Nikkel en Nikkelertsen

Nikkel is niet meer weg te denken uit onze moderne maatschappij. Wat te denken van bijvoorbeeld roestvrij staal? Kennislinkcorrespondent Jack Voncken (TU Delft) vertelt precies wat nikkel is, waar het vandaan komt, en hoe het gebruikt wordt.

22 juni 2011

Nikkel is een veel gebruikt metaal. Hoewel weinig mensen het metaal als zodanig kennen, is het niet meer weg te denken uit onze moderne maatschappij. Zo bestaat roestvrij staal voor een deel uit nikkel. Maar ook muntgeld bevat nikkel. En zo zijn er nog vele meer toepassingen van nikkel.

Nikkel wordt gewonnen uit nikkelertsen. Twee typen zijn bekend: de sulfidische ertsen, gerelateerd aan ondergronds vulkanisme en asteroïde–inslagen in het Precambrium (ouder dan 542 miljoen jaar geleden), en de zogenaamde lateritische nikkelertsen, die uit verwering van bepaalde gesteenten ontstaan. Het artikel is geïnspireerd door een gastcollege van de auteur voor de internationale mijnbouwopleiding EMC (European Mining Course) voor studenten uit Nederland, Finland, Duitsland, Polen en Groot-Brittannië.

Het element nikkel

Nikkel is een chemisch element, met het symbool Ni en atoomnummer 28. Nikkel behoort tot de overgangsmetalen. Een overgangsmetaal of transitiemetaal is een element uit de kolommen drie tot en met twaalf van het periodiek systeem. De dichtheid van nikkel is 8902 kg/m³. Het smeltpunt van nikkel is 1726 K (1453 °C). Het is een zilverwit glanzend metaal met een lichte gouden tint.

Nikkel is bij kamertemperatuur één van de vier ferromagnetische metalen. Dit zijn metalen met dezelfde magnetische eigenschappen als ijzer (Fe). De overige twee zijn kobalt (Co) en gadolinium (Gd). Nikkel werd ontdekt in 1751 door de Zweedse mineraloog Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765) in het mineraal nikkelien (niccoliet), dat de formule NiAs heeft.

De naam nikkel is ontleent aan het oude Duitse woord “kupfernickel”. Dat betekent zoiets als “koperduivel of duivelskoper”. In het middeleeuwse Duitse Ertsgebergte (tussen Duitsland en Tsjechië) kwam koper voor, maar ook een rood, enigszins koperkleurig mineraal dat echter geen koper bevatte. Omdat men niet het verwachte koper uit dit mineraal verkreeg, maar een ander, onbekend metaal (nikkel), beweerde men dat de duivel het veronderstelde kopermineraal had verwisseld met iets anders. Dit mineraal was, zo weten we nu, nikkelien (NiAs). Men kon toen nikkel niet zuiver verkrijgen uit dit erts, en men kende het metaal eigenlijk niet. Pas in 1751 lukte het Cronstedt om zuiver nikkel hieruit te isoleren.

Het gebruik van nikkel

Nikkel wordt nu gebruikt in vele industriële toepassingen en consumententoepassingen. Hierbij moet men bijvoorbeeld denken aan roestvrij staal, magneten, oplaadbare batterijen, moderne accu’s (lanthaan-nikkelhydride accu’s) en snaren voor elektrische gitaren. Nikkel wordt ook gebruikt voor coatings, en als een groene kleurstof in glas. In hoofdzaak wordt nikkel echter gebruikt als metaal voor legeringen, waarvan de belangrijkste zijn: nikkel-staallegeringen (roestvrij staal), en nikkelgietijzer. Er zijn echter nog talloze andere legeringen, met onder andere brons, messing, koper, chroom, aluminium, lood, kobalt, zilver en goud.

Nikkel wordt ook regelmatig gebruikt als een katalysator, al dan niet in de vorm van een legering (bijvoorbeeld Raney nikkel, een vaste katalysator bestaande uit fijne korrels van een aluminium-nikkel legering, welke in vele industriële processen wordt toegepast). Nikkel komt ook voor in munten, en als vervanger voor decoratief zilver.

De samenstelling van een muntstuk van twee euro is als volgt: het centrum (geel) bestaat uit nikkelmessing, bestaande uit 75% koper, 20% zink en 5% nikkel. De rand bestaat uit een koper-nikkellegering, van 75% koper, 25% nikkel. Voor een muntstuk van één euro zijn rand en centrum precies omgekeerd.

Vandaag de dag is vernikkelen – niet in de betekenis van verkleumen/verstijven van de kou – een proces waarbij een metaal (meestal staal) voorzien wordt van een laagje nikkel. Dit vormt een beschermlaag die het metaal beschermt tegen roest en andere vormen van corrosie.

De prijs van nikkel op de belangrijkste metalenhandelsbeurs ter wereld, de London Metal Exchange (LME) varieert sinds 2006 tussen de 6 en 24 US$ per pond.

Nikkelertsen

Er zijn twee types nikkelertsen, namelijk de ertsen met sulfidemineralen, en de zogenaamde lateritische nikkelertsen. De ertsen met sulfidemineralen waren decennialang de belangrijkste bron voor nikkel, maar sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw is de tweede groep belangrijker geworden. Dit heeft te maken met het feit dat de sulfidische nikkelertsen aan het opraken zijn. Lateritische nikkelertsen zijn ook veel meer voorkomend. De sulfidische nikkelertsen zijn echter eenvoudiger als zodanig te herkennen, en het nikkel komt als een duidelijk herkenbaar nikkel-ijzersulfide (pentlandiet, (Ni,Fe)₉S₈) voor. In laterieten is het nikkel in het algemeen niet zo overduidelijk zichtbaar, en kan het alleen chemisch aangetoond worden.

Sulfidische nikkelertsen

Grote voorkomens van sulfidische nikkelertsen (met mineralen als pentlandiet (Ni,Fe)₉S₈, chalcopyriet CuFeS₂ en pyrrhotiet Fe_1-xS) zijn te vinden in Canada (Ontario), Rusland (Kola-schiereiland), Australië en Zuid-Afrika. Verreweg de belangrijkste van deze bronnen is de afzetting bij de Canadese stad Sudbury (Ontario). Het erts komt daar voor als lensvormige en laagvormige afzettingen van sulfidemineralen in een gelaagd magmatisch complex. Magmatisch wil zeggen dat het om vroeger gesmolten gesteente gaat, onder het aardoppervlak.

De sulfide-ertsen kunnen hooggradig zijn (= rijk aan nikkel) en bestaan dan meestal uit massief sulfide, of laaggradig (= arm aan nikkel) en bestaan dan uit verspreide sulfide-mineralen in het moedergesteente. Het gehalte aan nikkel in de sulfidische ertsen varieert tussen de 1 en 4%. Gemiddeld is het gehalte aan nikkel van het Sudbury-erts ongeveer 1,2%. In Canada komen vergelijkbare ertsen voor in Manitoba en Voisey’s Bay, Labrador.

Naast nikkel is ook koper – uit chalcopyriet – een metaal dat uit de Sudbury-ertsen in grote hoeveelheden wordt gewonnen. Verder komen in dit soort ertsen kleine, maar winbare hoeveelheden platina (Pt), palladium (Pd) en ook wel goud (Au) voor. Platina (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), Iridium (Ir), en Osmium (Os) vormen samen de Platinum Group Elements of PGE. In vergelijkbare Zuid-Afrikaanse ertsen wint men ook Rh, Ru, Ir en Os.

De ouderdom van het Sudbury-erts is 1,85 miljard jaar (dit is in het Proterozoicum-tijdperk). Voor de oorsprong van dit gesteente met haar ertsen daarin, gaan wetenschappers uit van een zeer grote asteroïde-inslag (een zogenaamd astrobleem of cryptokrater). De inslagkrater van het zogenaamde Sudbury-bekken is 62 km lang, 30 km breed 15 km diep, hoewel het huidige oppervlak veel ondieper ligt. Het is een van de grote inslagkraters, en één van oudste kraters op aarde. De diameter van de ingeslagen asteroïde was naar schatting 10–15 km. Een ander, heel bekend astrobleem is de Chicxulub-krater, waar de asteroïde is ingeslagen die het uitsterven van de niet-vliegende dinosauriërs tot gevolg had.

Sinds de ontdekking in 1883 hebben de hooggradige ertsen van Sudbury het hoofdbestanddeel van de wereldproductie aan nikkel geleverd. Historische productie en huidige reserves komen samen op een totaal van 1600 Mt (miljoen ton) met gemiddeld 1,2% nikkel. Het hooggradige massieve sulfide-erts is inmiddels volledig gewonnen.

Nikkel-laterieten

Lateritische nikkelafzettingen beslaan ongeveer 73% van de wereldvoorraad aan nikkel. Lateritisch nikkelerts bevat gemiddeld 1 tot 1,5% nikkel. In de toekomst zullen deze nikkelertsen de belangrijkste bron van nikkel zijn. Dergelijke ertsen komen onder andere voor in Nieuw-Caledonië, de Salomonseilanden, West-Australië, de Filippijnen, Indonesië, de Dominicaanse Republiek, Turkije en Balkanlanden zoals Griekenland en Albanië.

Laterieten zijn verweringsbodems. Als het verweerde gesteente ter plaatse blijft liggen op het onverweerde moedergesteente spreekt men van een verweringsbodem. Het belangrijkste mineraal in de ontwikkeling van nikkel-laterieten is olivijn. Dit is een mineraal in de serie Mg₂SiO₄ – Fe₂SiO₄ (forsteriet – fayaliet). Olivijn is een mineraal dat gemakkelijk hydroliseert (dat wil zeggen OH^–-ionen opneemt) in contact met oppervlaktewater of hydrothermaal water (=heet water uit de diepte). Olivijn is een hoofdbestanddeel van bepaalde gesteentecomplexen, welke ofiolieten worden genoemd.

Een ofioliet is een opeenvolging van gesteenten in een gebergtevormende gordel, die gewoonlijk sterk vervormd zijn, en metamorfose (chemische en mineralogische omzetting) hebben ondervonden. De oorsprong van deze gesteenten is de oceaanbodem of het bovenste deel van de aardmantel.

Dergelijke gesteenten hebben een laag SiO₂-gehalte (minder dan 45%), een vrij hoog gehalte aan MgO (meestal >18%), en een hoog gehalte aan FeO (>10%). Men noemt dit soort gesteenten ultramafisch of ultrabasisch. Een typisch voorbeeld is peridotiet. Olivijn komt in deze gesteenten overvloedig voor, en bevat gewoonlijk 0,3% Ni in de kristalstructuur. Ook kobalt komt erin voor (enige honderden deeltjes per miljoen). In tropische gebieden kunnen dit soort gesteenten gemakkelijk verweren als gevolg van overvloedige regen en rijke vegetatie.

Huidige laterietvorming vindt plaats op lage breedtegraden waar neerslag, temperatuur en grondwaterstroming hoog zijn. Laterieten op hogere breedten (Balkan, Turkije) hebben vroeger in de aardgeschiedenis op lagere breedtegraden gelegen als gevolg van continentverschuiving. De laterieten van de Balkan en Turkije hebben een Onder-Krijt ouderdom (125–130 miljoen jaar). Ze liggen niet aan het oppervlak, maar op een diepte van 300–400 m. Men noemt deze paleolaterieten.

Olivijn verweert tot serpentijn (Mg₃Si₂O₅(OH)₄), kleimineralen en/of kwarts. De meeste verweringsproducten zoals Mg²⁺ worden door overvloedig water afgevoerd. Op enige meters onder het oppervlak slaat opgelost ijzer (Fe³⁺) neer als goethiet (FeOOH) en/of limoniet (FeOOH•nH₂O). Deze mineralen absorberen Ni²⁺-ionen. Het meeste Ni²⁺ reageert echter met serpentijn tot garnieriet. Dit vormt zich onderaan de laterietbodem. Boven de goethiet- en limonietafzetting ontstaat een harde ijzerrijke laag door ontwatering. Deze “ijzeren hoed” (de vakterm is “gossan”) beschermt de ijzerrijke en Ni-houdende bodem tegen verdere verwering en transport. Deze bodems hebben een roestbruine kleur (vanwege het ijzer) en kunnen meters dik worden.

Garnieriet werd vroeger als een mineraal beschreven. Eigenlijk is het een mengsel van mineralen, in hoofdzaak Ni-rijke plaatvormige silicaatmineralen, talk (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂), chlorieten (bijvoorbeeld (Mg₅Al)(AlSi₃)O₁₀(OH)₈), en kleimineralen.

Garnieriet is nu een algemene naam voor groen Ni-erts, gevormd uit de lateritische verwering van ultramafische of ultrabasische gesteenten. Garnieriet bevat tussen de 25 en 35% Ni. Gemiddeld bevat nikkel-lateriet 1–2% nikkel. Nikkel-laterieten worden in grote open groeves gewonnen. Een voorbeeld is de Goro-mijn in Nieuw-Caledonië.

Nederlandse bedrijven zijn niet betrokken bij de winning van nikkel uit laterieten. Grote internationale mijnbedrijven zoals Vale INCO en BHP Billiton houden zich hiermee bezig.

In de toekomst zal het overgrote deel van het gebruikte nikkel uit laterietafzettingen worden gewonnen. De glorietijd van de sulfidische afzettingen lijkt voorbij. Dit brengt met zich mee dat de winning van nikkel meer en meer in ontwikkelingslanden zal plaatsvinden in plaats van in Westerse landen zoals Canada. Een tekort aan nikkel zal in de komende eeuwen dan ook niet ontstaan.

Bron: Nikkel (Wikipedia)