Det periodiske system er nøglen til den grønne omstilling
Grundstoffer er verdens byggeklodser, også i den grønne omstilling. Men har vi egentlig nok af de grundstoffer, vi vil bruge?
kemi grundstoffer grøn omstilling forskning

Overgangen fra fossilt brændstof til vedvarende energi fører til en højere efterspørgsmål på de grundstoffer, der indgår i bl.a. batterier og vindmøller. Men bruger vi stofferne bæredygtigt? (Foto: Shutterstock)

Overgangen fra fossilt brændstof til vedvarende energi fører til en højere efterspørgsmål på de grundstoffer, der indgår i bl.a. batterier og vindmøller. Men bruger vi stofferne bæredygtigt? (Foto: Shutterstock)

Du husker formentlig plakaten med det periodiske system henne på væggen i folkeskolens kemilokale eller på indersiden af din kemibog.

I det periodiske system er alle grundstoffer systematisk ordnet efter stigende atomnummer i 18 snorlige kolonner (hovedgrupper) og beskriver de kemiske egenskaber af de 90 naturlige grundstoffer, som alt, både levende og dødt, på Jorden er bygget op af.

Men det periodiske system indeholder desuden de teknologier, der skal sikre os en grøn omstilling.

Omstillingen til et bæredygtigt samfund gør, at vi skal gentænke det periodiske system og designe nye materialer.

Vi skal også overveje, om der egentlig er nok af de grundstoffer, vi vil bruge, og hvor råstofdepoterne findes.

Der er allerede nu mangel på flere grundstoffer, og min forskning forsøger aktivt at afhjælpe det problem ved at gøre os bedre i stand til at genanvende fosfat (det vender jeg tilbage til).

Fakta
Forskerzonen

Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.

Grundstoffer er verdens byggeklodser

Vi kan betragte grundstofferne som verdens byggeklodser.

Ved at sætte dem sammen i eksempelvis molekyler og krystalstrukturer kan vi bygge alle kemiske forbindelser i denne verden:

Fra det simple vandmolekyle med et oxygen og to hydrogen til de mange komplicerede biomolekyler og mineraler i din krop. Men også de talrige kemiske forbindelser, der udgør processoren, batteriet, skærmen, lagrer dine billeder og filer på harddisken og gemmer sig bag den skærm, som du læser denne artikel på.

Kemikere designer dog ikke kun kemiske forbindelser til lagring af data i din smartphone, men også nye materialer og teknologier, der skal muliggøre fremtidens bæredygtige samfund.

De grundstoffer, der skal bruges i den grønne omstilling, er dog ikke uudtømmelige og er en del af verdenspolitikken.

Grundstof, råstof eller kemisk forbindelse?

Et råstof er et naturligt forekommende stof, som udvindes til brug i råvarer. I EU’s liste over kritiske råstoffer indgår der fire forskellige typer:

Det rene grundstof oftest som metal, f.eks. magnesium, siliciummetal, germanium, vanadium

Simple kemiske forbindelser som flusspat (CaF2) og baryt (BaSO4)

En gruppe af grundstoffer placeret i nærheden af hinanden i det periodiske system; platinmetallerne (platin foruden iridium, rhodium, palladium og ruthenium) samt de sjældne jordarter, der inkluderer alle lanthaniderne (grundstofferne 57-71), samt scandium, yttrium og lanthan.

Mere komplekse kemiske forbindelser som råphosphat og bauxit, der er blandinger af kemisk beslægtede mineraler, der indeholder et bestemt grundstof.

Har vi tilstrækkeligt af alle grundstoffer?

Der er allerede nu er mangel på cobolt til batterier og gallium, germanium og arsen til halvlederne, der udgør hjertet af processorerne i computere.

For at mindske den globale opvarmning skal fossilt brændstof udskiftes med vedvarende energikilder som vind, vand og sol. Men vinden blæser ikke altid, og på overskyede dage genererer solcellerne ikke nok energi.

Derfor skal vi finde ud af, hvordan vi kan gemme energi – eksempelvis i batterier – til den skal bruges. Men i batterier skal der i dag bruges grundstoffet litium, og der er ikke litium nok til at dække efterspørgslen.

I illustrationen lidt længere nede ser du det periodiske system, hvor feltet med hvert grundstof viser, hvor meget der findes på Jorden.

Kan bordsalt løse litium-krisen? 

Med udgangspunkt i det periodiske system leder forskere efter alternativer til litium, der er et let grundstof med ladningen +1.

Natrium, der kan udvindes fra bordsalt (natriumklorid), står lige under litium i det periodiske system og har beslægtede kemiske egenskaber.

Derfor udvikler forskere i dag batterier, hvor natrium (Na) og aluminium (Al) skal erstatte litium (Li). De to grundstoffer er nemlig ikke kritiske ressourcer, i modsætning til litium.

Overgangen fra fossilt brændstof til vedvarende energi fører til en højere efterspørgsmål på de grundstoffer, der skal indgå i blandt andet batterier, vindmøller og brændselsceller.

Men de råstofdepoter, man udvinder grundstofferne fra, er ikke jævnt fordelt på Jorden.

grundtoffer periodiske system bæredygtigt

Det periodiske system hvor feltet med hvert grundstof viser, hvor meget der findes på jorden. Farven viser, om der er høj risiko for mangel på grundstoffet (rød), om der er stigende bekymring (orange) eller der forudsiges mangel i fremtiden (gul). De grønne grundstoffer er der nok af. Smartphone-symbolet viser, at grundstoffet bruges i mobiltelefoner. Grå grundstoffer udvindes i konfliktområder, eksempelvis udvindes diamant (C) i DR Congo. Illustration: EUChemS

Afhængighed af kritiske grundstoffer er skidt for kloden og for os    

EU er afhængige af at kunne importere nok råstoffer fra andre regioner (verdensdele) og udgiver hvert tredje år en liste over kritiske råstoffer, hvor mangel og forsyningsrisiko spiller en stor rolle.

Der er flere grundstoffer, hvor EU må importere 100 procent af deres forbrug fra andre lande. På listen finder man blandt andet råfosfat, der bruges til fremstilling af kunstgødning, som sikrer en tilstrækkelig fødevareproduktion til verdens befolkning.

Den øgede efterspørgsel på eksempelvis råfosfat, litium og sjældne jordarter sætter pres på Jordens ressourcer og fører til højere priser for forbrugerne.

kritiske råstoffer eu europa-kommisionen 2020

Grafikken viser 10 af de i alt 30 råstoffer, som Europa-Kommissionen i 2020 har vurderet, at vi kan risikere at mangle. Kommissionen opdaterer listen hvert tredje år. I boksene kan du læse om, hvad vi bruger hvert råstof til, samt se deres grundstof-nummer og symbolet for hvert stof. Vil du se den fulde liste over kritiske råstoffer? Så tjek boksen i bunden af artiklen. Kilde: Europa-Kommissionen 2020. Grafik: Forskerzonen / Lea Pilsborg.

Der er brug for et bæredygtigt råstof-forbrug

Når efterspørgslen stiger, øges råvareprisen, hvilket får prisen på kunstgødning (der indeholder rå-fosfat og bruges til at dyrke fødevarer) til at stige. I sidste ende bliver maden i supermarkedet dyrere, hvilket vi mærker lige nu.

Indtil nu har vi udvundet råstoffer, omdannet dem til ressourcer, og efter brug er de endt som affald, hvilket ofte skaber miljøproblemer.

Dette lineære ressourcekredsløb belaster unødvendigt. Fremfor at udvinde nye råstoffer skal vi i stedet genanvende og lade dem indgå i en cirkulær ressourceøkonomi.

Der er mange udfordringer at løse, og min forskning bidrager til at skabe en cirkulær ressourceøkonomi for fosfat, så det kan genanvendes efter brug (se her, her og her).

cirkulær økonomi bæredygtig råstoffer genvinding genanvendelse

Cirkulær ressourceøkonomi hvor råstoffer omdannes til produkter, der efter brug genanvendes fremfor at blive til affald. Kilde: Shutterstock / Lea Pilsborg

Fosfat: Mere effektiv genanvendelse

Fosfor i form af uorganisk fosfat er et essentielt næringsstof, der indgår i levende organismers arvemateriale (DNA) og energiproduktion samt som fosfatmineraler i tænder og knogler.

Planter har også brug for fosfat for at vokse. Derfor bruges store mængder fosfatgødning for at sikre en tilstrækkelig fødevareproduktion.

På renseanlæg bruger man mange ressourcer på at fjerne fosfat for at undgå forurening af vandmiljøet og leve op til gældende miljøkrav.

I dag genanvender man fosfatholdigt spildevands-slam direkte som gødning i landbruget, men der er stigende bekymring for, om der er miljøskadelige stoffer som tungmetaller og mikroplastik bundet til fosfatet i slammet.

Det skaber et behov for nye måder at genbruge fosfat på. Ideelt som et mineral, der har et højt fosfatindhold, eller andet kemisk veldefineret produkt.

Genanvender vi korrekt?

På renseanlæg i Helsingør, Aarhus og Herning gen-indvinder man fosfat som mineralet struvit ((NH4)Mg(PO4)·6H2O), der er godkendt som kunstgødning.

Ved at tilsætte magnesium-ioner til det fosfatrige spildevand sker der en udkrystallisering (udfældning) af struvit.

Genanvendelse, set med kemiske briller, er at omdanne en uønsket kemisk forbindelse (for eksempel fosfat i spildevand) til en attraktiv ressource (mineralet struvit).

Men er struvit egentlig den mest effektive måde at gen-indvinde fosfat på?

Kemiske reaktioner kontrollerer omdannelsen fra affald til ressourcer

Hvordan genindvinder vi mest effektivt fosfat på renseanlægget og på hvilken kemisk form?  

Jeg har i samarbejde med kollegaer på SDU og tre danske forsyningsselskaber (Vandcenter Syd, Billund Vand og Energi samt Din Forsyning) kortlagt fosfatdepoterne i spildevandsslam igennem tre renseanlæg.

Sådan foregik studiet

I kortlægningen har vi kombineret analytisk kemi og flere avancerede analysemetoder som NMR spektroskopi, røntgendiffraktion og elektronmikroskopi for at identificere de forskellige kemiske forbindelser i spildevandsslammet

Kilde: DANVA

Resultaterne viser, at jernfosfat-mineralet vivianit (Fe3(PO4)2·6H2O) er blandt de største fosfat-puljer i slammet. Vivianit er en af de mest lovende måder at genvinde fosfat på og testes lige nu på pilotskala i Holland.

Teknologien udnytter jerns (Fe) magnetiske egenskaber til at ’fiske’ vivianit ud af slammet med en kraftig elektromagnet.

Det næste trin er at kunne optimere renseanlægget til at danne mest muligt af den fosfat-forbindelse, der skaber vivianit på det rigtige sted.

Men vi skal bruge mere end teknologi for at kunne høste alt fosfaten fra slammet.

Derfor går vi fra SDU og de tre forsyningsselskaber i gang med at forsøge at forstå, hvilke kemiske processer der bestemmer dannelsen af de forskellige fosfatforbindelser.

Dermed kan vi forhåbentlig udvikle nye materialer og gøre fosfat mere genanvendeligt. 

vivanit genanvendelse renseanlæg

Blå vivianitkrystaller i spildevandsslam set gennem et mikroskop. Foto: Qian Wang

Se den fulde liste over kritiske råstoffer

I grafikken herunder kan du se alle de råstoffer, som, Europa-Kommissionen har vurderet, vi kommer til at mangle, eller som vi vil have svært ved at sikre forsyningen til i EU.

kritiske råstoffer eu europa-kommisionen 2020

Europa-Kommissionens liste over kritiske råstoffer 2020.

Kilde: Europa-Kommissionen 2020

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

DOI - Digital Object Identifier

Artikler, produceret til Forskerzonen, får tildelt et DOI-nummer, som er et 'online fingeraftryk', der sikrer, at artiklerne altid kan findes, tilgås og citeres. Generelt får forskningsdata og andre forskningsobjekter typisk DOI-numre.

Nyhed: Lyt til artikler

Du kan nu lytte til udvalgte artikler herunder. Du kan også lytte til de oplæste artikler i din podcast-app, hvor du finder dem under navnet 'Videnskab.dk - Lyt til artikler'.

Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på vores Instagram-profil, og læs om de nedenstående prisvindende billeder af stjernetåger og stjernefabrikker her.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med omkring en million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk