DE4316240C2 - Verfahren zum NE-Metallrecycling in Phosphatierbädern - Google Patents
Verfahren zum NE-Metallrecycling in PhosphatierbädernInfo
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Description
Das beim Phosphatieren auf der Oberfläche von Eisenblechen ge
löste Fe2+ bildet nach der Oxidation zu Fe3+ zusammen mit zuge
setzten Zn2+-, Ni2+- und Mn2+-Ionen eine Oberflächenschutz
schicht. Überwiegend jedoch fällt das Eisen als schwerlösliches
Fe(III)-Phosphat der Form Fe(H2PO4)3 an, das kontinuierlich aus
dem Phosphatierbad abgezogen werden muß.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß das ausgefällte
Eisen(III)-Phosphat mit den Phosphaten des Zinks, Nickels und
Mangans verunreinigt ist, wodurch erhebliche Metallverluste ent
stehen; insbesondere bei Zink liegen sie in einer Größenordnung
von 50% und erreichen bei Nickel und Mangan mindestens 10%.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Umweltgesetzgebung,
die derart NE-metallbelastete Abgänge des Phosphatierens unter
die "besonders überwachungsbedürftigen Abfälle", d. h. Sonderab
fälle, einordnet (Abfallschlüssel 31637, Abfallartenkatalog in
LAGA-Informationsschrift Abfallarten, Erich Schmidt Verlag 1991,
3. Aufl.).
Anstelle einer verfahrenstechnisch aufwendigen Entwässerung und
Deponierung NE-metallhaltiger Eisen(III)-Phosphatschlämme der
Abwasserbehandlung wird von Ripl und Wiesmann (BMFT-Forschungs
bericht 02WS8576/5) ein Aufarbeitungsverfahren vorgeschlagen,
bei dem technisches Calciumphosphat gewonnen, Eisensalz als Fäl
lungsmittel im Kreis geführt und Schwermetalle abgeschieden
werden.
Der erste Schritt des genannten Verfahrens besteht aus der
Begasung des Fällungsschlammes mit Schwefelwasserstoff. Dabei
werden Phosphat rückgelöst und Metallsulfide gebildet, die sich
als Schlamm abtrennen lassen. Über 99% des Phosphats können
kontinuierlich wieder in Lösung gebracht und über 98% des
Eisens und der sonstigen Schwermetalle ausgefällt werden. Der
Phosphatschlamm wird in einem kontinuierlichen Rührreaktor mit
Gaseinleitung (H2S) zu Sulfidschlamm umgesetzt und in einem wei
teren Reaktor durch Stickstoffspülung von H2S-Resten befreit.
Die für eine nahezu vollständige Umsetzung erforderliche Ver
weilzeit beträgt bei stöchiometrischem H2S-Zusatz etwa 60
Minuten, wobei für 1 Mol Fe3+ 1,5 Mol H2S einzusetzen sind, da
33% des H2S vor der Fällung des FeS für die Reduktion zu Fe2+
unter Bildung von kolloidal verteiltem Schwefel verbraucht
werden. Für den Trockenstoffgehalt werden 4,5% nach der Sedi
mentation und 20% nach dem Zentrifugieren angegeben. Im zweiten
Verfahrensschritt wird der von der phosphatreichen Lösung abge
trennte und eingedickte Sulfidschlamm mit Salzsäure behandelt.
Zur Vermeidung der Oxidation des Sulfids zu Elementarschwefel
ist unter Ausschluß von Luftsauerstoff oder sonstiger Oxida
tionsmittel zu arbeiten. Es wird angestrebt, zunächst das
Eisensulfid selektiv zu lösen, damit das Eisen, mit möglichst
wenig sonstigen Schwermetallen belastet, nach Oxidation zu Fe3+
wieder zur Phosphatfällung eingesetzt werden kann. Dieses Ziel
ist jedoch nur unter der Voraussetzung zu erreichen, daß das FeS
das größte Löslichkeitsprodukt aller vorhandenen Sulfide be
sitzt. Enthält der Schlamm jedoch Metalle, die ebenso wie Fe
analytisch zur Ammoniumsulfidgruppe gehören (Ni, Co, Mn, Al, Cr,
Zn), ist nach anderen Möglichkeiten zur Abtrennung des Eisens zu
suchen. Das beim Lösen der Sulfide freigesetzte H2S-Gas wird in
die erste Verfahrensstufe (Umsetzung der Phosphate in Sulfide)
zurückgeführt; durch Oxidation des Sulfids zu Schwefel ver
brauchtes H2S ist zu ergänzen. Die Reaktionsdauer beträgt etwa
30 bis 60 min. Der Rücklösegrad für die Metalle der Ammoniumsul
fidgruppe ist größer als 0,8 und kann durch Verlängerung der
Reaktionszeit, Überschuß an Salzsäure oder Temperaturerhöhung
auf nahezu 1,0 gesteigert werden. Der dritte Verfahrensschritt
besteht in der Ausfällung des Phosphats aus der im ersten Ver
fahrensschritt erzeugten schwermetallfreien Phosphatlösung mit
Kalkmilch. Es wird eine weitgehend vollständige Fällung und ein
innerhalb von 5 min. sedimentierender Niederschlag erhalten,
wenn ein Überschuß an Kalkmilch zugesetzt wird. Der End-pH-Wert
beträgt dann etwa 10, so daß die Lösung vor dem Ableiten neutra
lisiert werden muß. Der erhaltene Feststoff hat einen Trocken
stoffanteil von 1,9%. Obgleich bei diesem Verfahrensvorschlag
keine festen Rückstände entstehen und eine NE-Metallrückgewin
nung möglich ist, weist dieser Weg folgende Nachteile auf:
- - H2S-Verlust von ca. 33%
- - Emissionsprobleme,
- - erforderliche Aufarbeitung der NE-Metallösung,
- - Aufsalzung des Abwassers.
Eine weitere Möglichkeit zur Aufarbeitung von Phosphatierschläm
men, die hohe Gehalte an NE-Metallen aufweisen, besteht in der
vollständigen Auflösung mit mäßig konzentrierter Phosphorsäure
in Gegenwart von elementarem Eisen als Reduktionsmittel. Die
Aufarbeitung der metallhaltigen Phosphatlösung kann durch Kombi
nation von festem Ionenaustausch, Fällung und Solventextrakten
erfolgen. Dieser Verfahrensvorschlag lehnt sich an ein Verfahren
zur Enteisung von Phosphorsäurebädern mit dem Ziel der Rückge
winnung der Phosphorsäure an (Busse: Wasser, Luft und Betrieb 3,
1959, S. 221-222). Die Vorteile des Verfahrensvorschlages sind
die Verminderung fester Rückstände, die Rückgewinnung von H3PO4
und der NE-Metalle. Demgegenüber überwiegen jedoch die Nachteile
durch
- - Erhöhung der Eisenkonzentration bei der Reduktion von Fe3+ mit elementarem Eisen,
- - Kontaminationsgefahr der regenerierten H3PO4,
- - Notwendigkeit der Abtrennung von ins Bad geschleppten Ölen,
- - erforderliche Aufarbeitung der NE-Metallösung,
- - Aufsalzung des Abwassers,
- - hohen Reagenzaufwand,
- - hohen verfahrenstechnischen Aufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verfahren zu Verfügung
zu stellen, mit dem es gelingt, die NE-Metalle, insbesondere
Zink, Nickel und Mangan, weitgehend selektiv aus dem Phospha
tierschlamm abzutrennen und direkt dem Bad wieder zuzuführen, so
daß die bei der heute üblichen Verfahrensweise des Phosphatie
rens anfallenden NE-metallhaltigen Abgänge, die zu den besonders
überwachungsbedürftigen Abfällen gehören, vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn
zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbil
dungen beschreiben die Unteransprüche.
Danach werden die NE-metallhaltigen Phosphatierschlämme mit ver
dünnter H3PO4 im Bereich zwischen pH 1,2 und 1,8 bei Temperatu
ren zwischen 60 und 100°C über einen Zeitraum zwischen 30 und
120 Minuten gelaugt, wobei die NE-Metalle vollständig in Lösung
gehen, während die Eisenphosphate vollständig im Rückstand ver
bleiben. Die Eisenphosphate können als Vorstoff für die Erzeu
gung von Phosphatdünger und zur Herstellung Eisen(III)-Salzen
eingesetzt werden, so daß der Phosphatierprozeß ohne Erzeugung
von Reststoffen betrieben werden kann.
Es ist bekannt, daß bei der Fällung von Metallphosphat in Phos
phorsäure verschiedene metastabile Phasen gebildet werden. Diese
metastabilen Phasen gehen sehr langsam in die stabilen Modifika
tionen über [M. V. Goloschchapow zw. Neorgan. Khim 1 (1956)
2633/7]. Die metastabilen, amorphen Metallphosphate sind sehr
viel leichter löslich als die stabile kristalline Form. Bei
Raumtemperatur lassen sich z. B. nahezu 80% des metastabilen,
frisch gefällten Eisenphosphates in verdünnter Phosphorsäure bei
pH 1,3 lösen.
Im allgemeinen erhöht sich die Löslichkeit von Metallphosphaten
mit steigender Reaktionstemperatur. Überraschenderweise nimmt
die Löslichkeit der Eisenphosphate der Phosphatierschlämme je
doch mit zunehmender Temperatur ab, so daß z. B. bei 60°C und
pH 1,3 nur noch Spuren von Eisen in Lösung gehen. In einem relativ
engen pH-Bereich von 1,2 bis 1,8 lassen sich dann die Phosphate
des Zinks, Nickels und Mangans quantitativ und selektiv mit
verdünnter Phosphorsäure lösen und von dem schwerlöslichen
Eisenphosphat abtrennen.
Als Ursache der erfindungsgemäßen selektiven Laugbarkeit von
Zink-, Nickel- und Manganphosphaten in Gegenwart frisch gefäll
ter Eisenphosphate werden Strukturumwandlungen von leichtlös
lichen amorphen Eisenhydroxophosphaten [H. T. S. Britton: I. Chem.
Soc. 1927, S. 614-630] in schwer lösliche Eisenphosphate ver
mutet, die bei einer Laugetemperatur eintreten, die oberhalb der
im Phosphatierbad herrschenden Fällungstemperatur liegen muß.
Für den Betrieb von Phosphatierbädern ergibt sich nunmehr die
Möglichkeit, durch Einschaltung einer phosphorsauren Laugung
zwischen Phosphatierbad und Fest/Flüssig-Trennung den mit dem
Phosphatierschlamm ausgetragenen Anteil an Zink, Nickel und
Mangan abzutrennen und direkt in das Bad zu recyceln. Damit
lassen sich Verluste von ca. 50% Zn, 10% Ni und 10% Mn ver
meiden und ein verwertbarer Eisenphosphatrückstand erzeugen. Im
Gegensatz zu den heute üblichen Phosphatierprozessen ergeben
sich bei geringem zusätzlichen verfahrenstechnischen Aufwand
folgende Vorteile:
- - vollständiges NE-Metallrecycling,
- - Reagenzieneinsparung,
- - kein Zusatz fremder Reagenzien und damit keine Kontamination des Bades,
- - verwertbare Reststoffe,
- - kein Abwasser.
In der Zeichnung wird das erweiterte Verfahrensschema des Phos
phatierens entsprechend der erfindungsgemäßen Abtrennung der
NE-Metalle Zink, Nickel und Mangan durch selektive Laugung dar
gestellt. Danach wird die Badsuspension, die die Fällungsproduk
te des Eisens und der NE-Metalle enthält, in einem Eindicker
konzentriert. Der Eindickerüberlauf (3) wird wie üblich, unmit
telbar in das Phosphatierbad zurückgeführt, während der Unter
lauf in eine Laugestufe (4) mit verdünnter H3PO4 gelangt, wobei
die NE-Metalle Zink, Nickel und Mangan in Lösung gehen und das
Eisenphosphat als Rückstand verbleibt. Nach der Trennung fest/
flüssig wird die phosphorsaure NE-Metallösung, in der sich auch
die dem Bad zugesetzten Beschleuniger unverändert befinden, in
einem Konditionierer (6) durch Ergänzung der für die Schicht
bildung verbrauchten Steuermetalle auf die im Bad herrschenden
Bedingungen eingestellt und diesem wieder zugesetzt. Die nach
der Trennung fest/flüssig anfallenden Eisenphosphate (7) können
z. B. zu Ammoniumphosphatdünger (8), der den Anforderungen der
Düngemittelverordnung entspricht, und Eisen(III)Salzen (9), die
ggf. im Phosphatierbad wieder als Flockungsmittel bzw. in der
Abwassertechnik eingesetzt werden können, aufgearbeitet werden.
Das Verfahren wird nachfolgend anhand einiger Beispiele belegt.
Ein Phosphatierschlamm mit:
16900 mg/kg | Fe |
74300 | Zn |
4300 | Ni |
16200 | Mn |
und pH | 3,8 |
wird bei einem pH-Wert von 3,8 in Abhängigkeit von der Tempera
tur bei einem Feststoffgehalt von 45 g/l gerührt. Wie Tabelle 1
zu entnehmen ist, läßt sich unter diesen Bedingungen, die einem
Waschvorgang entsprechen, eine nennenswerte Abtrennung von Zn,
Ni und Mn auch nach 60 Minuten nicht erreichen.
Wenn der gleiche in Beispiel 1 angegebene Phosphatierschlamm mit
verdünnter H3PO4 im pH-Bereich zwischen 1 und 2 bei 60°C unter
sonst gleichen Bedingungen behandelt wird, ergeben sich die in
Tabelle 2 zusammengefaßten Laugeergebnisse. Den Einfluß der
Reaktionsdauer zeigen die in Tabelle 3 angegebenen Daten.
Die erfindungswesentliche Abnahme der Lösbarkeit des Eisenphos
phats in Abhängigkeit von der Laugetemperatur ist Tabelle 4 zu
entnehmen.
Ein anderer Phosphatierschlamm mit:
195000 mg/kg | Fe |
80000 | Zn |
6700 | Ni |
22400 | Mn |
und pH | 3,8 |
zeigte im Unterschied zu dem in Beispiel 2 verwendeten Ausgangs
material, daß die erfindungswesentliche Abnahme der Lösbarkeit
des Eisens erst bei einer Laugetemperatur von 80°C eintritt. Wie
aus Tabelle 5 hervorgeht, wird dadurch das Ausbringen von Zink,
Nickel und Mangan nicht beeinträchtigt.
Bei Erhöhung der Feststoffkonzentration bis auf 225 g/l zeigen
die in Tabelle 6 angegebenen Ergebnisse, daß es ggf. vorteilhaft
ist, die Laugung zweistufig durchzuführen.
Claims (7)
1. Verfahren zum NE-Metallrecycling in Phosphatierbädern,
dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden NE-
metallhaltigen Schlämme bzw. Suspensionen mit verdünnter
Phosphorsäure im Bereich zwischen pH 1,2 und 1,8 bei
Temperaturen zwischen 60 und 100°C über einen Zeitraum
zwischen 30 und 120 Minuten einer Laugung unterzogen
werden, wobei die NE-Metalle vollständig in recycling
fähige phosphorsaure Lösungen überführt werden, während
die NE-metallfreien Eisenphosphate einen verwertbaren
Reststoff bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die in phosphorsaure Lösungen überführten NE-Metalle
Zink, Nickel und Mangan sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die phosphorsaure Zink-, Nickel- und Manganlösung direkt
ins Phosphatierbad zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die phosphorsaure Zink-, Nickel- und Manganlösung in
einer Konditionierstufe durch Zusatz von Lösung der
Einzelmetalle Zink, Nickel und Mangan auf die im Bad
herrschenden Metallkonzentrationsverhältnisse eingestellt
und dann recyceld wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Laugung der Metalle Zink, Nickel
und Mangan bei Feststoffgehalten von zumindest 20 g/l
zweistufig erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Eiseninhalt der
Eisenphosphatrückstände in ein Eisen(III)-Salz überführt
wird.
7. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 6
erhaltenen NE-metallfreien Eisenphosphatrückstandes als
Vorstoff für die Erzeugung eines Phosphordüngers.
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---|---|---|---|
DE4316240A DE4316240C2 (de) | 1992-05-26 | 1993-05-14 | Verfahren zum NE-Metallrecycling in Phosphatierbädern |
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DE4316240A1 DE4316240A1 (de) | 1993-12-02 |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4316240C2 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19545122B4 (de) * | 1994-12-19 | 2007-03-29 | Volkswagen Ag | Verfahren zur Erhöhung des pflanzenverfügbaren Phosphorgehaltes metallurgischer Schlacken |
CN114604837B (zh) * | 2022-03-30 | 2022-10-21 | 湖北宇浩高科新材料有限公司 | 一种磷酸铁的制备方法、磷酸铁锂的制备方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2629776A1 (de) * | 1975-07-05 | 1977-01-20 | Metallgesellschaft Ag | Verfahren zur behandlung von phosphatierschlamm |
DE4103460A1 (de) * | 1991-01-30 | 1992-08-06 | B U S Berzelius Umweltservice | Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung von phosphatierschlamm |
-
1993
- 1993-05-14 DE DE4316240A patent/DE4316240C2/de not_active Expired - Fee Related
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