Projekt 20679/01

Abwasserteilstrombehandlung Chemisch Nickel

Projektdurchführung

Galvanotechnik Breitungen GmbH & Co KG
Poststr. 1 a
98597 Breitungen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Beim Einsatz von Natriumhypophosphit (NaH2PO2) zur chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel erfolgt über das behandelte Abwasser ein Eintrag von Phosphor-Verbindungen in die Umwelt, da Hypophosphit durch eine konventionelle Neutralisationsfällung nicht aus dem Abwasser entfernt werden kann. Zielsetzung im Vorhaben war daher die Entwicklung und Erprobung einer Prozesstechnik für die abwassertechnische Behandlung des Teilstroms Chemisch Nickel zur Abtrennung von Phosphor-Verbindungen nach einer chemischen Wandelung der in diesem Teilstrom enthaltenen Hypophosphit-Menge. Dies ermöglicht eine Einhaltung des behördlich vorgegebenen Grenzwertes für Phosphor (gesamt) im behandelten Abwasser.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Entwicklung und Erprobung einer mehrstufigen Prozesstechnik zur abwassertechnischen Behandlung des Teilstroms Chemisch Nickel wurde das Vorhaben in verschiedene Abschnitte untergliedert:
1. Erstellen eines technischen Konzepts für die Teilstrombehandlung
2. Verfahrenstechnische Untersuchungen im Labormaßstab
3. Bau einer Versuchsanlage für den technischen Maßstab (Pilotanlage)
4. Erprobung der Prozess- und Anlagentechnik (Pilotanlage)
5. Erarbeitung der Bemessungsgrundlagen für eine industrielle Anlage
Die Verfahrensauswahl für die verschiedenen Teilprozesse sowie die Auswahl relevanter Komponenten (Elektrodenmaterialien, Membranen, Ionenaustauscherharze etc.) erfolgte im Labormaßstab in Anlagen mit automatisierter Erfassung von relevanten Prozessdaten. Die analytische Bestimmung von Inhaltsstoffen erfolgte nasschemisch mittels Titration oder über spektroskopische Methoden.
Die Erprobung der Prozess- und Anlagentechnik erfolgte im Labormaßstab sowie in einer Pilotanlage. Auf der Basis der Erprobungsergebnisse in der Pilotanlage wurden die prozess- und systemspezifischen Bemessungsgrundlagen für eine industrielle Anlage erarbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Vorhabens wurde für die abwassertechnische Behandlung des Teilstroms Chemisch Nickel eine mehrstufige Prozesstechnik entwickelt. Sie enthält folgende Prozess-Schritte:
· Abtrennung der Ni2+-Ionen mittels Ionenaustausch,
· Oxidation von Hypophosphit und zum Teil der organischen Komponenten mittels Membranelektrolyse oder durch heterogene Katalyse am Palladium-Kontakt,
· Fällung des Orthophosphits mittels FeCl3/ Kalk und Nachbehandlung des Teilstroms mit Fentons Reagenz sowie Abtrennung der Fällungsprodukte mittels Druckfiltration.
Die Erprobung der Prozess- und Anlagentechnik erfolgte im Labormaßstab sowie in einer Pilotanlage. Bei der heterogenen Katalyse zur Oxidation von Hypophosphit erfolgte aus Zeitgründen nur die Erpro-bung in der Laboranlage. Das entwickelte Behandlungsverfahren kann für die anfallenden Hy-pophosphithaltigen Abwasserteilströme aus dem Produktionsbereich Chemisch Nickel
· Konzentrate (nicht mehr nutzbare Prozesslösungen),
· Halbkonzentrate und Spülwässer sowie
· die Eluate (Abwässer) von Regeneratoren
genutzt werden.
Im Zuge des mehrstufigen Behandlungsprozesses kann die im Teilstrom enthaltene Ni2+-Menge mittels Ionenaustausch abgetrennt und über das bei der Regeneration der Ionenaustauscher anfallende Eluat einer internen Nutzung bzw. einer externen stofflichen Verwertung zugeführt werden. Da eine Prozesslösung Chemisch Nickel Komplexbildner enthält, ist für eine vollständige Abtrennung von Ni2+-Ionen der Einsatz von Ionenaustauscherharzen mit Iminodiessigsäuregruppen erforderlich.
Damit das im Abwasserteilstrom Chemisch Nickel enthaltene Hypophosphit über eine Fällung abgetrennt werden kann, muss es in einem Oxidationsschritt in fällbare Phosphor-Verbindungen überführt werden.
Die Untersuchungen zeigten, dass für die Phosphor-Eliminierung nur eine Oxidation bis zum Orthophosphit erforderlich ist, sofern die Fällungsstufe mit FeCl3 und Kalk betrieben wird. Die Rückstände der Filtration müssen als Abfall deponiert werden.
Die oxidative chemische Wandlung des Hypophosphites und der organischen Komponenten der Prozesslösung kann auf elektrochemischen Wege erfolgen, sofern eine geteilte Elektrolysezelle eingesetzt wird, bei der Anolyt und Katholyt durch eine Kationenaustauschermembran voneinander getrennt sind. Als Elektrodenwerkstoffe können Palladium oder aktiviertes Blei (Anode) bzw. Edelstahl (Kathode) verwendet werden. Alternativ zur anodischen Oxidation kann die Oxidation des Hypophosphites mittels heterogener Katalyse an einem Palladium-Kontakt erfolgen.
Die Ergebnisse der Erprobung zeigen, daß der Einsatz der Membranelektrolyse (anodische Oxidation) bei der Behandlung konzentrierter Teilströme, z. B. nicht mehr nutzbare Prozeßlösungen von Vorteil ist, da die Effizienz der anodischen Oxidation mit fallender Hypophosphit-Konzentration sinkt. Bei niedrigen Konzentrationen werden für die Hypophosphit-Oxidation nur noch Stromausbeuten < 5 % erreicht, so daß niedrige Hypophosphit-Konzentrationen (< 50 mg/l) nur mit hohem Energieaufwand erreicht werden können. Beim Einsatz der Katalyse können niedrige Hypophosphit-Konzentrationen (< 50 mg/l) mit ausreichender Behandlungsdauer (Kontaktzeit) erreicht werden.
Für eine effiziente Systemlösung bei der Abwasserteilstrombehandlung Chemisch Nickel ist es daher sinnvoll, in der Fällungsstufe nach der Zugabe von FeCl3 und Kalk zusätzlich eine Nachbehandlung mit Fentons Reagenz (FeSO4/ H2O2) durchzuführen.


Fazit

Die mehrstufige abwassertechnische Behandlung führt zu einer Abtrennung der Ni2+-Ionen zu mehr als 99,5 % und der Phosphor-Verbindungen zu mehr als 98 %. Die Restkonzentration von 2 mg/l Phosphor (gesamt) im behandelten Abwasser kann durch eine Nachbehandlung mit Fentons Reagenz erreicht werden.
Wegen des starken Einflusses der organischen Komponenten in der Prozesslösung Chemisch Nickel und der zahlreichen im Einsatz befindlichen Prozesslösungstypen sind vor einer Bemessung von Teilausrüstungen verfahrenstechnische Untersuchungen im Labor- und ggf. Technikumsmaßstab erforderlich, um eine gute Anpassung der Prozess- und Anlagentechnik an die Anforderungen vor Ort vornehmen zu können.