DE2914203C2 - Verfahren zur Spurenstoffanreicherung aus großen Wassermengen - Google Patents

Verfahren zur Spurenstoffanreicherung aus großen Wassermengen

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Abstract

Eine Anreicherung von Spurenstoffen kann zu Dekontaminationszwecken, insbesondere aber zur Gewinnung von Rohstoffen, wie z.B. Uran aus Meerwasser, dienen. Aufgabe der Erfindung ist eine Ausgestaltung des in der Patentanmeldung P 28 54 679 (A 4252) vorgeschlagenen Anreicherungsverfahrens derart, dass Auffang und Kontrolle der Teilchen erleichtert werden. Das zur Loesung dieser Aufgabe entwickelte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man Traegerkoerper mit einer geringeren Dichte als (Meer-)Wasser in eine Wasserschicht, insbesondere eine natuerliche Meeresstroemung entlaesst und nach einem (bedingt durch die vom Wasser verschiedene Dichte) selbsttaetigen Durchqueren derselben wieder aufsammelt und beladen zu einer Weiterverarbeitung zur Isolierung des angereicherten Spurenstoffes foerdert und ggf. nach Abreicherung wieder in die Stroemung entlaesst. Kriterien fuer die Auswahl spezieller Traegerkoerper sind insbesondere ein grosses Verhaeltnis von anreicherungsaktiver Oberflaeche zum Volumen, leichte 'Filtrierbarkeit' bzw. die 'Rueckhaltbarkeit' der Traegerkoerper und eine moeglichst duenne von den Traegerkoerperdimensionen abhaengende Schichtdicke der hydrodynamischen Grenzschichten an den anreicherungsaktiven Oberflaechen. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Spurenstoffanreicherung aus großen Wassermengen, insbesondere Meerwasser, bei dem man Trügerkörper mit geringerer Dichte als Wasser, an die sich die Spurenstoffe anlagern, in das Wasser entläßt, von der Wasseroberfläche wieder aufsammeil und beladen zu einer Weiterverarbeitung zur Isolierung des angelagerten Spurenstoffs fördert.
Eine Anreicherung von Spurenstoffen kann zu Dckontaminationszweckcn, insbesondere aber auch 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 Adscrberieilchen entweder als Schüttung in ein sog. Festbett (z. B. R. V. Davics et al Nature 203, 1110-1115 (1964) eingebracht, welches von den Wassermengen durchströmt wird, oder die nach oben gelenkte Strömung hält die Adsorberteilchen schwebend in einem sog. Fließbeti (DIi-OS 27 50 428 und 25 50 751). oder aber sie werden in einem Filterkäfig (DE-PS 24 41 479) der Strömung ausgesetzt. Diese Verfahren erfordern große Bauwerke bzw. gegen die strömenden Wassermassen resistente Strukturen.
Die Reinigung der Wasseroberfläche von öl wird gemäß der US-PS 33 48 690 durch eine »Entrahmungsvorrichtung« erreicht, die große, nur teilweise in das Wasser eintauchende Ausleger aufweist, mit deren Hilfe das öl auf der Wasseroberfläche zusammengetrieben wird. Für die ölbeseitigung kennt man auch die Methode, schwimmfähige Bindemittel auf die ölverscuchte Wasseroberfläche zu geben und wieder abzuschöpfen (»Umschau« 1967, Heft 16, S. 527). Eine spezielle Ausgestaltung dieser Methode wird in der DE-OS 17 67 197 beschrieben, wonach saujfähige Granulate (wie geschäumte Polyurethangranulate) mit einer Dichte unter 1 auf die zu entfernende Schicht gestreut, durch geeignete Mittel zusammengetrieben und schließlich wieder von der Oberfläche entfernt werden.
[Diese Verfahren sind auf die Entfernung von Verunreinigungen, die sich auf der Wasseroberfläche befinden, beschrankt und für die Ansammlung von Spurenstofien aus den Tiefen großer Wassermassen nicht geeignet.
Von der Anmelderin wurde nun bereits ein Verfahren vorgeschlagen (DE-OS 28 54 679) wonach Adsorberteilchen bzw. anreicherungsaktive Trägerkörper mit einer Dichte über 1 frei in die zu behandelnde Wassermasse entlassen werden wo sie infolge der 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
in zur Verarbeitung und erneuten Abgabe in die Strömung erforderlich. Eine Kontrolle über beim Absinkvorgang abdrifiendc Teilchen, die neben der Auffangvorrichtung niedergehen, ist weiterhin erforderlich, aber nicht leicht zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren zu schaffen, bei dem Auffang und Kontrolle der Teilchen erleichtert werden.
Das zur Lösung dieser Aufgabe entwickelte erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichne!, daß man die Trägerkörper in einer Wassertiefe in das Wasser entläßt, die eine für die Beladung der Trägerkörper ausreichende Aufstiegszeit gewährleistet, und selbsttätig zur Wasseroberfläche aufsteigen läßt.
Vorzugsweise entläßt man die Trägerkörper in eine natürliche Meeresströmung, wodurch eine lebhafte selbsttätige Erneuerung der behandelten Wasserschichten gewährleistet wird.
Die zur Anreicherung verwendeten »Trägerkörper« oder »Adsorberteilchen« sollen wie beim Verfahren gemäß der DE-OS 28 54 679 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. Bei den anreichernden »Trägerkörper« ist vorausgesetzt, daß diese anreicherungsaktive Zentren am oder im — ggf. selbst im wesentlichen aus anreicherungsaktivem Material bestehenden — Trägerkörper verhaftet aufweisen, insbesondere in Form von dünnen Obcrflächenschiehtcn. die für das Wasser ftei zugänglich, jedoch vor einem mechanischen Angriff durch Nachbarleilchen geschützt sind.
Die Trägerkörper mit einer geringeren Dichte als Wasser zur Erzielung eines geeigneten Auftriebs der Teilchen, mit dessen Hilfe das selbsttätige Aufsteigen zur Wasseroberfläche 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 anrcichcrungsakliver Oberfläche zum Volumen, leichte »Filtrierbarkeil« bzw. die »Rückhaltbarkeit« der Trägerkörper und eine möglichst dünne von den Trägerkörperdimensioncn abhängende Schichtdicke der
w) hydrodynamischen Grenzschichten an den anrcichei'iingsakιivcn Oberflächen.
Eine für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignete Form eier Triigerkörper ist ein Ring, lsi das anreicherungsakiive Material mechanisch ablieblest.
f.) kann der Ring beispielsweise als Torus ausgebildet sein. Anderenfalls sind eher zylindrische Ringe zweckmäßig, tlie lediglich auf ihrer inneren Mantelfläche mit anreicherungsaktivem Material belegt sind, so daß ein Ab-
rieb der aktiven Schicht durch mechanischen Kontakt mit Nachbarkörpern ausgeschlossen ist.
Ein für die Spurenstoffanreicherung besonders günstiges Verhalten solcher Ringe liegt dann vor, wenn ihre (Poi-)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 »Trudelbewegung« zwingt.
Einige Ausführungsbeispiele für Trägerkörper sind in den Fig. 1 bis 8 skizziert: Ein einfacher ringförmiger Körper, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, kann gemäß F i g. 3 oder 5 einen zusätzlichen Ring oder ein konisches Querschnittsprofil zur Stabilisierung der Ringachse in Bewegungsrichtung haben. Füllflächen innerhalb des Ringes, insbesondere Netze (F i g. 1), konzentrische Ringe (F i g. 2) ggf. mit Radialstreben (F i g. I) oder Rosetten (F i g. 5) aus beidseits reaktiv beschichteter Folie, vergrößern die anreicherungsaktive Oberfläche und die eingebauten Drall-Leitflächen, die im wesentlichen radial, aber nicht achsparallel verlaufen (siehe F i g. 7), erzwingen eine automatische Trudelbewegung beim aufsteigenden Trägerkörper. Eine von der Ringform abweichende Gestalt ist in Fig. 6 dargestellt: 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 (F i g. 8).
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 eluierl 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 Spurensloffanreicherung 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 Trägerkörperauslaß und -auffang von einem Schiff durch das Wasser gezogen werden oder aber dadurch, daß die Einrichtungen in einer natürlichen Wasserströmung angeordnet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnungen erläutert; es zeigt schematisch
Fig. 9 eine beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Spurenstoffanreicherungsanlage von der Seite und
F i g. 10 eine solche Anlage von oben betrachtet.
Gemäß den F i g. 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 der 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 Ti ägerkörperbewegung ist eine Horizohtalkomponente relativ zu Auslaß und Auffang überlagert, die durch eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit des Wassers oder eine entsprechende Fahrgeschwindigkeit der Schiffe hervorgerufen wird.
ίο 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 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.
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 3,3 · 10-* Tonnen Uran/Tonne Seewasser und einer gewünschten Abreicherung um 30% müßten pro Tag 109 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
B- T- v- t.
wobei ßdie Breite der Austrittsöffnung (5), Tdie Tiefe dieser öffnung unter Wasser, ν die Relativgeschwindig-
keit zwischen der öffnung 5 und dem umgebenden Wasser sowie I die Zeit (1 Tag) bedeuten. Mit B = 150 m, T = 150 m, v = 0,5 m/s und fs 105 s (1 Tag) wird das Ziel von 1011 l/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 -diffusion im Oberflächenwasser des Meeres kann eine effektive »Diffusionskonstante« zwischen 0,1 und 1 (mVs) angenommen werden. Das würde
bo dazu führen, daß der Durchmesser des Auftriebsgebietes 6 gegenüber der Ausdehnung von 5 auf beiden Seilen 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
bri Auffangvorrichtung an die Oberfläche gelangende Teilchen zu befürchten. Einer evtl. Leckrate der ersten Auffangreuse könnte auch durch Anbringung einer zweiten, weiter außen liegenden Aulfancreuse 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.
15
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
20
25
30
45
50
55
60

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Spurenstoffanreichcrung aus großen Wassermengen, insbesondere Meerwasser, bei dem man Trägerkörper mit geringerer Dichte als Wasser, an die sich die Spurenstoffe anlagern, in das Wasser entläßt, von der Wasseroberfläche wieder aufsammelt und beladen zu einer Weiterverarbeitung zur Isolierung des angelagerten Spurenstoffs fördert, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trägerkörper in einer Wassertiefe in das Wasser entläßt, die eine für die Beladung der Trägerkörper ausreichende Aufstiegszeit gewährleistet, und selbsttätig zur Wasseroberfläche aufsteigen läßt.
2. Verfahren nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß man die Trägerkörper in eine natürliche Meeresströmung entläßt.
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