DE10238957B4 - Method for reducing uranium (VI) concentration in flowing waters - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Verringerung der Uran(VI)-Konzentration in fließenden Wässern, bei welchem das Uran(VI) überwiegend als Karbonat, Sulfat oder Hydroxy-Komplex vorliegt und elementspezifische Filtermaterialien in einer geochemischen Barriere eingesetzt werden, wobei das im Wasser enthaltene Uran(VI) mittels eines Hühnerkot-Feldspat-Gemisches in Uran(IV)oxid und Uran(VI)phosphat umgewandelt und beide Substanzen in der geochemischen Barriere ausgefällt werden.method to reduce the uranium (VI) concentration in running waters, at which the uranium (VI) predominantly is present as a carbonate, sulfate or hydroxy complex and element-specific Filter materials are used in a geochemical barrier, wherein the uranium contained in the water (VI) by means of a chicken faeces feldspar mixture converted into uranium (IV) oxide and uranium (VI) phosphate and both substances be precipitated in the geochemical barrier.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Wässern mit hohen Uran(VI)-Konzentrationen, insbesondere die Entfernung hoher Urangehalte aus belasteten Wässern, wie den Wässern gefluteter Gruben des Uranbergbaus.The The invention relates to a method for the purification of waters with high uranium (VI) concentrations, in particular the removal of high uranium from contaminated waters, such as the waters flooded pits of uranium mining.
Ausgehend
von bergbaulichen Aktivitäten
zur Gewinnung von Uran sind Verfahren bekannt, nach denen Uran aus
konzentrierten Lösungen,
die oft aus vorangegangenen Laugungsprozessen der Uranerze resultieren,
an lonenaustauschharzen sorbiert und angereichert wird (
Des
Weiteren ist bekannt, dass mit geeigneten organischen Liganden,
wie Calixarenen (
Eine
weitere technische Möglichkeit,
Metalle aus kontaminierten Wässern
zu entfernen, stellt die Verwendung von Eisen(III)hydroxiden zur
Sorption der Metalle und anschließende Abtrennung der Eisen(III)hydroxide
mit den sorbierten Schwermetallen aus dem zu reinigenden Wasser
dar (
Beschrieben
ist ein Verfahren zur Fixierung der radioaktiven Zerfallsprodukte
von Uran, die bei der Urangewinnung freigesetzt werden, durch Fällung der
Zerfallsprodukte mit Aluminium, Aluminaten und Siliziumdioxid und
Sinterung der radionuklidhaltigen Präzipitate (
Um
eine kostengünstige
und naturnahe Reinigung schwermetallbelasteter Wässer zu erreichen, wurden Verfahren
entwickelt, die auf geochemischen Barrieren basieren. Solche geochemischen
Barrieren stellen zumeist natürliche
Stoffe oder Stoffsysteme dar, die bei verfahrensgemäßer Anwendung
die Migration der Schwermetalle, wie z.B. den Transport des Urans
mit dem Wasser, erheblich verringern. Beschrieben ist die Verwendung
von Aschen aus industriellen Verbrennungsprozessen (WO9315831) sowie
von beton- und mörtelhaltigem
Bauschutt (
"Wetlands", die in der Regel Feuchtgebiete, wie z.B. Teiche mit Schilfgürtel darstellen, sind eine alternative Möglichkeit, um schwermetallbelastete Wässer zu reinigen. Allerdings ist bei diesen Verfahren eine sichere Lagerung der schwermetallhaltigen Sedimente nicht vorgesehen und eine Erosion und Freisetzung der Schwermetalle durch Hochwasserereignisse nicht auszuschließen, was die Anwendbarkeit von Wetlands zur Reinigung uranhaltiger Wässer auf langfristige Sicht stark einschränkt."Wetlands", which usually Wetlands, such as Ponds with reed belt represent are one alternative possibility heavy metals polluted waters to clean. However, these methods are safe storage the heavy metal-containing sediments are not provided and an erosion and release of heavy metals by flood events not ruled out what the applicability of Wetlands to purify uranium waters severely limits long-term vision.
Der
Einsatz von metallischem Eisen zur Reinigung uranbelasteter Wässer ist
in der Literatur beschrieben (Morrison, S. J. et al. 2001: Uranium
precipitation in a permeable reactive barrier by progressive irreversible
dissolution of zerovalent iron. Environ. Sci. Tech. 35: 385–390). Ebenfalls
bekannt sind Verfahren, basierend auf einer, in Fließwege eingebrachten
geochemischen Barriere, bestehend aus Anteilen von metallischen Eisen
und Braunkohle bzw. Mattkohle (
Nachteilig an den beschriebenen Verfahren ist jedoch die Verwendung industrieller Wertstoffe als Barrierematerial. Daneben ist bei der Verwendung metallischen Eisens die Freisetzung toxischer Legierungsbestandteile, wie insbesondere von allergenem Nickel, mit in Betracht zu ziehen.adversely however, the use of industrial processes is described in the processes described Recyclables as barrier material. Besides that is in use metallic iron the release of toxic alloying constituents, such as, in particular, allergenic nickel.
Der
Einfluss von Mikroorganismen auf die elektrochemische Reduktion
von Uran(VI) zu schwer wasserlöslichem
Uran(IV) ist von Lovley D. R. et al. 1991: Microbial reduction of
uranium. Nature 350, 413–416 sowie
in der Patentschrift WO200039035 beschrieben. Des Weiteren sind
Verfahren bekannt (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das Uran(VI) aus stark belasteten bergbaulichen Abwässern, Haldensicker-, und kontaminierten Grundwässern kostengünstig und umweltfreundlich in großen Mengen entfernt, wobei zur Uranfixierung ein Barrierematerial eingesetzt werden soll, das eine Beschaffenheit aufweist, die eine langzeitstabile, sichere Endlagerung oder Wiedergewinnung des angereicherten Urans ermöglicht.Of the Invention has for its object to develop a method the uranium (VI) from heavily polluted mining wastewater, Haldensicker-, and contaminated groundwaters economical and environmentally friendly in big Quantities removed, using a barrier material for uranium fixation which has a texture which is long-term stable, safe disposal or recovery of enriched uranium allows.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.The Task is achieved by a method according to claim 1 solved. Advantageous embodiments are in the subclaims explained.
Die mit Uran(VI) belasteten Wässer werden durch eine zweiteilige, reaktive biogeochemische Barriere geleitet, die im Anstrombereich des Wassers aus einem Gemenge getrockneten Hühnerkots als Abfallprodukt der Geflügelhaltung, der vorzugsweise granuliert vorliegt, im Verhältnis 1:1 bis 3:1 vermischt mit natürlich vorkommenden Feldspat als reaktives Trägermaterial besteht, wobei der Feldspat vorzugsweise Calcium enthält und in einer geeigneten Korngröße vorliegt, die zum Gewähren der Permeabilität und Kontaktzeit variiert werden kann, und vorzugsweise zwischen 63 und 2000 um liegt. Im Abstrombereich besteht diese Barriere ausschließlich aus Feldspat. Das Mengenverhältnis des Hühnerkot-Feldspat-Gemisches im Anstrombereich und des Feldspats im Abstrombereich des zu reinigenden Wassers beträgt zwischen 1:2 und 1:5, vorzugsweise beträgt dieses Verhältnis 1:3. Anderweitig anfallende, uranbelastete Klärschlämme können durch Beimischung zu dem getrockneten Hühnerkot bis zu einem Anteil von maximal 20% mit verwertet werden, da die organische Komponente des Klärschlammes ähnlich wie die des getrockneten Hühnerkots wirkt. Als vorteilhaft erweist sich, das vom Uran gereinigte Wasser nach dem Passieren dieser reaktiven biogeochemische Barriere oxidativ zu klären, wobei die Qualität des Wassers weiter verbessert wird, so dass es gereinigt wieder in das Gewässernetz eingespeist werden kann. Um die erfindungsgemäße Reinigung des belasteten Wassers zu erreichen, sollte die Kontaktzeit des Wassers in der reaktiven biogeochemischen Barriere mindestens 4 Stunden betragen.The Waters contaminated with uranium (VI) are passed through a two-part, reactive biogeochemical barrier, dried in the Anstrombereich the water from a mixture Hühnerkots as a waste product of poultry farming, which is preferably granulated, in a ratio of 1: 1 to 3: 1 mixed with naturally occurring Feldspar as a reactive carrier material wherein the feldspar preferably contains calcium and in a suitable grain size is present, the one to grant the permeability and contact time can be varied, and preferably between 63 and 2000 um. In the discharge area, this barrier consists exclusively of Feldspar. The quantity ratio chicken-fox-feldspar mixture in the Anstrombereich and the Feldspats in the Abstrombereich of the to be cleaned Water is between 1: 2 and 1: 5, preferably this ratio is 1: 3. Other accumulating, uranbelastete sewage sludge can by admixing with the dried chicken droppings be recycled up to a maximum of 20%, as the organic component of sewage sludge similar to the dried chicken droppings acts. As beneficial turns out, the purified water from the uranium after passing through this reactive biogeochemical barrier oxidatively to clarify, being the quality the water is further improved so that it is cleaned again into the water network can be fed. To the inventive cleaning of the loaded To reach water, the contact time of the water should be in the reactive biogeochemical barrier at least 4 hours.
Im Kontakt mit dem Hühnerkot-Feldspat Gemisch kommt es, verbunden mit der Absenkung des elektrochemischen Redoxpotentials, zu einer mikrobiell katalysierten Uran(VI)-Reduktion durch die in dem Hühnerkot enthaltene reaktive organische Substanz und Fällung von in Wasser schwer löslichen, Uran(IV)oxid und und zum Teil Uran(IV)silikat, wobei das Silizium aus dem sich im Kontakt mit Wasser langsam auflösenden Feldspat stammt. Durch den sehr hohen Phosphatgehalt des getrockneten Hühnerkots bilden sich mit dem Calcium des Feldspates ebenfalls schwer lösliche Calciumphosphate bzw. Uran(VI)phosphate, welche das im Wasser gelöste Uran(VI) sowie dessen Zerfallsprodukte fixieren. Das reaktive Trägermaterial Feldspat bewirkt neben der Freisetzung von Silizium und Calcium sowie der Gewährung der Permeabilität der Barriere, eine Trägerfunktion für katalytisch wirksame sowie für Uran sorbierende Mikroorganismen. Der sich im Abstrombereich des zu reinigenden Wassers befindende Feldspat dient vorrangig als Filter zur Rückhaltung der partikulären Bestandteile des Hühnerkots. Im anschließenden Klärbecken wird das elektrochemische Redoxpotential des gereinigten Wassers wieder erhöht, und noch enthaltene, wasserlösliche, organische Bestandteile des Hühnerkots oxidativ abgebaut. In diesem Verfahrensschritt kommt es zur Oxidation im Wasser enthaltener Eisen(II)anteile, die als amorphe Eisen(III)hydroxide restliche Spurengehalte von Uran und andere Schwermetalle sowie Arsen fixieren.in the Contact with the chicken faeces feldspar Mixture occurs, associated with the lowering of the electrochemical Redox potential, to a microbially catalyzed uranium (VI) reduction through the chicken feces contained reactive organic substance and precipitation of heavy in water soluble Uranium (IV) oxide and, in part, uranium (IV) silicate, the silicon from the slowly dissolving in contact with water Feldspar originates. By the very high phosphate content of the dried chicken drop forms with the calcium the feldspar also difficult to dissolve calcium phosphates or Uranium (VI) phosphate, which is the uranium (VI) dissolved in water and its decomposition products fix. The reactive carrier material Feldspar causes in addition to the release of silicon and calcium and the grant the permeability the barrier, a carrier function for catalytic effective as well as for Uranium sorbed microorganisms. In the downstream area of the feldspar to be purified water primarily serves as a filter for restraint the particular Ingredients of chicken droppings. In the following clarifiers becomes the electrochemical redox potential of the purified water raised again, and still contained, water-soluble, organic Ingredients of chicken droppings oxidatively degraded. In this process step, it comes to oxidation in the water contained iron (II) shares, which are called amorphous iron (III) hydroxide residual trace amounts of uranium and other heavy metals as well Fix arsenic.
Die Umsetzung des Verfahrens führt zu einer effektiven Abtrennung des Urans aus stark belasteten Wässern, wie sie im Uranbergbau anfallen. Diese Effektivität des Verfahren wird durch die Fixierung des Urans innerhalb des biogeochemischen Barrierematerials realisiert, wobei die Kombination multipler Retardierungsmechanismen, wie bioelektrochemische Reduktion zu Uran(IV) und Fällung von schwerlöslichem Uran(IV)oxid und Uran(IV)silikat, Sorption an Calciumphosphat oder Bildung von Uran(VI)phosphaten sowie Sorption an Biomasse, von prozesstechnischer Bedeutung ist. Der Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten Methoden und Verfahren zur Schwermetallabtrennung aus Wässern ist, dass damit ein Verfahren zur Verfügung steht, welches speziell zur Elimination des Urans aus den Wässern geeignet ist. Dabei werden Materialien verwendet, die deutlich kostengünstiger als herkömmliche Sorbenten wie lonenaustauscherharze oder Calixarene sind und insbesondere in ländlichen Gegenden mit unterentwickelter Infrastruktur, wie z.B. in Entwicklungsländern mit Uranbergbau, zur Verfügung stehen. Das sich bei diesem Verfahren in der biogeochemischen Barriere bildende Calciumphosphat Apatit ist fähig, große bivalente Kationen in seiner Struktur zu binden und stellt somit neben der Uran(VI)-Sorption für die Uran-Zerfallsprodukte Radium und Blei eine gute Fixierungsmöglichkeit dar. Mit Hühnerkot als besonders phosphathaltige (7,5 bis 11 % P) natürliche Substanz und Feldspat als Calciumquelle (bis 14% Ca) sind sehr reaktive Ausgangsprodukte für die Apatitbildung erfindungsgemäß kombiniert. Dies istvorteilhaftgegenüberderbekannten Verwendung industriell produzierter Phosphatquellen wie Phosphorsäure oder Natriumhydrogenphosphat.The implementation of the process leads to an effective separation of uranium from heavily polluted waters, as they occur in uranium mining. This effectiveness of the method is realized by the fixation of the uranium within the biogeochemical barrier material, the combination of multiple retardation Mechanisms, such as bioelectrochemical reduction to uranium (IV) and precipitation of poorly soluble uranium (IV) oxide and uranium (IV) silicate, sorption on calcium phosphate or formation of uranium (VI) phosphates and sorption on biomass, of process engineering importance. The advantage of the invention over known methods and methods for heavy metal separation from waters is that it provides a method which is especially suitable for eliminating the uranium from the waters. It uses materials that are significantly less expensive than conventional sorbents such as ion exchange resins or calixarenes and are particularly available in rural areas with underdeveloped infrastructure, such as in developing countries with uranium mining available. The calcium phosphate apatite that forms in the biogeochemical barrier in this process is able to bind large divalent cations in its structure and thus represents a good fixation option in addition to uranium (VI) sorption for the uranium decay products radium and lead especially phosphate-containing (7.5 to 11% P) natural substance and feldspar as calcium source (up to 14% Ca) are combined very reactive starting materials for apatite formation according to the invention. This is advantageous over the known use of industrially produced phosphate sources such as phosphoric acid or sodium hydrogen phosphate.
Das verwendete reaktive biogeochemische Barrierematerial ist nach verfahrensgemäßen Einsatz stark uranhaltig, was eine Konditionierung zur sicheren Endlagerung bedingt oder Eluierung des Urans zu Produktionszwecken ermöglicht. Aufgrund des Mischungsanteiles von Feldspat weist das Barrierematerial eine chemische Zusammensetzung auf, die denen einfacher, industriell hergestellter Gläser ähnlich ist. Diese Ähnlichkeit wird durch die im Hühnerkot enthaltenen Komponenten Kalium und Phosphat noch verstärkt. Es bietet sich daher an, dass Barrierematerial nach der verfahrensgemäß erfolgten Uranfixierung nach bekannten Verfahren zu verglasen oder zu sintern und so Uran und dessen Zerfallsprodukte langfristig zu immobilisieren. Ökonomisch vorteilhaft gestalten sich dabei die Karbonatgehalte, die bei der Zersetzung des verwendeten Hühnerkots entstehen, da sie den Schmelzpunkt beim Verglasungsprozess als Flussmittel verringern. Ist die Gewinnung von Uran von Interesse, besteht die Möglichkeit durch bekannte Eluierungsmethoden, wie Laugung mit schwefelsauren Lösungen, Uran aus dem verwendeten Barrierematerial zu gewinnen. Der zurückbleibende Feldspat kann wieder verfahrensgemäß zum Einsatz kommen. Insbesondere die Verglasbarkeit des verbrauchten, uranhaltigen Barrieremateriales ist ein deutlicher Vorteil gegenüber den bisher bekannten Verfahren zur Reinigung von uranbelasteten Wässern. Das betrifft vor allem den Einsatz von metallischem Eisen und Braunkohle sowie die Verwendung von Mikroorganismen, bei denen das langfristige Verhalten der uranhaltigen Materialien bei der Endlagerung nicht bekannt ist.The used reactive biogeochemical barrier material is strong after use according to the method uranhaltig, which requires conditioning for safe disposal or elution of the uranium for production purposes. Due to the mixing ratio of feldspar has the barrier material a chemical composition that is easier, industrial produced glasses is similar. This similarity is caused by the chicken feces contained components potassium and phosphate even stronger. It It is therefore appropriate that barrier material was made according to the procedure Uranium fixation to glaze or sinter by known methods and to immobilize uranium and its decay products over the long term. Economically In doing so, the carbonate contents, which are advantageous for the Decomposition of the chicken droppings used arise because they use the melting point in the glazing process as a flux reduce. Is the extraction of uranium of interest, is the possibility by known elution methods, such as leaching with sulfuric acid Solutions, To extract uranium from the barrier material used. The remaining one Feldspar can again be used in accordance with the procedure. Especially the vitrifiability of the spent, uranium-containing barrier material is a clear advantage over the previously known method for the purification of uranbelasteten Water. This applies above all to the use of metallic iron and lignite as well as the use of microorganisms in which the long-term Behavior of uranium-containing materials in the final disposal not is known.
Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.The The invention will be explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments.
1. Ausführungsbeispiel1st embodiment
Die Fähigkeit des in der biogeochemischen Barriere verwendeten Materiales, Uran in hohen Konzentrationen aus Wässern zu entfernen, wurde in Schüttelversuchen untersucht. Dazu wurden bei Raumtemperatur je 0,5 g getrocknetem Hühnerkot und 0,5 g Feldspat der Korngröße 63–200 μm in 40 ml Lösung dispergiert und im Abstand von einer Woche die Urankonzentration um 2,38 mg/l erhöht. Die mit ICP-MS bestimmten Urangehalte in Lösung nach jeweils einer Woche Kontaktzeit sind in Tabelle 1 dargestellt.The ability of the material used in the biogeochemical barrier, uranium in high concentrations from water to remove, was in shaking attempts examined. To this was dried at room temperature 0.5 g each chicken droppings and 0.5 g of feldspar of particle size 63-200 μm in 40 ml solution dispersed and the uranium concentration at intervals of one week increased by 2.38 mg / l. The uranium levels determined with ICP-MS in solution after one week Contact time are shown in Table 1.
Tabelle 1: Uran-Retardierung durch biogeochemische Barriere im Schüttelversuch Table 1: Uranium retardation by biogeochemical barrier in the shaking test
Wie in Tabelle 1 ersichtlich, besitzt das im Verfahren verwendete Barrierematerial ein hohes Potential Uran aus Wässern zu entfernen. Der Vorteil des Verfahrens liegt bei der Verringerung sehr hoher Urankonzentrationen, insbesondere im Bereich von 2 bis 20 mg/l bei hohen Karbonatkonzentrationen, auf Werte die den Einleitegrenzwerten nahe kommen und damit verbunden ist die Fixierung der größten Mengen des Urans.As can be seen in Table 1, the barrier material used in the process has a high potential to remove uranium from water. The advantage of the method lies in the reduction of very high uranium concentrations concentrations, in particular in the range from 2 to 20 mg / l at high carbonate concentrations, to values which are close to the introduction limit values and associated therewith the fixation of the largest quantities of uranium.
2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment
In einem Säulenversuch, der den Bedingungen im Bergbau unter Tage weitgehend entsprach, wurde bei 20 bis 25 °C die Effektivität des Verfahren untersucht. Dazu wurde ein mit 5 mg/l Uran(VI) belastetes Wasser, gekennzeichnet durch hohe Konzentrationen an Erdalkalien (Ca 309 mg/l, Mg 299 mg/l), Alkalien (Na 528 mg/l, K 38 mg/l) sowie Gesamtkarbonat (1160 mg/l) und Sulfat (1880 mg/l) – ähnlich einem Flutungswasser, wie es aus Uranbergwerken freigesetzt wird- durch eine zweiteilige biogeochemische Barriere geleitet. Der Durchfluss des Wassers und damit die Verweilzeit wurden 2-stufig varriert, wobei die Verweilzeit in der biogeochemischen Barriere bei einem Durchfluss von ca. 20 ml pro Tag ca. 12 Stunden entsprach. Im ersten Teil der biogeochemischen Barriere, die aus 2 Anteilen getrockneten Hühnerkots und einem Anteil Feldspat bestand, wird Uran fast vollständig aus dem zu reinigenden Wasser entfernt (Tabelle 2), während der zweite Teil der Barriere im Abstrombereich vorrangig zur Rückhaltung bzw. Filtration dient. Das Verhältnis zwischen dem reaktiven Hühnerkot-Feldspat Gemisch und dem passiven Filtrationsteil der Barriere betrug 2:1.In a column experiment, which largely met the conditions of underground mining, was at 20 to 25 ° C the effectiveness of the procedure. This was a loaded with 5 mg / l uranium (VI) Water, characterized by high concentrations of alkaline earths (Ca 309 mg / l, Mg 299 mg / l), alkalis (Na 528 mg / l, K 38 mg / l) and Total carbonate (1160 mg / l) and sulphate (1880 mg / l) - similar to one Flooding water, as released from uranium mines passed a two-part biogeochemical barrier. The flow of the water and thus the residence time were varied in two stages, wherein the residence time in the biogeochemical barrier at a Flow of about 20 ml per day for about 12 hours corresponded. In the first Part of the biogeochemical barrier, which consists of 2 parts dried Hühnerkots and a fraction of feldspar, uranium is almost completely out the water to be purified (Table 2), while the second part of the barrier in the outflow area primarily for retention or filtration is used. The relationship between the reactive chicken faeces feldspar Mixture and the passive filtration portion of the barrier was 2: 1.
Tabelle 2: Uran-Retardierung durch biogeochemische Barriere im Säulenversuch Table 2: Uranium retardation by biogeochemical barrier in the column experiment
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