Verfahrensentwicklung zur Schwermetallabscheidung durch selektive Fällung und Selektivionenaustauscher

Diplomarbeit von Thomas Kommer

Einleitung:

Problemstellung:

Das Ziel dieser Diplomarbeit besteht darin, durch Laborversuche herauszufinden, ob die neuerdings geforderten extrem niedrigen Abwassergrenzwerte einiger osteuropäischer Staaten zur Einleitung von Abwässern durch eine Kopplung bestimmter Behandlungsverfahren eingehalten werden können. Dabei ist zu erwähnen, dass der Schwerpunkt auf zwei mögliche Verfahren gelegt wurde: Sulfidfällung sowie der Selektivionenaustausch (siehe Kap. 2.1).

Weiterhin soll untersucht werden, welches Verfahren wirtschaftlich am sinnvollsten eingesetzt werden kann. Daher wird die Arbeit mit einer entsprechenden Kostenrechnung (siehe Kapitel 8) abgeschlossen.

In diesem ersten Kapitel soll nun zuerst auf die Problematik der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Grenzwerte bei der Einleitung von Abwässern eingegangen werden. Daneben soll ein Überblick über die zu entfernenden Schwermetalle gegeben werden.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4.5, Ionenaustauschverfahren:

Die Anwendung von Ionenaustauschern erfolgt in der Regel in Kolonnen bzw. Filterkesseln in Form eines Festbettverfahrens. Die häufigsten Anwendungen von Ionenaustauscher-Verfahren im Bereich der Wasseraufbereitung sind:

- Enthärtung (Neutralaustausch) mit starksauren Kationenaustauschern in der Natriumform.

- Enthärtung und Entkarbonisierung mit schwachsauren Kationenaustauschern.

- Nitratentfernung mit starkbasischen Anionenaustauschern.

- Entfernung von organischen Stoffen mit Anionenaustauschern.

- Entfernung von Schwermetallen, z.B. mit chelatbildenden Kationenaustauschern (Selektiv-Austauscher).

Eine Schwermetallentfernung mit Selektiv-Kationenaustauschern hat gegenüber allen anderen Verfahren den großen Vorteil, dass diese Harze eine extrem hohe Affinität und Kapazität für Schwermetalle besitzen und dass hierbei die sonstige Wasserzusammensetzung praktisch unverändert bleibt. Im gereinigten Wasser können somit extrem niedrige Schwermetallkonzentrationen erreicht werden.

Wegen der begrenzten Aufnahmekapazität der Harze und der damit verbundenen Kosten für Regenerierungschemikalien ist das Verfahren nur zur Reinigung von sehr gering belastetem Wasser geeignet (Schwermetallkonzentrationen sollten sich möglichst im Mikrogramm-Bereich befinden).

Einzelne Verfahrensschritte:

Die Beladung erfolgt bis zum Erreichen des definierten Grenzwertes. Vor der Regeneration und der Konditionierung des Austauschers ist meistens eine Rückspülung mit Wasser erforderlich, weil sich bei den meist sehr langen Laufzeiten eine nicht unerhebliche Menge an Trübstoffen und anderen partikulären Substanzen im Austauscherbett angesammelt haben und das Harzbett aufgelockert werden muss. Die hierbei anfallenden Rückspülwässer können geringe Schwermetallgehalte aufweisen.

Die Regeneration erfolgt nach der Erschöpfung der Kapazität des Harzes. Sie geschieht bei Kationenaustauschern mit Säure - vor allem Salzsäure (HCl) - und bei Anionenaustauschern mit Lauge, vorwiegend Natronlauge (NaOH). Bei der Regenerierung wird der Beladungsvorgang umgekehrt: Es fällt ein Regenerat - auch Eluat genannt - an, das neben der überschüssigen Säure bzw. Lauge die ausgetauschten Kat- bzw. Anionen enthält. Es muss in jedem Fall aufgefangen und fachgerecht behandelt bzw. entsorgt werden.

Zur Überführung des Austauschers von der nun vorliegenden Form in die bevorzugte Betriebsform muss nach der Regeneration noch ein weiterer Behandlungsschritt erfolgen, die Konditionierung. Sie geschieht bei Kationenaustauschern mit Lauge - vor allem Natronlauge (NaOH) - und bei Anionenaustauschern mit Säure, vorwiegend Salzsäure (HCl). Sie stellt somit eine Beladungsumkehrung der Regeneration dar.

Nach der Regeneration und der Konditionierung muss das Harz jeweils mit Wasser ausgespült werden, um die überschüssige Säure bzw. Lauge auszuwaschen. In Bauarten von Ionenaustauschkolonnen:

Der Ionenaustausch erfolgt in wirtschaftlichem Maßstab in der Regel in Form eines Festbettverfahrens. In Folgendem soll ein kurzer Überblick über die beiden gängigsten Verfahren gegeben werden.

Festbettverfahren:

Beim Gleichstrom- oder Festbettverfahren wird die Harzschüttung im Betrieb von oben nach unten von dem zu reinigenden Wasser durchströmt. Bei der Regeneration erfolgt die Beaufschlagung mit den Regenerierchemikalien in gleicher Richtung. Auch das Auswaschen der Regenerierchemikalien erfolgt von oben nach unten. Um sicherzustellen, dass die unteren Zonen der Harzschüttung sicher und ausreichend regeneriert sind - schließlich fließt durch sie im Betrieb das gereinigte Wasser ab – muss gegenüber den theoretischen Regeneriermittelmengen mit einem Aufwand von ca. 250 % bei Kationen- und ca. 400 % bei Anionenaustauschern regeneriert werden.

Schwebebettverfahren:

Beim Gegenstrom- oder Schwebebettverfahren wird die Harzschüttung im Betrieb von unten nach oben vom Wasser durchströmt. Das Harzbett wird nach oben gegen den oberen Düsenboden getrieben. Bei der Regenerierung erfolgt die Beaufschlagung des Harzes mit Regenerierchemikalien in entgegen gesetzter Richtung - also von oben nach unten. Dadurch sinkt die Harzfüllung nach unten gegen den unteren Düsenboden. Die aufgegebenen noch unverbrauchten Chemikalien gelangen somit zuerst in den oberen Teil der Harzschicht, also in den Teil, durch den das gereinigte Wasser austritt. Damit wird diese Schicht - auch Feinreinigungszone genannt - besonders gut regeneriert, noch bevor das Restharz regeneriert wird. Deshalb kann bei dieser Art der Regeneration der Chemikalienaufwand nur ca. 120 bis 150 % des theoretischen Bedarfs betragen. Dies bedeutet einen wesentlich geringeren Verbrauch an Chemikalien als beim Festbettverfahren.

Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Festbettverfahren ist eine aus der Regenerierung im Gegenstromverfahren resultierende niedrigere Restleitfähigkeit des Wassers. Allerdings erfordert das Schwebebettverfahren für den Betrieb einen höheren apparativen Aufwand (unter anderem zwei Düsenböden). Deshalb wird es in der Regel erst bei Wasserdurchsätzen ab ca. 10 m³/h wirtschaftlich sinnvoll.