DE3241497A1

DE3241497A1 - Verfahren und vorrichtung zum gewinnen von uran oder anderen in meerwasser geloesten wertstoffen

Info

Publication number: DE3241497A1
Application number: DE19823241497
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Dr. Koske; Klaus 2054 Geesthacht Ohlrogge
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1982-11-10
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1984-05-10
Also published as: DE3241497C2

Abstract

Zwischen dem Ausgang (14) eines Mikroprozessors und einer peripheren Einrichtung (8) ist ein Zwischenspeicher (11) angeordnet, der eine an seinem Eingang anstehende Steuer information aufgrund eines Übernahmesignals übernimmt und an seinem Ausgang der peripheren Einrichtung (8) zur Verfügung stellt. Weiterhin ist eine Zeitgeberschaltung (3) vorgesehen, die jeweils bei Ablauf einer Zeitdauer ein Signal über Ausgang (7) abgibt, das dem Zwischenspeicher (11) als Übernahmesignal und dem Mikroprozessor (1) als Anforderungssignal für ein Interrupt zugeführt wird. Die Zeitgeberschaltung (3) startet dann die Zählung einer neuen Zeitdauer, deren Binärwert bereits in ihr gepuffert war. An im laufenden Programm zulässiger Stelle und/oder nach Ausführung vordringlicher Interrupt-Anforderungen führt der Mikroprozessor (1) die geforderte Interrupt-Service-Routine durch, liefert eine neue Steuerinformation an den Ausgang (14) und einen neuen eine Zeitdauer repräsentierenden Binärwert an die Zeitgeberschaltung (3).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen
von Uran oder anderen in Meerwasser gelösten Wertstoffen Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Gewinnen von Uran oder anderen in Meerwasser gelösten Wertstoffen, bei denen - Adsorbergranulat vom Meerwasser durch-# strömt wird.
Das zentrale Prblem bei der Wertstoffgewinnung aus Meerwasser ist die sehr geringe Konzentration, mit der in Betracht kommende Wertstoffe in gelöster Form vorliegen. So sind in 1. m3 Meerwasser 3,3 mg Uran enthalten, entsprechend einer Konzentration yon 3,3 ppb. Wegen dieser geringen natürlichen Konzentration sind beträchtliche Meerwassermengen in einer Gewinnungsanlage durchzusetzten, um eine Produktion im technischen Maßstab zu ermöglichen.
Für die Berechnung einer Wassermenge V aus einer angestrebten Produktion P gilt: p V = f , wobei 3 V = Meerwassermense m P = Produktionsmenge Wertstoff t P = Mecrwasserdichte (1.028 t/m3) c = Massenkonzentration in der Lösung 5 = Abreicherungswirkungsgrad So errechnet sich für eine Gewinnungsanlage für 100 t Uran/a bei einem angenommenen Abreicherungswirkungsgrad von 0,5 eine täglich zu prozessierende Wassermenge von 200 Mio m³ Meerwasser.
Von den chemischen Prozessen, die prinzipiell zur Anreicherung von Spurenmetallen aus Meerwasser geeignet sind, kommt nur die Adsorption bzw. Ionenaustausch in Frage, da bei der Flotation, der Lösungsmittelextraktion oder der Mitfällung Chemikalien dem durchzusetzenden Meerwasser zugesetzt werden müßten, was sowohl aus öknonomischen als auch aus ökologischen Aspekten nicht sinnvoll ist.
Bei der bekannten Verfahrenstechnik der Kontaktierung von Meerwasser und Adsorber lassen sich nach dem derzeitigen Stand der Technik grundsätzlich zwei Vorgehensweisen unterscheiden: a) Das Meerwasser strömt durch ein dicht gepacktes Bett aus Adsorbergranulat oder -matten nach Art der üblichen Ionenaustauscheranordnung (Festbettkontaktierung).
b) Die Kontaktierung erfolgt in einem Wirbelbett oder fluidisiertem Bett, wobei das durchgesetzte Meerwasser die Lockerung der Granulatschüttung bewirkt.
In die Berechnung einer Produktionsanlage geht als ein wesentlicher Parameter die Geschwindigkeit w ein, mit der die Adsorberbetten angeströmt werden. Je geringer die Anströmungs.geschwindigkeit ist, desto größer wird die notwendige (Adsorberbett)-fläche F.
V F = w , wobei V = volumen in der Zeiteinheit Der Abreicherungswirkungsgrad ist eine Funktion der Kontaktzeit tk zwischen Adsorbergranulat und Meerwasser.
Lange Kontaktzeiten können nur durch eine hohe Granulatschüttung oder niedrige Strömungsgeschwindigkeit im Granulatbett erreicht werden.
In umfangreichen Versuchen wurde folgende Beziehung empirisch ermittelt: # = 1 - e -k . tk . w wobei k = Stoffkonstante Die Produktion von Wertstoff hängt ferner von der Adsorbermenge M (ads) und der Beladung B ab.
P = M (ads) ~ B B = b' t , wobei b = Beladung in der Zeiteinheit und t = Prozeßzeit Neben den Konstanten Meerwasserdichte f , Granulatdichte gab und Nutzstoffkonzentration c bestimmen die Variablen T und tk die Beladung in der Zeiteinheit b.
Bei einer Festbettkontaktierung können Anströmungsgeschwindigkeit, Schütthöhe, Granulatform und -durchmesser frei gewählt werden, jedoch wächst der hydraulische Widerstand dieser Anordnung - und damit der Energieaufwand für die Förderung von Meerwasser - mit der Betthöhe und etwa quadratisch mit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit.
Beim fluidisiertem Bett bestimmen Schütthöhe hL Lücken grad und Dichtedifferenz ( #b - # ) den auftretenden Druckabfall~. p für den Meerwasservolumenstrom.
p = g . hL . (#b -#) . (1 -#L) Nach dem Erreichen der Lockerungsgeschwindigkeit wL ist der aufzuwendende Druck p unabhängig von w.
Der Betrieb des Fluidatbettes ist durch die #andbedingung begrenzt, daß die Aufstromgeschwindigkeit w kleiner als die Sinkgeschwindigkeit des Partikels ws sein muß, da sonst das Granulat ausgeschwemmt würde.
Die Sinkgeschwindigkeit w wird in erster Linie durch s die Dichte## #b und die Geometrie.des Granulats bestimmt.
Ein weiterer kostenbestimmender Parameter für eine technische Produktionsanlage zur Wertstoffgewinnung aus Meerwasser ist die einzusetzende Adsorbermenge M (ads).
M ~(ads) = P b'# t oder M (ads) = F ~ h ? b Wie aus den vorstehenden Formeln zu erkennen, sind der Abreicherungswirkungsgrad q , die Strömungsgeschwindigkeit w , die Schütthöhe hL und die Kontaktzeit tk die Parameter, die die Auslegung einer Produktionsanlage bestimmen.
Ausgehend von vorstehenden theoretischen Uberlegungen liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung von Verfahren und Vorrichtungen zum Gewinnen von Wertstoffen aus Meerwasser,die so o verbessert sind, daß bei geringerem Meerwasserdurchsatz mit geringeren Mengen an Adsorbergranulat eine erheblich größere Ausbeute an Wertstoff je Zeiteinheit erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Adsorbergranulat innerhalb einer geschlossenen Umlaufstrecke durch strömendes Meerwasser im Gleic#hstrom bewegt und das ~abgereicherte Meerwasser nach der Kontaktierung entlang der Umlauf strecke vom A4-sorbergranulat getrennt und ins Meer zurückgeleitet wird. Die Abtrennung des Adsorbergranulats geschieht vorzugsweise durch eine Sedimentation innerhalb der Umlaufstrecke.
Vorrichtungsmäßig ist die Erfindung gekennzeichnet durch eine im wesentlichen vertikal ausgerichtete Umlaufstrecke mit einem Meerwassereinlaß, einem in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Meerwasserauslaß und einer im Bereich des Meerwasserauslasses angeordneten Rückhaltevorrichtung für das Granulat.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer labormäßig ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 eine gegenüber der Fig. 1 abgewandelte labormäßige Ausgestaltung der Erfindung, Fig. 3 eine schematischen Darstellung einer technischen Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine technische Ausgestaltung der Laboranordnung gemäß Fig. 2, Fig. 5 eine Weiterbildung zu Fig. 3 und 4, Fig. 6 eine Seitenansicht einer in Schiffsform ausgestalteten erfindungsgemäßen Produktionsanlage zur Gewinnung von Wertstoffen aus Meerwasser, Fig. 7 eine Draufsicht zu Fig. 6 und Fig. 8 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie Vill-Vill der Fig 7 in vergrößertem Maßstab.
Bei der labormäßig ausgestalteten erfindungsgemäße#n Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird das frische Meerwasser am Meerwassereinlaß 1 über eine strahlpumpenähnliche Anordnung im Gleichstrom in eine in sich geschlossene Umlaufstrecke 3 einge#bracht. In diesem Umlaufsystem befindet sich das in der Zeichnung nicht dargestellte Adsorbergranulat. Durch eine Strömungsgeschwindigkeit in der Umlaufstrecke 3, die größer als die Sinkgeschwindigkeit w ist, wird das in der Umlaufstrecke 5 3 befindliche Adsorbergranulat im Wasserförderstrom mitgeführt. In der in der Umlaufstrecke 3 angeordneten Sedimentations- oder Trennkammer 4, die gegenüber dem Meerwasserauslaß 5 abgeschirmt ist, erhält das Granulat durch die Beschleunigung durch den Prozeßwasserförderstrom ~und die eigene Sinkgeschwindigkeit einen Impuls zur Saugkammer 6 der den Förderstrom treibenden Düse 2. Das durch das Granulat abgereicherte Meerwasser kann die Umlaufstrecke 3 am Meerwasserauslaß 5 verlassen.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 wird das Prozeßwasser im oberen Teil des Kreislaufes bei 11 zugeführt.
Uber eine Klappenregelung 12 und gegebenenfalls in der Umlaufstrecke 13 vorgesehene Einbauten 18 wird das Meerwasser in Umlaufrichtung-gelenkt und mit dem Granulat vermischt. Die Abscheidung des Granulats vom abgereicherten Prozeßwasser erfolgt auch hierhin einer Sedimentationskammer 14, die durch Blenden oder Abschirmungen 17 vom Meerwasserauslaß 15 strömungsmäßig getrennt ist. Abgereichertes Prozeßwasser strömt am Meerwasserauslaß 15 wieder ab.
Die anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen sind als geschlossene Systeme ausgelegt, was bedeutet, daß zur Förderung des Granulats nur die inneren Reibungswiderstände und Umsetzverluste zu Uberwinden sind.
Die anhand der Figuren 1 und 2 beschriebene Kontaktierung Adsorbergranulat-Merwasser im umlaufenden System hat folgende Vorteile: 1. Freie Wahl einer Geschwindigkeit,die größer als die Sinkgeschwindigkeit des Granulats w5 ist, d.h. Verkleinerung der Anlagefläche.
2. Freie Wahl der Verfahrensstrecke und damit der Kontaktzeit tkl d.h. Verbesserung des Abreicherungswirkungsgrades.
3. Freie Wahl des Mischungsverhältnisses Verfahrensvolumen zu Granulatvolumen, d.h. Bestimmung der Beladungsrate b in den Grenzen der adsorptionskinetischen Eigenschaften des Adsorbers.
4. Geringe hydraulische Widerstände durch die Kreislaufführung im geschlossenen System.
Die Vorteile gemäß Punkt 1 - 3 wurden durch mehrere Feldversuche bestätigt.
Praktische Realisierungen des Grundgedankens der Erfindung sind in den Figuren 3 bis 5 dargestellt.
Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung mit einem im Boden des Umlauf systems 23 angeordneten Seewasserzufuhrstutzen 22. Das frische Meerwasser gelangt vom Meerwassereinlaß 21 durch die bei 22 dargestellte diffusor ähnliche Anordnung in die Umlaufstrecke 23, wobei Adsorbergranulat aus dem Sedimentationsbereich 24 zugemischt wird. Das Granulat-Wasser-Gemisch strömt#a#fwärts in Pfeilrichtung und entmlscht sich wieder im Sedimentationsbereich. Das abgereicherte Meerwasser' verläßt die Vorrichtung am Meerwasserauslaß 25. Mittels einer Regelarmatur 29 kann der Granulatfluß gesteuert werden.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 befinden sich MeerwassereinlaB;31 und Meerwasserauslaß 35 im oberen Teil des Umlaufsystems 33. Auch hier sind strömungslenkende Einbauten 37, 38 und 39 vorgesehen. Das bei 31 eintretende frische Seewasser vermischt sich im unteren Teil der Vorrichtung mit dem Granulat und strömt dann aufwärts in Pfeilrichtung und entmischt sich wieder im Sedimentationsbereich 34. Das abgereicherte Meerwasser verläßt die Vorrichtung am Meerwasserauslaß 35.
Es handelt sich somit bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 um das in Fig. 2 dargestellte Grundprinzip mit im oberen Teil des Umlaufsystems angeordneten Mischungs- und Sedimentationsbereichen.
Die Ausführungsform gemäß Fig. -5 ähnelt der Ausführungsform gemäß Fig. 4 bezüglich der Meerwasserabfuhr am Austrittsstutzen 45 und bezüglich des Sedimentationsbereiches 44. Die Frischwasserzufuhr am Meerwassereintrittsstutzen 41 gelangt hier jedoch in eine Strahlpumpen-Diffusoranordnung 42, die der der Fig. 3 ähnlich ist.
Die vorstehend anhand der Figuren 1 bis 5 beschriebenen Vorrichtungen können sowohl auf See - in Schiffskonstruktionen oder Halbtauchern - , im Küstenbereich, in off-shore-Bauwerken oder in landfesten Anlagen betrieben werden.
Wie eine seegehende Produktionsanlage ausgestaltet werden kann, zeigen die Figuren 6 bis 8.
Für das in Fig. 6 und 7 gezeichnete Produktionsschiff wurden als Beispiel folgende Daten zugrunde gelegt: P = 15 t U b = 6 ppm/d = =0,7 w = 0.07 m/s Gemäß der vorstehenden forme]mäßigen Abhandlung (Seite 2) ergibt sich ein Meerwasser-Volumen.
3 V = 6.3 109 m Meerwasser Wenn für die Produktionszeit t ein Jahr zugrundegelegt wird, ergibt sich ein Volumen je Zeiteinheit von 3 200 m3/s.
Für die Produktionsfläche (Aufstrom und Abstrom) 2 ergibt sich eine Fläche von 6000 m Die vorstehende Fläche wird in einzelne Produktionseinheiten in Form von Adsorptionskammern aufgeteilt.
Wählt man für diese Kammern eine Länge von 10 Metern, eine Breite von 7,5 Metern, ergibt sich bei der Kammer-2 grundfläche von 75 m eine Kammerzahl von 80. Diese 80 Kammern kennen in vier Längsschiff-Reihen von je 20 Kammern unterteilt werden,wie es die Figuren 6 und 7 zeigen.
Die Kammerhöhe beträgt je nach Ausführung der Sedimentations- und Misehbereiche 6 bis 10 m. Diese Kammern werden im modularen Aufbau in der Schiffskonstruktion so untergebracht, daß jede Extraktionseinheit einzeln montiert und demontiert werden kann.
Wie die Schnittdarstellung gemäß Fig. 8 zeigt, erfolgt die Versorgung mit frischem Meerwasser über im Schiffsboden 81 angeordnete Einströmöffnungen 82, die zu Vorlaufsystemen 83 bzw. 84 führen. In diesen Vorlaufsystemen wird durch Pumpenenergie oder über die Anordnung eines. Hochspeichers der notwendige hydrostatische Druck für den Umlauf von Wasser und Granulat in den Adsorptionskammern erzeugt. Wie Fig. 8 zeigt, sind die Kammern bezüglich ihres Zuflusses und ihres Abflusses paarweise, d.h. in wechselnd spiegelbildlicher Anordnung, vorgesehen. Kammer 85 und 86 und auch die Kammern 87 und 88 haben jeweils einen gemeinsamen Zulauf und die Kammern 86 und 87 einen gemeinsamen Abfluß am Schiffsboden 81. Die außenliegenden Kammern 85 und 88 können das abgereicherte Seewasser an der Schiffsaußenwand wieder abgeben, wie es die eingezeichneten Pfeile erkennen lassen.
Entsprechend den beiden alternativen Ausführungsformen in Fig. 8 können die Pumpen 91, 92 alternativ als Tauchpumpen oder auch als über Wasserniveau 94 liegende Pumpen ausgebildet sein. Im Falle der Pumpe 91 liegt verständlicherweise das Pumpenlaufrad 93 unterhalb der Wasserlinie 94.
Die Prozeßstrecken in den Kammern 85 bis 88 können wahlweise entsprechend den Ausführungsformen gemäß Fig. 3 bis 5 ausgestaltet sein.
Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Gewinnen von Uran oder anderen in Meerwasser gelösten Wertstoffen, bei dem Adsorbergranulat vom Meerwasser durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbergranulat innerhalb einer geschlossenen Umlaufstrecke durch strömendes Meerwasser im Gleichstrom bewegt und das abgereicherte Meerwasser nach der Kontaktierung entlang der Umlaufstrecke vom Adsorbergranulat getrennt und ins Meer zurückgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch# 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit in der Umlaufstrecke auf einem Wert gehalten wird, der ueber der Sinkgeschwindigkeit des Adsorbergranulatslim Meerwasser liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des Adsorbergranulats vom abgereicherten Meerwasser durch Sedimentation erfolgt und das Sediment stetig der Umlaufstrecke wieder zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des abgetrennten Adsorbergranulats durch Absaugung mittels einer im Bereich des Meerwassereinlasses angeordneten Strahlpumpe oder strahipumpenähnlichen Anordnung erfolgt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet durch eine im wesntlichen vertikal ausgerichtete Umlaufstrecke (3, 13, 23, 33) mit einem Meerwassereinlaß (1, 11, 21, 31, 41), einem in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Meerwasserauslaß (5, 15, 25, 35, 45) und einer im Bereich des Meerwasserauslasses (5, 15, 25, 35, 45) angeordneten Rückhaltevorrichtung (4, 14, 24, 34, 44) für das Granulat.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß als Rückhaltevorrichtung Ablenkplatten (7, 17, 37) vorgesehen sind, die eine direkte Anströmung des Meerwasserauslasses (5, 15, 25, 35, 45) verhindern.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückhaltevorrichtung mit einer außerhalb der Meerwasserabströmung in der Umlaufstrecke (3, 13, 23, 33) liegenden Trenn- oder Separationskammer (4, 14, 24, 34, 44) versehen ist.
8 . Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7 gekennzeichnet durch einen die Umlaufstrecke (3, 13,23, 33) enthaltenden aufrechtstehenden kastenförmigen Behälter (85-88), der zwischen zwei im wesentlich senkrecht stehenden Seitenwandungen eine Mittelwand (89) aufweist, die mit Abstand vor den oberen und unteren Stirnwänden des Behälters endet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren stirnseitigen Enden des Behälters strömungsgünstig, vorzugsweise muldenförmig oder hohlzylindrisch abgerundet sind (Fig. 3-5).
10 - Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Ausdehnung der Umlaufstrecke (3, 13, 23, 33) mindestens viermal so groß ist wie die Querschnittsabmessungen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meerwasserzufluß- und Abflußstutzen im oberen Bereich der Umlaufstrecke angeordnet sind (Fig. 2-5).
12. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meerwasserzufluß- und Abflußstutzen im unteren Bereich der Umlaufstrecke angeordnet sind (Fig. 1).
13. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Umlaufstrecke -3,13, 23,33) zwischen Meerwassereinlaß (1, 11, 21,31) und Meerwasserauslaß (5, 15, 25, 35) eine venturidüsenartig ausgebildete Verengung (2, 12, 22, 42) vorgesehen, deren Austrittsöffnung unmittelbar vor dem Meerwassereinlaß (1, 11, 21, 31) liegt.
14. Produktionsanlage in Schiffs form zur Urangewinnung auf See mißeiner Mehrzahl von Vorrichtungen nach Anspruch 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen über die Länge und Breite des Schiffes verteilt eng benachbart im Schiffsrumpf angeordnet sind und aus einem zwischen den Vorrichtungen verlaufenden Leitungssystem mit über den Schiffsboden (81) eintretendem Meerwasser versorgt werden.
1 5. Anlage nach Anspruch 1 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen an ihrem Meerwassereinlaß und an ihrem Meerwasserauslaß in wechselnder Paarung zusammengeschlossen sind und je Paar mit einer gemeinsamen Meerwasserförderpumpe (91, 92) versorgt werden.
16. Anlage nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meerwasserpumpen (92) im Schiff unterhalb der Wasserlinie (94) angeordnet und als Tauchpumpen ausgebildet sind.