DE2634007A1 - Verfahren und vorrichtung zur ausfaellung von kolloiden aus waessrigen suspensionen - Google Patents

Description

HELMUT GÖRTZ

Frankfurt am Main 70
Schneckenhofstr. 27-Tej. 617079

28. Juli 1976 Gzra/Wa.

Canton Textile Mills, Inc.

Verfahren und Vorrichtung zur Ausfällung von Kolloiden aus

wässrigen Suspensionen

Die Erfindung beinhaltet grundlegende Prinzipien, die allgemein anwendbar sind und nicht beschränkt sind auf irgendwelche Teilchengrößen. Andererseits ist diese Erfindung besonders anwendbar auf die Ausfällung von Kolloiden. Beispiele für Kolloide sind Schwefelbasis und Indigo-Farbstoffe, welche für die Färbung von Produkten wie Textilien und dergleichen verwendet werden.

Kolloide können definiert werden als Teilchen, deren Durchmesser im Bereich von 0,001 Mikron bis 1,0 Mikron liegt. Kolloide sind bezüglich des Durchmessers größer als Teilchen, welche sogenannte wahre Lösungen bilden und sind kleiner als Teilchen, die im allgemeinen die gewöhnliche Materie charakterisieren.

Konventionelle Behandlungssysteme können wirksam mit organischem Kohlenstoff in wahren Lösungen und in gewöhnlicher Materie umgehen. Es ist ein aerobisches biologisches System bekannt, in welchem Verbindungen, die als wahre Lösungen bezeichnet werden können, wirksam behandelt werden. Physikalische

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Abscheidung mittels bekannter Verfahren kann verwendet v/erden, um gewöhnliche Materialien zu entfernen.Konventionelle Behandlungsverfahren sind im Zusammenhang mit Kolloiden im allgemeinen nicht wirksam. Weiter sind Kolloide durch die Tatsache charakterisiert, daß sie größer sind als die" meisten anorganischen Moleküle, daß sie negativ oder positiv geladen sind und beliebig lange in Suspension bleiben. Infolge der relativ großen Oberfläche von Kolloidteilchen besteht eine Tendenz, Ionen oder andere Materialien zu absorbieren, was zur Ausbildung von elektrischen Ladungen um die Teilchen führt; im Zusammenhang mit gleichen Ladungen auf benachbarten Teilchen verhindert dies die Koagulation oder Ausflockung von Teilchen; dadurch entsteht eine Lösung, in der die Teilchen beliebig lange suspendiert bleiben.

Um die Ausflockung von suspendierten Kolloidteilchen zu bewirken, ist es notwendig, die elektrischen Ladungen auf den Teilchen zu neutralisieren; gleichzeitig ist es notwendig, kleine Gasblasen bereitzustellen, welche sich an die neutralisierten Teilchen anheften, so daß eine Flotation der Teilchen an die Oberfläche erfolgt, von wo sie leicht mittels bekannter Verfahren abgeschöpft werden können. Erfindungsgemäß werden die Prinzipien der Elektrolyse verwendet und solche Prinzipien können wirksam nur verwendet werden, wenn die auszufällende kolloidale Suspension im wesentlichen neutral ist mit einem pH-Wert von ungefähr 7. Erfindungsgemäß erfolgt die Neutralisation der geladenen Teilchen mifcfcels mehrwertiger Kationen; außerdem wird ein Apparat entwickelt, der dafür sorgt, daß ein Abwasser, aus dem Kolloide ausgefällt werden sollen, entlang eines Weges bewegt wird, der im all-

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gemeinen spiralförmig ist und der auf die Oberfläche der Kathode und Anode eine wirksame Reinigungswirkung ausübt. Diese Wirkung wird dadurch erreicht, daß die Kathode in Form eines hohlen Zylinders kontruiert wird; die Anode aus multi-valentem Metall wird in fester zylindrischer Form konstruiert; die Anode wird innerhalb der zylindrischen Kathode in der Weise montiert, daß ein Weg zwischen der Anode und Kathode definiert wird, der spiralförmig ist, denn das Abwasser kommt an dem einen Ende des Kathodenzylinders herein und wird am anderen Ende von Einlaß- und Auslaßgängen abgegeben, die tangential bezüglich der zylindrischen Kathode angeordnet sind, wodurch im allgemeinen ein elliptischer Bewegungsweg der Suspension erreicht wird, wenn sie die Ausfällungszelle passiert. Diese kontrollierte Bewegung entlang des elliptischen Weges hindert die Ansammlung von Wasserstoff und Sauerstoff auf der Kathode und Anode zu großen Blasen. Indem die Blasen kleingehalten werden, heften sich die kleinen Blasen an die kollidalen Teilchen leichter an, wodurch die Flotation der Teilchen erleichtert wird, welche, infolge der Wirkung der mehrwertigen Kationen,in Form von Clustern vorliegen; infolgedessen werden sie infolge Flotation an die Oberfläche gebracht und in einer Flotationszelle mittels konventioneller Verfahren abgeschöpft. Gewöhnlich ist die Kathode aus Metall kontruiert, aber in einigen Fällen kann es wünschenswert . sein, die Kathode aus Graphit zu konstruieren und ein mehrwertiges Chlorid kann der Flüssigkeit zugefügt werden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende detaiLlierte Beschreibung im Zusammenhang mit den begMtenden Zeichnungen verwiesen.

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Es zeigen:

Fig. 1 ein System, mit dessen Hilfe der pH-Wert eines Abwassers kontrolliert wird, bevor es in eine Elektrolyse-Zelle kommt, von wo das Abwasser einer Flotationszelle zugeleitet wird, wo in einer Elektrolyse-Zelle· produziertes Gas die Flotationswirkung auf die elektrisch neutralen Ionenpartikel, die ausgefältt werden sollen, ausübt;

Fig. 2 ist die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle;

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 4 einen horizontalen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 einen horizontalen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2;

Fig. 6 einen horizontalen Querschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 2; die Basisplatte wird in den Querschnitten nicht gezeigt.

In Fig. 1 ist die mit der Ziffer 1 bezeichnete Station (pH-Kontrolle) einfach eine Zelle, durch welche das Abwasser fließt und der gewisse Säuren oder Laugen zugefügt werden, um den pH-Wert des Materials auf den erwünschten Wert einzustellen, wodür in den meisten Fällen der pH-Wert 7 genügt. Natürlich kann diese Vorgang mittels bekannter Verfahren in irgendeiner Weise durchgeführt werden.

Das aus der Zelle 1 ausströmende Material wird der mit der Ziffer 2 bezeichneten Elektrolysezelle zugeführt, in der die

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Ladung auf den Kolloidteilchen mittels Elektrolyse neutralisiert wird und in der Wasserstoff und Sauerstoff infolge der Elektrolyse der wässrigen Suspension entwickelt werden. Wenn die Elektrolyse abgeschlossen ist, wird das Material in eine gewöhnliche Flotationszelle 3 überführt, wo Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff die Flotation des Niederschlags an die Oberfläche bewirken, wo er miteis bekannter Verfahren einfach abgeschöpft werden kann.

Die Elektrolysezelle 2 wird in den Fig. 2 bis 6 gezeigt und besteht aus einer mit der Ziffer 4 bezeichneten metallischen Umhüllung, die vorzugsweise zylinderförmig ist und die vorzugsweise aus irgendeinem geeigneten Material wie Eisen oder Stahl oder in einigen Fällen aus Graphit besteht. Die Umhüllung 4 ist die Kathode; diese ist mittels eines Anschlußes 5 an ein negatives elektrisches Potential angeschlossen. Das untere Ende des Zylinders 4 ist mittels einer metallischen runden Platte 6 abgeschlossen und das obere Ende des Zylinders 4 ist mittels der isolierenden Platte 7 verschlossen. Die Isolierplatte 7 dient dazu, um die Kathode 4 von der Anode 8 elektrisch zu isolieren; die Anode 8 wird von der isolierenden Scheibe 7 getragen und ist mit dem elektrischen Anschluß 9 verbunden. Natürlich ist der Anschluß.9 mit einem positiven elektrischen Potential verbunden. Vorzugsweise ist die Anode 8 aus löslichem Aluminium gebildet; sie kann aber auch aus Eisen, Magnesium oder aus irgendeinem anderen Metall hergestellt werden.

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Über den mit der Ziffer 10 bezeichneten Einlaß wird das Abwasser in die Umhüllung 4 gebracht und über den Auslaß 11 gegeben, umfir eine vollständige Durchmischung des Abwassers zu sorgen, während es sich innerhalb der Kathodenumhüllung 4 befindet und um für ein gründliches Waschen und Reinigen der inneren Oberfläche der Kathode 4 und der äußeren Oberfläche der Anode 8 zu sorgen. Wie sich aus der Fig. 6 ergibt, ist der Einlaß 10 im allgemeinen tangential bezüglich der inneren Oberfläche 4a des Kathodenzylinders 4 angeordnet. Ähnlich ist der Auslaß 11 im wesentlichen tangential bezüglich der inneren Oberfläche 4a der Kathodenumhüllung 4 angeordnet, wie sich aus Fig. 4 ergibt. Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß das durch den Einlaß 10 eintretende Abwasser im allgemeinen einen helixförmigen oder spiralartigen Weg aufwärts in den Raum zwischen dem Kathodenzylinder 4 und dein Anodenzylinder 8 passiert, um dann durch den Auslaß 11 abgegeben zu werden. Diese Spiralwirkung verhindert die Bildung von großen Blasen aus Wasserstoff auf der inneren Oberfläche der Kathodenumhüllung 4 ebenso die Bildung von großen Sauerstoffblasen auf der äußeren Oberfläche der Anode 8. Wenn sich solche großen Blasen bildeten, würden siöfechnell an die Oberfläche kommen, ohne sich zuerst an die Kolloide anzuheften, welche sich als Suspension in dem Abwasser befinden, welches durch den Einlaß 10 kommt.

Die in den Fig. 2 bis 6 gezeigte Anordnung vollführt die Elektrolyse und ionisiert das Abwasser, wenn es sich entlang des aufwärts gerichteten spiralartigen Weges bewegt,und zv/ar um die Anode 8 und die Innenseite der Kathode 4. Vorzugsweise besteht die Anode 8 aus löslichem Aluminium, von dem mehrwertige

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Kationen erhalten werden können, welche wirksam die negativen Ladungen auf den Kolloidteilchen neutralisieren. Der auf der äußeren Oberfläche der Anode 8 und der inneren Oberfläche der Kathode 4 gebildete Sauerstoff und Wasserstoff wird entlanggeschwemmt und die Bildung von großen Blasen wird auf diese Weise verhindert. Natürlich würden große Blasen schnell zur Oberfläche aufsteigen und sie würden eine wirksame Flotation nicht herbeiführen, nachdem die Flüssigkeit durch den Auslaß 11 in die Flotationszelle 3 geführt worden ist. Sauerstoff und Wasserstoff rekombinieren nicht unter Bildung von Wasser, denn diese Reaktion ist exotherm. Naszierende Gase, die gebildet werden, sind recht reaktionsfähig und sind für die weitere Behandlung des Abwassers nützlich. Der Teil des Abwassers, welcher leicht oxidiert werden kann, kann mit naszierendem oder molekularem Sauerstoff reagieren. Jene Abfälle, welche zu einem unlöslichen Material hydriert werden können, können auch unter Bildung eines Materials reagieren, das aus dem Abwasser entfernt werden kann. Eine niedrige Dichte des Wasserstoffs unterstützt sehr wirksam die Flotationswirkung. Innerhalb der Zelle 2 werden Flotationscharakteristika bei niedrigem Druck erreicht und solche niedrigen Drucke verursachen niedrige Energiekosten.

Die Abgabe von mehrwertigen Kationen in ionischer Form führt zu keinen löslichen Festkörpern im Abwasser, was die Güte in jenen Fällen verbessert, in denen die Wiedergewinnung des Wassers erwünscht ist. Eine Änderung des pH-Wertes erfolgt nicht, was wünschenswert ist, denn ein neutraler pH-Wert ist für die erfolgreiche Handhabung der Erfindung notwendig.

Die aufwärtsgerichtete spiralartige Bewegung der Flüssigkeit, welche durch die Zelle 2 fließt und die Elektroden frei von

.Gasen hält, verhindert auch die Ablagerung von metallischen Substanzen auf der Kathode. Weiterhin wird eine Reaktion mit den Kationen zur Entfernung von der loslichen Anode erleichtert; die spiralförmige turbulente Bewegung bewirkt weiterhin eine wirksamere Lösung der Gase in der Flüssigkeit und verhindert .die Vereinigung von Gasblasen zu größeren Blasen und unerwünschten Blasenformen.

Die Zelle kann bei verschiedenen Drucken betrieben werden. Im allgemeinen können relativ niedrige Drucke verwendet werden, wobei sich zufriedenstellende Plotationsresultate ergeben. Falls es die Umstände erfordern, kann der Druck erhöht v/erden, lim eine wirksamere Flotation herbeizuführen und ebenso eine Reaktion des Viasserstoffs und des Sauerstoffs.

Aus wirtschaftlichen oder anderen Gründen kann es für einige Anwendungen der Erfindung wünschenswert, sein, einen Elektrolyten wie Aluminiumsulfat zu verwenden, der nicht nur als eine Quelle von Aluminium dient, sondern auch den pH-Wert in gewünschter Richtung verändert, in Fällen, wo der pH-Wert des Abwassers größer ist als 7,5 und die Zugabe von Aluminiumsulfat den pH-Wert auf ungefähr 7,0 reduzieren würde.

Natürlich,-wenn der pH-Wert zu niedrig ist, kann er mit Hilfe von Alkalisalzen, wie z.B. Natriumaluminat, Natriumhydroxyd oder Kalziumhydroxyd eingestellt werden.

Für eine besondere Anwendung dieser Erfindung, bei der Indigo-Farbstoff aus dem Abwasser entfernt wird, erwies sich eine Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Zelle von 1,2 Meter pro Sekunde als besonders vorteilhaft für die Scheuer-

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wirkling bezüglich der Oberflächen der Anode und Kathode.' In dieser Anlage erwies sich eine Spannung zwischen der Anode und Kathode von 15 Volt als besonders befriedigend; eine Stromdichte von 10 Ampe're pro Quadratfuß Anodenfläche ist annehmbar. Natürlich erfordern verschiedene Anwendungen der Erfindung verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten,Spannungen und Stromdichten und diese Erfindung ist nicht auf irgendeinen spezifischen quantitativen Parameter beschränkt. Für eine besondere Anwendung der Erfindung führt .eine zu niedrige Spannung zu einer Plattierung, was unerwünscht ist. Andererseits führt eine zu hohe Spannung zu einer übermäßigen Menge von Sauerstoff, was zu einer Oxidation der Anode führt und die Erzeugung von wünschenswerten Ionen verhindert. Ähnlicherweise ist ein gewisser Zeitraum erforderlich für die Elektrolyse. Wenn die Durchflußgeschwindigkeit durch die Zelle zu groß ist, reicht die Zeit für den erwünschten Vorgang nicht aus. Wenn die Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu gering ist, wird die Ansammlung der Gase zu groß, was zu einer Oxidation der Anode führt, was unerwünscht ist. Mittels Elektrolyseverfahren werden Kolloide aus einer wässrigen Suspension ausgefällt es wird eine Ausfällungszelle entwickelt, die eine lösliche Anode enthält, vorzugsweise aus einem mehrwertigen Material; die Kathode besteht aus einem Metallzylinder mit einem Einlaß an einem Ende und einem Auslaß am anderen Ende und in dem die Anode koaxial angeordnet ist, wobei sie von der Kathode isoliert ist, so daß eine wässrige Suspension derart durch.die Zelle fließen kann, daß sie gründlich und systematisch die innere Oberfläche der Kathode und die äußere Oberfläche der Anode reinigt, indem sie einem im allgemeinen helixförmigen Weg folgt, der die Bildung von großen Clustern

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von Wasserstoff und Sauerstoffgas verhindert, was eine Folge der Anwendung eines elektrischen Potentials zwischen der Kathode und Anode ist. Der pH-Wert der wässrigen Lösung muß auf den neutralen Wert eingestellt werden und die Anode ist vorzugsweise aus löslichem Aluminium, Eisen, Magnesium oder einem anderen mehrwertigen Material hergestellt.

Claims (14)

- 11 Patentansprüche

1. Ausflockungszelle, gekennzeichnet durch eine Umhüllung aus einem elektrisch leitenden Material und einem Einlaß an einem Ende und einem Auslaß am anderen Ende und eine Konfiguration, welche einer flüssigen Suspension, die von dem Einlaß durch die Umhüllung zum Auslaß fließt, einen im allgemeinen helixförmigen Bewegungsweg erteilt, eine längliche Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material, die innerhalb der Umhüllung isoliert und koaxial mit der helixförmigen Bewegung der Suspension angeordnet ist, eine Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen die Umhüllung und die Elektrode.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung und die Elektrode eine zylinderförmige Konfiguration aufweisen und im wesentlichen koaxial angeordnet sind, wodurch der im allgemeinen helixförmige Bewegungsweg begrenzt wird.

3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß und der Auslaß so angeordnet sind, daß die Bewegung der Suspension beim Einströmen und Ausströmen im allgemeinen tangential bezüglich der zylinderförmigen Umhüllung erfolgt.

4. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode löslich ist und aus einem mehrwertigen Material besteht,

5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sus- ■ pension kolloidal ist.

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6. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus Aluminium besteht.

7. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus Kohlenstoff besteht und die flüssige Suspension · ein Salz mit einem mehrwertigen Kation enthält.

8. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Suspension Aluminiumsulfat enthält.

9. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Kontrolle des pH-Wertes der flüssigen Suspension vorhanden ist.

10. Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der flüssigen Suspension ungefähr beim Wert 7 gehalten wird.

11. Verfahren zur Ausfällung von Kolloiden aus einer wässrigen Suspension, gekennzeichnet durch folgender Verfahrensschritte:

a. Einstellung des pH-Wertes der Suspension auf ungefähr 7,

b. Zugabe von mehrwertigen Kationen in die Suspension,

c. Entwicklung von naszierendem Wasserstoff und Sauerstoff • aus der Suspension,

d. Kontrollierte Bewegung der Suspension in der Art und Weise, daß die Bildung von Clustern von Wasserstoff und Sauerstoff verhindert wird.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der Suspension sauer ist und Aluminiumsulfat der Suspension zugesetzt wird, um Aluminiumkationen bereitzustellen. . -

13. Verfahren zur Ausfällung von Kolloiden aus einer wässrigen Suspension, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

a. Aufrechterhaltung eines sauren pH-Wertes in der Suspension,

b. Zugabe von Salzen, die mehrwertige Kationen "aufweisen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das. Salz Aluminiumsulfat ist.

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