DE2853516C2 - Verfahren zum Entfernen von Arsen aus einer schwefelsauren Lösung - Google Patents

Verfahren zum Entfernen von Arsen aus einer schwefelsauren Lösung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Arsen aus einer As3+-Ionen und in einer mehr als doppelt so großen Gewichtsmenge Fe2+-Ionen sowie andere Schwermetalle enthaltenden schwefelsauren Lösung, wobei zunächst Fe2+ durch Behandeln mit Sauerstoff zu Fe3+ oxidiert, danach das Arsen durch eine Einstellung des pH-Wertes der Lösung bei einem Gewichtsverhältnis von Fe2+ zu Arsen zwischen 2 und 40 mitgefällt und anschließend der Fällungsniederschlag isoliert wird.
Arsen und Arsenverbindungen sind äußerst giftig und verschlechtern, wenn sie in Metallen für industrielle Zwecke selbst in nur geringer Menge zurückbleiben, die Eigenschaften derartiger Metalle und beeinträchtigen die Qualität der daraus hergestellten Produkte. Da Nichteisenmetallerze gewöhnlich Arsen enthalten, wird auch Arsen extrahiert, wenn diese Erze zur Gewinnung der Nichteisenmetalle verhüttet werden, und in diese Metalle überführt. Daher muß das bei der Verhüttung extrahierte Arsen den betreffenden Metallen entzogen werden, was jedoch äußerst mühsam und schwierig ist. Bei den hydrometallurgischen Verfahren wird das Erz oder Röstgut gewöhnlich mit Schwefelsäure extrahiert. Dabei wird Arsen zusammen mit anderen Metallen extrahiert, und es vermischt sich, wenn die Metalle aus der Lauge gewonnen werden, oftmals mit den Metallen. Je nach der Art der Extraktion von Nichteisenmetallen ist die Form des Arsens unterschiedlich, nämlich dreiwertig (As3+) oder f ünfwertig (As5+).
Arsen kann Eisenarsenat und Kaliumarsenat als schwer lösliche Säuren jedoch keine schwer löslichen Hydroxide bilden. Es ist jedoch schwierig, aus Arsen bei der Hydrometallurgie direkt derart schwer lösliche Säuren zu bilden, da eine Reaktion zur Erzeugung von Eisenarsenat oder Kaliumarsenat durch Arsen mit einer Reaktion durch Eisen oder Kalium einhergeht, ob sie nun Hydroxide oder ihre Arsenate erzeugen oder nicht.
In der Industrie wird am meisten das Verfahren zur Entziehung von Arsen durch seine Kopräzipitation und/ oder Adsorption mit metallischen Hydroxiden angewendet, wobei es sich hier allgemein um Eisenhydroxide handelt. Bei diesem Verfahren ist das Entziehen von As3+ erheblich schwerer als das von As5+, und zwar um so mehr, je niedriger der pH-Wert ist Außerdem wird der Arsenentzug schlechter, wenn die Temperatur der bei diesem Verfahren verwendeten Lösung höher liegt. Hierbei ist die Erzeugung einer großen Menge von Eisenhydroxid erforderlich, und außerdem kann das Eisenhydroxid nur sehr schwer abfiltriert werden, wodurch die Entfernung von Arsen mit Eisenhydroxid durch Filterung industriell uninteressant wird.
Bei dem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (DE-AS 23 47 729) wird daher zunächst die gesamte Ausgangslösung der Oxidationsbehandlung unterworfen, so daß sämtliches Fe2+ in Fe3+ und sämtliches As3+ in As5+ überführt wird, und anschließend der pE-Wert auf 1,9 bis 2,8 eingestellt, wodurch das As5+ mit einem stöchinometrischen Fe3+-Anteil in Form von Eisenarsenat und der noch vorhandene Fe3+-Überschuß als Eisenhydroxid ausfällt. Hierbei ist aber nachteilig, daß für die Oxidation des gesamten Fe2+ und insbesondere As3+ viel Zeit benötigt wird und das Arsen zusammen mit dem gesamten Eisen der Lösung als Fällungsniederschlag anfällt, der aufgrund der Umweltschädlichkeit des Arsens nur Sonderdeponien zugeführt werden kann.
Bei einem anderen Verfahren ist es zwar auch schon bekannt (US-PS 36 84 492 und die zur gleichen Patentfamilie gehörende DE-OS 20 32 417, aus einer Lösung Arsen durch eine Einstellung des pH-Wertes auf 3,5 auszufällen. Das berührt jedoch nicht die Probleme um die Entfernung von dreiwertigem Arsen, weil bei diesem bekannten Verfahren das Arsen als Eisenarsenat, d. h.
als As5+ gefällt wird und offensichtlich schon als As5+ in der Ausgangslösung vorlag (vgl. hierzu DE-AS 23 42 729, Spalte 2, Zeile 42 bis Spalte 3, Zeile 24).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu führen, daß das Arsen schneller und mit geringerem Aufwand sowie weniger begleitendem Eisen aus der Lösung entfernt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß das Gewichtsverhältnis von Fe3+ zu Arsen zwischen 2 und 40 durch eine entsprechende Teilung der Ausgangslösung in zwei Teile, von denen nur der eine unter Druck der Oxidationsbehandlung unterworfen wird, sowie eine anschließende Wiedervereinigung der beiden Teile und der pH-Wert der wiedervereinigten Lösung auf 3,5 bis 4,6 eingestellt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zwar auch Eisen(III)-hydroxid erzeugt und eine Kopräzipitation und/oder Adsorption von Arsen durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich jedoch insofern von den bisher üblichen Verfahren, als das Eisen(III)-hydroxid, mit dem Arsen besser abfiltriert werden kann, die für die Adsorption von Arsen erforderliche Eisenmenge geringer ist, das Arsen nicht nur als As5+, sondern überraschenderweise auch in Form von As3+ wirksam entzogen werden kann und sulfatierte oder schwefelsaure Lösungen mit vergleichsweise hoher Temperatur behandelt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich hydrometallurgisch bei der Herstellung von Nichteisenmetallen sowie zur Entziehung von Arsen aus Abwässern einsetzen, weiche Arsen enthalten, um derartige Abwasser im Rahmen des Umweltschutzes zu reinigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend
im einzelnen erläutert:
Ein Teil der sulfatierten oder schwefelsauren Lösung wird in eine Druckkammer geleitet, in welcher Fe2+ in Gegenwart von Sauerstoff zu Fe3+ oxidiert wird. Der auf diese Weise oxidierte Lösungsteil und der unbehandelte Rest der Lösung werden in einem speziellen Verhältnis gemischt, der pH-Wert dieses Lösungsgemisches wird alsdann durch Zusatz von alkalischen Wirkstoffen auf die Erzeugung von Eisenhydroxid eingestellt, und die Hydroxid-Verbindungen werden durch Filterung von der Lösung abgetrennt, um so das Arsen zu entfernen.
Die Oxidations-Reaktion des Fe2+ in der schwefelsauren Lösung ergibt sich aus nachstehender Gleichung (1), wonach 1 Mo! Schwefelsäure für 2 MoI Eisen(II)-sulfat benötigt wird:
20
25
2FeSO4 + H2SO4 + -i-O2 = Fe2(SO4), H2O (1)
Bei NichtVorhandensein vcn Schwefelsäure verläuft die Reaktion gemäß nachstehender Gleichung (2):
2FeSO4 + 3H2O + yO2 = 2FeOOH + 2H2SO4
(2)
Eisen(II)-sulfat wird hydrolysiert, wobei zuerst Geothit erzeugt wird, welches seinerseits Schwefelsäure als Nebenprodukt erzeugt, woraufhin dann die Reaktion gemäß Gleichung (1) abläuft. Da hierbei die Oxidationsgeschwindigkeit nicht sehr groß ist, sollte vorher dafür gesorgt werden, daß Schwefelsäure in dem der Oxidationsbehandlung zu unterwerfenden Lösungsteil vorhanden 'St.
Bei de.n erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Oxidation von Fe2+ durch Industrie-Sauerstoff, der unter Druck in eine Kammer eingeleitet wird. Die Oxidation unter Druck innerhalb einer Druckkammer führt zu einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit, beeinträchtigt nicht die einzelnen Schritte zur Metallgewinnung und führt nicht zu Umweltschäden. Dabei läßt sich irgendeine herkömmliche Druckkammer verwenden, so lange in ihr ein einwandfreier Kontakt zwischen dem Sauerstoff und der in der Kammer enthaltenen Lösung sichergestellt wird. Bei den weiter unten beschriebenen Versuchen wurde beispielsweise ein Autoklav verwendet, der oben und unten Umwälzpropeller aufwies. Die Drehzahl dieser Propeller betrug 700—1000 Upm, wodurch ein einwandfreier Kontakt zwischen dem Sauerstoff und der Lösung erzielt wurde.
Da H2SO4 für die Oxidation von Fe2+ entsprechend der obigen Gleichung (1) benötigt wird, muß einer sulfatierten Lösung H2SO4 zugesetzt werden, wenn sie nicht H2SO4 in einer Menge enthält, welche der Menge von Fe2+ äquivalent ist oder darüber liegt, d. h. die Menge an H2SO4 beträgt mehr als 0,2 Äquivalent der Menge an Fe2+. In diesem Zusammenhang muß eine Menge von Neutralisierungswirkstoffen berücksichtigt werden, welche der Lösung zur Erzeugung von Eisen(III)-hydrat zugesetzt werden müssen. Berücksichtigt werden muß auch, daß der pH-Wert der Lösung, welche oxidiert wurde, nicht die Hydrolyse von Fe3+ bewirken darf.
Zu bemerken ist, daß die Oxidationsgeschwindigkeiten einer Lösung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren proportional der Reaktionstemperatur und dem Sauerstoffdruck sind. Diese Beziehungen zeigt das Diagramm.
Um der Lösung das Arsen wirtschaftlich entziehen zu können, ist das Mischungsverhältnis der oxidierten Lösung und des unbehandelten Restes der Lösung entsprechend den Konzentrationen des verbleibenden Arsens, die in der Lösung nach der Behandlung erwartet werden, unterschiedlich. Bei bekannten Verfahren ist im allgemeinen die Menge an Fe3+, welche zum Entziehen von Arsen erforderlich ist, bei As3+ größer als bei As5+, bei As3+ liegt das erforderliche Gewichtsverhäitnis Fe3+/As erfahrungsgemäß bei etwa 50 und für eine extrem hohe Arsenentziehung bei etwa 100—150. Demgegenüber beträgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gewichtsverhältnis von Fe3+AAs, welches benötigt wird, um den Restgehalt von Arsen unter 0,05 g/l zu bringen, nur 6—8 und 10—40 zum Absenken des Arsengehailes auf weniger als 0,009 g/l, wodurch die Eisenmenge, welche als Eisen(lII)-hydrat ausfällt, sehr klein gemacht werden konnte. Folglich ist die Menge an Fe2+ so groß, daß die Menge an Fe3+ im Lösungsgemisch mehr als doppelt so groß wird wie die Gesamtmenge an Arsen im Lösungsgemisch. Das Mischungsverhältnis der oxidierten Lösung mit der unbehandelten Lösung läßt sich ohne Schwierigkeiten durch das Verhältnis von Fe3+ in der oxidierten Lösung zu Arsen bestimmen. Wenn beispielsweise Arsen in einer Ausgangslösung in einer Menge von 0,5 g/l vorhanden ist und ein Gewichtsverhältnis von Fe3+/As von 8 hergestellt werden soll, so werden 4 g Fe3+ pro Liter der Ausgangslösung benötigt. Wenn dann Fe3+ in der oxidierten Lösung in einer Menge von 10 g/l vorhanden ist, so kann 1 Liter der oxidierten Lösung Arsen aus 2,5 I des Lösungsgemisches entziehen und beträgt daher das Verhältnis zwischen der oxidierten Lösung und der unbehandelten Lösung 1 :1,5. Bei einem höheren Gehalt an Fe3+ in der oxidierten Lösung kann das Mischungsverhältnis der oxidierten Lösung zur unbehandelten Lösung größer sein, wodurch das Verfahren wirtschaftlicher wird.
Bei dem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Arsen durch seine Kopräzipitation mit und Adsorption an solchen Präzipitaten, welche durch die Steuerung des pH-Wertes des Lösungsgemisches erzeugt werden, entfernt oder entzogen wird, erfolgt diese Steuerung durch Zusatz von Alkalikarbonat. Während der pH-Wert zur Einleitung der Erzeugung von Eisenhydroxid entsprechend einer Eisenkonzentration unterschiedlich ist, beträgt der pH-Wert zur Erzeugung von Fe2+-hydroxid etwa 7,7. Wenn einer schwefelsauren Lösung Schwermetalle, wie Kupfer und Zink, entzogen werden sollen, muß zur Erzeugung von Kupferhydroxid ein pH-Wert von 6,0 und zur Erzeugung von Zinkhydroxid ein pH-Wert von 6,8 in Betracht gezogen werden. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die pH-Werte zur tatsächlichen Erzeugung der vorgenannten Hydroxide im allgemeinen schwach sauer sind. Aus Vorstehendem ergibt sich, daß der maximale pH-Wert, welcher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zulässig ist, gleich dem zur Erzeugung des Hydroxids eines Metalles ist, welches aus der Lösung gewonnen werden soll, während dieser pH-Wert nicht se hoch gesteigert werden kann, wie er zur Erzeugung von Fe2+-hydroxid benötigt würde. Verschiedene Versuche, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wurden, haber· gezeigt, daß der zum Entzug von As3+ geeignete pH-Wert 3,5 — 4,6 und vorzugsweise 3,9—4,6 beträgt.
Bei herkömmlichen Verfahren, bei denen Arsen zusammen mit Eisenhydroxid ausgefällt wird oder an Eisenhydroxid adsorbiert wird, ist der Entzug von As3+ schwieriger als der Entzug von As5+. Der zum effektiven Arsenentzug erforderliche pH-Wert beträgt dabei
3 —8 bei As5+ undo—8 bei Asi + . Außerdem beträgt, wie bereits erwähnt, bei diesen herkömmlichen Verfahren die zum Entzug von As3+ erforderliche Menge an Fe3 + etwa 50 im Gewichtsverhältnis und für einen höheren Entzug sogar 100—150. Außerdem darf nicht übersehen werden, daß dann, wenn bei den herkömmlichen Verfahren die Lösungstemperatur hoch ist, die Kopräzipitaüons- und Adsorptionswirkung im Vergleich zu einer Lösung mit Raumtemperatur um etwa 20% absinkt.
Demgegenüber besteht, wie bereits erläutert und wie in den nachstehenden Beispielen noch belegt wird, einer der Vorteile der Erfindung darin, daß der Bereich des pH-Wertes für den Entzug von Arsen in Form von As3 + nur zwischen 3,5 und 4,6 liegt, d. h. also gleich einem Wert ist. der mit dem für den Entzug von As5+ ver- is gleichbar ist. Diese Tatsache ergibt den weiteren Vorteil, daß die Menge an Neutralisierungsmitteln sehr gering gehalten werden kann, und daß dann, wenn speziell Schwermetalle aufgefangen werden sollen, die Erzeugung von Hydroxid anderer Metalle ohne Schwierigkeiten vermieden werden kann, wodurch die Ausbeute an diesen spezifischen Schwermetallen verbessert wird. Bezüglich des Gewichtsverhältnisses Fe3VAs bietet die Erfindung den weiteren Vorteil, daß bei einem Wert von etwa 6 für dieses Verhältnis 90% Arsen entziehbar sind und daß bei einem Verhältnis von 10—40 mehr als 98% Arsen entzogen werden können. Dies bedeutet, daß die Menge der Kopräzipitation von Eisen etwa V3-V8 der bei herkömmlichen Verfahren erforderlichen Menge betragen kann. Außerdem wird das erfindungsgemäße Verfahren durch die Temperatur der Lösung nicht sehr beeinträchtigt, da eine Temperatur von 60°C nur eine Senkung der Ausbeute an 10% im Vergleich zur Ausbeute bei Durchführung des Verfahrens bei Raumtemperatur ergibt.
Beispiel 1
Eine Lösung mit Eisen(II)-hydrat (FeSO4 · 7 H2O), Arsentrioxid (As2O3) und Kupfersulfat (CuSO4 ■ 5 H2O) besaß einen Eisengehalt von 63,13 g/l, einen Arsengehalt von 0,42 g/i und einen Kupfergehalt von 2,94 g/l. Zu 1 Liter dieser Lösung wurde Schwefelsäure in einer der Menge an Fe2+ äquivalenten Menge zugesetzt. Die Lösung wurde dann in einen Autoklaven mit einem Fassungsvermögen von 2 Liter überführt und in diesem 5 h lang oxidiert, wobei die Temperatur 60°C, der Sauerstoffüberdruck 20 kg/cm2 und die Umwälzgeschwindigkeit 700 Upm betrug. Der Fe3+-Gehalt der auf diese Weise oxidierten Lösung betrug 55,50 g/l und ihr pH-Wert war 1,2.
Diese oxidierte Lösun*7 wurde mit einer unbehandelten Lösung in verschiedenen Verhältnissen vermischt, und zwar im Verhältnis 1 :10,1 : 5,3 :10 und 1 : 2. Dann wurde die Lösung mit Ca(OH)2 bis zum pH-Wert 43 versetzt, während gleichzeitig bei Raumtemperatur gerührt wurde. Dieser Rührvorgang wurde 30 min lang durchgeführt, und alsdann wurde die Lösung von den entstandenen Präzipitaten mittels eines Buchner-Trichters getrennt Die weiter unten folgende Tabelle 1 gibt die Arsenreste in der Lösung, den jeweiligen Entziehungsgrad in bezug auf Arsen, das Gewichtsverhältnis Fe/As im Fällungsniederschlag und die Menge des in der Lösung verbliebenen Kupfers an.
(ZnSO4 · 7 H2O) enthielt 45,07 g Eisen/1, 0,43 g Arsen/1 und 64,36 g Zink/l. Zu 1 Liter dieser Lösung wurde Schwefelsäure in einer dem Fe2+ äquivalenten Menge zugesetzt, und das Ganze wurde dann in einen Autoklaven mit einem Fassungsvermögen von 2 Liter eingegeben. Der Autoklav wurde auf 80°C erhitzt und unter einem Überdruck von 1,5 kg/cm2 mittels industriellem Sauerstoff gehalten. Die Lösung verblieb 2 h lang im Autoklaven und wurde während dieser Zeit mit einem Rührwerk mit 1000 Upm umgerührt. Die Fe3 + -Konzentration in der auf diese Weise behandelten Lösung betrug 21,23 g/l und ihr pH-Wert war 1,1.
Diese Lösung wurde mit einer unbehandelten Lösung im Verhältnis von 1 :40, 1 : 20, 3 :40 und 1 : 10 vermischt. Die Lösungs^emische wurden auf 6O0C ^ehalten und dann mit Ca(OH)2 versetzt, um ihren pH-Wert auf jeweils 4,5 einzustellen. Die Lösungen von den entstandenen Präzipitaten mittels eines Buchner-Trichters getrennt. Die Arsenreste in den Lösungen, die Entziehungsgrade für Arsen, die Gewichtsverhältnisse Fe/As in den Präzipitaten und die Mengen an in den Lösungen verbliebenem Zink gibt die Tabelle 2 wieder.
Beispiel 3
Eine weitere Lösung aus Eisen(II)-hydrat (FeSO4 · 7 H2O), Arsentrioxid (As2O3) und Schwefelsäure (H2SO4) enthielt 47,86 g Eisen/1,1,46 g Arsen/1 und 23,57 g Schwefelsäure/1. Zu 1 Liter dieser Lösung wurden dann 20 g Schwefelsäure zugesetzt, und die Lösung wurde dann in einen Autoklaven mit einem Fassungsvermögen von 2 1 gegossen. Der Autoklav wurde auf 60°C erhitzt und mittels Industrie-Sauerstoff auf einem Überdruck von 6 kg/cm2 gehalten. Nach einer Rührdauer von 4 h mit einer Drehzahl von 900 Upm ergab sich ein Fe3+-Gehalt der Lösung von 32,07 g/l.
Die so behandelte Lösung wurde dann mit einer unbehandelten Lösung jeweils im Verhältnis von 1 :2,1 :1 und 1 :0,5 vermischt, und das Lösungsgemisch wurde dann jeweils mit Calciurnkarbonat (CaCO3) auf einen pH-Wert von 4,1 eingestellt und bei Raumtemperatur 60 min lang gerührt. Die Gemische wurden mit einem Buchner-Trichter von ihren Präzipitaten getrennt.
Die Arsenreste, die Entziehungsgrade für Arsen und die Gewichtsverhältnisse Fe/As in den Präzipitaten zeigt die nachstehende Tabelle 3.
Eine
(FeSO4
B e i s ρ i e I 2
weitere Lösung aus Eisen(If)-hydrat 7 H2O). Arsentrioxid (As2Oi) und Zinksulfat
Tabelle 1 Tabelle Arsenrest in Lösung Entziehungsgrad Blatt Zeichnungen r-'e/As In der Lösung
Mischungsverhältnis verbliebenes Kupier
(g/l) (%) (Gew.-Verh.) ("/<>)
0,006 98,5 9,6 100
1 :!0 0,004 99.0 18,2 100
1 : 5 0,003 99,3 29,5 100
3:10 0,001 99,7 34.6 100
1 : 2
Tabelle 2 Arsenrest in Lösung Entziehungsgrad l-'e/As In der Lösung
Mischungsverhältnis verbliebenes Zink
(g/l) (%) (Gew.-Verh.) C'/o)
0,18 61.4 3.4 100
1 :40 0,11 77,6 4,1 100
1 :20 0,07 85,6 5,3 100
3:40 0,04 91,8 6.4 100
1 :10 3
Mischungsverhältnis Arsenrest in Lösung Entziehungsgrad Fe/As
(g/l) (%) (Gew.-Verh.)
1 :2 0,04 97,3 6,7
1 :1 0,01 99,3 10,0
1 :0,5 0,007 99,5 14,1
Hierzu 1

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Entfernen von Arsen aus einer As3+-Ionen und in einer mehr als doppelt so großen Gewichtsmenge Fe2+-Ionen sowie andere Schwermetalle enthaltenden schwefelsauren Lösung, wobei zunächst Fe2+ durch Behandeln mit Sauerstoff zu Fe3+ oxidiert, danach das Arsen durch eine Einstellung des pH-Wertes der Lösung bei einem Gewichtsverhältnis von Fe3+ zu Arsen zwischen 2 und 40 mitgefällt und anschließend der Fällungsniederschlag isoliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Fe3+ zu Arsen zwischen 2 und 40 durch eine entsprechende Teilung der Ausgangslösung in zwei Teile, von denen nur der eine unter Druck der Oxidationsbehandlung unterworfen wird, sowie eine anschließende Wiedervereinigung der beiden Teile und der pH-Wert der wiedervereinigten Lösung auf 3,5 bis 4,6 eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem der Oxidationsbehandlung zu unterwerfenden Teil der Ausgangslösung Schwefelsäure in einer Menge von mehr als 0,2 Fe2+-Äquivalent beigegeben wird.
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