DE2030349C3

DE2030349C3 - Verfahren zur Entwässerung von feinverteilte ausflockbare Mineralstoffe enthaltenden wäßrigen Suspensionen

Info

Publication number: DE2030349C3
Application number: DE2030349A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Janos Hollo; Dipl.-Chem. Dr. Jenö Toth
Original assignee: TATABANYAI SZENBANYAK TATABANYA HU
Current assignee: TATABANYAI SZENBANYAK TATABANYA HU
Priority date: 1970-06-19
Filing date: 1970-06-19
Publication date: 1981-08-20
Also published as: DE2030349A1; DE2030349B2

Description

dem Grenzwert der Kompressionszone verdünnt werden, damit die schwebenden Teile dann durch einen amphoteren Elektrolyten ausflocken und sich absetzen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Feststoffgehalt der Suspension mit Wasser zwischen 2 und 5 Gew.-°/o eingestellt

Der amphotere Polyelektrolyt ist beispielsweise ein Copolymer aus Acrylamid-Natriumacrylat mit einem Molekulargewicht zwischen 2 000 000 und 5 000 000. Ein Beispiel für die Herstellung einer geeigneten Polyelektrolytverbindung ist in US-PS 33 80 947 angegeben. Außerdem können auch Polyelektrolyte natürlichen Ursprungs verwendet werden, in der Regel in modifiziertem Zustand. Als Polyelektrolyte natürlichen Ursprungs können vorzugsweise folgende erwähnt werdem Gelatine, Polypeptid, Gummiarabikum. Stärke, Alginate und Dextran. Erfindungsgemäß können Mahlgut von Weizen, Gerste, Roggen, Mais, Roßkastanie, Mehl und Mahlgut anderer landwirtschaftlicher Produkte verwendet werden, deren Korngröße unter 0,5 mm liegt.

Die Herstellung der modifizierten Naturprodukte kann z. B. auf folgende Weise stattfinden:

Das Kornmahlgut wird in Wasser suspendiert Die Menge des Wassers wird auf Grund des Gewichts des Naturprodukts berechnet und beträgt mindestens 300 Gew.-%. Der wäßrigen Suspension wird die wäßrige Lösung irgendeiner anorganischen Base, wie eines Alkalihydroxyds in etwa 20 bis 35 Gew.-% zugefügt, auf das Gewicht des Ausgangsstoffes berechnet Die mit der alkalischen Lösung behandelte wäßrige Suspension wird bei etwa 30° C eine oder zwei Stunden lang gerührt Nachher wird der wäßrigen Suspension in äquivalentem Gewicht Monochloressigsäure zugefügt und das gewonnene gallertige Produkt wird vor Gebrauch auf etwa 1 Gew.-% Gehalt an aktiver Substanz verdünnt. Die Verdünnung mit Wasser soll womöglich in einer Kolloidmühle unternommen werden, in der das gallertige Produkt im gewünschten Maß mit Wasser verdünnt wird.

Die hier beschriebenen modifizierten Naturprodukte können als amphotere Kettenpolymer-Polyelektrolyte betrachtet werden, deren Molekulargewicht über 100 000 liegt, die an den Seitenketten funktioneile Gruppen tragen und jede dieser funktioneilen Gruppen zeigt eine Molarkohäsion zwischen 9 und 13 kcal je Mol. Die Molarkohäsion der in den Polymeren befindlichen funktioneilen Gruppen bildet einen Teil der innerhalb des Moleküls wirkenden Kohäsionskraft, diese kann an jeder funktioneilen Gruppen berechnet werden. Die sich auf die Molarkohäsion beziehende Theorie und Gleichung sind im Buch von Herbert Adalbert Stuart: »Die Physik der Hochpolymere«, Band I, »Das freie Makromolekül«, Springer Verlag 1953, beschrieben.

Die wäßrige Lösung der Polyelektrolyte wird vorzugsweise in Mengen von etwa 10 mg/kg Feststoff bis etwa 1500 mg/kg Feststoff zugesetzt.

Vorzugsweise werden in der ersten Absetzzone der Suspension 40 bis 60 Gew.-% der insgesamt verwendeten Polyelektrolytmenge zugefügt, und der Rest wird in der zweiten Absetzzone zugesetzt.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde z. B. folgender Mechanismus der Flockenbildung und der Gewinnung leicht sedimentierender Flocken festgestellt:

Das Absetzen und das Entwässern der feinverteilten Mineralfeststoffe enthaltenden Suspensionen soll durch Komplexbildung vorgenommen werden, wobei die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Ausgangsstoffe — feinverteilte Feststoffe — und der nach der Behandlung mit dem Polyelektrolyt gewonnenen Flocken und Agglomerate zu berücksichtigen sind. Die elektrischen Ladungen an der Oberfläche der aus feinen Teilchen bestehenden Feststoffe sind in der Regel nicht übereinstimmend. Die Teilchen können sowohl positive als auch negative Ladungen tragen. Deswegen ist die Verwendung eines amphoteren Polyelektrolyts in den meisten Fällen wünschenswert, da dieser fähig ist, Teilchen mit positiven und negativen Ladungen zu sammeln, und aus ihnen Agglomerate zu bilden. Die amphoteren Polyelektrolyte enthalten funktionelle Gruppen von positiven oder negativem Charakter.

Die Zugabe des amphoteren Polyelektrolyts soll stufenweise in mindestens drei Portionen durchgeführt werden.

Die erste Portion des Polyelektrolyts wird unter energischem Rühren zugefügt, währenddem die Suspension und der Polyelektrolyt in turbulenter Strömung geleitet werden, damit die Verdichtung der zuerst gebildeten Teilchen in kompakte Kerne ohne quervernetzte Bindungen stattfindet Die Korngröße dieser Kerne ist immer mindestens zehnmal größer als diejenige der zu Beginn gegenwärtigen Teilchen. Im allgemeinen werden nach Zugabe der ersten Portion Polyelektrolyt Kerne von 100 bis 300 Mikron Teilchengröße gewonnen.

Die zweite Portion Polyelektrolyt wird der Suspension vorteilhaft durch Spritzen oder Sprühen zugefügt, wobei die Suspension in laminarer Strömung geleitet wird, um quervernetzte Bindungen enthaltende Aggregate zu bilden, wodurch das Absetzen der festen Phase gefördert wird. Die lose Struktur des Agglomerate enthält viel Wasser. Die abgesetzte Phase ist thixotrop, sie enthält etwa 70 Gew.-% Struktur- und Solvatwasser. Der Feststoffgehalt der sich nach der zweiten Polyelektrolytzugabe absetzenden Phase ist etwa zehnmal größer als derjenige der Ausgangssuspension.

Um die Strukturviskosität der abgesetzten Phase zu vermindern, wird langsames mechanisches Rühren angewandt, um das Agglomerat in eine dichtere feste Phase umzuwandeln, die über Mizellenstruktur verfügt, und um weitere Wassermengen freizusetzen. Nach dem Abtrennen des Wass3rs wird die abgesetzte Phase weiter mit einer dritten Portion Polyelektrolyt behandelt, wobei die konzentrierte Suspension in turbulenter Strömung geleitet wird. Die gebildeten großen Flocken haben kompakte Struktur. In dieser Stufe beträgt der Feststoffgehalt der konzentrierten Suspension etwa 40 bis 50 Gew.-%, in Abhängigkeit von der Konzentration der Ausgangssuspension.

An der Oberfläche der Teilchen der konzentrierten Suspension wird mit Hilfe von gelöschtem Kalk ein Ionenaustausch durchgeführt, wobei der pH-Wert auf etwa 11 eingestellt wurde.

Die Solvathülle der Teilchen kann gespalten und die gebildete Aufschlämmung kann mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 bis 300 kg/m²/Stunde filtriert werden. Der Filterkuchen enthält etwa 20 bis 30 Gew.-°/o Feuchtigkeit und kann in stabiler Form befördert werden. Der Zeitbedarf des ganzen Vorganges beträgt etwa I¹/2 Stunden. Das abgetrennte Wasser enthält 15 bis 30 ppm Trübung und kann ohne weitere Reinigung für verschiedene Zwecke verwendet werden.

Die nicht in den Beispielen speziell erwähnten Bedingungen entsprechen den im Patentanspruch geforderten.

Beispiel I
Kohlensuspension

Als Ausgangssuspension wird eine im Kohlenwäscher gewonnene Aufschlämmung verwendet, deren Feststoffgehalt 120 g/Liter ist und das spezifische Gewicht der Feststoffe etwa 1,95 g/ml beträgt

Teilchengröße: 90%
50%
3-5%

< 10 Mikron

< 1 Mikron

= 20—40 Mikron

Die Aufschlämmung wurde zu Beginn auf einen Feststoffgehalt von 50 g/Liter verdünnt Ein amphoteres Copolymer aus Polyacrylamid und Natriumpolyacrylat mit einem Molekulargewicht über 2 000 000 wurde in drei Portionen im Verhältnis von 0,5 g/kg Suspensionsfeststoffe der Suspension zugesetzt. Im ersten Absetzbehälter beträgt die Konzentration der abgesetzten Phase etwa 500 g/Liter. Der pH-Wert der aus dem zweiten Absetzbehälter entfernten Aufschlämmung wurde durch Zugabe von gelöschtem Kalk — im Verhältnis 50 g Kalk/kg Feststoffgehalt — auf 11 eingestellt Der Feuchtigkeitsgehalt der ohne Filtration gewonnenen Aufschlämmung war etwa 25 Gew.-%.

Beispiel II
Flugstaubsuspension

Als Ausgangssuspension diente die Aufschlämmung, die vom Elektrofilter einer Staubmulde gewonnen wurde. Der ursprüngliche Feststoffgehalt von 50 g/Liter der Suspension wurde auf 25 g/Liter verdünnt. Das spezifische Gewicht der Feststoffe betrug etwa 3,1 g/ml.

Teilchengröße: 90%
70%
55%

< 20 Mikron

< 10 Mikron

< 5 Mikron

auf 20 g/Liter verdünnt Das spezifische Gewicht der Feststoffe war etwa 2,6 g/ml.

Teilchengröße: 95%
60%
40%

In der Form einer wäßrigen Lösung wurde ein amphoteres Copolymer aus Polyacrylamid und Natriumpolyacrylat — mit einem Molekulargewicht über 2 000 000 — der Suspension in drei Portionen zugefügt. Im ersten Absetzbehälter war die Konzentration der abgesetzten Phase etwa 300 g/Liter und im zweiten etwa 550 g/Liter. Der pH-Wert der aus dem zweiten Absetzbehälter entfernten Aufschlämmung wurde durch Zugabe von gelöschtem Kalk im Verhältnis 50 g Kalk/kg Feststoff gehalt auf 10,5 eingestellt Der Feuchtigkeitsgehalt der gewonnenen Aufschlämmung betrug ohne Filtration etwa 27,5 Gew.-%.

Beispiel 111

Tonsuspension aus marokkanischem Phosphat,
die Bentonite, Montmorrillonite und Illite enthält

Der anfängliche Feststoffgehalt der Aufschlämmung betrug 40 bis 50 g/Liter und wurde vor der Behandlung

> 30 Mikron

> 10 Mikron

> 2 Mikron

Die Aufschlämmung wurde im Verhältnis von 15 g/kg in der Form einer wäßrigen Lösung mit einem Polyelektrolyt behandelt, der auf die oben beschriebene Weise aus Kornmahlgut gewonnen wurde. Im ersten Absetzbehälter betrug die Konzentration der abgesetzten Phase etwa 250 g/Liter und im zweiten Absetzbehälter etwa 450 g/Liter. Der pH-Wert der Aufschlämmung wurde mit im Verhältnis 50 g Kalk/kg Feststoffgehalt zugefügtem gelöschtem Kalk auf 11 eingestellt Die eingedickte Aufschlämmung wurde durch ein Vakuumfilter filtriert, dessen Filtrationsleistung 75 bis 100 kg/m²/Stunde war. Der Feuchtigkeitsgehalt des Filterkuchens war 32 Gew.-%.

Beispiel IV
Feine Kohlensuspension

Als Ausgangssubstanz wurde eine feine Kohlensuspension verwendet, durch Schaumfl&tation wurde die Kohle in eine kohlenreiche Fraktion mit hohem Heizwert und in eine tonreiche Abgangsfraktion mit niedrigem Heizwert getrennt

Der Feststoffgehalt der Abgangsfraktion wurde durch Verdünnung von 60 bis 80 g/Liter gebracht

Kumulative	Teilchengröße,
Gewichtsprozente	Mikron
99,23	<500
98,31	<200
96,86	<100
94,95	< 63
92,10	< 45
60,97	< 25
12,10	< 15
1,42	< 5

Der Feststoffgehalt der den ersten Absetzbehälter verlassenden Suspension war 260 g/Liter und nach dem zweiten Absetzbehälter 5450 g/Liter. Die Menge des gemäß der USA-Patentschrift 33 80 947 hergestellten Polyelektrolyts war 350 g/Tonne trockene Feststoffe in der behandelten Suspension. Der Polyelektrolyt wurde in der Form einer wäßrigen Lösung von 0,5 Gew.-% Konzentration zugefügt, und 40% dieser Menge wurden teilweise in einen Mischtank gespeist, teilweise in den ersten Absetzbehälter 4, 60% dagegen in den zweiten Absetzbehälter. Die eingedickte Aufschlämmung wurde an Filterplatten filtriert. Der Feuchtigkeitsgehalt des Filterkuchens betrug 27,5 Gew.-%, und dieses Produkt kann im Kessel eines Kraftwerks verbrannt werden.

Claims

Patentansprüche: 25

1. Verfahren zur Entwässerung von feinverteilte ausflockbare Mineralfeststoffe enthaltenden wäßrigen Suspensionen, der;n Teilchengröße nicht größer als 30 Mikron ist, wobei das spezifische Gewicht der Feststoffe zwischen etwa 1,5 und 3,2 g/ml liegt, durch Behandeln der wäßrigen Suspension mit einem Polyelektrolyt, dessen Molekulargewicht zwischen 10 000 und 10 000 000 liegt, auf die Weise, daß die Suspension unter energischem Rühren mit der wäßrigen Lösung des Polyelektrolyts zusammengebracht, die behandelte Suspension in kontinuierlichem Strom in eine erste Absetzzone geleitet, die obere Wasserphase abgetrennt und die abgesetzte Phase in eine zweite Absetzzone geleitet wird, wobei eine weitere Menge Polyelektrolyt der Suspension zugefügt wird, sowie die abgesetzte Phase durch Druckfiltration, Vakuumfiltration oder durch Zentrifugieren entwässert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zu Beginn der Feststoffgehalt der Suspension mit Wasser auf einen Wert verdünnt wird, der niedriger ist als derjenige der Kompressionszone,

b) als Polyelektrolyt ein amphoterer Polyelektrolyt verwendet wird,

c) der abgesetzten Phase in der ersten Absetzzone eine weitere Menge Polyelektrolyt bis zur Erhöhung der Strukturviskosität der abgesetzten Phase auf mindestens 10 000 Centipoise bei laminarer Strömung der Suspension zugefügt wird,

d) die Strukturviskosität der abgesetzten Phase nach der Abtrennung der oberen Wasserphase ^J5 mittels mechanischer Energie auf nicht mehr als 2000 Centipoise vermindert wird und weitere Wassermengen abgetrennt werden und

e) der pH-Wert der in der zweiten Absetzzone abgesetzten Phase durch Zugabe von Kalk auf Werte zwischen 10 und 12 eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffgehalt der Suspension mit Wasser auf einen Feststoffgehalt zwischen 2 und 5 Gew.-% verdünnt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyelektrolyt ein Acrylamid-Natriumacrylat-Copolymer mit einem Molekulargewicht zwischen 2 000 000 und 5 000 000 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyelektrolyt ein Kettenpolymer mit einem Molekulargewicht von mehr als 100 000 ist, an dessen Ssitenketten sich funktioneile Gruppen befinden und die Molkohäsion jeder funktionellen Gruppe zwischen 9 und 13 koal je Mol liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung des Polyelektrolyts in Mengen zwischen etwa 10 mg/kg Feststoffgehalt bis etwa 1500 mg/kg Feststoffgehalt zugefügt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 40 bis 60 Gew.-% der ganzen Polyelektrolytmenge in der ersten Absetzzone der Suspension, die restliche Menge dagegen in der zweiten Absetzzone zugefügt werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwässerung von feinverteilte, ausflockbare Mineralfeststoffe enthaltenden wäßrigen Suspensionen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Aufarbeitung von Kohle oder Mineralien und dergleichen und bei der Abwasserreinigung fällt schwerbehandelbarer Schlamm an, dessen Lagerung und Entwässerung problematisch ist. Zum Entwässern des feinen Schlammes wurden schon diskontinuierlich oder kontinuierlich arbeitende Filterpressen verwendet, jedoch sind Investitionsaufwand und Betriebskosten der Filterpressen sehr hoch, so daß sehr große Schlammengen mit Filterpressen wegen der hohen Kosten nicht entwässert werden können. Bei Feinschlämmeri, deren Teilchengröße unter etwa 30 μΐη liegt, bindet der Schlamm wegen seiner großen spezifischen Oberfläche bedeutende Mengen Wasser. Bei leichter entwässerbaren Schlämmen kann man vor dem Entwässern durch Zugabe von hochpolymeren Substanzen, wie Polyacrylamiden, eine Verdichtung bewirken. Durch den Zusatz von Polyacrylamid wird zwar die Filterleistung positiv beeinflußt, häufig wird jedoch der Feuchtigkeitsgehalt des Filterkuchens durch den Chemikalienzusatz noch erhöht.

In der US-PS 33 98 093 ist ein zweistufiges Verfahren zum Abtrennen von Feststoffen aus Flüssigkeiten bekannt Dabei läßt man eine Suspension zunächst in einem ersten Abscheider absitzen. Der nur noch geringe Mengen Feststoffe enthaltende Überlauf wird in ein zweites Absetzbecken geführt und dort werden Chemikalien zugesetzt, um im wesentlichen den ganzen restlichen Feststoffgehalt abzutrennen. Die abgetrennten Feststoffe werden dann einer Zentrifuge zugeführt, und dort wird nach Zugabe von weiteren Chemikalien die Entwässerung der Feststoffe vorgenommen.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-AS 11 19 826 bekannt. Bei diesem Verfahren, bei dem Feststoffe aus anorganischen Suspensionen durch Ausfällen mit hochmolekularen Flockungsmitteln entfernt werden, kommt es darauf an, daß man der Suspension nur so viel Flockungsmittel zugibt, daß sie gerade noch geflockt wird, worauf man dann den abgesetzten Feststoffen nochmals etwa die gleiche Menge Flockungsmittel zugibt, um eine weitere Entwässerung der abgesetzten Feststoffe zu bewirken. Der so ausgeflockte Schlamm wird dann in einer Zentrifuge oder Filtereinrichtung entwässert.

Die Entwässerung von hochkonzentrierten Ausgangssuspensionen, deren Teilchen sehr dicht nebeneinander liegen und eine zusammenhängende Schicht, die sogenannte Kompressionszone, bilden, ist bei diesem Stand der Technik nicht angesprochen.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu zeigen, welches auch für die genannten hochkonzentrierten Ausgangssuspensionen kontinuierlich und mit geringem Zeit- und Materialaufwand wirksam arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebenen Verfahren gelöst.

Die Erfindung bedient sich in mehreren Verfahrensschritten an sich bekannter Maßnahmen.

Die erste Stufe beruht auf der Erkenntnis, daß die an der Grenze der Kompressionszone in größerer Konzentration vorliegenden suspendierten Stoffe wegen des Abstützens der Teilchen miteinander nicht zu einem Flockulat verbunden und als solches abgesetzt werden können. Vielmehr müssen diese Schlämme unter