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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schwerlösung, die insbesondere für eine Schwimm-Sink-Trennung, eine Größenklassifizierung und/oder eine schwimmende Lagerung von Partikeln geeignet ist, die Verwendung derselben für eine Schwimm-Sink-Trennung, eine Größenklassifizierung und/oder eine schwimmende Lagerung von Partikeln, sowie ein Verfahren für eine Trennung von Partikeln, welche die spezielle Schwerlösung verwendet.
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Für verschiedene Zwecke werden Lösungen hoher Dichte benötigt. Insbesondere die Stofftrennung nach der Dichte im Bereich Stoffrecycling wird zunehmend interessant. Solche Prozesse können zum Beispiel bei der Aufbereitung von Rückständen aus der mechanischen Bearbeitung von Siliziumprodukten für eine nachfolgende Silansynthese eingesetzt werden, um Partikel unterschiedlicher Dichte zu trennen, oder auch bei anderen Prozessen, wie der Mineralienaufbereitung oder Trennaufgaben im Elektroschrottrecycling. Eine Größenklassifizierung basiert auf dem Prinzip, dass sich größere Partikel desselben Grundmaterials in einer Schwerlösung schneller absetzen als kleinere Partikel und somit abgetrennt werden können. Bei einer schwimmenden Lagerung sollten die Partikel eine gleiche oder geringere Dichte aufweisen als die Lösung, in der sie gelagert werden.
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Schwerlösungen werden für die unterschiedlichsten Prozesse eingesetzt, wobei in der nachfolgenden Beschreibung als Schwerlösungen Lösungen mit einer Dichte über 2 g/cm3 gemeint sind. Flüssige Reinstoffe mit einer Dichte über 2 g/cm3 sind selten und bringen in der Regel Handhabungsprobleme mit sich.
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Als Schwerlösungen werden daher in der Regel Lösungen/Dispersionen, die sowohl heterogen als auch homogen sein können, eingesetzt. Dabei liegen heterogene Lösungen/Dispersionen beispielsweise als Aufschlämmungen eines dichten Feststoffes vor. Solche heterogenen Schwerlösungen sind aber für die Schwimm-Sink-Trennung, eine Größenklassifizierung und/oder schwimmende Lagerung von Partikeln nicht geeignet, da es in der Regel zu einer Abscheidung des aufgeschlämmten Feststoffes kommt, was die Eigenschaften der Lösung verändert und das Erreichen der jeweiligen Ziele (Trennung/Größenklassifizierung/schwimmende Lagerung) verhindert.
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Mithin besitzen unterschiedliche Annwendungen unterschiedliche Anforderungen an die Schwerflüssigkeit, wobei es für die in Betracht kommenden Anwendungen wichtig ist, dass es während des Prozesses zu keinem Abscheiden der Bestandteile kommt, mithin eine gewisse Langzeitstabilität gegeben ist.
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Es sind aber auch zahlreiche homogene Lösungen und auch Flüssigkeiten bekannt, die als Schwerflüssigkeiten für die Trennung/Größenklassifizierung/schwimmende Lagerung von Partikeln eingesetzt werden. So sind zum Beispiel Flüssigkeiten bekannt, die Brom enthalten, wie etwa 1,2-Dibromethan (2,056 g/cm3), cis-1,2-Dibromethan (2,246 g/cm3), Dibromethan (2,453 g/cm3), Bromal (Dibromacetaldehyd) (2,550 g/cm3), Bromoform (Tribrommethan) (2,890 g/cm3) oder auch 1,1,2,2-Tretrabrommethan (Muthmanns Flüssigkeit) (2,963 g/cm3), welche Dichten im Bereich zwischen ungefähr 2 und 3 g/cm3 abdecken. Brom-Kohlenwasserstoffe sind jedoch als karzinogen bekannt. Elementares Brom selbst ist flüssig und hat eine Dichte von 3,12 g/cm3. Ein hoher Dampfdruck und eine hohe chemische Aggressivität verhindern jedoch eine einfache technische Anwendung von elementarem Brom. Weitere bekannte Schwerflüssigkeiten mit Dichten über 3 g/cm3 sind zum Beispiel: Natriumpolywolframat (3,100 g/cm3), das jedoch einen sehr hohen Preis besitzt und daher für industrielle Prozesse in der Regel ungeeignet ist; sowie Thoulets Lösung (Kaliumiodomercurat) (3,196 g/cm3) oder Bariumquecksilberiodid (3,57 g/cm3), die hochgiftiges Quecksilber enthalten.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schwerflüssigkeit bereitzustellen, die für die Schwimm-Sink-Trennung, eine Größenklassifizierung und/oder schwimmende Lagerung von Partikeln geeignet ist und wenigstens eines der oben genannten Probleme überwindet oder zumindest mindert.
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Erfindungsgemäß ist eine Schwerlösung nach Anspruch 1, die Verwendung der Schwerlösung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 sowie ein Verfahren nach Anspruch 9 vorgesehen.
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Insbesondere weist die Schwerflüssigkeit eine homogene Lösung aus in Wasser oder Methanol gelöstem Zinkbromid auf, wobei die Lösung zwischen 66,67 Gew.% und 81,7 Gew.% Zinkbromid enthält und eine Dichte im Bereich zwischen 2,0 g/cm3 und 2,6 g/cm3 aufweist. Eine solche Lösung ist einerseits Langzeitstabil, Kostengünstig und kann hinsichtlich Gefahren für Mensch und Umwelt gut handhabbar.
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Vorzugsweise kann die Lösung ein Benetzungsmittel aufweisen, um eine Benetzung von darin aufzunehmenden Partikeln/Körpern zu gewährleisten.
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Bei einer Ausführungsform weist die homogene Lösung wenigstens einen Säure-Puffer und/oder einen Redox-Inhibitor auf um eine Langzeitstabilität auf bei Einflüssen durch Verunreinigungen oder auch durch den normalen Einsatz mit Partikeln/Körpern zu erreichen. So könnte zum Beispiel bei einer Einschleppung von Fremdstoffen wie Eisen-Hydroxid eine Verschiebung ins Basische auftreten, was zu einer Ausfällung von Zink-Hydroxid und somit einer unerwünschten Veränderung der Dichte führen würde.
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Um eine Ausfällung von Zink durch äußere Einflüsse wie eine PH-Verschiebung, Verunreinigungen, Temperaturänderungen und ähnliche zu unterbinden, kann die Lösung auch Stabilisatoren und Komplexbildner aufweisen.
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Die Schwerflüssigkeit ist insbesondere für eine Schwimm-Sink-Trennung von Partikeln unterschiedlicher Dichte verwendbar. Bei einer solchen kann, die Schwimm-Sink-Trennung insbesondere in einer Zentrifuge, einem Dekanter, einem Zyklon oder einer ähnlichen Vorrichtung durchgeführt werden, die eine schnellere Entmischung der Partikel fördern.
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Die Schwerflüssigkeit ist auch mit Vorteil für eine Größenklassifizierung von Partikeln mit im Wesentlichen gleicher Dichte verwendbar sowie für eine schwimmende Lagerung von Partikeln oder Körpern.
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Bei dem Verfahren zur Trennung von Partikeln unterschiedlicher Dichte, werden die Partikel in eine Schwerflüssigkeit des obigen Typs eingebracht, wobei die Dichte der Schwerflüssigkeit so auf die Dichte der Partikel abgestimmt ist, dass wenigstens die Partikel mit geringerer Dichte sedimentieren. Hierbei kann die Schwerflüssigkeit vorteilhaft in einer Zentrifuge, einem Dekanter, einem Zyklon oder einer ähnlichen Vorrichtung aufgenommen sein, die eine schnelle Entmischung der Partikel fördern.
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Die Erfindung wird nachfolgend noch näher erläutert.
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Der Erfinder hat zunächst allgemein festgestellt, dass sich mit Zinksalzen homogene Lösungen für Schwerflüssigkeiten mit einer Dichte von wenigstens 2,0 g/cm3 herstellen lassen. Insbesondere lassen sich mit Zinkbromid langzeitstabile, homogene Lösungen mit einer Dichte von bis zu 2,6 g/cm3 realisieren. Solche Lösungen eignen sich als Schwerflüssigkeit für unterschiedliche Anwendungsgebiete und insbesondere für eine Schwimm-Sink-Trennung, eine Größenklassifizierung und/oder eine schwimmende Lagerung von Partikeln oder Körpern. Die Lösung ist einerseits kostengünstig (ausgehend von derzeitigen Kosten für wasserfreies Zinkbromid im Bereich von 4 bis 5 €/kg) und darüber hinaus auch hinsichtlich der Gefahren für Mensch und Umwelt beherrschbar. Zink und seine Salze sind in der Technik weit verbreitet eingesetzte Materialien, deren sichere Handhabung mit einfachen Mitteln üblich ist.
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Als Lösungsmittel kommt neben Wasser im Wesentlichen nur Methanol in Frage, die beide ein hinreichendes Lösungsvermögen für Zinkbromid aufweisen. Da Methanol aber als giftig und brennbar eingestuft ist und heben geringen Kosten auch Umweltgefahren eine Rolle für die Auswahl einer Schwerflüssigkeit, insbesondere für Recyclingzwecke spielen, wird derzeitig Wasser bevorzugt als Lösungsmittel eingesetzt.
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Insbesondere bei der Verwendung von Wasser als Lösungsmittel sind die von der Schwerflüssigkeit ausgehenden Gefahren für Mensch und Umwelt mit einfachen Mitteln beherrschbar.
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Der Erfinder hat herausgefunden, dass eine homogene Lösung aus in Wasser oder Methanol gelöstem Zinkbromid eine geeignete Schwerflüssigkeit für unterschiedliche Anwendungen bildet, wobei die Lösung zwischen 66,67 Gew.% und 81,7 Gew.% Zinkbromid enthält und eine Dichte im Bereich zwischen 2,0 g/cm3 und 2,6 g/cm3 aufweist.
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Neben der Dichte ist ein weiterer Faktor für die technische Einsetzbarkeit die Viskosität der Schwerflüssigkeit. Eine zu hohe Viskosität, wie sie zum Beispiel bei Zinkchlorid mit einer honigartigen Konsistenz auftreten würde, kann den technischen Einsatz wesentlich beeinträchtigen, da zum Beispiel Sedimentationsprozesse stark verlangsamen. Zinkbromid, aber auch Zinkiodid, haben deutlich niedrigere Werte, wobei aber Zinkiodid derzeitig mit ungefähr 40 €/kg einen vielfach höheren Preis besitzt und somit nicht wirtschaftlich einsetzbar ist.
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Es wurde beobachtet, dass verschiedene Stoffe nicht benetzt werden, so dass diese obwohl durch ihre Dichte ein Absinken zu erwarten wäre, an der Oberfläche verbleiben. Dem konnte durch Zusatz von Benetzungsmitteln entgegengewirkt werden. Als solche können beispielsweise industriebekannte Tenside verwendet werden, sowie Polyglykole und deren verwandte Verbindungen.
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Verschiedene unedle Metalle werden in saurem Milieu angegriffen, dies konnte durch Zugabe von Säure-Puffer und Redox-Inhibitoren verhindert werden, welche die sonstigen Eigenschaften als Schwerflüssigkeit nicht wesentlich beeinflussten. Darüber hinaus könnte es in einem Sauren Milieu auch zu Ausfällungen von Zn(OH2), was nachteilig die Dichte der Lösung verändern würde. Als ein Beispiel sei hier das das System (NH4)H2PO4 als Säurepuffer mit einem Pufferpunkt von pH 2,1 genannt, das ein Ausfallen von Zn(OH)2 verhindern würde. Natürlich können auch andere Säure-Puffer eingesetzt werden. Der Säurepuffer sowie der Redox-Inhibitor können in Abhängigkeit von der Anwendung ausgewählt werden, um zum Beispiel zu verhindern, dass die zu trennenden Materialien verunreinigt oder angegriffen werden. Um Ausfällung von Zink durch äußere Einflüsse, wie eine PH-Verschiebung, Verunreinigungen, Temperaturänderungen und ähnlichem zu unterbinden können der Schwerflüssigkeit Stabilisatoren und/oder Komplexbildner zugefügt werden. Ein Beispiel für einen Stabilisator ist PEG(Polyethylenglykol) und für einen Komplexbildner EDTA(Ethylen Diamin Tetraacetat).
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Der Erfinder hat unterschiedliche homogene Lösungen aus in Wasser gelöstem Zinkbromid als Schwerflüssigkeit für unterschiedliche Anwendungen getestet, wobei die Lösungen zwischen 66,67 Gew.% und 81,7 Gew.% Zinkbromid enthielten und eine Dichte im Bereich zwischen 2,0 g/cm3 und 2,6 g/cm3 aufwiesen.
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Im Rahmen einer Schwimm-Sink-Trennung wurden zu trennenden Stoffe/Partikel mit unterschiedlicher Dichte in eine entsprechende Lösung aus Zinkbromid eingebracht, wobei die Dichte der Lösung jeweils so eingestellt war, das wenigstens eine Stoff/Partikelfraktion sedimentierte, während die andere in Schwebe blieb oder gar aufstieg. Es wäre aber auch möglich die Dichte der Lösung so einzustellen, dass beide Stoff/Partikelfraktion sedimentieren, wobei eine Trennung dann durch unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeiten erreicht werden kann.
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Der Abtrennvorgang kann durch eine Zentrifuge, einen Dekanter, einen Zyklon oder eine ähnliche Vorrichtung unterstützt werden. Insbesondere könnte eine Dekantierzentrifuge eingesetzt werden, die durch entsprechende Steuerung der Zentrifugalkräfte, die stärker auf große, schwerere Partikel wirken, eine Trennung fördern, wobei die Schwerflüssigkeit als Trägersubstanz eingesetzt wird. Als mögliche Vorrichtung wird insbesondere auch auf den Sorticanter® der Firma Flottweg SE, Industriestraße 6–8, 84137 Vilsbiburg, Deutschland (Germany) hingewiesen, der eine fest-flüssig-fest Trennung von Eingangsstoffen vorsieht.
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Im Rahmen einer Größenklassifizierung wurden Stoffe/Partikel mit im Wesentlichen gleicher Dichte in eine entsprechende Lösung aus Zinkbromid eingebracht, wobei die Dichte der Lösung jeweils so eingestellt war, das die Stoffe/Partikel insgesamt relativ langsam sedimentierten. Kleinere Teilchen sedimentierten dabei noch langsamer als große, sodass die Schwerflüssigkeit eine Größenklassifizierung ermöglicht hat. Es konnten Fraktionen unterschiedlicher Verteilung erzeugt werden.
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Im Rahmen einer schwimmenden Lagerung von Partikeln/Körpern, die aufgrund ihrer Dichte/Form für eine schwimmende Lagerung in Wasser nicht geeignet waren, wurden diese in eine entsprechende Lösung aus Zinkbromid eingebracht. Durch die höhere Dichte von Zinkbromid gegenüber Wasser war es möglich die Partikel/Körper über eine lange Perioden schwimmend zu lagern. Dieser Effekt kann insbesondere auch genutzt werden, wenn Körper, wie in Mess- und Steuergeräten, möglichst reibungsarm drehbar gelagert sein müssen.
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Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf spezielle Beispiele betreffend Zusätze und Anwendungsgebiete beschrieben, ohne auf die konkret genannten Beispiele beschränkt zu sein. Dem Fachmann werden sich im Rahmen der Offenbarung zahlreiche Modifikationen ergeben, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen, der durch die Ansprüche definiert ist.