Productie van fosfor circulair met cement

Fosfor komt van nature voor in de bodem, maar in lage concentraties. Naast stikstof en kalium is de beschikbaarheid van fosfor dé beperkende factor voor de opbrengst van de landbouw. In de afgelopen eeuwen konden opbrengsten worden verhoogd met behulp van fosfaten in mest en plantenresten. Vanaf de jaren 50 van de vorige eeuw nam het gebruik van kunstmest, bestaande uit fosfaat, stikstof en kalium, een enorme vlucht. Vooral door het gebruik van fosfaat, afkomstig van fosfaaterts, kon de landbouw­productie de groei van de wereldbevolking bijhouden.

Fosfaaterts (fosforiet) is echter schaars en zal, ondanks de recente ontdekking in Noorwegen van een enorme hoeveelheid fosfaaterts, op termijn opraken. Daarnaast is Europa nu nog voor meer dan 80 % afhankelijk van import. Fosfaaterts staat daarom op de Europese lijst van kritieke grondstoffen. Naast fosfaaterts staat witte fosfor (P₄) apart op de lijst, omdat deze vorm essentieel is voor onder andere de farmaceutische industrie en veel wordt toegepast in elektronica. Productie van P₄ vraagt om specifieke installaties die, sinds de sluiting van Thermphos in Vlissingen, niet meer in Europa aanwezig zijn. Europa is voor witte fosfor daarom volledig afhankelijk van import.

Zuiveringsslib, een restproduct van het zuiveren van afvalwater, bevat zo’n 30 tot 40 gram fosfaat per kg droge stof. Bij verbranding komt het fosfaat in de as terecht; de as bevat grofweg 80 gram fosfor (of 200 gram fosfaat) per kg as, dus zo’n 8 % fosfor. Dat maakt zuiveringsslib een zeer interessante bron van fosfor. De in zuiveringsslib aanwezige fosfor is zelfs ruim voldoende om aan de volledige vraag naar witte fosfor in de Europese Unie te voldoen.

De EU heeft 12 miljoen euro beschikbaar gesteld voor een 4 jarig demonstratieproject om witte fosfor te produceren door thermische en chemische behandeling van zuiveringsslib. Er wordt verwacht dat op basis van de technologie van dit project, genaamd FlashPhos, de EU in 2040 al 50 % van de behoefte aan witte fosfor kan produceren met 15 % van het in Europa vrijkomende zuiveringsslib. Uiteraard moet dit proces milieuvriendelijk en circulair zijn en daaraan kan de cementindustrie een belangrijke bijdrage leveren.

In 2025 moet een demonstratiefabriek op basis van het FlashPhos proces gereed zijn en tot 400 kg zuiveringsslib per uur kunnen verwerken. Bij het FlashPhos proces wordt zuiveringsslib gedroogd en gemalen en vervolgens vergast, waarbij inorganische componenten smelten of verdampen. Middels raffinage kan hieruit witte fosfor worden geproduceerd, maar bij dit proces komt ook een slak vrij die in een circulaire economie nuttig toegepast moet worden. Onderdeel van het project is het beoordelen van de geschiktheid van deze slak voor toepassing als grondstof voor cement. De eerste resultaten hiervan, die we zo bespreken, zijn veelbelovend.

Naast witte fosfor en een slak komen er ook metalen en brandbare gassen vrij. Een FlashPhos installatie kan worden gekoppeld aan een cementfabriek, zodat niet alleen de vrijkomende slak maar ook de vrijkomende gassen en restwarmte kunnen worden gebruikt ter vervanging van fossiele brandstoffen. De CO₂-emissies bij de productie van cement worden dus verlaagd door gedeeltelijke vervanging van portlandcementklinker én door vervanging van fossiele brandstoffen bij de productie van klinker, terwijl tegelijkertijd het FlashPhos proces daarmee volledig circulair wordt.

De slak die bij het proces vrijkomt bestaat hoofdzakelijk uit silicium-, aluminium- en calciumoxide en lijkt daarmee sterk op hoogovenslak. Drie monsters slak zijn op laboratoriumschaal (circa 35 kg per monster) gesmolten en vervolgens snel afgekoeld in water. Door de slak snel af te koelen (granuleren) ontstaat een glasachtige structuur, waardoor de slak reactief wordt. De monsters zijn vervolgens uitvoerig onderzocht door Dyckerhoff , VDZ (de vereniging van Duitse cementproducenten) en ResourceFull. Uit de resultaten blijkt dat de slak wat betreft eigenschappen goed vergelijkbaar is met de bekende hoogovenslak, alhoewel de reactiviteit wel wat minder is. Zeker bij hogere vervangingspercentages (50 %) blijft de 28-daagse sterkte-ontwikkeling achter bij die van hoogovenslak. Het proces en de kwaliteit van de slak kunnen echter nog worden geoptimaliseerd en uit de resultaten kan nu al worden geconcludeerd dat de slak geschikt is voor gedeeltelijke vervanging van klinker.

Naar verwachting kan productie van witte fosfor uit zuiveringsslib op industriële schaal samen met de industriële partners plaatsvinden vanaf 2028. De bedoeling is dat er rond 2040 in Europa 15 installaties beschikbaar zijn om witte fosfor te produceren, in samenwerking met onder andere de cementindustrie. Daarmee wordt Europa minder afhankelijk van import van de voor de maatschappij essentiële witte fosfor én wordt een bijdrage geleverd aan de verlaging van het CO₂-profiel van cement.