technische elektrochemie in der wasser- …...... „scaling“ –ablagerung von sm und...
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TECHNISCHE ELEKTROCHEMIE IN DER WASSER-UND WERTSTOFFTECHNOLOGIE
H. – J. Friedrich
Technische Elektrolysen und Geothermie
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Gliederung
Elektrochemische Wasserbehandlung
Wasserbehandlung im Bergbau
Elektrochemische Totalmineralisation
Konditionierung von / Rohstoffgewinnung aus Tiefenwässern
Elektrochemische Prozesse für das Recycling seltener Metalle
Gewinnung Seltener Erden aus sekundären Rohstoffen
Rückgewinnung seltener Metalle aus Elektronikschrott
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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern
Sulfat kann nur sehr schwierig selektiv abgetrennt werden
Membranelektrolyse zur Abtrennung von Sulfat, Eisen, Mangan, Uran, Thorium - (RODOSAN®-Verfahren)
Produkte Kathodenseite:
-aufbereitetes Wasser
-Wasserstoff
SO42-
Saures Wasser
Produkte Anodenseite:
-H2SO4
-(NH4)2SO4
-(NH4)2S 2O8
− +
Anolyt
CO2
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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern
Saure, sulfatreiche und schwermetallbelastete Wässer stellen ein weltweites Problem bei der Förderung von Braun- und Steinkohle sowie von sulfidischen Erzen dar
Entstehung schwefelsaurer Seen
als Endstadium des Bergbaus
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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern
Entwicklungsstand: technischer Pilotmaßstab 5 …10 m3 / h
Erprobung für verschiedene Wassertypen über 20.000 h
Konversion eines Wasserschadstoffs (Sulfat) in Düngemittel
AnlagenstandortMembranelektrolyseur
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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern
Sulfatabtrennung bis 60% (Pilot) und >80% im Labor
Quantitative Entfernung von Schwermetallen und Aluminium
In-situ-Erzeugung von Pufferkapazität
0
20
40
60
80
100
120
Sulfat Aluminium Eisen Mangan
%
Schadstoffabtrennung
Sedlitz Bockwitz RL111 Nochten Labor
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Elektrochemische Totaloxidation („kalte Verbrennung“)
Zerstörung hochpersistenter und biozider organischer Verbindungen
Für ein breites Spektrum von Stoffen erprobt
Anderen Verfahren hinsichtlich Umsatzgrad dabei deutlich überlegen
CxHyR
Elektrolyse
x CO2 + y H+ + RO-
Verfahrensprinzip
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Elektrochemische TOTALOXIDATION von Nitroaromaten / STV
Verbindungen in Reinsubstanz teilweise brisante Sprengstoffe
Elektrochemische Behandlung erfordert spezielle Verfahrensführung
Anwendungsgebiete sind z.B. die Behandlung von Abwässern
Technikumsanlage zur Totaloxidation
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Elektrochemische Konditionierung radioaktiver Abfälle BMBF-FKZ 02S8801
Flüssige organische Abfälle sind nicht endlagerfähig, es stehen nur begrenzte Aufnahmemöglichkeiten zur Verfügung
Drastische Volumenreduktion mittels elektrochem. Totaloxidation möglich
Überführung der C-14-Aktivität in endlagerfähigen Feststoff
Laborversuchsstand C-14-Elektrolyse
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Elektrochemische TotaloxidationOrganischer Verbindungen
Leistungsunterschiede zwischen den Verfahrensalternativen (Photo-/Ozonolyse) erscheinen z.T. wenig beeindruckend
+/-10% in der Abbauleistung entscheiden aber letztlich über den Behandlungserfolg
Metaboliten der Ozonung /Photolyse oft ebenfalls toxisch/mutagen
020406080
100120
Um
sa
tz (
%)
Abbau Organik
TNC DNT TNT
0
2
4
6
8
0 8 16 24 32Lg
(A)
/Bq
t (h)
C-14-Aktivität
Probe 1 Probe2
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Konditionierung von Thermalsolen in der Tiefen Geothermie (BMWI FKZ 0325696)
Verstärkte Nutzung der Geothermie – wichtiger Baustein der Energiewende
Häufiges Problem: „Scaling“ – Ablagerung von SM und Radionukliden Betriebsstörungen
Konzept: Elektrochemische Abtrennung in situ
Geothermietestfeld Radioaktive Scales (Pb-210, Ra)
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Konditionierung von Thermalsolen in der Tiefen Geothermie
Voruntersuchungen: Scalebildung ist an Austausch elektrischer Ladungen gebunden und kann elektrochemisch beeinflusst werden
Derzeit: Entwicklung eines elektrochem. Abscheidesystems (BMWi)-Proj.
Ziel: Rückhalt bereits in der Bohrung bzw. „Solekonditionierung“
stimuliertes Scaling In-situ-Teststand (Patent)Prinzip Scalebildung
Fe Fe2++ 2 e-
2 H+ +2 e- H2
Men+ + n e- Me
e-FeS, MnS
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Solekonditionierung - Vermeidung von Scaling und Rohstoffgewinnung
Kritische Scalebildner sind effizient abscheidbar (Pb-210, Cd, As)
Sehr gute Abscheideraten werden auch für Indium und Tellur erzielt
Gegenwärtig: Optimierung der Abscheidebedingungen und der Verweilzeit (Reaktorauslegung)
Abscheidegrade in Modellsole
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
As Pb-210 Tl Cu In Te
Ab
tren
nu
ng
X
in
%
1h -8l/h 2 h-8 l/h 3h - 8 l/h 3 h-2l/h
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Solekonditionierung - Vermeidung von Scaling und Rohstoffgewinnung
Teilweise beachtliches Rohstoffpotential der Solen (NaCl, KCl, Li, J, Mn, Zn, In, Tl)
Wertpotential der Inhaltsstoffe übertrifft Wärmeerlöse teilweise mehrfach, keine zusätzlichen Aufschlüsse nötig
Z.Z. analytisches und technologisches Screening (DBU-Projekt)
1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04 1,0E+06
t/a
€/aTl
In
Mn
J
Li
KCl
NaCl
Rohstoffpotential (Beispiel) Bohrung Norddeutsches Becken
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ELEKTROCHEMISCHE PROZESSE FÜR DAS RECYCLING SELTENER METALLE
Elektrochemische Prozessschritte für die Stofftrennung
Metallabscheidung / Raffination
Rückgewinnung von Chemikalien
Behandlung von Prozessabwässern
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Recyclingpotentiale für kritische Rohstoffe (Auswahl)
Halbleiter/Elektronik/Elektro-
industrie
Fahrzeugbau/Fahrzeug-recycling
Verbraucher, Kommunen,
Landwirtschaft
Bergbau /Metallurgie
Energie-wirtschaft
Maschinen-Anlagen- und
Gerätebau
Li Energiespeicher MgLi-Legierungen Energiespeicher Haldenmaterial Mobilfunk/Akkus
P Aschen Schlacken Klär-/Gärschlamm
Ga Prod.Abfälle, Laserdio.
Kfz.-Elektronik Geräteelektronik, Sprinkleranlagen
PhotovolaikHochleistungszellen
?
In Prod.Abfälle, LCD Displays (Navi), Displays Haldenmaterial Smartphones,Monitore
Sb Prod.Abfälle Displays, Pb-Akkus Displays, Sensoren(IR)
Haldenmaterial
Te Prod.Abfälle Thermoelektrik? Kühlelemente Dünnschichtzellen Erzaufbereitung
Co Hartmagnet. Werkstoffe
Li-Akkus Hartmetalle Turbinenschaufeln Haldenmaterial Implantate
Ag Lote /Abfälle, RFID-Tags
Kfz-Elektronik GeräteelektronikLote, Elektroden
Solarzellen (Kontakte)
Haldenmaterial HH- und Bürotechnik
Au Kontaktierung Kfz-Elektronik Geräteelektronik HH- und Bürotechnik
PGM Kontakte (Pd), Widerstände (Ru)
Abgas-KatalysatorenLambda-Sonden
Sensoren, Katalyse, Elektroden
Brennstoffzellen Metallraffination
SEE Leuchtpigmente, Magnete, Laser, HTSL
Abgas-Katalysator E-Antriebe,Katalyse,Generatoren, Laser
E-Antriebe, SOFC,Generatoren
Rostfreie Stähle, Speziallegierungen
Leuchtmittel,Fernsehgeräte
Ta Kondensatoren Kfz-Elektronik, Super-Caps
Steuerungen Turbinen Bürotechnik,Mobilfunk
Tl Frequenzfilter, HTSL
Aschen, Rauchgasr. Haldenmaterial Medizintechnik
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Rohstoff
Mech. Aufbereitung
Sortierung
Laugung
Elektrolyse
Extraktion
Fällung / Elektrolyse
Säurerück-
gewinnung
Rückgewinnung von Seltenen Erden-/Metall-Verbindungen aus sekundären Rohstoffen
Produkt
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Rückgewinnung von Seltenen Erden-Verbindungen aus sekundären Rohstoffen
Katalysator Laugung Elektrolyse
Extraktion
Cercarbonat
Lanthanoxalat Säurerückgewinnung
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Rückgewinnung von Tellur aus Dünnschicht-solarzellen
Laugung Elektrolyse
Te-Ausbeute von ca. 1 m2 ModulPV-Modul Shredder
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Rückgewinnung von Indium aus LCD-Displays
LCD-Displays Schichtaufbau Display V=140x
Glas
Po
lari
sati
on
sfil
ter,
Re
fle
kto
r
Po
lari
sati
on
sfil
ter
LC
+IT
O
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Rückgewinnung von Indium aus LCD-Displays
TFT-LCD-Display Delaminierung Kunststoff
Glasfraktion
Laugung Elektrolyse
Glasrecycling
Indium