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Technischer
Bereich der Erfindung
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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.
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Stand der
Technik
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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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gegenstand
der Erfindung
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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.
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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.
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Die
zwischen den festen, ferromagnetischen Partikeln und den Reaktorwänden erzeugten
Stöße ermöglichen
ein kontinuierliches Ablösen
der Metallablagerungen.
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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.
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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.
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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.
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Nach
einer Variante umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einführen reaktiver
Metalldrähte,
die zum Einleiten flüssiger
chemischer Zuschlagmittel verwendet werden können.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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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:
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1 schematisch
in einem Schnitt entlang einer Vertikalebene eine Vorrichtung nach
einer ersten Ausführungsform
nach der Erfindung darstellt;
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2 eine
Schnittansicht entsprechend der Ebene II-II der 1 darstellt;
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3 eine
Seitenansicht der Vorrichtung der 1 darstellt;
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4 eine
Schnittansicht einer Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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5 einen
Vertikalschnitt einer Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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6 eine
Schnittansicht entsprechend der Ebene VI-VI der 5 ist;
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7 eine
Schnittansicht einer Vorrichtung nach einer vierten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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8 eine
Schnittansicht einer Vorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung ist.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Vorrichtung funktioniert wie folgt.
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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.
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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.
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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).
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Um
die Wirkung der elektromagnetischen Aktivierung zu zeigen, wurden
mit dem Reaktor der 1 bis 3 Zementierungsversuche
einer kupferverdünnten
Lösung
durchgeführt.
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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.
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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 %.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 %.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.