Post on 11-Oct-2020
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
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+
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
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+
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+)
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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: s.reichel@geosfreiberg.de
www.geosfreiberg.de