aufbereitung von bergbau- und industrieabwässern mittels ... · shm sorpp shm sorpx einstellung...
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CIO Campus
Aufbereitung von Bergbau- und
Industrieabwässern mittels
eisenbasierter Adsorbentien
Susan Reichel1, , Eberhard Janneck1 , Diana Burghardt2, Stefan Peiffer3, Gunter Kießig4,
Thomas Koch5, Ingolf Arnold5, M. Schlömann6, Jan Laubrich7
1G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbH, Freiberg,
2 TU Dresden, Institute of Groundwater Management,
3Universität Bayreuth, Chair of Hydrology, 4UBIG mbH, Wünschendorf,
5Lausitz Energie Bergbau AG, Cottbus
6 TU Bergakademie Freiberg, Institut für Biowissenschaften
7Wismut GmbH, Chemnitz
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Eisenhaltige Wässer als Rohstoff?
Verwitterung von Pyrit und Markasit in Braunkohlekippen:
1) FeS2 + 3,5 O2 + H2O Fe2+ + 2 SO4
2- + 2 H+
2) FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O 15 Fe2+ + 2 SO42- + 16 H+
3) 14 Fe2+ + 3,5 O2 + 14 H+ 14 Fe3+ + 7 H2O microbial
4) Fe3+ + 3 H2O Fe(OH)3 + 3 H+
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WBA Tzschelln:
20 Mio. m³/a Wasser
Tagebau Nochten: 18 Mio t Braunkohle/Jahr
Wasserhebung: ~ 120 Mio. m³/Jahr
Wasserbehandlung: durch Belüftung, Zugabe von Kalkmilch bis pH 8-9 (Oxidation, Flockung, Schlammabtrennung und Eindickung),
Wasserbehandlung im Tagebau
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Durchfluss Menge erzeugten
Schwertmannit
Reaktorvolumen
3 m³/h 10-15 t/year 48 m³
Schwertmanniterzeugung im Pilotbetrieb
Parameter
pH 5.30
EC (25°C) 2,930 µS/cm
TIC 65 mg/l
Cl 34 mg/l
SO42- 1,970 mg/l
Fe, total 300-400 mg/l
Fe, diss. 320 mg/l
Fe2+, diss. 320 mg/l
Acidity 14 mmol/l
4 Fe2+ + O2 + 4 H+ → 4 Fe3+ + 2 H2O
16Fe3+ + 3,5 SO42- + 25 H2O Fe16O16(OH)9(SO4)3,5 + 41 H+
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Eigenschaften Schwertmannit
Schwertmannit:
Molverhältnis:
Fe : S
Fe16O16(OH)12(SO4)2 8 : 1
Fe16O16(OH)9(SO4)3,5 4,57 : 1
Fe8O8(OH)x(SO4)y
(x=8-2y; y=1.0…1.75)
hohe Reaktivität und hohe Kapazität zur
Sorption von Oxoanionen (arsenate,
phosphate, vanadate, chromate,
antimonate, molybdate)
Schnelle Umwandlung in Wässern mit
hoher Alkalinität
0.125 Fe8O8(OH)6SO4 + 1.25 H2O Fe(OH)3 + 0.125 SO42- + 0.25 H+
(conventional WT: FeCl3 + 3 H2O Fe(OH)3 + 3 Cl- + 3 H+)
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SURFTRAP I: Development and Optimisation of a Process to Biosynthesize Reactive Iron
Mineral Surfaces for Water Treatment Purposes
SURFTRAP II: Finalization of processes for the biotechnological Schwertmannite synthesis and for passive
water treatment systems by production of Schwertmannite agglomerates (product development)
ProMine: Nano-particle products from new mineral resources in Europe (technical scale adsorbent production)
SAWA: Utilization of schwertmannite as adsorbents for energy neutral, passive water treatment systems
(Product optimization and application tests at pilot scale )
Schwertmannit-
synthese Rohmaterial Getrockneter SHM Agglomerationsprozess SHM-Adsorbent
Modifikation der Pilotanlage Labortests Pilotversuche zur Wasserbehandlung Produktoptimierung
Forschung und Entwicklung
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Schwertmannitverwertung
SHM SorpP SHM SorpX
Einstellung des
Wassergehaltes
Kompaktierung
Brechung und Siebung
Einstellung des
Wassergehaltes und
Einmischung des organischen
Binders
Trocknung
Brechung und Siebung
EP 12167884: An adsorbent comprising schwertmannite, a method of preparing the adsorbent and the
use of the adsorbent for purifying water or gas
1 mm
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Anwendung im Pilotmaßstab
Parameter TOC HCO3- SO4
2- Ca2+ Mg2+ Fe2+ As Mo PO43- U
c(mg/L) 10-22 ≈ 1000 ≈ 1900 ≈ 30 ≈ 50 <0,01 1-1.3 1-1.3 3-5 7-10
Pilottest mit Sickerwasser der IAA Helmsdorf (pH 8.7-9.0) (Wismut GmbH)
durchgeführt durch TU Dresden (Institut für Grundwasserwirtschaft)
Adsorbent: SHM-sorpP im
Vergleich mit
Ferrosorp®Plus und
GEH®104
Bedingungen: • FBV: 0,078 - 0,101 L,
• Durchfluss 7,7 – 8,1 L/d
(177 d)
Verweilzeit: 16-20 min
93-121 Bettvolumen/Tag
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Eignungsprüfung eines Schwertmannitbasierten Adsorbenz in Helmsdorf (Bergbauabwasser)
Q = 7,7-8,1 l/d, tA =16 - 20 min pro Tag Austausch v. 93-121 Bettvolumen (ABV)
pH 5-Szenario: pH 7 pH 5 -Szenario:
Versuchsmethodik der Säulenversuche
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Ergebnisse des Pilotversuches in Helmsdorf
Molybdänrückhalt
in den vorderen
Säulen des pH5-
Szenario deutlich
besser bei SHM-
SorpP im Vgl. Zu
FerrosorpPlus
Arsenrückhalt in
den vorderen
Säulen des pH 5 –
Szenario
As > 0,3 mg/l:
nach ca. 5000 BV
FerrosorpPlus
bzw. 5.500 BV
(SHM-SorpP)
Burghardt, D., Richter, J., Simon, E., Reichel, S. Janneck, E., Laubrich, J. (2016), Treatment of Seepage water from a
tailings pond of uranium mining: column tests with a novel Schwertmannit adsorbent, conference proceedings,
IMWA2016, Leipzig, Germany
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Ergebnisse des Pilotversuches in Helmsdorf
Arsenrückhalt in den
vorderen Säulen
des pH 7 – Szenario
As > 0,3 mg/l: nach
ca. 3.000 BV
FerrosorpPlus
bzw. 3.700 BV bei
SHM-SorpP, 4000
BV (GEH®104)
kein
Molybdänrückhalt
0
1000
2000
3000
0 25 50 75 100 125 150
Mo
[µ
g/L
]
Tage
Molybdän-Konzentration der Säulen 4 (Zulauf Säulen 3 + pH 5)
Zul. Ferro-4 Zul. GEH-4 Zul. SHM-4 Abl. Ferro-4 Abl. GEH-4 Abl. SHM-4
Möglichkeit der Rückgewinnung von
Molybdän:
nach vorangegangener
Arsenabtrennung bei pH 7 erfolgte nun
die Absenkung des Zulaufes auf pH 5
zur selektiven Molybdänsorption
- signifikanter Rückhalt von Molybdän
bei SHM-SorpP und GEH®104
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pH 7: Beladung (mg/cm3) pH 5: Beladung (mg/cm3)
As Mo PO4 As Mo PO4
Ferrosorp®Plus 3.0 <0.1 7.9 5.1 2.2 11.8
SHM-sorpP 4.9 <0.1 14.3 7.4 5.5 21.1
GEH®104 3.8 0.4 10.6 Nicht quantifiziert
Burghardt, D., Richter, J., Simon, E., Reichel, S. Janneck, E., Laubrich, J. (2016), Treatment of Seepage water from a
tailings pond of uranium mining: column tests with a novel Schwertmannit adsorbent, conference proceedings,
IMWA2016, Leipzig, Germany
Adsorbens-Beladungen in den vorderen Säulen:
Fazit:
- Rückhalt der Oxyanionen ist bei pH 5 allgemein besser als bei pH 7
- SHM-sorpP adsorbierte As, Mo, und PO4 deutlich besser als
FerrosorpPlus und GEH104 (bis auf Mo bei pH 7)
- eine effiziente Molybdän-Rückgewinnung erscheint möglich, allerdings
keine strikte Trennung von Arsen- und Molybdänsorption
Ergebnisse des Pilotversuches in Helmsdorf
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Eignungsprüfung eines Schwertmannitbasierten Adsorbens in der Halbleiterindustrie
K1 K2 WBA
Waste water
SorpX SorpX
Pilotversuch mit Prozessabwasser der Halbleiterindustrie:
Parameter:
pHInlet 6,71
AsInlet 0,9-4,5 mg/l
Q: 57 l/h
mSorpX 9,2 and 8,9 kg
column 13,5 cm
Vcolumn 14,3 l
ne 0,736
tA 11 min
SorpX 013/2015
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Ergebnisse des Pilotversuches
Entfernung von Arsen aus einem Prozessabwasser der Halbleiterindustrie
- schnelle Adsorptionskinetik
- hohe Beladungskapazität erreicht: 38 g As/kg TS
- erst nach 14,000 FVB Überschreiten des Ablaufgrenzwertes von 0.3 mg/l
Potential zur Wertstoffrückgewinnung nach erfolgter Arsenabtrennung
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Metallrückgewinnung von beladenen
Adsorbentien
Adsorbent Beladung
mit Mo
[mg/g TS]
Beladung
mit V
[mg/g TS]
Beladung
mit
Phosphat
[mg/g TS]
SorpX 31-35 59-68 72-74
SorpP 16,2 16,7 58
FerroSorp® 2,45 15,3 47
Bayoxide® 7,07 18 56,5
Ergebnis:
- ähnliche oder
teilweise etwas
bessere
Rückgewinnung
bei SorpX und
SorpP im
Vergleich zu
FerroSorp und
Bayoxide
Rückgewinnung der adsorbierten Metalle und
Phosphat:
Desorption mittels NaOH, KOH oder Na2CO3 von
beladenem SHM-SorpP, SHM-SorpX und anderen
kommerziell erhältlichen Adsorbentien
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt:
G.E.O.S. Ingenieurgesellschaft mbH Gewerbepark „Schwarze Kiefern“
09633 Halsbrücke Telefon: +49 3731-369268;
Dr. Susan Reichel E-Mail: [email protected]
www.geosfreiberg.de