DE19924531C2

DE19924531C2 - Verfahren zur naßchemischen Abtrennung von Metallen aus Feststoffgemischen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19924531C2
Application number: DE1999124531
Authority: DE
Inventors: Heinz Stichnothe; Jorg Thoeming
Original assignee: TUHH Technologie GmbH
Current assignee: Tutech Innovation GmbH
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: DE19924531A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur naßchemischen Abtrennung von Metallen aus Feststoffgemischen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Nachdem bekannt ist, daß der menschliche Organismus in zunehmendem Maße auf Belastungen der Umwelt reagiert, spielt auch die Reinigung des Bodens und anderer Feststoffgemische, wie beispielsweise Restmüll, eine immer größere Rolle. Allerdings fehlt es noch an geeigneten Reinigungsverfahren, insbesondere für Schwermetalle. Die Entfernung derartiger Kontaminationen aus den genannten Feststoffmaterialien ist zwar grundsätzlich möglich, erfordert häufig aber einen zu hohen finanziellen Aufwand.

So wurde beispielsweise mittels verschiedener In-situ- Verfahren versucht, schadstoffbelastete Böden zu dekontaminieren (DE 39 20 342 C1, EP 0 312 174 A1, US 5,137,608). Diese Verfahren beruhen darauf, durch eine angelegte Spannung die elektrokinetisch transportierbaren Schadstoffe zu eliminieren. Wenngleich dies grundsätzlich möglich ist, bleibt die Effizienz der Reinigungsleistung häufig hinter den Erwartungen zurück.

Alternativ zu diesen Verfahren kann das kontaminierte Erdreich beispielsweise ausgehoben und sodann einer Reinigung in einer Aufbereitungsanlage unterzogen werden. Dabei werden die zu entfernenden Stoffe, insbesondere die Schwermetalle, mittels geeigneter Extraktionsmittel mobilisiert, um sie verfügbar zu machen. US 5,514,263 beschreibt beispielsweise ein solches Verfahren für die Entfernung von Blei aus Batteriepaste. Der Aufwand für die eingesetzten Extraktionsmittel ist jedoch nicht unerheblich, da entweder eine Abtrennung der Kontaminanten vom Extraktionsmittel vorgenommen oder die gesamte Lösung entsorgt werden muß. Dies führt zu einem hohen Verbrauch an Extraktionsmittel.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein solches Verfahren zur Dekontamination von Feststoffmaterial bereitzustellen, das einfach anwendbar ist, eine gute Schadstoffdekontamination ermöglicht und den Verbrauch an Extraktionsmittel minimiert. Darüber hinaus besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch, daß man in ein und derselben Reaktionskammer

a) das Feststoffmaterial suspendiert,
b) ein elektrisches Gleichstromfeld anlegt,
c) mit Hilfe eines Extraktionsmittels den kontaminierenden Stoff extrahiert,
d) den kontaminierenden Stoff an der Kathode abscheidet und
e) das Extraktionsmittel regeneriert, indem man die Wanderung des gelösten Extraktionsmittels zur Anode durch eine Kationenaustauschermembran verhindert, so daß mit demselben Extraktionsmittel eine erneute Extraktion möglich ist.

Für eine effiziente Dekontamination von Feststoffmaterial gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es wichtig, daß man das Feststoffmaterial gut suspendiert. Je nach der Beschaffenheit des Feststoffmaterials kann es hierzu erforderlich sein, daß man das Feststoffmaterial zunächst zerkleinert bzw. homogenisiert. Die daraus hergestellte Suspension liegt üblicherweise in wäßriger Lösung vor, kann aber auch, je nach gestellten Anforderungen, ein anderes Lösungsmittel enthalten. Die so hergestellte Suspension wird intensiv gerührt oder umgewälzt, um die zu beseitigende Kontamination nach Möglichkeit vollständig herauszulösen. Die Extraktion der kontaminierenden Stoffe wird möglich durch Verwendung eines Extraktionsmittels mit desorbierenden und/oder komplexierenden Eigenschaften.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man das Extraktionsmittel während des Dekontaminationsprozesses regenerieren kann. Die Regeneration des Extraktionsmittels läßt sich mit Hilfe der Elektrodialyse durchführen. Positiv elektrisch geladene Schadstoffatome bzw. -moleküle wandern zur Kathode und werden an dieser abgeschieden. Dagegen wird die Wanderung des gelösten Extraktionsmittels zur anderen Elektrode verhindert. Diese selektive Trennung läßt sich dadurch erreichen, daß man die Reaktionskammer von der Anodenkammer durch eine Kationenaustauschermembran trennt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Reaktionskammer dabei von der Kathodenkammer durch ein Diaphragma getrennt, das beispielsweise als Kunststoffnetz ausgebildet sein kann. Das Kunststoffnetz wird eingesetzt, um zu verhindern, daß die an der Kathode abgeschiedenen Stoffe sich durch Abrieb wieder von der Kathode trennen. In dieser Ausgestaltung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Schwermetalldekontamination. Vor allem Kupfer und Blei lassen sich so gut beseitigen.

Für den Fall, daß die kontaminierenden Stoffe in Form von Anionen vorliegen, wird die Reaktionskammer von der Kathodenkammer durch eine Anionenaustauschermembran getrennt. Auf diese Weise können negativ geladene Kontaminaten aus der Suspension entfernt werden, während die Wanderung des Extraktionsmittels zur Kathode verhindert wird. Bevorzugt wird hierbei die Reaktionskammer von der Anodenkammer durch ein Diaphragma getrennt, das wiederum als Kunststoffnetz ausgebildet sein kann.

Je nach der Menge des zu reinigenden Feststoffmaterials läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren als Batchverfahren durchführen oder kontinuierlich betreiben. Im Falle der kontinuierlichen Anwendung wird gereinigter Feststoff aus der Reaktionskammer abgeschieden und entfernt und neues kontaminiertes Feststoffmaterial in die Reaktionskammer eingefüllt.

Die Erfindung und insbesondere eine bevorzugte Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Dekontaminationsreaktors für den Batchbetrieb sowie

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines Dekontaminationsreaktors für den kontinuierlichen Betrieb.

Der in Fig. 1 dargestellte Dekontaminationsreaktor verfügt über eine Reaktionskammer 1, an die sich jeweils über ein Diaphragma 4a, 5 sowie eine Ionenaustauschermembran 4, 5a getrennt, eine Anodenkammer 2 sowie Kathodenkammer 3 anschließen. Die jeweilige Ionenaustauschermembran 4, 5a ist hierbei so gewählt, daß aus dem Feststoffmaterial herausgelöste Anionen zur Anode und Kationen zur Kathode wandern, eingesetztes Extraktionsmittel die Reaktionskammer jedoch nicht verlassen kann.

Im hier dargestellten Beispiel dient der Dekontaminationsreaktor zur Dekontamination von schwermetallhaltigen Feststoffgemischen. Hierzu ist ein Extraktionsmittel in Form eines Komplexbildners vorgesehen, das das jeweilige Schwermetallion M⁺ mittels geeigneter Liganden Li bindet. Gute Extraktionsmittel für Schwermetalle sind beispielsweise Essigsäure, Zitronensäure oder Salze organischer Säuren mit ihren komplexierenden Eigenschaften.

Wird das Feststoffgemisch in der Reaktionskammer 1 suspendiert und mit den geeigneten Komplexbildnern in Kontakt gebracht, entsteht zunächst ein Komplex M(Li)_n, der zum Teil dissoziiert ist. Die auf diese Weise gelösten Metallionen M⁺ wandern durch das Diaphragma 5, das als Membran oder beispielsweise als Kunststoffnetz ausgebildet sein kann, in den Kathodenraum 3 zur Kathode, an der sich das entsprechende Metall abscheidet. Die negativ geladenen Ionen Li^- des Komplexbildners sind hingegen nicht in der Lage, zur Anode zu gelangen. Sie können die Kationenaustauschermembran 4 nicht durchdringen. Die Li^--Ionen verbleiben somit in der Reaktionskammer 1 und stehen zur Komplexierung neuer Schwermetallionen zur Verfügung.

Die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt davon ab, wie gut das Extraktionsmittel mit dem zu behandelnden Feststoffgemisch in Kontakt gebracht werden kann. Durch intensives Rühren läßt sich die Kontakthäufigkeit bei einer Desorptions- bzw. Komplexierungsreaktion erhöhen, wozu in der Reaktionskammer 1 eine Einrichtung 6 zum Rühren der Suspension vorgesehen ist. Ebenso läßt sich aber auch eine Umwälzung der Suspension vornehmen. Handelsübliche Rührwerke oder Umwälzpumpen sind hierzu geeignet.

Für den Fall, daß das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich betrieben werden soll, ist ein Dekontaminationsreaktor gemäß Fig. 2 vorgesehen, bei dem die Reaktionskammer 1 mit einer Abscheidevorrichtung 7 verbunden ist. So läßt sich beispielsweise durch intermittierendes Rühren oder Umwälzen der Suspension eine Feststoffabscheidung vorsehen, mit der es möglich ist, gereinigtes Feststoffmaterial aus der Reaktionskammer 1 zu entfernen. Nach erfolgter Sedimentation wird das gereinigte Feststoffmaterial beispielsweise über eine Pumpe 8 abgezogen. Danach läßt sich neues kontaminiertes Feststoffmaterial in die Reaktionskammer 1 des Dekontaminationsreaktors über die Leitung 9 einfüllen.

Versuchsbeispiel

Ein kupferhaltiger Boden wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dekontaminiert. Der kontaminierte Boden wurde in eine Reaktionskammer gefüllt und unter Rühren in 0,1 M Citratlösung (pH 5,5) als Komplexbildner suspendiert. Vor einer entweder als zweidimensionale oder als dreidimensionale Elektrode ausgeführten Kathode befand sich ein Kunststoffnetz (Maschenweite 90 µm), vor einer als modifizierte Titananode ausgeführten Anode eine Kationenaustauschermembran (beispielsweise NAFION® oder THOMAPOR®). Die Membran verhinderte die Wanderung der komplexierenden Citrat-Anionen zur Anode, wo sie ansonsten oxidiert würden. 13 Minuten nach dem Einfüllen und Suspendieren des Bodens wurde ein Gleichstrom von 1 A angelegt. Nach 4 Stunden war der Reinigungsprozess beendet und der Boden zu 90% dekontaminiert. Am Ende des Versuchs hatte sich an der Kationenaustauschermembran eine Schicht aus feinen Bodenpartikeln angelagert, die nur zu 60% dekontaminiert waren. Diese Schicht haftete fest an der Membran und war nach Entleerung des Reaktors leicht mechanisch ablösbar. Durch die erfindungsgemäße Regeneration des Komplexbildners Citrat konnte die verwendete Lösung erneut zur Dekontamination von Bodenmaterial verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Reaktionskammer

2

Anodenraum

3

Kathodenraum

4

Kationenaustauschermembran

4

a Diaphragma

5

Diaphragma

5

a Anionenaustauschermembran

6

Umwälzeinrichtung

7

Abscheidevorrichtung

8

Pumpe

9

Leitung

Claims

1. Verfahren zur naßchemischen Abtrennung von kontami nierenden Stoffen, insbesondere Metallen, aus Fest stoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß man in ein und derselben Reaktionskammer

a) das Feststoffgemisch suspendiert,
b) ein elektrisches Gleichstromfeld anlegt,
c) mit Hilfe eines Extraktionsmittels den kontaminieren den Stoff extrahiert,
d) den kontaminierenden Stoff an der Kathode abscheidet und
e) das Extraktionsmittel regeneriert, indem man die Wanderung des gelösten Extraktionsmittels zur Anode durch eine Kationenaustauschermembran verhindert, so daß mit demselben Extraktionsmittel eine erneute Extraktion möglich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionskammer von einer Kathodenkammer durch ein Diaphragma trennt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Diaphragma ein Kunststoffnetz verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Schwerme talldekontamination.

5. Verfahren zur naßchemischen Abtrennung von kontami nierenden Stoffen, insbesondere Metallen, aus Feststoff gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß man in ein und derselben Reaktionskammer

a) das Feststoffgemisch suspendiert,
b) ein elektrisches Gleichstromfeld anlegt,
c) mit Hilfe eines Extraktionsmittels den kontaminieren den Stoff extrahiert und
d) das Extraktionsmittel regeneriert, indem man die Wanderung des gelösten Extraktionsmittels zur Kathode durch eine Anionenaustauschermembran verhindert, so daß mit demselben Extraktionsmittel eine erneute Extraktion möglich ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionskammer von der Anodenkammer durch ein Diaphragma trennt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Diaphragma ein Kunststoffnetz verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Suspension rührt oder umwälzt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren kontinuierlich betreibt, indem man gereinigten Feststoff aus der Reaktionskammer abscheidet und entfernt und neues kontaminiertes Feststoffgemisch einfüllt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Reaktionskammer (1) zur Behandlung einer Suspen sion, eine Anodenkammer (2) sowie eine Kathodenkammer (3), wobei die Reaktionskammer (1) von der Anodenkammer (2) durch eine Kationenaustauschermembran (4) getrennt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1) von der Kathodenkammer (3) durch ein Diaphragma (5) getrennt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma (5) als Kunststoffnetz ausgebildet ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch eine Reaktionskammer (1) zur Behandlung einer Suspension, eine Anodenkammer (2) sowie eine Kathodenkammer (3), wobei die Reaktionskammer (1) von der Kathodenkammer (3) durch eine Anionenaustauschermembran (5a) und von der Anodenkammer (2) durch ein Diaphragma (4a) getrennt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma (4a) als Kunststoffnetz ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1) über eine Einrichtung (6) zum Rühren oder Umwälzen der Suspension verfügt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (1) eine Abscheidevorrichtung (7) aufweist.