DE2854679C2 - Verfahren zur Gewinnung von Schwermetallverbindungen, insbesondere von Uran aus natürlichen Wässern, insbesondere aus dem Meer - Google Patents

Verfahren zur Gewinnung von Schwermetallverbindungen, insbesondere von Uran aus natürlichen Wässern, insbesondere aus dem Meer

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnung von Rohstoffen aus natuerlichen Gewaessern, insbesondere Meerwasser, vorzusehen, bei dem auch sehr grosse Wassermengen mit anreicherungsfaehigen Festkoerpern mit moeglichst geringem technischen Aufwand in kontinuierlicher Arbeitsweise kontaktiert werden koennen. Das vorgeschlagene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man sinkfaehige Traegerkoerper im freien Fall eine Wasserschicht, insbesondere eine natuerliche Meeresstroemung, passieren laesst, in entsprechender Tiefe aufsammelt und von dort zur Weiterverarbeitung befoerdert. Die Errichtung der Anlage in einer Meeresstroemung ist zweckmaessig, um eine ausreichende Nachlieferung von uranreichem Meerwasser zu gewaehrleisten. Die erfindungsgemaesse Anlage arbeitet unter optimalen Anreicherungsbedingungen, da sich die Umgebung des in die Stroemung fallenden Koerpers staendig selbsttaetig erneuert. Die Anlage- und Betriebskosten sind geringer als bei Zwangserneuerungen der Umgebung von Anreicherungskoerpern. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Schwermetallverbindungen, insbesondere von Uran, aus natürlichen Wässern, insbesondere aus dem Meer, bei dem man sinkbare Trägerkörper, an die sich die Schwermetalle anlagern, eine Wasserschicht passieren läßt und anschließend zu einer Weiterverarbeitung befördert.
Meerwasser enthält eine Reihe wirtschaftlich bedeutsamer Rohstoffe, wie beispielsweise Metalle, wie Uran, Kupfer, Zinn. Silber u. a. in gelöster Form. Obwohl sie meist nur in sehr geringen Konzentrationen vorkommen, stellen sie in Anbetracht der gewaltigen Wassermengen der Ozeane ein großes Vorratspotential dar. Uran beispielsweise ist im Meerwasser in einer Konzentration von durchschnittlich nur 3,3 ppb enthalten. Dennoch ist der Uranvorrat der Weltmeere etwii um den Faktor 103 größer als die nach heuligen Schätzungen aus bekannten terristrischen Vorkommen zugängliche Menge.
Grundsätzlich wird davon ausgegangen, daß zur Rohstoffgewinnung Meerwasser in kontinuierlichem Durchlauf mit Festkörpern in Kontakt gebracht werden muß, die eine Anreicherungsfähigkeit für den iin Meerwasser gelösten Rohstoff aufweisen wie spezielle Adsorber oder Ionenaustauscher. Die meisten gelösten Rohstoffe wie auch das als Karbonatkomplex vorliegende Uran sind — mit nur geringen örtlichen Konzentrationsunterschieden — relativ gleichmäßig über das Meerwasser verteilt und können somit an irgendeiner für zweckmäßig gehaltenen Stelle gewonnen werden. Die außerordentlich geringen Konzentrationen stellen jedoch für ein technisches Gewinnungsverfahren ein erhebliches Hindernis df.r. Sehr große Meerwassermcngen müssen mit dem Adsorber kontaktierl werden, um eine wirtschaftlich interessante Rohstoffmenge gewinnen zu können. Im Falle der Urangewinnung etwa werden pro Tag für eine lonne Uran c. 10" in' Meerwasser benötigt.
F.s sind eine Reihe von Verfahren vorgesehlagen worden, anreicherungsfähige Festkörper mil großen Wassermengen in Kontakt zu bringen.
Nach einem vom Atomic Research Establishment. Harwell. 1%8 vorgeschlagenen Verfahren (Davies, R. V.
et al. Nature (London) 203, (1964), 1110) wird in einer. Staudamm ein adsorptiv wirkendes Festbett (z. B. eine Granuliilschüttung) eingelassen, das eine natürliche Bucht im der Weise teilt, daß Uer über eine Schleuse in die Bucht gelassene Gezeitenstrom das Adsorberbett im Staudamm passieren muß, um über den anderen Teil der Bucht wieder ins Meer abfließen zu können. Die dafür erforderlichen natürlichen Gegebenheiten, wie genügend großer Tidenhub und eine geeignete Form, Größe und Geologie der Bucht, finden sich nur an weni-■ gen Stellen der Erde. Selbst wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, ist der Strömungswiderstand des Festbettes derart groß, daß dies nur durch einen entsprechend großen Bettquerschnitt ausgeglichen werden kann. Für eine Anlagenkapazität von etwa einer Tonne pro Tag wären die gigantischen Abmessungen von etwa 50 m Dammbreitc und 20 km Dammlänge erforderlich. Dies aber würde zu schwer lösbaren Aufbereitungsproblemen und insgesamt unvertretbaren Kosten führen.
>o Ferner wurde die Gewinnung von Uran aus dem Kühlwasserstrom von Kraftwerken in Betracht gezogen. Jedoch sind die auf diese Weise zu gewinnenden Uranmengen zu gering; im übrigen bestehen ähnliche Nachteile wie bei dem vorstehend diskutierten Gezeitenverfahren.
Nach einem anderen Konzept soll eine Meerwasserströmung adsorberbeschichtete Platten oder Bänder mit &.1 bis 10 mm Abstand parallel zu ihren Flächen durchfließen (japanische Patentschrift 51-67217 und
jo C. Bcttinali und F. Pantanetti, Proceedings IAEA-AG/-33-3 Wien 1976). Um eine hinreichende Rohstoffabreicherung des Meerwassers zu erzielen, brauchte man dabei mehrere hintercinandcrgeschaltete Platten unter Bildung eines Plattensystems mit einer Gesamtlänge von schätzungsweise bis zu 200 m. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist — wie beim Festbett — der sehr hohe Strömungswiderstand. Das gilt natürlich auch dann, wenn die Platten zur Verbesserung eines kontinuierlichen Adsorbcraustausches durch endlose Bänder ersetzt werden (US-Patentschrift 37 63 049). Infolge der hohen auftretenden Wasserdrücke bestehen darüber hinaus erhebliche Befcstigungsprobleme sowie die Gefahr, daß die Platten oder Bänder in Vibration geraten und beschädigt werden oder aneinander kominen, was /um Abrieb des Adsorbers führt.
Schließlich wurde gemäß der DE-OS 25 50 751 ein Fließbett-Vcrfahren in Erwägung gezogen, bei dem ein langes Adsorberbelt von unten her von Meerwasser durchströmt wird, wodurch das Adsorbergranulat mit einer höheren Dichte als Wasser im Schwebezustand gehalten wird. Dies setzt eine genaue Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Meerwassers voraus. Das Granulat kann dann durch Aufgabe neuer Substanz in Richtung einer Granulat-Absaugstelle quer zur Strömungsrichtung des Meeres fließen und so kontinuierlich ausgetauscht werden. Es muß jedoch ein erheblicher Pumpiiufwand getrieben werden, um die erforderliche Aufwärtsströmung des Meeres im Adsorberbett zu erreichen. Hei der Ausnutzung natürlicher Meeresströ-
w) mungen unier Umlenkung in eine senkrecht nach oben gerichtete Fließrichtung bereiten sowohl Sliömimgskonimlle iiiul Bettslabilisierung als auch die notwendige Verankerung gegen die erheblichen Slauki alte des fließenden Wassers große Schwierigkeiten. Trot/ timfang-
hri reicher Anlagen ist nur ein begrenzter Durchsatz möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnmg von Schwermetallen aus natürlichen Gewiis-
sern, insbesondere Meerwasser, vorzusehen, bei dem auch sehr große Wassermengen mit anreicherungsfähi- yn Trägerkörpern mit möglichst geringem technischen Aufwand in kontinuierlicher Arbeitsweise konlaktiert werden können.
Das zur Lösung der Aufgabe entwickelte erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörper im freien Fall die Wasserschicht passieren und in entsprechender Tiefe aufgesammelt werden.
Die Anreicherung an den Trägerkörpern kann auf iu beliebige Weiü erfolgen, wobei insbesondere Adsorption durch physikalische oder chemische Kräfte oder Anlagerung durch Bindung wie insbesondere Komplexbildung und Ionenaustausch zu nennen sind. Die anreicherungsaktiven Zentren sind dabei am oder im — ggf. li selbst im wesentlichen aus anreicherungsaktivem Material bestehenden — Trägerkörper verhaftet, insbesondere als dünne, auf (oder in) einer für das Meerwasser zugänglichen Oberfläche verankerten Schicht, so daß ein Zutritt des Wassers zu den anreicherungsaktiven 2» Zentren während der Fallzeit des Körpers möglich ist.
Die Trägerkörper sollen danach eine möglichst große Oberfläche haben, und diese Oberfläche muß für das umgebende Wasser möglichst ungehindert zugänglich sein.
Andererseits soll jedoch vermieden werden, daß anreicherungsaktives Material auf mechanischem Wege durch Abrieb verlorengeht. Daher sollte der Trägerkörper so beschaffen sein, daß die mit anreicherungsaktiven Zentren versehene(n) Oberfläche(n) keiner Reibung jo durch Kontakt mit irgendwelchen Materialien wie Nachbarkörpern ausgesetzt ist beziehungsweise sind.
Im Rahmen dieser Forderung können die Trägerkörper eine beliebige Form haben. Besonders zweckmäßig erscheint jedoch zur Zeit eine allgemeine Kugclform, Γι die durch ein Gerüst von ineinandergesieckten Scheiben oder Flächen gebildet wird. Es sind aber ebenso andere Körper denkbar, die die gleichen oben erwähnten Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel schwammartige oder faserige Gebilde, denen gegebenenfalls eine Gitterhülle mechanische und Abriebfestigkeit verleiht.
Die Größe der Körper richtet sich sowohl nach deren hydrodynamischem Verhalten als auch nach ihrer Transportfähigkeil und ihrer Weiterbehandlungsfähigkeit in der chemischen Anlage. Durchmesser von circa 10 bis 200 mm erscheinen dabei zweckmäßig.
Ihr spezifisches Gewicht ist so eingestellt, daß sie kontrolliert im Wasser sinken und so auf ihrem Weg von einem Auslaß bis zu einem Auffang genügend lunge mit dem Wasser in Berührung sind, so daß eine ausreichende Anlagerung von Uran am Trägerkörper beziehungsweise seinen aktiven Zentren stattfinden kann. Die Trägerkörper werden dann in einer Tiefe, die von ihrer Fallzeit abhängig ist (zum Beispiel von einem allgemein horizontalen Sieb oder Blech), aufgefangen und von dort zur Weiterverarbeitung durch Elution oder Aufbereitung befördert, wie zum Beispiel zu einer an der Meeresoberfläche befindlichen chemischen Fabrik, wo sie vom angelagerten Schwermetall getrennt werden. Die vom Schwermetall befreiten Körper werden wieder zur w> Aufgabestelle beziehungsweise zum Auslaß transportiert. Das Verfahren arbeitet kontinuierlich.
Die Errichtung der Anlage in einer Meeresströmung ist zweckmäßig, um eine ausreichende Nachlieferung von uranreichem Meerwasser zu gewährleisten, das br> heißt, eine Verarmung des Meerwassers an Uran im Anreicherungs- beziehungsweise »Adsorptionsgebiet« der Anlage zu verhindern. Meeresströmungen an Küstengebieten haben Strömungsgeschwindigkeiten von teilweise weit über 1 m/s. Weit verbreitet sind Meeresströmungen von 0,5 m/s, auf die solche Anlagen zweckmäßigerweise auszulegen sind. Eine Anpassung an jede beliebige Strömungsgeschwindigkeh ist aber leicht durch eine entsprechende Veränderung der Entfernung zwischen Auslaß und Auffang und gegebenenfalls des Trägcrkörpcr-Aiislaßtakies möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; es/eigen
F i g. 1 und 2 Prinzipskizzen für eine Anlage zur Urangewinnung aus dem Meerwasser von der Seile und in Aufsicht: und
F i g. 3 eine Skizze zur Erläuterung der weiter unten benutzten Symbole.
Gemäß der Fig.! und 2 werden Trägerkörper 1 aus einem Auslaß 2 im freien Fall in eine Meeresströmung 3 entlassen. Der Auslaß 2 liegt in einer solchen Tiefe (von zum Beispiel etwa 5 Metern) unter der Wasseroberfläche, in der sich durch Wind oder anderes verursachte Oberflächcnsiörungcn nicht mehr auf das üblicherweise im Mittel bis etwa 50 m Tiefe konstante Strömungsprofil auswirken.
Die Trägerkörper 1 werden in ihrer FallDewegung von der Strömung abgetrieben und gelangen nach Durchlaufen einer Strecke 4 in eine Auffang- und Sammeleinrichtung 5, von wo aus sie in eine Förderstrecke 6 geleitet werden. Die am besten hydraulisch nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren arbeitende Förderanlage (schematisch durch 7 angedeutet, ohne daß dadurch Lage oder Betriebsweise derselben irgendwie festgelegt werden sollen) sorgt für den Transport der »beladenen« Trägerkörper zu einer chemischen Anlage 8, in der die Weiterverarbeitung erfolgt. Die vom angelagerten Schwermetall befreiten Körper gelangen über eine Leitung 9 zum Auslaß 2 zurück.
Die im freien Fall aus dem Auslaß 2 in die Strömung 3 entlassenen Körper 1 unterliegen praktisch keinen irregulären Einflüssen, die eine Verschleppung bzw. Ausbreitung der Trägerkörper verursachen würden, sondern werden ohne nennenswerte Verluste in der Auffangeinrichtung 5 aufgesammelt.
In der vorstehenden Beschreibung werden die wesentlichen Anlageteile (Trägerkörperauslaß und -auffang, Sammcleinrichtungen und Förderstrecke sowie chemische Anlage) praktisch in einer Richtung (der Strömungsrichtung) liegend gezeigt. Das wird in der Praxis für Auslaß und Auffang auch allgemein zutreffen, die Förderstrecke könnte jedoch auch z. B. am Rande der Strömung liegen.
Einen Eindruck von den möglichen Dimensionen einer solchen Anlage erhält man durch folgende Überschlagsrechnungen für ein Anlagebeispiel: Der Volumenstrom Q wird durch die Gleichung gegeben:
Q =
6,8 · 108mVd
in der
Mrv„ — die anzureichernde Ui anmenge/Zeit (670 kg/ d);
//;„„ — der Anreicherungsgrad (30%) und
[J — die Urankonzentration im Meerwasser (3,3 ppb)sind.
Für den Eintrittsquerschnitt Ferhält man dann:
F = -^- = 15 700 m2
s
mit s (Strömungsgeschwindigkeit des Meerwassers) = 0,5 m/s.
Die Höhe beziehungsweise Tiefe, H. der Anlage ergibt sich aus der Sinkgeschwindigkeit, .s\,„a. der Körper von zum Beispiel 0,08 m/s und der notwendigen Anreicherungszeit, tam von zum Beispiel 10 min nach folgender Gleichung:
H = t:,„r ■ s„„i = 50 m.
Die Breite B und die Länge L der Anlage erhält man durch die folgenden Gleichungen:
B = £- = 314 m
H
L = s- tanr = 300 m.
Die Förderungsanlage am Ende der Laufstrecke L fördert die Trägerkörper an die Wasseroberfläche. Sie arbeitet am besten hydraulisch und wird nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren konzipiert, da solch eine Anlage den geringsten Konstruktionsaufwand erfordert und den geringsten Leistungsbedarf hat. Nach dem hier beschriebenen Beispiel werden circa 50 000cmj Trägerkörper/h gefördert. Da die Körper sich in der Förderungsanlage nicht verkeilen dürfen, ist etwa die doppelte Wassermenge erforderlich, also 100 000 mVh. Der Leistungsbedarf errechnet sich nach:
L11, - V AP
Mit der Annahme daß die Förderung durch 10 Rohre mit je 1.4 m Durchmesser stattfinden soll, ergibt sich bei einer Fördergeschwindigkeit von V = 2.8 m'/s ein theoretischer Leistungsbedarf von L,h = 80 kW. Inklusive des Pumpenwirkungsgrades von t/r = 0,7 und des Wirkungsgrades der hydraulischen Förderung r/in = 0.35 beträgt der wirkliche Leistungsbedarf L1,, = 228 kW. Dies ist verglichen mit anderen Fördersystemen sehr gering.
Der Transport der Trägerkörper zur chemischen An- 5» lage und Zur Aufgabc-sieile kann ebenfalls hydraulisch ausgeführt werden.
Die Anlage arbeitel unter optimalen Anreicherungsbedingungen, da sich die Umgebung des in die Strömung fallenden Körpers ständig selbsttätig erneuert. Die Anlage- und Betriebskosten sind geringer als bei Zwangserneuerung der Umgebung von Anreicherungskörpern. Schließlich ist die Anlage so konzipierbar, daß sie leicht verändert und unterschiedlichen Bedingungen angepaßt werden kann. m>
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Gewinnung von Schwermetallverbindungen, insbesondere von Uran, aus natürlichen Wässern, insbesondere aus dem Meer, bei dem man sinkbare Trägerkörper, an die sich die Schwermetall anlagern, eine Wasserschicht passieren läßt und anschließend zu einer Weiterbearbeitung befördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörper im freien Fall die Wasserschicht passieren und in entsprechender Tiefe aufgesammelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörper eine Höhe von bis zu 100 m die Wasserschicht passieren.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkörper eine natürliche Meeresströmung passieren.
DE2854679A 1978-12-18 1978-12-18 Verfahren zur Gewinnung von Schwermetallverbindungen, insbesondere von Uran aus natürlichen Wässern, insbesondere aus dem Meer Expired DE2854679C2 (de)

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