FI126851B

FI126851B - A method for removing sulfate from an aqueous solution

Info

Publication number: FI126851B
Application number: FI20145319A
Authority: FI
Inventors: Hannu Suominen
Original assignee: Suominen Lauri Hannunpoika
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2017-06-30
Also published as: WO2015150636A1; FI20145319A

Description

Menetelmä sulfaatin poistamiseksi vesiliuoksestaA method for removing sulfate from an aqueous solution

Vesistöjä kuormittavia sulfaattilähteitä ovat mm. kaivokset, selluteollisuus ja jätevesien käsittelylaitokset. Tyypillisiä vesiliukoisia sulfaatteja ovat mm. natriumsulfaatti, kaliumsulfaatti, magnesiumsulfaatti ja ammoniumsulfaatti. Sulfaatit ovat yleensä vesiliukoisia ja muodostavat liuoksen, jota on vaikea puhdistaa. Sulfaattia on perinteisesti poistettu vesiliuoksista saostamalla sitä kalsiumsuolana eli kalsiumsulfaattina. Tämä voidaan tehdä lisäämällä liuokseen kalsiumkloridia, kalsiumhydroksidia tai erityisesti happamiin liuoksiin kalsiumkarbonaattia. Kalsiumkloridin lisääminen lisää liuokseen kloridi-ionin, joka ei ole yleensä toivottavaa puhdistetussa vedessä. Kal-siumhydroksidin lisäys nostaa puhdistetun veden pH-arvoa ja puhdistettu vesi täytyy sen jälkeen yleensä neutraloida. Kalsiumkarbonaatin käyttö saostuksessa rajoittuu happamiin liuoksiin, jolloin karbonaatti-ionista vapautuu hiilidioksidia. Kalsiumkarbonaattia saadaan kalkki kivestä, jossa on huomattavia määriä myös magnesiumia, joka muodostaa liuokoisen magnesiumsulfaatin ja vaikuttaa vähentävästi saostuvan sulfaatin määrään.Sulfate sources that burden water bodies include: mines, pulp industry and wastewater treatment plants. Typical water-soluble sulfates include e.g. sodium sulfate, potassium sulfate, magnesium sulfate and ammonium sulfate. The sulfates are generally water soluble and form a solution which is difficult to purify. Sulphate has traditionally been removed from aqueous solutions by precipitation as a calcium salt or calcium sulphate. This can be done by adding calcium chloride, calcium hydroxide or, in particular, acidic solutions to calcium carbonate. Addition of calcium chloride adds a chloride ion to the solution, which is generally undesirable in purified water. The addition of calcium hydroxide raises the pH of the purified water, and the purified water must then generally be neutralized. The use of calcium carbonate in the precipitation is limited to acidic solutions whereby carbon dioxide is released from the carbonate ion. Calcium carbonate is obtained from limestone, which also contains significant amounts of magnesium, which forms soluble magnesium sulphate and reduces the amount of sulphate precipitated.

Ennestään tunnetaan ns. Etringiittiprosessi, joka on kuitenkin monimutkainen ja kallis eikä siitä syystä sovellu kaivos- tai selluteollisuudessa tai jätevesien puhdistuksessa syntyvien suurien vesiliuosmäärien puhdistamiseen ja sulfaatin poistamiseen. Etringiitti-menetelmässä käytetään kalsiumhydroksidia nostamaan pH-arvo noin arvoon 12, jolloin prosessoitavaan suspensioon lisätty alumiinitrioksidi yhdessä sulfaatin kanssa muodostaa saostuman. Tämä hyvin tunnettu sulfaatin saostamismene-telmä on monimutkainen ja kallis ja sen vuoksi vielä vähän käytetty teollisissa sovellutuksissa.The so-called prior art is known. However, the ethinging process, which is complex and expensive and is therefore not suitable for the purification of large volumes of aqueous solution in the mining or pulp industry or in the treatment of waste water and for the removal of sulphate. In the Etringite process, calcium hydroxide is used to raise the pH to about 12, whereupon the aluminum trioxide added to the suspension to be processed together with the sulfate forms a precipitate. This well-known sulfate precipitation process is complex and expensive and therefore still little used in industrial applications.

Liukoisen sulfaatin joutuminen jätevesilaitoksista luonnonvesiin johtuu etenkin siitä, että kaivosteollisuudesta lähtöisin olevaa hapanta rautasulfaattia lisätään tarkoituksella jäteveteen, koska se saostaa fosforin rautafosfaattina. Käsiteltyyn jäteveteen jää jäljelle liukoinen sulfaatti. Vain osittain puhdistettu jätevesi sisältää orgaanista ainetta, jonka ha pettämisestä vastaavat bakteerit kuluttavat vedestä ensin liukoisen hapen, ja sen puuttuessa ne ottavat hapen sulfaatista. Sulfaatti muuttuu erittäin myrkylliseksi rikkivedyksi. Rikkivety tuhoaa luonnonvesistä elävät organismit tehokkaasti. Tästä syystä on tärkeää, että sulfaattia sisältäviä jätevesiä ei johdeta luontoon.Soluble sulphate from effluent plants into natural waters is due in particular to the deliberate addition of acidic iron sulphate from the mining industry to waste water as it precipitates phosphorus as iron phosphate. Soluble sulphate remains in the treated waste water. Only partially purified wastewater contains organic matter, which is first absorbed by water-soluble oxygen from the bacteria responsible for its decomposition, and in the absence of it take up oxygen from the sulphate. The sulphate becomes highly toxic hydrogen sulphide. Hydrogen sulfide effectively destroys living organisms from natural waters. For this reason, it is important that wastewater containing sulphate is not discharged into nature.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan helppokäyttöinen ja kustannuksiltaan edullinen prosessi, joka soveltuu suurien vesiliuosmäärien käsittelyyn siten, että lopputuloksena on sulfaateista puhdistettu vesi, joka voidaan laskea haitattomasti luontoon. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä oheisessa patenttivaatimuksessa 1 esitettyjen tunnusmerkkien perusteella. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön edullisia suoritusmuotoja.The object of the invention is to provide an easy-to-use and inexpensive process suitable for handling large volumes of aqueous solution so that the result is water purified from sulphates which can be harmlessly released into the environment. This object is achieved by the process according to the invention on the basis of the features set forth in the appended claim 1. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Seuraavassa keksintöä havainnollistetaan viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän suorittamiseen käytetyn laitteen yleiskaaviota yhden suoritusesimerkin mukaisena. Säiliössä 1 olevaa vesiliuosta ja/tai -suspensiota lämmitetään alueelle +40°C -+50°C, samalla kun siihen sekoitetaan kalsiumkarbonaattia CaC03. Lämpötilan nosto nopeuttaa prosessia. Kalsiumkarbonaatti on jauhemaisessa muodossapa sitä lisätään ja sekoitetaan vesiliuokseen ja/tai -suspensioon sellainen määrä, että vesi-liuoksen ja/tai -suspension pH nousee arvoon noin 8,4 ja että sen määrä on riittävä suhteessa saostettavan sulfaatin määrään. Kalsiumkarbonaatin pitoisuudesta huolimatta pH saavuttaa vakioarvon, eikä pH-arvoa tarvitse erikseen säätää. Säiliöstä 1 pumpataan vesiliuos ja/tai -suspensio alumiinielektrodilla varustetun elektrolyysi kennon 2 läpi. Kennossa 2 muodostetaan sähkövirran avulla alumiinihydroksidia ja vetykaasua. Kenno voi olla rakenteeltaan esim. patenttijulkaisuissa EP1583719 tai WO2011/018556 kuvattua tyyppiä. Kennot voivat olla yksi- tai use-ampielektrodisia alumiinikennoja.In the following, the invention will be illustrated with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 shows a general diagram of the device used to carry out the method according to the invention in accordance with one embodiment. The aqueous solution and / or suspension in tank 1 is heated to + 40 ° C to + 50 ° C while stirring with calcium carbonate CaCO 3. Raising the temperature speeds up the process. The calcium carbonate in powder form is added and mixed with the aqueous solution and / or suspension in an amount such that the pH of the aqueous solution and / or suspension is raised to about 8.4 and is sufficient in proportion to the amount of sulfate to be precipitated. Despite the concentration of calcium carbonate, the pH reaches a constant value and does not need to be adjusted separately. From the tank 1, the aqueous solution and / or suspension is pumped through an electrolysis cell 2 with an aluminum electrode. In cell 2, aluminum hydroxide and hydrogen gas are formed by electric current. The cell may be of the type described in, for example, EP1583719 or WO2011 / 018556. The cells may be single or multi-ampoule aluminum cells.

Kennosta 2 vesiliuos ja sen sisältämä sulfaattia sisältävä suspensio johdetaan saostusaltaaseen 3, joka on lähellä pohjaa olevan virtauskanavan 4 kautta yhteydessä keräysaltaaseen 5.From the cell 2, the aqueous solution and the sulphate-containing suspension therein are led to a precipitation basin 3 which is connected to the collecting basin 5 via a flow channel 4 near the bottom.

Altaan 3 ja virtauskanavan 4 pohjalla voi olla esim. hihnakuljetin tai useita ruuvikul-jettimia, jolla sakkaa siirretään keräysaltaaseen tai suoraan suodattimeen. Halutta essa voidaan kennon 2 jälkeen lisätä hieman polymeeriä, joka stabiloi muodostuvaa saostumaa ja f lokkia.The bottom of the basin 3 and the flow passage 4 may have e.g. If desired, a little polymer may be added after the cell 2 to stabilize the precipitate formed and the seagull.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa vesiliuosta ja suspensiota jäähdytetään tai sen annetaan jäähtyä keräysaltaassa 5 lämpötilaan, tyypillisesti alle 30°C, jossa se kiteytyy ja muodostaa veden pintaan nousevan, jäätä muistuttavan, kelluvan, yhtenäisiä lohkareita sisältävän kiinteän aineen, "ilokin" On havaittu, että jäähdytyksen yhteydessä flokki kiteytyy turvarakenteiseksi tai kuohkeaksi vettä kevyemmäksi "sulfaattijääksi", joka nousee pintaan ja voidaan siten helposti poistaa esim. kaapimalla kolakuljettimella 8 ja johtamalla putken tai kourun 6 kautta jatkokäsittelyyn. Muodostunut "sulfaattijää" on metallikompleksiyhdiste, joka sisältää sulfaatin lisäksi alumiinia ja kalsiumia sekä sen lisäksi voi sisältää puhdistettavasta liuoksesta riippuen myös natriumia, kaliumia ja magnesiumia sekä pieniä määriä muita metalleja, kloridia ja muita anioneja. Kompleksiyhdisteessä on tyypillisesti myös kidevettä.In a preferred embodiment of the invention, the aqueous solution and suspension is cooled or allowed to cool in a collecting basin 5 to a temperature, typically below 30 ° C, where it crystallizes and forms a floating solid ice-like solid floating on the surface of the water. the block crystallises into a "sulfate residue" which is lighter than water, which rises to the surface and can thus be easily removed, e.g. The "sulphate ice" formed is a metal complex compound which, in addition to sulphate, contains aluminum and calcium, and may also contain sodium, potassium and magnesium and small amounts of other metals, chloride and other anions depending on the solution to be purified. The complex compound also typically contains crystalline water.

Sulfaatti voidaan poistaa vesiliuoksesta tai suspensiosta myös altaan 3 sakkavai-heessa suodattamalla. Sakka muodostuu alumiinihydroksidin aikaansaaman mole-kyylisiivilän avulla, johon elektrolyysissä muodostuneet sulfaatti-, kalsium-, ja muut ionit tarttuvat.The sulfate can also be removed from the aqueous solution or suspension by filtration in the tank 3 precipitation step. The precipitate is formed by a Mole silica strainer made of aluminum hydroxide, which traps sulphate, calcium, and other ions formed in the electrolysis.

Kennosta 2 poistetusta vesiliuoksesta tai suspensiosta siis erotetaan joko muodostuva sakka tai jäähtymisen jälkeen muodostuva flokki eli "sulfaattijää". Jälkimmäinen vaihtoehto on helpommin toteutettavissa suuressa mittakaavassa, koska luonnon prosessi hoitaa erottelun niin, että tarvitaan vain kiinteän aineen talteen keräys.Thus, either the precipitate formed or the flock formed after cooling, i.e. the "sulphate ice", is separated from the aqueous solution or suspension removed from the cell 2. The latter option is easier to implement on a large scale, because the natural process performs the separation so that only the recovery of the solid is required.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa sakan tai flokin muodostumisen yhteydessä puhdistuvaa tai puhdistunutta vesiliuosta ja/tai suspensiota vodaan tarvittaessa johtaa takaisin puhdistettavaan vesiliuokseen ja/tai -suspensioon sen konduktanssin pienentämiseksi tyypillisesti arvoon alle 4 mS/cm, (esim. 3,5 mS/cm) elektrolyysi käsittelyä varten. Kuviossa 1 tämä on toteutettu putkella 7, joka alkaa säiliön 5 takaosan pohjalta.In a preferred embodiment of the invention, the aqueous solution and / or suspension to be purified or purified upon formation of a precipitate or flocculant may, if necessary, be returned to the aqueous solution and / or suspension to be purified to reduce its conductance typically to less than 4 mS / cm. for. In Figure 1, this is accomplished by a tube 7 which begins at the bottom of the back of the container 5.

Sakan tai flokin muodostumisen yhteydessä puhdistuvaa tai puhdistunutta vesiliuosta ja/tai -suspensiota voidaan johtaa toiseen elektrolyysi kennoon 12 jatkopuhdistus-ta varten. Tällaisen kaskadikytkennän portaita voi olla haluttu määrä halutusta puh- distusasteesta riippuen. Kussakin kaskadiportaassa voi olla haluttu määrä kennoja 2 rinnakkain, jotta saadaan riittävä käsittelykapasiteetti.During the formation of a precipitate or flock, the aqueous solution and / or suspension to be purified or purified may be introduced into another electrolysis cell 12 for further purification. Depending on the degree of purification desired, the number of steps for such a cascade connection may be as desired. Each cascade stage may have a desired number of cells 2 in parallel to provide sufficient processing capacity.

Alumiinikennot voidaan järjestää myös siten, että ne muodostavat vaakatasossa olevan kanaviston, jonka läpi puhdistettava sulfaattipitoinen vesi johdetaan.The aluminum cells can also be arranged so as to form a horizontal duct through which sulfate-containing water to be purified is passed.

Claims

A process for removing sulfate from an aqueous solution and / or suspension, characterized in that - the aqueous solution and / or suspension is heated to a temperature in the range +40 ° C - +50 ° C, - calcium carbonate is added and mixed into the aqueous solution and / or suspension in such an amount that the pH of the aqueous solution and / or suspension is raised to a value of 8.4, - the water solution and / or suspension is pumped through an electrolytic cell or battery equipped with aluminum electrode and into the cell or battery aluminum hydroxide is formed by electric current, and - from the aqueous solution and / or suspension, which is removed from the cell or battery, is separated by precipitate formed, rising to the surface, resembling liquid ice blocks.

Process according to claim 1, characterized in that aqueous solution and / or suspension removed from the cell or battery and formed precipitate is cooled or allowed to cool to a temperature below 30 ° C, thus forming a flock rising to the surface, which is removed from water. the solution and / or suspension.

3. A process according to claim 1 or 2, characterized in that aqueous solution and / or suspension, which is purified or purified in conjunction with the formation of precipitate or flock, is returned to the aqueous solution and / or suspension to be purified to reduce its conductivity. electrolyzation.

Process according to any one of claims 1-3, characterized in that aqueous solution and / or suspension, which is purified or purified in connection with formation of precipitate or flock, is led to another electrolytic cell or battery for further purification.