Categorie archief: Geen categorie

Ammoniumnitraat opnieuw onder vuur

Op 4 augustus 2020 werd de wereld opgeschrikt door een gigantische explosie in de Libanese hoofdstad Beiroet. De klap was te wijten aan 2750 ton ammoniumnitraat dat daar, door falend overheidsbeleid, al 7 jaar lag opgeslagen. Wat is dit ook al weer voor stof? Hoe komen we eraan, en, vooral, hoe komen we er ook weer vanaf?

Ammoniumnitraat, NH4NO3, is een simpel zout, qua structuur vergelijkbaar met keukenzout, NaCl. Als vaste stof bestaat het uit witte, regelmatige kristallen die onder normale omstandigheden stabiel zijn. Zelfontleding treedt pas op bij temperaturen boven de 200 graden Celsius vanwege de hoge activeringsenergie die daar voor nodig is. Bovendien worden de korrels gecoat om het aantrekken van vocht te verminderen.

Het kan echter flink mis gaan wanneer AN-kristallen zich niet houden aan de “anderhalve nanometer regel”. Door vocht of andere verontreinigingen kan de stof instabiel worden waardoor de activeringsenergie verlaagd wordt. In de mijnbouw wordt het veel gebruikt als springstof; bij ANFO (Ammonium Nitrate Fuel Oil) is er een organische brandstof zoals diesel aan toegevoegd.

De explosie in Beiroet past in een reeks ongelukken met ammoniumnitraat die in de afgelopen honderd jaar tot de grootste industriële rampen hebben geleid. Vers in het geheugen staan een soortgelijk ongeluk in de haven van Tianjin, China (2015) en de explosie in Toulouse in 2001. Al in 1921 ontplofte een kunstmestfabriek in Oppau (bij Ludwigshafen, Duitsland) waarbij zeker 500 mensen omkwamen.

De explosie in Beiroet is uitzonderlijk goed vastgelegd, omdat veel omwonenden de voorafgaande brand al het filmen waren. De vele beschikbare beelden hebben geleid tot een snelle en eenduidige analyse.

Na een grijze rookpluim van de initiële brand was een felle steekvlam te zien, gevolgd door een verticale roodbruine wolk en een ringvormige witte wolk.

De kleuring was veroorzaakt door de vorming van NO2, dat samen met stikstof, zuurstof en andere stikstofoxiden vrijkwam. De witte wolk bestond uit direct tot kleine druppeltjes gecondenseerde waterdamp.

Niet direct waarneembaar op de foto’s is de drukgolf, die met een snelheid van meer dan 2 kilometer per seconde enorme schade aan alles en iedereen in de wijde omtrek veroorzaakte. Ruiten en trommelvliezen knapten, gebouwen in de directe omgeving werden verpulverd, erachter gelegen objecten gezandstraald.

Overigens lijkt het risico voor volksgezondheid (door chemicaliën) op langere termijn relatief mee te vallen. Er is weliswaar een mix van stikstofoxiden gevormd, waaronder het giftige NO2, maar deze stoffen zijn in korte tijd verdund en verwaaid. Wel was er sprake van een grote hoeveelheid fijnstof in de atmosfeer als gevolg van de verpulverende werking van de drukgolf.

 

Wat maakt explosies van AN zo heftig?

Ammoniumnitraat bestaat in feite uit water, licht en energie. Bij de ontleding komen diezelfde stoffen weer vrij, samen met heel veel energie: NH4NO3 -> N2 + 2 H2O + ½ O2 + energie/warmte. Bij een explosie komt er vanwege de hoge temperatuur er ook een mix van stikstofoxiden (NOx) vrij, en het gevormde water als stoom. Een vaste stof die weinig ruimte inneemt wordt bij deze explosie volledig omgezet in een mengsel van gassen, die bij de hoge temperatuur ook nog eens extra uitzetten. Bij een explosie van een brandbare stof zoals benzine is de toevoer van zuurstof cruciaal; bij de detonatie van ammoniumnitraat is helemaal geen zuurstof nodig, die zit er al ‘ingebakken’ (en komt zelfs extra vrij). Als gevolg hiervan neemt de kracht van een explosie van ammoniumnitraat lineair toe met de hoeveelheid aanwezige stof.

Vanwege de risico’s wordt productie, vervoer en opslag van ammoniumnitraat streng gereguleerd en gecontroleerd. Langdurige en verwaarloosde opslag van de stof is dan ook vragen om moeilijkheden vanwege de mogelijk optredende vervuiling. Het is dan niet de vraag of, maar wannéér de zaak ontploft

De BBC publiceerde onlangs een overzicht van plekken waar AN op een onveilige manier ligt opgeslagen, o.a. in Senegal, India, Jemen en Irak.

 

Wereldmarkt

Per jaar wordt wereldwijd een slordige 25 miljard kg ammoniumnitraat geproduceerd, wat neerkomt op ca. 3,5 kg per wereldburger. Hiervan is 65% bestemd voor kunstmest, 30% voor explosieven (mijnbouw).

De kostprijs van een kilo AN is ca. €0,20, de totale wereldhandel bedraagt derhalve zo’n 5 miljard euro per jaar, dit is slechts ruim 1 promille van de wereldmarkt voor alle verhandelde chemicaliën.

Vervoer en opslag van duizenden tonnen is normaal, maar wordt zorgvuldig gereguleerd. Zo vormen schepen die in West-Europa aanmeren normaal gesproken geen gevaar. Waar vooral op moet worden gelet zijn verwaarloosde partijen in politiek minder stabiele gebieden. ‘Verbieden’ van de stof is echter geen optie.

 

Waar wordt ammoniumnitraat voor gebruikt?

De basis voor voedselproductie is fotosynthese, waarbij kooldioxide en water met behulp van (zon)licht worden omgezet in organische stoffen zoals koolhydraten: CO2 + H2O -> (CH2O)n + O2

De opbrengst van dit proces wordt bepaald door beperkende factoren: er zijn ook andere nutriënten nodig, waarvan stikstof één van de belangrijkste is, bijvoorbeeld voor de aanmaak van aminozuren en de daaruit opgebouwde eiwitten. Ammoniumnitraat is een ideale stikstofbron omdat beide ionen van het zout stikstof bevatten en gemakkelijk kunnen worden opgenomen.

Traditioneel is landbouw gericht op optimalisatie van de opbrengst door het wegnemen van de beperkende factoren. Zo wordt beregend bij droogte, worden essentiële nutriënten toegevoegd via (kunst)mest, en kan zelfs (zoals in kassen) de concentratie CO2, de temperatuur en de lichttoevoer zodanig worden aangepast dat een maximaal resultaat wordt behaald. Circulaire landbouw is er juist op gericht om alle factoren in evenwicht te houden.

Bij hogere temperaturen verlopen chemische reacties sneller, dit scheelt ongeveer een factor 2 bij elke 10 graden. Daarom kan in tropische landen soms wel 2 of 3 keer per jaar geoogst worden. Hierin schuilt ook de paradox van het tropisch regenwoud: men dacht vroeger dat de bodem daar wel erg vruchtbaar moest zijn om zo’n weelderige plantengroei mogelijk te maken. Kappen en afbranden die handel, en klaarmaken voor de landbouw. Helaas voor de boeren zit 80% van de organische stof en de nutriënten in het tropisch regenwoud boven de grond, haal je dat weg dan houd je een relatief kale, onvruchtbare bodem over. In gematigde streken zit 80% van de organische stof juist onder de grond, bijvoorbeeld in de vorm van humus.

 

Stikstofkringloop

Het element stikstof is overvloedig aanwezig op aarde maar voor 99% in de vorm van het inerte gas N2, dat zeer stabiel is door de drievoudige binding tussen beide atomen. Van oudsher was gebonden stikstof daarom schaars en één van de belangrijkste nutriënten en beperkende factoren voor plantengroei.

Natuurlijke primaire bronnen van gebonden stikstof zijn onweer en bosbranden, waarbij stikstofoxiden gevormd worden. Daarnaast zijn er bepaalde bacteriën in staat om stikstof uit de lucht te binden tot ammonium (stikstoffixatie). Andere bacteriën kunnen het omgekeerde proces uitvoeren (denitrificatie).

Tussen deze ultieme stappen vinden allerlei processen plaats waarbij gebonden stikstof wordt gebruikt voor de opbouw van bijvoorbeeld aminozuren en weer gerecycled door afbraakreacties.

In de 19e eeuw ontdekte men natuurlijke stikstofrijke afzettingen en mineralen zoals guano (geconcentreerde uitwerpselen van vogels en vleermuizen) en chilisalpeter (natriumnitraat). Het gebruik van deze stoffen in de landbouw zorgde voor een enorme toename van de productiviteit.

Aan het eind van de 19e eeuw lukte het de Noorse ingenieur Kristian Birkeland om met behulp van elektriciteit ammoniak uit waterstof en stikstof te maken: N2 + 3 H2 -> 2 NH3.

Begin 20e eeuw werd dit proces verbeterd door Haber & Bosch; tegenwoordig wordt op deze manier wereldwijd ca. 200 miljoen ton NH3 per jaar geproduceerd, wat meer dan 1% van het energiegebruik en 3 tot 5% van de gebruikte hoeveelheid aardgas kost, de belangrijkste grondstof voor het benodigde waterstof. Het is ook mogelijk om via elektrolyse van water “fossielvrije” ammoniak te produceren, maar dat proces is vooralsnog minder efficiënt en veel duurder.

Als gevolg van de massale productie van ammoniak is stikstof vrijwel nergens ter wereld meer een beperkende factor voor de landbouw. Dit proces heeft het mogelijk gemaakt de wereldbevolking te laten groeien van 1,6 miljard in 1900 tot bijna 8 miljard nu. Zonder dit proces zouden nog geen 4 miljard mensen kunnen worden gevoed. Keerzijde is dat de wereld verslaafd is geraakt aan gebonden stikstof en dat de natuurlijke afbraak ervan door bacteriën bij lange na niet in staat is om het in balans te houden.

De hoeveelheid ammoniak die momenteel per jaar wordt geproduceerd door fabrieken ligt in dezelfde orde van grootte als de natuurlijke productie door bacteriën. Via isotopenanalyse is bepaald dat van alle stikstofatomen in het menselijk lichaam ca. 80% geproduceerd is via het Haber-Bosch proces.

Door deze stikstofcrisis treedt verzadiging van bodem en grondwater op, met als gevolg eutrofiëring, en woekering stikstofminnende planten en verschraling van ecosystemen en biodiversiteit.

De wereld stikt in (gebonden) stikstof

 

Oplossingen

Oplossingen voor de stikstofcrisis liggen niet voor het oprapen. Hier een paar opties:

1) Vermindering productie NH3 / NH4NO3. Maar ja, hoe dan… Het is een goedkoop en efficiënt proces. Je zou heffingen op kunnen leggen aan de producenten, maar dat lijkt niet gemakkelijk te realiseren.

2) Vermindering verkeer en andere (verbrandings)processen waarbij NOx vrijkomt.

3) Vermindering gebruik stikstofhoudende kDe wereld stikt in stikstofunstmest en stimulering van circulaire landbouw.

4) Beperking van de (toename van de) wereldbevolking.

5) Stimulering van afbraak gebonden stikstof door gecontroleerd inzetten van denitrificerende bacteriën en andere biologische technieken.

Fruitvliegjes…

Er komt nog maar weinig plastic mijn huis binnen. En wat er binnenkomt krijgt meestal nog wel een tweede of derde leven. Polyethyleen broodzakken bijvoorbeeld, die bewaar ik altijd om restjes te kunnen invriezen, of als vuilniszakje in een pedaalemmer.
Bij de supermarkt kun je nu ook van die handige plastic zakjes krijgen om zelf croissants en andere broodjes in te doen. Er zitten minuscule gaatjes in om wat lucht te kunnen doorlaten en daarmee het brood vers te houden terwijl het nog wel kan ‘ademen’. Ook deze zakjes gooi ik nooit gelijk weg: ze zijn namelijk ideaal om fruit in te bewaren, zeker in de zomer!

Je kunt natuurlijk zelf een fruitvliegenval maken, die trekt de vliegjes aan en houdt ze vast. Daarna laat je ze buiten vrij, met het risico dat ze ze zo weer binnen komen en je weer met de gebakken peren zit. Alternatief is een val waarin ze verdrinken in een mengsel van azijn en afwasmiddel. Werkt wel, maar dat wordt snel een smerige boel en het is nou niet bepaald diervriendelijk. Ik doe in principe geen vlieg kwaad, zelfs geen fruitvliegjes.

Nee, neem dan die zakken met gaatjes: gewoon al je fruit ‘inpakken’ in dit soort zakken, wel zodanig dat het fruit niet tegen de zak aandrukt. Ideaal op het aanrecht of buiten, bijvoorbeeld bij de barbecue. Het fruit hoeft niet in de koelkast en kan lekker narijpen bij kamertemperatuur zonder te gaan rotten. En de fruitvliegjes? Die hebben het nakijken! Eet smakelijk!