Det periodiske system er nøglen til den grønne omstilling

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).

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.

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.

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.

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).

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.

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.