DE19613280C2

DE19613280C2 - Process for the separation of metal ions

Info

Publication number: DE19613280C2
Application number: DE19613280A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Schmitt; Wolfgang Dr Hoell; Siegfried Prof Dr Eberle
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1996-04-03
Filing date: 1996-04-03
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2016-04-04
Also published as: DE19613280A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Metall ionen gemäß dem ersten Patentanspruch.The invention relates to a method for separating metal Ions according to the first claim.

Die Veröffentlichung von Georges GREVILLOT und John DODDS: "Separation by Thermal Parametric Pumping in Adsorbing Systems: A New Approach" in I. Chem. E. Symposium Series No. 54 (1978) beschreibt das sogenannte parametrische Pumpen an hand einer experimentellen Trennung der Metallionen Ag⁺ und Cu⁺⁺ aus einer wäßrigen Lösung. Unter dem parametrischen Pum pen wird ein Trennverfahren verstanden, das von kleinen Unter schieden in der Gleichgewichtslage bei zwei verschiedenen thermodynamischen Zuständen ausgeht und die Trennung durch eine zyklische Kontaktierung mit einem Sorbens bewirkt.The publication by Georges GREVILLOT and John DODDS: "Separation by Thermal Parametric Pumping in Adsorbing Systems: A New Approach" in I. Chem. E. Symposium Series No. 54 (1978) describes the so-called parametric pumping based on an experimental separation of the metal ions Ag ⁺ and Cu ⁺⁺ from an aqueous solution. The parametric pump is understood to be a separation process that starts from small differences in the equilibrium position in two different thermodynamic states and effects the separation by means of cyclical contacting with a sorbent.

Zur Trennung der Metallionen wurde gemäß dieser Veröffentli chung ein Säulenreaktor eingesetzt, der mit einem stark sauren Ionenaustauscherharz gefüllt war. Das Ionenaustauscherharz wurde bei einer Temperatur von 20°C mit einer wäßrigen Lösung von 0,5 N Silber- und 0,5 N Kupfernitrat in Kontakt gebracht. Dann wurde ein Teilvolumen der wäßrigen Lösung in einen Behäl ter überführt, der über eine Leitung mit dem einen Ende des Säulenreaktors in Verbindung stand. Anschließend wurde der Säulenreaktor auf eine Temperatur von 60°C aufgeheizt und das restliche Volumen der wäßrigen Lösung (das zweite Teilvolumen) in einen zweiten Behälter gepumpt, der mit dem anderen Ende des Säulenreaktors in Verbindung stand. Danach wurde der Säu lenreaktor wieder auf 20°C abgekühlt und das Teilvolumen aus dem ersten Behälter wieder in den Säulenreaktor zurückgepumpt. Diese Schritte wurden 36 mal durchgeführt. Es ergab sich eine nahezu 100%-ige Auftrennung der beiden Metallionen in den beiden Teilvolumina. According to this publication, the metal ions were separated Chung a column reactor used with a strongly acidic Ion exchange resin was filled. The ion exchange resin was at a temperature of 20 ° C with an aqueous solution of 0.5 N silver and 0.5 N copper nitrate. Then a portion of the aqueous solution was poured into a container ter transferred via a line to one end of the Column reactor connected. Then the Column reactor heated to a temperature of 60 ° C and that remaining volume of the aqueous solution (the second partial volume) pumped into a second container, the other end of the column reactor was connected. Then the sow lenreaktor cooled again to 20 ° C and the partial volume pumped back into the column reactor in the first container. These steps were carried out 36 times. There was one almost 100% separation of the two metal ions in the two partial volumes.

Das Verfahren hat sich in der Technik nicht durchgesetzt; es arbeitet unwirtschaftlich, weil die Temperaturänderungen einen hohen Energieaufwand bedingen.The process has not become established in technology; it works uneconomical because the temperature changes one high energy consumption.

Die Veröffentlichung von J. E. SABADELL und N. H. SWEED: "Pa rametric Pumping with pH" in Separation Science, 5(3), pp. 171-181, June 1970 beschreibt das parametrische Pumpen mit der Variation des pH-Wertes anstatt der Temperatur wie bei Grevil lot und Dodds. Über einem Säulenreaktor, der mit einem Katio nenaustauscher gefüllt ist, befindet sich ein Reservoir einer basischen wäßrigen Lösung von Kalium- und Natriumionen. Aus dem Reservoir fließt die basische Lösung in den Säulenreaktor, wobei sich der Gleichgewichtszustand einstellt. Danach läßt man die Lösung aus dem Säulenreaktor abfließen, wobei aus dem Reservoir basische Lösung in den Säulenreaktor nachströmt. Der aus dem Säulenreaktor abfließende Anteil der basischen Lösung wird mit konzentrierter Salzsäure bis auf einen pH-Wert von etwa 3 titriert. Anschließend wird der angesäuerte Anteil der Lösung erneut durch den Säulenreaktor gepumpt, am Kopf des Säulenreaktors analysiert und dann verworfen. Danach beginnt der Zyklus von vorn.The publication by J.E. SABADELL and N.H. SWEED: "Pa rametric pumping with pH "in Separation Science, 5 (3), pp. 171-181, June 1970 describes parametric pumping with the Variation of the pH value instead of the temperature as with Grevil lot and dodds. Above a column reactor with a Katio is filled, there is a reservoir basic aqueous solution of potassium and sodium ions. Out the basic solution flows into the column reactor, where the equilibrium is established. After that leaves to drain the solution from the column reactor, from which Reservoir of basic solution flows into the column reactor. The portion of the basic solution flowing out of the column reactor with concentrated hydrochloric acid to a pH of titrated about 3. Then the acidified portion of the Solution again pumped through the column reactor, at the top of the Column reactor analyzed and then discarded. After that starts the cycle from the beginning.

Im Gegensatz zu dem Verfahren, das Grevillot und Dodds be schreiben, arbeitet dieses Verfahren nicht mit einer Lösung mit konstantem Volumen, die in zwei Teilvolumina aufgetrennt wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß durch die pH-Ein stellung mit der konzentrierten Salzsäure die basische Lösung verdünnt wird; eine weitere Verdünnung durch Zugabe eines al kalischen Mediums würde die gewünschte Anreicherung der Me tallionen zunichte machen. Aus demselben Grund wird mit kon zentrierter Salzsäure titriert, wobei wegen des geringen Volu mens der Salzsäure offensichtlich ein erheblicher Aufwand zur Einstellung des gewünschten pH-Werts erforderlich ist. In der Veröffentlichung wird der Einsatz von Pufferlösungen disku tiert; da die Pufferlösungen mit dem Ionenaustauschprozeß kon kurrieren, wird deren Einsatz für nicht akzeptabel gehalten. Unlike the process that Grevillot and Dodds be write, this method does not work with a solution with constant volume, which is separated into two partial volumes becomes. The reason for this is that the pH-in position the basic solution with the concentrated hydrochloric acid is diluted; a further dilution by adding an al Kalische medium would the desired enrichment of the Me destroy ion ions. For the same reason, con centered hydrochloric acid titrated due to the low vol mens hydrochloric acid obviously a considerable effort Setting the desired pH is required. In the The use of buffer solutions will be published animals; since the buffer solutions with the ion exchange process curriculum, their use is considered unacceptable.

Das Verfahren liefert zwar einen gewissen Trenneffekt und eine Anreicherung der beiden Metallionenspecies, der Aufwand hier für scheint jedoch außerordentlich hoch. Erst nach mehreren Hundert Zyklen kommt ein Trennfaktor von maximal ca. 1,5 zu stande.The process does provide a certain separation effect and one Enrichment of the two metal ion species, the effort here for seems extremely high. Only after several There is a separation factor of a maximum of approx. 1.5 cycles stood.

Parametrisches Pumpen mit einer Variation des pH-Werts ist weiterhin in der Veröffentlichung "Separation of Proteins via pH-Parametric Pumping" von H. T. CHEN, U. PACHAROEN, W. T. YANG, C. O. KEROBO und R. J. PARISI in SEPARATION SCIENCE AND TECHNOLOGY, 15(6), pp. 1377-1391, 1980 sowie in AIChE-Jounal 26, 839 (1980) beschrieben. Es sollen Proteine voneinander ge trennt werden. Eines der beschriebenen Verfahren arbeitet mit einem Säulenreaktor, der mit einem Anionen- oder einem Katio nenaustauscher gefüllt sein kann. Oberhalb des Säulenreaktors befindet sich ein Behälter mit einer wäßrigen Lösung der Pro teine. Die Lösung im oberen Behälter wird mit geeigneten Puf fersystemen auf einem pH-Wert P₂ im sauren Bereich gehalten. Unterhalb des Reaktors befindet sich ein zweiter Behälter, in dem die Lösung auf einen pH-Wert P₁ im alkalischen Bereich eingestellt wird. Ebenso wie bei dem Verfahren, das Grevillot und Dodds beschreiben, werden die Lösungen in den oberen und unteren Behältern abwechselnd durch den Säulenreaktor gelei tet. Das Verfahren nutzt die Eigenschaft von Proteinen, sowohl positiv als auch negativ geladene Gruppen zu tragen, wobei ihre Gesamtladung pH-abhängig ist. Bei hohen pH-Werten ist die Gesamtladung negativ, bei niedrigen pH-Werten positiv. Demzu folge können sowohl Anionen- als auch Kationenaustauscher ein gesetzt werden. Die weiteren Verfahren betreffen Mehrsäulen systeme. Über die Trennung anderer Stoffe, insbesondere die Trennung von Metallionen, wird nicht berichtet.Parametric pumping with a variation of the pH value is also in the publication "Separation of Proteins via pH-Parametric Pumping" by HT CHEN, U. PACHAROEN, WT YANG, CO KEROBO and RJ PARISI in SEPARATION SCIENCE AND TECHNOLOGY, 15 (6) , pp. 1377-1391, 1980 and in AIChE-Jounal 26, 839 (1980). Proteins are to be separated from one another. One of the methods described works with a column reactor, which can be filled with an anion or a cation exchanger. Above the column reactor is a container with an aqueous solution of proteins. The solution in the upper container is kept at a pH value P ₂ in the acidic range with suitable buffer systems. A second container is located below the reactor, in which the solution is adjusted to a pH value P ₁ in the alkaline range. As with the process described by Grevillot and Dodds, the solutions in the upper and lower tanks are passed alternately through the column reactor. The method uses the property of proteins to carry both positively and negatively charged groups, their total charge being pH-dependent. The total charge is negative at high pH values and positive at low pH values. As a result, both anion and cation exchangers can be used. The other procedures relate to multi-column systems. The separation of other substances, in particular the separation of metal ions, is not reported.

Eine kritische Würdigung der Arbeiten von Chen et al und von Sabadell und Sweed findet sich in "Adsorption and Ion Exchange - Progress and Future Prospects", John SHERMAN, editor und Theodore VERMEULEN, co-editor, AIChE Symposium Series 233 Vo lume 80. 1984 (American Institute of Chemical Engineers) pp. 44-53: "Parametric Pumping and Cycling Zone Adsorption - A Critical Analysis" von N. H. SWEED. Unter der Überschrift "Re cuperative pH Mode" wird die Meinung vertreten, die von Saba dell und Sweed sowie von Chen et al beschriebenen Verfahren seien wenig effektiv. Es wird das sogenannte "Teabag" Verfah ren vorgeschlagen, mit dem sich nach Ansicht des Autors jede adsorptionsgesteuerte Trennung durchführen läßt. Beim "Tea bag"-Verfahren wird die Ausgangslösung in zwei Teillösungen aufgeteilt. In den beiden Teillösungen wird ein unterschiedli cher pH-Wert eingestellt. Dann wird abwechselnd in jede der Teillösungen so lange ein Sorbens, etwa ein Ionenaustauscher, eingetaucht, bis sich ein stationärer Zustand einstellt. Ins gesamt wird das parametrische Pumpen mit pH-Änderung jedoch skeptisch beurteilt. Eine weitergehende Trennung als durch das "Teabag"-Verfahren sei bei keiner anderen Verfahrensvariante zu erwarten.A critical appreciation of the work of Chen et al and von Sabadell and Sweed can be found in "Adsorption and Ion Exchange - Progress and Future Prospects ", John SHERMAN, editor and Theodore VERMEULEN, co-editor, AIChE Symposium Series 233 Vo lume 80. 1984 (American Institute of Chemical Engineers) pp. 44-53: "Parametric Pumping and Cycling Zone Adsorption - A Critical Analysis "by N. H. SWEED. Under the heading" Re cuperative pH Mode "is the opinion of Saba dell and Sweed, and methods described by Chen et al be little effective. It becomes the so-called "teabag" procedure ren proposed, with which each, in the author's opinion adsorption controlled separation can be carried out. At the "Tea bag "process is the starting solution in two partial solutions divided up. A distinction is made in the two partial solutions pH adjusted. Then alternately in each of the Partial solutions as long as a sorbent, such as an ion exchanger, immersed until a steady state occurs. Ins however, parametric pumping with a change in pH is overall judged skeptically. A wider separation than that "Teabag" process is not in any other process variant expected.

E. A. Tomic et al.: "Polythiosemicarbazides. II. Effect of Chemical Structure on Chelating Properties. Structure of the Chelates" in J. of Polym. Science Vol. 62, S. 387-399 (1962) beschreiben einen komplexbildenden Ionenaustauscher, dessen Selektivität für Kupfer stark pH-abhängig ist.E. A. Tomic et al .: "Polythiosemicarbazides. II. Effect of Chemical Structure on Chelating Properties. Structure of the Chelates "in J. of Polym. Science Vol. 62, pp. 387-399 (1962) describe a complex-forming ion exchanger, the Selectivity for copper is strongly pH-dependent.

Aus R. Hering: "Anwendung chelatbildender Ionenaustauscher harze in der analytischen Chemie" in Zeitschr. f. Chemie 1965, Heft 11, S. 402-409 ist bekannt, daß bei Verwendung von chelatbildenden Ionenaustauschern durch Zusatz von Kom plexbildnern Metallionen voneinander getrennt werden können. Die Möglichkeiten der metallspezifischen Trennung werden wesentlich vergrößert, wenn zusätzlich der pH-Wert verändert wird.From R. Hering: "Application of chelating ion exchangers resins in analytical chemistry "in Zeitschr. f. Chemie 1965, Issue 11, pp. 402-409 it is known that when using chelating ion exchangers by adding com plexer metal ions can be separated from each other. The possibilities of metal-specific separation are significantly increased if the pH value also changes becomes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das parametrische Pumpen mit Änderung des pH-Werts so auszugestalten, daß eine Trennung von Metallionen, insbesondere von Schwermetallionen möglich ist.The invention has for its object the parametric Design pumps with changes in pH so that a Separation of metal ions, especially heavy metal ions is possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Pa tentanspruch beschriebene Verfahren gelöst. Die weiteren An sprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.The task is inventively by the in the first Pa Solved method described claim. The other An sayings give preferred embodiments of the invention Procedure.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich zwei oder mehr Species von Metallionen, insbesondere von Schwermetallionen, voneinander trennen. Die einzelnen Species der Metallionen können von verschiedenen oder von gleichen Elementen abgelei tet sein. Beispielsweise können verschiedene Schwermetallionen oder aber Schwermetallionen in verschiedenen Wertigkeitsstufen voneinander getrennt werden. Die Metallionen liegen in der Re gel in Form ihrer Salze vor.With the method according to the invention, two or more can be Species of metal ions, especially heavy metal ions, separate from each other. The individual species of metal ions can derive from different or from the same elements be. For example, different heavy metal ions or heavy metal ions in different valence levels be separated from each other. The metal ions are in the right gel in the form of their salts.

Die wäßrige Lösung wird nun in mindestens eine erste und eine zweite Teillösung aufgeteilt. Sofern nicht nur zwei, sondern mehrere Species voneinander getrennt werden sollen, werden zweckmäßigerweise ebenso viele Teillösungen hergestellt wie zu trennende Species in der wäßrigen Lösung vorliegen.The aqueous solution is now in at least a first and a split second partial solution. If not just two, but several species are to be separated expediently produced as many partial solutions as for separating species are present in the aqueous solution.

Mindestens der ersten Teillösung wird nun ein Komplexbilder zugesetzt. In dem Fall, daß zwei Teillösungen hergestellt wur den, braucht somit nur eine der beiden den Komplexbildner ent halten. Liegen mehrere Teillösungen vor, können sie den Kom plexbildner in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten, wobei eine der Teillösungen frei von Komplexbildner bleiben kann.At least the first partial solution now becomes a complex image added. In the event that two partial solutions were prepared only one of the two needs the complexing agent hold. If there are several partial solutions, you can use the com contain plexing agents in different concentrations, one of the partial solutions remaining free of complexing agents can.

Der Komplexbildner wird hinsichtlich der Menge der zu komple xierenden Metallionen einer oder mehrerer Species im Unter schuß eingesetzt. Dadurch werden nicht alle vom Komplexbilder an sich komplexierbaren Metallionen komplexiert. Bevorzugt wird, den Komplexbilder in einer solchen Menge zuzugeben, daß das Verhältnis der Konzentration aller Metallionen zur Konzen tration des Komplexbildners in der Teillösung zwischen 1 : 1 und 10 : 1 [Mol/Mol] beträgt.The complexing agent is too complex in terms of the amount of xing metal ions of one or more species in the sub shot used. This does not remove all of the complex images complexed metal ions. Prefers is to add the complex images in such an amount that the ratio of the concentration of all metal ions to the concentration tration of the complexing agent in the partial solution between 1: 1 and 10: 1 [mol / mol].

Als Komplexbildner eignen sich solche Stoffe, die mindestens eine der Species in wäßriger Lösung komplexieren. Für Schwer metalle eignen sich insbesondere schwache organische Säuren und deren Salze wie z. B. Weinsäure und Zitronensäure. Die Menge des Komplexbildners wird vorzugsweise so gewählt, daß das Verhältnis der Konzentration aller Metallionen zur Konzen tration des Komplexbildners in der Teillösung zwischen 1 : 1 und 10 : 1 [Mol/Mol] beträgt. Substances that are at least suitable are complexing agents complex one of the species in aqueous solution. For heavy metals are particularly suitable for weak organic acids and their salts such as. B. tartaric acid and citric acid. The The amount of complexing agent is preferably chosen so that the ratio of the concentration of all metal ions to the concentration tration of the complexing agent in the partial solution between 1: 1 and 10: 1 [mol / mol].

Durch die Zugabe des Komplexbildners wird zumindestens eine der Species der Metallionen in der ersten und ggf. in weiteren Teillösungen teilweise maskiert, wobei der maskierte Teil der Metallionen entweder gegenüber dem Sorbens ein anderes Adsorp tionsverhalten zeigt als der nicht maskierte Teil oder aber überhaupt nicht am Sorbens adsorbiert wird. In anderen mit Komplexbildner versetzten Teillösungen wird die Maskierung da gegen zumindest weitgehend aufgehoben, wenn ein zweiter pH- Wert vorliegt, der die Bildung des Komplexes nicht oder nur eingeschränkt zuläßt. Die Unterschiede im Adsorptionsverhalten am Sorbens zwischen der maskierten Species in einer der Teil lösungen und der nicht maskierten Species in der anderen Teil lösung sind wesentlich größer als die Unterschiede in der Ad sorption verschiedener Species am Sorbens an sich. Durch die Zugabe des Komplexbildners werden somit die geringen Sorpti onsunterschiede der einzelnen Species untereinander deutlich verstärkt. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad des erfin dungsgemäßen Verfahrens erheblich höher als der des Verfahrens nach Sabadell und Sweed.By adding the complexing agent, at least one the species of the metal ions in the first and possibly in the further Partial solutions partially masked, the masked part of the Metal ions either a different adsorb than the sorbent behavior shows as the unmasked part or else is not adsorbed on the sorbent at all. In others with Masking is added to complexing agents against at least largely canceled if a second pH Value is present that does not or only the formation of the complex allows limited. The differences in adsorption behavior at the sorbent between the masked species in one of the parts solutions and the unmasked species in the other part solution are much larger than the differences in the ad sorption of various species on the sorbent itself. Through the Addition of the complexing agent thus low sorpti ons differences between the individual species clearly reinforced. For this reason, the efficiency of the inventions method according to the invention is considerably higher than that of the method after Sabadell and Sweed.

Anschließend wird die erste der Teillösungen mit einem Sorbens in Kontakt gebracht. Das Sorbens muß in der Lage sein, die Me tallionen reversibel zu adsorbieren. Als Sorbens können alle Arten von Ionenaustauschern, somit stark oder schwach saure und stark oder schwach basische, eingesetzt werden. Als Sor bens läßt sich jedoch auch Aktivkohle mit Erfolg einsetzen. Der Kontakt mit den Teillösungen kann in der bekannten Art entweder nach dem "Teebeutel"-Verfahren oder durch ein Säulen verfahren hergestellt werden.Then the first of the partial solutions with a sorbent brought into contact. The sorbent must be able to reversibly adsorb tallions. As a sorbent, everyone can Types of ion exchangers, thus strongly or weakly acidic and strong or weakly basic. As Sor However, activated carbon can also be used successfully. Contact with the partial solutions can be done in the known manner either by the "tea bag" process or by a column processes are produced.

Die Menge des Sorbens ist erfindungsgemäß so bemessen, daß dessen Austauschkapazität maximal der Menge aller Metallionen jeder Species in den einzelnen Teillösungen entspricht. Mit größeren Mengen an Sorbens sinkt die Trennleistung. The amount of sorbent according to the invention is such that its exchange capacity at most the amount of all metal ions corresponds to each species in the individual partial solutions. With The separation performance decreases with larger amounts of sorbent.

Anschließend wird der pH-Wert in der ersten Teillösung auf einen ersten Wert eingestellt. Den pH-Wert erst zu diesem Zeitpunkt einzustellen hat den Vorzug, daß pH-Änderungen in der Teillösung, die sich durch den Kontakt des Sorbens erge ben, ausgeglichen werden.Then the pH in the first partial solution set a first value. The pH value only at this Setting the time has the advantage that pH changes in the partial solution that results from the contact of the sorbent ben, be balanced.

Zur pH-Werteinstellung wird ein mit Wasser zwar in ge ringem Umfang reagierendes, jedoch schwer lösliches Gas verwendet. Beispiele für solche Gase sind Stickstoffmonoxid, das sich zu salpetriger Säure löst, und Kohlendioxid, das Kohlensäure bil det. Die Teillösung wird in diesem Fall mit dem unter Druck stehenden Gas beaufschlagt, wobei die Höhe des Gaspartial drucks die Änderung des pH-Wertes bestimmt. Da die Gase sich schlecht in Wasser lösen, kann man durch Druckentlastung den pH-Wert wieder nahezu auf den Ausgangswert zurückführen. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von Gasen zur pH- Einstellung liegt darin, daß die Teillösungen nicht weiter verdünnt werden. Ein wesentlicher weiterer Vorteil ist, daß die Lösungen nicht zusätzlich mit den Salzen beladen werden. Salze entstehen bei den Verfahren nach dem Stand der Technik durch die Neutralisation von Säuren und Basen.To adjust the pH value, water is used in gas that reacts to a small extent but is difficult to dissolve. Examples of such gases are nitric oxide, which is too nitrous acid dissolves, and carbon dioxide, the carbonic acid bil det. In this case, the partial solution is pressurized standing gas, the height of the gas partial pressure changes the pH. Because the gases themselves difficult to dissolve in water can be done by relieving pressure Bring the pH back almost to the original value. A special advantage when using gases for pH Attitude is that the partial solutions are no further be diluted. Another major advantage is that the solutions are not additionally loaded with the salts. Salts are formed in the prior art processes through the neutralization of acids and bases.

Kohlendioxid wird zur Einstellung des pH-Werts wegen seiner Ungiftigkeit und seiner chemischen Eigenschaften besonders be vorzugt.Carbon dioxide is used to adjust the pH because of it Non-toxicity and its chemical properties especially be prefers.

Der erste pH-Wert wird so eingestellt, daß in der ersten Teil lösung von mindestens einer Species sowohl die komplexierten als auch die freien Metallionen nebeneinander vorliegen. Für den bevorzugten Fall, daß der Komplexbildner in unterstöchio metrischer Menge in der Teillösung vorliegt, kann der erste pH-Wert in einem relativ breiten Bereich liegen. The first pH is adjusted so that in the first part solution of at least one species both the complexed and the free metal ions are present side by side. For the preferred case that the complexing agent in substoichio metric quantity in the partial solution, the first pH is in a relatively wide range.

Der Kontakt des Sorbens wird bei diesem pH-Wert eine vorgege bene Zeit lang aufrechterhalten. Die vorgegebene Zeit ist in den meisten Fällen die Zeit, die bis zur Einstellung des Gleichgewichts verstreicht. In Einzelfällen kann es jedoch günstiger sein, die Gleichgewichtseinstellung nicht abzuwar ten. Falls die Adsorptionsgeschwindigkeit der verschiedenen Species stark unterschiedlich ist, kann ein zusätzlicher Trenneffekt erzielt werden, wenn die Gleichgewichtseinstellung nicht abgewartet wird.The contact of the sorbent is specified at this pH maintain for a long time. The given time is in in most cases, the time it takes for the Balance passes. In individual cases, however, it can be cheaper not to wait for the equilibrium If the rate of adsorption of the various Species vary widely, an additional one Separation effect can be achieved when balancing is not waited for.

Generell wird erfindungsgemäß der Kontakt des Sorbens mit der ersten Teillösung dann beendet, wenn das Verhältnis der Konzentration einer ersten Species im Sorptionsmittel zur Kon zentration aller Species in der ersten Teillösung ein Maximum annimmt.In general, the contact of the sorbent with the first partial solution then ends when the ratio of Concentration of a first species in the sorbent for con concentration of all species in the first partial solution is a maximum assumes.

Dann wird die zweite Teillösung mit dem Sorbens in Kontakt ge bracht. Anschließend wird der pH-Wert in der zweiten Teillö sung auf einen vom ersten Wert abweichenden zweiten Wert ein gestellt. Enthält die zweite Teillösung ebenfalls den Kom plexbildner, wird der zweite pH-Wert vorzugsweise so gewählt, daß sich die Komplexierungseigenschaften möglichst stark än dern. Enthält die zweite Teillösung keinen Komplexbildner, kann der zweite pH-Wert aus einem breiten Bereich gewählt wer den. Der Kontakt des Sorbens wird wiederum so lange auf rechterhalten, bis das Verhältnis der Konzentration am Sorbens adsorbierter Metallionen nunmehr der zweiten Species zur Kon zentration aller in der zweiten Teillösung vorhandener Metall ionen ein Maximum annimmt.Then the second partial solution is in contact with the sorbent brings. Then the pH value in the second part solution to a second value that deviates from the first value posed. Does the second partial solution also contain the comm plexing agent, the second pH is preferably chosen so that the complexing properties change as much as possible other. If the second partial solution does not contain a complexing agent, the second pH can be chosen from a wide range the. The contact of the sorbent is again so long maintain until the ratio of the concentration of sorbent adsorbed metal ions of the second species to Kon concentration of all metal present in the second partial solution ion assumes a maximum.

Diese Schritte werden nun gegebenfalls auch an weiteren Teil lösungen vorgenommen. Anschließend wird das Verfahren mehrfach zyklisch wiederholt, bis sich ein stationärer Zustand ein stellt.If necessary, these steps will now also be applied to other parts solutions made. Then the procedure is repeated repeated cyclically until a steady state occurs poses.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren und Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert.The invention is described below with reference to figures and design tion examples explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Technikumsanlage zur Trennung von Schwermetallen, insbesondere von Kupfer und Nickel, durch parametrisches Pumpen mit pH-Änderung; Figure 1 is a schematic representation of a pilot plant for the separation of heavy metals, in particular copper and nickel, by parametric pumping with pH change.

Fig. 2 Konzentrationsverläufe und Beladungsprofile eines er sten Ausführungsbeispiels; Fig. 2 concentration curves and loading profiles of a he most exemplary embodiment;

Fig. 3 Konzentrationsverläufe und Beladungsprofile eines zwei ten Ausführungsbeispiels; Fig. 3 concentration profiles and loading profiles of a two-th embodiment;

Fig. 4 eine Darstellung berechneter Kupfer- und Kupferkomplex- Konzentrationen bei zwei verschiedenen pH-Werten; Fig. 4 is a diagram of calculated copper and Kupferkomplex- concentrations at two different pH values;

Fig. 5 eine Darstellung berechneter Nickel- und Nickelkomplex- Konzentrationen bei zwei verschiedenen pH-Werten. Fig. 5 is a representation of calculated Nickel and nickel complex concentrations at two different pH values.

Die Versuche zur Trennung der Schwermetalle Kupfer und Nickel wurden in der in Fig. 1 schematisch gezeigten Anlage durchge führt.The tests for the separation of the heavy metals copper and nickel were carried out in the system shown schematically in FIG. 1.

Die Anlage enthält zwei Vorlagebehälter 1, 2 für die Teillö sungen, den Reaktor 3 und jeweils eine Druckgasflasche für Luft 4 und für Kohlendioxid 5. Die Teillösungen fließen über eine mit einem Ventil 6 absperrbare Leitung 7 in den Reaktor 3. Die Leitungen 7 weisen außerdem mit Ventilen versehene Pro bennahmeabzweigungen 8 auf.The system contains two storage containers 1 , 2 for the partial solutions, the reactor 3 and a compressed gas bottle for air 4 and for carbon dioxide 5 . The partial solutions flow into the reactor 3 via a line 7 which can be shut off with a valve 6 . The lines 7 also have valve-receiving branches 8 pro.

Der Reaktor ist ein PVC-Reaktor mit Rührkesselcharakteristik; er ist mit einem Überdruckventil 9, einem Entlüftungsventil 10 und einem Manometer 11 versehen. Im Innern des Reaktors befin det sich ein am unteren Ende mit einem Sieb 15 verschlossenes Fallrohr 12, ein oberes Sieb 13, das Sorbens 14, ein Bodensieb 16 und ein Gaseinlaß 17. Über die Leitungen 18 lassen sich die Vorlagebehälter wieder befüllen. In dieser Anlage wurden die nachfolgenden Versuche vorgenommen.The reactor is a PVC reactor with a stirred tank characteristic; it is provided with a pressure relief valve 9 , a vent valve 10 and a pressure gauge 11 . Inside the reactor is a down pipe 12 closed at the lower end with a sieve 15 , an upper sieve 13 , the sorbent 14 , a bottom sieve 16 and a gas inlet 17th The supply containers can be refilled via the lines 18 . The following tests were carried out in this system.

In den Beispielen werden die folgenden Parameter verwendet:
The following parameters are used in the examples:

Gesamtkapazität des Sorbens: Anzahl der austauschbaren Gegen ionen als ÄquivalentstoffmengeTotal sorbent capacity: number of exchangeable counterparts ions as equivalent amount

meq: Milliäquivalent = Einheit für die von einer Species vorhandene Ladungsstoffmenge bzw. Äquivalentstoffmenge n_eq mit n_eq = n_molar . Wertigkeit
n_eq: Äquivalentstoffmenge in [meq]
n_molar: Molare Stoffmenge in mmol.meq: milliequivalent = unit for the amount of charge or equivalent substance present in a species n _eq with n _eq = n _molar . Value
n _eq : amount of equivalent substance in [meq]
n _molar : molar amount of substance in mmol.

Beispiel 1:Example 1:

Als Sorbens wurde der Ionenaustauscher Lewatit S100 in der Na- Form eingesetzt. Die Gesamtkapazität des Ionenaustauschers be trug q_ges = 40,03 meq. Der niedrigere pH-Wert in den Teillö sungen wurde jeweils mit Kohlendioxid bei Raumtemperatur und einem Druck von 15 bar eingestellt; zur Einstellung des höhe ren pH-Werts wurden die Teillösungen Druckluft unter einem Druck von 4,5 bar ausgesetzt. Die Vorlagebehälter 1, 2 (die Angaben für den Vorlagebehälter 2 sind in Klammern angegeben) wurden mit 4,78 (4,79) l einer Lösung mit einer Cu-Ausgangs konzentration 4,04 (4,10) meq/l und einer Nickelausgangskon zentration von 4,00 (4,00) meq/l sowie mit einer Natriumtar tratkonzentration von 4,11 (3,97) mmol/l beladen. Das Anker gruppenverhältnis lag bei 99,6 (98,8) %, das Komplexbildner verhältnis bei 101,5 (98,0) %.The ion exchanger Lewatit S100 in Na form was used as sorbent. The total capacity of the ion exchanger be carried q _tot = 40.03 meq. The lower pH in the partial solutions was adjusted with carbon dioxide at room temperature and a pressure of 15 bar; to adjust the higher pH, the partial solutions were exposed to compressed air at a pressure of 4.5 bar. The storage containers 1 , 2 (the information for storage container 2 are given in brackets) were treated with 4.78 (4.79) l of a solution with a Cu output concentration of 4.04 (4.10) meq / l and a nickel output con concentration of 4.00 (4.00) meq / l and a sodium tar concentration of 4.11 (3.97) mmol / l. The anchor group ratio was 99.6 (98.8)%, the complexing agent ratio 101.5 (98.0)%.

Es ergeben sich die in Fig. 2 dargestellten Konzentrations- und Beladungsverhältnisse. Die Meßwerte (Punkte, Quadrate etc.) entsprechen den aufeinanderfolgenden Halbzyklen, wobei unter dem Begriff Halbzyklus jeder neue Kontakt des Sorbens mit einer der beiden Teillösungen verstanden wird. Die erste Teillösung kommt hierbei im 1., 3., 5. etc. Halbzyklus mit dem Sorbens in Kontakt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ergibt sich schon nach wenigen Halbzyklen ein beachtlicher Trenneffekt für Kupfer- und Nickelionen.The concentration and loading ratios shown in FIG. 2 result. The measured values (points, squares, etc.) correspond to the successive half cycles, the term half cycle being understood to mean each new contact of the sorbent with one of the two partial solutions. The first partial solution comes into contact with the sorbent in the 1st, 3rd, 5th etc. half cycle. As can be seen from FIG. 2, there is a considerable separation effect for copper and nickel ions after only a few half cycles.

Beispiel 2:Example 2:

Beispiel 1 wurde mit den folgenden Änderungen wiederholt: Die Gesamtmenge an Sorbens betrug 15 g; dies entspricht einer Gesamtkapazität von 37,8 meq. Die Vorlagebehälter 1 und 2 (die Werte für den Vorlagebehälter 2 sind in Klammern gesetzt) wur den vor dem Versuch mit 4,64 (4,75) l einer Lösung mit einer Cu-Konzentration von 3,61 (3,88) mmol/l, einer Ni-Konzentra tion von 3,95 (3,93) mmol/l und einer Natriumtartrat-Konzen tration von 4,0 (4,0) mmol/l befüllt. In den Vorlagebehältern ergab sich ein Komplexbildnerverhältnis von 50 (50) %. Das An kergruppenverhältnis betrug ebenfalls 50%. In beiden Vorlage behältern wurden die Teillösungen vorab mit NaOH auf einen pH- Wert von 5,58 (5,48) angehoben. Es ergaben sich die in Fig. 3 dargestellten Trenneffekte.Example 1 was repeated with the following changes: the total amount of sorbent was 15 g; this corresponds to a total capacity of 37.8 meq. Storage tanks 1 and 2 (the values for storage tank 2 are in brackets) were mixed with 4.64 (4.75) l of a solution with a Cu concentration of 3.61 (3.88) mmol / l, a Ni concentration of 3.95 (3.93) mmol / l and a sodium tartrate concentration of 4.0 (4.0) mmol / l filled. A complexing agent ratio of 50 (50)% resulted in the storage containers. The anchor group ratio was also 50%. In both receptacles, the partial solutions were previously raised to pH 5.58 (5.48) with NaOH. The separation effects shown in FIG. 3 resulted.

Beispiel 3:Example 3:

Mit Hilfe eines Rechenprogrammes werden die Konzentrationen einer Reihe von Ionen und Komplexen in zwei Teillösungen mit verschiedenem pH-Wert berechnet.With the help of a computer program, the concentrations a series of ions and complexes in two partial solutions different pH value calculated.

Es wird von der folgenden Anfangszusammensetzung der Teillö sungen ausgegangen:
4 mmol/l CuCl₂
4 mmol/l NiCl₂
4 mmol/l Na₂-Tartrat entsprechend einem Komplexbildner verhältnis von 50%
2 mmol/l NaOH zur pH-Anhebung über pK2 = 4,23 der Weinsäure.The following initial composition of the partial solutions is assumed:
4 mmol / l CuCl ₂
4 mmol / l NiCl ₂
4 mmol / l Na ₂ tartrate corresponding to a complexing agent ratio of 50%
2 mmol / l NaOH for raising the pH above pK2 = 4.23 of tartaric acid.

Die Konzentrationen wurden mit Hilfe des Datensatzes für Kom plexgleichgewichtsdaten nach Eberle et al. Datensatz FAW_SYSWTL6, KfK, IRCh-WTL, 1992 berechnet.The concentrations were determined using the data set for com plex equilibrium data according to Eberle et al. record FAW_SYSWTL6, KfK, IRCh-WTL, 1992 calculated.

Bei einem pH-Wert von 4,36 (entsprechend einem Kohlendioxid- Partialdruck von 12 bar) und einem pH-Wert von 5,53 (entspre chend dem Partialdruck 0,3 mbar von Kohlendioxid in Druckluft) ergeben sich folgende berechneten Konzentrationen:At a pH of 4.36 (corresponding to a carbon dioxide Partial pressure of 12 bar) and a pH of 5.53 (corre corresponding to the partial pressure of 0.3 mbar of carbon dioxide in compressed air) the following calculated concentrations result:

a) Kupferionen und Kupferkomplexe:a) Copper ions and copper complexes:

In der Fig. 4 sind die Werte graphisch dargestellt. The values are shown graphically in FIG .

b) Nickelionen und Nickelkomplexe:b) Nickel ions and nickel complexes:

In der Fig. 5 sind die Werte graphisch dargestellt.The values are shown graphically in FIG .

Es wird deutlich, daß im Schwermetallsystem Cu/Ni die Bildung von Ni-Tartratkomplexen gegenüber der deutlichen Konzentrati onsveränderung von Kupferkomplexen mit Ladungsumkehr vernach lässigt werden kann. Dies zeigt den Maskierungseffekt des Kom plexbildners beim höheren pH-Wert. Beim erfindungsgemäßen Ver fahren ist weniger der zahlenmäßige Unterschied zwischen den beiden pH-Werten von Bedeutung sondern hauptsächlich eine si gnifikante Änderung der Konzentrationen solcher Komplexe, die vom Sorbens nicht aufgenommen werden.It becomes clear that in the heavy metal system Cu / Ni the formation of Ni tartrate complexes compared to the clear concentrate Change in copper complexes with charge reversal can be relaxed. This shows the masking effect of the com plexing agent at the higher pH. In the Ver driving is less the numerical difference between the two pH values of importance but mainly one si significant change in the concentrations of such complexes are not absorbed by the sorbent.

Claims

1. Verfahren zur Trennung von mindestens einer ersten und einer zweiten Species von Metallionen, bei dem man

a) eine wäßrige Lösung von Salzen der Metallionen vorlegt,
b) die wäßrige Lösung in mindestens eine erste und eine zweite Teillösung aufteilt,
c) mindestens der ersten Teillösung einen solchen Kom plexbildner zugibt, der mit mindestens einer der Species mindestens einen Komplex bildet, wobei der Komplexbilder im Unterschuß eingesetzt wird, so daß nicht alle Metall ionen der Species den Komplex bilden,
d) ein Sorbens, das die Metallionen reversibel adsorbiert, in einer solchen Menge, daß die Austauschkapazität des Sorbens höchstens der Zahl sämtlicher Metallionen in je der Teillösung entspricht, in Kontakt mit der ersten Teillösung bringt,
e) den pH-Wert in der ersten Teillösung auf einen ersten Wert einstellt, bei dem von mindestens einer Species sowohl der Komplex als auch freie Metallionen vorliegen,
f) den Kontakt des Sorbens mit der ersten Teillösung so lange aufrechterhält, bis das Verhältnis der Konzentra tion am Sorbens adsorbierter Metallionen der ersten Spe cies zur Konzentration aller Metallionen in der ersten Teillösung ein Maximum annimmt,
g) die zweite Teillösung in Kontakt mit dem Sorbens bringt,
h) den pH-Wert in der zweiten Teillösung auf einen vom er sten Wert abweichenden zweiten Wert einstellt,
i) den Kontakt des Sorbens mit der zweiten Teillösung so lange aufrechterhält, bis das Verhältnis der Konzentra tion am Sorbens adsorbierter Metallionen der zweiten Species zur Konzentration aller Metallionen in der zwei ten Teillösung ein Maximum annimmt,
j) gegebenenfalls das Sorbens mit einer weiteren Teillösung in Kontakt bringt, wobei man den pH-Wert der Teillösung auf einen vom ersten und zweiten Wert abweichenden wei teren Wert einstellt und den Kontakt des Sorbens mit der zweiten Teillösung so lange aufrechterhält, bis das Ver hältnis der Konzentration am Sorbens adsorbierter Me tallionen einer weiteren Species zur Konzentation aller Metallionen in der weiteren Teillösung ein Maximum an nimmt,
k) die Schritte c) bis k) so lange wiederholt, bis sich zu mindest annähernd ein stationärer Zustand einstellt,
l) den pH-Wert jeweils einstellt, indem man die Teillösun gen einem mit Wasser reagierenden, in den Teillösungen schwer löslichen Gas aussetzt, wobei der Druck des Gases entsprechend dem gewünschten pH-Wert gewählt wird.

1. A process for the separation of at least a first and a second species of metal ions, in which

a) provides an aqueous solution of salts of the metal ions,
b) dividing the aqueous solution into at least a first and a second partial solution,
c) at least the first partial solution adds such a complexing agent which forms at least one complex with at least one of the species, the complexing agent being used in deficit so that not all metal ions of the species form the complex,
d) a sorbent which reversibly adsorbs the metal ions in such an amount that the exchange capacity of the sorbent corresponds at most to the number of all metal ions in each partial solution, in contact with the first partial solution,
e) the pH in the first partial solution is set to a first value at which both the complex and free metal ions of at least one species are present,
f) maintaining the contact of the sorbent with the first partial solution until the ratio of the concentration of metal ions adsorbed on the sorbent of the first species to the concentration of all metal ions in the first partial solution reaches a maximum,
g) brings the second partial solution into contact with the sorbent,
h) the pH value in the second partial solution is set to a second value which deviates from the first value,
i) the contact of the sorbent with the second partial solution is maintained until the ratio of the concentration of metal ions adsorbed on the sorbent of the second species to the concentration of all metal ions in the second partial solution reaches a maximum,
j) if necessary, the sorbent is brought into contact with a further partial solution, the pH of the partial solution being adjusted to a value which differs from the first and second values and the contact of the sorbent with the second partial solution is maintained until the ratio the concentration of metal ions of another species adsorbed on the sorbent to a maximum for the concentration of all metal ions in the further partial solution,
k) repeating steps c) to k) until at least approximately a steady state occurs,
l) the pH value is adjusted in each case by exposing the partial solutions to a gas which reacts with water and is sparingly soluble in the partial solutions, the pressure of the gas being selected in accordance with the desired pH value.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit Kohlendioxid als Gas.2. The method according to claim 1 with carbon dioxide as a gas.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man in den Teillösungen einen Kohlendioxid-Partialdruck von 0,3 mbar bis 20 bar einstellt.3. The method according to claim 2, wherein one in the partial solutions a carbon dioxide partial pressure of 0.3 mbar to 20 bar sets.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem man den Komplexbildner einer der Teillösungen in einer solchen Menge zugibt, daß das Verhältnis der Konzentration aller Metallionen zur Konzentration des Komplexbildners in der Teillösung zwischen 1 : 1 und 10 : 1 [Mol/Mol] beträgt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the Complexing agent of one of the partial solutions in such Crowd admits that the ratio of the concentration of all Metal ions to concentrate the complexing agent in the Partial solution is between 1: 1 and 10: 1 [mol / mol].