DE3203481A1 - Process for recovering sulphuric acid from waste waters - Google Patents
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Abstract
Description
Verfahren zur RückQei,innunq von Procedure for the return of
Schwefelsgure aus Abwässern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Schwefelsäure aus Abwässern durch Aufkonzentrieren sowie eine Vorrichtung zur Durchfuhrung dieses Verfahrens. Sulfuric acid from waste water The invention relates to a method for the recovery of sulfuric acid from waste water by concentrating as well as a device for performing this procedure.
In Bleibatteriefabriken entstehen durch die verschiedenen Waschprozesse große Mengen Schwefelsäureabwässer, die nicht in die öffentliche Kanalisstion geleitet werden sollten.In lead-acid battery factories, these are produced by the various washing processes large amounts of sulfuric acid waste water that is not discharged into the public sewerage system should be.
Schwefelsäureabwässer, auch wenn sie neutralisiert sind, tragen zur Korrosion von Eisenteilen in BrUcken und anderen Wasserbauwerken bei. Dasselbe gilt auch PUr Abwässer aus anderen Fabriketionsbetrieben, die Schwefelsäure enthalten.Sulfuric acid waste water, even if it is neutralized, contributes Corrosion of iron parts in bridges and other hydraulic structures. The same is true also PUr wastewater from other manufacturing plants that contain sulfuric acid.
Normalerweise wird die Schwefelsäure in den Abwässern durch Zugabe von Natronlauge neutralisiert. Die Neutralisation bedeutet jedoch einen unnötigen Verbrauch hochwertiger und nur mit großem Energieaufwand herzustellender Chemikalien.Usually the sulfuric acid is added to the sewage by adding it neutralized by caustic soda. However, the neutralization means an unnecessary one Consumption of high-quality chemicals that can only be produced with a great deal of energy.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf dem eine spezifische Aufkonzentrierung der Schwefelsäure im Abwasser und ihre verunreinigungafreie Rückführung zum Verbraucher vorgenommen werden kann.The invention is therefore based on the object of showing a way on which a specific concentration of sulfuric acid in wastewater and its contamination-free return to the consumer can be made.
Die Aufgabe wird erfindungsgetnäß dadurch gelöst, daß die schwefelsäurehaltige Lösung einer Bleiakkumulatorelektrode zugeführt und unter Entladung derselben als Bleisulfat gebunden wird, wobei die schwefelsäurefreie Ldsung in den Abwasserksnal geleitet oder in den Fertigungsprozeß zurAckgefuhrt wird, daß anschließend durch Wiederaufladung der Elektrode die Schwefelsäure aufkonzentriert wird und daß die aufkonzentrierte Schwefelsäure gegebenenfalls in den Ferti- gungsprozeß zurückgeführt wird.The object is achieved according to the invention in that the sulfuric acid-containing Solution supplied to a lead-acid battery electrode and discharging the same as Lead sulfate is bound, with the sulfuric acid-free solution in the sewer directed or fed back into the manufacturing process that is then carried out Recharging the electrode the sulfuric acid is concentrated and that the concentrated sulfuric acid, if necessary in the finished process is returned.
Das erfindungagemäße Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß bei den Reaktionen des Bleiakkumulators die Schwefelsäure ein Teil der elektrochemisch aktiven Masse ist und bei der Entladung eines Akkumulators in der positiven und der negativen Elektrode gebunden wird.The inventive method makes use of the fact that in the reactions of the lead accumulator the sulfuric acid is part of the electrochemical is active mass and when discharging an accumulator in the positive and the negative electrode is bound.
Als Vorrichtung für die erfindungsgemäße Rückgewinnung der Schwefelsäure ist demnach ein Bleiakkumulator geeignet bzw.As a device for the recovery of sulfuric acid according to the invention is a lead-acid battery suitable or
grundsätzlich bereits eine elektrolytische Zelle, die zumindest eine der Elektroden des Bleiskkumulators in Kombination mit einer positiven oder negativen Gegenelektrode enthält.basically already an electrolytic cell with at least one of the electrodes of the lead accumulator in combination with a positive or negative Contains counter electrode.
Im aufgeladenen Zustand des Akkumulators liegt in der negativen Elektrode Blei und in der positiven Elektrode Bleidioxid vor. Beide Elektroden stellen poröse Systeme dar, die von der zu regenerierenden Lösung durchflossen werden.When the battery is charged, it is in the negative electrode Lead and lead dioxide in the positive electrode. Both electrodes represent porous Represent systems through which the solution to be regenerated flows.
Befindet sich reines Wasser in den Porensystemen der beiden Elektroden und zwischen ihnen, so kann im Kurzschluß dennoch kein Strom fließen, weil die negative Elektrode sofort eine passivierende Bleioxidschicht bildet und die positive Elektrode ebenfalls zum Bleioxid entladen wird.Is there pure water in the pore systems of the two electrodes? and between them, no current can flow in the short circuit because the negative Electrode immediately forms a passivating lead oxide layer and the positive electrode is also discharged to lead oxide.
Wird im Zustand des elektronischen Schlusses, der über einen Widerstand oder Ober eine Zenerdiode geregelt sein mag, schwefelsäurehaltige Lösung durch das Porensystem beider Elektroden gedrückt, so wird diese Schwefelsäure unter Entladung der beiden Elektroden als Bleisulfat auf den Elektroden gebunden. Anstelle von passivierenden Bleioxidschichten bilden sich jetzt feinkristalline Bleisulfatschichten wie im Akkumulator, so daß die Entladung beider Platten so lange weiter geht, wie Schwefelsäure mit der Elektrolytlosung zuge- führt wird. Allerdings hemmen die gebildeten Bleisulfetschichten zunehmend auch die Entladung beider Elektroden und fUhren schließlich bei totaler Entladung zur Bleisulfatpassivierung. Die Bleisulfstpasaivierung ist der schließlich begrenzende Vorgang bei der Entladung des Bleiakkumuletors. Ist die Passivachicht so dicht geworden, daß keine weiteren Bleiionen aus der negativen Elektrode mehr in Ldsung gehen können, so fließt die schwefelsäurehaltige Lösung durch das Porensystem mit unveränderter Konzentration hindurch. Das gleiche gilt für die positive Elektrode, die Bleidioxidelektrode. Damit ist die Aufnahmefähigkeit an Schwefelsäure begrenzt. Die passivierenden Bleisulfatschichten heben aber den bedeutsamen Effekt, daß sie das poröse Gelost vor unzulässiger weiterer Korrosion schützen, Den Zustand der Erschßpfung der Schwefelsäure-Bindungsvorrichtung kann man durch Messen des pH-Wertes der auslaufenden Ldsung feststellen. Enthält diese auslaufende Lösung.Is in the state of the electronic circuit, which has a resistor or via a Zener diode, sulfuric acid-containing solution may be regulated by the When the pore system of both electrodes is pressed, this sulfuric acid is discharged of the two electrodes bound as lead sulfate on the electrodes. Instead of passivating Lead oxide layers now form fine crystalline lead sulphate layers like in the accumulator, so that the discharge of both plates goes on as long as sulfuric acid does added to the electrolyte solution will lead. However, the educated inhibit Lead sulphet layers also increasingly discharge both electrodes and ultimately lead to it with total discharge to lead sulfate passivation. The lead sulfate is the ultimately limiting process in the discharge of the lead-acid battery. is the passive layer has become so dense that no more lead ions come out of the negative If the electrode can go into solution more, the solution containing sulfuric acid flows through the pore system with unchanged concentration. The same goes for for the positive electrode, the lead dioxide electrode. So that is the receptivity limited to sulfuric acid. The passivating lead sulfate layers lift the significant effect that it prevents further corrosion of the porous solids Can protect the state of exhaustion of the sulfuric acid binding device can be determined by measuring the pH of the leaking solution. Contains this leaking solution.
unzulässig große Schwefelsäuremengen, so werden die Mittel des Zulaufes außer Funktion gesetzt und der Durchfluß gestoppt. Die elektrolytische Zelle wird verschlossen und nunmehr wird die Stromrichtung umgekehrt, d.h. der Bleiakkumulator wird auf geladen. Bei diesem Vorgang wird das in der negativen Elektrode gebildete Bleisulfet in Blei und Schwefelsäure zerlegt. Ebenfalls wird in der positiven Elektrode gebildetes Bleisulfat in Bleidioxid und Schwefelsäure ruckoxidiert. Mit dem Stromdurchgang bildet sich Schwefelsäure im Porensystem und im Zwischenraum zwischen den Platten, deren Konzentration mehr und mehr ansteigt.Inadmissibly large amounts of sulfuric acid become the means of the inflow disabled and the flow stopped. The electrolytic cell will locked and now the direction of the current is reversed, i.e. the lead accumulator is loaded on. In this process, that is formed in the negative electrode Lead sulphet is broken down into lead and sulfuric acid. Also in the positive electrode Lead sulfate formed is reoxidized in lead dioxide and sulfuric acid. With the passage of electricity sulfuric acid forms in the pore system and in the space between the plates, whose concentration increases more and more.
Schließlich ist der Zustand erreicht, daß das ganze Bleisulfat in beiden Elektroden in Blei bzw. Bleidioxid umgewandelt ist. Die Schwefelsäure'konzentration im Porensystem und zwischen den Elektroden hat ihr Maximum erreicht. Das Ladeende bzw. das Ende der Regenerierphase des Schwefelsäureabsorbere kUndigt sich durch Wasserstoff- bzw. Sauer- stoffbildung an den Elektroden bei Stromdurchfluß an. Nunmehr wird ein Ventil geöffnet und die Schwefelsäure aus dem Bleiakkumulator entfernt. Diese Schwefelsäure ist hochkon-3 zentriert und hat z.B. eine Dichte von 1,30 g/cm . Nach dem Ablassen dieser Schwefelsäure verbleibt jedoch noch konzentrierte Säure im Porensystem, die man durch Wiederauffllllen mit Wasser bzw. mit zu regenerierender Lösung verdünnen kann.Finally the condition is reached that all of the lead sulphate is in both electrodes is converted into lead or lead dioxide. The sulfuric acid concentration in the pore system and between the electrodes has reached its maximum. The end of loading or the end of the regeneration phase of the sulfuric acid absorber is announced Hydrogen or acid Substance formation on the electrodes when current flows through at. Now a valve is opened and the sulfuric acid from the lead accumulator removed. This sulfuric acid is highly concentrated and has a density of, for example 1.30 g / cm. After this sulfuric acid has been drained off, however, it still remains concentrated Acid in the pore system, which can be obtained by replenishing with water or with to be regenerated Solution can dilute.
Solange die Konzentration dieser Spüllösung noch genügend hoch ist, sammelt man sie zusammen mit der regenerierten Schwefelsäure.As long as the concentration of this rinsing solution is still high enough, they are collected together with the regenerated sulfuric acid.
Nach beendeter Regenerierung wird der Durchfluß wieder geöffnet und der Bleiakkumulator zu erneuter Absorption der Schwefelsäure kurzgeschlossen. Die ausfließende und in der Entladephase an Schwefelsäure abgereicherte Ldaung kann, wenn sie durch keine anderen unerwünschten Stoffe verunreinigt ist, in die Abwasserleitung geleitet oder auch fur Waschzwecke verwendet werden.When the regeneration is complete, the flow is opened again and the lead accumulator short-circuited to reabsorb the sulfuric acid. the Ldaung flowing out and depleted in sulfuric acid during the discharge phase can if it is not contaminated by other undesirable substances, into the sewer directed or used for washing purposes.
Es ist ein Nachteil, daß die Bleisulfatluslichkeit mit abnehmender Schwefelsäurekonzentration ansteigt. Dieses hat zur Folge, daß anstelle der Schwefelsäure eine gewisse Konzentration an Bleiionen auftritt. Man kann diese unerwünscht Erscheinung dadurch verhindern, daß man der Lösung Kohlendioxid zuführt. Eine begaste Schwefelsäure bildet innerhalb der Poren des Bleiskkumulators eine wäßrige Ldsung, deren Bleiionengehalt nunmehr durch die Löslichkeit des Bleicarbonats bestimmt wird. Die Bleicarbonatkonzentration ist jedoch um mehr als eine Zehnerpotenz niedriger als die Bleisulfatkonzentration. Derselbe Effekt läßt sich auch mit anderen Säureanionen erreichen, die mit Blei ein Salz bilden, dessen Löslichkeit weit unter der des Bleisulfate in neutraler Lösung liegt. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß die Schwefelsäureverunreinigung in eine Bleisulfatverunreinigung umschlägt.It is a disadvantage that the lead sulfate solubility decreases with decreasing Sulfuric acid concentration increases. This has the consequence that instead of sulfuric acid a certain concentration of lead ions occurs. One can have this undesirable appearance thereby preventing carbon dioxide from being added to the solution. A fumigated sulfuric acid forms an aqueous solution within the pores of the lead accumulator, its lead ion content is now determined by the solubility of the lead carbonate. The lead carbonate concentration however, it is more than a power of ten lower than the lead sulfate concentration. The same effect can also be achieved with other acid anions, with lead form a salt whose solubility is far below that of lead sulfate in neutral Solution lies. In this way, the sulfuric acid contamination can be prevented turns into a lead sulfate contamination.
Zur DurchfOhrung des Verfahrens ist es nicht unbedingt notig, beide Polaritäten des Bleiakkumulators zu verwenden. Es genügt auch eine PolarätS, z.B. die negative Bleielektrode.In order to carry out the procedure, it is not absolutely necessary to have both Use lead-acid battery polarities. A polarity is also sufficient, e.g. the negative lead electrode.
Bei der Schwefelsäurebindung werden in einem anodischen Vorgang Bleiionen gebildet und als Bleisulfat gebunden.When sulfuric acid is bound, lead ions are formed in an anodic process formed and bound as lead sulfate.
An der Gegenelektrode muß in diesem Fall Wasserstoff abgeschieden werden. Dieser Vorgang läuft an Metallelektroden mit keiner Wasserstoffüberspannung wie an den Edelmetallen Platin, Palladium u.a. ohne Zufuhr von elektrischer Energie ab. Verwendet man jedoch als Wasserstoffabscheidungselektrode eine Bleielektrode, so muß man eine zusätzliche Spannung von außen auflegen, mit der man die Hemmung der Wasserstoffabscheidung Oberwinden kann. Die Elektrodenvorg#nge bei der Schwefelsäurebindung sind also, entsprechend einer Entladung der Zelle, (1) anodisch: (2) kethodisch: Bei der Regenerierung, gleichbedeutend mit einer Ladung, wird Wasserstoff in einem jetzt modischen Prozeß in Losung gebracht; (3) kathodisch: (4) anodisch: Man kann also als Gegenelektrode eine reversibel arbeitende We#serstoffelektrode verwenden, die in der Schwetelaturebindungephase Wasserstoff entwickelt und diesen bei der Regenerierung unter ZufUhrung von elektrischer Energie wieder verbraucht. Auf diese Weise arbeitet die erfindungsgemäße elektrolytische Zelle nur mit einem kleinen Spannungsverlust, der dem geringen unterschiedlichen Potential der Wasserstoff- und der Bleielektrode in diesem Elektrolyten entspricht. Ihre Funktionsweise läßt sich durch die Bruttogleichung beschreiben.In this case, hydrogen must be deposited on the counter electrode. This process takes place on metal electrodes with no hydrogen overvoltage, as on the noble metals platinum, palladium, etc., without the supply of electrical energy. If, however, a lead electrode is used as the hydrogen separation electrode, an additional voltage must be applied from the outside, with which one can overcome the inhibition of the hydrogen separation. The electrode processes in sulfuric acid binding are, corresponding to a discharge of the cell, (1) anodic: (2) methodical: During regeneration, which is synonymous with a charge, hydrogen is dissolved in a process that is now fashionable; (3) cathodic: (4) anodic: A reversibly working hydrogen electrode can therefore be used as the counter electrode, which develops hydrogen in the hydrogen binding phase and consumes it again during regeneration with the addition of electrical energy. In this way, the electrolytic cell according to the invention works only with a small voltage loss, which corresponds to the small different potential of the hydrogen and lead electrodes in this electrolyte. How they work can be shown by the gross equation describe.
Statt mit einer Wasserstoffelektrode kann man jedoch auch mit einer Sauerstoffelektrode als Gegenelektrode arbeiten.Instead of using a hydrogen electrode, however, you can also use a Oxygen electrode works as a counter electrode.
Im Stadium der Schwefelsäurebindung mit den Teilreaktionen (6) anodisch: (7) kathodisch: liegt dann eine Seuerstofflösungselektrode und im Betriebszustand der Regenerierung mit den Teilreaktionen (8) kathodisch: (9) anodisch: eine Sauerstoffabacheidungaelektrode vor. Wegen der grOBeren Irreversibilität der Sauarstoffelektrode verschlechtert sich jedoch im Vergleich zur Wasserstoffelektrode der Energieaufwand der gemäß wirkenden Zelle.In the stage of sulfuric acid binding with the partial reactions (6) anodic: (7) cathodic: Then there is a oxygen solution electrode and in the operating state of regeneration with the partial reactions (8) cathodic: (9) anodic: an oxygen capture electrode. Because of the greater irreversibility of the oxygen electrode, however, the energy consumption of the according to FIG acting cell.
Fahrt man die Schwefelsäureregenerierung erfindungsgem3ß nur mit Hilfe der Bleidioxidelektrode durch, so kann ebenfalls als Gegenelektrode eine Wasserstoffelektrode verwendet werden. Die Bindung der Schwefelsäure, also die Entladung der Zelle, verteilt sich hier auf die Elektrodenreaktionen ( 11) anodisch: (12) kathodisch: geht also Hand in Hand mit einer anodischen Auflösung von Wasserstoff.If, according to the invention, the sulfuric acid regeneration is carried out only with the aid of the lead dioxide electrode, a hydrogen electrode can also be used as the counter electrode. The binding of the sulfuric acid, i.e. the discharge of the cell, is distributed here over the electrode reactions (11) anodically: (12) cathodically: goes hand in hand with anodic dissolution of hydrogen.
Bei der Regenerierung wird unter ZufUhrung von elektrischer Energie das Bleisulfat wieder in Bleidioxid umgewandelt und an der Gegenelektrode Wasserstoff entbunden: Der abgeschiedene Wasserstoff kann in der Schwefelaflurebindungs-Phase wieder verbraucht werden, so daß nur ein relativ kleiner Energiesufwand für die Reaktion erforderlich ist.During regeneration, the supply of electrical energy converts the lead sulphate back into lead dioxide and releases hydrogen at the counter electrode: The separated hydrogen can be consumed again in the sulfur acid binding phase, so that only a relatively small amount of energy is required for the reaction.
Allerdings ist die Arbeitsapannung der Zelle gemSß in beiden Richtungen, d.h. der Regenerierung wie auch der Schwefelsäurebindung, gröBer als bei Verwendung der negativen Bleielektrode. Es bedarf keiner besonderen Erkllrung, daß man als Steuermittel zur Steuerung der Reaktion in dieser Regenerierzell.e alle die Mittel verwenden kann, die such im Bleiakkumulator zur#Steuerung und zur Anzeige des Ladezustandes dienen.However, the working voltage of the cell is reasonable in both directions, ie the regeneration as well as the sulfuric acid binding, is greater than when using the negative lead electrode. It does not require any special explanation that all means can be used as control means for controlling the reaction in this regeneration cell.
So kann z.B. die Konzentration der Schwefelsäure, die in die Vorrichtung gemäß der Erfindung einfließt, und der suafliessenden Lösung mit Hilfe von Ionenaustauschermembranen, deren Quellung gemessen wird, kontrolliert und gemessen werden.For example, the concentration of sulfuric acid in the device flows in according to the invention, and the suafliessenden solution with the help of ion exchange membranes, whose swelling is measured, controlled and measured.
Auch andere Methoden der Dichte-Messung können sinngemäß angewendet werden. Das gleiche gilt Pur die Regenerierphase, bei der die Schwefelsäurekonzentration ansteigt und bei der man wie bei der Ladung des Bleiakkumulators zweckmäßigerweise mit unterschiedlichen Ladestrdmen, d.h. in diesem Fall Regenerationaströmen, entsprechend dem Ladezustand der Blei-bzw. Bleidioxidelektrode arbeitet. Auf diese Weise kann der Regenerierstrom dem Ladegrenzatrom der Elektrode angepaßt werden.Other methods of density measurement can also be used analogously will. The same applies to the pure regeneration phase, in which the sulfuric acid concentration increases and in which one expediently as with the charge of the lead accumulator with different charging currents, i.e. in this case regeneration currents, accordingly the state of charge of the lead or. Lead dioxide electrode works. That way you can the regeneration current can be adapted to the charge limit of the electrode.
Entsteht bei der Durchführung des Verfahrens Wasserstoff allein oder in Kombination mit Sauerstoff, so können diese Gase in einem Rekombinator unter Wärmeentwicklung rekombiniert werden. Die Rekombinationswärme, die zu einer Tempareturerhßhung der Rekombinationamatte oder des Rekombinationskatalysators führt, kann zur Steuerung des jeweiligen Vorganges benutzt werden.When the process is carried out, hydrogen alone or in combination with oxygen, these gases can be placed in a recombiner Heat generation can be recombined. The heat of recombination that leads to a temperature increase the recombination mat or the recombination catalyst can be used to control of the respective process.
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