Klei draait al een tijd mee in de chemische industrie. Bekend zijn de zeolieten die vaak als moleculaire zeef en als vaste zure katalysator worden gebruikt. Een iets minder bekende klei, die niettemin door bijna iedereen wel eens is gebruikt, is hydrotalciet. Het is de actieve stof in maagzuurtabletten. Sinds kort is er nieuwe belangstelling voor hydrotalciet vanuit milieuoogpunt. Het is een natuurlijk mineraal dat ook synthetisch gemaakt kan worden. Het is een onschadelijk, milieuvriendelijk materiaal.

Hydrotalciet bestaat uit laagjes van een mix van magnesium- en aluminiumhydroxide octaëders. Deze lagen zijn positief geladen. De lading wordt gecompenseerd met negatief geladen ionen tussen de lagen, bijvoorbeeld carbonaat of hydroxy anionen. Daardoor is het materiaal basisch en dus goed in het neutraliseren van zuur zoals maagzuur. Verder is het ook bruikbaar als vaste basische katalysator. Een derde aardige eigenschap van het materiaal is de mogelijkheid om anionen uit de tussenlaag uit te wisselen met anionen uit de omgeving, bijvoorbeeld chloride-ionen.

Deze eigenschappen zijn van belang voor de PVC industrie. Bij de verwerking van de kunststof PVC bij verhoogde temperatuur komt namelijk een kleine hoeveelheid zoutzuur (HCl) vrij dat kan zorgen voor verkleuring van het PVC en zelfs afbraak van de PVC ketens. Om dit te voorkomen worden onder andere loodverbindingen als zuurvanger toegevoegd aan PVC. Die werken goed als hittestabilisatoren maar zijn erg schadelijk voor het milieu. Hydrotalciet als onschadelijk en milieuvriendelijk alternatief zou die functie kunnen overnemen.

Rotsblokken
Prof. dr. Leo Jenneskens van het cluster Organische Chemie en Katalyse van het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht doet onderzoek naar hydrotalciet voor de toepassing in kunststoffen. "PVC is hydrofoob en het hydrotalciet is hydrofiel," legt Jenneskens uit. "Die twee mengen dus slecht, je krijgt aggregaten van de klei in het polymeer. Dat is één van de problemen die opgelost moesten worden." Goede dispersie is nodig want het is van groot belang dat de zuurvanger op de plek zit waar het zoutzuur vrijkomt. De Utrechtse promovendus Patrick Loffeld heeft daarom het oppervlak van de hydrotalcieten gemodificeerd met onder andere vetzuren en alkylsiloxanen. Hierdoor wordt het hydrotalciet hydrofoob en kan het goed gedispergeerd worden in de PVC.

Een ander praktisch probleem ontstaat al bij de synthese van het hydrotalciet. Bij het filtreren van het product vormt zich een dikke koek die uit grote deeltjes (aggregaten) van hydrotalciet bestaat. Voor het gebruik in PVC en polymeren in het algemeen moeten de deeltjes echter heel erg klein zijn, maar, zegt Jenneskens, dat lukt eigenlijk niet goed. "Na filtratie en drogen is het heel moeilijk zo niet onmogelijk om de deeltjesgrootte en distributie te controleren." Daarom hebben de onderzoekers een andere techniek toegepast voor het drogen van de klei: sproeidrogen. De suspensie van hydrotalciet wordt verneveld en droogt daarbij op in de vorm van kleine, luchtige bolletjes. "Het eerste sproeidroog-experiment hebben de heren Loffeld, Geus en Jenneskens op een zaterdagmiddag uitgevoerd bij het bedrijf Holland Colours in Apeldoorn," zegt Jenneskens met enige trots. "Het is zo simpel maar het werkt. We hebben er octrooi op aangevraagd."

Voor de toepassing van hydrotalciet als zuurvanger in PVC hebben de Utrechtse onderzoekers nog een derde verbetering aangebracht. Zij hebben gecontroleerd een deel van de magnesiumionen in de magnesium- en aluminiumhydroxide hydrotalcietlaagjes door zinkionen vervangen. Het blijkt dat het hydrotalciet daardoor nog efficiënter zoutzuur afvangt. "Inbouw van zinkionen zorgt ervoor dat het hydrotalciet effectiever HCl afvangt." zegt Jenneskens, "We hebben laten zien dat vervangen van de magnesiumionen door zinkionen de reactiviteit van het zoutzuur met carbonaationen in de tussenlaag en vooral met de metaalionen in de lagen sterk beïnvloedt." Het is natuurlijk de vraag of zink niet evengoed een zwaar metaal is, zodat het milieu er per saldo niks mee opschiet wanneer hydrotalcieten met zink de loodverbindingen vervangen. Daar gaat het niet om, vindt Jenneskens. De loodverbindingen zijn vrij aanwezig. De kleine hoeveelheid zink is ingebouwd in een synthetisch mineraal dus het is minder schadelijk dan de niet gebonden loodverbindingen. "Hydrotalcieten hebben zoveel voordelen," aldus de hoogleraar, "We kunnen van alles op het oppervlak zetten, we kunnen vanalles in de tussenlaag stoppen, én we begrijpen wat er gebeurt."

Herenakkoord
In het Groningse Veendam zit één van de grootste producenten van synthetische hydrotalciet ter wereld, Kisuma Chemicals BV. Zij produceren vijftienduizend ton van de klei per jaar onder andere voor de PVC industrie en bezitten daarmee een marktaandeel van ruim zestig procent in Europa en Amerika, zegt Teus Wigmans van Kisuma. De grondstof magnesiumchloride zit in de Groningse bodem. Samen met aluminiumsulfaat, soda en natronloog wordt het tot hydrotalciet verwerkt. Er bestaat een herenakkoord binnen de PVC-industrie dat er in 2015 geen loodverbindingen meer zullen worden gebruikt. Volgens Wigmans worden in electrische draden van PVC al geen loodverbindingen meer gebruikt. Maar in tachtig procent van de andere toepassingen zoals raamkozijnen zit nog wel lood. "Er is technisch en economisch geen reden om nog lood te gebruiken, maar de overgang naar loodvrije systemen verloopt traag," zegt Wigmans. Zijn bedrijf is erbij gebaat als de loodverbindingen worden vervangen door hydrotalciethoudende calcium-zink stabilisatoren. Maar een te snelle overgang is niet wenselijk, zegt Wigmans: "Dat zou tot schaarste in de markt kunnen leiden met alle negatieve gevolgen van dien." De afgelopen drie jaar is de capaciteit in Veendam al verdubbeld en er zijn plannen om de productiecapaciteit van hydrotalciet na 2007 verder uit te breiden.

Ook de overheid wil het onderzoek naar milieuvriendelijke alternatieven voor loodverbindingen stimuleren. Henk Groeneveld van VROM is projectleider Duurzame Chemie, een onderdeel van het platform Groene Grondstoffen dat zich ten doel stelt "de structurele verduurzaming van het grondstoffengebruik in Nederland in gang te zetten en te demonstreren." Hij verbaast zich erover dat de loodverbindingen nog niet vervangen zijn door hydrotalciet. "Waarom zou je die loodvervangers niet nu vast gebruiken in plaats van wachten op het uitfaseren van lood?" De Utrechtse hoogleraar Jenneskens denkt dat het de industrie op dit moment nog te weinig oplevert om nu al over te schakelen van loodverbindingen naar hydrotalciet: "Het probleem is dat PVC een commodity is. Op het moment dat een bedrijf er geld in moet steken dan is dat er niet."

Jenneskens is evenals Groeneveld van VROM een groot voorstander om nu al loodverbindingen te vervangen door hydrotalcieten. "Als je van de zware metalen af wil moet je een nieuwe stap maken. Op het moment dat de overheid zegt: nu mag het niet meer, dan moet de industrie wel. En dan is er volgens mij maar één mogelijkheid; hydrotalciet." Groeneveld: "Het is leuk als wetenschappelijk onderzoek een kans krijgt in de praktijk. De onderzoekers kunnen aankloppen bij ons 'Koplopersloket'. Wij zijn wegwijzer en bemiddelaar, bijvoorbeeld als een industriële partner gevonden moet worden om het onderzoek toe te passen in de praktijk, dan kunnen wij helpen met zoeken."

Geheim
"Wanneer de toepassingen op de markt komen weet ik niet," zegt Jenneskens. "Wij willen graag de volgende stap zetten, dan weet je pas of het in de praktijk werkt. Iedereen roept dan: wat een goed idee! Tot ze er zelf wat geld in moeten steken." Plannen heeft hij genoeg voor vervolgonderzoek. Promovendus Patrick Loffeld is het bijvoorbeeld gelukt om negatief geladen pigmenten geordend in de tussenlagen  van een hydrotalciet vast te zetten. Jenneskens denkt dat die vinding kan worden toegepast in onder andere de verfindustrie. Het hydrotalciet kan in principe gebruikt worden als drager voor allerlei additieven zowel op het oppervlak als in de tussenlagen. De klei kan additieven gecontroleerd in een polymeer verdelen, of op een gewenste plaats vrij laten komen. Jenneskens: "We kunnen gebruik maken van de kennis die we nu hebben van hydrotalciet om te kijken of het geschikt is ter vervanging van andere additieven in PVC en andere polymeren en in hoeverre het gebruikt kan worden om andere additieven te stabiliseren."

Onlangs is een intentieverklaring getekend in het bijzijn van Groeneveld van VROM. De aanwezige partijen spreken daarin het voornemen uit om samen verder onderzoek te doen naar hydrotalcieten met als doel een nieuw product op de markt te brengen. Groeneveld: "Het is ontzettend fijn dat dit nu gaat gebeuren, ik kan het initiatief alleen maar toejuichen." Wie de partijen zijn die de verklaring getekend hebben mogen we helaas nog niet bekendmaken. Ook het onderwerp van het het onderzoek is nog geheim. Dat het innovatief zal zijn is zeker. Wij houden u op de hoogte.

Het volledige artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad no. 1, 21 januari 2006.