DE60032741T2

DE60032741T2 - Verfahren und vorrichtung zum aktivieren einer physikalischen und/oder chemischen reaktion in einer flüssigkeit

Info

Publication number: DE60032741T2
Application number: DE60032741T
Authority: DE
Inventors: Gerard Bienvenu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: DE60032741D1; CA2360166A1; CA2360166C; AU2553800A; AU761078B2; EP1154850B1; WO2000047318A1; ATE350148T1; US6616730B1; FR2789331A1; FR2789331B1; EP1154850A1

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aktivierung einer physikalischen oder chemischen Reaktion, mit der die Kinetik der Reaktion erhöht werden kann. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren, mit dem in Lösungen gelöste Metalle abgeschieden werden können, das in folgenden Schritten besteht:

– Einbringen der Lösung in einen Reaktor mit zwei Wänden, die sich gegenüberliegen und nahe beieinander angeordnet sind, wobei das Gemisch den Raum zwischen den beiden Wänden füllt und dort eine Schicht geringer Dicke und großer Länge in einer Richtung bildet, die durch eine zu den Wänden parallele geometrische Achse definiert wird,
– Umrühren der Lösung durch Aktivierung einer Umrührungsvorrichtung, die außerhalb des Reaktors angeordnet ist, um durch die genannten Wände hindurch auf eine Umrührungszone einzuwirken, die einen Teil der genannten Schicht erfasst und geringe Abmessungen in Richtung der geometrischen Achse hat,
– und Bewegen der Umrührungsvorrichtung, damit die Umrührungszone im Wesentlichen den ganzen Raum zwischen den beiden Wänden durchläuft.

Stand der Technik
Das Dokument EP-A-0 014109 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beförderung physikalischer und/oder chemischer Reaktionen in einem fluiden Medium, indem eine in dem Fluid zerstreute und bei der zu befördernden Reaktion eine physikalische und/oder chemische Rolle spielende magnetische Substanz einem variablen Magnetfeld ausgesetzt wird.
Das Magnetfeld wird durch verschiedene elektromagnetische Spulen erzeugt, die außerhalb eines Behälters oder Reaktors angeordnet sind, der das fluide Medium und die magnetische Substanz enthält. Der Reaktor ist ein geraden Kreiszylinder. Die Spulen sind vorzugsweise auf mehreren Ebenen entlang der Höhe des Reaktors angeordnet, sodass die Zone, auf die das Magnetfeld einwirkt, einen wesentlichen Bereich des Reaktors erfasst, und zwar mit mehreren Elektromagneten auf jeder Ebene.
Bei bestimmten physikalischen und/oder chemischen Reaktionen, die mit dem oben beschriebenen Verfahren und der oben beschriebenen Vorrichtung unterstützt werden sollen, erweist sich die lineare Höchstgeschwindigkeit des Fluids in dem Reaktor als Ausschlag gebend für die Wirkung der Reaktion und muss relativ niedrig gehalten werden. Dies ist insbesondere der Fall bei Zementierungsreaktionen. Als Zementierung wird hier das Verfahren verstanden, das darin besteht, ein relativ edles Metall M_N, das in ionischer Form in einer Lösung vorliegt, durch ein reaktiveres Metall M_R zu ersetzen, das in fester Form eingeleitet wird, mit einer Abscheidungsreaktion der Art:
Bei einer solchen Reaktion ist die Kinetik des Prozesses abhängig von der von dem festen reaktiven Metall gebotenen Fläche und der Konzentration der Edelmetalllösung. Es ist somit wünschenswert, die mit dem reaktiven Metall in Kontakt stehende Lösung schnell zu ersetzen, damit die Lösung, die sich nahe des reaktiven Metalls befindet, nicht an Ionen des Edelmetalls abgereichert wird. Parallel dazu ist es wünschenswert die Reaktionsfläche zu vergrößern. Reduziert man die Größe der Partikel des reaktiven Metalls jedoch zu sehr, um ihre Reaktionsfläche zu vergrößern, wird es schwierig, eine relative Fließgeschwindigkeit der Lösung bezogen auf die Partikel aus reaktivem Metall zu erreichen, die ausreicht, um die vorgenannte Abreicherung der Lösung zu verhindern. Darüber hinaus wird mit einer zu hohen Fließgeschwindigkeit die Behandlung der Lösung in nur einem Durchgang verhindert, weshalb die Lösung mehrmals über das gleiche Bett aus reaktivem Metall geleitet werden muss, wobei sie jedesmal mit nicht behandelter Lösung vermischt wird. Um eine optimale Kinematik und einen optimalen Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, muss also ein Kompromiss zwischen der Größe der Partikel aus reaktivem Metall und der relativen Geschwindigkeit der Lösung bezogen auf diese Partikel gefunden werden. Darüber hinaus darf sich das Edelmetall nicht an der Oberfläche des reaktiven Metalls absetzen, in welchem Fall die Reaktion schnell passiviert würde.
Wenn das vorstehend beschriebene Verfahren der Aktivierung durch elektromagnetische Felder im Rahmen der Zementierungsreaktionen angewandt wird, welche die Abscheidung eines Edelmetalls wie Kupfer mit Hilfe von Eisen als reaktivem Metall erreichen wollen, ermöglicht das Anlegen eines alternativen Magnetfelds eine Umrührung der Lösung und eine Beschleunigung seiner Kinetik. Dennoch muss die durchschnittliche lineare Geschwindigkeit der Lösung im aktiven Teil des Reaktors, der dem Magnetfeld ausgesetzt ist, aus den vorstehend genannten Gründen innerhalb einer Spanne mit einem niedrigen oberen Wert bleiben. Nimmt man also beispielsweise drei Ebenen mit vier Paaren Elektromagneten, wie in dem Dokument EP-A-0 014109 beschrieben, mit einer Lösung einer Titrierung von 3 g/l Kupfer, liegt die durchschnittliche lineare Geschwindigkeit der Lösung bei nur etwa 12 cm/s.
Durch diese Vorgabe ist es der Querschnitt des aktiven Teils des Reaktors, der die Durchsatzleistung des Reaktors bestimmt. Bei einer solchen Vorrichtung ist der Querschnitt des Reaktors jedoch stark begrenzt durch die Leistung der verfügbaren Elektromagneten. In der Praxis geht der verwendete Durchmesser nicht über 16 cm hinaus, wodurch nur ein maximaler Durchsatz von 10 m³/h erreicht werden kann. Diese Leistungen sind weit entfernt von denen, die auf industrieller Ebene bei Metallurgieverfahren erreicht werden, wenn man bedenkt, dass bei einer industriellen Anlage, mit der aus einer Lösung mit einer Titrierung von 3 g/l Kupfer beispielsweise 5000 Tonnen Kupfer pro Jahr gewonnen werden können, ein Durchsatz von 190 m³/h erforderlich ist, was mit der beschriebenen Technologie 20 Reaktoren mit insgesamt 240 Paaren Elektromagneten erforderlich machte. Die durch solche Elektromagneten verursachten Kosten sind hoch, was diese Art von Technologie disqualifiziert. Die Elektromagneten stellen nämlich im Investitionsplan einen hohen Kostenfaktor dar. Darüber hinaus verursachen sie hohe Betriebskosten, da sie sehr viel Energie verbrauchen und hohe Wartungs- und Unterhaltungskosten mit sich bringen.
Außerdem wurde versucht, die Austauschfläche zwischen dem reaktiven Metall und der Lösung mittels Wirbelbetten zu verbessern. Ein Beispiel der Anwendung solcher Wirbelbetten ist in dem Patent US-A-3 154 411 beschrieben. Bei dieser Ausführung werden nahezu 99 % in einer Lösung gelösten Kupfers abgeschieden. Dennoch reagiert das eingesetzte Eisen sehr stark mit dem sauren Milieu, wodurch sehr viel Wasserstoff freigesetzt wird und ein Verlust des Eisenertrags entsteht. Außerdem ist dieses Verfahren kein durchgehendes Verfahren und sind die Kupferzemente stark eisenhaltig. Darüber hinaus lehrt das Schweizerische Patent Nr. 9827/72, dass man den Problemen, denen man bei Wirbelbetten begegnet, aus dem Weg gehen kann, wenn man die Zementierung von Metallen wie Cu, Cd, Co... auf Zinkkörnern vornimmt, die in einem mechanisch gerührten Reaktor suspendiert werden. Bei dieser Ausführung ist der Austausch sehr gut und werden die abgeschiedenen Metalle aus dem Wirbelbett herausgetrieben, während die gröberen Zinkkörner dort bis zum Erreichen einer sehr kleinen Größe verharren. Der Nachteil dieses Systems liegt in dem Problem, ein zuverlässiges mechanisches Bewegen in einem röhrenförmigen Reaktor großer Höhe zu erreichen. Jedes mechanische System, das unter solchen Umständen eingesetzt wird, wird chemisch angegriffen und von den Zementen abgerieben. Um zu funktionieren, muss bei diesen Systemen auf schwierige Anordnungen zurückgegriffen werden wie beispielsweise auf Lager, die ständig unter dem Druck einer reinen und neutralen Lösung gehalten werden.
Das Dokument US 5227138 betrifft eine Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, eine biologische Flüssigkeit in einer Kapillare zu bewegen, in der ein von außen mittels eines Dauermagneten angetriebener ferromagnetischer Kolben bewegt wird. Diese Vorrichtung ist für biologische Einsatzzwecke vorgesehen.
Das Dokument US 5222 808 beschreibt ein Gemisch aus zwei Flüssigkeiten in einer Kapillare. Es bedient sich eines magnetischen Umrührungssystems, das einen oder mehrere Magnetkerne einsetzt, die von einem variablen äußeren Magnetfeld bewegt werden. Die Magnetkerne bestehen aus mikroskopischen Pulvern, die sich auf den Linien der Felder ausrichten und dabei Aggregate bilden. Diese Vorrichtung ist ebenfalls für biologische Einsatzzwecke vorgesehen.
Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung will die Nachteile verringern, die den vorstehend beschriebenen Technologien der Fernaktivierung innewohnen. Sie will ein Verfahren zur Zementierung von Metallen mit optimalem Wirkungsgrad entwickeln. Sie will eine Vorrichtung an die Hand geben, deren Einzeldurchsatz bei der Behandlung hoch ist. Sie zielt ferner darauf ab, eine stärkere Umrührung der Fluidlösung zu ermöglichen, die in die zu aktivierende Reaktion eingreift, dabei jedoch die Anzahl und Kosten der Aktivierungsmittel begrenzt.
Das Aktivierungsverfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass:

– feste ferromagnetische, suspendierte Partikel in der Strömung der Lösung verwendet werden, die Sitz einer Ablagerung bei der Zementierungsreaktion sind, wobei die Partikel eine vorbestimmte Größe haben,
– die Lösung vom unteren Bereich des Reaktors her eingebracht wird, wodurch eine aufsteigende Strömung der Lösung in einer vertikalen, zu den Wänden parallelen Richtung erzeugt wird, während die festen ferromagnetischen Partikel im oberen Bereich des Wirbelbetts eingeleitet werden.

Die zwischen den festen, ferromagnetischen Partikeln und den Reaktorwänden erzeugten Stöße ermöglichen ein kontinuierliches Ablösen der Metallablagerungen.
Vorzugsweise wird die Umrührungsvorrichtung in einer Hin- und Herbewegung zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition bewegt, die so angeordnet sind, dass die Umrührungszone geeignet ist, im Wesentlichen den ganzen Raumabschnitt zu durchlaufen. Das Bewegen der Umrührungsvorrichtung kann sich auf eine parallele Hin- und Herbewegung beschränken. Die Behandlungsleistung ist hoch, da es keine Begrenzungen hinsichtlich des Querschnitts des Reaktors gibt, der eine gewünschte Breite oder einen gewünschten Durchmesser zur Behandlung eines gegebenen Durchsatzes an Lösungen aufweisen kann, dabei aber einen begrenzten Spalt aufrechterhält. Die Umrührungsvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Elektromagneten, die sequenziell mit periodischen Strömen versorgt werden, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das geeignet ist, die ferromagnetischen Partikel wechselweise in zwei verschiedene Richtungen auszurichten. Die dünne Fluidschicht in der aktiven Zone ermöglicht eine maximale Wirkung der magnetischen Kräfte, gleichzeitig aber auch einen hohen Durchsatz, was bei den zylindrischen Anordnungen des Stands der Technik nicht möglich ist.
Alternativ oder kumulativ können andere Umrührungsmittel vorgesehen werden, beispielsweise mindestens ein Ultraschalltransducer, wobei mindestens eine der Wände mit einer elastischen Membran überzogen ist, die ein Gel enthält, das für die Übertragung der Ultraschallwellen geeignet ist, wobei der Transducer einen Kopf hat, der in Kontakt mit der elastischen Membran ist.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung betrifft diese ferner eine Vorrichtung zur Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens und umfasst Mittel zum Einleiten der Lösung vom unteren Bereich des Reaktors her, wodurch eine aufsteigende Strömung der Lösung in einer vertikalen, zu den Wänden parallelen Richtung erzeugt wird, während die festen, ferromagnetischen Partikel im oberen Bereich des Wirbelbetts eingeleitet werden.
Nach einer Variante umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einführen reaktiver Metalldrähte, die zum Einleiten flüssiger chemischer Zuschlagmittel verwendet werden können.
Vorzugsweise sind beide Wände so ausgebildet, dass ihre Außenfläche geometrisch von einer Reihe von Segmenten von Geraden definiert wird, die parallel zu ein und derselben geometrischen Achse sind und sich auf eine beliebige Kurve stützen, die sich auf einer zur genannten Achse quer verlaufenden Ebene erstreckt, wobei der Abstand zwischen jedem Segment einer der Wände und der anderen Wand konstant ist. Diese geometrische Definition schließt insbesondere den Fall ein, bei dem jede der beiden Wände eben oder zylindrisch ist, bei kreisförmiger Grundfläche.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner Antriebsmittel für das Fluid in einer zur geometrischen Achse parallelen Richtung, wobei die Wände an ihren einander gegenüberliegenden Seiten Rauheiten aufweisen, die Begrenzungen bilden, die geeignet sind, örtlich eine Beschleunigung des Fluids zu bewirken.
Die Erfindung ist in erster Linie auf die Zementierung von Nichteisenmetallen anwendbar, und zwar sowohl im Bereich der Primär-Metallurgie als auch im Bereich der Dekontaminierung schwermetallhaltiger Böden und Lösungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung hervor, die beispielhaft und nicht erschöpfend gegeben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
1 schematisch in einem Schnitt entlang einer Vertikalebene eine Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung darstellt;
2 eine Schnittansicht entsprechend der Ebene II-II der 1 darstellt;
3 eine Seitenansicht der Vorrichtung der 1 darstellt;
4 eine Schnittansicht einer Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;
5 einen Vertikalschnitt einer Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
6 eine Schnittansicht entsprechend der Ebene VI-VI der 5 ist;
7 eine Schnittansicht einer Vorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist;
8 eine Schnittansicht einer Vorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung ist.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug zu den 1 bis 3 umfasst eine Vorrichtung 10 zur Aktivierung einer Zementierungsreaktion einen Reaktor 12 mit rechteckigem Querschnitt auf einer zur Ebene der 1 lotrechten Ebene und bildet einen Behälter mit zwei ebenen Längswänden 14, 16, die einander gegenüberliegen, und zwei Wänden mit geringen Abmessungen 18, 20. Jede der Längswände ist zwei Meter hoch und 16 Zentimeter breit. Der Abstand zwischen den beiden Längswänden beträgt etwa 4 cm.
Die Abdeckung, die die Oberseite des Reaktors bildet, ist mit einem Befülltrichter 22 versehen, der für die Beschickung des Reaktors mit Eisenkugeln 24 vorgesehen ist, die in diesem Fall das reaktive Metall darstellen. Die Unterseite ist mit einer Zuleitung 26 versehen, die einer Pumpe 27 nachgeschaltet angeordnet und mit Einspritzdüsen 28 versehen ist. Diese Leitung ermöglicht das Einleiten der Lösung, die das Edelmetall enthält, das entzogen werden soll. Ein Ventil 30 ermöglicht die Entleerung des Reaktors. Im oberen Bereich des Reaktors ist eine Abführleitung 31 vorgesehen. Die Strömung des Gemischs in dem von dem Reaktor gebildeten Behälter ist somit aufsteigend und folgt im Wesentlichen einer vertikalen, zu den ebenen Wänden 14, 16 parallelen Richtung 100.
An der Abdeckung des Reaktors sind zwei Befestigungsflansche 32, 33 angeordnet, die jeweils eine seitliche Schiene 34, 36 tragen. Diese Schienen führen einen von zwei Längsträgern 40, 42 und zwei Querträgern 44, 46 gebildeten Schlitten 38 in seiner Translationsbewegung, der den Reaktor 12 umgibt, wobei die Querträger lineare Lager umfassen, die mit den Schienen 34, 36 zusammenwirken. Der Schlitten 38 trägt in dem Beispiel vier Paare Elektromagneten A, A', B, B', C, C' et D, D', deren Pole mittels Kernen aus geschichtetem Siliziumstahlblech miteinander verbunden sind.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Antriebsvorrichtung 50 für den Schlitten, die aus einem Elektromotor 52 besteht, der mit einem Getriebe versehen ist, das mit einem Untersetzungsgetriebe 54 verbunden ist, dessen Abtriebswelle 56 zwei koaxiale Zylinder 58, 60 antreibt, die als Winde dienen. Ein Kabel 62, 64 verbindet die Winden 58. 60 jeweils mit einem der Längsträger 40, 42.
Die Vorrichtung funktioniert wie folgt.
Die Elektromagneten werden paarweise periodisch erregt, beispielsweise (AA'), dann (BB'), dann (CC'), dann (DD'), dann (DC'), dann (CB'), dann (BA'), sodass die Feldlinien gekreuzt werden und die ferromagnetischen Partikel gezwungen werden, sich wechselweise in den beiden Richtungen xx' und zz' auszurichten, wie in 2 gezeigt. Die Erregung der Elektromagneten wird mittels eines programmierbaren Automats in der vorstehend genannten Reihenfolge gesteuert.
Gleichzeitig bewegt sich der Schlitten 38, der die Elektromagneten trägt, parallel zur Achse 100 langsam von oben nach unten und von unten nach oben. Die Periodizität des die Elektromagneten tragenden Schlittens ist so bemessen, dass während eines Zeitraums von 10 Sekunden bis 2 Minuten ein Hin- und Rückweg zurückgelegt wird.
Durch Koordinierung der Bewegung des Schlittens 38 und der Erregung der Elektromagneten kann die Umrührung programmiert werden, um sie den kritischsten Bereichen wie denen, die sich in Höhe der Einspritzdüsen 28 für die Lösung befinden, so stark wie möglich zu machen. Durch die richtige Einstellung der Erregungszeit und der Geschwindigkeit des die Elektromagneten tragenden Schlittens 38 können die am Boden des Wirbelbetts befindlichen Partikel auch teilweise zu einer Aufwärtsbewegung angeregt werden. Dies ist von Vorteil, da der obere Bereich eines Wirbelbetts immer ein wenig aktiver Bereich mit hoher Porosität ist (Vorhandensein weniger Partikel und geringe Partikelgröße).
Um die Wirkung der elektromagnetischen Aktivierung zu zeigen, wurden mit dem Reaktor der 1 bis 3 Zementierungsversuche einer kupferverdünnten Lösung durchgeführt.
Die Lösung hatte zu Beginn eine Titrierung von 2,5 g/l Kupfer in Form von in Schwefelsäure mit einem pH-Wert von 1,5 gelöstem Sulfat.
Ein erster Versuch wurde ohne Einwirkung des Magnetfelds im Wirbelbett durchgeführt. Der Reaktor war vorab mit 25 kg Eisenkügelchen mit einem Durchmesser von 3 mm befüllt worden. Von der Lösung, deren ursprüngliches Volumen 1 m³ betrug, wurden 2,5 m³/h eingeleitet. Nach 25 Minuten wurde die Durchflussbilanz der Lösung durch das Wirbelbett gezogen. Die Kupferzemente wurden dekantiert, gewaschen und mit einem Filter, beispielsweise einem Buchnerfilter, gefiltert und dann getrocknet und gewogen. Der Gehalt der analysierten Lösung nach dem ersten Durchgang betrug 0,43 g/l. Die gewogene Zementmenge betrug 1,72 kg, wobei das Restkupfer an den in dem Bett enthaltenen Eisenkugeln fixiert blieb. Der pH-Wert der Lösung stieg von 1,5 auf 1,97. Der Eisengehalt des Kupfers nach dem Umschmelzen wurde gemessen und ergab einen Wert von gleich 2 %.
Die in dem Bett enthaltenen Eisenkügelchen wurden während einer Stunde unter Magnetanregung mit Wasser gewaschen, um das Restkupfer an ihnen zu entfernen. Es wurden 0,260 kg Kupfer erhalten, wodurch der Kupferertrag bei 95,6 % lag. Der Eisengehalt der Lösung wurde gemessen und ergab einen Wert gleich 2,36 g/l, wodurch der Wert des Eisenertrags bei 74 % lag.
Der gleiche Versuch wurde unter im Wesentlichen gleichen Bedingungen wiederholt, wobei die Elektromagneten jedoch gemäß folgendem Zyklus erregt wurden:
Erregung während 30 μs in der Reihenfolge AA', BB', CC', DD', gefolgt von einer Pause von 15 μs, dann erneut eine Anregung von 30 μs in der Reihenfolge DC', CB', BA', gefolgt von einer neuerlichen Pause von 15 μs vor dem Neustart des Zyklus. Gleichzeitig wurde der Schlitten mit einer konstanten Geschwindigkeit von 10 cm/s in einer Hin- und Herbewegung von einem Ende des Reaktors zum anderen bewegt.
In diesem Fall wurden 2.205 kg Kupfer mit einer Titrierung von 1,1 % Eisen in Form von Zementen erhalten, was einem Ertrag von etwa 98,6 % gleichkommt. Der gemessene Eisengehalt in der Lösung betrug hier 1,95 g/l und der pH-Wert betrug am Ende 1,53. Der auf der Grundlage der Analysen der Lösung berechnete Eisenertrag lag somit bei 96 %, gegenüber 74 % bei dem vorhergehenden Versuch.
Nach einer zweiten, in 4 veranschaulichten Ausführungsform ist der Reaktor in der Weise verändert, dass die beiden Längswände 14, 16 mit einer oder mehreren Querschnittsverminderungen versehen sind, die Venturis bilden und eine örtliche Beschleunigung des Fluids bewirken sollen. In der Praxis sind zwei Venturis 70, 72 in 60 und 120 cm Abstand vom Boden des Reaktors positioniert. Die Venturis bestehen aus Polypropylenplatten, die winkelförmig gebogen und wie in 4 dargestellt angeschweißt sind. Der Venturispalt beträgt 1,5 cm und ihre Höhe 20 cm.
Zur Veranschaulichung des Einflusses der Venturis wurden zwei Versuchsserien durchgeführt. In diesen Abschnitten des Reaktors erhöhte sich die Geschwindigkeit um 11 bis fast 30 cm/s auf 10 Zentimetern, um dann auf den darüber liegenden 10 Zentimetern wieder von 30 auf 11 cm/s zu sinken. Für eine stärkere Turbulenz in den Venturis wurde in den beiden oberen Kammern ein bestimmter Anteil grober Partikel angeordnet, d.h. 0,8 kg grobe Kugeln mit einer Größe von etwa 4,5 min in jeder Kammer, was einem Lastgrad von etwa 6 % entsprach.
Der erste Versuch wurde ohne Erregung der Elektromagneten durchgeführt. Nach Durchfließen eines Kubikmeters Lösung wurden 2,2 kg Kupferzemente mit einer Eisentitrierung von 1,3 % erhalten, was einem Kupferertrag von 2,09 kg entspricht. Die Messung des Kupfergehalts der Lösung ergab 0,345 g/l. Die Menge der am Eisen verbliebenen Zemente wurde gewogen, ein Wert von 0,14 kg ermittelt. Der endgültige Eisengehalt der Lösung betrug 2,06 g/l und der pH-Wert 1,63. Der Eisenertrag betrug somit etwa 89,5 %.
Der gleiche Versuch wurde unter Erregung der Elektromagneten wiederholt. Dieses Mal war der Ertrag 2,25 kg Kupferzement mit einer Eisentitrierung von 1,12 %, also 2,225 kg Kupfer, was einem Ertrag von 98,5 % entspricht. Die Messung des Eisengehalts der Lösung ergab 1,985 g/l, also einen Ertrag von etwa 97,5. Der pH-Wert der Lösung blieb praktisch unverändert, er stieg nur von 1,5 auf 1,52.
Nach einer dritten, in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung hat der Reaktor 112 einen ringförmigen Querschnitt. Die zu behandelnde Lösung ist zwischen einer Innenwand 114 und einer Außenwand 116 enthalten, die beide zylindrisch sind. Der Abstand zwischen den beiden Wänden, der die Dicke der Lösungsschicht bestimmt, ist etwa der gleiche wie im vorstehenden Beispiel, also 4 cm. Zum Tragen der Elektromagneten sind dann zwei Schlitten 118, 120 erforderlich. Das Bewegen der beiden Schlitten wird von einem gemeinsamen Getriebemotor 122 koordiniert, der drei koaxiale Winden 124, 126, 128, 130 antreibt. Das Kabel des inneren Schlittens umfasst vier Schlingen.
Nach einer vierten, in 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ermöglicht die Anordnung die Durchführung einer indirekten Zementierung durch Einsatz eines wesentlich reaktiveren Metalls als Eisen wie beispielsweise Zink oder Aluminium. Hierzu wird das reaktive Metall (Zink oder Aluminium) in Form von Drähten kontinuierlich in den Reaktor eingeleitet, die in Führungen 132, 134, 136 abgewickelt werden, die in den Reaktor 12 einmünden. Die Führungen werden von Polymerrohren (Polypropylen, Polethylen, ...) gebildet. Sie sind in einer Anzahl von zwei bis drei Führungen pro Meter Breite angeordnet. Die Drähte befinden sich dann in großer Zahl im Reaktionsbereich, in dem sie Stränge bilden, die die Turbulenz erhöhen und eine große Kontaktfläche mit den Eisenkugeln bilden, die ein Potenzial annehmen, das dem des Drahts nahekommt. Unter diesen Bedingungen können sich die Metalle auf der ganzen Oberfläche der Eisenkugeln abscheiden, die in direktem oder indirektem Kontakt mit den Drähten sind. Die Eisenkugeln dienen in diesem Fall nur als magnetisches Umrührungsmittel, während der Draht verbraucht und in dem Reaktor regelmäßig durch sein Abwickeln ersetzt wird.
Nach einer in 8 schematisch dargestellten, fünften Ausführungsform der Erfindung ist der bewegliche Schlitten 150 mit Ultraschall-Transducern 152, 154 ausgerüstet, die eine Aktivierung durch Ultraschall bewirken sollen. Die Anwendung von Ultraschallwellen ist allein schon durch die Konstruktion des Reaktors aus dünnen Platten möglich. Damit sich die Ultraschallwellen durch das Wirbelbett ausbreiten können, müssen die Transducerköpfe in diesem Fall in dauerndem Kontakt mit dem Medium stehen. Hierzu wird der Reaktor 155 doppelt umhüllt, der somit von zwei elastischen Membranen 156, 158 ummantelt ist, die ein Gel 160 wie solche Gele enthalten, wie sie bei der Durchführung von Ultraschalluntersuchungen verwendet werden, oder aber ein Gel aus kolloidaler Kieselerde oder jede andere Art von Gel.
Von der Wirtschaftlichkeit her ist die Verwendung eines Ultraschall-Anregungsmittels teurer als die eines elektromagnetischen Anregungsmittels, doch kann sie in den Fällen sinnvoll sein, in denen jedes Vorhandensein von Eisen oder ferromagnetischem Material vermieden werden soll.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend dargelegten Ausführungsbeispiele begrenzt. Insbesondere kann der als Reaktor dienende Behälter eine beliebige Form haben, die die Bildung von zwei Wänden großer Höhe und mit konstantem Querschnitt durch eine zur Translationsrichtung des Schlittens lotrechten Richtung mit geringem Abstand zwischen ihnen ermöglicht. Wählt man also als Bezugsachse die Richtung der Linearbewegung des Schlittens, muss jede der Längswände des Reaktors ein Segel im geometrischen Sinn des Wortes sein, dessen Umhüllende ein Abschnitt einer zylindrischen Fläche ist, deren Generierende sich in einer Längsrichtung erstrecken. Es wird hier ein Abschnitt einer zylindrischen Fläche als Fläche verstanden, die von einer Reihe von Geradensegmenten gebildet wird, die parallel zur Bezugsachse sind und sich auf eine beliebige Kurve stützen, die ihre Leitlinie ist. Die Leitlinienkurve kann selbst ein Geradensegment sein, wie durch den Reaktor der 1 bis 3 gezeigt, oder ein Kreis, wie durch den Reaktor der 5 und 6 gezeigt.
Darüber hinaus können die Abmessungen der Längswände beliebig sein. Für eine industrielle Nutzung beispielsweise ermöglichen Wände von 4 Metern Breite und 4 Metern Höhe, die in einem Abstand von 10 cm voneinander angeordnet sind, bei einer durchschnittlichen linearen Geschwindigkeit des Fluids von etwa 12 cm/sec einen Durchsatz von 190 m³/h, somit von 5000 t/Jahr bei einer Lösung mit 3 g/l Kupfer. Eine ausreichende Anregung wird in diesem Fall mit 80 Paaren Elektromagneten erreicht. Bei Reaktoren mit zylindrischer Einfassung lägen die Abmessungen bei 1,3 bis 2,6 m im Durchmesser.

Claims

Verfahren zur Aktivierung einer physikalischen und/oder chemischen Reaktion in einem Gemisch, das umgewälzt wird, und die eine Lösung umfasst, die ein Edelmetall in Ionenform enthält, sowie ein reaktives Metall, das in fester Form eingeleitete wird und frei in der Lösung dispergiert ist, zum Erhalt einer Zementation, die darin besteht, dass das in der Lösung vorhandene Edelmetall durch das reaktive Metall ersetzt wird, Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es folgende Schritte umfasst: – Einleiten der Lösung von unten her in einen Reaktor (12), der zwei Wände (14, 16) umfasst, die sich gegenüberliegen und nahe zueinander angeordnet sind, wobei das Gemisch den Raum zwischen den beiden Wänden (14, 16) füllt und dort eine Schicht geringer Dicke und großer Länge in einer Richtung bildet, die durch eine zu den Wänden (14, 16) parallele geometrische Achse definiert wird, – Hervorrufen einer aufsteigenden Zirkulation der Lösung in einer vertikalen, zu den Wänden parallelen Richtung, um ein Wirbelbett zu bilden, – Einleiten fester ferromagnetischer Teilchen im oberen Bereich des Wirbelbetts, die den Sitz einer Ablagerung bei der Zementationsreaktion bilden, – Umwälzen des Gemischs mittels mehrerer Elektromagneten (A, B, C, D, A', B', C', D'), die sequenziell mit periodischen Strömen versorgt werden, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das geeignet ist, die ferromagnetischen Teilchen (24) wechselweise in zwei unterschiedliche Richtungen (xx', zz') auszurichten, wobei die Elektromagnete außerhalb des Reaktors (12) angeordnet sind, um durch die Wände (14, 16) hindurch auf eine Umwälzzone einzuwirken, die einen Teil der genannten Schicht erfasst und geringe Abmessungen in Richtung der geometrischen Achse hat, – und Bewegen der Elektromagnete in einer wechselnden Bewegung zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition, damit die Umwälzzone im Wesentlichen den ganzen Raum zwischen den beiden Wänden (14, 16) durchlauft.
Vorrichtung (10) zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Aktivierung einer physikalischen und/oder chemischen Reaktion in einem Gemisch, das umgewälzt wird, und die eine Lösung umfasst, die ein Edelmetall in Innenform enthält, sowie ein reaktives Metall, das in fester Form eingeleitet wird und frei in der Lösung dispergiert ist, zum Erhalt einer Zementation, die darin besteht, dass das in der Lösung vorhandene Edelmetall durch das reaktive Metall ersetzt wird, Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: – einen Reaktor (12), der vorgesehen ist, ein umzuwälzendes Gemisch zu enthalten, wobei der Reaktor zwei Wände (14, 16) umfasst, die sich gegenüberliegen und nahe zueinander angeordnet sind, wobei das Gemisch den Raum zwischen den beiden Wänden (14, 16) füllt und dort eine Schicht geringer Dicke und großer Länge in einer Richtung bildet, die durch eine zu den Wänden (14, 16) parallele geometrische Achse definiert wird, indem eine aufsteigende Zirkulation der Lösung in einer vertikalen, zu den Wänden parallelen Richtung bewirkt wird, sodass ein Wirbelbett entsteht, – Einleitmittel zum Einleiten der Lösung von unten her in den Reaktor (12), – Mittel (27, 28, 31) zum Bewirken einer aufsteigenden Zirkulation der Lösung in einer vertikalen, zu den Wänden parallelen Richtung, – Einleitmittel zum Einleiten fester ferromagnetischer Partikel im oberen Bereich des Wirbelbetts, die den Sitz einer Ablagerung bei der Zementationsreaktion darstellen, – Umwälzmittel zum Umwälzen des Gemischs mittels mehrerer Elektromagneten (A, B, C, D, A', B', C', D'), die sequenziell mit periodischen Strömen versorgt werden, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das geeignet ist, die ferromagnetischen Teilchen (24) wechselweise in zwei unterschiedliche Richtungen (xx', zz') auszurichten, wobei die Elektromagnete außerhalb des Reaktors (12) angeordnet sind, um durch die Wände (14, 16) hindurch auf eine Umwälzzone einzuwirken, die einen Teil der genannten Schicht erfasst und geringe Abmessungen in Richtung der geometrischen Achse hat, – und Mitttel (50, 34, 36, 38) zum Bewegen der Elektromagnete in einer wechselnden Bewegung zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition, damit die Bewegungszone im Wesentlichen den ganzen Raum zwischen den beiden Wänden (14, 16) durchlauft.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Teilchen das reaktive Metall bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Einleitmittel zum Einleiten des Reaktiven Metalls in der Form von Zink oder Aluminium Fasern enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitmittel zum Einleiten des reaktiven Metalls Führungen (132, 134, 136) umfassen, die in den Reaktor (12) münden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen von Polymerrohren gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Wände (14, 16) so ausgebildet ist, dass ihre Außenfläche geometrisch durch eine Reihe von Segmenten von Geraden definiert wird, die parallel zu ein und derselben geometrischen Achse sind und sich auf eine beliebige Kurve stützen, die sich auf einer zur genannten Achse quer verlaufenden Ebene erstrecken, wobei der Abstand zwischen jedem Segment einer der Wände und der anderen Wand konstant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Wände (14, 16) eben oder zylindrisch mit kreisförmiger Basis ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (14, 16) Unebenheiten (70, 72) umfassen, die innerhalb des von den Wänden gebildeten Raums Begrenzungen bilden, die geeignet sind, lokal eine Beschleunigung der Lösung zu bewirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schlitten (38) zum Tragen der Elektromagnete umfasst und die Mittel zum Bewegen der Elektromagnete Mittel zum Antreiben des Schlittens umfassen.