DD288147A5 - Verfahren zur entfernung von schwermetallen, insbesondere cadmium, aus phosphorsaeure enthaltenden loesungen - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen, insbesondere Cadmium, aus Phosphorsaeure enthaltenden Loesungen, primaer solche Loesungen, die beim Aufschlusz natuerlichen Calciumphosphats mit Salpetersaeure und anschlieszender Entfernung des Hauptteils des Calciums aus der Mutterlauge gebildet werden. Die Phosphorsaeure-Loesung wird durch Entfernung von Schlamm und unloeslichen Komponenten vorgereinigt und dann mit Ammoniak partiell bis zu einem p H-Wert von 1,4-2 neutralisiert und auf 5-40C abgekuehlt. Metallsalz von Dithiokohlensaeure-O-estern zur Faellung der Schwermetalle werden zugesetzt, der Niederschlag wird dann von der Loesung abgetrennt. Die Loesung wird vorzugsweise auf p H * eingestellt und auf 10-20C gekuehlt, bevor die Faellung der Schwermetalle erfolgt, die dann durch Flotation und Filtration aus der Phosphorsaeure-Loesung entfernt werden.{Schwermetallentfernung; Cadmium; Phosphorsaeureloesungen; Schlammentfernung; Neutralisierung Ammoniak; Schwermetallfaellung; Dithiokohlensaeure-O-ester; Flotation; Filtration}
Description
Hierzu 1 Seite Zeichnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen, speziell Cadmium, aus phosphorsäurehaltigen Lösungen, in erster Linie solchen Lösungen, die beim Aufschluß von natürlichem Calciumphosphat mit Salpetersäure und anschließender Entfernung der Hauptmenge des Calciums aus der Mutterlauge entstehen. Das Verfahren umfaßt die Vorreinigung der Phosphorsäurelösung/Mutterlauge zur Entfernung von Schlamm und unlöslichen Bestandteilen und die anschließende partielle Neutralisierung mit Ammoniak
Anwendungsgebiet ist die Düngemittelherstellung.
In den vergangenen Jahren hat die Entfernung von Schwermetallen, und hier insbesondere die von Cadmium, zunehmende Bedeutung gewonnen, einerseits wegen der strengeren Umweltgesetze, zum anderen deswegen, weil die Lieferung hochreiner natürlicher Calciumphosphate mit einem geringen Gehalt an Schwermetallen abgenommen hat.
Mehrere Methoden zur Lösung dieses Problems und an welcher Stelle des Herstellungsprozesses des Phosphotdüngers die Reinigung vorgenommen werden sollte, sind vorgeschlagen worden. Diese Vorschläge umfassen das Brennen des natürlichen Calciumphosphats, Auslaugen, Ausfällen oder Extraktion der Schwermetall·). Es ist noch nicht gelungen, Verfahren zur Abtrennung der Schwermetalle von den wertvollen Bestandteilen zu finden, da der Schwermetallgehalt relativ niedrig ist, es müssen also Verfahren entwickelt werden, die in der Praxis technisch durchführbar und darüber hinaus ökonomisch akzeptabel sind.
Unter den Verfahren, die ein Ausfällen umfassen, kann die in DE 3134847 beschriebene erwähnt werden. Dieses Verfahren betrifft die Ausfällung des Cadmiums als Sulfid. Der wesentlichste Nachteil dieses Verfahrens ist die Zugabe des giftigen H2S, was große Umweltprobleme schafft in dem Produktionsbetrieb selbst.
Es ist weiter von den Anmeldern der norwegischen Anmeldung Nr. 864374 bekannt, Cd durch gemeinsame Fällung mit Calcium bei pH 2-7 zu entfernen. Die Mutterlauge wird durch Ammoniak bei einer Temperatur zwischen 8O0C und dem Siedepunkt der Lösung neutralisiert. Auch wenn es durch diesen Prozeß möglich ist, den größten Teil des Cd aus der Mutterlauge zu entfernen, der hohe pH-V/ert führt zu einer Ausfällung wertvoller Bestandteile auch. Dies erfordert spezielle Wege zur Durchführung des Filterns und Anreicherns, um den Prozeß wirtschaftlich zu machen.
Es sind auch mehrere Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen wie Cadmium durch Flüssigkeits-Flüssigkeits-Extraktion bekannt. Es ist besonders schwierig gewesen, solche Verfahren durchführbar zu machen, wenn die Phosphorsäure-Lösung Salpetersäure enthielt. Bis jetzt sind keine technisch und ökonomisch geeigneten Extraktionsvorfahren zur Behandlung so großer Lösungsmengen gefunden worden, wie sie durch die Düngerherstellungsverfahren anfallen. Eine Art von Extraktionsprozessen wird in der Patentanmeldung EP-91043 beschrieben. Dieses Verfahren betrifft die Entfernung von Schwermetallen wie Cadmium, Quecksilber und Blei aus roher Phosphorsäuro-Mutterlauge, wie sie beim Aufschluß natürlichen Phosphats mit Salpetersäure und anschließender Entfernung des Calciumnitrats anfällt. Die rohe Phosphorsäure wird gereinigt und mit Ammoniak auf einen pH-Wert von 0,5-1,5 eingestellt, worauf sie mit einer Diorganyl-dithiophosphorsäure-Verbindung und einem Adsorptionsmittel, zum Beispiel Aktivkohle, in Kontakt gebracht wird. Die Schwermetalle werden dabei an die Dithiophosphorsäure-Verbindung gebunden, die auf der Aktivkohle adsorbiert ist, und mit dieser aus der Phosporsäure-Lösung entfernt. Dieses Verfahren erfordert hohe, laufende Kosten, zum Beispiel wegen der teuren Chemikalien und des Adsorbens. Die Regenerierung des Adsorbens ist, wenn überhaupt möglich, teuer, die Alternative ist es, große Abfallmengen zu deponieren.
Mit der Erfindung wird ein technisch und ökonomisch verbessertes Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen, speziell Cadmium aus phosphoreäurehaltlgen Lösungen, Insbesondere solchen, die beim Aufschluß von natürlichem Calciumphosphat mit Salpetersäure und anschließender Entfernung der Hauptmenge des Calciums aus der Mutterlauge entstehen, bereitgestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schwermetalle, insbesondere Cadmium In einer technisch und ökonomisch vorteilhaften Weise aus phosphorsäurehaltigen Lösungen, speziell Lösungen, die beim Aufschluß natürlichen Phosphats mit Salpetersäure anfallen, zu entfernen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen, insbesondere Cadmium aus Phosphorsäure enthaltenden Lösungen, primär solchen Lösungen, die beim Aufschluß natürlichen Calciumphosphats mit Salpetersäure und anschließender Entfernung des Hauptteils des Calciums aus der Mutterlauge gebildet werden, wobei eine Vorreinigung der Phosphorsäure-Lösung zur Entfernung von Schlamm und unlöslichen Bestandteilen durchgeführt wird. Anschließend wird mit Ammoniak auf pH 1,4-2,0 vorzugsweise auf pH 1,6-1,8, eingestellt und auf 5-4O0C, vorzugsweise auf 10-200C, abgekühlt.
Metallsalze von Dithokohlensäure-O-ester, insbesondere Natrium-oder Kaliumsalze eines Butylxanthats, werden zur Ausfällung der Schwermetalle zugeführt. Dann wird der Niederschlag durch Flotation und anschließende Filtration von der Phosphorsäurelösung abgetrennt.
Nachdom die Erfinder mehrere der bekannten Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen aus phosphorsäurehaltigen Lösungen getestet hatten, haben sie gefunden, daß es nötig sei, nach neuen Verfahren zu suchen. Während dieser Voruntersuchungen wurde gefunden, daß die Anwendung von Extraktionsmitteln neue Probleme aufwirft, und deshalb wurde entschieden, die Untersuchung der Fällungsprozesse fortzusetzen. Die Probleme, die sich aus den letzteren Prozessen ergeben, sind gewöhnlich große Niederschlagsmengen, die auch wertvolle Bestandteile enthalten, und die Abtrennung der Niederschläge aus dor Phosphorsäure-Lösung. Mehrere Chemikalien, die in diesem Milieu möglicherweise Schwermetalle binden könnten, wurden untersucht, sie sollen vorzugsweise geringere Niederschlagsmengen bilden, die zusätzlich noch leicht aus der Phojphorsäure-Lösung abzutrennen sein sollen. In Verbindung mit diesen Untersuchungen wurde in der Literatur gefunden (Chemical Abstracts 76,131-189 k), daß Methyl-, Butyl- oder Amylxanthogenat zur selektivon Entfernung von Cadmium aus Abwasser benutzt werden könnte, die große Mengen Zink oder Eisen enthalten. Auch wenn die Bedingungen unterschiedlich sind, zum Bt pie) pH 4-6, war die Feststellung, daß etwa 90% der Ausfällung Cadmium waren, so interessant, daß entschieden wurde, den unfluß solcher Chemikalien auf eine phosphorsäurehaltige Lösung zu untersuchen.
Eine Ausfällung beim pH 4-6 erwies sich als unpraktisch, da große Mengen verschiedener Phosphate ausgefällt werden. Die Frage war deshalb, ob Cadmium bei so sauren Bedingungen ausgefällt werden kann, wie sie zur Vermeidung von Phosphat-Ausfällungen notwendig sind. Mehrere Vorprüfungen unter Zusatz von Xanthat zur Mutterlauge aus einem Nitrophosphat-Prozeß wurden durchgeführt, in denen der pH-Wert variiert wurde, zum Beispiel wurde die Mutterlauge teilweise mit Ammoniak neutralisiert. Es wurde auch gefunden, daß freie Salpetersäure in der Mutterlauge ein Problem darstellt, da sie mit dem Xanthat unter Bildung nitroser Gase reagiert. Dieses Phänomen war am ausgeprägtesten, wenn nichtneutralisierte Mutterlauge ν arwendet wurde. Im folgenden Text wird immer der pH-Wert genannt, wie er in einer mit Wasser auf 1:15 verdünnten Lösung gemessen wurde. Der pH-Wert in der Lösung wurde durch Zugabe von Ammoniak allmählich erhöht, und wenn Alkalimetallxanthat zugegeben wurde, wurde gefunden, daß wesentliche Mengen des vorhandenen Cadmiums als Cadmiumxanthat ausgefällt wurden. Es wurde weiter gefunden, daß andere Metallverunreinigungen wie Eisen, Nickel, Quecksilber und Blei ausgefällt wurden und daß das Xanthat Cadmium nicht selektiv entfernte, wie in der obigen Literaturstelle angegeben wurde. Dieses Phänomen muß im Auge behalten werden, wenn die notwendigen Xanthat-Mengen unter Berücksichtigung der anderen Metall-Verunreinigungen berechnet werden, die möglicherweise durch das Xanthat gebunden werden können. Während der weiteren Tests wurde deshalb Xanthat im Überschuß zugegeben. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung gleicher Xanthat-Mengen die Ausfällung des Cadmiums mit steigendem pH-Wert zunimmt. Es war möglich, Cadmium bei pH 1,4-2,0 aus phosphorsäurehaltigen Lösungen auszufällen, auch aus jenen, die beim Nitrophosphat-Prozeß anfallen. Während der obigen Tests schien es, daß die Temperatur während dos Fällung das Ergobnis beeinflußt, und dies wurde weiter untersucht. Dann wurde gefunden, daß die Ausfällung in enger Beziehung zur Temperatur steht, da die Cadmium-Fällung mit sinkender Fällungstemperatur ansteigt. So kann die notwendige Xanthat-Menge zur Fällung einer bestimmten Cadmium-Menge um 50% verringert werden, wenn die Fällungstemperatur von 4O0C auf 2O0C gasenkt wird. Wie niedrig die Fällungstemperatur sein sollte, war zum Teil eine Frage der Energieökonomie. Es wurde gefunden, daß, insgesamt gesehen, die Fällung bei 5-4O0C, vorzugsweise bei 10-200C, ausgeführt werden sollte.
Basierend auf den positiven Ergebnissen dieser Vorprüfungen haben die Erfinder festgestellt, daß die Art des Fällungsmittels näher untersucht werden muß.
Es scheint, daß das Xanthat (X) in der Hinsicht als Ionenaustauscher wirkt, daß das Metall (Kalium oder Natrium) gelöst wird, während das Schwermetallxanthat ausgefällt wird.
2KX+ M2+ MX+ 2K+
(KX ist Kaliumxanthat und M2+ ist ein Schwermetall, zum Beispiel Cadmium) Es wurde weiter gefunden, daß einige Xanthate in den in Frage kommenden Säure-Lösungen instabiler als andere sind, und sie können auch Nebenreaktionen eingehen, zum Beispiel die Bildung von Schwefelkohlenstoff. Die Stabilität des Xanthate wächst mit der Menge und dem Grad des organischen Anteils. Hinsichtlich der Wahl des Xanthats wurde weiter gefunden, daß Alkalisalze wie Natrium- und Kaliumsalze am geeignetsten sind, während auch andere wasserlösliche Metallsalzxanthate auch verwendet werden könnten.
Xanthate sind Salze von Dithiokohlensäure-O-estern und haben die allgemeine Formel OR R = Aryl, Alley!
O=C
SM M Metall (Na oder K in käuflichen Xanthaten)
(PAX) und Natrium-isobutylxanthat (SIBX).
in Kombination mit Flotation, durchgeführt werden. Es ist gefunden worden, daß die Schwermetallxanthate wegen ihrerhydrophoben Eigenschaften sehr gut für eine Flotationsabtrennung geeignet sind.
Die Lösung wird vorzugsweise auf einen pH-Wert von 1,6-1,8 eingestellt und auf eine Temperatur von 10-200C abgekühlt vor der Ausfällung der Schwermetalle mit beispielsweise dem Natrium- oder Kaliumsalz von Butylxanthat. Der Schwermetallniederschlag kann aus der Phosphorsäure-Lösung durch Flotation und anschließende Filtration entfernt werden. Die Abbildung 1 zeigt ein Fließschema zur Entfernung von Schwermetallen aus einer Phosphorsäure-Lösung 1, die eine Mutterlauge sein kann, die beim Aufschluß von natürlichem Calciumphosphat mit Salpetersäure und der anschließenden Entfernung von Calciumnitrat aus der Mutterlauge anfällt.
üio Phosphorsäure-Lösung 1 wird zu einem Kessel 3 transportiert, möglicherweise zusammen mit einem Ausflockungsmittel 2. Die verunreinigte Phosphorsäure-Lösung 4 wird zum Kessel 6 transportiert, zu dem durch das Rohr 5 Ammoniak gegoben wird. Der ausgefallene Schlamm 13 aus Kessel 3 kann als solcher aus dem Prozeß entfernt oder mit gereinigter Phosphorsäure-Lösung aus Rohr 14 gemischt werden. Im Anschluß an die partielle Neutralisierung bis pH 1,4-2,0 in Kessel 6 bei etwa 120°C wird die Lösung in einem Wärmeaustauscher 7 auf 5-40°C gekühlt und dann zum Fällungskessel 8 transportiert, in den das Fällungsmittel durch Rohr 9 eingegeben wird. Der Schwermetallniederschlag wird in Stufe 10 aus der Lösung abgetrennt und zur Entfernung oder Deponierung nach 15 transportiert. Die gereinigte Phosphorsäure-Lösung wird durch Rohr 11 zur weiteren Verarbeitung wie Neutralisierung, mögliche Zugabe von Kalium-Salz und Trennung transportiert. Ein Teil der gereinigten Mutterlauge kann durch Rohr 12 in den Kessel 3 zurückgeführt werden.
Dieses Beispiel zeigt, daß die Methode entsprechend der Erfindung angewendet werden kann auf Mutterlaugen aus dem Nitrophosphat-Prozeß, und den Einfluß des pH-Wertes während der partiellen Neutralisierung.
Natürliches Calciumphosphat mit 0,060kg Cadmium/Tonne wurde mit Salpetersäure in bekannter Weise aufgeschlossen und zur Ausfällung des Calciumnitrate auf etwa 10°C abgekühlt, das dann durch Filtrieren entfernt wurde. Auf diese Weise erzeugte Mutterlauge wurde zu einem Klärkessel transportiert, und ein Polyelektrolyt wurde zur Begünstigung der Klärung und Schlamm-Agglomerierung zugesetzt. Diese Mutterlauge, die 23ppm Cadmium enthält und aus dem oberen Teil des Klärkessels entnommen wurde, wurde partiell mit Ammoniak neutralisiert. Teile dieser Mutterlauge wurden auf die pH-Werte 1,0,1,2,1,4, 1,6,1,8 eingestellt. Dann wurde die Mutterlauge auf etwa 20°C abgekühlt. Dann wurden 1,6kg Natriumisobutylxanthat pro Tonne Phosphat zu der gekühlten Mutterlauge zugegeben. Das Xanthat kann sowohl als wäßrige Lösung als auch in fester Form zugegeben werden. Nach einer Reaktionszeit von 10 Minuten wurde das ausgefallene Xanthat abfiltriert. Es wurde gefunden, daß der Niederschlag etwa dieselbe Gewichtsmenge enthält wie das zugegebene Xanthat, das heißt etwa 2 Gewichtsteile pro Tausend
Die Ergebnisse der Versuche sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Cd vorder Ausfällung | Cd nach der Ausfällung | pH |
in ppm | in ppm | |
23 | 22 | 1,0 |
23 | 22 | 1,2 |
23 | 4,2 | 1,4 |
23 | <0,2 | 1,6 |
23 | <0,1 | 1,8 |
Wie man aus Tabelle 1 ersehen kann, muß die Mutterlauge auf 2O0C abgekühlt und auf einen pH-Wert von 1,4 neutralisiert sein, bevor Cadmium ausgofällt wird. Bei einem pH-Wert oberhalb 1,6 wird der Cadmiumgehalt in der gereinigten Mutterlauge zu mehr als 95% entfernt. Der Schlamm, der während der Vorreinigung entfernt wird, enthielt 20% des anfänglichen Cadmiumgehaltes des natürlichen Calciumphosphats.
Dieses Beispiel zeigt den Einfluß der Temperatur während des Fällungsvorgangs. Die Mutterlauge wurde auf einen pH-Wert von 1,8 vorneutralisiert, und die Reaktionszeit in dem Fällungskessf I betrug 10 Minuten. Die Xanthat (SIBX)-Menge wurde wie in der Tabelle unten gezeigt, variiert; die Tabelle zeigt den Cadmiumgehalt in der Mutterlauge vor und nach der Reinigung.
ppm Cd vor der | ppm Cd nach der | Fällungstemperatur | SIBX-Verbrauch |
Fällung | Fällung | 0C | (kg/Tonne Phosphat) |
20 | 1,8 | 20 | 0,8 |
20 | 0,8 | 20 | 1,6 |
20 | 16,0 | 40 | 0,8 |
20 | 2,0 | 40 | 1,6 |
20 | 17,0 | 60 | 0,8 ' |
20 | 12,0 | 60 | 1,6 |
20 | 9,0 | 20 | 0,8 |
20 | 4,0 | 10 | 1,6 |
20 | 4,7 | 20 | 1,6 |
20 | 1,6 | 10 | 1,6 |
wurden wie in Beispiel 1 unter partieller Neutralisierung auf pH 1,6 ausgeführt.
ppm Cd vor | ppm Cd in der Mutterlauge | |
Xanthat | der Fällung | nach Fällung und Filtration |
PHX | 17,0 | 1,7 |
PAX | 17,0 | 1,8 |
SIBX | 17,0 | 1,0 |
SEX | 17,0 | 11,4 |
SIX | 17,0 | 15,3 |
SSBX | 17,0 | 16,0 |
längsten und am meisten verzweigten organischen Kette, das die besten Ergebnisse hinsichtlich der Entfernung des Cadmiumsergab.
Dieses Beispiel zeigt die Anwendung der Erfindung zur Reinigung einer Phosphorsäure, die beim Aufschluß natürlichen Calciumphosphats mit Schwefelsäure entsteht, in einem Naßverfahren. Die Phosphorsäure, die 3,7 ppm Cadmium enthielt, wurde mit Ammoniak auf einen pH-Wert von 2,0 gebracht, dann wurden 2g SIBX/kg Phosphorsäure bei 2O0C zugesetzt. Nach Filtration des ausgefallenen Metallxanthats enthielt die Phosphorsäure 0,3ppm Cadmium, das bedeutet eine Reduktion des Cadmiumgehaltes um etwa 92%.
Wie man aus dem Beispiel ersehen kann, ist es durch die vorliegende Methode möglich, wesentliche Mengen Cadmium aus Phosphorsäure enthaltenden Lösungen zu entfernen. Aus der vorgereinigten Lösung wurden mindestens 90% des Cadmiumgehaltes in Form relativ geringer Niederschlagsmengen entfernt, die außerdem keine wertvolle Komponente der Lösung enthielten.
Da nur ein kleiner Teil des Cadmiumgehaltes des natürlichen Calciumphosphats (etwa 20%) durch den Schlamm während der Vorreinigung entfernt wurde, wurde durch die Ausfällung ein Cadmium-Konzentrat erhaken, das insgesamt etwa 75% des anfänglichen Cadmiumgehaltes des natürlichen Calciumphosphats umfaßte. Weiter wurden gleichzeitig Schwermetallverunreinigungen in dem natürlichen Calciumphosphat entfernt, zum Beispiel Quecksilber, Blei und etwas Eisen. Die Niederschlagsmenge ist so gering, daß sie abgesetzt werden kann, aber sie ist auch geeignet für die weitere Verarbeitung. Verglichen mit anderen Verfahren zur Cadmium-Entfernung umfaßt die Methode nur geringe Veränderungen des Gesamtdüngers, und die Extraverwendung von Chemikalien führt zu keinen großen Mehrkosten. Betreffs der Abtrennung des Niederschlages aus der Säure.'ösung hat man mehrere Möglichkeiten und kann bekannte Techniken einschließlich Flotation anwenden. Die Erfindung ist besonders geeignet zur Reinigung der Mutterlaugen, die durch die Nitro-phosphat-Prozesse gebildet werden, und das Ist gerade dasjenige, was hinsichtlich der Cadmium-Entfernung die größten Probleme aufwarf.
Claims (4)
1. Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen, insbesondere Cadmium, aus Phosphorsäure enthaltenden Lösungen, primär solchen Lösungen, die beim Aufschluß natürlichen Calciumphosphats mit Salpetersäure und anschließender Entfernung des Hauptteils des Calciums aus der Mutterlauge gebildet werden, wobei die Phosphorsäure-Lösung vorgereinigt wird zur Entfernung von Schlamm und unlöslichen Komponenten und anschließend mit Ammoniak partiell neutralisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung auf einen pH-Wert von 1,4-2,0 eingestellt und auf 5-4O0C abgekühlt wird, worauf die Metallsalze von Dithiokohlensäure-O-ester zur Ausfällung der Schwermetalle zugesetzt werden, dann wird der Niederschlag von der Lösung abgetrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung auf einen pH-Wert von
1,6-1,8 eingestellt und auf 10-2O0C abgekühlt wird, bevor die Ausfällung der Schwermetalle erfolgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetalle durch Natrium- und Kaliumsalze eines Butylxanthats ausgefällt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetallniederschlag aus der Phosphorsäure-Lösung durch Flotation und anschließende Filtration entfernt wird.
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