VERFAHREN ZUR E TKIESELUNG ANORGANISCHER WÄESSRIGER LOESU GEN METHOD FOR PILIFYING INORGANIC AQUEOUS SOLUTIONS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entkieselung anorganischer wässriger Lösungen, insbesondere Beizlösungen, bzw. ein Verfahren zur Herstellung von Eisenoxid mit verringertem Gehalt an Kieselsäure, insbesondere für die Herstellung . von Ferriten.The invention relates to a process for the silicification of inorganic aqueous solutions, in particular pickling solutions, and a process for the production of iron oxide with a reduced content of silica, in particular for the production. of ferrites.
Auf dem technischen Gebiet der Regenerierung von verbrauchten Beizlösungen ist es bekannt, die Sprührösttechnologie anzuwenden. Hierbei ist es möglich Eisen-III-Oxid (Fe20,) , welches als Vormaterial vor allem für die Elektronikindustrie (Ferritbau) dient, zu gewinnen. Die elektronischen (elektromagnetischen) Eigenschaften dieser Eisenoxidkeramiken sind in erster Linie abhängig vom Kieselsäuregehalt der Materialien. So werden heute für weichferritische Anwendungen von der Elektronikindustrie Gehalte an Kieselsäure (SiC ) im Eisenoxid von maximal 0,01% gefordert, während noch vor einigen Jahren dieses Limit bei 0,02% lag. Die Entwicklung am Eisenoxidsektor läßt eine weitere Absenkung dieses Limits erwarten. Dementsprechend ist auch der Preis für sehr reines Eisenoxidpulver ( ax. 0,01% Si02) mit etwa öS 4.900, — /t anzusetzen, während Eisenoxid mit etwa 0,05% Si02, wie dies in herkömmlichen Anlagen erzeugt wird, nur bei etwa öS 700, — bis öS 950, — /t liegt.In the technical field of regenerating used pickling solutions, it is known to use spray roasting technology. It is possible to extract iron (III) oxide (Fe 2 0,), which serves as a primary material for the electronics industry (ferrite construction). The electronic (electromagnetic) properties of these iron oxide ceramics are primarily dependent on the silica content of the materials. For example, the electronics industry is now demanding a maximum of 0.01% silica (SiC) in iron oxide for soft ferritic applications, whereas a few years ago this limit was 0.02%. The development in the iron oxide sector is expected to further lower this limit. Accordingly, the price for very pure iron oxide powder (ax. 0.01% Si0 2 ) can be estimated at about 4,900, - / t, while iron oxide with about 0.05% Si0 2 , as is produced in conventional plants, is only available at around € 700 to € 950 / t.
Zur Behandlung von silikathältigem Wasser ist aus der JP-PS 59-90688 eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei welchen das silikathältige Rohwasser durch zwei Filterstufen geführt wird, wobei die erste Filterstufe eine mikroporöse Membran oder eine Ultrafiltermembran enthält, und die zweite Filterstufe eine Umkehrosmosemembran aufweist. Dieses Verfahren erfaßt Mikropartikel in Wasser mit einer maximalen Größe von einem Mikrometer , und es ist daher nicht zu erwarten, daß Kieselsäure in ihrer herkömmmlichen Form damit abscheidbar ist, da sie in Partikelgrößen unter 0, 02 Mikrometern vorliegt. Weiters ergibt sich kein Hinweis darauf, daß dieses Verfahren auch für die Entkieselung von Beizlösungen mit ihrem hohen Gehalt an zusätzlichen Inhaltsstoffen anwendbar sein könnte.
Daher wurden bereits seit einiger Zeit Verfahren zur Entkieselung von Beizlösungen vorgeschlagen und auch bei Industrieanlagen eingesetzt bzw. getestet. Diese Verfahren, wie beispielsweise in der AT-PS 380 675 beschrieben, beruhen auf der Fällung eines Teiles des in der Beizsäure enthaltenen Eisenchlorides (ca. 1 bis 2%) als Eisenhydroxid und der damit verbundenen adsorptiven Mitfällung von kolloidaler Kieselsaure. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es einen hohen apparatetechnischen Aufwand fordert sowie mit großem Schlammanfall zu rechnen ist, der entsorgt werden muß. Darüberhinaus ist der Chemikalienverbauch, beispielsweise an Ammoniak und Flockungsmittel, relativ hoch, wodurch die Anlage zur Durchführung des Verfahrens relativ teuer und nicht besonders wirtschaftlich ist. So beträgt etwa der Anteil an den gesamten Anlagekosten der Sprühröst anläge ca. 20 - 30%.For the treatment of silicate-containing water, a device and a method is known from JP-PS 59-90688, in which the silicate-containing raw water is passed through two filter stages, the first filter stage containing a microporous membrane or an ultrafilter membrane, and the second filter stage a reverse osmosis membrane having. This method detects microparticles in water with a maximum size of one micrometer, and it is therefore not to be expected that silica in its conventional form can be separated off with it, since it is present in particle sizes below 0.02 micrometers. Furthermore, there is no indication that this process could also be applicable to the decilification of pickling solutions with their high content of additional ingredients. For this reason, processes for the silicification of pickling solutions have been proposed for some time and have also been used or tested in industrial plants. These processes, as described for example in AT-PS 380 675, are based on the precipitation of part of the iron chloride contained in the pickling acid (approx. 1 to 2%) as iron hydroxide and the associated adsorptive co-precipitation of colloidal silica. However, this method has the disadvantage that it requires a high level of technical equipment and that large amounts of sludge must be expected, which must be disposed of. In addition, the chemical consumption, for example of ammonia and flocculant, is relatively high, as a result of which the plant for carrying out the process is relatively expensive and not particularly economical. For example, the share of the total investment costs of the spray roaster is approx. 20 - 30%.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher ein Verfahren, welches es gestattet, die in beliebigen anorganischen wässrigen Lösungen enthaltene Kieselsäure auf relativ billige Weise unter Vermeidung von Chemikalien und Personalaufwand abzutrennen. Eine weitere Aufgabe bestand darin, darauf aufbauend ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Eisenoxid anzugeben, wobei dieses Eisenoxid die von der Elektronikindustrie geforderten Grenzwerte für Kieselsäure nicht überschreitet. Dieses Verfahren sollte auch geeignet sein, sich in bestehende Verfahren zur Regenerierung von verbrauchten Beizlösungen, bei welchen Eisenoxid vorzugsweise gewonnen wird, einbauen zu lassen.The object of the present invention was therefore a process which allows the silicic acid contained in any inorganic aqueous solutions to be separated off in a relatively inexpensive manner while avoiding chemicals and labor. Another task was to use this as a basis to specify a simple process for the production of iron oxide, this iron oxide not exceeding the limit values for silica required by the electronics industry. This process should also be suitable for incorporation into existing processes for the regeneration of used pickling solutions, in which iron oxide is preferably obtained.
Zur Losung der ersten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die zu behandelnde Lösung einem Querstromfilter zugeleitet und bei einer Temperatur von 60 - 90*C, vorzugsweise 70 - 80*C durch das Filter geführt wird.To solve the first object, the invention provides that the supplied to a cross-flow filter solution to be treated and at a temperature of 60 - 80 * C is passed through the filter - 90 * C, preferably 70th
ie in den wässrigen Lösungen vorhandene Kieselsäure wird durch die
Bedingungen im Querstromfilter,hauptsächlich die herrschenden Temperaturen,in micelläre Strukturen übergeführt. Diese poly eren' Strukturen liegen in hydratisierter Form vor und werden über elektrostatische Ladungen in Schwebe gehalten. Ihr Durchmesser beträgt mehrere hundertstel bis zehntel Mikrometer. Durch diese Größe der micellären Strukturen der Kieselsäure wird sie auch für die Mikrofiltration erreichbar.The silica present in the aqueous solutions is replaced by the Conditions in the cross-flow filter, mainly the prevailing temperatures, converted into micellar structures. These poly eren ' structures are in hydrated form and are kept in suspension by electrostatic charges. Their diameter is several hundredths to tenths of a micron. This size of the micellar structures of the silica makes it also accessible for microfiltration.
Der Bereich der Mikrofiltration liegt definitionsgemäß bei abscheidbaren Partikelgrößen zwischen 0,02 bis 10 Micrometer. Membranen für derartige Filter werden heute aus vielerlei Materialien hergestellt, wobei für biochemische Anwendungen Cellulosederivate, anderseits für die Technik der Querstromfiltration wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird, hauptsächlich Kunststoffmembranen aus Polypropylen, Polyäthylen oder Polysulfönen zum Einsatz kommen. Aber auch Hohlfasern, geschäumte Gläser oder poröse Keramikmaterialien können verwendet werden.By definition, the range of microfiltration for separable particle sizes is between 0.02 and 10 micrometers. Membranes for such filters are now made from a wide variety of materials, with cellulose derivatives being used for biochemical applications and, on the other hand, for the technology of cross-flow filtration as used in the process according to the invention, mainly plastic membranes made of polypropylene, polyethylene or polysulfones are used. Hollow fibers, foamed glasses or porous ceramic materials can also be used.
Das Prinzip der Querstromfiltration ist an sich ebenfalls zur Aufarbeitung von Flüssigkeiten mit suspendierten oder emulgierten Inhaltstoffen bekannt. Die bei einer statischen Filtration ständig anwachsende und den Filtratfluß verringernde Deckschicht des Filterkuchen auf dem Filterelement wird bei der Querstromfiltration durch einen quer zur Filtrationsrichtung wirksamen Schubspannungsgradienten über den zugehörigen Gleichgewichtszustand hinaus verhindert. Dies gestattet die Filtration über lange Zeiten bei hohen Filtratflüssen. überdies kann durch periodische Rückspülung, d. h. kurzzeitige Umkehr des Filtrationsprozesses, die Deckschicht von der Oberfläche des Filterelementes weitgehend abgelöst und ausgetragen werden, wodurch die ursprüngliche Filtrierleistung wieder hergestellt wird. Es war jedoch nicht von
vornherein zu erwarten, daß die in wässrigen Lösungen enthaltene Kieselsäure in eine Struktur gebracht werden kann, welche die Abscheidung mittels eines Querstromfilters gestattet. Bei den angegebenen Bedingungen findet jedoch die bereits erwähnte Bildung micellärer Strukturen von über einigen hundert Angström Druckmesser statt, sodaß mit herkömmlichen 0,2 MicrometerThe principle of cross-flow filtration is also known per se for processing liquids with suspended or emulsified ingredients. The top layer of the filter cake on the filter element, which is constantly increasing in the case of static filtration and reduces the filtrate flow, is prevented in cross-flow filtration by a shear stress gradient which acts transversely to the direction of filtration beyond the associated equilibrium state. This allows long-term filtration at high filtrate flows. moreover, the cover layer can be largely detached from the surface of the filter element and removed by periodic backwashing, ie brief reversal of the filtration process, whereby the original filtration performance is restored. However, it was not from to be expected beforehand that the silica contained in aqueous solutions can be brought into a structure which permits the separation by means of a crossflow filter. Under the specified conditions, however, the already mentioned formation of micellar structures of over a few hundred angstroms of pressure gauge takes place, so that with conventional 0.2 micrometers
Polypropylän-Membranschläuchen eine nahezu vollständige Abtrennung der Kieselsäure möglich ist.Polypropylene membrane hoses allow an almost complete separation of the silica.
In besonders vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren in Prozesse zur Regenerierung von verbrauchten Beizlösungen einbaubar, wobei sich hierbei der Vorteil ergibt, daß das aus der Beizlösung gewonnene Eisenoxid weitgehend frei von Kieselsäure ist und daher vorzüglich für die Zwecke der Elektronikindustrie geeignet ist. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine anorganische wässrige Lösung, insbesondere verbrauchte Beizlösung, die überwiegend gelöstes Eisen sowie Kieselsäure enthalten, bei einer Temperatur von 60 bis 90*C, vorzugsweise 70 bis 80*C, durch ein Querstromfilter geführt und das Permeat anschließend durch Sprührösten in die entsprechenden Oxide mit max. 0,01% Kieselsäure übergeführt wird.In a particularly advantageous manner, the process according to the invention can be built into processes for the regeneration of used pickling solutions, the advantage here being that the iron oxide obtained from the pickling solution is largely free of silica and is therefore particularly suitable for the purposes of the electronics industry. For this purpose, it is provided according to the invention that an inorganic aqueous solution, in particular used pickling solution, which predominantly contain dissolved iron and silica, is passed through a crossflow filter at a temperature of 60 to 90 ° C., preferably 70 to 80 ° C., and the permeate is then passed by spray roasting in the corresponding oxides with max. 0.01% silica is transferred.
Vorzugsweise ist bei beiden beschriebenen Verfahren vorgesehen, daß das Konzentrat zyklisch in das Querstrom filter rückgeleitet wird. Dies gestattet eine weitere Steigerung der Abscheideleistung des Filters mit erhöhtem Reinheitsgrad des Permeates.It is preferably provided in both described methods that the concentrate is cyclically returned to the cross-flow filter. This permits a further increase in the separation efficiency of the filter with an increased degree of purity of the permeate.
In der nachfolgenden Beschreibung soll ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung von Eisenoxid aus verbrauchter Beizsäure anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigtIn the following description, a preferred embodiment of the process for the production of iron oxide from spent pickling acid will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows
die Fig. 1 in Schema tischer Weise eine Anlage zurFig. 1 in a schematic table a plant for
Beizsäureregenerierung mit eingebauter Entkieselung und
die Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung der Entkieselungsanlage mit zwei in Serie geschalteten Filtereinheiten.Pickling acid regeneration with built-in decalcification and 2 shows a schematic detailed illustration of the decalcification system with two filter units connected in series.
Die aufzubereitende Lösung wird im Sprühröstreaktor 1 nach Durchlaufen eines Präkonzentrators 2 und des Vorlaufbehälters 3, welcher den Präkonzentrator-Sumpf bildet, einer Sprühröstung unterworfen. Die dabei entstehenden festen Reaktionsprodukte, d. h. die Metalloxide werden mittels der Austragseinrichtung 11 abgezogen, während die gasförmigen Reaktionsprodukte vorzugsweise über ein Elektrofilter 12 wieder dem Präkonzentrator 2 zugeleitet werden. Vom Präkonzentrator 2, welcher vom Lurji- oder Venturityp sein kann, führt eine Leitung zu zwei Tropfenabscheidern 4 und schließlich weiter zu Absorberkolonnen 5, 6, in welchen die Beizsäure wiedergewonnen wird. Das Abgas aus diesen Absorberkolonnen 5, 6 wird über zwei Tropfenabscheider 7 und anschließend ins Freie geführt.The solution to be prepared is subjected to a spray roasting in the spray roasting reactor 1 after passing through a preconcentrator 2 and the pre-flow container 3, which forms the pre-concentrator sump. The resulting solid reaction products, i. H. the metal oxides are drawn off by means of the discharge device 11, while the gaseous reaction products are preferably fed back to the preconcentrator 2 via an electrostatic filter 12. A line leads from the pre-concentrator 2, which can be from Lurji or Venturityp, to two droplet separators 4 and finally to absorber columns 5, 6, in which the pickling acid is recovered. The exhaust gas from these absorber columns 5, 6 is passed through two droplet separators 7 and then into the open.
Vom Vorlaufbehälter 3 kann die vor onzentrierte Lösung aber auch über eine Pumpe 31 dem Querstromfilter 8 zugeleitet werden. Dabei dient eine Pumpe 81 zur mehrmaligen Umwälzung des Konzentrates über das besagte Filter 8.From the flow tank 3, the on-center solution can also be fed to the crossflow filter 8 via a pump 31. A pump 81 is used for repeated circulation of the concentrate through said filter 8.
Wie in Fig. 2 Schematisch dargestellt ist, können zwei (oder mehrere) Filtereinheiten (8a und 8b) in Serie hintereinander angeordnet sein.As shown schematically in FIG. 2, two (or more) filter units (8a and 8b) can be arranged in series one behind the other.
Ausfuhrunqsbeispiel;Exemplary embodiment;
In eine Beizsäureregenerierungsanlage, welche gemäß dem Schema der Fig. 1 aufgebaut war, wurde verbrauchte Beizsäure folgender Zusammensetzung (und daraus resultierender theoretischer Oxidzusammensetzung nach dem Sprühröstvorgang) zur Behandlung zugeführt.
1 ICP-Analyse:Used pickling acid of the following composition (and the theoretical oxide composition resulting therefrom after the spray roasting process) was fed into a pickling acid regeneration plant, which was constructed according to the diagram in FIG. 1, for treatment. 1 ICP analysis:
: damit theoret. Oxidzusammensetzung: with it theoretically. Oxide composition
Fe203 99.16%Fe203 99.16%
Cr203 352 ppmCr203 352 ppm
NiO 204NiO 204
A1203 760A1203 760
Si02 289Si02 289
MnO 2800MnO 2800
CaO 900CaO 900
ZπO 598ZπO 598
MgO 2315MgO 2315
PbO 00PbO 00
CuO 221
theor.max Cl' -Wert: 0.15% GEB.CuO 221 theor.max Cl 'value: 0.15% GEB.
Das Querstromfilter war direkt in den Konzentratkreislauf eingebunden. Die Förderleistung im Konzentratkreislauf betrug 2.800 1/h und die Förderleistung im Filter betrug 2.000 1/h. Nach einer Laufzeit von 13 bzw. 17 Stunden ergaben sich die nachstehend angegebenen Werte für die Konzentration an Eisenionen bzw. Siliziumoxid:The cross flow filter was directly integrated into the concentrate circuit. The delivery rate in the concentrate circuit was 2,800 1 / h and the delivery rate in the filter was 2,000 1 / h. After a running time of 13 or 17 hours, the following values for the concentration of iron ions or silicon oxide resulted:
a) = Fe(2+) in g/1, b) = Fe (3+) in g/1, c) = SiO« in mg/1 Konzentrat Permeata) = Fe (2+) in g / 1, b) = Fe (3+) in g / 1, c) = SiO «in mg / 1 concentrate permeate
(124-148 ppm/Oxid)
(114-137 ppm/Oxid)(124-148 ppm / oxide) (114-137 ppm / oxide)
In einem darauffolgenden Versuch wurde Beizsäure behandelt, deren Konzentrationswerte wie folgt waren: Fe(2+) 79.9 g/1, Fe(3+) 5.6 g/1, Si0„ 38mg/l (dies entspricht einem theoretischen Maximalwert von 337 ppm im Oxid) . Innerhalb einer Stunde bzw. nach Ablauf von vier
Stunden unter Einsatz der Querstromfiltration ergaben sich dieIn a subsequent test, pickling acid was treated, the concentration values of which were as follows: Fe (2+) 79.9 g / 1, Fe (3+) 5.6 g / 1, Si0 “38 mg / l (this corresponds to a theoretical maximum value of 337 ppm in the oxide ). Within an hour or after four This resulted in hours using crossflow filtration
(76-92 ppm/Oxid)
(109-135 ppm/Oxi(76-92 ppm / oxide) (109-135 ppm / oxi
Anschließend wurde das Querstromfilter ausgeschaltet und nach Ablauf von vier Stunden ergaben sich die nachstehend angeführten Werte:The cross flow filter was then switched off and after four hours the following values were obtained:
Konzentrat Permeat a) b) c) a) b) c)Concentrate permeate a) b) c) a) b) c)
4h 113.8 32.4 56.2 (1) 39 (350 ppm/Oxid)4h 113.8 32.4 56.2 (1) 39 (350 ppm / oxide)
In den obigen Tabellen wurde bei der Angabe von Siliziumoxid im gesamten abgezogenen Oxid von der Lösung auf das Oxid hochgerechnet. Daher sei an dieser Stelle noch ein Analysenergebnis für das Sprühröstoxid angegeben:In the tables above, when silicon oxide was stated in the total oxide withdrawn, the solution was extrapolated to the oxide. Therefore, an analysis result for the spray roasting oxide is given here: