Projekt 02561/01

Aufbereitung schadstoffbelasteter Klärschlämme, Stäube und Erden mittels Druckelektroosmose

Projektdurchführung

Technische Universität Ilmenau
Postfach 327
98684 Ilmenau

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung des für die Entwässerung keramischer Massen an derTU Ilmenau entwickelten Druckelektroosmoseverfahrens für Einsatzaufgaben in der Umweltschutztechnik. Darin zeichneten sich zwei wesentliche Aufgabenfelder ab, die Beschleunigung der Entwässerung und Verringerung der Restfeuchte im Filterkuchen sowie die Abreicherung von Schadstoffionen.
Für die Versuche im Vorhaben wurden folgende Materialien ausgewählt: Wälzoxid beim Zinkrecycling (B.U.S. Freiberg) zur Entfernung der Schadstoffionen Cl- und F-; Hafenschlick Hamburg zur Abreicherung von Schwermetallionen aus schwach kontaminierten Erden; Soleschlamm der Chlor-Alkali-Elektrolyse (Buna GmbH) zur Beschleunigung der Filtration und geringen Restfeuchte; Klärschlamm Apeldoorn (Ver-Tech Treatment Systems, Holland) zur Entfernung von Geruchsstoffen, z. B. Ammonium, Phosphatierschlamm und Mischschlamm (Opel Eisenach) zur Verringerung der Eluatwerte und Beschleunigung der Filtration


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMit den genannten Substanzen wurden insgesamt 84 Abpressversuche und Analysen durchgeführt. Die Filtrationsversuche erfolgten mit einer von der Firma KERuUM Ingenieurbüro für Verfahrens- und Entwässerungstechnik Neuhaus-Schierschnitz gefertigten Druckelektroosmose-Laboranlage.
Für die Ausbildung der Entwässerungskammer wurde nicht das übliche Prinzip der Filterpresse gewählt, sondern eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung, die eine größere Flexibilität bezüglich der einzufüllenden Mengen und der elektrischen Felder ermöglicht. Die Elektroden hatten in der Standardbestückung Allround-Filtertuch/ Edelstahlgewebe eine wirksame Filterfläche von 2 x 63,6 cm2.
Mit dieser Anlage war es möglich, die Filtration unter dem Einfluss eines elektrischen Gleichfeldes ablaufen zu lassen. Die daraus resultierende so genannte Druckelektroosmoseentwässerung war die drei Wirkprinzipien gekennzeichnet: Druckfiltration - Elektrophorese - Elektroosmose.
Im Ergebnis des Projektes wurde der Abschlussbericht von 03/1996 vorgelegt.


Ergebnisse und Diskussion

Filtrationsbeschleunigung und Verringerung der Filterkuchenfeuchte
Im Vergleich zu den traditionellen Filtrationsverfahren ließen sich durch Druckelektroosmose die meisten Suspensionen schneller entwässern, und es wurden auch geringere Restfeuchten im Filterkuchen erzielt. Das diesem Sachverhalt zugrunde liegende Wirkprinzip resultierte aus der Wanderung hydratisierter Kationen in Richtung Katode- der Elektroosmose.
Grundsätzlich war es möglich, auch durch Erhöhung des Filtrationsdruckes zu diesem Ergebnis zu kommen. Es erschien jedoch nur wenig sinnvoll, weil der Aufwand und die Kosten für die Auslegung der Filterpresse, z. B. für die Realisierung höherer Schließkräfte, extrem anstiegen.
Der Wirkungsgrad der Druckelektroosmose war von den elektrostatischen Verhältnissen in der Suspension abhängig. Besonders deutlich zeigte sich der Einfluss des elektrischen Feldes bei der Entwässerung von Hafenschlick (Hamburg) und Soleschlamm (Buna GmbH). Hier wurden neben der Beschleunigung der Filtration auch deutlich verringerte Restfeuchten nachgewiesen.
Als wenig wirksam erwies sich das Druckelektroosmoseverfahren für den VerTech-Schlicker Apeldoorn. Der Aufbau dieses Materials und die elektrostatischen Verhältnisse in der Suspension ermöglichten keine wirksame Elektroosmose, jedenfalls nicht ohne Zusätze.
Abreicherung von Anionen
Die Versuche zur Abreicherung von Chlor und Fluor mittels Druckelektroosmose brachten folgende Ergebnisse: Durch den Einfluss des elektrischen Gleichfeldes während der Filtration ergeben sich gravierende Unterschiede für die an der Anode und Katode ausgetragenen Filtratmengen, pH-Werte sowie deren Chlor- und Flourgehalte. Als effektivste Methode zur Abreicherung von Anionen erwies sich das Spülen des Filterkuchens in Richtung Anode bei gleichzeitiger Einwirkung eines elektrischen Feldes. Mit dieser Methode ist es möglich, gelöste Anionen in kürzester Zeit nahezu quantitativ zu entfernen. Probleme können entstehen, wenn, wie z. B. beim Wälzxid, das Fluor teilweise als schwerlösliches CaF2 vorliegt.
Abreicherung von Schwermetallen
In Lösung befindliche Kationen wanderten zur Katode und wurden, da die Hauptströmungsrichtung des Filtrates in der Regel zur Katode gerichtet war, leicht ausgetragen. Die Abreicherung von Schwermetallen, die an den Substanzen Hafenschlick Hamburg und Mischschlamm Opel Eisenach untersucht wurde, verlief nach einem völlig anderen Mechanismus. Der Austrag der Ionen erfolgte nicht über die Katode, was erwartet worden war, sondern über die Anode. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes veränderten sich die pH-Werte in der Umgebung der Elektroden. Die extrem saure Umgebung in Anodennähe und die Bildung von Sauerstoff in statu nascendi führten zu einem Anodenfiltrat, dass dem einer oxydierenden Säure gleich kam. Verbindungen, wie Schwermetallsulfide oder -karbonate, wurden unter diesen Bedingungen aufgelöst und mit dem Anodenfiltrat ausgetragen, während das alkalische Katodenfiltrat nahezu keine Schwermetallionen enthielt. Die Schwermetallüberführung in das Anodenfiltrat ließ sich noch verstärken, wenn der Filtration ein oder mehrere Spülvorgänge nachgeschaltet wurden und als Spülflüssigkeit das bereits ausgetragene saure Anodenfiltrat Verwendung fand.
Mit einer solchen Verfahrenstechnik konnten zwei Zielstellungen verfolgt werden, nämlich die weitgehende Entfernung von Schwermetallionen aus schwach kontaminierten Materialien und die Rückgewinnung von Schwermetallen aus stark kontaminierten Materialien.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Adresse: Technische Universität Ilmenau, Postfach 327, 98684 Ilmenau, Telefon: 03677-69-2801, 03677-691802,
Ansprechpartner: Herr Dr.-Ing. habil. Krüger


Fazit

Das Projekt als solches wurde von der TU Ilmenau fachlich qualifiziert durchgeführt. Eine wesentliche Weiterentwicklung des Verfahrens gelang jedoch im Projekt nicht, sondern es wurde die Anwendbarkeit des Verfahrens auf konkrete Modellstoffe untersucht. Auch angesichts der gutachterlichen Anmerkungen zum Projektbericht und der eher eingeschränkten Perspektiven des Verfahrens wurde die Errichtung und Testung einer Pilotanlage von der TU Ilmenau nicht weiter verfolgt.