DE4243559A1 - Verfahren zur Reinigung einer technischen Eisenchloridlösung durch selektive Fällung - Google Patents
Verfahren zur Reinigung einer technischen Eisenchloridlösung durch selektive FällungInfo
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Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Entfernen
abwasserbelastender Metallionen aus einer im wesentlichen
Eisen(II)chlorid enthaltenden sauren Lösung von in verdünnter
Salzsäure aufgelöstem Zyklonstaub aus der
Titandioxidherstellung nach dem Chloridprozeß durch Anheben
des pH-Wertes und Abtrennen der gebildeten Metallhydroxide.
Als Fällungs- und Flockungsmittel bei der Abwasserreinigung
werden Eisen(II)chloridlösungen eingesetzt (Wassertechnische
Information der KRONOS TITAN-GMBH, Ferrofloc®).
Eisen(II)chlorid fällt in großen Mengen bei der
Titandioxidherstellung nach dem sogenannten Chloridverfahren
an. Dabei wird ein Titan und Eisen enthaltender Rohstoff,
z. B. Titanschlacke oder Ilmenit, in Gegenwart von Koks als
Reduktionsmittel bei Temperaturen um 1000°C in einem
Fließbettreaktor chloriert. Neben dem Titantetrachlorid
bildet sich dabei auch Eisen(II)chlorid. Aus dem den Reaktor
verlassenden Gas wird das Eisen(II)chlorid zusammen mit den
wasserunlöslichen Feststoffen - im wesentlichen Koks, nicht
aufgeschlossenes Titandioxid und Siliciumdioxid - sowie
anderen Metallchloriden in einem nachgeschalteten Zyklon
abgeschieden. Das abgetrennte Gemisch wird als Zyklonstaub
bezeichnet. Die aufwendige Aufarbeitung des Zyklonstaubes ist
beispielsweise in der US 3 867 515 beschrieben.
Durch Ansteigen des Zyklonstaubs in verdünnter Salzsäure und
Abtrennen der wasserunlöslichen Bestandteile wird eine Lösung
erhalten, die überwiegend Eisen(II)chlorid, daneben aber auch
Aluminiumchlorid, Manganchlorid, Magnesiumchlorid,
Zirconiumchlorid und Spurenelemente wie Chrom, Niob und
Vanadium als Chloride enthält. Wenn eine solche
Eisen(II)chloridlösung für die Abwasserbehandlung und
Schlammkonditionierung eingesetzt werden soll, muß beachtet
werden, daß wegen der aufgrund der Rohstoffzusammensetzung
unvermeidlichen Anteile an Spurenelementen über die
Chemikalie nicht Bestandteile in das Abwasser gelangen, die
ihrerseits Entsorgungsprobleme aufwerfen. Die "belastete"
Eisen(II)chloridlösung muß vor ihrem Einsatz also noch weiter
gereinigt werden, d. h. insbesondere die Chrom-, Niob- und
Vanadiumionen müssen aus der Lösung entfernt werden.
Es ist bekannt, daß, wenn der pH-Wert einer solchen Lösung
über 1 angehoben wird, die gelösten Metallionen entsprechend
ihren Löslichkeitsprodukten als Hydroxide ausfallen;
Eisen(II)ionen bleiben bis zu einem pH-Wert von über 6 in
Lösung. Somit könnte durch eine selektive Fällung theoretisch
eine belastete ("technische") Eisenchloridlösung in eine
saubere Eisen(II)chloridlösung überführt werden. In der
Praxis ist dieser Weg jedoch nicht durchführbar. Gibt man zu
einer sauren Lösung aus Zyklonstaub ein Neutralisationsmittel
wie beispielsweise Natriumhydroxid, Calciumhydroxid,
Magnesiumhydroxid, Natriumcarbonat oder Calciumcarbonat, dann
bilden sich Metallhydroxidsole, die wegen ihrer gelartigen
Struktur äußerst schwer filtrierbar und nicht deponiefähig
sind.
In der russischen Patentschrift 676 559 ist das Ausfällen von
Metallhydroxiden aus einer Lösung, die neben Eisen auch
unerwünschte Schwermetallionen enthält, durch Zugabe von
8%iger Natriumhydrogencarbonatlösung bei 20°C beschrieben;
durch Anheben des pH-Wertes auf 4,5 soll insbesondere das
Chrom im Filterkuchen angereichert werden. Unter den
angegebenen Fällungsbedingungen sind die gelartigen Hydroxide
unter vertretbarem Aufwand nicht filtrierbar. Über die
Beschaffenheit des Filterkuchens werden in der Patentschrift
keinerlei Angaben gemacht.
Eine andere Art der Entfernung von Chrom aus
Metallchloridlösungen ist in der US 4 765 908 beschrieben.
Dort werden Bentonite, insbesondere Montmorillonit,
mindestens ein Flockungsmittel und Alkali- oder
Erdalkalicarbonate zusammen mit Zirconiumkatalysatoren und
wenigstens einem Polyelektrolyt eingesetzt, wodurch die
Schwermetallionen adsorptiv gebunden werden und die
Abtrennung des Filterkuchens keine Schwierigkeiten bereitet.
Der Filterrückstand ist auch deponiefähig. Jedoch ist das
Verfahren aufgrund des Chemikalieneinsatzes sehr aufwendig,
und es fällt auch ein überdurchschnittlich großes
Schlammvolumen an.
In der deutschen Patentanmeldung P 41 30 808.5 wird
vorgeschlagen, die Entfernung der unerwünschten Ionen aus
einer aus Zyklonstaub hergestellten Eisen(II)chloridlösung
durch selektive Kristallisation vorzunehmen. Das dort
beschriebene Verfahren führt zwar zu der gewünschten
Reinigung der Eisen(II)chloridlösung, jedoch sind die
Investitions- und Betriebskosten bei diesem Verfahren recht
erheblich.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, aus einer
Eisen(II)chloridlösung unerwünschte Metallionen, insbesondere
Chrom, Niob, Zirconium und Vanadium zu entfernen, wobei
Mengen von größenordnungsmäßig 15 m3/h bewältigt werden
müssen und beim Ausfällen der unerwünschten Metallionen als
Hydroxide üblicherweise eine extrem feinteilige gelartige
Suspension entsteht, die ausgefallenen Metallhydroxide bisher
nicht durch Filtration hinreichend schnell und vollständig
abzuscheiden sind und der Filterrückstand in der bisherigen
Form nicht deponiefähig ist.
Es wurde nun gefunden, daß durch eine spezielle zweistufige
Prozeßführung der Teilneutralisation Metallhydroxide von den
zu entfernenden Ionen entstehen, die leichter als bisher in
großtechnischem Maßstab abzuscheiden sind und so erstmals
eine Reinigung großer Mengen belasteter
Eisen(II)chloridlösungen durch selektive Fällung
wirtschaftlich möglich wird. Das Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Lösung zunächst mit einem ersten
Neutralisationsmittel auf einen pH-Wert zwischen 0,3 und 0,8
eingestellt wird und dann die so abgestumpfte Lösung in eine
Vorlage mit einem zweiten Neutralisationsmittel in Wasser
oder gereinigter Eisen(II)chloridlösung so dosiert wird, daß
der pH-Wert dort den Wert 2,0 nie unterschreitet und das
zweite Neutralisationsmittel schwerlöslich und im Überschuß
bezogen auf die zu fällenden abwasserbelastenden Metallionen
vorhanden ist.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen
Fällungsprodukte sind sehr gut filtrierbar; der Filterkuchen
ist deponiefähig.
Als ganz besonders vorteilhaft hat sich als zweites
Neutralisationsmittel Calciumcarbonat erwiesen. Es steht
unbegrenzt zur Verfügung und es scheint gerade wegen seiner
Schwerlöslichkeit in Wasser oder einer Eisenchloridlösung,
d. h. durch eine Art natürliche Pufferwirkung der Suspension
in der Vorlage, zu einer weniger spontanen Keimbildung und
damit zu einer Vermeidung eines Gelzustandes zu kommen. Der
mit diesem Neutralisationsmittel gebildete Feststoff ist
wesentlich besser filtrierbar. Bei dieser Verfahrensweise
scheint die Keimbildung herabgesetzt zu sein. Die Bildung von
Eisen(II)hydroxid ist wegen des zu niedrigen pH-Wertes in der
Vorlage nicht möglich. Eine Bildung von Eisen(III)hydroxid
findet aufgrund der systemimmanenten Kohlendioxidentwicklung
(Schutzgasatmosphäre) ebenfalls nicht statt; eine Oxidation
mit dem Luftsauerstoff ist dadurch ausgeschlossen.
Während als zweites Neutralisationsmittel ganz besonders
Calciumcarbonat bevorzugt ist, das in einer Suspension die
gewünschte Pufferwirkung zeigt, kommt als erstes
Neutralisationsmittel für die Abstumpfung der technischen
Eisenchloridlösungen neben Erdalkalicarbonat - wiederum
bevorzugt Calciumcarbonat oder Dolomitsteinmehl - bevorzugt
ein Abstumpfen durch Eisen bzw. Eisenverbindungen in Frage.
Die Zugabe von Eisen vergrößert die Menge des gewünschten
Endproduktes, ohne daß dadurch Nebenprodukte eingeschleppt
werden. Bei Zugabe von Eisenschrott als erstem
Neutralisationsmittel sind keine besonderen Maßnahmen zu
beachten. Bei Einsatz von Sinter, einem Mischoxid aus zwei-
und dreiwertigem Eisen, entstehen jedoch Eisen(III)ionen, die
beim Einleiten der Lösung in das zweite Neutralisationsmittel
teilweise als Eisen(III)hydroxid ausfallen würden und so mit
dem Filterrückstand verloren gehen. Daher müssen bei Einsatz
von Sinter als erstem Neutralisationsmittel, bevor die
abgestumpfte Lösung in die Vorlage mit dem zweiten
Neutralisationsmittel gegeben wird, Eisen(III)ionen mittels
Schrott oder einem anderen Reduktionsmittel in Eisen(II)ionen
umgewandelt werden.
Verwendet man Calciumcarbonat auch als erstes
Neutralisationsmittel, enthält die Eisen(II)chloridlösung
relativ hohe Calciumchloridmengen. Da das häufig unerwünscht
ist, kann aus einer solchen Lösung durch Zugabe von
Eisensulfat das Calciumsulfat ausgefällt und abgetrennt
werden, wobei die Konzentration an Eisen(II)chlorid
entsprechend ansteigt.
Bevorzugt soll die Temperatur der Suspension in der Vorlage
60 bis 90°C; betragen. Unter diesen Bedingungen bilden sich
Fällungsprodukte, die besonders günstig abgetrennt und auf
Deponie gelegt werden können.
Es hat sich als günstig erwiesen, den zweiten
Teilneutralisationsschritt zeitlich zu strecken. Die
Zudosierung der mit dem ersten Neutralisationsmittel
abgestumpften Lösung in die Vorlage sollte bevorzugt so
erfolgen, daß pro Kilogramm Calciumcarbonat in der Vorlage 25
bis 33 l abgestumpfte Lösung pro Stunde zugegeben werden.
Die Erfindung ist im folgenden weiter beispielhaft
beschrieben.
Eine typische "belastete" Eisen(II)chloridlösung aus
Zyklonstaub in verdünnter Salzsäure hat folgende
Zusammensetzung:
Mit diesem technischen Eisen(II)chlorid wurden die 4
folgenden Versuche durchgeführt.
1200 ml der belasteten Eisen(II)chloridlösung werden auf
70°C erwärmt. Innerhalb von 30 min werden 41,5 g
Kalksteinmehl (ca. 97% CaCO3, Korngröße kleiner 0,1 mm)
eingerührt. Nach der Zugabe des ersten Neutralisationsmittels
liegt der pH-Wert bei 0,78.
Von dieser mit dem ersten Neutralisationsmittel
"abgestumpften" Lösung werden 30 ml pro Minute in eine
vorgelegte Kalksteinmehl-Suspension (72 g Kalksteinmehl in
72 g Wasser) von 70°C gegeben. Nach der Zugabe ist der pH-
Wert in der Vorlage 2,8. Das Gemisch wird noch 30 min
gerührt; der pH-Wert erhöht sich dabei auf 3,4. Die 70°C
heiße Suspension wird filtriert. In allen Beispielen wird die
Filtration bei 50 mbar durchgeführt und eine Nutsche mit
einem Durchmesser von 13 cm verwendet. Der Filtrationsverlauf
ist in Tabelle 1 angegeben.
Der Filterkuchen ist 10 mm dick und stichfest. Das klare
Filtrat hat folgende Zusammensetzung:
Das Verhältnis Chrom zu Eisen hat sich von 0,0133 auf
0,000088, das Verhältnis Vanadium zu Eisen von 0,0274 auf
0,000033 verbessert. In relativ kurzen Zeiten (gute
Filtrierbarkeit) wird also eine Abreicherung von etwa 97%
der belastenden Ionen erreicht, wobei aus den
Fällungsprodukten ein stichfester Filterkuchen erhalten wird.
1200 g der anfangs genannten belasteten (technischen)
Eisen(II)chloridlösung werden mit 25,5 g Walzsinter (FeO =
68%; Fe2O3 = 32%) 1 Stunde bei 80°C gerührt. Zur Reduktion
der Fe(III)ionen wird Eisenpulver zugegeben und das Gemisch
weitere 20 min bei 80°C gerührt. Der pH-Wert liegt bei 0,75.
Diese abgestumpfte Lösung wird mit einer
Dosiergeschwindigkeit von 30 ml/min in eine Vorlage gegeben.
Sie enthält wieder 72 g Kalksteinmehl in 72 g Wasser und hat
eine Temperatur von 70°C. Am Ende der Dosierung, nach
30 min, wird der pH-Wert 2,8 erreicht. Nach 30 minütigem
weiterem Rühren steigt der pH-Wert noch auf 3,3 an. Die
Filtration bei 70°C erfolgt auf der Nutsche unter gleichen
Bedingungen wie in Beispiel 1. Der Filtrationsverlauf ist in
Tabelle 2 angegeben.
Zusammensetzung der Lösung beträgt:
Das Chrom-Eisen-Verhältnis hat sich von 0,0133 auf 0,000058,
das Vanadium-Eisen-Verhältnis von 0,0274 auf 0,000039
verbessert.
Es wird wie in Beispiel 2 gearbeitet, jedoch wird die
Dosiergeschwindigkeit der belasteten Lösung in die vorgelegte
Calciumcarbonat-Suspension auf 50 ml/min angehoben. Der pH-
Wert am Ende der Zugabe liegt bei 2,2 und nach 30 min
Rührzeit bei 3,2. Wie in Tabelle 3 zu erkennen ist, hat sich
die Filtrierbarkeit nicht verschlechtert, jedoch die
Abreicherung von Chrom auf 0,00018 und von Vanadium auf
0,0027 abgenommen.
Das Filtrat hat folgende Zusammensetzung:
Herkömmliche Neutralisation als Vergleichsbeispiel.
1200 g der sauren belasteten FeCl2-Lösung wurden auf 80°C
erwärmt und wie in Beispiel 2 mit Walzsinter abgestumpft und
3wertige Eisenionen mit Eisen reduziert. Diese Lösung (pH =
0,78; 70°C) wird jetzt durch Zugabe von 72 g festem
Kalksteinmehl in 30 min (teil-)neutralisiert.
Am Ende der Zugabe ist der pH-Wert auf 2,7 angestiegen und
nach 30 min weiterer Rührzeit wird ein Wert von 3,0 erreicht.
Es wird die 70°C warme Suspension wie oben beschrieben
filtriert. Tabelle 4 zeigt die ganz wesentlich
verschlechterte Filtrierbarkeit.
Die Filtration kommt also relativ bald zum Erliegen. Der ca.
3 mm dicke Filterkuchen besteht aus einer gelartigen,
halbflüssigen Masse. Das Filtrat hat folgende
Zusammensetzung:
Entsprechend klein ist auch nur die Abreicherung (auf 0,00037
bei Cr/Fe und 0,00061 bei V/Fe).
Claims (7)
1. Verfahren zum Entfernen abwasserbelastender Metallionen
aus einer im wesentlichen Eisen(II)chlorid enthaltenden
sauren Lösung von in verdünnter Salzsäure aufgelöstem
Zyklonstaub aus der Titandioxidherstellung nach dem
Chloridprozeß durch Anheben des pH-Wertes und Abtrennen
der gebildeten Metallhydroxide, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lösung zunächst mit einem ersten
Neutralisationsmittel auf einen pH-Wert zwischen 0,3 und
0,8 eingestellt wird und dann die so abgestumpfte Lösung
in eine Vorlage mit einem zweiten Neutralisationsmittel in
Wasser oder gereinigter Eisenchloridlösung so dosiert
wird, daß der pH-Wert dort den Wert 2,0 nie unterschreitet
und das zweite Neutralisationsmittel schwerlöslich und im
Überschuß bezogen auf die zu fällenden abwasserbelastenden
Metallionen vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
zweite Neutralisationsmittel ein Erdalkalicarbonat,
bevorzugt Calciumcarbonat oder Dolomitstein, ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge des zweiten Neutralisationsmittels das 1,05-
bis 1,4fache der stöchiometrisch zu fällenden
abwasserbelastenden Metallionen beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das erste Neutralisationsmittel ein
Erdalkalicarbonat oder Eisenschrott ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Neutralisationsmittel Eisensinter ist und
durch Zugabe von einem Reduktionsmittel, bevorzugt Eisen,
vor dem Einleiten der Lösung in die Vorlage die
Eisen(III)ionen reduziert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur der Suspension in der
Vorlage 60 bis 90°C beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dosiergeschwindigkeit der
abgestumpften Lösung in eine vorgelegte Calciumcarbonat-
Suspension 25 l/h bis 33 l/h, bezogen auf 1 kg
Calciumcarbonat in der Vorlage, beträgt.
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