DE102006016688B3 - Electrical deionization method for processing of rinsing waters from chemical and/or electro-chemical surface treatment of metals, comprises cleaning of metal-containing liquids by ion-exchanger along with recovery of ion-exchange material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Elektroentionisierungsverfahren zur Aufbereitung von bei der chemischen und/oder elektrochemischen Oberflächenbehandlung von Metallen entstehenden Spülwässern mit einem Anteil an Schwermetallen in Anionen- und/oder Kationenform sowie mit anderen Bestandteilen von Prozessbädern, eine Reinigung der metallhaltigen Flüssigkeiten durch Ionenaustauscher und periodische Regenerierung des Ionenaustauschermaterials durch Elektrodialyse bei angelegter Spannung bzw. Stromfluss aufweisend. Mit Kationen oder Anionen von Schwermetallen angereicherte flüssige Systeme, z. B. Spülwässer, entstehen bei der Oberflächenbehandlung von Metallen, insbesondere bei der Galvano- und Leiterplattentechnik und bei abtragenden Verfahren wie Beizen, Ätzen, Brennen u.a., aber auch bei der Aufarbeitung von metallhaltigen Reststoffen aus der Chemie, Metallurgie und der Umwelttechnik.The The invention relates to an electrodeionization process for processing in the case of chemical and / or electrochemical surface treatment Rinsing waters produced by metals a proportion of heavy metals in anion and / or cation form as well as with other components of process baths, a purification of metal-containing liquids by ion exchange and periodic regeneration of the ion exchange material by electrodialysis with applied voltage or current flow having. Liquid systems enriched with cations or anions of heavy metals, z. B. rinse waters arise in the surface treatment of metals, in particular in electroplating and printed circuit board technology and in ablative processes such as pickling, etching, firing and the like, as well in the processing of metal-containing residues from chemistry, Metallurgy and environmental engineering.
Üblicherweise werden für die Aufbereitung von schwermetallhaltigen Spülwässern chemische Redoxreaktionen, Fällungsprozesse, die chemische und elektrochemische Koagulation oder Flotation sowie der konventionelle Ionenaustausch, die Elektrodialyse und andere elektrochemische Verfahren eingesetzt. Die Verfahren besitzen z.T. die Nachteile des vollständigen Verlustes von Schwermetallen und anderen im System befindlichen Bestandteilen, des Einsatzes und Eintrages teurer Chemikalien zur Reduktion und Fällung sowie zur Flokkulation und Flotation. Ein weiterer Nachteil ist die Bildung von großen Mengen an Schwermetallschlämmen, deren Lagerung oder Weiterverwendung teilweise verboten, problematisch bzw. kostenaufwendig ist. Im Falle der elektrochemischen Verfahren kommen mitunter noch erhöhte Energieaufwendungen dazu. Bei einer Elektrodialyse bildet sich zwar gewöhnlich kein Schlamm, es ist jedoch nicht möglich, durch Elektrodialyse die Schwermetalle aus den Spülen vollständig und selektiv zu entfernen. Elektrolyseverfahren arbeiten in der Regel nur effektiv bei größeren Konzentrationen im Vergleich mit der Elektrodialyse. Die konventionelle Ionenaustauschtechnologie erlaubt zwar eine selektive Entfernung von Schwermetallen in einem Konzentrationsbereich bis wenige ppm, besitzt aber als Nachteile hohe Ionenaustauscherkosten, manuelle Aufwendungen sowie die Notwendigkeit der nachfolgenden chemischen Behandlung und Entsorgung des Eluates.Usually be for the treatment of rinse water rich in heavy metals chemical redox reactions, Precipitation processes, the chemical and electrochemical coagulation or flotation as well conventional ion exchange, electrodialysis and others used electrochemical processes. The procedures have z.T. the disadvantages of the whole Loss of heavy metals and others in the system Components, the use and entry of expensive chemicals Reduction and precipitation as well as flocculation and flotation. Another disadvantage is the formation of large quantities at heavy metal sludges, their storage or re-use partially prohibited, problematic or is expensive. In the case of electrochemical processes sometimes come even higher Energy expenditures. Although it forms during electrodialysis usually no mud, but it is not possible by electrodialysis the heavy metals from the sinks Completely and selectively remove. Electrolysis processes work in the Usually only effective for larger concentrations Comparison with electrodialysis. The conventional ion exchange technology Although allows a selective removal of heavy metals in a concentration range to a few ppm, but has as disadvantages high ion exchange costs, manual expenses as well as the need for subsequent ones chemical treatment and disposal of the eluate.
Für die Reinstwasserherstellung wird seit einigen Jahren eine Technik angeboten, die nach der so genannten Elektroentionisierung arbeitet. Dabei werden die Räume zwischen Separatoren einer Elektrodialysezelle bzw. auch Elektrodenräume mit Ionenaustauschermaterial gefüllt, das infolge von Ionenaustauschreaktionen im Wasser gelöste Bestandteile aufnimmt. Diese werden im Ionenaustauschermaterial entsprechend den elektrischen Potenzialgradienten und den Eigenschaften der begrenzenden Ionen austauschermembranen in die benachbarten Kammern transportiert. Das Ionenaustauschermaterial wird kontinuierlich durch die elektrochemisch gebildeten Spezies an H+- bzw. OH--Ionen regeneriert.For some years, a technique has been available for the production of ultrapure water, which works according to the so-called electrodeionization. The spaces between separators of an electrodialysis cell or electrode chambers are filled with ion exchange material which absorbs dissolved components as a result of ion exchange reactions in the water. These are transported in the ion exchange material according to the electrical potential gradients and the properties of the limiting ion exchange membranes in the adjacent chambers. The ion exchange material is continuously regenerated by the electrochemically formed species of H + and OH - ions, respectively.
Eine erfolgreiche Übertragung des Prinzips der kontinuierlichen Entionisierung aus der Reinstwasserherstellung auf die Regenerierung von Systemen der Oberflächentechnik und Metallindustrie ist nicht bekannt.A successful transmission the principle of continuous deionization from ultrapure water production on the regeneration of surface engineering and metalworking systems is not known.
Die Elektroentionisierungstechnologie für die Oberflächentechnik und Metallindustrie unterscheidet sich von der Reinstwasserherstellung in vielen Parametern und benötigt neue Herangehensweisen und Konstruktionskonzepte.The Electrodeionization technology for surface engineering and metal industry differs from pure water production in many parameters and needed new approaches and design concepts.
Ein wichtiger Unterschied besteht in der Zusammensetzung des behandelten Wassers und den daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften. Für die Reinstwasserherstellung durch Elektroentionisierung (Stendten, D.; Leyer, D.: Reinstwasser Elektro-Entionisierung und Reinstwassersysteme, Labortechnik II (2001), S. 28 ff) verwendet man in der Regel ein Wasser, das schon mit Hilfe einer Reversosmose auf eine Leitfähigkeit von ca. 10–20 μS/cm und einen neutralen pH-Wert vorgereinigt wurde. In Spülwässern befinden sich dagegen Bestandteile von Galvanikbädern, zum Beispiel Ionen verschiedener Salze und Säuren, welche die Leitfähigkeit des Wassers signifikant erhöhen. In der Regel sind die Leitfähigkeitswerte des Spülwassers viel größer im Vergleich mit der effektiven Leitfähigkeit des Ionenaustauschermaterials, besonders im Falle der selektiven Ionenaustauscher. Daraus folgt eine bevorzugte Ionenwanderung im elektrischen Feld bevorzugt nicht durch das Ionenaustauschermaterial, sondern durch den Elektrolyten, der sich zwischen den Ionenaustauscherpartikeln befindet (Vuorilehto, K.; Tamminen, A.: Application of a solid ion-exchange electrolyte in three-dimensional electrodes, Journ. of Applied Electrochemistry 27 (1997), S. 749–755). Dies kann die Prozesseffektivität auf den Wert Null reduzieren. Um einen Übertritt von adsorbierten Ionen in die entionisierte Lösung vorzubeugen, sollte man deshalb in entsprechenden Fällen nicht eine gleichzeitige, sondern eine aufeinanderfolgende Adsorption und elektrochemische Ionenaustauscherregenerierung in kurzen Intervallen anstreben.One important difference is the composition of the treated Water and the resulting physical properties. For the production of ultrapure water by electrodeionization (Stendten, D .; Leyer, D .: ultrapure water deionization and ultrapure water systems, Laboratory Technology II (2001), p. 28 ff) You usually get a water that already with the help of a reverse osmosis on a conductivity of about 10-20 μS / cm and a neutral pH was pre-cleaned. Located in rinsing waters In contrast, components of electroplating baths, for example, ions of different Salts and acids, which the conductivity significantly increase the water. In general, the conductivity values of the rinse water much bigger in comparison with the effective conductivity of the ion exchange material, especially in the case of the selective Ion exchangers. This results in a preferred ion migration in electric field is not preferred by the ion exchange material, but through the electrolyte, which is between the ion exchanger particles (Vuorilehto, K., Tamminen, A .: Application of a solid ion-exchange electrolyte in three-dimensional electrodes, Journ. of Applied Electrochemistry 27 (1997), pp. 749-755). This can be the process efficiency reduce to zero. To a transfer of adsorbed ions in the deionized solution Therefore, you should not in appropriate cases a simultaneous, but a consecutive adsorption and electrochemical ion exchanger regeneration at short intervals aspire.
Aus
der
- 1. Der Zellaufbau hat eine extrem ungünstige Anolytführung zur Folge. Dies führt bei einer Regenerierung zu Problemen, weil an den Elektroden gebildete Spezies, H+-und OH--Ionen, nur durch die Separatoren in den Ionenaustauscherraum wandern können. Dies reduziert sehr stark die Effektivität der Regenerierung und führt zu einer ernorm erhöhten Zellspannung und zu sehr langen Regenerierungszeiten.
- 2. Die Katholyt und Anolyt trennende Membranen verursachen zusätzliche Spannungsabfälle.
- 3. Die Anordnung von mehreren Elektrodenkammern zwischen nur zwei Elektroden kann erstens zur schlechten Stromverteilung in der Zelle führen, (Wegfall der Regenerierung in den mittleren Ionenaustauscherkammern) und zweitens zum Mangel an Spezies (H+- und OH--Ionen), die für die Ionenaustauscherregenerierung benötigt werden.
- 4. Ohne eine zusätzliche pH-Wert Korrektur kann der pH-Wert im Katholytwegen einer ungünstigen Elektrolytstromführung schnell steigen und zur Hydroxidbildung führen. Dadurch können sehr große Zellspannungen auftreten; die Zelle kann verstopfen und außer Betrieb gehen.
- 1. The cell structure results in an extremely unfavorable Anolytführung. This leads to problems in a regeneration because species formed on the electrodes, H + and OH - ions, can only migrate through the separators into the ion exchange space. This greatly reduces the effectiveness of the regeneration and leads to a tremendously increased cell voltage and to very long regeneration times.
- 2. The catholyte and anolyte separating membranes cause additional voltage drops.
- 3. The arrangement of several electrode chambers between only two electrodes can lead firstly to poor current distribution in the cell (elimination of regeneration in the middle ion exchange chambers) and secondly to the lack of species (H + and OH - ions) which are responsible for the Ion exchanger regeneration are needed.
- 4. Without an additional pH correction, the pH in the catholyte may increase rapidly due to unfavorable electrolyte flow and lead to hydroxide formation. As a result, very large cell voltages can occur; The cell can become clogged and out of service.
Aus
der
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das die Nachteile der bekannten Elektroentionisierungsverfahren zur Aufbereitung von bei der chemischen und/oder elektrochemischen Oberflächenbehandlung von Metallen entstehenden Spülwässern mit einem Anteil an Schwermetallen in Anionen- und/oder Kationenform vermeidet und die Umweltverträglichkeit des Verfahrens durch Reduzierung der Menge an Abfalllösungen, die kostenintensiv entsorgt werden müssen, entscheidend verbessert.aim The invention is to provide a method which has the disadvantages the known Elektroentionisierungsverfahren for the preparation of in chemical and / or electrochemical surface treatment Rinsing waters produced by metals a proportion of heavy metals in anion and / or cation form avoids and the environmental compatibility the process by reducing the amount of waste solutions, which must be disposed of costly, decisively improved.
Dazu besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur Aufbereitung von metallhaltigen Flüssigkeiten, die bei der Oberflächenbehandlung von Metallen, insbesondere bei der Galvanotechnik und bei abtragenden Verfahren, wie Beizen, Ätzen, Brennen u.a., aber auch bei der Aufarbeitung von metallhaltigen Reststoffen aus Chemie, Metallurgie und Umwelt technik entstehen und die sich mit Kationen oder Anionen von Schwermetallen anreichern, durch Ionenaustauscher und periodische Regenerierung des Ionenaustauschermaterials durch Elektrodialyse in vorzugsweise einer Apparateeinheit bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Elektroentionisierungsverfahren zur Aufbereitung von bei der chemischen und/oder elektrochemischen Oberflächenbehandlung von Metallen entstehenden Spülwässern mit einem Anteil an Schwermetallen in Anionen- und/oder Kationenform sowie mit anderen Bestandteilen von Prozessbädern, das eine Reinigung der metallhaltigen Flüssigkeiten durch Ionenaustauscher und periodische Regenerierung des Ionenaustauscherharzes durch Elektrodialyse bei angelegter Spannung bzw. mittels Stromfluss aufweist, gelöst und ist dadurch gekennzeichnet, dass dafür eine Zelle aus mindestens zwei Teilzellen verwendet wird, die durch mindestens einen Separator, der als Diaphragma und/oder Ionenaustauschermembran ausgebildet ist, getrennt sind, wobei mindestens zwei Teilzellen eine unterschiedlich polarisierte Elektrode aufnehmen (Anode oder Kathode), und mindestens eine der Teilzellen, bevorzugt der Kathodenraum, ein Ionenaustauschermaterial aufnimmt, das mit der Elektrode in direktem Kontakt steht, dass elektrochemisch Spezies an H+- oder OH--Ionen zur Regenerierung des Ionenaustauschermaterials gebildet werden und dass weiterhin im stromlosen Belastungsfall des Ionenaustauschermaterials ein Stoffstrom durch das Ionenaustauschermaterial realisiert wird, und zeitlich konsekutiv eine Regenerierung derart vorgenommen wird, indem ein Stoffstrom in separatem Kreislauf oder kontinuierlich durch das Ionenaustauschermaterial geleitet wird und ein zweiter Stoff oder Flüssigkeitsstrom durch die andere, eine Elektrode aufnehmende Teilzelle strömt.The object is a process for the treatment of metal-containing liquids used in the surface treatment of metals, in particular in the electroplating and erosive processes such as pickling, etching, firing, etc., but also in the workup of metal-containing residues from chemistry, metallurgy and Environmental technology arise and accumulate with cations or anions of heavy metals to provide by ion exchange and periodic regeneration of the ion exchange material by electrodialysis in preferably an apparatus unit. According to the invention, the object is achieved by an electrodeionization process for the treatment of rinsing waters produced in the chemical and / or electrochemical surface treatment of metals with a proportion of heavy metals in anion and / or cation form and with other constituents of process baths, the purification of the metal-containing liquids by ion exchangers and periodic regeneration of the ion exchange resin by electrodialysis with applied voltage or by means of current flow, and is characterized in that for a cell of at least two sub-cells is used, which is separated by at least one separator, which is formed as a diaphragm and / or ion exchange membrane , Wherein at least two sub-cells receive a differently polarized electrode (anode or cathode), and at least one of the sub-cells, preferably the cathode space, receives an ion-exchange material, which with the Elek in direct contact that electrochemically species of H + or OH - ions are formed for the regeneration of the ion exchange material and that further in the currentless load case of the ion exchange material, a material flow is realized by the ion exchange material, and temporally consecutive regeneration is carried out in such a way by a stream of material is passed in a separate cycle or continuously through the ion exchange material and a second material or liquid stream flows through the other, an electrode receiving subcell.
Damit sollen im Wesentlichen folgende Ergebnisse erreicht werden:
- 1. Das behandelte Spülwasser kann wiederverwendet oder leicht entsorgt werden. Es kann eine Senkung der Metallkonzentrationen, z.B. in Spülen bis auf 0,1 mg/l, erreicht werden.
- 2. Diese Technologie kann an Standspülen angeschlossen werden, um dort eine niedrige Konzentration von Schwermetallen und anderen Inhaltsstoffen einzuhalten.
- 3. Während der Regenerierung des Ionenaustauschers entsteht ein Konzentrat von Schwermetallen in Form von Säure-, Hydroxid- und Salzlösungen. Dieses Konzentrat kann man bedeutend leichter im Vergleich mit der verdünnten Lösung weiterverwenden bzw. nützlicherweise für Bäderkorrekturen bezüglich der rückgewonnenen Schwermetalle einsetzen. Eine derartige Vorgehensweise ist besonders interessant für Metallionen mit schwerer elektrochemischer Abscheidbarkeit (Chromsysteme). Üblicherweise aus konventionellen Ionenaustauschern erhaltene Cr(III)-Lösungen sind für Badkorrekturen nicht geeignet.
- 4. Durch die elektrochemische Regenerierung des Ionenaustauschermaterials kann die Abwasserbildung minimiertwerden.
- 5. Das Verfahren ist gleichfalls für eine effektive Reinigung von Fließ- bzw Spritzspülwässern bzw. Systemen mitvergleichsweise geringer Konzentration geeignet.
- 6. Durch die Spezifik des Verfahrens lässt sich im Vergleich zum konventionellen Ionenaustausch die benötigte Ionenaustauschermenge um z.B. eine Größenordnung verringern.
- 1. The treated rinse water can be reused or disposed of easily. It can be a reduction in metal concentrations, for example, in rinses to 0.1 mg / l, can be achieved.
- 2. This technology can be connected to stationary rinses to maintain a low concentration of heavy metals and other ingredients.
- 3. During the regeneration of the ion exchanger, a concentrate of heavy metals in the form of acid, hydroxide and salt solution is formed This concentrate can be used much more easily in comparison with the dilute solution, or it can be usefully used for bath corrections with respect to the recovered heavy metals. Such a procedure is particularly interesting for metal ions with heavy electrochemical precipitability (chromium systems). Commonly obtained from conventional ion exchangers Cr (III) solutions are not suitable for Badkorrekturen.
- 4. The electrochemical regeneration of the ion exchange material can minimize wastewater formation.
- 5. The method is also suitable for effective cleaning of flow or splash rinses or comparatively low concentration systems.
- 6. Due to the special nature of the process, the required amount of ion exchanger can be reduced by, for example, one order of magnitude compared to conventional ion exchange.
Weiterhin kann eine direkte Anpassung von Modulen und Prozessführungen an unterschiedliche Lösungsmengen und Konzentrationen entweder durch die Verwendung mehrerer Zelleneinheiten und/oder elektrische Verschaltungen von entsprechenden Zelleneinheiten parallel oder in der Reihe (z.B. durch bipolare Elektroden und/oder eine bipolare Membran) vorgenommen werden oder durch eine optimierte Spülwasser- und Elektrolytstromführung sowohl beim Ionenaustausch als auch bei der Ionenaustauscherregenerierung. Für gleichzeitige oder periodische Metallabscheidungen und/oder Konzentrierungen sowie pH-Wert Korrekturen kann zum Elektroentionisierungsmodul, direkt zur Konzentrationskammer oder zum Konzentrationsbehälter, eine Abscheidungsvorrichtung oder eine Elektrodialyse zugeschaltet werden. Für eine optimale Aufkonzentrierung von Schwermetallen oder anderen Lösungsbestandteilen können in jeder Zelleneinheit statt einer Konzentrationskammer mehrere Konzentrationskammern nebeneinander wie bei einer Stack Elektrodialyse eingebaut werden. Das heißt, das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich durch Wiederholung in Stackkonstruktionen variabler Größe ausführen.Farther can be a direct adaptation of modules and process control to different amounts of solution and concentrations either through the use of multiple unit cells and / or electrical interconnections of corresponding cell units in parallel or in series (e.g., by bipolar electrodes and / or a bipolar membrane) or by an optimized flushing water and electrolyte flow guide both in ion exchange as well as in the ion exchanger regeneration. For simultaneous or periodic metal deposits and / or concentrations as well pH corrections can be made to the electrodeionization module, directly to the concentration chamber or to the concentration tank, one Deposition device or an electrodialysis be switched on. For one optimum concentration of heavy metals or other components of the solution can in each cell unit several instead of one concentration chamber Concentration chambers next to each other as in a stack electrodialysis to be built in. This means, the inventive method let yourself by repeating in variable-size stack designs.
Da das vorgeschlagene Elektroentionisierungsverfahren zwei nacheinanderfolgende Prozesse – Ionenaustausch und elektrochemische Ionenaustauscherregenerierung – aufweist, sollten natürlich beide Prozesse möglichst präzise zeitlich aufeinander abgestimmt bzw. auch einzeln optimiert werden. Für einen konkreten Ionenaustausch sind unterschiedliche Ionenaustauschermaterialien einsetzbar. Weiterhin kann ein behandeltes Wasser die Ionenaustauscherkammern parallel und/oder hintereinander durchströmen. Für eine effektive Entfernung von Schwermetallionen aus Wässern mit einem Anteil an anderen Ionen, wie z.B. Calzium, Magnesium, Sulfat, Phosphat, Chlorid oder anderen, ist eine Verwendung von selektiven Ionenaustauschern oder eine Kombination von ihnen mit z.B. anderen starksauren oder starkbasischen Ionenaustauschern erforderlich. Um die Anzahl von Modulen zu reduzieren, kann die Beladung von Ionenaustauschern durch eine Erhöhung der Konvektion sowie eine Erhöhung der Temperatur des behandelten Systems beschleunigt werden. Gleichgewichte beim Ionenaustausch sind stark von pH-Werten abhängig. Deswegen ist es zweckmäßig, immer spezielle Ionenaustauscher oder deren Kombination sowie optimale Stoffstromführungen zu berücksichtigen. Im Fall eines neutralen Wassers, aus dem Anionen selektiv abgetrennt werden sollen, ist es von Vorteil, zuerst das zu reinigende Wasser zwecks Senkung des pH-Wertes durch einen starksauren Ionenaustauscher und dann durch einen selektiven Anionenaustauscher zu leiten. Eine weitere Ausführung beschreibt die Erhöhung des Wirkungsgrades des Ionenaustausches bei gleichzeitiger Kationen- und Anionenentfernung. Hierbei wird das zu behandelnde Wasser mit einem pH-Wert im sauren Bereich zuerst durch einen Anionenaustauscher und dann durch einen Kationenaustauscher geleitet. Umgekehrtes gilt für Wässer mit basischem pH-Wert.There the proposed electrodeionization process two consecutive Processes - ion exchange and electrochemical ion exchanger regeneration - has, should of course both processes possible precise Timed to each other or individually optimized. For one concrete ion exchange are different ion exchange materials used. Furthermore, a treated water may be the ion exchange chambers flow through parallel and / or consecutively. For effective removal of heavy metal ions from waters with a proportion of other ions, e.g. Calcium, magnesium, Sulfate, phosphate, chloride or other, is a use of selective ion exchangers or a combination of them with e.g. other strongly acidic or strongly basic ion exchangers required. Around To reduce the number of modules, the loading of ion exchangers by an increase the convection as well as an increase the temperature of the treated system are accelerated. equilibria in ion exchange are highly dependent on pH values. That's why it is useful, always special ion exchangers or their combination as well as optimal Material flow guides to consider. In the case of a neutral water, selectively separated from the anions It is an advantage to first use the water to be purified Lowering the pH by a strongly acidic ion exchanger and then by a selective To conduct anion exchanger. Another embodiment describes the increase of Efficiency of ion exchange with simultaneous cationic and anion removal. Here, the water to be treated with a pH in the acidic range, first by an anion exchanger and then passed through a cation exchanger. The reverse applies for waters with basic pH.
Für eine effektive elektrochemische Ionenaustauscherregenerierung sind folgende Aspekte interessant. An den Elektroden gebildete und für die Ionenaustauscherregenerierungverantwortliche Spezies, OH-- und H+-Ionen, müssen direkt mit dem Ionenaustauscher reagieren bzw. mit beladenen Ionen ausgetauscht werden. Das kann einerseits durch eine gemeinsame Unterbringung des Ionenaustauschers und einer Elektrode im gleichen Zellenraum (z.B. Kationenaustauscher im Anodenraum und Anionenaustauscher im Kathodenraum) oder andererseits durch einen gemeinsamen Kreislauf für die Anodenkammer und Kationenaustauscherkammern und/oder Kathodenkammer und Anionenaustauscherkammern während der Regenerierung erfolgen. Im ersten Fall steht eine vereinfachte Zelleinheit mit weniger Membranen und Zellenräumen zur Verfügung. Daraus ergeben sich ein leichterer Betrieb sowie kleinere Zellspannungen und kleinere Energiekosten. Im zweiten Fall lässt sich eine bessere Entgasung realisieren. Dadurch kann mit größeren Stromstärken gearbeitet werden, was zu einer Verkürzung der Regenerierungszeiten führt. Daneben gibt es bezüglich der Zellenstruktur und der Führung von Elektrolytströmen durch die Kammern der Zelle natürlich noch viele weitere Möglichkeiten der Verfahrensführung, wie den im Weiteren beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu entnehmen ist.The following aspects are interesting for effective electrochemical ion exchanger regeneration. Species formed at the electrodes and responsible for ion exchange regeneration, OH - and H + ions, must react directly with the ion exchanger or be exchanged with charged ions. This can be done on the one hand by a common placement of the ion exchanger and an electrode in the same cell space (eg, cation exchanger in the anode compartment and anion exchanger in the cathode compartment) or on the other hand by a common circuit for the anode chamber and cation exchange chambers and / or cathode chamber and anion exchange chambers during regeneration. In the first case, a simplified cell unit with fewer membranes and cell spaces is available. This results in easier operation as well as lower cell voltages and lower energy costs. In the second case, a better degassing can be realized. As a result, it is possible to work with higher current intensities, which leads to a shortening of the regeneration times. In addition, with regard to the cell structure and the guidance of electrolyte flows through the chambers of the cell, there are, of course, many more possibilities for conducting the method, as can be seen from the embodiments of the method according to the invention described below.
Zur Vorbeugung der Entwicklung giftigen Chlorgases sollte als Anolyt ein chloridfreier Elektrolyt benutzt werden. Dadurch kann auf eine zusätzliche Kationenaustauschermembran vor der Anode verzichtet werden, was neben der Einsparung der Kosten für die Membrane auch zu einer vereinfachten Konstruktion sowie geringeneren Energiekosten führt. Weiterhin können den Prozesslösungen die Leitfähigkeit erhöhende Chemikalien zur Senkung der Zellspannung bzw. zur Erhöhung von Zellenstrom und Stromausbeute zugegeben werden. Dafür können Basen, Säuren, Salze sowie spezielle Pufferlösungen, die den Ausfall von Metallhydroxiden oder Metallabscheidungen verhindern, verwendetwerden. Zur Verhinderung von Metallabscheidungen oder Kalkabscheidungen an der Kathode sollte sich in der Kationenkammer eine bipolare Membran oder eine Anionenaustauschermembran vor der Kathode befinden.To prevent the development of toxic chlorine gas, an anolyte should be used as an anolyte free from chloride. This can be on an additional The cation exchange membrane in front of the anode can be dispensed with, which, in addition to saving the costs for the membrane, also leads to a simplified construction and lower energy costs. Furthermore, the process solutions can be added to the conductivity-increasing chemicals to reduce the cell voltage or to increase cell current and current efficiency. For this, bases, acids, salts as well as special buffer solutions that prevent the failure of metal hydroxides or metal deposits can be used. To prevent metal deposits or limescale deposits at the cathode, a bipolar membrane or an anion exchange membrane should be located in front of the cathode in the cation chamber.
Mit der Erfindung wurde eine Lösung gefunden, die eine quasikontinuierliche Regenerierung von Prozesswässern der Oberflächentechnik und metallbearbeitenden und -verarbeitenden Industrie etc. mittels einer getakteten Entionisierung zum Inhalt hat. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Senkung der Schwermetallkonzentration in Spülen bis 0,1 mg/l erreicht werden. Die Schwermetalle und andere Badbestandteile werden in anionischer und/oder kationischer Form konzentriert und können als Konzentrat für eine Prozessbadkorrektur verwendet werden. Dadurch kann eine Abwasser- und Schlammbildung verhindert werden. Der Energieaufwand wird im Vergleich zu Elektrodialyseverfahren stark reduziert.With The invention became a solution found a quasicontinuous regeneration of process waters of the surface technology and metalworking and processing industry etc. by means of a clocked deionization content. By the method according to the invention can lower the heavy metal concentration in rinsing up 0.1 mg / l can be achieved. The heavy metals and other bath components are concentrated in anionic and / or cationic form and can as Concentrate for a process bath correction can be used. This allows a wastewater and sludge formation are prevented. The energy expenditure is in the Compared to electrodialysis greatly reduced.
Die
Das Verfahren wird bevorzugt für die Regenerierung von Spülwässern, die bei abtragenden Metallverfahren, wie Beizen, Ätzen, Brennen u.a., oder nach Metallabscheidungsprozessen, wie der Chromatierung, entstehen, eingesetzt. Hierbei werden abgetragene Fremdmetallionen getrennt bzw. zu für eine Bäderkorrektur nützlichen Lösungen aufkonzentriert. Zusätzlich ermöglicht diese Ausgestaltung des Verfahrens eine Verhinderung von unerwünschten Kathoden- oder Anodenreaktionen, während der Regenerierung, wie z.B. eine Metallabscheidung oder Chlorentwicklung. Eine typische Anwendung ist die Behandlung von nach der Verchromung von Kupferlegierungen entstehender Spülwässern. Durch die Entionisierung wird z.B. eine Spüle von Kupfer- und Chromionen gereinigt; nach der Regenerierung im Anolyt aufkonzentrierte Chromsäure kann zur Prozessbadkorrektur wiederverwendet werden und in Konzentrationskammern aukonzentrierte Kupfer- und Zinnionen können zurückgewonnen werden. Ein andere Anwendung ist die Behandlung von chloridhaltigen Spülwässer, die beim Metallbeizen von Titan oder Aluminium entstehen.The Method is preferred for the regeneration of rinse waters, the in ablative metal processes, such as pickling, etching, firing, etc., or after Metal deposition processes, such as the chromating arise, used. Here, removed foreign metal ions are separated or for a bath correction useful solutions concentrated. additionally allows this embodiment of the method a prevention of unwanted cathode or anode reactions while regeneration, e.g. a metal deposition or chlorine evolution. A typical application is the treatment of after chrome plating of copper alloys resulting rinse waters. By deionization is e.g. a sink purified from copper and chromium ions; after regeneration in anolyte concentrated chromic acid Can be reused for process bath correction and concentrated in concentration chambers Copper and tin ions can recovered become. Another application is the treatment of chloride-containing Rinsing waters, the when metal pickling of titanium or aluminum arise.
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine universelle Variante, die für die getrennte Entfernung von Anionen bzw. Kationen, die an der Anode oder Kathode elektrochemisch reagieren, anwendbar ist, wie es z.B. bei der Entfernung von Chlorid- und Fluoridionen oder Schwermetallen, wie Kupfer, Nickel, Zinn u.a., der Fall ist.These Embodiment of the method according to the invention is a universal variant for the separate removal of anions or cations that are electrochemical at the anode or cathode react, is applicable, as e.g. in the removal of chloride and fluoride ions or heavy metals such as copper, nickel, tin and the like, the case is.
Diese
Ausgestaltung der Erfindung ist analog der mit
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie dessen vorteilhafte Wirkungen sollen anhand nachfolgenden Ausführungsbeispiels weiter erläutert werden.The inventive method as well as its advantageous effects are described below embodiment further explained become.
Hierbei
wird die Behandlung eines nach der Verchromung entstehenden Spülwassers
mit einem Inhalt von 60 mg [Cr(VI)]/l, 12 mg [Cl-]/l,
50 mg
Bei
diesem Elektroentionisierungsverfahren wird, wie in
Dem
Ionenaustausch folgt eine elektrochemische Ionenaustauscherregenerierung.
Dabei wird die Elektrolysezelleneinheit mit einer Stromstärke von
0,35 A während
4 h betrieben. Während
dieser Zeit wird mittels der Pumpe
Der
Zyklus „Ionenaustausch – Ionenaustauscherregenerierung" wird fünfmal ohne
Wechsel der Elektrolytflüssigkeiten
durchgeführt.
Es wird nur durch Elektrolyse und Aerosolaustrag reduzierte Elektrolytvolumina
in den Flüssigkeitsströmen
- 11
- Teilzelle (Anodenkammer)subcell (Anode chamber)
- 22
- Teilzelle (Kathoden Kammer)subcell (Cathode chamber)
- 3, 4, 5, 6, 73, 4, 5, 6, 7
- Teilzellenpartial cells
- 88th
- Separatorseparator
- 99
- Anodeanode
- 1010
- Kathodecathode
- 1111
- Bipolare Membran oder bipolare Elektrodebipolar Membrane or bipolar electrode
- Ionenaustauschermaterialion exchange
- 1313
- SpülwasserflüssigkeitsstromSpülwasserflüssigkeitsstrom
- 1414
- Flüssigkeitsstrom durch die Kathodenkammerliquid flow through the cathode chamber
- 1515
- Flüssigkeitsstrom durch die Anodenkammerliquid flow through the anode chamber
- 16, 1916 19
- Flüssigkeitsströme durch die SeperatorenkammernLiquid flows through the seperator chambers
- 17, 1817 18
- Flüssigkeitsströme zur Regenerierung der IonenaustauschermaterialienLiquid streams for regeneration the ion exchange materials
- 2020
- Flüssigkeitsstrom durch die Anoden- und Kathodenkammerliquid flow through the anode and cathode chamber
- 21–2821-28
- Elektrolytbehälterelectrolyte container
- 29–3629-36
- Pumpen zur Förderung der Flüssigkeitsströmepump to promote the liquid streams
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