Koper en nikkel in industriële katalysatoren

Een katalysator versnelt een chemische reactie zonder daarbij zelf te worden verbruikt. Welk metaal daarvoor wordt gebruikt, hangt af van de reactie. Waar autokatalysatoren draaien op platina, palladium en rhodium, gebruikt de industrie een veel bredere reeks metalen. Afhankelijk van het proces zijn dat onder meer koper, nikkel, molybdeen, kobalt, zink, ijzer of chroom. Ook platinagroepmetalen komen in de industrie voor, bijvoorbeeld in bepaalde raffinage- en chemische processen, maar het is geen vanzelfsprekendheid.

Vaak zit er meer dan één metaal in dezelfde katalysator. Het ene metaal is dan het actieve bestanddeel, het andere werkt als promotor: een toevoeging die de activiteit, selectiviteit of levensduur van de katalysator verbetert. Voor terugwinning betekent dat dat je niet met één metaal te maken hebt, maar met een combinatie.

Een autokatalysator is een gestandaardiseerd product: een behuizing met een keramische of metalen monoliet, een coating met platinagroepmetalen en in veel gevallen een nummer waarmee het type te herleiden is. Een industriële katalysator is meestal een stortgoed van korrels, extrudaten of tabletten, en de samenstelling hangt af van het proces, de leverancier en de gebruiksduur. Er is geen catalogus waarin je een nummer opzoekt. Daarom vind je in dit artikel geen herkenning op nummer of vorm, maar uitleg over metalen, dragers en de informatie die nodig is voor een beoordeling. Meer over de opbouw van autokatalysatoren lees je in het artikel over keramische en metalen katalysatoren.

Koper is het actieve metaal in katalysatoren voor onder meer methanolsynthese en de lagetemperatuur-shiftreactie.

Methanolsynthese

Bij de productie van methanol uit synthesegas (een mengsel van waterstof, koolmonoxide en kooldioxide) worden katalysatoren gebruikt op basis van koper, zinkoxide en aluminiumoxide. Koper is daarin het actieve bestanddeel, zinkoxide en aluminiumoxide dragen bij aan stabiliteit en verdeling.

Shiftreactie

In de water-gas-shiftreactie reageert koolmonoxide met stoom tot kooldioxide en waterstof. Die reactie wordt gebruikt bij waterstof- en ammoniakproductie. De lagetemperatuurvariant draait op een vergelijkbare katalysator op basis van koper en zinkoxide. De hogetemperatuurvariant gebruikt doorgaans een katalysator op basis van ijzer- en chroomoxide.

Eigen verwerkingsroute

Koperhoudende katalysatoren worden in de branche niet verwerkt zoals katalysatoren met platinagroepmetalen. Koper is een basismetaal met een veel lagere waarde per kilo, waardoor een andere afweging geldt: de terugwinning moet opwegen tegen de kosten van inzameling, voorbehandeling en verwerking. Gangbare routes zijn pyrometallurgisch, waarbij het materiaal in een smeltproces wordt verwerkt, of hydrometallurgisch, waarbij het koper met een oplossing wordt uitgeloogd en daarna teruggewonnen. Welke route geschikt is, hangt af van de samenstelling, de drager en eventuele verontreinigingen.

Nikkel komt in een aantal grote industriële processen voor.

Steam reforming

Bij steam reforming wordt aardgas of een andere koolwaterstof met stoom omgezet in synthesegas. Het is een van de belangrijkste routes voor waterstofproductie. De katalysator bestaat doorgaans uit nikkel op een keramische drager, zoals aluminiumoxide of calciumaluminaat.

Hydrogenering

Bij hydrogenering wordt waterstof aan een verbinding toegevoegd, bijvoorbeeld bij het harden van oliën en vetten of in de fijnchemie. Hiervoor worden nikkelkatalysatoren gebruikt, vaak op een silicadrager.

Hydrotreating

In raffinaderijen worden brandstoffen ontzwaveld met katalysatoren op basis van nikkel of kobalt in combinatie met molybdeen, meestal op aluminiumoxide. Hier zit nikkel dus naast andere metalen die bij terugwinning ook een rol spelen.

Ook zink komt in deze processen terug, bijvoorbeeld in zinkoxidebedden die zwavel uit gasstromen verwijderen voordat die bij een gevoelige katalysator komen. Strikt genomen is dat een absorbens en geen katalysator, maar het wordt vaak in dezelfde context aangeboden.

In een industriële katalysator zit het actieve metaal op een drager: een poreus materiaal met een groot inwendig oppervlak, waarop het metaal fijn verdeeld is. Veelgebruikte dragers zijn aluminiumoxide (alumina), siliciumdioxide (silica) en zeolieten, dat zijn kristallijne aluminosilicaten met een regelmatige poriestructuur.

De drager vormt vaak het grootste deel van de massa. Dat heeft een aantal gevolgen voor terugwinning:

• Verdunning. Het metaal zit verdeeld over veel dragermateriaal. Hoe meer drager ten opzichte van metaal, hoe meer materiaal er moet worden verwerkt om dezelfde hoeveelheid metaal terug te winnen.
• Chemisch gedrag. Dragers reageren verschillend in een verwerkingsproces. Alumina, silica en zeolieten lossen niet op dezelfde manier op of gedragen zich anders in een smeltproces. Dat bepaalt mede welke route technisch mogelijk is en hoeveel het kost.
• Waarde van de drager zelf. In sommige routes wordt ook de drager, of een bestanddeel ervan, benut. In andere routes is de drager een reststroom die moet worden afgevoerd.

Daarnaast bevat gebruikte katalysator vaak stoffen die er tijdens het proces op zijn terechtgekomen, zoals koolstofafzetting, zwavel, olieresten of andere metalen uit de voeding. Die verontreinigingen kunnen voorbehandeling nodig maken en de verwerking duurder maken. Het resultaat is dat twee katalysatoren met hetzelfde actieve metaal een heel verschillende uitkomst kunnen hebben, puur door drager en verontreiniging.

Bij een autokatalysator is het nummer vaak het beginpunt van een waardering. Bij industriële katalysator is er geen vergelijkbaar ijkpunt. Wat de beoordeling mogelijk maakt, is informatie over het materiaal en het proces waar het uit komt.

Verzamel daarom zoveel mogelijk van het volgende:

• Het proces: in welk proces is de katalysator gebruikt, en hoe lang?
• De leverancier en het type: productnaam of typeaanduiding van de oorspronkelijke katalysator, en de specificaties van de leverancier als je die hebt.
• Het veiligheidsinformatieblad: dat geeft informatie over samenstelling en eigenschappen van het verse product.
• Analysegegevens: als er analyses van het gebruikte materiaal zijn gedaan, bijvoorbeeld bij het uitbedrijfnemen, zijn die waardevol. Ze geven inzicht in wat er na gebruik werkelijk in zit, inclusief verontreinigingen.
• Hoeveelheid en vorm: om hoeveel materiaal het gaat en in welke vorm, zoals korrels, extrudaten, tabletten of poeder, en hoe het is verpakt.

Gebruikte industriële katalysator wordt behandeld volgens het veiligheidsinformatieblad van de leverancier.

Houd er rekening mee dat er over de waarde pas iets te zeggen valt nadat een partij is beoordeeld. Metaalsoort, gehalte, drager, verontreinigingen en hoeveelheid bepalen samen of terugwinning loont en via welke route. Dat maakt een snelle indicatie op afstand lastiger dan bij een autokatalysator. Hoe beter de informatie die je aanlevert, hoe gerichter die beoordeling kan zijn. Wil je een industriële partij laten beoordelen, neem dan contact op met de gegevens die je hebt verzameld. Algemene informatie over het aanbieden van katalysatoren vind je op de pagina over katalysator verkopen.

Wil je weten hoe de waardering van industriële katalysatoren in grote lijnen tot stand komt? Op de pagina over de prijs van industriële katalysatoren lees je meer.