DE2914203A1 - Verfahren und vorrichtung zur spurenstoffanreicherung aus grossen wasservolumina - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur spurenstoffanreicherung aus grossen wasservolumina

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Description

29H203
Kernforschungsanlage Julien
Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Verfahren und Vorrichtung zur Spurenstoffanreicherung aus großen Wasservolumina
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Spurenstoffanreicherung aus großen Wassermengen, insbesondere Meerwasser, durch Anlagerung an Trägerkörper. Die Erfindung umfaßt weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Eine Anreicherung von Spurenstoffen kann zu Dekontaminationszwecken, insbesondere aber zur Gewinnung von Rohstoffen, wie z.B. Uran aus Meerwasser, dienen. Zu diesen Zwecken werden große Wasservolumina mit für die Spurenstoff-Fixierung geeigneten Adsorberteilchen in Kontakt gebracht. Bei bekannten Verfahren werden solche Adsorberteilchen entweder als Schüttung in ein sog. Festbett (z.B. R.V. Davies et al. Nature 2O3, 1110-1115 (1964)) eingebracht, welches von den Wassermengen durchströmt wird, oder die nach oben gelenkte Strömung hält die Adsorberteilchen schwebend in einem sog. Fließbett (DE-OSen P 27 50 428 und P 25 50 751.1), oder aber sie werden in einem Filterkäfig (DE-PS P 24 41 479) der Strömung ausgesetzt. Diese Verfahren erfordern große Bauwerke bzw. gegen die strömenden Wassermassen resistente Strukturen.
Bei einem weiteren von der Anmelderin vorgeschlagenen Verfahren (DE-Patentanmeldung P 28 54 679.4-24 vom 18.12.1978) werden die Adsorberteilchen ungeschützt in die offene Strömung entlassen,
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wobei sie durch die Schwerkraft im Wasser nach unten sinken und in gewisser Tiefe durch eine Auffangvorrichtung wieder gesammelt werden. Hierfür ist eine unter der Wasseroberfläche befindliche Auffangvorrichtung in gewisser Tiefe sowie eine Einrichtung zur Weiterbeförderung der Adsorberteilchen zur Verarbeitung und erneuten Abgabe in die Strömung erforderlich. Eine Kontrolle über beim Absinkvorgang abdriftende Teilchen, die neben der Auffangvorrichtung niedergehen würden, ist weiterhin erforderlich, aber nicht leicht zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist daher eine solche Ausgestaltung des vorgeschlagenen Anreicherungsverfahrens, daß Auffang und Kontrolle der Teilchen erleichtert werden.
Das zur Lösung dieser Aufgabe entwickelte erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß man Trägerkörper mit einer geringeren Dichte als (Meer-)Wasser in eine Wasserschicht, insbesondere eine natürliche Meeresströmung, entläßt und nach einem (bedingt durch die vom Wasser verschiedene Dichte) selbsttätigen Durchqueren derselben wieder aufsammelt und beladen zu einer Weiterverarbeitung zur Isolierung des angereicherten Spurenstoffes fördert und ggf. nach Abreicherung wieder in die Strömung entläßt.
Die zur Anreicherung verwendeten Feststoffteilchen, die hier als ·Trägerkörper' oder 'Adsorberteilchen1 bezeichnet werden, sollen wie beim Verfahren gemäß der DE-Patentanmeldung 28 54 679.4-24 eine Fähigkeit zur Anreicherung bestimmter Spurenstoffe besitzen, wobei die spezielle Natur des Anreicherungsvorganges (durch physikalische und/oder chemische Kräfte) für das erfindungsgemäße Verfahren keine ausschlaggebende Rolle spielt. Die anreichernden Feststoffteilchen werden nachfolgend vereinfacht als ·Trägerkörper' bezeichnet, und es wird voraus-
030042/0A03
gesetzt, daß diese anreicherungsaktive Zentren am oder im ggf. selbst im wesentlichen aus anreicherungsaktxvem Material bestehenden - Trägerkörper verhaftet aufweisen, insbesondere in Form von dünnen Oberflächenschichten, die für das Wasser frei zugänglich, jedoch vor einem mechanischen Angriff durch Nachbarteilchen geschützt sind.
Die Trägerkörper mit einer vom Wasser verschiedenen Dichte zur Erzielung eines geeigneten Auftriebs der Teilchen, mit dessen Hilfe das selbsttätige Durchqueren der Wasserschicht unter angemessenen Bedingungen (d.h. in Zeiten, die mit der Spurenstoffanlagerung aus dem umgebenden Wasser korrelieren) erreicht wird, können von beliebiger, angemessener Form und Größe sein, wobei letztere zweckmäßigerweise etwa in der Größenordnung von 1 cm liegen wird. Selbstverständlich sind jedoch auch größere oder kleinere Trägerkörper anwendbar. Kriterien für die Auswahl spezieller Trägerkörper sind insbesondere ein großes Verhältnis von anreicherungsaktxver Oberfläche zum Volumen, leichte 'Filtrierbarkeit1 bzw. die 'Rückhaltbarkeit1 der Trägerkörper und eine möglichst dünne von den Trägerkörperdimensionen abhängende Schichtdicke der hydrodynamischen Grenzschichten an den anreicherungsaktiven Oberflächen.
Eine für dieses Verfahren besonders geeignete Form der Trägerkörper ist ein Ring. Ist das arreicherungsaktive Material mechanisch abriebfest, kann der Ring beispielsweise als Torus ausgebildet sein. Anderenfalls sind eher zylindrische Ringe zweckmäßig, die lediglich auf ihrer inneren Mantelfläche mit anreicherungsaktxvem Material belegt sind, so daß ein Abrieb der aktiven Schicht durch mechanischen Kontakt mit Nachbarkörpern ausgeschlossen ist. Ein Ring hat den Vorteil, daß die Dicke der stagnierenden hydrodynamischen Grenzschicht an der Oberfläche der Trägerkörper auch bei größeren Trägerkörpern kleingehalten wer-
030042/0*0?
-6-
den kann. Da diese Grenzschicht für eine rasche Beladung der Trägerkörper mit den anzureichez'nden Spurenstoffen mitverantwortlich ist, sollte sie möglichst dünn sein. Das für die Dicke der Grenzschicht charakteristische Maß ist bei zylindrischen Ringen durch die Mantelhöhe bzw. Ringdicke, beim Torus durch den Durchmesser des erzeugenden Kreises gegeben. Für die Rückhaltefähigkeit der an der Oberfläche schwimmenden Trägerkörper durch, die Reuse bzw. ihre Filtrierbarkeit während des nachfolgenden chemischen Prozesses an Bord des Schiffes ist hingegen der (größere) Ringdurchmesser maßgebend, der so gewählt werden kann, daß die öffnungen (Maschen) der jeweiligen Rückhaltevorrichtung (Reuse bzw. Filter) nicht zu klein dimensioniert zu werden brauchen. Dies dient dazu, den Strömungswiderstand der Reusen bzw. Filter kleinzuhalten.
Ein für die Spurenstoffanreicherung besonders günstiges Verhalten solcher Ringe liegt dann vor, wenn ihre (Pol-)Achse praktisch in Bewegungsrichtung bleibt. Um dies zu erreichen, sollte der Schwerpunkt des Ringes auf dessen Achse aber in einem gewissen Abstand vom Symmetriezentrum liegen. Eine noch weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn man den Ring oder Trägerkörper zu einer automatischen 'Trudelbewegung1 zwingt.
Einige Ausführungsbeispiele für Trägerkörper sind in den Figuren 1 bis 8 skizziert: Ein einfacher ringförmiger Körper, wie er in Figur 1 dargestellt ist, kann gemäß Figur 3 oder 5 einen zusätzlichen Ring oder ein konisches Querschnittsprofil zur Stabilisierung der Ringachse in Bewegungsrichtung haben. Füllflächen innerhalb des Ringes, insbesondere Netze (Figur 1), konzentrische Ringe (Figur 2) ggf. mit Radialstreben (Figur 4) oder Rosetten (Figur 5) aus beidseits reaktiv beschichteter Folie, vergrößern die anreicherungsaktive Oberfläche und die eingebauten Dral!-Leitflächen, die im wesentlichen radial, aber
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nicht achsparallel verlaufen (siehe Figur 7), erzwingen eine automatische Trudelbewegung beim aufsteigenden Trägerkörper. Eine von der Ringform abweichende Gestalt ist in Figur 6 dargestelle: Eine perforierte Hohlkugel bildet die Hülle für schwamm- oder knäuelartiges reaktives oder reaktiv beschichtetes Material. Eine weitere Ausführungsform kann durch ineinandergesteckte Scheiben (in der einfachsten Form durch 2 oder 3 senkrecht zueinander verlaufende Scheiben) unter Erzeugung eines Körpergerüsts gebildet werden, dessen zurückspringenden Flächen durch zusätzliche Bügel vor einem Kontakt mit Nachbarteilchen geschützt sein können (Figur 8). (Diese Trägerkörper sind in der gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten DE-Patentanmeldung der Anmelderin näher beschrieben.)
Die gemäß der Erfindung verwendeten Trägerkörper mit einer geringeren Dichte als Wasser werden in einer bestimmten Tiefe in die abzureichernde Wasserschicht entlassen und treiben infolge ihres Auftriebs an die Wasseroberfläche, wo sie aufgesammelt und eluiert oder in anderer angemessener Weise zur Gewinnung des an ihrer Oberfläche angereicherten Spurenstoffs behandelt werden können.
Die zwischen dem Trägerauslaß in bestimmter Wassertiefe und dem Auffang an der Wasseroberfläche befindliche Wasserschicht unterliegt entsprechend der Spurenstoffanreicherung an den Trägerkörpern einer fortlaufenden Abreicherung und sollte daher ständig erneuert werden, was durch eine kontinuierliche Relativbewegung zwischen Auslaß und Auffang einerseits und Wasserschicht andererseits erreicht wird. Eine solche Relativbewegung kann entweder dadurch herbeigeführt werden, daß der Tragerkorperauslaß und -auffang von einem Schiff durch das Wasser gezogen werden oder aber dadurch, daß die Einrichtungen in einer natürlichen Wasserströmung angeordnet werden.
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29U203
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert; es zeigen schematisch:
Figur 9 eine erfindungsgemäße Spurenstoffanreicherungsanlage von der Seite und
Figur 10 eine solche Anlage von oben betrachtet.
Gemäß den Figuren 9 und 10 halten zwei Schiffe 1 eine auf der Wasseroberfläche schwimmende netzartige Reuse 2,
die in Form eines verengten Endes 3 endet. Zwei Schiffe 4 halten einen im Wasser hängenden Trägerkörperauslaß 5, von dem aus die Trägerkörper in gewünschter Wassertiefe in das Wasser entlassen werden.
Durch die Relativbewegung der Schiffe bzw. Auslaß- und Auffangvorrichtungen gegenüber dem Wasser erneuert sich ständig die Wasserschicht, in die die Trägerkörper entlassen werden, und der Vertikalkomponente der Trägerkörperbewegung ist eine Horizontalkomponente relativ zu . Auslaß und Auffang überlagert, die durch eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des Wassers oder eine entsprechende Fahrgeschwindigkeit der Schiffe hervorgerufen wird.
Die Trägerkörper erreichen die Wasseroberfläche im Gebiet 6 innerhalb der Oberflächenreuse 2. Die Relativbewegung bewirkt schließlich, daß sich die an die Oberfläche getriebenen Trägerkörper im Bereich 3 sammeln, aus dem sie z.B. von einem Schiff 7 kontinuierlich entnommen werden. Wenn die Trägerkörper nach Durchqueren der Wasserschicht ausreichend mit Spurenstoff beladen sind, so können sie im Schiff 7 regeneriert und entweder daran anschließend oder aber unmittelbar z.B. durch eine unter Wasser verlaufende Pipeline 8 zu den Schiffen 4 bzw. dem Auslaß 5 zurückgeleitet werden.
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29H203
Für das Aufnehmen der im Bereich 3 angekommenen Adsorberteilchen gibt es beispielsweise folgende Möglichkeiten:
(1) Die Teilchen werden aus der geschlossenen Reuse an der Oberfläche abgesaugt.
(2) Die Reuse ist am Ende des Bereiches 3 offen, so daß sie nur wie ein sich verengender Oberflächentrichter wirkt. Der Strom von auf der Oberfläche schwimmenden Teilchen mündet unmittelbar in eine Aufnahmeluke, die sich am Bug eines Schiffes befindet.
Ein Zahlenbeispiel für die Urangewinnung aus Meerwasser kann die Dimensionen einer solchen Anlage veranschaulichen. Bei einer gewünschten Produktionsrate von 1 Tonne Uran pro Tag und einer Ausgangskonzentration im natürlichen Meerwasser von _Q
3,3 · 10 Tonnen Uran/Tonne Seewasser und einer gewünschten Ab-
reicherung um 30 % müßten pro Tag 10 Tonnen Seewasser mit geeigneten Adsorberteilchen in innigen Kontakt gebracht werden. Das Wasservolumen, welches nach dem beschriebenen Verfahren täglich mit den eingesetzten Adsorberteilchen kontaktiert wird, ist
V = B · T · ν · t ,
wobei B die Breite der Austrittsöffnung (5), T die Tiefe dieser öffnung unter Wasser, ν die Relativgeschwindigkeit zwischen der Öffnung 5 und dem umgebenden Wasser sowie t die Zeit (1 Tag) bedeuten. Mit B= 150 m, T= 150 m, v= 0,5 m/s und
~ 5 9
t = 10 s (1 Tag) wird das Ziel von 10 t/Tag erreicht.
Werden die Adsorberteilchen so hergestellt, daß ihre Auftriebsgeschwindigkeit bei etwa 0,1 m/s liegt, so beträgt ihre Aufstiegszeit rund 1.000 Sekunden. Für die Lateraldrift oder -dif-
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fusion im Oberflächenwasser des Meeres kann eine effektive 'Diffusionskonstante1 zwischen 0,1 und 1 (m"*/s) angenommen werden. Das würde dazu führen, daß der Durchmesser des Auftriebsgebietes 6 gegenüber der Ausdehnung von 5 auf beiden Seiten eine zusätzliche Verbreiterung um etwa 20 m erfährt. Gibt man der Auffangreuse 2 eine öffnungsweite von etwa 500 m, so ist kein Verlust durch außerhalb der Auffangvorrichtung an die Oberfläche gelangende Teilchen zu befürchten. Einer evtl. Leckrate der ersten Auffangreuse könnte auch durch Anbringung einer zweiten, weiter außen liegenden Auffangreuse begegnet werden.
Die Trägerkörpermenge, die pro Zeiteinheit vom Auslaß abgegeben werden muß, hängt vornehmlich von der Beladungskinetik der Trägerkörper ab, wenn man davon ausgeht, daß innerhalb der Aufstiegszeit (z.B. 1.000 Sek.) eine hinreichende Abreicherung in der betroffenen Wasserschicht stattfinden soll. Als Trägerkörper können prinzipiell alle chemisch geeigneten Adsorber bzw. anlagerungsaktiven Substanzen Verwendung finden, die selbst oder verarbeitet mit entsprechend leichtem Trägermaterial die Auftriebsbedingungen erfüllen.
Von der Verarbeitung werden die regenerierten Trägerkörper durch
Rohrleitungen oder per Schiff zum Auslaßschiff (4) transportiert.
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Claims (5)

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung Patentansprüche
1. Verfahren zur Spurenstoffanreicherung aus großen Wassermengen, insbesondere Meerwasser, durch Anlagerung an Trägerkörper, dadurch gekennzeichnet, daß man Trägerkörper mit einer geringeren Dichte als Wasser in eine Wasserschicht, insbesondere eine natürliche Meeresströmung, entläßt und nach einem bedingt durch die vom Wasser verschiedene Dichte selbsttätigen Durchqueren derselben wieder aufsammelt und beladen zu einer Weiterverarbeitung zur Isolierung des angereicherten Spurenstoffs fördert und ggf. nach Abreicherung wieder in die Strömung entläßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Trägerkörper mit einem Material mit hoher Porosität verwendet, die eine große, für das Wasser zugängliche, vor mechanischem Einfluß mit Nachbarkörpern jedoch geschützte Oberfläche haben, die anrexcherungsaktive Zentr-en aufweist.
'i. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Trägerkörper verwendet werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Trägerkörper-Auslaßleitung mit einem Trägerkörperauslaß (5) in bestimmter Tiefe unterhalb der Wasseroberfläche, der sich vorzugsweise in horizontaler Relativ-
030042/0403 -2-
ORlGiNAL INSPECTED
bewegung zu der ihn umgebenden Wassermasse befindet und eine an der Wasseroberfläche befindliche Auffang- und Sammelvorrichtung (2,3).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangvorrichtung durch eine sich konisch verengende Oberflächenreuse gebildet wird, welche die an der Oberfläche treibenden Trägerkörper sammelt.
Ü3ÖQ42/CH03
DE2914203A 1978-12-18 1979-04-07 Verfahren zur Spurenstoffanreicherung aus großen Wassermengen Expired DE2914203C2 (de)

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DE2914203C2 (de) 1984-06-28
US4435366A (en) 1984-03-06

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