Ureum (carbamide), gemakkelijk te produceren uit ammoniak en kooldioxide, is een zeer belangrijke chemische stof in de landbouw en de polymeerindustrie.
Toepassingen van ureum
Ureum is ’s werelds meest gebruikte stikstofmeststof en er wordt zelfs meer ureum geproduceerd per massa dan welke andere organische chemische stof ook. Met 46% N is het de meest geconcentreerde stikstofmeststof, die gemakkelijk verkrijgbaar is in de vorm van vrijstromende prills (korrels). Het is de goedkoopste vorm van stikstofmeststof om te vervoeren en het is ook de meststof die het minst snel “aankoekt”. Daarom wordt er in ontwikkelingslanden de voorkeur aan gegeven.
 |
Figuur 1 Dit rijstveld in Thailand is behandeld met ureum, de stikstofhoudende kunstmest die het meest wordt gebruikt in ontwikkelingslanden. Met vriendelijke toestemming van Kim Dixon. |
Weliswaar wordt meer dan 90% van het geproduceerde ureum als kunstmest gebruikt, maar het heeft ook andere toepassingen, waaronder de fabricage van melamine, dat wordt gebruikt in melamine-methanal harsen. Ureum zelf vormt ook belangrijke harsen.
Een steeds belangrijker toepassing van ureum is de vermindering van de luchtverontreiniging door dieselmotoren in auto’s, bussen en vrachtwagens. Dieselmotoren draaien bij hoge temperaturen en stikstof en zuurstof, afkomstig uit de lucht, kunnen onder deze omstandigheden met elkaar reageren tot hoge concentraties stikstofmonoxide. Een manier om deze verontreinigende stof te verwijderen is deze te laten reageren met ammoniak om stikstof te vormen.
Het is echter niet mogelijk ammoniak rechtstreeks te gebruiken omdat het te vluchtig en giftig is. In plaats daarvan wordt een oplossing van ureum in water in de hete gassen van de uitlaatgassen van de motor gespoten. Ureum wordt thermisch afgebroken tot ammoniak en kooldioxide. Dit is het omgekeerde van het proces dat wordt gebruikt om ammoniak te maken:
In tegenstelling tot ammoniak is ureum veilig en gemakkelijk te hanteren.
De producten, ammoniak en kooldioxide, worden samen met de uitlaatgassen onmiddellijk over een katalysator in het uitlaatsysteem geleid. Ammoniak reduceert de bij de verbranding gevormde stikstofoxiden (voornamelijk stikstofmonoxide) tot stikstof. Het proces is complex, maar de totale reactie kan als volgt worden weergegeven:
Het systeem staat bekend als Urea SCR (selectieve katalytische reductie op basis van ureum) en kan de verontreiniging door stikstofoxiden tot bijna nul reduceren.
| Figuur 2 Ureumtanks behoren nu tot de standaarduitrusting van de meeste nieuwe dieselvrachtwagens, -bussen en -auto’s in veel landen. Het ureum wordt aan de uitlaatgassen toegevoegd als een 32% waterige oplossing die vaak bekend staat als BlueTEC. Op deze foto wordt een Mercedes-bus gevuld met BlueTEC-oplossing (met de blauwe spuitmond naar de onderste tank) en diesel (de bovenste tank). Met vriendelijke toestemming van Daimler AG. |
 |
Er zijn verschillende katalysatoren gebruikt. Een serie is gebaseerd op overgangsmetaaloxiden (bijvoorbeeld die van vanadium en wolfraam) op een drager, titaandioxide. Een andere serie is gebaseerd op zeolieten, waarin sommige kationen zijn uitgewisseld met een metaal zoals koper.
| Figuur 3 Een Mercedes-Benz E-Klasse E300 BlueTEC Hybride auto. De dieselmotor wordt gecombineerd met een elektromotor, waardoor zelfs bij hoge snelheden zuiver elektrisch kan worden gereden, wat de hoeveelheid verontreinigende stoffen aanzienlijk vermindert in vergelijking met een zuivere dieselmotor. De hoeveelheid uitgestoten stikstofoxiden wordt verder verminderd door het gebruik van de BlueTEC-oplossing, die de oxiden in de uitlaatgassen omzet in stikstof en waterdamp. Met vriendelijke toestemming van Daimler AG. |
 |
 |
Figuur 4 Een lijndiagram van de auto hierboven ter illustratie van vijf belangrijke elementen in het ontwerp van het uitlaatsysteem. 1 De oxidatiekatalysator wordt gebruikt om ongewenste koolwaterstoffen te verwijderen en ervoor te zorgen dat ze worden geoxideerd tot kooldioxide en water. De katalysator is meestal gebaseerd op platina of palladium. 2 Hij staat bekend als een NOx-katalysator en bevat aluminiumoxide aan het oppervlak waarvan platina en bariumoxide aanwezig zijn. Het vangt de stikstofoxiden op. Wanneer de vaste stof verzadigd is met de oxiden, worden onverbrande koolwaterstoffen doorgelaten, waardoor een groot deel van het mengsel wordt omgezet in stikstof, kooldioxide en waterdamp. 3 Een filter dat deeltjes (kleine stukjes koolstof en andere vaste deeltjes) opvangt. 4 Een tank die de oplossing van ureum bevat. 5 De SCR-katalytische omvormer die een andere katalysator bevat, bijvoorbeeld een oxide van vanadium (of wolfraam) op titaandioxide, die het mogelijk maakt dat de uitlaatgassen, die nog steeds enige stikstofoxiden bevatten, reageren met ammoniak gevormd uit de ureumoplossing, zodat uitlaatgassen worden geproduceerd met slechts sporen van de oxiden. Met vriendelijke toestemming van Daimler AG. |
Jaarlijkse productie van ureum1
| Wereld | 164 miljoen ton |
| China | 62 miljoen ton |
| India | 23 miljoen ton |
| Midden-Oosten | 20 miljoen ton |
| Rest van Azië | 18 miljoen ton |
| FSU | 12 miljoen ton |
| Noord-Amerika | 9.5 miljoen ton |
| Europa | 9.5 miljoen ton |
Verwacht wordt dat de wereldwijde jaarproductie zal stijgen tot meer dan 200 miljoen ton in 20182.
1. Potash Corporation, 2013
2. International Fertilizer Industry Association, 2014
Vervaardiging van ureum
Ammonium reageert met koolstofdioxide om ureum te produceren. Ureum wordt altijd in de buurt van een ammoniakfabriek gemaakt (figuur 5).
Ammonia en koolstofdioxide worden samen verhit bij 450 K en 200 atm druk. Eerst wordt ammoniumcarbamaat gevormd, dat snel ontleedt en ureum vormt:
Figuur 5 Een luchtfoto van een grote fabriek in Alberta, Canada, waar ammoniak wordt gesynthetiseerd
en vervolgens omgezet in ureum.
Met vriendelijke toestemming van Agrium Inc.
Veel van het ureum wordt geprild (figuur 6) en in die vorm verkocht.
| Figuur 6 Deze kleine bolletjes ureum staan bekend als prills. De prils worden gevormd door gesmolten ureum door een toren te spuiten waar lucht doorheen wordt gepompt. Zij zijn iets kleiner dan ureum dat als korrels wordt verkocht en zijn bijzonder nuttig wanneer de meststof met de hand wordt toegediend. Met vriendelijke toestemming van Agrium Inc. |
 |