DE102012212955A1 - Process for the magnetic separation of precipitates from fluids using reusable superparamagnetic compost particles - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines wässrigen Fluids, umfassend die folgenden Schritte: (a) Zugabe von magnetisch separierbaren Partikeln zu dem wässrigen Fluid, wobei jedes dieser Partikel eine Mehrzahl von Nanopartikeln mit reversiblen magnetischen Eigenschaften und eine Matrix umfasst, die einen anorganischen Anteil zwischen 70 und 100 Gew.-%, bezogen auf das Matrix-Gewicht, aufweist, wobei der anorganische Anteil der Matrix zu 80 bis 100 Gew.-% aus SiO2 besteht, wobei i. die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser in wenigstens einer Richtung von mindestens 5 µm aufweisen, ii. die Partikel eine Oberfläche (gemäß BET-Messung) von mindestens 1 m2/g und ein (kumulatives) Porenvolumen von weniger als 0,195 cm3/g (ml/g) besitzen, iii. ein Verlust an Material aus den Nanopartikeln mit reversiblen magnetischen Eigenschaften von weniger als 2Gew.-% bei 12-stündigem Rühren der magnetisch abtrennbaren Partikel in sauren und alkalischen Lösungen mit einem pH-Wert von 1 bzw. von 12 eintritt, (c) Einwirkenlassen der Partikel auf das wässrige Fluid, bis ausgefällte oder im Fluid schwebende Stoffe daran haften, (d) Abtrennen magnetisch separierbarer Partikel mit daran haftenden Stoffen vom wässrigen Fluid mit Hilfe eines Magnetfeld-Gradienten. Insbesondere umfasst das Verfahren dabei außerdem (b) die Zugabe eines Fällungsmittels zu dem Fluid, das in der Lage ist, gesuchte gelöste Stoffe darin auszufällen, mit der Maßgabe, dass die Schritte (a) und (b) in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können, oder dass das Fällungsmittel auf den magnetisch separierbaren Partikeln ausgeflockt wird und diese anschließend zu dem wässrigen Fluid zugegeben werden. Die abgetrennten Partikel können mit Hilfe von z. B. Säure von der Flockung befreit und wiederverwendet werden. Die in der Säure angereicherten Stoffe können wiedergewonnen oder – ggf. nach Aufarbeitung – deponiert werden.The invention relates to a method of treating an aqueous fluid, comprising the following steps: (a) adding magnetically separable particles to the aqueous fluid, each of these particles comprising a plurality of nanoparticles having reversible magnetic properties and a matrix comprising an inorganic portion between 70 and 100 wt .-%, based on the matrix weight, wherein the inorganic portion of the matrix to 80 to 100 wt .-% of SiO 2, wherein i. the particles have an average diameter in at least one direction of at least 5 μm, ii. the particles have a surface area (by BET measurement) of at least 1 m2 / g and a (cumulative) pore volume of less than 0.195 cm3 / g (ml / g), iii. a loss of material from the nanoparticles with reversible magnetic properties of less than 2Gew .-% with 12 hours of stirring the magnetically separable particles in acidic and alkaline solutions having a pH of 1 or 12 occurs, (c) exposing the Particles on the aqueous fluid until precipitated or suspended in the fluid substances adhere thereto, (d) separating magnetically separable particles with adhering substances from the aqueous fluid using a magnetic field gradient. In particular, the process further comprises (b) adding a precipitating agent to the fluid capable of precipitating solutes therein, provided that steps (a) and (b) can be carried out in any order, or that the precipitant is flocculated on the magnetically separable particles and then added to the aqueous fluid. The separated particles can with the help of z. As acid freed from flocculation and reused. The substances enriched in the acid can be recovered or - if necessary after work-up - be deposited.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von in einem aufzureinigenden wässrigen Fluid befindlichen, in der Regel gelösten Stoffen unter Verwendung wiederverwendbarer, superparamagnetischer Kompositpartikel.The present invention relates to a process for separating, usually dissolved substances in a water to be purified aqueous fluid using reusable superparamagnetic composite particles.
Verunreinigungen in Abwässern, Klärwerksabläufen oder anderen aufzureinigenden Wässern sind vielfältig. Darunter sind insbesondere gelöste Schwermetall-Kationen und Anionen, organische Schadstoffe und in partikulärer Form vorliegende Schad- und Schwebstoffe zu nennen, die die Umwelt unter Umständen schwer belasten und für Mensch und Tier toxisch sein können. Auf der anderen Seite können viele Verunreinigungen die Basis späterer Wertstoffe sein, die insbesondere auch unter dem Aspekt des Minderverbrauchs von Primärressourcen Bedeutung haben können. Es werden Verfahren benötigt, um einerseits die genannten Stoffe abzutrennen und zu isolieren, um sie später ggf. aufzuarbeiten und entweder einer Wiederverwertung oder einer Endlagerung zuführen zu können, und andererseits unbelastetes Wasser rückgewinnen zu können. Impurities in waste water, sewage treatment processes or other water to be purified are manifold. These include, in particular, dissolved heavy metal cations and anions, organic pollutants and pollutants and particulates present in particulate form, which under certain circumstances can severely pollute the environment and be toxic to humans and animals. On the other hand, many impurities can be the basis of later valuable substances, which may also have significance in particular with regard to the under-utilization of primary resources. Methods are needed to separate and isolate the said substances on the one hand, in order to be able to process them later, either for recycling or final disposal, and on the other hand to be able to recover uncontaminated water.
Bekannt ist die Fällung von Eisen- und/oder Aluminimumhydroxiden durch Zugabe entsprechender Salzlösungen. Diese führt zum Ausflocken der Hydroxide, wobei andere Metallionen (z. B. Schwermetall-Kationen) mitgefällt werden und weitere gelöste oder partikuläre Schadstoffe adsorbiert werden. Diesbezüglich kann auf die Veröffentlichungen von
Es sind einige wenige alternative Verfahren beschrieben, um in Umgehung dieses Problems, eine Fest-Flüssig-Trennung (schadstoffhaltige, feste Komponente vom gereinigten Wasser), durch Ausnutzung magnetischer Abtrenntechniken zu erreichen. Sie lassen sich wie folgt kategorisieren:
- 1. Ferrit Prozess / green rust Methode (
M. Franzreb, a. a. O.; J. Waynert, C. Prenger, L. Worl, B. Wingo, T. Ying, J. Stewart, D. Peterson, J. Bernard, C. Rey, M. Johnson, Superconductivity for Electric Systems Program Review (2003), Los Alamos National Laboratory E. Barrado, F. Prieto, J. Ribas, F. A. Lopez, Water, Air, and Soil Pollution (1999), 115, 385 M. Franzreb, a. a. O., J. Waynert et al., a. a. O. - 2. „Siroflock“-Prozess (
EP 485474 B1 R. Lehane, a. a. O. - 3. Magnetische Ionentauscher (Miex®-Prozess der australischen Fa. Orica WaterCare): Bei diesem Verfahren werden permanentmagnetische Ionentauscher-Partikel als Flüssigbett (liquid bed ion exchanger resin) verwendet. Die Partikel werden durch Rühren im Abwasser dispergiert und können anionische, wasserverunreinigende Stoffe binden. Ein Ausspülen der Partikel aus dem Reaktor wird durch ihre magnetische Agglomeration in den nicht durchrührten Bereichen des Reaktors und anschließende Sedimentation verhindert.
- 1. ferrite process / green rust method (
M. Franzreb, op. Cit.; J. Waynert, C. Prenger, L. Worl, B. Wingo, T. Ying, J. Stewart, D. Peterson, J. Bernard, C. Rey, M. Johnson, Superconductivity for Electric Systems Program Review (2003), Los Alamos National Laboratory E. Barrado, F. Prieto, J. Ribas, FA Lopez, Water, Air, and Soil Pollution (1999), 115, 385 M. Franzreb, supra, J. Waynert et al., Supra. - 2. "siroflock" process (
EP 485474 B1 R. Lehane, op. Cit. - 3. Magnetic ion exchanger (Miex ® process of Australian Fa Orica Water Care.): In this method be used permanent magnetic ion exchange particles as a fluidized bed (liquid bed ion exchanger resin). The particles are dispersed by stirring in the wastewater and can bind anionic, water polluting substances. Rinsing of the particles from the reactor is prevented by their magnetic agglomeration in the non-stirred sections of the reactor and subsequent sedimentation.
Darüber hinaus gibt es die Verfahren des sogenannten magnetic seedings (siehe
Die eingesetzten Magnetitpartikel weisen eine remanente Magnetisierung auf. Auch nach der magnetischen Abtrennung bleiben sie dauerhaft agglomeriert. Sie lassen sich u. U. nur schwer aus dem Abscheider entfernen (siehe
The magnetite particles used have a remanent magnetization. Even after the magnetic separation, they remain permanently agglomerated. You can u. U. difficult to remove from the separator (see
In der Literatur finden sich auch Vorschläge, den Magnetit durch Aufreinigen durch ein Abscheren der Fällungsflocken (
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich vorwiegend gelöste Substanzen, darunter solche, die giftig oder wertvoll sind, mit Hilfe von Magnetpartikeln aus einem wässrigen Fluid ausfällen und ggf. wiedergewinnen lassen, wobei die oben geschilderten Nachteile vermieden werden sollen. Das Verfahren kann für verschiedene Zwecke vorgesehen sein, z. B. zur Rückgewinnung von Stoffen, zur Abtrennung von Molekülen für analytische oder präparative Zwecke, in der Biochemie und Medizintechnik sowie in der Abwassertechnik. Insbesondere soll es möglich sein, die für die Abtrennung eingesetzten Magnetpartikel leicht wiederzugewinnen, ohne dass technisch und/oder chemisch aufwändige Maßnahmen ergriffen werden müssen. The object of the invention is to provide a method with which predominantly dissolved substances, including those that are toxic or valuable, with the help of magnetic particles from an aqueous fluid precipitate and possibly recover, the above-mentioned disadvantages are to be avoided. The method may be provided for various purposes, e.g. As for the recovery of substances, for the separation of molecules for analytical or preparative purposes, in biochemistry and medical technology and in wastewater technology. In particular, it should be possible to easily recover the magnetic particles used for the separation, without technically and / or chemically complex measures must be taken.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Behandlung eines wässrigen Fluids, umfassend die folgenden Schritte:
- (a) Zugabe von magnetisch separierbaren Partikeln zu dem wässrigen Fluid, wobei jedes dieser Partikel eine Mehrzahl von Nanopartikeln mit reversiblen magnetischen Eigenschaften und eine Matrix umfasst, die einen anorganischen Anteil zwischen 70 und 100 Gew.-%, bezogen auf das Matrix-Gewicht, aufweist, wobei der anorganische Anteil der Matrix zu 80
bis 100 Gew.-% aus SiO2 besteht, wobei - i. die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser in wenigstens einer
Richtung von mindestens 5 µm aufweisen, - ii. die Partikel eine Oberfläche (gemäß BET-Messung) von mindestens 1 m2/g und ein (kumulatives) Porenvolumen von weniger als 0,195 cm3/g (ml/g) besitzen,
- iii. ein Verlust an Material aus den Nanopartikeln mit reversiblen magnetischen Eigenschaften von weniger
als 2 Gew.-% bei 12-stündigem Rühren der magnetisch abtrennbaren Partikel in sauren und alkalischen Lösungen mit einem pH-Wert von 1 bzw.von 12 eintritt, - (b) Einwirkenlassen der Partikel auf das wässrige Fluid, bis ausgefällte oder im Fluid schwebende Stoffe daran haften,
- (c) Trennen magnetisch separierbarer Partikel mit daran haftenden Stoffen vom wässrigen Fluid mit Hilfe eines Magnetfeld-Gradienten.
- (a) adding magnetically separable particles to the aqueous fluid, each of these particles comprising a plurality of nanoparticles having reversible magnetic properties and a matrix having an inorganic content of between 70 and 100% by weight, based on the matrix weight, wherein the inorganic portion of the matrix to 80 to 100 wt .-% of SiO 2 , wherein
- i. the particles have an average diameter in at least one direction of at least 5 μm,
- ii. the particles have a surface area (by BET measurement) of at least 1 m 2 / g and a (cumulative) pore volume of less than 0.195 cm 3 / g (ml / g),
- iii. a loss of material from the nanoparticles having reversible magnetic properties of less than 2% by weight when the magnetically separable particles are stirred for 12 hours in acidic and alkaline solutions having a pH of 1 and 12, respectively,
- (b) exposing the aqueous fluid to the particles until precipitated or fluid suspended materials adhere thereto;
- (c) separating magnetically separable particles with adhering matter from the aqueous fluid by means of a magnetic field gradient.
In dieser Form kann das Verfahren genutzt werden, vorhandene, beispielsweise kolloidal vorliegende Trübstoffe zu koagulieren und auszuflocken. Außerdem kann es für Zwecke wie die folgenden genutzt werden: Viele Mienen-(Bergwerks-)Abwässer enthalten gelöstes, zweiwertiges Eisen. Oftmals enthalten sie zudem gelöste Schwermetalle. Verlassen diese Mienenabwässer die Abbaugrube, kommen sie mit Sauerstoff in Kontakt. Dies führt zu einer Ausflockung von Eisen(III)hydroxid. Problematisch ist der Gehalt an Schwermetallen, die dabei mit eingebunden werden. Die Abwässer werden deshalb in großen Sedimentationsbecken gestaut, damit sich die Flocken absetzten können. Aufgrund des hohen Platzbedarfs ist dieses Verfahren, obgleich es einfach ist, teuer (siehe z. B. M. Franzreb, a. a. O.). Mit den Kompositpartikeln können die ggf. schwermetallhaltigen Eisenhydroxidflocken magnetisch abgetrennt werden. Dies kann sogar in einem kontinuierlichen Verfahren (z. B. mit Hilfe eines Trommel-Magnetscheiders, siehe M. Franzreb, a. a. O., S. 121) erfolgen. Dabei werden die Partikel direkt dem Abwasserstrom zugeführt und nach kurzer Verweilzeit über einen rotierenden Magneten abgeschieden.In this form, the method can be used to coagulate existing and, for example, colloidal turbidity and flocculate. It can also be used for such purposes as: Many mines contain dissolved, divalent iron. Often they also contain dissolved heavy metals. If these mine effluents leave the excavation pit, they come into contact with oxygen. This leads to a flocculation of iron (III) hydroxide. The problem is the content of heavy metals, which are involved with it. The wastewater is therefore stowed in large sedimentation basins, so that the flakes can settle. Because of the large footprint, this method, while simple, is expensive (see, for example, M. Franzreb, supra). With the composite particles, the possibly heavy metal-containing iron hydroxide flakes can be separated magnetically. This can even be done in a continuous process (eg with the aid of a drum magnetic separator, see M. Franzreb, loc. Cit., P. The particles are fed directly to the wastewater stream and deposited after a short residence time via a rotating magnet.
In der Regel wird jedoch angestrebt werden, auch oder sogar nur gelöste Stoffe aus dem wässrigen Fluid abzutrennen. In all diesen Fällen wird dem wässrigen Fluid weiterhin ein Fällungsmittel zugegeben, das in der Lage ist, gesuchte gelöste Stoffe darin auszufällen. Dabei kommt es auf die Reihenfolge der Zugabe der magnetisch separierbaren Partikel und des Fällungsmittels nicht an; sie können in beliebiger Reihenfolge nacheinander oder aber gleichzeitig dem Fluid zugesetzt werden. In einer spezifischen Ausführungsform können hierfür die magnetisch separierbaren Partikel vorab mit dem Fällungsmittel beflockt werden, z. B. indem die Partikel in einem Fluid wie Wasser suspendiert werden, worauf das Fällungsmittel in einer ausreichenden Menge zugegeben und die Partikel in Suspension gehalten werden, bis sich das Fällungsmittel auf den Partikeln niedergeschlagen hat.In general, however, it will be desirable to separate even or even only dissolved substances from the aqueous fluid. In all of these cases, a precipitant capable of precipitating sought solutes therein is further added to the aqueous fluid. It does not depend on the order of addition of the magnetically separable particles and the precipitant; They can be in any order be added sequentially or simultaneously to the fluid. In a specific embodiment, for this purpose, the magnetically separable particles can be flocked in advance with the precipitant, z. By suspending the particles in a fluid such as water, then adding the precipitant in an amount sufficient to maintain the particles in suspension until the precipitant has deposited on the particles.
Die Art des Fällungsmittels, das in der Lage ist, gesuchte gelöste Stoffe im wässrigen Fluid auszufällen, ist dem Grunde nach nicht kritisch; hier kann der Fachmann auf Grundlagenwissen zurückgreifen. Dabei kommt es immer darauf an, welche Substanzen im aufzureinigenden Fluid vorhanden sind bzw. vermutet werden. Handelt es sich beispielsweise um (z. B. toxische) Schwermetalle wie Arsen, Cadmium, Chrom, Blei, Kupfer oder Zink, wird der Fachmann in der Regel eine Eisen(II)- und/oder Eisen(III)-Verbindung, gegebenenfalls aber auch eine Aluminiumverbindung oder Calciumverbindung oder eine Kombination solcher Verbindungen wählen, die entweder als solche in wässrigen Lösungen ausfallen oder bekanntermaßen bei pH-Wert Änderungen in ggf. Beimischungen (Carbonate, Oxo-Hydroxoverbindungen) enthaltende, weniger gut lösliche Hydroxide übergehen. Hierzu darf auf die reichlich vorhandene Literatur verwiesen werden. Beispiele sind die Chloride der genannten Verbindungen; statt dessen kann auch Aluminiumsulfat und/oder Calciumhydroxid („lime“) zum Fällen verwendet werden, da diese Substanzen in großen Mengen verfügbar und dementsprechend billig sind. Alle genannten Materialien können auch in Kombination eingesetzt werden; für die Zwecke der Erfindung hat sich beispielsweise eine Kombination aus einem Calciumsalz wie Calciumhydroxid oder Calciumchlorid und einem Eisensalz als sehr erfolgreich erwiesen. Es ist darauf hinzuweisen, dass auch der Salzgehalt des wässrigen Fluids eine Rolle für die Wahl des Fällungsmittels und dessen Menge spielen kann: ein hoher Salzgehalt unterstützt selbstverständlich die Ausflockung, weshalb hilfsweise ein Salz zugesetzt werden kann, dessen Kationen nicht als Hydroxid ausfallen, das aber das Ionenprodukt im Fluid erhöht.The nature of the precipitating agent capable of precipitating sought-after solutes in the aqueous fluid is not fundamentally critical; Here, the specialist can resort to basic knowledge. It always depends on which substances are present or suspected in the fluid to be purified. If, for example, heavy metals (eg toxic) such as arsenic, cadmium, chromium, lead, copper or zinc are involved, the person skilled in the art will as a rule be an iron (II) and / or iron (III) compound, if appropriate also choose an aluminum compound or calcium compound or a combination of such compounds, either failing as such in aqueous solutions or known to change at pH changes in possibly admixtures (carbonates, oxo-hydroxy compounds), less soluble hydroxides. For this, reference may be made to the abundant literature. Examples are the chlorides of said compounds; instead, aluminum sulphate and / or calcium hydroxide ("lime") may also be used for precipitation, since these substances are available in large quantities and accordingly are cheap. All mentioned materials can also be used in combination; For the purposes of the invention, for example, a combination of a calcium salt such as calcium hydroxide or calcium chloride and an iron salt has proven to be very successful. It should be noted that also the salt content of the aqueous fluid can play a role in the choice of precipitant and its amount: of course, a high salt content supports the flocculation, which is why a salt may be added, whose cations do not precipitate as a hydroxide, but increases the ion product in the fluid.
Nicht nur Schwermetalle können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetrennt werden, sondern auch komplexe Anionen wie z. B. Phosphate oder Nitrate. Hierfür können häufig dieselben Fällungsmittel eingesetzt werden, die man für die Ausfällung von Schwermetallen benutzt. So kann man bei Zugabe von Eisenchlorid einen Niederschlag von FePO4 bzw. FeAsO4 auf den Partikeln beobachten.Not only heavy metals can be separated by the method according to the invention, but also complex anions such. For example, phosphates or nitrates. For this purpose, the same precipitants can be used frequently, which are used for the precipitation of heavy metals. Thus, with the addition of iron chloride, a precipitate of FePO 4 or FeAsO 4 can be observed on the particles.
Des Weiteren lassen sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in manchen Fällen auch organische Stoffe abtrennen/mitfällen, sofern diese unter den Bedingungen der Erfindung unspezifisch an die Fällungsflocken adsorbieren können.Furthermore, in carrying out the process according to the invention, organic substances can also be separated / precipitated in some cases, provided that they can adsorb unspecifically to the precipitation flakes under the conditions of the invention.
Entscheidend an der Erfindung ist die Verwendung der spezifisch definierten, superparamagnetischen Partikel, da sich diese gut suspendieren und mit Hilfe von Magnetfeld-Gradienten aus flüssigen Medien abtrennen lassen und außerdem eine gegenüber anderen bekannten Partikeln verbesserte Stabilität sowie vergrößerte Oberfläche aufweisen. Diese Partikel sind in der – am Einreichungstag der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlichten – deutschen Patentanmeldung
Superparamagnetisch sind Teilchen in einer Größenordnung, die ohne Anlegen eines äußeren Magnetfelds eine mittlere Magnetisierung von null besitzen, sich in einem äußeren Magnetfeld jedoch wie ein echtes ferromagnetisches Material verhalten. Beim Abschalten des äußeren Feldes verbleibt aber keine remanente Magnetisierung der Partikel, welche sich dann wieder nicht-magnetisch verhalten (siehe z. B.
Anders als die genannten, bekannten Kompositpartikel umfassen die für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen, magnetisch abtrennbaren Mikropartikel Nanopartikel mit reversiblen magnetischen Eigenschaften in einer Matrix. Unter dem Ausdruck "reversible magnetische Eigenschaften" soll dabei zu verstehen sein, dass die Teilchen bei Raumtemperatur superparamagnetisch in dem Sinne sind, dass die remanente Magnetisierung im Rahmen der Messungenauigkeit vorzugsweise 0 beträgt bzw. maximal 0.5% der Sättigungsmagnetisierung, d. h. der Magnetisierung, die das Material erreicht, wenn ein äußeres Feld angelegt wird und das Material vollständig magnetisiert ist. Die Blocking-Temperatur des Materials für diese Teilchen sollte vorzugsweise bei ca. 180K (etwa –93°C) liegen. Ab dieser Temperatur kann die magnetische Orientierung der Partikel "frei rotieren"; sie ist daher ein gewisses Kriterium für den Superparamagnetismus der Teilchen bei Raumtemperatur.Unlike the aforementioned known composite particles, the magnetically separable microparticles proposed for use in the present invention comprise nanoparticles having reversible magnetic properties in a matrix. The term "reversible magnetic properties" should be understood to mean that the particles are superparamagnetic at room temperature in the sense that the remanent magnetization within the scope of the measurement inaccuracy is preferably 0 or a maximum of 0.5% of the saturation magnetization, ie. H. the magnetization that reaches the material when an external field is applied and the material is completely magnetized. The blocking temperature of the material for these particles should preferably be about 180K (about -93 ° C). From this temperature, the magnetic orientation of the particles can "rotate freely"; it is therefore a certain criterion for the superparamagnetism of the particles at room temperature.
Die in den erfindungsgemäß verwendbaren Partikeln eingesetzten magnetisierbaren Nanopartikel umfassen oder bestehen vorzugsweise aus Eisenoxid, insbesondere aus Magnetit und/oder Maghemit. Die Partikel können beispielsweise die folgende Zusammensetzung aufweisen:
- – Anteil der magnetischen oder magnetisierbaren Nanopartikel: 30 bis 70 Gew.-%
- – Anteil der Matrix: 70
bis 30 Gew.-%, - – anorganischer Anteil der Matrix, bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix: 85
bis 100%.
- - proportion of magnetic or magnetizable nanoparticles: 30 to 70% by weight
- Proportion of the matrix: 70 to 30% by weight,
- - Inorganic proportion of the matrix, based on the total weight of the matrix: 85 to 100%.
Insbesondere können sie eine der folgenden Zusammensetzungen besitzen:
- (a) – Anteil der magnetischen oder magnetisierbaren Nanopartikel: 40 bis 55 Gew.-%
- – Anteil der Matrix: 60 bis 45 Gew.-%
- – Anteil an Siliciumdioxid im anorganischen Anteil der Matrix: 95
bis 100 Gew.-% - oder
- (b) – Anteil der magnetischen oder magnetisierbaren Nanopartikel: 43 bis 50 Gew.-%,
- – Anteil an Siliciumdioxid: 45 bis 53 Gew.-%
- – Anteil an Alkalimetall, gemessen als Alkalioxid (M2O): 0
bis 1 Gew.-% - – Anteil an organischem Material und/oder Wasser: 0
bis 7 Gew.-%.
- (a) - proportion of magnetic or magnetizable nanoparticles: 40 to 55% by weight
- Proportion of the matrix: 60 to 45% by weight
- Proportion of silicon dioxide in the inorganic portion of the matrix: 95 to 100% by weight
- or
- (b) - proportion of the magnetic or magnetizable nanoparticles: 43 to 50 wt .-%,
- - proportion of silicon dioxide: 45 to 53 wt .-%
- - proportion of alkali metal, measured as alkali oxide (M 2 O): 0 to 1 wt .-%
- - Content of organic material and / or water: 0 to 7 wt .-%.
In allen Fällen kann die Matrix auf der Oberfläche der magnetisch abtrennbaren Partikel funktionelle Gruppen tragen, die über Si-C-Bindungen angebunden sind. Diese können gegebenenfalls über eine Silanisierung der Matrix-Oberfläche an diese angebunden worden sein. Die Oberfläche der erfindungsgemäßen Partikel besitzt vorzugsweise einen Wert von 2 2mindestens 10 m /g und stärker bevorzugt von mindestens 20 m /g.In all cases, the matrix on the surface of the magnetically separable particles may carry functional groups attached via Si-C bonds. These may optionally have been attached to them via a silanization of the matrix surface. The surface of the particles according to the invention preferably has a value of 2 2 at least 10 m / g and more preferably of at least 20 m / g.
Mehrere mögliche Verfahren zum Herstellen solcher Partikel sind in
- a. Bereitstellen eines fluiden magnetischen Sols, das durch Absenkung des pH-Wertes mit Hilfe des Zusatzes einer vorzugsweise anorganischen Säure wie HCl oder HNO3 auf einen Wert von nicht über
2,5, vorzugsweise von nichtpH 2,0, peptisiert wurde, wobei die Verwendung von HNO3 bevorzugt ist;über - b. Stabilisieren des Sols durch Zugabe eines organischen, komplexierenden Agens,
- c. Zugabe von Ammoniak oder einer Verbindung, die mindestens eine Aminfunktion aufweist oder bei Einwirkung von thermischer Energie eine solche freisetzt, zu dem stabilisierten Sol in einer Menge, dass – ggf. nach Einwirkung der erforderlichen thermischen Energie – ein pH-
Wert von mindestens 9, vorzugsweisevon mindestens 10 erreicht wird; und - d. Bewirken einer Fällung der magnetisch abtrennbaren Partikel durch Zugabe eines Siliciumdioxid bildenden Agens zu dem stabilisierten Sol, wobei das organische komplexierende Agens derart ausgewählt ist, dass sich nach Zugabe des Ammoniak gemäß Schritt c. ein gemessener hydrodynamischen Radius der im Sol befindlichen Partikel
im Bereich von 500 bis 2000 nm einstellt.
- a. Providing a fluid magnetic sol which has been peptized by lowering the pH with the aid of the addition of a preferably inorganic acid such as HCl or HNO 3 to a value not exceeding pH 2.5, preferably not exceeding 2.0, the said Use of HNO 3 is preferred;
- b. Stabilizing the sol by adding an organic, complexing agent,
- c. Addition of ammonia or a compound which has at least one amine function or releases such upon the action of thermal energy, to the stabilized sol in an amount that - optionally after exposure to the required thermal energy - a pH of at least 9, preferably of at least 10 is reached; and
- d. Causing a precipitation of the magnetically separable particles by adding a silica-forming agent to the stabilized sol, wherein the organic complexing agent is selected such that after addition of the ammonia according to step c. a measured hydrodynamic radius of the particles in the sol in the range of 500 to 2000 nm sets.
Dabei kann das Siliciumdioxid bildende Agens ein wasserlösliches Silikat, vorzugsweise mit einer Zusammensetzung von Siliciumdioxid zu Alkalimetalloxid im Bereich zwischen 4:1 und 1:1, besonders bevorzugt von etwa 3:, sein. Als Silicat kann dabei ein 2- bis 5 Masse-%iges Silicat in wässriger Lösung eingesetzt werden, und/oder das molare Verhältnis der Silicationen Si3O7 2– zum organischen, komplexierenden Agens kann im Bereich von 0,07 bis 0,2 liegen.In this case, the silica-forming agent may be a water-soluble silicate, preferably having a composition of silica to alkali metal oxide in the range between 4: 1 and 1: 1, particularly preferably of about 3 :. The silicate used may be a 2-5% by weight silicate in aqueous solution, and / or the molar ratio of the silications Si 3 O 7 2- to the organic complexing agent may range from 0.07 to 0.2 lie.
Ein zweites solches Verfahren umfasst die Schritte:
- a. Bereitstellen eines fluiden magnetischen Sols, das durch Absenkung des pH-Wertes mit Hilfe des Zusatzes einer Säure auf einen Wert von nicht über
2,5 peptisiert wurde,pH - b. Stabilisieren des Sols durch Zugabe eines organischen, komplexierenden Agens,
- c. Zugabe von Ammoniak oder einer Verbindung, die mindestens eine Aminfunktion aufweist oder bei Einwirkung von thermischer Energie eine solche freisetzt, zu dem stabilisierten Sol in einer Menge, dass – ggf. nach Einwirkung der erforderlichen thermischen Energie – ein pH-
Wert von mindestens 9 erreicht wird; und - d. Bewirken einer Fällung der magnetisch abtrennbaren Partikel durch Zugabe von Tetraethoxysilan zu dem stabilisierten Sol, das in Gegenwart von Ammoniak hydrolytisch zersetzt wird,
wobei das organische komplexierende Agens derart ausgewählt ist, dass sich nach Zugabe des Ammoniak gemäß Schritt c. ein gemessener hydrodynamischen Radius der im Sol befindlichen Partikel
im Bereich von 500 bis 2000 nm einstellt.
- a. Providing a fluid magnetic sol which has been peptized by lowering the pH by the addition of an acid to a value not exceeding pH 2.5,
- b. Stabilizing the sol by adding an organic, complexing agent,
- c. Addition of ammonia or a compound which has at least one amine function or releases such by the action of thermal energy, to the stabilized sol in an amount that - if necessary after exposure to the required thermal energy - a pH of at least 9 is achieved ; and
- d. Effecting precipitation of the magnetically separable particles by adding tetraethoxysilane to the stabilized sol which is hydrolytically decomposed in the presence of ammonia, wherein the organic complexing agent is selected such that after addition of the ammonia according to step c. a measured hydrodynamic radius of the particles in the sol in the range of 500 to 2000 nm sets.
Für das fluide magnetische Sol können beliebige Materialien mit reversiblen magnetischen Eigenscha
Zur weiteren Stabilisierung dieses – oder eines vergleichbaren anderen – Sols wird ein komplexierendes Agens zugesetzt. Ohne eine solche Stabilisierung entstehen bei einer nachfolgenden Fällung gemäß den Schritten c. und d. Teilchen mit einer extrem breiten Durchmesserverteilung im Bereich von 1 bis mehr als 200 µm. Das komplexierende Agens ist deshalb so zu wählen, dass eine Agglomeration der Nanopartikel bei der nachfolgenden pH-Erhöhung (auf mindestens pH 9) weitestgehend verhindert wird und sich im Schritt c. ein gemessener hydrodynamischer Radius der Partikel im Bereich von 500 bis 2000 nm, vorzugsweise im Bereich von etwa 800 bis 1200 und ganz besonders bevorzugt von etwa 1000nm einstellt. Der hydrodynamische Radius wird mittels dynamischer Lichtstreuung (dynamic light scattering, DLS) bzw. Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) gemessen, einer dem Fachmann wohl vertrauten Methode. Geeignet als komplexierende Agentien sind alle organischen Reagentien, die Eisen in wässriger Lösung komplexieren können und mindestens zwei zur Komplexbildung geeignete funktionelle Gruppen wie z. B. Hydroxygruppen, Ketogruppen oder Carbonsäuregruppen enthalten. Dabei ist die Anzahl der genannten funktionellen Gruppen angemessen zu wählen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass dann, wenn als organische Reagentien Polymere eingesetzt werden, die eine Vielzahl (z. B. mehr als 20 oder 30) zur Komplexbildung geeignete funktionelle Gruppen aufweisen, die anschließend gebildeten Mikro-Kompositpartikel mit SiO2 nicht ausreichend stabil sind. Sie sind zu klein, und die enthaltenen magnetisierbaren Nanopartikel lassen sich zu leicht daraus auswaschen. To further stabilize this - or a comparable other sol - a complexing agent is added. Without such stabilization occur in a subsequent precipitation according to the steps c. and d. Particles with an extremely wide diameter distribution in the range of 1 to more than 200 microns. The complexing agent should therefore be selected such that agglomeration of the nanoparticles is largely prevented in the subsequent pH increase (to at least pH 9) and in step c. a measured hydrodynamic radius of the particles in the range of 500 to 2000 nm, preferably in the range of about 800 to 1200 and most preferably of about 1000nm sets. The hydrodynamic radius is measured by means of dynamic light scattering (DLS) or photon correlation spectroscopy (PCS), a method familiar to the person skilled in the art. Suitable as complexing agents are all organic reagents that can complex iron in aqueous solution and at least two functional groups suitable for complex formation such. As hydroxy groups, keto groups or carboxylic acid groups. The number of functional groups should be selected appropriately. It has been found that when organic reagents are used as polymers having a large number of functional groups (for example more than 20 or 30) suitable for complex formation, the microcomposite particles subsequently formed are not sufficiently stable with SiO 2 are. They are too small, and the included magnetizable nanoparticles are too easy to wash out of.
Vorzuziehen sind deshalb monomere oder oligomere Verbindungen wie Hydroxycarbonsäuren mit 1 bis 3 Hydroxy- und 1 bis 3 Carbonsäurefunktionen, Di- oder Oligocarbonsäuren und auch Bis- oder Oligoalkohole mit maximal 8, vorzugsweise maximal 6 zur Komplexbildung geeigneten funktionellen Gruppen. Gut geeignet sind Hydroxycarbonsäuren mit insgesamt 2 oder 3 funktionellen Gruppen, Di- oder Tricarbonsäuren und Bis- oder Trisalkohole. Milchsäure oder Äpfelsäure sind besonders bevorzugt. Preference is therefore given to monomeric or oligomeric compounds such as hydroxycarboxylic acids having 1 to 3 hydroxy and 1 to 3 carboxylic acid functions, di- or oligocarboxylic acids and also bis- or oligo alcohols having a maximum of 8, preferably a maximum of 6 functional groups suitable for complex formation. Hydroxycarboxylic acids with a total of 2 or 3 functional groups, di- or tricarboxylic acids and bis- or tris alcohols are very suitable. Lactic acid or malic acid are particularly preferred.
Die Stabilisierung ist dann besonders wirkungsvoll für die Herstellung der Partikel, wenn das komplexierende Agens in großem, vorzugsweise wenigstens dreifachem und besonders bevorzugt wenigstens sechsfachem molaren Überschuss im Verhältnis zu den in den Nanopartikeln enthaltenen Metall-, insbesondere Eisenatomen zugegeben wird. Nur so bleiben die Nanopartikel dauerhaft in den Mikropartikeln gebunden, ohne dass später ein Auslösen der Nanopartikel beobachtet werden kann.The stabilization is particularly effective for the preparation of the particles when the complexing agent is added in a large, preferably at least three and more preferably at least six times the molar excess in relation to the metal, in particular iron atoms contained in the nanoparticles. Only in this way can the nanoparticles remain permanently bound in the microparticles without later triggering of the nanoparticles being observed.
Anschließend wird Ammoniak und/oder eine Verbindung zugegeben, die mindestens eine Aminfunktion aufweist oder eine solche Funktion bei Einwirkung von Wärme freisetzt. Die Zugabe von Ammoniak ist bevorzugt. Wenn eine andere Amino-Verbindung gewählt wird, kommt es auf deren Art dem Grunde nach nicht an, sofern sie mit dem Lösungsmittel des Sols mischbar ist und sich durch ihre Zugabe der angegebene pH-Wert erreichen lässt. Beispiele sind kurzkettige Amine, (insbesondere solche mit nicht mehr als 1 bis 4 Kohlenstoffatomen) wie Methylamin oder Diethylamin, Diamine wie Tetraethylendiamin, Hydroxyamine oder Harnstoff. Dabei ist es günstig, wenn die Menge an Ammoniak bzw. Amin in der wässrigen Lösung im molaren Überschuss, bezogen auf das Anion der vorzugsweise anorganischen Säure (NO3 –; Cl–), vorliegt. Subsequently, ammonia and / or a compound is added, which has at least one amine function or releases such a function by the action of heat. The addition of ammonia is preferred. If another amino compound is chosen, its nature does not matter in principle, as long as it is miscible with the solvent of the sol and can be reached by their addition of the specified pH. Examples are short-chain amines, (especially those having not more than 1 to 4 carbon atoms) such as methylamine or diethylamine, diamines such as tetraethylenediamine, hydroxyamines or urea. It is advantageous if the amount of ammonia or amine in the aqueous solution in molar excess, based on the anion of the preferably inorganic acid (NO 3 - , Cl - ), is present.
Dann wird das Sol vorzugsweise erwärmt, insbesondere auf 50 bis 90°C und besonders bevorzugt auf maximal ca. 80 °C. Die dabei eingeführte thermische Energie bewirkt in dem Fall, in dem anstelle von Ammoniak oder einer eine Aminogruppen enthaltenden Verbindung eine Verbindung zugegeben wurde, aus der erst unter der Einwirkung dieser Energie eine Aminogruppe freigesetzt wird, die erforderliche Erhöhung des pH-Wertes erst zu diesem Zeitpunkt. Then, the sol is preferably heated, in particular to 50 to 90 ° C and more preferably to a maximum of about 80 ° C. The introduced thermal energy causes in the case in which instead of ammonia or a compound containing amino groups, a compound was added from the release of an amino group only under the action of this energy, the required increase in the pH only at this time ,
Im nächsten Schritt wird ein Siliciumdioxid bildendes Agens zugesetzt. Hierunter fallen zum ersten Silane mit vorzugsweise vier einer hydrolytischen Kondensation zugänglichen Gruppen, insbesondere Alkoxygruppen. Das bereits oben erwähnte TEOS gehört hierzu. In Einzelfällen können auch Silane mit über Kohlenstoff an das Silicium gebundenen Resten wie ggf. mit funktionellen Gruppen modifizierte Alkyltrialkoxysilane eingesetzt werden, z. B. in Mischung mit einem Tetraalkoxysilan. Als Lösungsmittel für diesen Schritt dient in der Regel ein Alkohol. Die zweite Gruppe dieser Agentien, die gegenüber der die Silane umfassenden Gruppe bevorzugt ist, weil sie mit einer wesentlich schnelleren Umsetzung verbunden und wesentlich kostengünstiger ist, wobei das Herstellverfahren darüber hinaus auch in einem kontinuierlichen Prozess erfolgen kann, umfasst wasserlösliche Silicate (in der Regel ein Alkalisilicat, z. B. Natrium- oder Kaliumsilicat). Deren Zusammensetzung, d. h. das Verhältnis von Alkali zu Silicium, ist nicht beschränkt. Günstig ist beispielsweise eine Wasserglaslösung der Zusammensetzung SiO2:Na2O = 3:1. Die Verdünnung des zugegebenen wassergelösten Silikats ist dem Grunde nach nicht kritisch; sie kann jedoch in einer Reihe von Fällen für die wohldefinierte Partikelbildung von Bedeutung sein. Günstig ist eine 0,5 bis 7 masse-%-ige, z. B. eine 1,4 masse-%-ige Alkali-Silicatlösung, z. B. Natriumsilicatlösung (verdünnte Wasserglaslösung mit molarem Verhältnis SiO2:Na2O = 3:1, entspricht Na2Si3O7), die vorzugsweise langsam zugetropft wird. Das molare Verhältnis bei der Zugabe des Silicats (im angegebenen Beispiel des Natriumsilicats Na2Si3O7) zu Eisenatomen der – in das Komposit einzubringenden – Nanopartikeln sollte über 0,4, vorzugsweise bei 0,7 liegen. Diese Verfahrensführung hat gegenüber der Verwendung eines Silans auch noch den Vorteil, dass kein organisches Lösungsmittel benötigt wird. Dabei ist vorzugsweise die molare Menge an in Schritt a. zugesetzter Säure (z. B. HNO3 (aq)) größer als die des Wasserglases oder dgl.In the next step, a silica-forming agent is added. These include the first silane with preferably four hydrolytic condensation accessible groups, in particular alkoxy groups. The already mentioned above TEOS belongs to this. In individual cases, it is also possible to use silanes with radicals bonded via carbon to the silicon, such as alkyltrialkoxysilanes optionally modified with functional groups, eg. B. in admixture with a tetraalkoxysilane. The solvent used for this step is usually an alcohol. The second group of these agents, which is preferred over the silanes-containing group, because it is associated with a much faster reaction and much cheaper, wherein the manufacturing process can also be done in a continuous process, comprises water-soluble silicates (usually a Alkali silicate, eg sodium or potassium silicate). Their composition, ie the ratio of alkali to silicon, is not limited. Conveniently, for example, a Water glass solution of the composition SiO 2 : Na 2 O = 3: 1. The dilution of the added water-soluble silicate is basically not critical; however, in a number of cases it may be important for well-defined particle formation. Conveniently, a 0.5 to 7 mass -%, z. B. a 1.4 mass% alkali metal silicate solution, eg. For example, sodium silicate solution (dilute waterglass solution with a molar ratio SiO 2 : Na 2 O = 3: 1, corresponds to Na 2 Si 3 O 7 ), which is preferably added dropwise slowly. The molar ratio in the addition of the silicate (in the given example of the sodium silicate Na 2 Si 3 O 7 ) to iron atoms of the - to be introduced into the composite - nanoparticles should be above 0.4, preferably 0.7. This procedure also has the advantage over the use of a silane that no organic solvent is needed. In this case, preferably the molar amount of in step a. added acid (e.g., HNO 3 (aq)) greater than that of the waterglass or the like.
Die Zugabe des Siliciumdioxid bildenden Agens' erfolgt bevorzugt unter Rühren oder mit einer anderen Methode, die eine Durchmischung der Bestandteile in der Lösung/Suspension fördert und wenigstens durch ein turbulentes Zusammenfließen der Substanzen. The addition of the silica-forming agent is preferably carried out with stirring or by another method that promotes a thorough mixing of the components in the solution / suspension and at least by a turbulent confluence of the substances.
Um beim Zugeben der Wasserglaslösung eine Vergelung der Reaktionsmischung zu vermeiden, darf das molare Verhältnis von Silicat (bezogen auf das Anion Si3O7 2–) zum jeweils eingesetzten komplexierenden Agens, z. B. einer Hydroxycarbonsäure, 0,2 nicht übersteigen. Um stabile SiO2 Partikel zu bekommen, sollte das molare Verhältnis jedoch größer 0,07 sein. In order to avoid gelling of the reaction mixture when adding the waterglass solution, the molar ratio of silicate (based on the anion Si 3 O 7 2- ) may to the particular complexing agent used, for. As a hydroxycarboxylic acid, 0.2 do not exceed. However, to obtain stable SiO 2 particles, the molar ratio should be greater than 0.07.
Nach Zutropfen der verdünnten Wasserglaslösung entstehen augenblicklich feste, stabile Mikropartikel, welche Nanopartikel mit reversiblen magnetischen Eigenschaften ("superparamagnetische Nanopartikel") enthalten. After dropwise addition of the dilute waterglass solution, solid, stable microparticles containing nanoparticles with reversible magnetic properties ("superparamagnetic nanoparticles") are instantaneously formed.
Wenn im erfindungsgemäßen Verfahren anstelle von Natriumsilicat ein Silan wie TEOS und/oder ein Alkyltrialkoxysilan eingesetzt und z. B. nach dem Stöber-Prozess zersetzt wird, erfordert die sorgfältige hydrolytische Kondensation (z. B. in Gegenwart von Ammoniak) einen wesentlich längeren Zeitraum. Die dabei entstehenden Partikel unterscheiden sich auch physisch von denjenigen, die man bei einer Fällung mit Wasserglas erhält, wie nachstehend näher erläutert wird. Dennoch führen beide Verfahrensvarianten zu sehr stabilen Produkten.When used in the inventive method instead of sodium silicate, a silane such as TEOS and / or an alkyltrialkoxysilane and z. For example, when decomposed by the Stöber process, careful hydrolytic condensation (eg, in the presence of ammonia) requires a much longer period of time. The resulting particles also differ physically from those obtained in a waterglass precipitation, as further explained below. Nevertheless, both process variants lead to very stable products.
Die entstandenen Nano-/Mikro-Kompositpartikel werden – ggf. nach dem Abkühlen – mit einem Permanentmagneten abgetrennt und vorzugsweise gereinigt, z. B. mit Wasser oder Ethanol gewaschen. Als Ergebnis erhält man 1 bis 30 µm große Partikel aus einer SiO2-Matrix mit eingeschlossenen, superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln. Sofern eine Trocknung erforderlich ist, kann diese bei Raumtemperatur oder unter geringer Wärmezufuhr (vorzugsweise nicht über 80°C) erfolgen.The resulting nano / micro composite particles are - possibly after cooling - separated with a permanent magnet and preferably cleaned, z. B. washed with water or ethanol. As a result, particles of 1 to 30 μm are obtained from a SiO 2 matrix with enclosed, superparamagnetic iron oxide nanoparticles. If drying is required, this can be done at room temperature or under low heat (preferably not over 80 ° C).
Ein Unterschied zwischen den nach den beiden Verfahrensvarianten erhaltenen Partikeln zeigt sich im Rasterelektronen-Mikroskop im Detail (
Überraschenderweise unterscheiden sich die auf die beiden unterschiedlichen Weisen gewonnenen Partikel dagegen in ihrer Zusammensetzung kaum: Denn auch die mit Wasserglas hergestellten Teilchen besitzen nur einen verschwindend geringen Anteil an Alkaliionen wie Natrium, nämlich unter 2 Gew.-%, meist unter 1 Gew.-%, gemessen als Na2O, bezogen auf das Gesamtgewicht der Teilchen, siehe
Auch hinsichtlich der Größe gibt es Übereinstimmungen, wie die beiden REM-Aufnahmen der
Die erfindungsgemäß hergestellten Partikel zeigen eine gute chemische Stabilität. Sie sind säurestabil (keine Veränderung nach 24 h Rühren in Lösungen mit pH = 1; keine Veränderung der gemessenen Partikeldurchmesser vor und nach der Lagerung der Partikel in rauchender HCl (37%ig, ca. 12N) für 2 Stunden; im Gegensatz dazu lösen sich unbeschichtete magnetische Metall oder Metalloxidpartikel in Säuren innerhalb weniger Sekunden bis Minuten komplett auf. Auch konnte keine Nanopartikelfreisetzung bei hohen pH Werten nachgewiesen werden. Die Partikel sind auch noch nach 24 h Lagerung bei pH = 12 aus einer wässrigen Suspension gut magnetisch abtrennbar. Die verbleibende Lösung wurde chemisch analysiert. Zwar wurde darin ein merklicher Anteil von aufgelöstem SiO2 gefunden; der freigewordene Eisenanteil betrug jedoch < 1Gew.-% des Gesamt-Eisens. Das bedeutet, dass die Beschichtung mit SiO2 so dick und stabil ist, dass selbst der Verlust eines kleineren Teils davon die Stabilität der Partikel nicht beeinträchtigt. The particles produced according to the invention show good chemical stability. They are acid-stable (no change after stirring for 24 h in solutions with pH = 1, no change in the measured particle diameter before and after storage of the particles in fuming HCl (37%, about 12N) for 2 hours, in contrast to dissolve uncoated magnetic metal or metal oxide particles in acids completely within a few seconds to minutes and no release of nanoparticles could be detected at high pH values.The particles are also readily magnetically separable from an aqueous suspension after storage for 24 h at pH = 12. The remaining solution was chemically analyzed although a significant amount of dissolved SiO 2 was found therein, but the released iron content was <1 wt% of the total iron, which means that the coating with SiO 2 is so thick and stable that even the loss a smaller part of it does not affect the stability of the particles.
Die Partikel weisen auch eine gute mechanische Stabilität auf: die Partikelgrößen ändern sich nach 60 minütiger mechanischer Belastung in einem handelsüblichen Ultraschallbad nicht.The particles also have a good mechanical stability: the particle sizes do not change after 60 minutes of mechanical stress in a commercially available ultrasonic bath.
Die voranstehend beschriebenen Partikel besitzen gar keinen oder nur einen geringen organischen Anteil. In der Regel liegt dieser Anteil unter 7 Gew.-%, vorzugsweise unter 5,5 Gew.-%. Auch finden sich keine spektroskopischen Spuren wie C=O Schwingungen im FTIR, die man diesem Agens zuordnen könnte. Es ist daher anzunehmen, dass das Siliciumdioxid bildende Agens das organische stabilisierende monomolekulare oder oligomere Agens zumindest zum größten Teil aus den Teilchen verdrängt hat. The particles described above have no or only a small organic fraction. In general, this proportion is below 7 wt .-%, preferably below 5.5 wt .-%. Also, there are no spectroscopic traces such as C = O vibrations in the FTIR, which could be assigned to this agent. It is therefore believed that the silica-forming agent has at least for the most part displaced the organic stabilizing monomolecular or oligomeric agent from the particles.
Der anorganische Anteil der Teilchen besteht aus 40 bis 60 Gew.-% magnetischen bzw. magnetisierbaren Nanopartikeln und 60 bis 40 Gew.-% Siliciumoxid; der Anteil an Natrium, gemessen als Na2O, liegt in der Regel unter 1 Gew.-%, bevorzugt unter 0,5 Gew.-%. Im EDX-Spektrum (siehe
Anhand von Si-NMR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass die SiO2-Matrix auch bei Verwendung von Wasserglas im Herstellungsverfahren vor allem aus SiO4-Tetraedern besteht. Daneben existieren Si(-O-Si)3-Gruppen, bei denen die vierte Bindung des Si Atoms mit einem anderen Atom über eine O-Brücke verknüpft ist. Das Spektrum entspricht einem typischen amorphen SiO2 Spektrum. Somit besteht die Matrix also im Wesentlichen oder sogar vollständig aus SiO2. Using Si-NMR spectroscopy, it was possible to show that the SiO 2 matrix, especially when using water glass in the production process, mainly consists of SiO 4 tetrahedra. In addition, there are Si (-O-Si) 3 groups in which the fourth bond of the Si atom is linked to another atom via an O-bridge. The spectrum corresponds to a typical amorphous SiO 2 spectrum. Thus, the matrix consists essentially or even completely of SiO 2 .
Die voranstehend beschriebenen Partikel sind trotz ihrer Mikrometergröße superparamagnetisch und haben eine Sättigungsmagnetisierung von 30–35 emu/g, was eine sehr gute magnetische Abtrennung ermöglicht. Dies dürfte daran liegen, dass die Partikel aus einer Vergesellschaftung von „Plättchen“ im Nanometerbereich bestehen, welche über die Siliciumoxid-Matrix so verbunden sind, dass die Partikel eine hohe äußere Hülloberfläche ("Kubatur") erhalten, was auch zu der oben angesprochenen, deutlich erhöhten Oberfläche im Vergleich zu den kompakteren, meist kugelförmigen Partikeln des Standes der Technik führt. Die gute Abtrennbarkeit wird insbesondere bei durch die Wasserglas-Methode erhaltenen Teilchen durch deren Größe (im Mittel um 20µm) weiter unterstützt.The particles described above are superparamagnetic in spite of their micrometer size and have a saturation magnetization of 30-35 emu / g, which enables a very good magnetic separation. This may be due to the fact that the particles consist of a population of "nanoscale" platelets, which are connected via the silicon oxide matrix in such a way that the particles receive a high outer envelope surface ("cubature"), which also corresponds to the above-mentioned, significantly increased surface area compared to the more compact, mostly spherical particles of the prior art. The good separability is particularly supported by the size of the particles obtained by the water glass method (on average by 20 microns) on.
Die mit dem beschriebenen Prozess hergestellten Nano/Mikro-Kompositpartikel eignen sich wegen ihrer SiO2-Oberflächen für weitere Funktionalisierungen. Eine Oberflächenmodifizierung der Partikeloberfläche ist grundsätzlich auf Basis von molekularer, oligomerer, polymerer oder partikulärer Basis möglich. Die dazu verwendbaren Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere ist die Silanisierung der Partikeloberfläche mit funktionellen Silanen (XnSiR4-n; n = 1, 2, 3) möglich. Diese können über hydrolysierbare und kondensierbare Gruppen (X: z. B. Alkoxy, Chlorid) an Silanolgruppen der Partikeloberfläche anbinden. Die funktionellen Gruppen R sind dann über nicht hydrolysierbare Si-C-Bindungen mit der Partikeloberfläche verbunden. Vorteile des Einsatzes derart funktionalisierter Partikel liegen in der spezifischen Anpassbarkeit der Partikel für Fälle, in denen spezielle Stoffe mit spezifischen Eigenschaften abgetrennt werden sollen. Allerdings besitzen diese Partikel nicht mehr unbedingt ein negatives Zeta-Potential im neutralen pH-Bereich. The nano / micro composite particles produced by the process described are suitable for further functionalization because of their SiO 2 surfaces. A surface modification of the particle surface is basically possible on the basis of molecular, oligomeric, polymeric or particulate basis. The methods that can be used for this purpose are known from the prior art. In particular, the silanization of the particle surface with functional silanes (X n SiR 4-n ; n = 1, 2, 3) is possible. These can bind to silanol groups of the particle surface via hydrolyzable and condensable groups (X: eg alkoxy, chloride). The functional groups R are then linked to the particle surface via non-hydrolyzable Si-C bonds. Advantages of the use of such functionalized particles are the specific adaptability of the particles for cases in which special substances with specific properties are to be separated. However, these particles no longer necessarily have a negative zeta potential in the neutral pH range.
Bereits in der
Die voranstehend ausführlich beschriebenen Kompositpartikel werden im erfindungsgemäßen Verfahren entweder ohne Fällungsmittel oder, bevorzugt, gleichzeitig mit, vor oder nach der Zugabe eines Fällungsmittels im zu behandelnden (z. B. mit Schwermetallen belasteten) Abwasser dispergiert. Sie verhalten sie dabei wie Schwebstoffe und können durch einfaches Rühren gut dispergiert werden, so dass eine Sedimentation verhindert wird. Rühren unterstützt außerdem die Flockung der Hydroxide. The composite particles described in detail above are dispersed in the process according to the invention either without precipitant or, preferably, simultaneously with, before or after the addition of a precipitant in the wastewater to be treated (eg loaded with heavy metals). You behave like suspended solids and can be well dispersed by simple stirring, so that sedimentation is prevented. Stirring also aids flocculation of the hydroxides.
Die sich bildenden, meist hydroxidischen Flocken binden die bis dahin gelösten oder kolloidalen Substanzen, z. B. Schwermetallionen, mit ein und adsorbieren partikulär vorliegende Stoffe, ggf. auch weitere gelöste Moleküle, in unspezifischer Weise. Überraschend ist dabei, dass diese Flocken sich nahezu ausschließlich auf den magnetischen Kompositpartikeln niederschlagen. Dies dürfte zum einen darauf zurückzuführen sein, dass die Partikel Kristallisationskeime für die Hydroxide darstellen (siehe
Nach Anbindung der z. B. hydroxidischen Flocken an die superparamagnetischen Kompositpartikel werden im nächsten Schritt die Partikel vorteilhafterweise magnetisch vom wässrigen Fluid getrennt. Für eine großtechnische Anlage stehen unterschiedliche Bautypen von magnetischen Separatoren zur Verfügung, siehe M. Franzreb, a. a. O., S. 113). Ein Beispiel hierfür ist ein sogenannter Hochgradient-Magnetseparator; in einfacheren Ausführungsformen kann man auf den oben beschriebenen Trommelmagneten im kontinuierlichen Durchfluss zurückgreifen.After connection of z. B. hydroxidischen flakes to the superparamagnetic composite particles in the next step, the particles are advantageously separated magnetically from the aqueous fluid. For a large-scale plant different types of magnetic separators are available, see M. Franzreb, a. a. O., p. 113). An example of this is a so-called high gradient magnetic separator; in simpler embodiments, one can resort to the drum magnet described above in continuous flow.
Anschließend erfolgt die Ablösung der Flocken von den Kompositpartikeln. Auch hier können wieder grundlegende Techniken angewandt werden, die der Fachmann in einem frühen Stadium seiner Ausbildung lernt. Handelt es sich bei den Flocken beispielsweise um hydroxidische Flocken, können diese durch Verändern des pH-Werts zu saureren Werten aufgelöst werden. Da an den beflockten Kompositpartikeln nur wenig wässriges Fluid haftet, gelingt dies in der Regel mit einer nur geringen Menge an ggf. starker Säure (beispielsweise 0,1 M oder 1 M HCl oder auch konzentrierte HCl): bereits sehr wenig (starke) Säure erlaubt ein sofortiges Auflösen der z. B. schwermetallbeladenen hydroxidischen Flocken, beispielsweise von Eisenoxidflocken. Die Kompositpartikel sind, wie oben erwähnt, gegenüber der Säure stabil. Subsequently, the detachment of the flakes from the composite particles. Again, basic techniques can be applied which the skilled person learns at an early stage of his training. For example, if the flakes are hydroxidic flakes, they can be resolved by changing the pH to more acidic levels. Since only a little aqueous fluid adheres to the flocked composite particles, this is usually achieved with only a small amount of possibly strong acid (for example 0.1 M or 1 M HCl or concentrated HCl): even very little (strong) acid is allowed an immediate dissolution of z. B. heavy metal laden hydroxidischen flakes, for example of iron oxide flakes. As mentioned above, the composite particles are stable to the acid.
Diese können dann wieder magnetisch abgetrennt, bei Bedarf gewaschen, und erneut im Abwasser als Trennhilfsmittel für die Hydroxidfällung eingesetzt werden (Prinzipskizze:
Durch die Aufkonzentration der Schwermetallionen in der Reinigungssäure wird die zu deponierende Schadstoffmenge reduziert, sofern sie nicht aufgearbeitet werden soll oder sich hierfür nicht eignet. Auch für eine mögliche anschließende Rückgewinnung sind die Voraussetzungen dank der in der Regel nur kleinen, hochkonzentrierten Mengen an aufzuarbeitendem Material günstig. Hierfür ist z. B. eine elektrochemische Aufarbeitung der Metalle denkbar. So enthält im Falle der Abtrennung von Schwermetallionen, z. B. mit einer Eisen- oder Aluminiumchloridlösung, die angefallene geringe Menge saurer Reinigungslösung eine große Menge an Schwermetall- und ggf. Eisenionen. Sie kann daher anschließend (z. B. mit Electrowinning, siehe z. B. siehe
Der große Vorteil der eingesetzten Partikel zeigt sich im Vergleich zu „magnetic seeds“, nämlich Partikeln aus Eisen oder Eisenoxiden: Reines Eisenpulver hat den Vorteil, dass es sehr weich magnetisch ist und daher nur vergleichsweise schwach zur magnetischen Agglomeration neigt. Abgesehen von der sehr hohen Dichte (7,9 g/cm3), die es schwierig macht, solch ein Eisenpulver lange in Suspension zu halten, lässt es sich verhältnismäßig gut dispergieren. Allerdings ist reines Eisen extrem säureempfindlich und löst sich sehr rasch bei Kontakt mit Säure auf. Auch das im Handel erhältliche sog. Carbonyleisenpulver, das laut Herstellerangabe SiO2-ummantelt ist, hält stärkeren Säuren nur in unbefriedigendem Ausmaß stand. Zudem oxidiert (= rostet) reines Eisen in Wasser sehr schnell. Eisenoxide wiederum weisen zwar eine bessere Säurestabilität als reines Eisen auf, jedoch sind diese Stoffe nicht weichmagnetisch. Das bedeutet, dass sie immer eine beträchtliche remanente Magnetisierung besitzen und es sich nicht verhindern lässt, dass starke magnetische Agglomeration auftritt. Dies macht ein Dispergieren der Partikel in Fluiden ohne vorherige, aufwändige Demagnetisierung schwierig. The great advantage of the particles used is in comparison to "magnetic seeds", namely particles of iron or iron oxides: Pure iron powder has the advantage that it is very soft magnetic and Therefore, only relatively weakly tends to magnetic agglomeration. Apart from the very high density (7.9 g / cm 3 ), which makes it difficult to keep such an iron powder in suspension for a long time, it is relatively easy to disperse. However, pure iron is extremely acid-sensitive and dissolves very quickly on contact with acid. Even the commercially available so-called carbonyl iron powder, which according to the manufacturer's instructions is SiO 2- coated, withstands stronger acids only to an unsatisfactory extent. In addition, pure iron oxidizes very quickly in water. Although iron oxides have a better acid stability than pure iron, these substances are not soft magnetic. This means that they always have a considerable residual magnetization and that it is impossible to prevent strong magnetic agglomeration from occurring. This makes it difficult to disperse the particles in fluids without prior, expensive demagnetization.
Die beiden wichtigsten Vorteile der Partikel, die für das erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagen werden, sind die magnetische Separation und die Wiederverwendbarkeit der Kompositpartikel als Trennhilfsmittel. Der Superparamagnetismus verhindert eine magnetische Agglomeration der Partikel bei der Redispergierung. Sie verteilen sich optimal im Wasser und verhalten sich wie Schwebstoffe. Gleichzeitig sind sie aber im Magnetfeldgradienten sehr gut abtrennbar. Anschließend ist keine aufwändige Entmagnetisierung der Partikel nötig, sie können sofort wieder dispergiert werden.The two most important advantages of the particles proposed for the process according to the invention are the magnetic separation and the reusability of the composite particles as release agents. The superparamagnetism prevents magnetic agglomeration of the particles during redispersion. They are optimally distributed in the water and behave like suspended solids. At the same time, however, they are very easy to separate in the magnetic field gradient. Subsequently, no complex demagnetization of the particles is necessary, they can be dispersed again immediately.
Die silikatische Oberfläche der Kompositpartikel weist im neutralen pH-Bereich ein negatives Zeta-Potential auf, so dass Fällungsflocken mit positivem Zetapotential gut angebunden werden. Des Weiteren schützt die Silikathülle die magnetischen Magnetitpartikel bei Säurebehandlung, so dass die ausgefällten Metallhydroxide leicht abgelöst und die Kompositpartikel wieder eingesetzt werden können. Bei Verwendung von Magnet-Trommelabscheidern oder dergleichen ist sogar eine kontinuierliche Prozessführung erreichbar.The silicate surface of the composite particles has a negative zeta potential in the neutral pH range, so that precipitation flakes with a positive zeta potential are well bound. Furthermore, the silica shell protects the magnetic magnetite particles in acid treatment, so that the precipitated metal hydroxides easily peeled off and the composite particles can be used again. When using magnetic drum separators or the like, even a continuous process control can be achieved.
Nachstehend soll die Erfindung anhand von Ausführungs- und Vergleichsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and comparative examples.
Die Oberfläche der Teilchen wurde mit Hilfe der BET-Methode bestimmt (
Herstellungsbeispiel 1 Production Example 1
Herstellung magnetisch abtrennbarer Partikel mit Hilfe von Natriumsilicat-FällungPreparation of Magnetically Separable Particles by Sodium Silicate Precipitation
8,68 g (32 mmol) FeCl3·6H2O und 3,2 g (16 mmol) FeCl2·4H2O werden in 400ml destilliertem Wasser gelöst (bei 20°C an Luft). 24 ml der Ammoniumhydroxid Lösung werden unter starkem Rühren rasch zugegeben. Die 5 bis 15 nm großen magnetischen Nanopartikel, die sich instantan bilden, liegen zunächst als ca. 1 bis 200 µm große, undefinierte Agglomerate vor. Diese werden ein- bis dreimal mit 50ml destilliertem Wasser gewaschen. Dazu können die Agglomerate aus der Waschlösung jeweils mittels eines Magneten abgetrennt werden, was den Waschprozess stark vereinfacht. Anschließend werden 160 ml 0,5M HNO3 zugegeben. Es resultiert ein Eisenoxid-Sol, das alle Eigenschaften eines Ferrofluids zeigt.8.68 g (32 mmol) of FeCl 3 .6H 2 O and 3.2 g (16 mmol) of FeCl 2 .4H 2 O are dissolved in 400 ml of distilled water (at 20 ° C. in air). 24 ml of the ammonium hydroxide solution are added rapidly with vigorous stirring. The 5 to 15 nm magnetic nanoparticles, which form instantaneously, are initially present as approximately 1 to 200 μm large, undefined agglomerates. These are washed one to three times with 50 ml of distilled water. For this purpose, the agglomerates can be separated from the washing solution in each case by means of a magnet, which greatly simplifies the washing process. Subsequently, 160 ml of 0.5M HNO 3 are added. The result is an iron oxide sol that shows all the properties of a ferrofluid.
Zu dem Sol werden im Überschuss 40ml (Sigma-Aldrich) bzw. 44ml (Fischar) Milchsäure oder 4g Äpfelsäure und daraufhin wässrige Ammoniak-Lösung (80ml 28% NH3 verdünnt mit 160ml destilliertem Wasser) zugegeben, so dass ein pH-Wert von über 10 erreicht ist. Sodann wird das Sol auf 80°C erwärmt.To the sol are added in excess 40ml (Sigma-Aldrich) or 44ml (Fischar) lactic acid or 4g malic acid and then aqueous ammonia solution (80ml 28% NH 3 diluted with 160ml distilled water) so that a pH of above 10 is reached. Then the sol is heated to 80 ° C.
Unter Rühren wird eine verdünnte Natriumsilikatlösung, hergestellt durch Vermischen von 16 ml 36 masse-%ige Natriumsilikatlösung (molares Verhältnis von SiO2:Na2O = 3:1) mit 400 ml destilliertem Wasser, langsam zugetropft. Dabei entstehen augenblicklich feste, stabile Mikropartikel, welche jeweils eine Vielzahl von superparamagnetischen Nanopartikeln enthalten. Nach dem Abkühlen der Mischung werden diese mit Hilfe eines Permanentmagneten abgetrennt und mit destilliertem Wasser dreimal gewaschen. Zwei rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Teilchen sind in
Herstellungsbeispiel 2 Production Example 2
Herstellung magnetisch abtrennbarer Partikel durch hydrolytische Kondensation von TetraethoxysilanPreparation of magnetically separable particles by hydrolytic condensation of tetraethoxysilane
2,16 g (8 mmol) FeCl3·6H2O und 795 mg (4 mmol) FeCl2·4H2O wurden in 100ml destilliertem Wasser gelöst (bei 20°C an Luft). 6 ml der Ammoniumhydroxid Lösung wurden unter starkem Rühren rasch zugegeben. Die entstandenen Nanopartikelagglomerate wurden nach dreimaligem Waschen (wie in Beispiel 1) mit 20ml 0,5M HNO3 dispergiert. Anschließend wurden 360mg Milchsäure (Sigma-Aldrich) zugegeben. Für den Stöberprozess erfolgte die Hydrolyse und Kondensation in ethanolisch-ammoniakalischer Umgebung. Hierzu wurden 100ml Ethanol und 7ml Ammoniaklösung (Sigma-Aldrich) zugegeben. Unter starkem Rühren wurden 6,25g Tetraethoxysilan (Sigma-Aldrich) zugegeben und die Mischung eine Stunde an Luft bei Raumtemperatur gerührt. Die entstandenen Mikropartikel wurden mit einem Magneten abgetrennt und dreimal mit Wasser und dreimal mit Ethanol gewaschen. Zwei rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Teilchen sind in
Ausführungsbeispiel 1
Folgende Schwermetallsalze wurden für Fällungs-/Abtrennungsversuche verwendet:
Cd(NO3)2·4H2O; Zn(NO3)2·6H2O; Cu(NO3)2·3H2O; Pb(NO3)2; CrCl3·6H2O; H3AsO4 in Lösung; Hg(NO3)2 in Lösung The following heavy metal salts were used for precipitation / separation experiments:
Cd (NO 3 ) 2 .4H 2 O; Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O; Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O; Pb (NO 3 ) 2 ; CrCl 3 .6H 2 O; H 3 AsO 4 in solution; Hg (NO 3 ) 2 in solution
a) Herstellung eines künstlich mit Schwermetallen verunreinigten Wassersa) Preparation of an artificially contaminated with heavy metals water
In 1 Liter entionisiertem Wasser wurden jeweils ca. 1mg der obigen Schwermetalle (als Salze) gelöst. Zudem wurden ca. 1 mg Ca und 1 mg Mg (als Chloridsalze) gelöst um weitere, natürlich im Wasser vorkommende, aber eventuell störende Kationen im Wasser vorliegen zu haben.About 1 mg of the above heavy metals (as salts) were dissolved in 1 liter of deionized water. In addition, about 1 mg of Ca and 1 mg of Mg (as chloride salts) were dissolved in order to have further, naturally occurring in the water, but possibly interfering cations present in the water.
Um sicher zu stellen, dass alle Schwermetalle in gelöster Form ionisiert vorliegen, wurde der pH mittels HCl zunächst auf 4 eingestellt. Durch ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectroscopy) wurde die genaue Konzentration der Metallionen im Wasser bestimmt.To ensure that all heavy metals are ionized in dissolved form, the pH was first adjusted to 4 using HCl. ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectroscopy) was used to determine the exact concentration of metal ions in the water.
b) Vorbereitung der Fällungslösungb) Preparation of the precipitation solution
Eine Lösung aus 500 mg FeCl3·6H2O und 200 mg CaCl2 in 100 ml H2O wurde vorbereitet.A solution of 500 mg FeCl 3 .6H 2 O and 200 mg CaCl 2 in 100 ml H 2 O was prepared.
c) Durchführungc) implementation
c.1) Wasserreinigungc.1) water purification
Zu 100 ml des schwermetallverunreinigten Wassers wurden 100 mg superparamagnetische Mikrokompositpartikel zugegeben. Unter Rühren (ca. 300 rpm) wurde 1 ml der Fe-Ca-Fällungslösung zugetropft. Damit wurden den 100 ml schwermetallverunreinigtem Wasser 1,03 mg Fe und 1,06 mg Ca zugegeben. Der pH wurde anschließend mit 0,27 ml einer 1M NaOH auf pH 7 neutralisiert. Nach 5 Minuten Rühren wurden die Eisenhydroxidflocken, die auf die Magnetpartikel ausgefällt vorlagen, innerhalb von 60 Sekunden mit einem Handmagneten abgetrennt. Ohne die Magnetpartikel lassen sich Eisenhydroxidflocken nicht magnetisch abtrennen. Aus dem verbleibenden, völlig klaren Wasser (keine ungebundenen Eisenhydroxidflocken; alles Eisenhydroxid an Magnetpartikel gebunden) wurde eine Probe entnommen, um die verbliebenen Schwermetallkonzentrationen mittels ICP-OES zu ermitteln.To 100 ml of the heavy metal contaminated water was added 100 mg of superparamagnetic microcomposite particles. With stirring (about 300 rpm), 1 ml of the Fe-Ca precipitation solution was added dropwise. Thus, 1.03 mg Fe and 1.06 mg Ca were added to the 100 ml of heavy metal-contaminated water. The pH was then neutralized to
c.2) Rückgewinnung der Magnetpartikel und Aufkonzentration der Schwermetallec.2) Recovery of magnetic particles and concentration of heavy metals
Die Magnetpartikel, welche die Eisenhydroxidflocken gebunden enthielten, wurden 5 Minuten in 10 ml 0,1 M HCl gerührt. Dabei wurden die Eisenhydroxidflocken aufgelöst. Die durch SiO2 Matrix vor der Auflösung geschützten Magnetpartikel wurden anschließend innerhalb von 60 Sekunden abgetrennt.The magnetic particles containing the iron hydroxide flakes were stirred for 5 minutes in 10 ml of 0.1 M HCl. The iron hydroxide flakes were dissolved. The magnetic particles protected from dissolution by SiO 2 matrix were then separated within 60 seconds.
c.3) Wiederholung der Schritte c.3) Repeat the steps
Die Magnetpartikel wurden anschließend nach einmaligen Waschen mit Wasser (um eine Säureverschleppung zu verhindern) erneut 100 ml schwermetallverunreinigtem Wasser zugegeben. Analog zu Punkt c.1) wurde eine Fällung und Abtrennung durchgeführt. Die Rückgewinnung der Partikel und Aufkonzentration der Schwermetalle wurde analog Punkt c.2) durchgeführt. Dafür wurde dieselbe Säure verwendet, so dass sich in dieser mit jedem Durchgang mehr Schwermetalle anreichern. Insgesamt wurde die Prozedur dreimal durchgeführt. Es ist anzumerken, dass im zweiten Durchgang der pH des schwermetallverunreinigten Wassers auf 10 erhöht wurde um zu sehen, ob ein erhöhter pH Wert Auswirkungen hat. Tatsächlich zeigt sich eine leicht schlechtere Abtrennung von As, Pb und Zn (vgl. Tabelle 1). Damit ist eine Abtrennung von Schwermetallen im pH Bereich 7 ideal, was vorteilhaft ist, da dies der natürlich vorliegende und gepufferte pH Bereich für die meisten (Ab)wässer ist. The magnetic particles were then re-added to 100 ml of heavy metal-contaminated water after a single wash with water (to prevent acid carryover). Analogous to point c.1) a precipitation and separation was carried out. The recovery of the particles and concentration of the heavy metals was carried out analogously to point c.2). The same acid was used for this, so that it accumulates more heavy metals with each pass. Overall, the procedure was performed three times. It should be noted that in the second pass the pH of the heavy metal contaminated water was increased to 10 to see if an elevated pH has any effect. In fact, a slightly worse separation of As, Pb and Zn is seen (see Table 1). Thus, separation of heavy metals in the
d) Ergebnissed) Results
Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, kann durch die Flockung und magnetische Abtrennung eine nahezu völlige Reinigung des Wassers von As, Cd, Cr, Cu, Pb und Zn erfolgen (oftmals >99%). Eine Ausnahme stellt Hg dar, welches sich offensichtlich durch eine Eisenflockung nicht mitfällen lässt. As can be seen in Table 1, flocculation and magnetic separation allow the water of As, Cd, Cr, Cu, Pb and Zn to be almost completely (often> 99%). An exception is Hg, which is obviously not affected by iron flocculation.
Eine Flockung bei pH 7 (Durchgang 1 und 3) scheint optimal, bei erhöhtem pH (pH 10 Durchgang 2) scheint eine leicht verschlechterte Abtrennung vorzuliegen.Flocculation at pH 7 (
Zwar wurde Ca für die Fe Fällung/Flockung zugegeben (mit einer Konzentration von 10 mg/l), um den Salzgehalt im Wasser zu erhöhen. Das Ca scheint jedoch kaum in die Flocken eingebunden zu werden, da es sich mit 8,5 mg/l (bei pH 7) im Wasser wiederfindet. Die Zugabe ist aber hilfreich, um eine Flockung in entionisiertem Wasser zu erzielen. In nicht-vollentsalzten Wässern flockt die Eisenlösung jedoch auch ohne Salzzugabe, da der natürliche Salzgehalt im Wasser bereits um ein Vielfaches höher ist. Es wurde jedoch beobachtet, dass eine Flockung der Eisensalzlösung bei den verwendeten, niedrigen Konzentrationen nur dann auftritt, wenn die Magnetpartikel anwesend waren. Ohne Magnetpartikel (Nukleationskeime für die Flockenbildung) musste die Eisensalzlösung um das 5-Fache erhöht werden, um eine Flockenbildung zu erzielen.Although Ca was added for Fe precipitation / flocculation (at a concentration of 10 mg / L) to increase the salt content in the water. However, the Ca hardly seems to be included in the flakes since it is found to be 8.5 mg / L (at pH 7) in the water. However, the addition is helpful to flocculate in deionized water. In non-demineralized waters, however, the iron solution flocculates without salt addition, since the natural salt content in the water is already many times higher. However, it has been observed that flocculation of the iron salt solution occurs at the low concentrations used only when the magnetic particles were present. Without magnetic particles (nucleation nuclei for flocculation), the iron salt solution had to be increased 5-fold to achieve flocculation.
Eine Aufkonzentration der Schwermetalle in Säure konnte in hohem Maße erzielt werden. Nach drei Zyklen lagen in den 10 ml Säurelösung bereits Konzentrationen von 20–58 mg/l je nach Schwermetall vor. Im Durchschnitt konnten pro Zyklus 70% der Ausgangsmenge an Schwermetall rückgewonnen und damit aus dem Wasser in die Säure überführt werden. Tabelle 1: Konzentrationswerte von Schwermetallen in Lösung nach drei Zyklen magnetischer Eisenhydroxidflocken-Abtrennung und Rückgewinnung nach dem voranstehenden Beispiel. Werte ohne Anmerkung: sehr gute Werte; mit Fragezeichen versehene Werte: akzeptable Werte; mit Ausrufezeichen versehene Werte: schlechte Werte.
Ausführungsbeispiel 2
Folgende Schwermetallsalze wurden für Fällungs-/Abtrennungsversuche verwendet:
Cd(NO3)2·4H2O; Zn(NO3)2·6H2O; Cu(NO3)2·3H2O; Pb(NO3)2; CrCl3·6H2O; H3AsO4 in Lösung; The following heavy metal salts were used for precipitation / separation experiments:
Cd (NO 3 ) 2 .4H 2 O; Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O; Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O; Pb (NO 3 ) 2 ; CrCl 3 .6H 2 O; H 3 AsO 4 in solution;
a) Herstellung eines künstlich mit Schwermetallen verunreinigten Wassersa) Preparation of an artificially contaminated with heavy metals water
In 1 Liter entionisiertem Wasser wurde jeweils ca. 1 mg der obigen Schwermetalle gelöst. Der pH Wert der Lösung betrug 5.In 1 liter of deionized water was dissolved in each case about 1 mg of the above heavy metals. The pH of the solution was 5.
b) Herstellung mit Eisenhydroxid belegter Magnetpartikelb) Preparation of magnetic particles coated with iron hydroxide
Zu 100 ml Leitungswasser wurden 35 mg Partikel mit 25,4 mg FeCl3·6H2O (zuvor gelöst in 10 ml de-ionisiertem Wasser) gerührt, bis Flockenbildung eintrat. Die auf die Magnetpartikel ausgefällten Eisenhydroxidflocken wurden anschließend magnetisch abgetrennt.To 100 ml of tap water, 35 mg of particles were stirred with 25.4 mg of FeCl 3 .6H 2 O (previously dissolved in 10 ml of de-ionized water) until flocculation occurred. The precipitated on the magnetic particles Eisenhydroxidflocken were then separated magnetically.
c) Durchführungc) implementation
Die Eisenhydroxid-Magnetpartikel wurden 5 min mit 100 ml des schwermetall-verunreinigten Wassers gerührt und anschließend magnetisch abgetrennt. Aus dem klaren Wasser wurde eine Probe genommen, um verbliebene Schwermetallkonzentrationen zu ermitteln. Anschließend wurden die Eisenhydroxidflocken von den Magnetpartikeln in 10 ml 1M HCl abgelöst (5 min Rühren).The iron hydroxide magnetic particles were stirred for 5 minutes with 100 ml of the heavy metal-contaminated water and then separated magnetically. A sample was taken from the clear water to determine any remaining heavy metal concentrations. Subsequently, the iron hydroxide flakes were detached from the magnetic particles in 10 ml of 1M HCl (stirring for 5 minutes).
Die Magnetpartikel können anschließend in einem separaten Behälter wieder mit Eisenhydroxidflocken belegt werden (Zugabe der Magnetpartikel und von Eisenchloridlösung zu auf pH 7 gepuffertes Wasser). Anschließend können die Partikel wieder in Abwasser eingebracht werden. Diese Variante hat den Vorteil, dass in das Abwasser keine Chemikalien eingebracht werden müssen (keine Fe-Fällung im Abwasser, sondern bereits davor). The magnetic particles can then be covered again with iron hydroxide flakes in a separate container (addition of the magnetic particles and of iron chloride solution to water buffered to pH 7). Subsequently, the particles can be returned to wastewater. This variant has the advantage that no chemicals have to be introduced into the wastewater (no Fe precipitation in the wastewater, but already before).
d) Ergebnissed) Results
Es wurden 93% As, 96% Cr und 95% Pb mit dem Verfahren aus dem Wasser abgetrennt. Jeweils 73% der Schwermetalle konnten durch die Säurebehandlung wieder gewonnen werden.93% As, 96% Cr and 95% Pb were separated from the water by the process. In each case 73% of the heavy metals could be recovered by the acid treatment.
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DIN66131 |
E. Barrado, F. Prieto, J. Ribas, F. A. Lopez, Water, Air, and Soil Pollution (1999), 115, 385 |
ften eingesetzt werden, die der Fachmann kennt (siehe z. B. D. Horák et al., J. Magn. Magn. Mater. 284 (2004), 145-160). Besonders geeignet sind Materialien, die |
G. Schmidt, Nanoparticles from theory to applications (2004), WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, S. 222 |
J. Duana, J. Gregoryb, Advances in Colloid and Interface Science (2003), 100, 475 |
J. Y. Hwang et al., a. a. O. |
J. Y. Hwang, G. Kullerud, M. Takayasu, F. J. Friedlaender, P. C. Wankat, IEEE Transactions on Magnetics (1982), 18, 1689 |
M. Franzreb |
M. Franzreb, a. a. O., J. Waynert et al., a. a. O. |
M. Franzreb, a. a. O., R. Lehane, ECOS Magazine (1982), 31, 25 |
M. Franzreb, a. a. O.; J. Waynert, C. Prenger, L. Worl, B. Wingo, T. Ying, J. Stewart, D. Peterson, J. Bernard, C. Rey, M. Johnson, Superconductivity for Electric Systems Program Review (2003), Los Alamos National Laboratory |
M. Franzreb, W. H. Roll, Transactions on Applied Superconductivity (2000), 10, 923 |
N. Karapinar, a. a. O. |
N. Karapinar, International Journal of Mineral Processing (2003), 71, 45 |
P. D. Johnson, P. Girinathannair, K. N. Ohlinger, S. Ritchie, L. Teuber, J. Kirby, Water Environment Research (2008), 80, 472, S. Okamoto, IEEE Transactions on Magnetics (1974), 10, 923 |
P. Grimshaw et al., a. a. O. |
P. Grimshaw, J. M. Calo, G. Hradil, Chemical Engineering Journal (2011), 175 103 |
R. Lehane, a. a. O. |
W. H. Roll, a. a. O. |
Y. Li, J. Wang, Y. Zhao, Z. Luan, Separation and Purification Technology (2010), 73, 264 |
Y. Terashima et al., a. a. O. |
Y. Terashima, H. Ozaki, M. Sekine, Water Research, (1986), 20, 537 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013226784A1 (en) | 2013-12-19 | 2015-06-25 | Leica Microsysteme (Schweiz) AG | surgical microscope |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2877289A1 (en) | 2015-06-03 |
WO2014016170A1 (en) | 2014-01-30 |
HK1210985A1 (en) | 2016-05-13 |
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