Extractiekolom
Stel je voor dat je een vinaigrette schudt: olie en azijn mengen even, maar scheiden daarna vanzelf weer omdat ze niet in elkaar oplossen. Chemici en ingenieurs maken al meer dan een eeuw gebruik van precies dit principe, maar dan heel gecontroleerd en op industriële schaal. Een extractiekolom is een hoog, buisvormig apparaat waarin twee vloeistoffen die niet mengen — bijvoorbeeld water en een olieachtig extractiemiddel — intensief met elkaar in contact worden gebracht. Een stof die in het water zit opgelost, zoals een metaalzout, 'kiest' er daarbij voor om over te stappen naar de andere vloeistof. Daarna scheiden de twee vloeistoffen weer, net als in de vinaigrette, en blijft de gewenste stof geconcentreerd achter in de tweede vloeistof.
Het bijzondere is dat dit in een kolom continu en herhaaldelijk gebeurt, in plaats van één keer schudden en laten bezinken. De twee vloeistoffen stromen in tegengestelde richting door de kolom, waardoor het effect van tientallen keren schudden en scheiden wordt bereikt in één doorlopend proces. Extractiekolommen zijn al decennialang gangbare apparatuur in de petrochemie en de kernenergie-industrie, maar staan de laatste jaren volop in de belangstelling omdat ze een sleutelrol spelen bij het winnen van grondstoffen die onmisbaar zijn voor de energietransitie, zoals lithium voor batterijen.
Wat is het precies?
De techniek heet vloeistof-vloeistofextractie. Je hebt twee vloeistoffen nodig die niet mengen: meestal een waterige oplossing (de 'voedingsstroom', bijvoorbeeld brine, een zoute pekelvloeistof) en een organisch extractiemiddel, vaak een olieachtige stof met daarin speciale moleculen die zich als een soort magneetjes gedragen. Deze moleculen, liganden of extractanten genoemd, zijn zo ontworpen dat ze heel selectief één bepaald ion of molecuul uit het water vastgrijpen en meenemen naar de organische fase.
Hoeveel van een stof overstapt naar welke vloeistof, wordt bepaald door de verdelingscoëfficiënt: een getal dat aangeeft hoe de stof zich in evenwicht verdeelt tussen de twee fasen. Door slim gekozen extractanten en de juiste zuurgraad kan die verdeling sterk richting de gewenste vloeistof worden gestuurd.
In een extractiekolom gebeurt dit stap voor stap, in tegenstroom: de waterige stroom gaat bijvoorbeeld bovenin naar binnen en zakt naar beneden, terwijl de lichtere organische vloeistof onderin instroomt en omhoog borrelt. Onderweg raken de twee vloeistoffen steeds opnieuw gemengd en weer gescheiden. Om dat contact te verbeteren, bestaan er verschillende kolomtypen: gepakte kolommen gevuld met kleine ringen of zadels die het oppervlak vergroten, kolommen met zeefplaten die de vloeistoffen dwingen door kleine gaatjes te stromen, en gepulseerde kolommen, waarin de hele vloeistofkolom ritmisch op en neer wordt bewogen om menging te forceren — een ontwerp dat veel wordt gebruikt in de nucleaire industrie. Ook worden soms cascades van losse mixer-settlers gebruikt: aparte vaten waarin eerst wordt gemengd en daarna laten bezinken, meerdere keren achter elkaar.
Aan het eind van het proces bevat de organische vloeistof de gewenste stof, maar die moet er nog uit. Dat gebeurt in een aparte stripstap: de beladen organische vloeistof wordt in contact gebracht met een derde, weer andere waterige oplossing die de stof juist wél makkelijk loslaat, zodat een zuivere, geconcentreerde oplossing overblijft en het extractiemiddel opnieuw gebruikt kan worden.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is snelheid en efficiëntie bij het winnen van grondstoffen die schaars, duur of geopolitiek gevoelig zijn. Lithium wordt traditioneel gewonnen uit zoutmeren door het water maandenlang te laten verdampen in enorme, felgekleurde verdampingsvijvers — een proces dat al snel anderhalf tot twee jaar duurt en veel land en zoet water vergt in vaak droge gebieden. Extractiekolommen maken het mogelijk om lithium direct uit een brine te halen, in uren tot dagen in plaats van maanden, met een veel kleinere voetafdruk.
Daarnaast streeft men naar hogere zuiverheid. Batterijfabrikanten hebben lithium- en nikkelverbindingen nodig van een kwaliteit die met eenvoudige verdamping lastig te halen is; extractie kan storende elementen zoals magnesium en calcium selectief achterlaten.
Er is ook een geopolitieke component. Europa en de Verenigde Staten zijn voor kritieke grondstoffen sterk afhankelijk van import, met name uit China, dat een groot deel van de wereldwijde verwerkingscapaciteit voor lithium en zeldzame aarden in handen heeft. Extractiekolomtechnologie die lokaal, bijvoorbeeld uit geothermisch water in Europa, grondstoffen kan winnen, past in het streven naar meer onafhankelijkheid. Tot slot speelt circulariteit een rol: dezelfde technologie wordt gebruikt om waardevolle metalen terug te winnen uit gebruikte batterijen, zodat minder nieuwe grondstoffen nodig zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
De oudste en meest bewezen toepassing ligt in de nucleaire industrie. Bij de opwerkingsfabriek van Orano (voorheen Areva/Cogema) in La Hague, Frankrijk, worden sinds de jaren zeventig gepulseerde extractiekolommen gebruikt in het zogeheten PUREX-proces, waarmee uranium en plutonium worden gescheiden van splijtingsproducten in gebruikte splijtstof. Deze installatie draait al decennialang en geldt als een van de best gedocumenteerde grootschalige toepassingen van de techniek.
In de lithiumsector is Vulcan Energy Resources een veelgenoemd voorbeeld. Het Australisch-Duitse bedrijf ontwikkelt sinds ongeveer 2019 een project in de Boven-Rijnvallei bij Karlsruhe, Duitsland, waarbij lithium wordt gewonnen uit heet geothermisch water dat tegelijk wordt gebruikt voor CO2-arme warmte- en stroomproductie. Het bedrijf gebruikt hiervoor extractiekolomtechnologie in combinatie met andere DLE-methoden (Direct Lithium Extraction). De weg naar commerciële productie is overigens grilliger gebleken dan aanvankelijk gepland: eerdere tijdlijnen voor grootschalige productie zijn meermaals opgeschoven.
In de Verenigde Staten test Standard Lithium sinds circa 2018-2020 een demonstratie-installatie in de Smackover-formatie in Arkansas, waar lithiumhoudende brine wordt gewonnen als bijproduct van bestaande bromide- en oliewinning. Het Franse mijnbouwbedrijf Eramet bouwde in het begin van de jaren 2020 een pilotinstallatie bij het Centenario-Ratones-project in Argentinië, in het zogeheten 'lithiumdriehoek'-gebied met Chili en Bolivia.
Buiten de lithiumwinning wordt de techniek ook toegepast in recycling: bij de fabriek van Umicore in Hoboken, België, worden met hydrometallurgische processen, waaronder solvent-extractie, kobalt, nikkel en andere metalen teruggewonnen uit afgedankte batterijen en elektronisch afval.
Hoe ver is de techniek?
De kern van vloeistof-vloeistofextractie is allesbehalve nieuw: het principe wordt al sinds het midden van de twintigste eeuw op grote schaal toegepast in de petrochemie en, zoals hierboven beschreven, in de nucleaire industrie. In die context is de techniek volwassen en betrouwbaar.
Wat wél nieuw en nog volop in ontwikkeling is, is de toepassing op verdunde en chemisch complexe bronnen zoals geothermische brine of afvalstromen van batterijrecycling. Daar liggen concentraties van de gewenste stof vaak vele malen lager dan in klassieke industriële processen, en zitten er storende stoffen in zoals magnesium, calcium en boor die lastig te scheiden zijn van lithium. Ook corrosie door hete, zoute brine is een technische uitdaging voor kolommen en leidingen, en de organische extractanten zijn kostbaar en moeten zo min mogelijk verloren gaan.
In de praktijk blijkt de opschaling van pilotinstallaties naar volwaardige commerciële fabrieken lastiger en trager dan aanvankelijk voorgesteld: verschillende DLE-projecten, waaronder dat van Vulcan Energy, hebben hun productiestart moeten uitstellen. Onafhankelijke analisten wijzen erop dat de sector nog relatief weinig langjarige ervaring heeft met extractiekolommen op deze specifieke, verdunde brontypen, in tegenstelling tot de decennia aan ervaring in de petrochemie en kernenergie. Het is dus eerlijker om te zeggen dat de basistechnologie bewezen is, maar de specifieke toepassing op kritieke grondstoffen zich nog in een opschalingsfase bevindt.
Wie werken eraan?
Aan de bedrijfskant zijn onder meer Vulcan Energy Resources, Standard Lithium, Eramet en het Duitse chemieconcern Lanxess actief in lithiumextractie uit brine, deels in samenwerking met energiebedrijven zoals EnBW die de geothermische bronnen exploiteren. In de nucleaire sector is Orano in Frankrijk de belangrijkste partij met decennialange ervaring in gepulseerde extractiekolommen. Op het gebied van recycling loopt Umicore in België voorop. Ook gevestigde lithiumproducenten als Albemarle en SQM, van oudsher actief met verdampingsvijvers in onder meer Chili, verkennen extractietechnologie als aanvulling op hun bestaande methoden.
Aan de onderzoekskant werkt het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland nauw samen met projecten in de Boven-Rijnvallei, en houdt het Franse onderzoeksinstituut CEA zich al lang bezig met extractiechemie in nucleaire context. In Nederland doet TNO toegepast onderzoek naar scheidingstechnologie voor kritieke grondstoffen en recycling. Geografisch liggen de belangrijkste ontwikkelingen in Duitsland (Boven-Rijnvallei), Frankrijk, de Verenigde Staten (Arkansas en het Salton Sea-gebied in Californië) en de zogeheten lithiumdriehoek van Argentinië, Chili en Bolivia. China blijft wereldwijd de dominante speler als het gaat om de verwerking en raffinage van lithium en zeldzame aarden, ook al gebeurt de winning daar niet altijd met extractiekolomtechnologie.