SE522777C2 - Reduktionsprocess - Google Patents

Description

522 777 2 n a o « | n kvalité. Detta problem kan spåras bak tillnaturliga vattenkällor vilka ofta är kontaminerade med tungmetaller.

Aluminiumsulfat är en viktig komponent i samband med rening av dricksvatten och gränserna för denna förening är satta med referens till koncentrationen av tungmetaller.

Detta är speciellt viktigt när vatten krävs som måste möta livsmedelsstandard. I samband härmed kan krom vara ett allvarligt problem om ett rent råmaterial inte användes i ett reningsförfarande.

Ofta användes ett polymert flockningsmedel för att avlägsna från det förorenade vattnet sådana metaller som koppar, krom, kobolt, bly, järn, indium, nickel, kadmium, mangan, zink, molybden, vismut och vanadin. Komplex benämnda polyaluminiumklorid (PAC) är bland de kommersiella produkter som användes för sådana behandlingar av vatten. I vissa avloppsvattenbehandlingsanläggningar användes aluminiumsulfat som flockuleringsmedel, varvid en tungmetall innehållande flock också bildas vilken skall avlägsnas.

Emellertid, en komponent som tillsats ett dricksvatten får inte bidra med något metallinnehåll store än 1/10 del av maximala mängden som tillåtes i dricksvatten. Detta kan skapa allvarliga problem eftersom både järn och aluminium sedvanliga komponenter i dricksvatten.

Sålunda föreligger behov av en teknologi för behandling av vattenhaltiga strömmar av olika ursprung, vilka innehåller tungmetaller, varvid mycket förorenade strömmar från processade industri aluminiumavfall samt mindre förorenade vatten kontaminerade med tungmetaller kan renas effektivt och till liten kostnad. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att eliminera eller reducera nackdelarna som nämnts ovan genom att åstadkomma ett förfarande för utfällning av mera ädla metaller med mindre ädla metaller medelst en redox reaktion, varvid icke-önskade reaktioner förhindras.

För att uppnå detta ändamål har förfarandet enligt uppfinningen erhållit kännetecknande karaktäristika enligt krav 1.

Uppfinningen är baserad på en reduktionsreaktion som genomföres enligt kända principer med en mindre ädel metal än föroreningarna som skall behandlas, varvid den mindre ädla metallen är aluminium. 10 15 20 25 30 35 a... q 522 777 3 gt .v " q . l v -.no ~ a a v u. a n fn. "än Två reaktioner exemplifieras: 3cu” + 2A: _» 3cu + 2A|3+ 1i=e3+ + 1A| -> 1Fe + 1AP* De mer ädla metal innehållande föroreningarna, såsom järn, krom, nickel, kobolt, koppar, och mangan, reduceras från sin jonform till sin metalliska form. Emellertid, joner av mera toxiska metaller, såsom zink, bly, kadmium, kvicksilver, vanadin, och nickel joner, reduceras också i förfarandet enligt uppfinningen. Dessa föroreningar avlägsnas därefter i form av metaller. Detta genomföres medelst filtrering och/eller centrifugering.

Mängden metalliskt aluminium som krävs för att genomföra reduktionsreaktionen, beror, naturligtvis, på koncentrationerna av de mera ädla föroreningarna som metallsalter. Reaktionstiden måste också tas i beaktande, dvs. ju längre reaktion ju mer metallisk aluminium konsumeras. Vidare, ju högre oxidationstillstånd hos föroreningen, ju mer metalliskt aluminium konsumeras för att genomföra reduktionsreaktionen.

Teoretiskt, kräver 1 mol av en förorening med valenstal 3, 1 mol aluminium, 1 mol av en förorening med valenstal 2 kräver 2/3 mol aluminium, och 1 mol av en förorening med valenstal 1 kräver 1/3 mol aluminium. Företrädesvis användes dubbla mängderna av de teoretiska för att garantera en fullständig reduktionsreaktion.

Emellertid, ett problem med reduktionsförfarandet är oönskade reaktioner, av vilka huvudreaktionen är reduktion av vätejoner till explosiv vätgas. Denna reaktion sker i stället för den önskade reduktionen av metaller: en* + 2A| -> 3H2 + zAP* Vidare, detta problem blir förvärrat i en metallkloridlösning, vilket beror på det låga pH som erhålles av den höga koncentrationen av vätejoner.

Eftersom aluminiumklorid är en kommersiell produkt av intresse, kommer vatten alltid att hydrolyseras och skapa problem. Förfarandet enligt uppfinningen är speciellt anpassat till reduktionen av metaller i en delvis alkaliserad aluminiumkloridlösning.

Dessutom, den extrema egenskapen hos aluminium jonen att bilda polymera komplex gör den till en naturlig slutprodukt i en oönskad hydrolys, varvid vätejoner också bildas. 10 15 20 25 30 35 .. ' v o n. u u 4 4 I .I II 1 u. å.. n. . ',,' : I o o l - 4 I _ f' , , _ n : I on , Enligt uppfinningen skapas förhållanden vilka minskar påverkan av vätejoner. Detta genomföres genom att genomföra förfarandet enligt uppfinningen i två på varandra följande steg: 1. Alkalisering: 4Al3+ + Me3* + 7OH' -> A|4(OH)75* + Me” 2. Reduktion; A|..(oH),S* + Me” + Al _» Ai5(o|-i),8+ + Me I en aluminiumkloridlösning med metalliskt aluminium är aluminiumkloriden så aggressiv att den kommer att attackera det metalliska aluminiumet innan alla tungmetaller har reduceras fullständigt. Detta problem är speciellt vilket med krom.

I detta sammanhang bör det betonas att det betraktas som extremt svårt att separera krom från aluminium. Dessa två metaller har många liknande egenskaper och de uppträder ofta tillsammans i sina jonformer i avloppsvatten kontaminerade med aluminium samt tungmetaller och andra mindre ädla metaller. Till exempel i ett vatten kontaminerat med aluminium, järn, krom, nickel, som sina kloridsalter, skulle en tillsats av metalliskt aluminium endast reducera några av de mindre ädla metallerna, varvid aluminium skulle oxideras och solubiliseras.

Problemet i detta samband med sådana redox reaktioner i en vattenhaltig lösning av metallsalter är att samtliga metaller kommer att hydrolysera vatten varvid ett vattenkomplex bildas: Mez* + sHzo _» Me(oH) '(H2o)5 + H* Produktionen av vätejoner kommer att öka surheten hos lösningen, varvid pH kommer att minska.

Sålunda, trots det faktum att lösningen initialt inte är sur och inte innehåller några vätejoner, kommer metallerna däri att skapa onöjaktiga förhållanden för hydrolysen. Överskottet av vätejoner förklarar bildandet av redoxreaktionen: 2H* + 2e' -> H2 0.000 V, med bildning av stora mängder explosivt väte. 10 15 20 25 30 35 522 777 Vidare, inhiberas avsedda redoxreaktioner med mindre ädla metaller, till exempel: N12* + 2 e' = Ni -o.246 v Fez* + 2 e' = Fe -0.440 v cr" + 3 e' = cr -o.74o v Bortsett från bildningen av stora mängder vätejoner, kommer reduktionsgraderna för nickel, ferro och krom joner att förhindras när metalliskt aluminium användes i redoxreaktionen som framgår av de relativa redox potentialerna.

I en vattenhaltig aluminiumlösning kontaminerad av mindre ädla metaller förändras pH och mängden vätejoner enligt uppfinningen på sådant sätt att förhållanden erhålles så att önskade reduktionsreaktioner av mindre ädla metaller sker.

Genom att öka pH hos lösningen förhindras hydrolysen av vatten. Detta betyder att tillräcklig mängd protoner inte är tillgängliga för konsumtion av aluminium metall. Som en konsekvens härav, finns det tid för krom jonerna att reagera genom att konkurrensen mellan protoner och tungmetalljoner förhindras.

Representativa tungmetaller, vilka uppvisar biologisk toxicitet när de frisättes i miljön inkluderar koppar, zink, nickel, tenn, bly, kadmium, kobolt, kvicksilver, krom, mangan, silver, guld, platina, palladium, vanadin, arsenik, antimon, vismut, indium, rodium, rutenium, technetium, molybden, nobium, osmium, iridium, uran, plutonium, Iantanider, aktinider, och blandningar därav. Metalljoner vilka är speciellt lämpade att renas från förorenade vattenhaltiga aluminiumlösningar medelst förfarandet enligt uppfinningen ärjoner av silver, kvicksilver, koppar, bly, tenn, molybden, nickel, kadmium, järn, zink, krom, mangan, och zirkonium.

Genom att genomföra förfarandet enligt uppfinningen i angiven ordning, undvikes bildning av vätejoner och sålunda bildning av vätgas.

Detta genomföres genom tillsats av alkali till den vattenhaltiga aluminiumlösningen, varvid lösningen göres alkalisk och mindre ädla metalljoner reduceras innan aluminium konsumeras. Vidare, genom tillsats av alkali, t.ex., magnesiumhydroxid bildas komplexa aluminiumhydroxyklorid föreningar från det material, som behandlas enligt förfarandet enligt uppfinningen: 10 15 20 25 30 35 522 777 6 v | f . .. + _) + Exempel på lämpliga alkalier l förfarandet enligt uppfinningen är magnesiumhydroxid, magnesiumkarbonat, magnesiumoxid, aluminiumhydroxid, aluminiumoxid, metallisk aluminium, natriumhydroxid, natriumkarbonat, natriumaluminat, kaliumhydroxid, kaliumkarbonat, kaliumoxid, kaliumaluminat, kaliummagnesiumkarbonat, och blandningar därav.

Genom att binda aluminiumet från den behandlade lösningen till en polymeriserad baslsk form förhindras den spontana hydrolysen av vatten, vilken annars skulle ske med fri aluminium jon. Dessutom genom att förhindra hydrolysen av vatten minskas koncentrationen av vätejoner i lösningen. Sålunda skapas förhållanden så att reduktionsreaktionen kan genomföras utan allvarlig pertubering, vilken annars skulle ske med hydrolyserad vattenlösning med aluminium Sammanfattningsvis, reaktionen som skall undvikas med till exempel krom som mindre ädel metal är: 3AP* + 3H2o + crß* + Al _» 3A|(oH)2* + 3H* + cr3* + A| _» 3A|(oH)2* + cr3* + AP* + 1.5 H2 Enligt uppfinningen kommer följande reaktioner att ske istället: zAP* + 2H2o + cr3* + Mg(oH), _» 2A|(oH)2* + zHzo + cr3* + Mgz* + A| -> 2A|(oH)2* + 2H2o + cr + AP*+ Mgz* Som framgår av reaktionsschemat, har, i en lösning omfattande joner av aluminium, nickel, krom, koppar och järn aluminiumjonen den största förmågan att hydrolysera vatten, varvid vätejoner genereras vilka förhindrar en effektiv rening. Sålunda genom att tillsätta ett alkali till lösningen t.ex., magnesiumhydroxid, kommer aluminiumjonerna att bli mindre aggressiv, varvid krom också reduceras.

Vidare bildar aluminium joner stora komplex eller polymera föreningar medelst hydroxidbryggor mellan aluminium jonerna i en förorenad vattenlösning som behandlas med förfarandet enligt uppfinningen, såsom: 10 15 20 25 30 35 522 777 7 OH 4+ 2Al3* + 2OH' _» A1 A1 OH Sålunda, genom att tillsätta ett alkali till en förorenad aluminiumlösning erhålles stora komplex av polymera aluminium föreningar, såsom A|.,(oH),5+ eller A|,3o4(oH)2.,7+ Den inbyggda bildningen av polymera aluminium föreningar i förfarandet enligt uppfinningen resulterar i att föroreningarna i form av metaller effektivt kan avlägsnas från vattenlösningen.

Naturligtvis, är också förfarandet enligt uppfinningen anpassat till en förorenad vattenhaltig lösning med suspenderat material i.

EXEMPEL Exempel 1.

En aluminiumkloridlösning (6% Al) kontaminerad med kromjoner (100mg/l) processades medelst förfarandet enligt uppfinningen.

Ett alkali. i detta fall magnesiumhydroxid, tillsattes till aluminiumkloridlösningen i en molkvot magnesiumhydroxid/aluminiumjoner av 0,75. Sedan tillsattes metalliskt aluminium i en molkvot metallisk aluminium/kromjoner av 10.

Bildningen av vätgas reducerades drastiskt i jämförelse med reaktionen utan tillsats av alkali.

Al + crß* + 3H* = AP* + cr* + 1.5 H2 Som ett resultat härav, kunde kromjonerna reagera med metallisk aluminium varvid mängden krom i lösningen reducerades från 100 mg/I till 10 mg/l (90%).

Sålunda kunde en oanvändbar aluminiumkloridlösning renas till en kommersiellt attraktiv produkt med förfarandet enligt uppfinningen.

Claims (4)

522 117 ¿p~ 8 : PATENTKRAV

1. Förfarande för rening av en vattenhaltig lösning kontaminerad av ett aluminium salt och salter av mindre ädla metaller, kännetecknat av, att förfarandet inkluderar följande ordning av steg tillsats av alkali till nämnda vattenhaltiga lösning tillsats av metallisk aluminium, varvid nämnda mindre ädla metaller reduceras från sitt jontillstånd till sitt metalliska tillstånd och utfälles; och varvid aluminiumet från den behandlade lösningen bindes till en polymeriserad basisk form för att förhindra spontan hydrolys av vatten och separation av nämnda utfällda metaller från nämnda vattenhaltiga lösning.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av, att nämnda aluminium salt är aluminium klorid.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av, att nämnda alkali är vald från gruppen omfattande magnesiumhydroxid, magnesiumkarbonat, magnesiumoxid, aluminiumhydroxid, aluminiumoxid, metallisk aluminium, natriumhydroxid, natriumkarbonat, natriumaluminat, kaliumhydroxid, kaliumkarbonat, kaliumoxid, kaliumaluminat, kaliummagnesiumkarbonat, och blandningar därav.

4. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av, att nämnda separation genomföres medelst filtrering och/eller centrifugering. o n oueoov