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DE2854679A1 - Verfahren und vorrichtung zur rohstoff-, insbesondere urangewinnung aus natuerlichen waessern, insbesondere aus dem meer - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur rohstoff-, insbesondere urangewinnung aus natuerlichen waessern, insbesondere aus dem meer

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DE2854679A1
DE2854679A1 DE19782854679 DE2854679A DE2854679A1 DE 2854679 A1 DE2854679 A1 DE 2854679A1 DE 19782854679 DE19782854679 DE 19782854679 DE 2854679 A DE2854679 A DE 2854679A DE 2854679 A1 DE2854679 A1 DE 2854679A1
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water
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Dieter Dr Heitkamp
Peter Dr Inden
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Kernforschungsanlage Juelich GmbH
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Publication date
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Priority to FR7930841A priority patent/FR2444791A1/fr
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Description

2854673
üiit Lasahränkler
und Vorrichtung sur Xioh^loff-, inabecc niere TJrar.^eΑ'ίηηαα^ aus na-tlL:lich.eri Väsaerri, incttGundeie au« Jem Moor
Dis ürfiudung besieht üicla auf ein Verfahren <:ar Rohstoff-, insbesondere Urangewinnung aus natürlichen Vässern, insbesondere aus den Meer, duroh Anreicherung an Trägerkörpern sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene.
Meerwasser enthält, eine Reihe wirtschaftlich, bedeutsamer Rohstoffe, wie beispielsweise Metalle, wie Uran, Kupfer, Zinn, Silber u.a., in gelöster Forin. Obwohl i-ie meist nur in sehr geringen Konzentrationen vorkouiiuen, stellen sie in Anbetracht der gewaltigen Wasssermengen der Ozeane ein großes Vorratspotential dar. Uran beispielsweise ist im Meerwasser in einer Konzentration von durchschnittlich nur 2,3 ppb enthalten. Dennoch ist der Uranvorrat der 'Weltmeere etwa um den Paktor größer «ls die nach heutigen Schätzungen aus bekannten terrestrischen Vorkommen zugängliche Menge.
Grundsätzlich wird davon ausgegangen, daß zur Rohstoffgewinnung Meerwasser in kontinuierlichem Durchlauf mit Festkörpern in Kontakt gebracht werden muß, die eine Anreicherungsfähigkeit für den im Meerwasser gelösten Rohstoff aufweisen wie spezielle Adsorber oder Ionenaustauscher. Die meisten gelösten Rohstoffe wie
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.tuch das als Karbonatkomplex vorliegende Uran Bind - mit nur geringen örtlichen Konzentrationsuntereohieien - relativ gleichmäßig über das Meerwasser verteilt und können somit an irgendeiner für zweckmäßig gehaltenen Stelle gewonnen werden. Die außerordentlich geringen Konzentrationen stellen jedoch für ein technisches Gewinnungsverfahren ein erhebliches Hindernis dar. oehr große Meerwassermengen müssen mit dem Adsorber kontaktiert werden, um eine wirtschaftlich intessante Rohstoff menge gewinnen zu können. Im Falle der Urenge-
winnung etwa werden pro Tag für eine Tonne Uran ca. l(r m Meerwasser benötigt.
Es sind eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen worden, anreicherungsfähige Festkörper nit großen Wassermengen ir. KoiiLai-it ^u bringen.
Nach einen, von Atomic Research Establishment, Harwell, 13C3 vorgeschlagenen Verfahren (Davies, R.V. et al. Nataj-e (London) 203 (1964) HlC) wird in einen Staudamm ein adsorptiv wirkendes Festbett (e.B. eine Granulatschüttung) eingelassen, das eine natürliche Bucht in der Weise teilt, daß der über eine Schleuse in die Bucht gelassene Gezeitenstrom das Adsorb0erbett im Staudamm passieren: mj.ß, um über den anderen Teil der Bucht wieder ins Meer abfließer zu können. Die dafür erforderlichen natürlichen Gegebenheiten, wie genügend großer Tidenhub und eine geeignete Form, Größe und Geologie der Bucht, finden sich nur an wenigen Stellen der Erde. Selbst wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, ist der Strömungs-
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widerstand des Festbettes derart groß, daß dies nur duroh einen entsprechend großen Bettquerschnitt ausgeglichen werden kann, lür eine Anlagenkapazifcät von etwa einer Tonne pro Tag w.ären die gigantischen Abmessungen von etwa 50 m Dammbreite und 20 km Dammlänge eiforderlioh. Dies aber würde zu schwer lösbaren Aufbereitungeproblemen und insgesamt unvertretbaren Kosten führen.
Ferner wurde die Gewinnung von Uran aus dem Kiihlwasserstrom von Kraftwerken in Betracht gezogen. Jedoch sind>die auf diese Weise zu gewinnenden Uranmengen zu geringi Ih übrigen bestehen ähnliche Wachteile wie bei den vorstehend diskutierten Gezeitenverfahren.
Naoh einöm anderen Konzept soll eine Meerwasserströmung. adsorberbesohiohtete Platten oder Bänder mit 0,1 bis 10 mm Abstand parallel zu ihren Flächen durchfließen (Japanische Patentschrift 51-67217 and G. Bettinali und P. Pantanetti, Proceedings IAEA - AG/33-4 Wien 1976) Um eine hinreichende Rohstoffabreioherung des Meerwasser a zu erzielen, brauchte man dabei mehrere hintereinandergeschaltete Platten unter Bildung eines Plattensystems mit einer Gesamtlänge von schätzungsweise bis zu 200 in. Ein wesentlicher Naohteil dieser Anordnung isü -wie beim Paatbett - der sehr hohe Strömungswiderstand. Das gilt natürlich auoh dann, wenn die Platten zur Verbesserung eines kontinuierlichen Adsorberaustausches durch endlose Bänder ersetzt werden (US-Patentschrift 3763049)· Infolge der hohen auftretenden Wasserdrücke
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bestehen darüber hinaus erhebliche Belfestigungsprobleine sowie die Gefahr, daß die Platten oder Bänder in Vibration geraten und beschädigt werden oder ankommen, was zum Abrieb des Adsorbers führt.
Schließlich wurde ein Fließbett-Verfahren in Erwägung gezogen, bei dem ein langes Adsorberbett von unten her von Meerwasser durchströmt und das Adsorbergranulat aufgewirbelt wird. Um das Granulat im Bett zu stabilisieren, müssen die Körner durch genaue Einstellung ihrer Sinkgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit des Meeres in Jer Schwebe gehalten werden. Das Granulat kann dann durch Aufgabe neuer Substanz in Richtung einer Granulat-Ansaugstelle quer zur Strömungsrichtung des Meeres fließen und so kontinuierlich ausgetauscht werden. Es nru3 jedoch ein erheblicher Pumpaufwand getrieben werden, um die erforderliche Aufwärtsströmung des Meeres im Adsorberbett zu erreichen. Bei der Ausnutzung natürlicher Meeresströmungen unter Umlenkung in eine senkrecht nach oben gerichtete Flußrichtung bereiten sowohl Strömungskontrolle und Bettstabilisierung als auch die notwendige Verankerung gegen die erheblichen Staukräfte des fließenden Wassers große Schwierigkeiten. Nachteilig iüt weiterhin, daß infolge der durch gegenseitigen Abrieb verursachten Verkleinerung der Teilchengröße des Granulats und damit seiner Sinkgeschwindigkeit ein Teil des Adsorbers weggespült wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnung von Rohstoffen aus natürlichen Gewässern, insbesondere Meerwasser, vorzusehen, bei dem auch sehr
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große Wassermengen riit anreioherungsfähigen Festkörpern mit möglichst geringem technischen "ufwand in kontinuierlicher Arbeitsweise kontaktiert v/erden können, wobei unter Vermeidung bisheriger Verfahrensnaohte^'le einerseits ein ungehinderter Zutritt des Wassers zu den v/irksamen Oberflächen gewährleistet und zum anderen Staudruck und Strömungswiderstand klein gehalten werden.
o1-
Das zur Lösung der Aufgabe entwickelte erfindungsgemäPe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß nan sinkfähige Trägerkörper im freien Pail eine Wasserschicht, insbesondere eine natürliche Meeresströmung, passieren läßt, in entsprechender Tiefe aufsammelt und von dort zur Weiterverarbeitung befördert.
Die Anreicherung an den Trägerkörpern kann auf beliebige Weise erfolgen, wobei insbesondere Adsorption durch physikalische oder chemische Kräfte oder Anlagerung durch Bindung wie insbesondere Komplexbildung und Ionenaustausch zu nennen sind. Die anreicherungsaktiven Zentren sind dabei am oder im - gegebenenfalls selbst in wesentlichen aus anreicherungsaktivem Material bestehenden - Trägerkörper verhaftet, insbesondere als dünne, auf (oder in) einer für das Wasser zugänglichen Oberfläche verankerte Schicht, so daß ein Zutritt des Wassers su den anreicherungsaktiven Zentren während der Pallzeit des Körpers möglich ist.
Die Trägerkörper sollen danach eine möglichst große Oberfläche haben, und diese Oberfläche muß für das umgebende Wasser möglichst ungehindert zugänglich sein.
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Andererseits soll jedoch vermieden v/erden, daß anreiche runrrsakt j ve π Material auf mechanischem Wege durch -""hr-OT-i verlorengeht. Daher sollte eier Trägerkorper so beschaffen sein, CsP d^e rr>t arireir-herungsaktiven Zentren versehene(n) Oberfläche(n) keiner Reibung durch Kontakt nit irgendwelchen Materialien wie Fachharkörpern ausgesetzt ist beziehungsweise sind.
Tn Rnhrrr^ ^iofcr Forderung können die Trägerkörper °:i9 beliebige Form haben. Besonders zweckmäßig erscheint jedoch zur Zeit eine allgemeine Kugelform, die durch eir (J-rust von ineinandergesteckten Scheiben nder Flächen gebildet wird. Es sind aber ebenso andere Körper denkbar, die die gleichen oben erwähnten Eigenschaften aufweisen., zum Beispiel schwammartigp oder faserige Gebilde, denen gegebenenfalls eine Gitterhülle mechanische und Abriebfestigkeit verleiht.
Die Gröi?e der Körper richtet sich sowohl nach deren hydrod;7naminchen Verhalten alc auch nach ihrer Transportfcihigkeit und ihrer ¥eiterbehandlungsfähigkeit in der chemischen Anlage. Durchmesser %ron circa 10 bis 200 mm erscheinen dabei ^
Trägerkcrper der genannten Art werden gemäi? der Erfindung .in eine Meeresströmung entlassen. Ihr spezifisches Gewicht ist so eingestellt, daß sie kontrolliert sinken und so auf ihrem Weg von einem Auslaß bis zu einem Auffang genügend lange mit dem Wasser in Berührung sind, so daß eine ausreichende Anlagerung von Uran am Trägerkörper beziehungsweise seinen aktiven Zentren
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stattfinden kann. Die Trägerkörper werden dann In einer Tiefe, die von ihrer ^allrr-eit abhängig ist, (zum Beispiel von einem allgemein horizontalen Sieb oder Blech) aufgefangen und von dort zur Weiterverarbeitung durch Elution oder Aufbereitimg befördert, wie sum Beispiel zu einer an der Meeresoberfläche befindlichen chemischen Fabrik, wo sie vom angelagerten Schwermetall getrennt werden. Die vom Schwermetall befreiten Körper werden wieder zur Aufgabestelle beziehungsweise zum Auslaß transportiert. Das Verfahren arbeitet kontinuierlich.
Die Errichtung der Anlage in einer Meeresströmung ist zweckmäßig, um eine ausreichende Nachlieferung von uranreiohera Meerwasser su gewährleisten, das heißt, eine Verarmung des Meerwassers an Uran im Anreicherunge- beziehungsweise "Adsorptionsgebiet" der Anlage zu verhindern. Meeresströmungen an Küstengebieten haben Strömungsgeschwindigkeiten von teilweise weit über 1 m/s. Weit verbreitet sind Meeresströmungen von 0,5 m/s, auf die solche Anlagen zwecknri^igerweise auszulegen sind. Eine Anpassung an «jede beliebige Strömungsgeschwindigkeit ist aber leicht durch eine entsprechende Veränderung der Entfernung zwischen Auslaß und Auffang und gegebenenfalls des Trägerkörper-Auslaßtaktes möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
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.!ο- 2&5467t
Figur 1 und 2 Prinsipskizzen für eine Anlage zur Urangewinnung aus dem Meerwasser von der Seite und in Aufsicht; und
Figur 3 eine Skizze zur Erläuterung der weiter unten benutzten Symbole.
Gemäß der Figur 1 und 2 werden Trägerkörper 1 aus einem Auslaß 2 im freien Fall in eine Meeresströmung 3 entlassen. Der Auslaß 2 liegt in einer solchen Tiefe (von zum Beispiel etwa 5 Metern) unter der Wasseroberfläche, in der sich durch Yiind oder anderes verursachte Oberflächenstörungen nicht mehr auf das üblicherweise in Mittel bis etwa 50 m Tiefe konstante Dtrömungsprofil auswirken.
DiG Trägerkörper 1 werden in ihrer Fallbewegung von der Strömung abgetrieben und gelangen nach Durchlaufen einer strecke 4- in eine Auffang- und Sammeleinrichtung 5f von woaus sie in eine Förderstrecke 6 geleitet werden. Die am besten hydraulisch nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren arbeitende Förderanlage Cschematisch durch 7 angedeutet, ohne daß dadurch Lage oder Betriebsweise derselben irgendwie festgelegt werden sollen) sorgt für den Transport der "beladenen" Trägerkörper zu einer chemischen Anlage 8, in der die Weiterverarbeitung erfolgt. Die vom angelagerten Schwermetall befreiten Körper gelangen über eine leitung 9 zum Auslaß 2 zurück.
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Die im freien Fall aus dem Auslaß 2 in die Strömung entlassenen Körper 1 unterliegen praktisch keinen irregulären Einflössen, die eine Verschleppung beziehungsweise Ausbreitung der Trägerkörper verursachen würden, sondern werden ohne nennenswerte Verluste in der Auffangeinrichtung 5 aufgesammelt.
In der vorstehenden Beschreibung werden die wesentlichen Anlageteile (Trägerkörperauslaß und -auffang, Sarameleinrichtungen und Förderstrecke sowie chemische Anlage) praktisch in einer Richtung (der Strömungsrichtung) liegend gezeigt. Das wird in der Praxis für Auslaß und Auffang auch allgemein zutreffen, die Förderstrecke könnte jedoch auch zum Beispiel am Rande der Strömung liegen. (Ebenso könnte man daran denken, Teile der chemischen Anlagen im unteren Bereich der Anlage vorzusehen.)
Einen Eindruck von den möglichen Dimensionen einer solchen Anlage erhält man durch folgende Überschlagsrechnungen für ein Anlagebeispiel: Der Volumenstrom Q wird durch die Gleichung gegeben:
Q = uanr = 6,8 * 10 nr/d
1W LU.J MW
in der
Mg - die anzureichernde Uranmenge/Zeit
anr (67Okg/d);
"•Tanr - der Anre i ehe rungs gr ad (30%) und L -I]W - die Urankonzentration im Meerwasser (3,3 ppb) sind.
Für den Eintrittsquerschnitt F erhält man dann;
F = § = 15700 m2
mit s (Strömungsgeschwindigkeit des Meerwassers)= 0,5 m/s.
0-30025/0480 - i? .
Die Höhe beziehungsweise Tiefe, H, der Anlage ergibt sich aus der Sinkgeschwindigkeit, ssink, der Körper von sum Beispiel 0,08 m/s und der notwendigen Anreicherungszeit, anr, von zum Beispiel 10 min nach folgender Gleichung
H = \nx ' ssink = 50 m
Die Breite B und die Länge L der Anlage erhält man durch die folgenden Gleichungen:
B = ξ = 314 m
L = s ' \τα = 300 m.
Die Förderungsanlage am Ende der Laufstrecke L fördert die Trägerkörper an die Wasseroberfläche. Sie arbeitet am besten hydraulisch und wird nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren konzipiert, da solch eine Anlage den geringsten Konstruktionsaufwand erfordert und den geringsten Leistungsbedarf hat. !lach dem hier beschriebenen Beispiel werden circa 50000 in Trägerkörper /h gefördert. Da die Körper sich in der FSrderungsanlage nicht verkeilen dürfen, ist etwa die doppelte Wassermenge erforderlich., also 100 000 m /h. Der Leistungsbedarf errechnet sich nach:
ΛΡ = λ ' ? * w2 * L 2 cT
Mit der Annahme, daß die Förderung durch 10 Rohre mit je 1,4 m Durchmesser stattfinden soll, ergibt sich bei
* 3
einer Flrdergeschwindigkeit von V = 2,8 m /s ein theoretischer Leistungsbedarf von L^ = 80 kW. Inklusive des Pumpenwirkungsgrades von τι-,= 0,7 und des Wirkungs-
- 13 -
Q-3Q025/0A8Q
jl" ώΐ J
der "wirlücliä Lei
.,Ipr= 222 kV. Dxüö ibt
Dor Trazisport der Träüe^kj^^-.j. iux1 churiiiu^har: A
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gsführt werden.
Die erfindungsgeiiäSa Anlass arbeitet an tau ·:χ.'ji^al Atireiuheran^oLeuiL^an^C;!:, d^ oioli die ΤΤ^^^^αη^, J-j^ in die Gtrotiiang falläüJc. I-ÜXjjux.j -bfindig , tlü^Li^ criioa^rt. Dia Anl^^e- uuä 5utx'ieb,jkj^ ljü ..1-I jo^i UXo uöi ^jWSiijäoOx'iiwuox1 aii,-,Ji; dex' vjLu£,suaug ν-»i i.iix'-^Xw körp-jrii. CclilieClioli Ij1, äiv: Anlage so kjiui^iJr1Ja da.? die laiclit -verändert uad ajüör^
0-30025/0A80
BAD ORIGfNAL
Leerseite

Claims (8)

Eernforsohungsanlage Julioh Gesellschaft mit beschränkter Haftung Patentansprüche
1. Verfahren zur Rohstoff- insbesondere Urangewinnung aus natürlichen Wässern, insbesondere aus dem Meer, durch Anreicherung an Trägerkörpern, dadurch gekennzeichnet , daß man sinkfähige Trägerkörper im freien Fall eine Wassersohicht, insbesondere eine natürliche Meeresströmung, passieren läßt, in entsprechender Tiefe aufsammelt und von dort zur Weiterverarbeitung befördert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man mechanisch stabile Körper mit möglichst großer, für das Wasser frei zugänglicher, vor einem Kontakt mit Nachbarkörpern jedoch geschützter Oberfläche verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerkörper Sphäroidgerippe verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, daduroh gekennzeichnet, daß als Trägerkörper Faser- oder Fadenkörper oder Schwammkörper, insbesondere mit Gitterhülle, verwendet werden.
1.459 030025/(HSC)
ORIGINAL
_2_ 285A679
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerkörper mit Durchmessern im Bereich von etwa 10 bis 100 mm verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerkörper aus Inertmaterial, dessen geschützte Oberfläche mit einer dünnen anreicherungsfähigen Schicht überzogen ist, verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fallhöhe bis zu etwa 100 m beträgt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen unter dem Viasserspiegel liegenden Trägerkörperauslauf (2), einen am Ende des Trägerkörperweges (4) anzuordnenden Trägerkörperauffang (5) mit Sammeleinrichtungen zur Förderstrecke (6) hin und eine insbesondere hydraulisch nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren arbeitende Fördereinrichtung (7), welche die Körper über eine Weiterverarbeitungsstelle (8) zuea Auslaß (2) zurückbringt.
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030025/0410
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