DE19614642C2 - Verfahren zur Aufarbeitung von Abfall-Schwefelsäure - Google Patents

Verfahren zur Aufarbeitung von Abfall-Schwefelsäure

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Aufarbeitung von Abfall-Schwefel­ säure.
Bei zahlreichen Verfahren in der chemischen Industrie und in der Mineralölindustrie wird Schwefelsäure als Hilfsstoff oder Reaktionspartner eingesetzt. Bei den wichti­ gen Grundverfahren der organisch-chemischen Technologie werden Schwefelsäure, Oleum (rauchende Schwefelsäure) und Schwefeltrioxid eingesetzt (Römpp "Che­ mielexikon" 1992, Band 5, Seiten 4.070-4.073, Stichwort "Schwefelsäure". Der Ein­ satz von Oleum ist wegen des geringeren Anfalls an Abfall-Schwefelsäure gegenüber der Verwendung wäßriger Schwefelsäure-Lösungen in vielen Fällen bevorzugt. Für den breiten Anwendungsbereich des chemischen Grundprodukts Schwefelsäure darf ebenfalls auf die Literatur verwiesen werden (Römpp, a a O.). Ein besonderes Anwen­ dungsfeld ist beispielsweise die Farbstoffherstellung.
Im Verlauf des jeweiligen chemischen Prozesses fällt häufig ein großer Anteil der ein­ gesetzten Schwefelsäure letztlich als Abfall-Schwefelsäure an. Abfall-Schwefelsäure ist im Regelfall durch Nebenprodukte der Reaktion, durch gelöste Stoffe, durch Mi­ kropartikel etc. erheblich verunreinigt sowie mit Wasser stark verdünnt, so daß sie für technische Zwecke nicht weiter genutzt werden kann und entsorgt werden muß. Be­ sondere Bedeutung haben die organischen Verunreinigungen, mit denen sich die vorliegende Erfindung in erster Linie befaßt. Die zuvor angesprochene, erheblich verunreinigte und stark verdünnte Abfall-Schwefelsäure muß letztlich zu einer erneut verwertbaren Schwefelsäure aufgearbeitet werden.
Im Stand der Technik kennt man im Grundsatz bislang drei Verfahren unterschiedli­ cher Konzeption.
Bei geringem Verunreinigungsgrad der Abfall-Schwefelsäure läßt sich diese nach oxidativer Entfernung von organischen Verunreinigungen mit einem Oxidationsmittel wie Salpetersäure mit relativ hohem Energieaufwand aufkonzentrieren. Man kennt hier verschiedene Arbeitsweisen. Bei der zweistufigen Arbeitsweise erfolgt eine Vor­ konzentration auf etwa 60 bis 70% mittels Venturi-Aufstärkern, Tauchbrennern, Umlaufverdampfern od. dgl., gefolgt von einer Hochkonzentration auf über 90% nach dem Plinke-Verfahren, in Drum-Konzentratoren, im Bayer-Bertrams-Verfahrens, in Fallfilmverdampfern od. dgl. (Römpp, a a O., Seite 4.072).
Ist die Abfall-Schwefelsäure stark verunreinigt, so ist das Verfahren der thermischen Spaltung vorzuziehen. Eine vorkonzentrierte, nach wie vor die Verunreinigungen enthaltende Schwefelsäure wird durch direkte Beheizung auf Temperaturen über 1300 K erhitzt. Bei so hohen Temperaturen liegt das Gleichgewicht zwischen SO2 und SO3 weitestgehend bei SO2, das dann in einer angeschlossenen Kontaktanlage wieder zu konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt werden kann. Auch dieses Verfah­ ren ist ausgesprochen energieaufwendig. Hier kommt weiter hinzu, daß zwingend eine anschließende Kontaktanlage zur Erzeugung der konzentrierten Schwefelsäure vorhanden sein muß, was die Anlagenkonzeption stark beeinflußt. In diesem Zusam­ menhang ist bereits vorgeschlagen worden, Hochtemperatur-Prozeßwärme über 1300 K solarthermisch zu erzeugen. (Tagungsbericht 7. Int. Sonnenforum, Ffm. 9. 12. 10 (1990) Bd. 2, Seiten 1076 bis 1081).
Für sich sind verschiedene Vefahrensweisen in Verbindung mit der Aufarbeitung von Abfall-Schwefelsäure bekannt, die einzelne Verfahrensabschnitte betreffen (DE-A- 40 06 665, DE-C-24 04 613 (Oxidationsmittel zum Stripping), EP-B-0 425 000 (Aufkonzentrierung von Schwefelsäure), EP-B-0 429 933, DE-A-24 50 255, DE -A-30 18 664).
Seit kurzem ist ein auf der Grundlage von Lichtenergie arbeitendes Verfahren zur Aufarbeitung von Abfall-Schwefelsäure mit organischen Verunreinigungen bekannt (DE-A-42 16 499), bei dem die organischen Verunreinigungen rein photochemisch aus der Abfall-Schwefelsäure entfernt werden unter Einsatz energiereicher Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts und nahen bis mittleren UV. Bei diesem Verfahren wird eine Kombination intensiver Strahlung mit einer Bestrahlungstärke im Bereich von 0,01 bis 100 MW/m2 und hoher Temperatur zwischen 470 und 1770 K (ca. 200 bis 1500°C) eingesetzt, um die organischen Verunreinigungen in der Abfall-Schwe­ felsäure, bei denen es ja letztlich um C-H-O-Verbindungen geht, in flüchtige bzw. un­ problematische Endprodukte CO2 und H2O umzuwandeln (aufzubrechen).
Für das zuvor erläuterte, aus dem Stand der Technik bekannte photochemische Ver­ fahren wird auf die DE-A-42 16 499 verwiesen, in der sich auch ausführliche Erläu­ terungen zu den übrigen Verfahren des Standes der Technik finden. Dieses bekannte Verfahren, das von der Energiebilanz her günstiger ist als die weiteren zuvor erläuter­ ten bekannten Verfahren, stellt den Ausgangspunkt für die Lehre der vorliegenden Erfindung dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die folgenden Verfahrensschritte gekenn­ zeichnet:
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Oxidationsmittel in die in flüssiger Phase vorliegende Abfall-Schwefelsäure eingeleitet.
In einem zweiten Verfahrensschritt, der nach oder parallel zum ersten Verfahrens­ schritt abläuft, wird energiereiche Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des nahen bis mittleren UV-Lichts in die in flüssiger Phase vorliegende Abfall-Schwefelsäure eingestrahlt.
In einem dritten Verfahrensschritt, der nach dem zweiten Verfahrensschritt abläuft, wird die gereinigte Schwefelsäure auf eine wirtschaftlich handelsfähige Konzentra­ tion, insbesondere eine Konzentration von ca. 70% bis 96%, aufkonzentriert.
Das erfindungsgemäße Verfahren realisiert eine Kombination verschiedener Verfah­ rensschritte bzw. Verfahrenskomponenten, insbesondere die Kombination von Oxi­ dation und energiereicher Strahlung. Weder ein auch sehr hoch konzentriertes Oxi­ dationsmittel für sich noch energiereiche Strahlung für sich (DE-A-42 16 499) er­ reichen die Aufbrechwirkung bezüglich der organischen Verunreinigungen, die bei dem erfindungsgemäßen kombinativen Verfahren erreicht werden.
Nach der Lehre wird Licht im Bereich des nahen und mittleren UV für die Bestrah­ lung im zweiten Verfahrensschritt eingesetzt. Da die Absorption der Oxidationsmittel Ozon und Wasserstoffperoxid bei Wellenlängen kleiner 300 nm und demgemäß im Bereich des mittleren UV liegt, da die meisten organischen Moleküle UV-Strahlung unterhalb 250 nm mit zunehmendem Absorptionsgrad absorbieren und da Wasser unter 190 nm direkt absorbiert und durch Photolyse OH-Radikale bildet, empfiehlt sich besonders der Bereich des nahen bis mittleren UV für die Einstrahlungsquelle. In­ teressierende Strahlungsintensitäten sind im Anspruch 5 beschrieben.
Liegen grobe mechanische Verunreinigungen in der Schwefelsäure vor, so kann es sich empfehlen, diese in einer vorgeschalteten Verfahrensstufe mechanisch abzutren­ nen. Dazu dienen mechanische Trennverfahren, beispielsweise Sedimumtierung, Fil­ tration oder Zentrifobierung.
Besondere Oxidationsmittel, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein­ gesetzt werden können, sind Gegenstand des Anspruchs 3. An sich kann man auch Sauerstoff einströmen lassen, benötigt dabei aber sehr große Volumina. Von besonde­ rer Bedeutung ist für das erfindungsgemäße Verfahren das Oxidationsmittel Wasser­ stoffperoxid, weil es in besonderem Maße durch energiereiche Strahlung im entspre­ chenden Wellenlängenbereich aktiviert werden kann. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn ein Oxidationsmittel in flüssiger Phase in die in flüssiger Phase vorlie­ genden Abfall-Schwefelsäure eingeleitet wird.
Der Zeitablauf der Einleitung und die Menge des Oxidationsmittels bei Einsatz im zweiten Verfahrensschritt sind nach Art und Umfang der organischen Verunreinigun­ gen und in Abhängigkeit von der Art des Oxidationsmittels zu bestimmen. Für das bevorzugte Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid ist die Mengenoptimierung stark davon abhängig, welche preisliche Situation dafür vorliegt. Allerdings ist gerade bei Wasserstoffperoxid die Reaktionsgeschwindigkeit der eigenen unerwünschten Zer­ fallsreaktion von der Geometrie des Reaktors abhängig.
Bei einer Laboruntersuchung mit einer repräsentativ hergestellten verunreinigten Ab­ fall-Schwefelsäure von 30% und einer Bestrahlungsdauer mit energiereicher UV- Strahlung über sechs Stunden in einer Menge von 235 ml ergab eine Zugabe von 15 ml Wasserstoffperoxid 35%ig, also sechs Prozent auf die Säuremenge, nahezu den er­ reichbaren Grenzwert der Reduktion des TOC-Gehalts. Der Ausgangs-TOC-Gehalt von ca. 2500 mg/l wurde nämlich auf ca. 430 mg/l reduziert.
Weiter oben ist erläutert worden, daß das erfindungsgemäße Verfahren an einer Ab­ fall-Schwefelsäure ausgeführt wird, die tatsächlich fast schwarz ist und daher vom Strahler nur schlecht bzw. mit geringer Einstrahlungstiefe durchleuchtet werden kann. Diesem sollte die Führung der Abfall-Schwefelsäure im entsprechenden Reak­ tor entsprechen, wobei es sich also empfiehlt, daß die Einstrahlung der energiereichen Strahlung in einem Reaktor erfolgt, in dem die Abfall-Schwefelsäure im Einstrah­ lungsbereich in einer dünnen Schicht vorliegt bzw. geführt wird. Da man eine längere Einstrahlungsdauer benötigt, ist vorzusehen, daß die Abfall-Schwefelsäure im Reak­ tor in einem Kreislauf geführt wird und so mehrfach den Einstrahlungsbereich durchläuft.
Reaktoren mit entsprechend in dünner Schicht geführter Strömung sind an sich im Stand der Technik bekannt. Wird beispielsweise die Abfall-Schwefelsäure durch den Kühlmantel eines Tauchlampenreaktors geleitet, so wird der Abstand von der Strah­ lungsquelle zur Abfallsäure und die Schichtdicke der Abfallsäure stark verringert und das Bestrahlungsergebnis optimiert. Noch optimaler dürfte ein Fallfilmreaktor mit großflächiger UV-Einstrahlung sein.
An sich ist es eine bekannte Tatsache, daß organische Verunreinigungen in Abfall- Schwefelsäure bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur leichter oxidiert und dementsprechend aufgebrochen werden können. Die Aggressivität verdünnter Schwefelsäure bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur ist aber so hoch, daß hier nun wiederum die Werkstoffe der Anlagen zum kostenbestimmenden Faktor werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher im Grundsatz zunächst dadurch aus, daß es an sich bei Raumtemperatur und bei normalen Umgebungsdruck durchgeführt werden kann. Insbesondere letzteres, also der Verzicht auf eine Druck­ erhöhung, hält die Aggressivität der Abfall-Schwefelsäure in vernünftigen Grenzen und begrenzt die Kosten der Reparaturen.
Es hat sich allerdings gezeigt, daß für bestimmte organischer Verunreinigungen, ins­ besondere für bestimmte Verunreinigungen organischer Art in Abfall-Schwefelsäuren aus der Farbstoffherstellung, eine geringe Temperaturerhöhung im ersten Verfahrens­ schritt förderlich ist. Die Abbaurate der organischen Verunreinigungen erhöht sich mit erhöhter Temperatur. Natürlich erhöht sich damit auch der Energieaufwand. Die in Anspruch 9 angegebenen Parameterbereiche stellen hinsichtlich der Gesamt-Ko­ stenkalkulation wohl ein Optimum dar.
Eine weitere Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 10 - Einsatz eines Katalysators zur Verstärkung der Oxidationswirkung des Oxidationsmittels. Beispielsweise wurde im bevorzugten Beispiel Titandioxid als Katalysator für Wasserstoffperoxid zugesetzt. Eine verstärkte Bildung von Hydro­ xyl-Radikalen aus Wasserstoffperoxid einerseits und Wasser andererseits war die Folge, wobei die Auswirkungen der einzelnen Einflüsse auf die organischen Verun­ reinigungen noch nicht völlig geklärt sind. Tatsache ist jedenfalls, daß unter bestimm­ ten Randbedingungen beispielsweise Titandioxid als Katalysator in Verbindung mit Wasserstoffperoxid für den Abbau des TOC-Gehalts förderlich wirkt.
Als Strahlungsquelle kann beispielsweise ein Quecksilber-Hochdruckstrahler einge­ setzt werden (beispielsweise Heraeus TQ 150). Von besonderem Interesse sind aber die von Heraeus neu entwickelten Excimer-Strahler im UV-Bereich mit quasi mono­ chomatischer Strahlung wie im Anspruch 11 beschrieben. Da bei Wellenlängen klei­ ner als 190 nm eine direkte photolytische Spaltung von Wasser auftritt, ist die 172 nm-Strahlung des entsprechenden Excimers von entsprechender Bedeutung. Die 222 nm-Strahlung ist sehr effektiv bei der Oxidation von organischen Verunreinigungen in Gegenwart von Wasserstoffperoxid. Für die Excimer-Technik darf auf entspre­ chende Publikationen der Heraeus Noble Light verwiesen werden.
Hinsichtlich des Verfahrensschrittes der Aufkonzentration der von den organischen Verunreinigungen weitgehend befreiten Schwefelsäure mit einem TOC-Gehalt deut­ lich unter 500 ppm (unter 500 mg/l) darf auf die eingangs schon angesprochenen Verfahren verwiesen werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Durch die Wärmebeeinflussung bei der Aufkonzentration von verdünnter Schwefelsäure erge­ ben sich kaum Erhöhungen des TOC-Gehalts, da die restlichen leicht flüchtigen or­ ganischen Verunreinigungen dabei weiter reduziert werden.
Im folgenden soll anhand einiger Darstellungen nochmals zusammenfassend der Hin­ tergrund und die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Analyse einer Standard-Abfall-Schwefelsäure 40% wie sie bei­ spielsweise aus der Farbstoffherstellung resultiert,
Fig. 2 ein Verfahrens-Flußdiagramm für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 3 ein Anlagenschema für eine Anlage zur Durchführung eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in Fig. 1 gegebenen Daten einer Standard-Abfall-Schwefelsäure sollen lediglich deutlich machen, was für ein Beispiel einer solchen Schwefelsäure gelten kann wie sie aus der Farbstoffherstellung stammt. Die Quelle Farbstoffherstellung wird durch die organischen Verunreinigungen der Anilin-Sulfosäuren identifiziert.
Das Verfahrens-Flußdiagramm gemäß Fig. 2 gibt an, welche Verfahrensabläufe und -ergebnisse bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erzielen sind. Dieses Flußdia­ gramm ist nach den voranstehenden Ausführungen aus sich selbst heraus verständ­ lich.
Fig. 3 zeigt schließlich das Blockschaltbild einer Anlage zur Durchführung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch in dieses Blockschaltbild sind die Eintragungen direkt vorgenommen worden.
Das Blockschaltbild aus Fig. 3 macht deutlich, daß hier eine Behandlung mit Wasser­ stoffperoxid in einem eigenen Reaktor (Reaktor I) einem Einstrahlungsreaktor (UV- Reaktor) vorgeschaltet ist. Dieses ist ein zweistufiges Verfahren, bei dem zunächst nur der erste Verfahrenschritt und danach nochmals der erste Verfahrensschritt zu­ sammen mit dem zweiten Verfahrensschritt oder auch nur der zweite Verfahrensschritt abläuft. Im übrigen ist dieses Blockschaltbild angesichts der voranstehenden Ausfüh­ rungen ebenfalls aus sich heraus verständlich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in einer Beispielrechnung eine tiefdun­ kle Abfall-Schwefelsäure mit einem TOC-Gehalt von ca. 2.500 mg/l (2.500 ppm) in einer 13-stündigen Versuchsreihe optisch wasserklar mit einem Rest-TOC-Gehalt von 20 mg/l (20 ppm) hergestellt werden. Eine Aufkonzentration auf 70% ist ohne we­ sentliche Erhöhung des TOC-Gehalts realisierbar. Randbedingungen sind ca. sechs Prozent Zusatz von Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid (35%) sowie eine Reakti­ onstemperatur von ca. 350 K (ca. 80°C), sowie eine relativ geringe Schichtdicke für die Einstrahlung von UV-Strahlung mit einem Strahler TQ 150.

Claims (11)

1. Verfahren zur Aufarbeitung von Abfall-Schwefelsäure in einem Konzentrationsbe­ reich zwischen ca. 10% und ca. 70%, insbesondere zwischen ca. 20% und ca. 50%, die mit organischen Verunreinigungen mit einem TOC-Gehalt zwischen ca. 500 ppm und ca. 25.000 ppm, insbesondere zwischen ca. 1.000 ppm und ca. 10.000 ppm, bela­ stet ist, mit den folgenden Verfahrensschritten:
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Oxidationsmittel in die in flüssiger Phase vorliegende Abfall-Schwefelsäure eingeleitet.
In einem zweiten Verfahrensschritt, der nach oder parallel zum ersten Verfahrens­ schritt abläuft, wird energiereiche Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des nahen bis mittleren UV-Lichts in die in flüssiger Phase vorliegende Abfall-Schwefelsäure eingestrahlt.
In einem dritten Verfahrensschritt, der nach dem zweiten Verfahrensschritt abläuft, wird die gereinigte Schwefelsäure auf eine wirtschaftlich handelsfähige Konzentra­ tion; insbesondere eine Konzentration von ca. 70% bis 96%, aufkonzentriert.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle des Vorliegens grober mechanischer Verunreinigungen in der Schwefelsäure diese in einer vorgeschalteten Verfahrensstufe mechanisch abgetrennt werden, vor­ zugsweise durch Sedimentierung, Filtration oder Zentrifugierung.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt als Oxidationsmittel mit Ozon, Salpetersäure oder, vor­ zugsweise, mit Wasserstoffproxid (H2O2) gearbeitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt das Oxidationsmittel in flüssiger Phase in die Abfall- Schwefelsäure eingeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Verfahrensschritt mit einer Strahlungsintensität von 0,1 bis 15 MW/m2 gearbeitet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung der energiereichen Strahlung im zweiten Verfahrensschritt in ei­ nem Reaktor erfolgt, in dem die Abfall-Schwefelsäure im Einstrahlungsbereich in ei­ ner dünnen Schicht vorliegt bzw. geführt wird, vorzugsweise in einem Fallfilmreak­ tor.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfall-Schwefelsäure im Reaktor in einem Kreislauf geführt wird und so mehrfach den Einstrahlungsbereich durchläuft.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei normalem Umgebungsdruck durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt parallel eine Erwärmung der Abfall-Schwefelsäure auf eine Temperatur bis zu 500 K, vorzugsweise von ca. 350 bis 390 K erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den zweiten Verfahrensschritt der Abfall-Schwefelsäure ein Katalysator zuge­ setzt wird, vorzugsweise Titandioxid im Fall von Wasserstoffperoxid als Oxidations­ mittel.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Verfahrensschritt als Strahlungsquelle ein Excimer-System mit quasi­ monochromatischer Strahlung im UV-Bereich, insbesondere bei ca. 172 nm oder bei ca. 222 nm, eingesetzt wird.
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