperaturen die nodig zijn, maken echter de technische uitvoering van de reactie praktisch gezien moeilijk.

De oplossing moet gezocht worden in een katalysator, een hulpstof die de reactie kan versnellen. Als het zou lukken om de reactie sneller te laten verlopen, kon ook volstaan worden met lagere temperaturen. [In tegenstelling tot de populaire veronderstelling heeft de katalysator geen invloed op de opbrengst]. Haber vond in eerste instantie op uranium en osmium gebaseerde katalysatoren die bevredigend werkten maar wel erg duur waren. In samenwerking met de chemicus Bosch werd uiteindelijk een katalysator op basis van ijzer met kleine hoeveelheden aluminium ontwikkeld. Het was nu mogelijk met ijzer als katalysator bij veel lagere temperaturen in een redelijke tijd een acceptabele opbrengst van ammoniak te krijgen. In 1913 lukte het daarop Carl Bosch de ammoniaksynthese op te schalen, dat wil zeggen om voor het eerst in een fabriek industrieel ammoniak te produceren. De tijd van de guano en de chilisalpeter behoorde voorgoed tot het verleden. Het tijdperk van de industriële stikstofproductie was begonnen. De wereld wordt sindsdien overspoeld met stikstof. En dat zou niet zonder gevolgen blijven.