AT524580A4

AT524580A4 - Verfahren zum Abtrennen von elementarem Phosphor aus Eisenoxid-haltigen und Phosphat haltigen Stoffen

Info

Publication number: AT524580A4
Application number: ATA113/2021A
Authority: AT
Original assignee: Alfred Edlinger Dipl Ing
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-07-15
Also published as: AT524580B1

Abstract

Ein Verfahren zum Abtrennen von elementarem Phosphor aus Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoffen umfasst zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen zumindest eines Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoffs, Zugeben zumindest eines Aluminiumträgers zu dem zumindest einen Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoff und Aufschmelzen des zumindest einen Aluminiumträgers zusammen mit dem zumindest einen Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoff zu einer Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze, Umsetzen der Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze zu elementarem, gasförmigem Phosphor, Eisen und Al2O3-haltiger Schlacke in einem Schmelzgefäß (11), Abziehen des elementaren, gasförmigen Phosphors und Abstechen des Eisens und der Al2O3-haltigen Schlacke.

Description

Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Die Preise für Rohphosphat erfahren in letzter Zeit aufgrund der Verknappung geeigneter Rohstoffquellen eine ständige Steigerung. Zudem weisen die ausgebeuteten Phosphaterze zunehmend bedeutende Gehalte von Uran, Cadmium, Selen und weiteren gesundheitsschädlichen Begleitstoffe auf. Derartige Begleitelemente können nur mit sehr großem Aufwand entfernt

werden, sodass die Verwendung von Phosphaten aus solcherart

belasteten Erzen immer unwirtschaftlicher wird. Andererseits finden sich in Abfallstoffen teilweise relativ

große Gehalte an Phosphor-Verbindungen., Dies trifft beispielsweise auf Klärschlamm, Tiermehl, Knochenmehl und/oder

Stahlwerksschlacke und dergleichen zu.

Insbesondere für die Lebensmittelherstellung und für die

pharmazeutische Industrie werden hochreine Phosphor-

Ausgangsstoffe benötigt, die aus elementarem Phosphor (P4, weißer Phosphor) darstellbar sind. Die Herstellung gestaltet

sich jedoch zunehmend schwierig und wird zumindest in Europa

derzeit nicht mehr durchgeführt.

Ein wesentliches Problem bei der Gewinnung von elementarem Phosphor aus den ÄAusgangssto£ffen der eingangs genannten Art,

insbesondere aus Abfallstoffen wie Klärschlamm, Tiermehl,

dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die die Gewinnung von elementarem Phosphor aus den genannten Ausgangsstoffen ermöglichen, ohne dass es Zur Bildung von Phosphorschlamm oder Phosphinen kommt. Zugleich sollen die Bildung von unerwünschten Eisen-PhosphorLegierungen wie Eisenphosphiden, Ferrophes und Fe2P sowie CO2S Pe

Emissionen gegenüber Verfahren aus dem Stand der Technik

vermieden werden.

Aur Lösung dieser Aufgabe umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zumindest die folgenden Schritte:

Bereitstellen zumindest eines Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoffs

Zugeben zumindest eines Aluminiumträgers zu dem zumindest einen Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoff und

Aufschmelzen des zumindest einen Aluminiumträgers zusammen mit

dem zumindest einen Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoff zu einer Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze,

Umsetzen der Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze zu elementarem, gasförmigem Phosphor, Eisen und Al:Os-haltiger Schlacke in einem Schmelzgefäß

Abziehen von elementarem, gasförmigem Phosphor und

Abstechen von Eisen und Al:;Os-haltiger Schlacke.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Ausgangsstoffe zusammen mit zumindest einem Aluminiumträger aufgeschmolzen. In der resultierenden Schmelze, die eine Aluminium-haltige Phosphatschlackenschmelze ist und gegebenenfalls schon anfangs Aluminiumoxid enthalten kann, kommt es in der Folge zu einer exothermen Freisetzung von elementarem Phosphor (P», gasförmig) und metallischem Eisen. Das erfindungsgemäße Verfahren nützt somit eine autotherme Redoxreaktion zwischen den in verschiedenen Reduktionsstufen vorliegenden Redoxpartnern Eisenoxid, Phosphoroxid (Phosphat) und Aluminium, wobei die Redoxreaktion stark exotherm ist und die Reaktion somit von selbst aufrecht erhalten wird.

Die Phosphatschlacke bildet in der Schmelzphase leich bewegliche, elektrisch leitende Kationen- und Anionencluster (1onenkomplexe). Beispielsweise werden Kationencluster aus Fe**, Ca®*, Mg**, Na®, K" und dergleichen sowie Anionencluster beispielsweise aus PO4°", Si0°, 81047”, 8103" und ALO3*" gebildet. Eine bewusste elektrothermische (SchmelzflussElektrolyse) und/oder alutherme Teilreduktion der Phosphoroxide der Phosphatschlackenschmelze führt zu einer extrem rasch verlaufenden Reduktion der Phosphate zu

gasförmigen P2 und der Eisenoxide zu metallischem Eisen,

MUSS.

Die Umsetzung erfolgt so plötzlich, dass alıfällige Zwischenstufen von Phosphor und Verbindungen von Phosphat und Phosphor mit Begleitstoffen der Ausgangsstoffe nicht gebildet werden können und somit die Bildung von Phosphorschlamm und Phosphinen hintangehalten und effektiv vermieden wird, Aluminate und nichtmetallische Begleitstoffe reichern sich in der Schlacke an, während eventuell beispielsweise in Klärschlamm oder Stahlwerksschlacke oder Walzzunder enthaltene Schwermetalle im gebildeten Eisen legieren. Es wird auf diese Weise unmittelbar reiner Phosphor in der Gasphase erhalten, wobei das anfangs gebildete P; durch an sich bekannte Kühlverfahren wie Kühlen und Quenchen mit Wasser oder durch indirekte Kühlung mit bevorzugt regenerativen Wärmetauschern zu weiteren Phosphormodifikationen wie Pı umgesetzt werden

kann.

Die gebildete Schlacke kann nach schockartiger Kühlung in der Zementindustrie als hochwertiges hydraulisches Bindemittel eingesetzt werden, wofür der Schlacke gegebenenfalls je nach Anforderung an die Zielanalyse der Schlacke weitere Zuschlagstoffe zugesetzt werden können, Beispielsweise kann durch erhöhte Zugabe von metallischem Aluminium auch der S102Gehalt der Zielschlacke bei gleichzeitiger Erhöhung des Aluminiumgehaltes gesenkt werden. In diesem Fall entsteht eine FeSi-haltige Eisenschmeize mit etwas erhöhten Aluminiumgehalt. Diese Eisenlegierung kann in vorteilhafter Weise in der

Stahlmetallurgie als Desox-Legierungszugabe eingesetzt werden,

Hinsichtlich der Vermengung der Ausgangsstoffe sowie des

Aluminiumträgers kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform

der vorliegenden Erfindung dergestalt vorgegangen werden, dass der zumindest eine Eisenoxid-haltige und Phosphat-haltige

Stoff als Phosphatschlackenschmelze in dem Schmelzgefäß bereitgestellt und der zumindest eine Aluminiumträger in die Phosphatschlackenschmelze zugegeben wird. Die Phosphatschlackenschmelze kann hierbei aus einem oxidativen

Verfahren bereits weitgehend schadstofffrei bereitgestellt werden, sodass die Bildung von unerwünschten, giftigen

Substanzen von vornherein vermieden wird.

Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Vermengung der Ausgangsstoffe sowie des Aluminiumträgers kann es auch vorgesehen sein, dass als Eisenoxid-haltiger und Phosphathaltiger Stoff ein Feststoff, insbesondere Klärschlammasche mit einem Kalkträger und/oder Apatit und/oder Phosphaterz, bereitgestellt und dass als der zumindest eine ÄAluminiumträger festes, metallisches Aluminium zugegeben wird. In diesem Fall wird der Aluminiumträger somit nicht in eine bereits vorhandene Phosphatschlackenschmelze zugegeben, scndern der Ausgangsstoff wird in fester Form mit einem festen Aluminiumträger, dem metallischen Aluminium, beim Zugeben in Kontakt gebracht. Hierbei sind die Stoffe bevorzugt zu feinen Pulvern vermahlen, um eine große Reaktionsoberfläche zur Verfügung zu stellen. Das durch den Schritt des Zugebens erhaltene Gemisch muss anfangs in irgendeiner Weise gezündet werden, Dies kann mit einer Zündkerze oder einer Flamme bewerkstelligt werden oder aber auch durch. bereits im Schmelzgefäß vorhandene Phosphatschlackenschmelze erfolgen. Im weiteren Verlauf erhält sich die Reaktion aufgrund der

Exothermie der Redoxreaktion von selbst aufrecht.

von. schnelibindendem Zement für geeignet erscheinen lässt.

Für eine optimierte Verfahrensführung ist es, vor allem hinsichtlich einer wünschenswerten Viskosität der Schmelze zweckmäßig, dass die Basizität (CaQ/S10Os2) der Aluminiumhaltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze auf einen Wert von 0,65 bis 1,4,

bevorzugt 0,85 bis 1,2 und insbesondere bevorzugt 1

folgenden Anteile der Hauptkomponenten (in Gew.-%):

CaO 22 — 56 Al203 32 - 55 8102 1 = 22 Fe203 0,15 - 3 MgO 2 - 15

p 0,05 - 1,2

Dies entspricht der Richtanalyse eines hochwertigen Tonerde-

Schmelzzements.

Bevorzugt wird in dem Schmelzgefäß unter der Aluminiumhaltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze ein Zinnbad als Kathodenkörper bereitgestellt und zumindest ein Anodenkörper, bevorzugt aus Graphit, in die Aluminium-haltige und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze eintauchend bereitgestellt. Dies ermöglicht die elektrochemische Beeinflussung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie dies im

Folgenden erläutert wird.

Um den Einsatz von metallischem Aluminium möglichst zu minimieren, kann es vorgesehen sein, dass ein Gleichstrom, bevorzugt ein Gleichstrom von 3 V bis 15 V, bevorzugt von 6 V bis 12 V, insbesondere bevorzugt von 8 V bis 10 V, an den Kathodenkörper und den Anodenkörper angelegt wird, wie dies einer bevorzugten Ausführungsform der voriiegenden Erfindung

entspricht. Dies gestattet es, die Reaktionen über das

natürliche chemische Gleichgewicht hinaus durch Elektrolyse anzutreiben. Das gebildete Eisen reichert sich im Zinnbad an und unterschichtet das Zinnbad bei Erreichen der Sättigung des

Zinnbads.

Alternativ kann es aber bei an sich aufgrund der Qualität der Ausgangsstoffe und optimaler Einstellung der Basizität der Phosphatschlackenschmelze sowie der Temperatur mehr oder weniger vollständig ablaufender Reaktion auch bevorzugt auch vorgesehen sein, dass ein Gleichstrom vom Kathodenkörper und vom Anodenkörper abgenommen wird. In diesem Fall l1iefert das erfindungsgemäße Verfahren elektrische Energie, indem sich eine elektrische Spannung zwischen Anode und Kathode ausbildet, die einen externen Stromfluss auslösen kann, der in jeder erdenklichen Weise eingesetzt werden kann. Gleichzeitig kann über diese galvanische Kette auch eine Messung des Reaktionsfortschrittes in der Phosphatschlackenschmelze durchgeführt werden. Wenn Eisenoxid und Phosphoroxid der Phosphatschlackenschmelze vollständig reduziert sind und in der Elementarform vorliegen, £ließt kein Strom mehr. Dementsprechend haben Versuche gezeigt, dass der Stromf£luss in Abhängigkeit des Fortschritts der Phosphatschlackenredukt ion abnimmt. Weiters zugegebenes Aluminium (metallisches Aluminium) reagiert nicht mehr mit der nun ausreduzierten

Phosphatschlackenschmelze,

Um die Produkte der Kathodenreaktion und der Anodenreaktion gesondert gewinnen zu können, ist es gemäß einer bevorzugten wsführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Kathodenkörper in einem ersten Bereich des Schmelzgefäßes in einer in einem Teilbereich des Bodens angeordneten Senke in dem Schmelzgefäß bereitgestellt wird und dass der zumindest

aine Anodenkörper in einem zweiten, von dem ersten Bereich

verschiedenen Bereich des Schmelzgefäßes bereitgestellt wird, und dass gasförmiger Phosphor aus dem ersten Bereich und Sauerstoff aus dem zweiten Bereich abgezogen werden. Dadurch, dass der Kathodenkörper in einem Bereich angeordnet wird, der von jenem Bereich, in dem der Anodenkörper angeordnet ist, verschieden ist, fallen die Produkte der Kathoden- und der Anodenreaktion im Schmelzgefäß beziehungsweise im Gasraum des Schmeilzgefäßes örtlich getrennt an und können dadurch auch getrennt abgezogen werden. An der Kathode sind dies Eisen und gasförmiger Phosphor und an der Anode fällt bei einer inerten Anode lediglich Sauerstoff gasförmig an. Das gebildete Eisen reichert sich im Zinnbad an, unterschichtet das Zinnbad bei Erreichen der Sättigung des Zinnbads und kann aus der Senke

abgezogen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein durch ein feuerfest ausgekleidetes Gehäuse gebildetes Schmelzgefäß, eine in dem Schmelzgefäß angeordnete Aluminium-haltige und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze, einen durch das Gehäuse abgeschlossenen Gasraum über der Phosphatschlackenschmelze sowie eine Aufgabevorrichtung für Eisenoxid-haltige und Phosphat-haltige Stoffe und zumindest

eine Abziehvorrichtung für gasförmigen, elementaren Phosphor.

In dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Aluminiumträger zusammen mit den Eisenoxid-haltige und Phosphat-haltige Stoffe, den Ausgangsstoffe, aufgeschmolizen werden. In der resultierenden Schmelze, die eine Aluminiumhaltige und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze ist, kommt es entsprechend der Zugabe-Rate des metallischen Aluminiums zu einer exothermen

Preisetzung von elementarem Phosphor (P2, gasförmig) und

metaillischem Eisen. Die ursprüngliche Phosphatschlackenschmelze ist nach der Reduktion

beziehungsweise Umsetzung praktisch phosphor- und eisen-frei.

Wenn, wie dies im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Zuvor beschrieben wurde, der zumindest eine Eisenoxid-haltige und Phosphat-haltige Stoff als Phosphatschlackenschmeize in dem Schmelzgefäß bereitgestellt und der zumindest eine Aluminiumträger in die Phosphatschlackenschmelze zugegeben wird, ist die erfindungsgemäße Varrichtung bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Aufgabevorrichtung ein das Gehäuse durchsetzendes erstes Rohr aufweist, in welchem eine Fördereinrichtung, bevorzugt in Form einer Förderschnecke, für zumindest einen Aluminiumträger angeordnet ist. Durch dieses erste Rohr können die Aluminiumträger in das Gehäuse der Vorrichtung und letztlich in die Phosphatschlackenschmelze eingebracht und dort zusammen mit der Phosphatschlackenschmelze aufgeschmolzen werden. Der Reduktionsvorgang der Phosphatschlackenschmelze entspricht der

Zugaberate des metallischen Aluminiums.

Gemäß einer zuvor beschriebenen, alternativen Variante der vorliegenden Erfindung, ist es vorgesehen, dass als Eisenoxidhaltiger und Phosphat-haltiger Stoff ein Feststoff, insbesondere Klärschlammasche mit einem Kalkträger und/oder Apatit und/oder Phosphaterz, bereitgestellt und dass als Aluminiumträger festes, metallisches Aluminium zugegeben wird. An dieser Stelle wären auch die Zugabe von Aluminiumschrott, bevorzugt Magnesium-legiert, Phosphat-haltige Stahlschlacke, Phosphat-haltiger Walzwerkszunder und dergleichen als Feststoff denkbar, In diesem Fall ist die erfindungsgemäße

Vorrichtung bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die

durch die Hitze der Phesphatschlackenschmelze erfolgen.

Für die elektrochemische Beein£lussung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die erfindungsgemäß Vorrichtung bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass die Vorrichtung einen unter der Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxidhaltigen Phosphatschlackenschmelze angeordneten Kathodenkörper und zumindest einen in die Aluminium-haltige und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze eintauchenden Anodenkörper aufweist. Der Kathodenkörper und der Anodenkörper sind in bekannter Weise mit elektrischen

Leitungen zur Ausbildung eines Stromkreises versehen,

Um die Produkte der Kathoedenreaktion und der Anodenreaktion gesondert gewinnen zu können, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Kathodenkörper in einem ersten Bereich des Schmelzgefäßes in einer im Boden des Schmelzgefäßes angeordneten Senke angeordnet ist und dass der zumindest eine Anodenkörper in einem zweiten, von dem ersten Bereich seitlich beabstandeten Bereich des Schmelzgefäßes angeordnet ist und die Abzugsvorrichtung in dem zweiten Bereich angeordnet ist. Dadurch, dass der Kathodenkörper in einem Bereich angeordnet wird, der von jenem Bereich, in dem der Anodenkörper angeordnet. ist, verschieden ist, fallen die Produkte der Kathoden- und der Anodenreaktion im Schmelzgefäß beziehungsweise im Gasraum des Schmelzgefäßes Örtlich getrennt an und können dadurch auch getrennt abgezogen werden. An der Kathode sind dies Eisen und gyasförmiger Phosphor und an der Anode fällt bei einer inerten Anode lediglich Sauerstoff gasförmig an. Das gebildete Eisen reichert sich im Zinnbad an,

unterschichtet das Zinnbad bei

T

Erreichen der Sättigung des

Zinnbads und kann aus der Senke abgezogen werden.

Um eine möglichst vollständige Trennung der Produkte der Kathodenreaktion und der Anodenreaktion im Gasraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erreichen, ist die Erfindung bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich eine den Gasraum in zwei voneinander getrennte Abschnitte teilende Trennwand in die Aluminium-haltige und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze eintaucht. Somit können Produkte der Kathodenreaktion nicht in den ersten Bereich mit der Anode gelangen und umgekehrt und können auf diese Weise getrennt

abgezogen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kathodenkörper von einem Zinnbad gebildet. Bin Zinnbad als Kathode hat den Vorteil, dass sich neben dem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gebildeten Eisen auch Schwermetalle, die unter Umständen beispielsweise in Klärschlamm, Stahlwerksschlacke oder Walzzunder enthalten sein können, im gebildeten Eisen Llegieren und damit gebunden werden, Sobald das Zinnbad mit Eisen gesättigt ist, unterschichtet das beim erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Eisen das Zinnbad und kann abgezogen

werden.

Zur Erhöhung der Standzeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Zinnbad in einem in der Senke angeordneten Kohlenstoff-haltigen Körper aufgenommen, wie dies einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. Der Kohlenstof£f-haltige Körper kann bevorzugt als Graphitkörper ausgebildet sein, oder aus einer Koheinstoff-

haltigen Masse bestehen,

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Ancdenkörper aus Graphit gebildet sein. Graphitelektroden sind im Stand der Technik weit verbreitet und führen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildung von CO an der Anode, Das CO (Kohlenmonoxid}) kann in der Folge thermisch verwertet werden. Die Graphitanode wird hierbei

verbraucht und muss regelmäßig erneuert werden,

Um einen CO-freien Prozess zu gestatten, kann die Erfindung gemäß einer alternativen Ausführungsform dahingehend weitergebildet sein, dass der zumindest eine Anodenkörper aus einem hochlegierten Stahl gebildet ist, wobei der Stahl bevorzugt mit Platin beschichtet ist. Eine Platinbeschichtung erhöht die an sich schon gute Lebensdauer einer Anode aus hochlegiertem Stahl und bietet darüberhinaus katalytische Eigenschaften.

Weiters ist auch der Einsatz einer Söderberg-Elektrode als

Anodenkörper denkbar.

Wie bereits erwähnt, werden bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der erfindungsgemäßen Vorrichtung große Wärmemengen frei, was mitunter die Apparaturen in Mitleidenschaft ziehen kann, Um dem orzubeugen, kann der zumindest eine Anodenkörper kühlbar ausgebildet sein, bevorzugt durch innen im Kathodenkörper angeordnete Kanäle für eine Zinn-Schmelze, eine Salzschmelze oder Natrium-Schmelze oder für eine Gaskühlung, bevorzugt durch Stickstoff oder Argon, wie dies einer bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht

Wie bereits zuvor beschrieben, kann es, um den Einsatz von Aluminium möglichst zu minimieren, vorgesehen sein, dass ein

Gleichstrom, bevorzugt ein Gleichstrom von 3 V bis 15 V,

bevorzugt von 6 V bis 12 V, insbesondere bevorzugt von 8 V bis 10 V, an den Kathodenkörper und den Anodenkörper angelegt wird. Dies gestattet es, die Reaktionen über das natürliche chemische Gleichgewicht hinaus durch Elektrolyse anzutreiben. Hierzu weist die Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Mittel zum Anlegen eines Gleichstroms an den Kathodenkörper und den ÄAnodenkörper

auf.

Alternativ kann es aber bei an sich aufgrund der Qualität der Ausgangsstoffe und optimaler Einstellung der Basizität der Phosphatschlackenschmelze sowie der Temperatur mehr oder weniger vollständig ablaufender Reaktion bevorzugt auch vorgesehen sein, dass ein Gleichstrom vom Kathodenkörper und vom Anodenkörper abgenommen wird, In diesem Fall liefert das erfindungsgemäße Verfahren elektrische Energie, die in Jeder erdenklichen Weise eingesetzt werden kann. Hierzu weist die Vorrichtung Mittel zum Abnehmen eines Gleichstroms vom Kathodenkörper und vom Anodenkörper auf, wie dies einer entspricht. Die Anodenreaktion kann hierbei wie Lolgt

angegeben werden:

+3 - Al -—-> AL” +3 e

Dies stellt eine Elektronen-abgabe und folglich eine Oxidation

metallischen Aluminiums dar.

Die Kathodenreaktionen können hierbei wie folgt angegeben

werden:

pt 4 3e7 —> P

Fe”*4 + 3 87 —> Fe

Dies stellt eine Elektronen-Aufnahme und somit eine Reduktion

der Eisenoxide und Phosphoroxide dar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 2 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Kathodenkörper und mehreren Anodenkörpern, Figur 3 eine Aufgabevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bevorzugt für die Vorrichtung gemäß Figur 1, und Fig. 4 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei

der ein Gleichstrom an den Elektroden abgenommen werden kann.

In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Bezugszeichen I versehen. Die Vorrichtung 1 umfasst ein mit einem Feuerfestmaterial 2 zugestelltes Gehäuse 3 aus BaustahlBlech zur Ausbildung eines Schmelzgefäßes 11. Ein für die vorliegende Erfindung geeignetes Feuerfestmaterial wurde mit Magnesiumspinel in einer Alz03-Matrix gefunden, welches Material als gesinterter Feuerbeton bekannt ist. Korund-5Steine sind ebenfalls als Feuerfestmaterial geeignet. In dem Gehäuse ist Phosphatschlackenschmelze 4 als die Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoffe angeordnet, Eine Aufgabevorrichtung 5 der Vorrichtung 1 durchsetzt mit einem ersten Rohr 6 das Gehäuse 3, Durch das erste Rohr 6 der Aufgabevorrichtung 5 können Aluminiumträger 7 oder metallisches Aluminium

enthaltende Al:O3-Trägeraufgegeben werden, was durch eine

Fördereinrichtung 8 in Form einer Förderschnecke

bewerkstelligt wird. Die Aufgabevorrichtung 5 taucht in die Phosphatschlackenschmelze 4 ein, wodurch die Aluminiumträger 7 direkt in die Tiefe der Phosphatschlackenschmelze gelangen und dort zusammen mit den Eisenoxid-haltigen und Phosphaäat-halitigen Stoffe, nämlich der Phosphatschlackenschmelze 4 aufgeschmolzen und rasch zu elementarem Phosphor und Eisen umgesetzt werden. Der Phosphor wird über die Abzugsverrichtung 9 abgezogen und das Eisen sammelt sich am Boden 10 des Schmelzgefäßes 11. Dort kann das Eisen abgestochen werden. Die Phosphatschlackenschmelze 4 wandelt sich ohne die Zugabe

weiterer Äusgangsstoffe zu Phosphat-freier Zementschlacke um.

In Figur 2 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, Die Vorrichtung 1 gemäß Fiqur 2 weist einen unter der Aluminium-haltigen Phosphatschlackenschmelze 4 angeordneten Kathodenkörper 15 und mehrere in die Aluminiumhaltige Phosphatschlackenschmelze 4 eintauchenden Anodenkörper 13 auf, wobei der Kathodenköärper 15 von einem Zinnbad gebildet ist. Das Zinnbad 15 ist hierbei in einer Senke 14 im Boden 10 des Schmelzgefäßes 11 angeordnet und wird bei fortschreitender Reaktion von dem gebildeten Eisen unterschichtet, Das Zinnbad 15 ist in einem in der Senke angeordneten Graphitkörper 158 aufgenommen. Eine sich unter dem Kathodenkörper 15 ausbildende Eisenschicht ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet. Die Einleitung des Stroms erfolgt dann durch den Graphitkörper 18, die Eisenschicht 15 und das Zinnbad 15. Die Anodenkörper 13 können aus Graphit oder hochlegierten Stählen gebildet und

gegebenenfalls mit einer Beschichtung 16 versehen sein,

Der Kathodenkörper 15 ist in einem ersten Bereich A des Schmelzgefäßes 11 angeordnet, wobei der erste Bereich A durch eine Trennwand 16, die in die Phosphatschlackenschmelze 4

eintaucht, von einem zweiten Bereich B abgetrennt, der

seitlich vom Bereich A beabstandet ist. An der Abzugsvorrichtung 9 wird elementarer Phosphor in Form von P» abgezogen und an einer weiteren, dem zweiten Bereich B zugeordneten Abzugsvorrichtung 17 entweicht im Falle von beschichteten Änodenkörpern 13 Sauerstoff (O2). An die Kathode

und die Anode wird in bekannter Weise ein Gleichstrom

angelegt.

Die Aufgabeverrichtung 5 gemäß Figur 3 weist ein das Gehäuse 3 durchsetzendes erstes Rohr 6 au£, in weichem ersten Rohr 6 ein zweites Rohr 19 unter Ausbildung eines Ringspaltes 20 konzentrisch zum ersten Rohr 6 angeordnet ist. Das erste Rohr 6 überragt an seinem das Gehäuse 3 durchsetzenden Ende 6a das zweite Rohr 19. Zwei feststoffliche Komponenten, nämlich zum einen der Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltige Stoff 21 beziehungsweise der Ausgangsstoff 21 sowie ein Aluminiumträger 7, in diesem Fall metallisches Aluminium, die zusammen der Vorrichtung aufgegeben werden, geraten miteinander in Kontakt, was zur Ausbildung einer sich autotherm erhaltenden Reaktionsfront 22 führt, an der die Aluminiumträger 7 zusammen aufgeschmolzen werden. Die resultierenden Aluminium- und Aluminiumoxid enthaltende Phosphatschlackenschmelze 4 ist durch Tropfen versinnbildlicht und gelangt hierauf in das Innere des Schmelzgefäßes und in die bereits bestehende Phosphatschlackenschmelize, wo die vollständige Umsetzung Zu Eisen und elementarem Phosphor erfolgt. Im Bereich des Endes Ga des zweiten Rohrs 6 kann eine Zündvorrichtung 23 für den Aluminiumträger 7 und den Eisenoxid-haltigen und Phosphat-

haltigen Stoff 21 vorgesehen sein,

In der Darstellung gemäß Figur 4, ist der Anodenkörper 12 rund

um das erste Rohr 6 der Aufgabevorrichtung 5 angeordnet und es

sind Mittel vorgesehen zum Abnehmen eines Gleichstroms vom

Kathodenkörper 13 und vom Anodenkörper 12.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtrennen von elementarem Phosphor aus Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoffen, insbesondere aus Abfallstoffen wie Klärschlamm(asche}, Tiermehl, Knochenmehl und/oder Stahlwerksschlacke bevorzugt zusammen mit Stoffen wie Apatit, FPhosphaterzen und/oder Phosphorit, umfassend zumindest die Folgenden Schritte:

Bereitstellen zumindest eines Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoffs,

Zugeben zumindest eines Aluminiumträgers zu dem zumindest einen Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoff und Aufschmelzen des zumindest einen Aluminiumträgers zusammen mit dem zumindest einen Eisenoxid-haltigen und Phosphat-haltigen Stoff zu einer Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze (4),

Umsetzen der Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze zu elementarem, gasförmigem Phosphor, Eisen und Al:Os-haltiger Schlacke in einem Schmelzgefäß (11),

Abziehen des elementaren, gasförmigen Phosphors und

-

Abstechen des Eisens und der Al;Oz-haltigen Schlacke,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Eisenoxid-haltige und Phosphat-haltige Stoff (21) als Phosphatschlackenschmelze (4) in dem Schmelzgefäß (11} bereitgestellt und der zumindest eine Aluminiumträger (7)

in die Phosphatschlackenschmelze (4) zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Eisenoxid-haltiger und Phosphat-haltiger Stoff (21) ein Feststoff, insbesondere Klärschlammasche mit einem Kalkträger

und/oder Apatit und/oder Phosphaterz, bereitgestellt und dass

als der zumindest eine Aluminiumträger (7) festes,

metallisches Aluminium zugegeben wird. 4, Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass der Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze (4) ain Al,Oz-

Träger zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basizität (CaO/5102) der Aluminiumhaltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze (4) auf einen Wert von 0,65 bis 1,4, bevorzugt 0,85 bis 1,2 und insbesondere bevorzugt 1 eingestellt wird, bevorzugt durch Zugabe von CaO-Trägern

und/oder SiO2-Trägern.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch“ gekennzeichnet, dass in dem Schmelzgefäß (11) unter der Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze (4) ein Zinnbad als Kathodenkörper (15) bereitgestellt wird und zumindest ein Anodenkörper (13), bevorzugt aus Graphit, in die Aluminium-haltige und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze

(4) eintauchend bereitgestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstrom, bevorzugt ein Gleichstrom von 3 V bis 15 V, bevorzugt von 6 V bis 12 V, insbesondere bevorzugt von 8 V bis 10 V, an den Kathoedenkörper und den Anodenkörper angelegt

wird,

8, Verfahren nach Änspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstrom vom Kathodenkörper (15) und vom Anodenkörper

(13} abgenommen wird.

3, Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenkörper (15) in einem ersten Bereich {A}) des Schmelzgefäßes {11} in einer in einem Teilbereich des Badens (10) angeordneten Senke (14) in dem Schmeizgefäß (11) bereitgestellt wird und dass der zumindest eine Ancodenkörper (13) in einem zweiten, von dem ersten Bereich {A} verschiedenen Bereich (B) des Schmelzgefäßes (11) bereitgestellt wird, und dass gasförmiger Phosphor aus dem ersten Bereich (A) und Sauerstoff aus dem zweiten Bereich (B)

abgezogen werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein durch ein feuerfest ausgekleidetes Gehäuse (3) gebildetes Schmeizgefäß (11), eine in dem Schmelzgefäß {11} angeordnete Aluminium-haltige und gegebenenfalls Aluminiumexid-haltige Phosphatschlackenschmelze (4), einen durch das Gehäuse (3) abgeschlossenen Gasraum über der Phoscphatschlackenschmelze (4) sowie eine Aufgabevorrichtung (5) £ür Eisenoxid-haltige und Phosphathaltige Stoffe (21) und zumindest eine Abziehvorrichtung (17)

für gasförmigen, elementaren Phosphor.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufgabevorrichtung (5) ein das Gehäuse (3) durchsetzendes erstes Bohr (6) aufweist, in welchem eine Fördereinrichtung (8), bevorzugt in Form einer Förderschnecke;,

für zumindest einen Aluminiumträger (7) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufgabevorrichtung (5) ein das Gehäuse (3) durchsetzendes erstes Rohr (6) aufweist, in welchem ersten Rohr (6) ein zweites Rohr (19) unter Ausbildung eines Ringspaltes (20}, bevorzugt konzentrisch zum ersten Rohr (6), angeordnet ist, wobei eines des ersten (6) und des zweiten Rohrs (19) zur Aufgabe von Eisenoxid-haltigen und Phosphathaltigen Stoffen (21) und das andere des ersten (6) und zweiten Rohrs (19) zur Aufgabe von Aluminiumträgern (7) ausgebildet ist und wobei das &rste Rohr (6) an seinem das Gehäuse (3) durchsetzenden Ende (6a} das zweite Rohr (19) überragt.

13, Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen unter der Aluminium-haltigen und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltigen Phosphatschlackenschmelze (4) angeordneten Kathodenkörper (15) und zumindest einen in die Aluminium-haltige umd gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze

(4) eintauchenden Anodenkörper (13} aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenkörper (15} in einem ersten Bereich (A) des Schmelzgefäßes (11} in einer im Boden {10} des Schmelzgefäßes (11} angeordneten Senke (14) angeordnet ist und dass der zumindest eine Anodenkörper (13) in einem zweiten, von dem ersten Bereich (A} seitlich beabstandeten Bereich (B) des Schmelzgefäßes (11) angeordnet ist und die Abzugsvorrichtung

{17} in dem zweiten Bereich (BB) angeordnet ist. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen dem etaten Bereich )A) und dem zweiten Bereich

(B) eine den Gasraum in zwei voneinander getrennte Abschnitte

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teilende Trennwand (16) in die Aluminium-haltige und gegebenenfalls Aluminiumoxid-haltige Phosphatschlackenschmelze

(4} eintaucht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenkörper (15) von einem Zinnbad

gebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zinnbad in einem in der Senke (14) angeordneten

Kohlenstoff-haltigen Körper (18) aufgenommen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Änodenkörper (13) aus

Graphit gebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Anodenkörper (13} aus

einem hochlegierten Stahl gebildet ist, wobei der Stahl

bevorzugt mit Platin (16) beschichtet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Anodenkörper (13) kühlbar ausgebildet ist, bevorzugt durch innen im Kathodenkörper (13) angeordnete Kanäle für eine Zinn-Schmelze, eine Salzschmelze oder Natrium-Schmelze oder für eine

Gaskühlung, bevorzugt durch Stickstoff oder Argon.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1} Mittel zum Anlegen eines Gleichstroms an den Kathodenkörper (15) und den

Anodenkörper (13) aufweist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurc gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Mittel zum Abnehmen eines Gleichstroms vom Kathodenkörper (15) und vom

Anodenkörper (13) aufweist.

Wien, am 17. Juni 2021 Anmelder durch: HN

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