Veel van de huidige technologieën in de hydrometallurgie vinden hun oorsprong al in de negentiende eeuw. Denk dan bijvoorbeeld aan electrorefining, het zuiveren van koperanodes met elektriciteit. Dat werd al in 1869 toegepast in het Verenigd Koninkrijk. ‘En nog steeds is dit de hoeksteen van de metallurgische industrie’, zegt Koen Binnemans, gewoon hoogleraar metallurgische chemie aan de KU Leuven.

Het verwante electrowinning – waarbij opgeloste metaalionen zich afzetten op een elektrode, zie foto bovenaan – is ook al meer dan een eeuw oud en hetzelfde geldt voor processen rondom de zink- en aluminiumindustrie die eind negentiende eeuw zijn opgekomen. ‘En om het nog mooier te maken: bioleaching zie je zelfs al terug in de Romeinse tijd, beschreven door Plinius de Oudere en geciteerd door Georgius Agricola in de zestiende eeuw in zijn boek De Re Metallica Libri XII’, vervolgt Binnemans. ‘Er zijn geen kapers op de kust die deze technologieën op korte- of middellange termijn gaan vervangen.’

Nu kan het overkomen alsof de hydrometallurgie al die tijd heeft stilgestaan, maar toch zijn er steeds kleine stapjes gezet naar optimalisatie en energie-efficiëntie. ‘Desondanks staan de basisprincipes uit 1869 voor het koperproces nog steeds overeind en de additieven die in de jaren 1870 zijn gevonden worden nog steeds gebruikt.’

Disruptief

Een van de redenen waarom Binnemans en Jones de pen oppakten voor dit artikel is om te laten zien dat academisch onderzoek vaak mijlenver verwijderd is van de industriële praktijk. Binnemans: ‘Academische onderzoekers publiceren over heel complexe moleculen die de industrie zogezegd “disruptief gaan veranderen”. Maar meestal kunnen we op voorhand al zeggen: de kans dat dat gebeurt is nihil.’

Onderzoekers zoeken veelal naar oplossingen voor niet-bestaande problemen, zo schrijven Jones en Binnemans. ‘Ik ben jarenlang zelf in die val getrapt’, geeft Binnemans toe. ‘Zo dacht ik bijvoorbeeld dat ionische vloeistoffen en diep-eutectische solventen echt wat teweeg zouden brengen, maar daar ben ik op teruggekomen en met Tom heb ik de redenen opgeschreven waarom het niet werkt.’

‘De basisprincipes uit 1869 voor het koperproces staan nog steeds overeind’ 

‘Groen’

Binnemans schetst een praktisch voorbeeld. Veel metallurgische processen gebruiken zwavelzuur. Een voorstel voor een ‘groener’ alternatief zou een organisch zuur als citroenzuur kunnen zijn, zo laat onderzoek zien. ‘Maar het maken van citroenzuur veroorzaakt meer afval dan het produceren van zwavelzuur’, aldus Binnemans. ‘Uit het fermentatiemengsel sla je met kalkmelk calciumcitraat neer. Dat filtreer je af en dan gebruik je – jawel – zwavelzuur om het citroenzuur weer vrij te spelen met gipsafval als bijproduct. Dan is direct zwavelzuur gebruiken efficiënter, maar dat willen onderzoekers niet horen, want “natuurlijk” staat in veel gevallen gelijk aan “groen”.’

Naast zulke praktische bezwaren, spelen kosten een heel grote rol. In de mijnindustrie is elk erts verschillend en moet je een flinke investering doen – denk aan €1 à 2 miljard – om met metallurgische processen iets voor de markt te maken. Het kan zomaar tien tot vijftien jaar duren voordat een mijn is geopend en je iets kunt gaan verdienen, dus investeerders willen echt op zeker spelen. ‘In de mijnbouw wil niemand de eerste zijn om een nieuwe technologie te proberen. Toch is het zo dat áls het dan een keer lukt, zoals in het geval van Leach−Solvent extraction–Electrowinning in de kopermijnbouw, het de complete industrie verandert. Iemand moet het risico nemen.’

Trends

Er vindt veel onderzoek plaats op het gebied van hydrometallurgie, maar in de laatste vijftig jaar ziet Binnemans weinig investeringen in nieuwe technologie. ‘Een trend die je wél ziet is investeren in online real time analyses, toepassingen met AI voor betere procescontrole, CO₂-emissiereducties, et cetera. Dus, automatisatie, efficiëntie en optimalisatie.’

Maar Binnemans ziet ook innovatiemogelijkheden: ‘Verregaande elektrificatie van processen in de hydrometallurgie, niet alleen van electrowinning en -refining, maar ook elektrificatie van industriële proceswarmte.’ Nu wordt dat nog gestookt met aardgas en steenkool, wat een hoop CO₂ de lucht in slingert. ‘Kun je dat elektrificeren, dan zou dat een grote doorbraak kunnen betekenen. En het mooie is dat de technologie al bestaat, denk aan hogetemperatuur-warmtepompen. Maar: hierbij geldt de voorwaarde dat de elektriciteitsprijs voldoende laag moet zijn. Alleen dan kun je verder vergroenen.’

‘In de mijnbouw wil niemand de eerste zijn om een nieuwe technologie te proberen’

Zo is ooit het roosteren van ertsen met natriumchloride bedacht. ‘Als je ertsen met natriumchloride in oplossing verhit, kun je het gevormde metaalchloride uitlogen zonder dat je daar zuren voor nodig hebt’, legt Binnemans uit. ‘Helaas is deze technologie opzijgeschoven vanwege de hoge energiekosten en de CO₂-uitstoot. Maar bij goedkope hernieuwbare energie wordt het een heel ander verhaal.’ Je zou dan ook andere oude technologieën kunnen opvissen die aan de kant zijn gezet vanwege het energiegebruik en die in een nieuw, groen jasje kunnen steken.

Controversieel

Een andere, wat meer controversiële optie is het gebruik van kleine modulaire kernreactoren. ‘Als de uraniummijnbouw verantwoord is, dan heb je iets in handen wat CO₂-vrij is en je voor een aantal jaren onafhankelijk maakt van leveranciers’, oppert Binnemans. De discussie verlegt zich dan weliswaar naar de problematiek rond het kernafval, ‘maar zonder kernenergie zal het moeilijk worden om de CO₂-emissies voldoende te reduceren voor de klimaatdoelen te halen’.

Waar Binnemans helemaal niets van moet weten is het gebruik van waterstofgas voor indirecte elektrificatie van proceswarmte in de metallurgische industrie. ‘Eerst water door elektrolyse splitsen in waterstofgas en zuurstofgas om daarna de waterstof te verbranden om warmte te produceren is veel minder efficiënt dan elektriciteit direct te gebruiken om proceswarmte te genereren. We mogen niet in deze waterstofvalkuil trappen.’