Als Prozessmedium benutztes Wasser ist oft so stark belastet, dass es nicht ohne Behandlung eingeleitet werden darf. Das Ziel dieser Diplomarbeit besteht darin, durch Versuche herauszufinden, ob die geforderten extrem niedrigen Abwassergrenzwerte einiger Staaten eingehalten werden können. Dies soll durch eine Kopplung bestimmter Verfahren erreicht werden. Diese Grenzwerte sind mit den aktuellen Verfahren teilweise nicht einzuhalten. Der Schwerpunkt wird dabei auf zwei Verfahren gelegt: Auf der Sulfidfällung sowie auf dem Ionenaustausch mit Selektivaustauschern.
Die Fällung von Schwermetall-Ionen ist ein einfaches Verfahren, das häufig praktiziert wird. Sie wird normalerweise in Form der Hydroxidfällung angewandt. Die Fällung mit Sulfiden hat den Vorteil, dass erheblich geringere Restkonzentrationen möglich sind. Als Ionenaustausch wird der Austausch von Ionen zwischen einer Lösung und den funktionellen Gruppen eines Adsorbens bezeichnet. Diese funktionellen Gruppen befinden sich im so genannten Austauscherharz.
Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe der Sulfidfällung sowie des Selektivionen-austausches die vorgeschriebenen Grenzwerte bei optimaler Anpassung an die jeweiligen Bedingungen problemlos eingehalten werden können. Beide Verfahren besitzen Vor- und Nachteile. Eine mögliche Eignung der Verfahren muss im Labormaßstab untersucht werden. Dabei hängt vor allem der wirtschaftliche Aspekt stark von der jeweiligen Wasserzusammensetzung ab.
Bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit kann festgehalten werden, dass das Verfahren des Ionenaustausches etwa um Faktor zwei günstiger ist. Die Schlammentsorgungs- und Chemikalienkosten machen dabei den Großteil der Betriebskosten der Sulfidfällung aus.
Inhaltsverzeichnis
1 Problemstellung
1.1 Grenzwerte
1.2 Schwermetalle
1.3 Komplexbildner
2 Grundlagen
2.1 Verfahren zur Schwermetallentfernung
2.2 Vorbehandlung in der Metall verarbeitenden Industrie
3 Schwermetallfällung
3.1 Prinzip der Neutralisation
3.2 Prinzip der Fällung
3.2.1 Löslichkeitsprodukt und optimaler pH-Wert
3.2.2 Fällung und Flockung
3.3 Hydroxidfällung
3.3.1 Chemikalien für die Neutralisation mit der Hydroxidfällung
3.3.2 Komplexbildner
3.4 Sulfidfällung
3.5 Vergleich der Hydroxid- mit der Sulfidfällung
4 Ionenaustausch
4.1 Prinzip des Ionenaustausches
4.2 Grundlagen Ionenaustauscher
4.2.1 Harzmatrix
4.2.2 Ionenaustauschaktive Gruppen
4.2.3 Chelatbildende Kationenaustauscher
4.2.4 Dissoziationsverhalten von Iminodiessigsäure-Austauschern
4.3 Theorie Ionenaustausch
4.3.1 Gleichgewicht
4.3.2 Kinetik
4.3.3 Durchbruchverhalten
4.4 Auswahl des Harzes
4.5 Ionenaustauschverfahren
4.5.1 Einzelne Verfahrensschritte
4.5.2 Bauarten von Ionenaustauschkolonnen
4.5.3 Schaltungsmöglichkeiten von Austauschern
5 Versuchsdurchführung
5.1 Sulfidfällung
5.1.1 Metalclean-B
5.1.2 Praestol®
5.1.3 Versuchsablauf
5.2 Ionenaustausch
5.2.1 Verwendete Harze
5.2.1.1 Carbion® H
5.2.1.2 LEWATIT® MonoPlus TP 207
5.2.2 Vorberechnungen und Versuchsplanung
5.2.3 Versuchsaufbau
5.2.4 Vorbehandlung
5.2.5 Wasserzusammensetzung
5.3 Analysenverfahren
5.3.1 Theorie der Atomemissionsspektrometrie (AES)
5.3.2 Vorgehensweise bei der Analyse
6 Auswertung und Diskussion Versuche Sulfidfällung
6.1 Versuchsreihe 1 bis 3: Parameterbestimmung
6.2 Versuchsreihe 4 bis 7: Parameteroptimierung
6.3 Versuchsreihe 8 bis 10: Komplexiertes Abwasser
6.4 Versuchsreihe 11 bis 14: Abwasser aus Vorbehandlungsanlage
6.5 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
7 Auswertung und Diskussion Versuche Ionenaustausch
7.1 Vorversuche 1 und 2: Harzeignung
7.1.1 Berechnung der Harzkapazität am Beispiel von Versuch V1A
7.1.2 Ergebnisse Versuch V1
7.1.3 Ergebnisse Versuch V2
7.2 Vorversuch V3: Optimierung der Parameter
7.2.1 Ergebnis Versuch V3A
7.2.2 Ergebnis Versuch V3B
7.2.3 Ergebnis Versuch V3C
7.2.4 Ergebnis Versuch V3D
7.2.5 Ergebnis Versuch V3E
7.2.6 Ergebnis Versuch V3A-2
7.2.7 Ergebnis Versuch V3F
7.3 Zusammenfassung der Ergebnisse von V1 und V3
7.4 Vorversuch V4: Praxisnahes Abwasser
7.5 Versuch 5: Test auf Komplexbildner
7.6 Versuch V6: Abwasser mit hoher Schwermetall-Konzentration
7.7 Versuch V7: Abwasser mit geringerer Schwermetall-Konzentration
7.8 Versuch V8: Komplexiertes Abwasser
7.9 Versuch V9: Abwasser aus Vorbehandlungsanlage
7.10 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
8 Wirtschaftliche Betrachtung der beiden Verfahren
8.1 Anlagenbeispiel
8.1.1 Verfahrensschema Sulfidfällung
8.1.2 Verfahrensschema Ionenaustausch
8.2 Kalkulation der Betriebskosten
8.2.1 Sulfidfällung
8.2.2 Ionenaustausch
8.2.3 Kostenvergleich der beiden Verfahren
9 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur effektiven Abscheidung von Schwermetallen aus industriellen Abwässern, um extrem niedrige Grenzwerte einzuhalten, die mit aktuellen Standardmethoden teilweise nicht erreichbar sind. Hierfür wird eine methodische Untersuchung und Optimierung der Sulfidfällung sowie des Ionenaustauschs mit Selektivaustauschern durchgeführt.
- Verfahrensentwicklung zur Schwermetallabscheidung durch Kopplung der Sulfidfällung und des Ionenaustauschs.
- Untersuchung der Eignung und Kapazität von Selektivaustauschern (wie Lewatit TP 207) gegenüber verschiedenen Schwermetall-Ionen.
- Analyse des Einflusses von Wasserzusammensetzung, pH-Wert und Komplexbildnern auf die Abscheidungseffizienz.
- Vergleichende wirtschaftliche Betrachtung der beiden untersuchten Verfahren hinsichtlich Betriebs- und Entsorgungskosten.
- Erprobung der Praxistauglichkeit durch Laborversuche und Auswertung der Schlammmenge und Chemikalienverbräuche.
Auszug aus dem Buch
3.4 Sulfidfällung
Neben der Fällung von Metallen mit basischen Stoffen (Hydroxidfällung) gibt es auch die Möglichkeit der Fällung mit nichtbasischen Stoffen. Speziell Sulfidschwefelverbindungen können mit verschiedenen Metallen Verbindungen mit deutlich geringerer Löslichkeit eingehen, als es die entsprechenden Hydroxide aufweisen. Der Einfluss von Fremdsalzen ist deshalb wesentlich geringer und die Fällung sowohl in Anwesenheit von Komplexbildnern als auch bei niedrigem pH-Wert möglich. Bei dieser Methode ist auch das pH-Fenster wesentlich breiter als bei der Hydroxidfällung. Da fast alle Metalle solche schwerlöslichen Verbindungen bilden, kann die Methode sehr vielseitig eingesetzt werden.
Trotz dieser Vorteile ist die Sulfidfällung aktuell in der Praxis kaum vorzufinden. Gründe hierfür sind die mögliche Entstehung von Schwefelwasserstoff (H2S), dessen Giftigkeit und dessen niedriger Geruchsschwellenwert von < 1 ppm. Außerdem sind die jeweiligen Sulfidverbindungen der Metalle giftig und daher schwer zu handhaben. Dadurch wird eine solche Anlage apparativ aufwändig und kann nur von fachkundigem Personal betreut werden.
Sulfide bilden in wässrigem Milieu eine schwache Säure, den Schwefelwasserstoff. Dieser unterliegt einem pH-abhängigen Gleichgewicht, das in Abbildung 3-6 verdeutlicht wird.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Problemstellung: Definition der Zielsetzung der Arbeit, Überblick über relevante Grenzwerte und Einführung in die Problematik der Schwermetallbelastung im Abwasser.
2 Grundlagen: Kurzer Überblick über Verfahren zur Schwermetallentfernung und Beschreibung der notwendigen Produktvorbehandlung in der metallverarbeitenden Industrie.
3 Schwermetallfällung: Theoretische Erläuterung der Fällungsprozesse, insbesondere der Hydroxid- und Sulfidfällung, sowie deren Vor- und Nachteile.
4 Ionenaustausch: Detaillierte Darstellung des Prinzips, der Theorie und der technischen Durchführung des Ionenaustauschs, einschließlich der Auswahl und Regeneration geeigneter Harze.
5 Versuchsdurchführung: Dokumentation der praktischen Vorgehensweise, der verwendeten Chemikalien und der Analysenverfahren für die Laborversuche.
6 Auswertung und Diskussion Versuche Sulfidfällung: Darstellung und kritische Analyse der Ergebnisse aus den durchgeführten Versuchsreihen zur Sulfidfällung.
7 Auswertung und Diskussion Versuche Ionenaustausch: Detaillierte Analyse der Ergebnisse aus den Ionenaustauschversuchen unter Berücksichtigung verschiedener Parameter wie Beladung und Salzfracht.
8 Wirtschaftliche Betrachtung der beiden Verfahren: Gegenüberstellung der Kosten von Sulfidfällung und Ionenaustausch basierend auf einem Anlagenbeispiel.
9 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Vorschläge für weitere Optimierungsmöglichkeiten und Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Schwermetalle, Sulfidfällung, Ionenaustausch, Selektivaustauscher, Abwassergrenzwerte, Hydroxidfällung, Komplexbildner, Wirtschaftlichkeit, Betriebskosten, Schlammabsetzung, Schwermetallabscheidung, Wasseraufbereitung, Durchbruchskurve, Kapazität, Analytik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht Verfahren zur Schwermetallabscheidung aus industriellen Abwässern, um extrem niedrige Grenzwerte einhalten zu können.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Schwerpunkte liegen auf der Sulfidfällung und dem Ionenaustausch unter Einsatz selektiver Chelat-Ionenaustauscher.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Es soll geklärt werden, ob durch eine Kopplung spezifischer Behandlungsverfahren die strengen Abwassergrenzwerte osteuropäischer Staaten eingehalten werden können und welches Verfahren dabei wirtschaftlich am sinnvollsten ist.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Forschungsarbeit basiert auf umfangreichen Laborversuchen, bei denen Parameter variiert, Durchbruchskurven analysiert und Wirtschaftlichkeitskalkulationen für Anlagenauslegungen durchgeführt wurden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen der Fällung und des Ionenaustauschs, die detaillierte Versuchsplanung und Durchführung sowie die umfangreiche Auswertung und Diskussion der gewonnenen Daten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Schwermetallabscheidung, Sulfidfällung, Selektivionenaustausch, Grenzwerte, Betriebskosten und Kapazität.
Welchen Einfluss haben Komplexbildner auf die Reinigungsleistung?
Komplexbildner können die Wirkung von Fällungsmitteln oder Ionenaustauschern drastisch reduzieren, da sie die Metalle in Lösung halten und so eine Abscheidung erschweren oder verhindern.
Wie unterscheiden sich Hydroxidfällung und Sulfidfällung hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit?
Obwohl die Sulfidfällung sehr niedrige Restkonzentrationen ermöglicht, führt sie zu deutlich höheren Kosten durch Schlammentsorgung und Chemikalienverbrauch im Vergleich zum Ionenaustausch.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kommer (Author), 2008, Verfahrensentwicklung zur Schwermetallabscheidung durch selektive Fällung und Selektivionenaustauscher, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186658
