DE69613241T2

DE69613241T2 - Thermalplasmareaktor und abwasserbehandlungsmethode

Info

Publication number: DE69613241T2
Application number: DE69613241T
Authority: DE
Inventors: Luc Bernier; I. Boulos; Luc Fortin; Vijay Kasireddy; M. Kimmerle; Gervais Soucy
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: BR9612101A; ATE201862T1; DE69613241D1; ES2157471T3; EP0874782B1; WO1997022556A1; GR3036493T3; EP0874782A1; CA2240283C; AU715144B2; AU1090797A; US6187206B1; CA2240283A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft thermische Reaktorsysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung thermische Reaktorsysteme, die ein oder mehrere vorzugsweise eingetauchte Energiequellen einsetzen, und Verfahren zum Behandeln von Abwasser unter Verwendung solcher thermischer Reaktorsysteme.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Behandlung von industriellen Abwasserströmen stellt zahlreiche schwierige Herausforderungen dar, einschließlich des effizienten und wirkungsvollen Abbaus von gelösten Verbindungen oder Ionen und/oder organischen Materialien mit minimaler Investition und mit minimaler Beeinträchtigung der industriellen Effizienz und der Produktion. Mit anderen Worten, die Behandlungen, die oftmals durch Regierungsstatuten oder Vorschriften beauftragt werden, müssen effektiven Gebrauch von Energie, Arbeitskraft, Kapital und anderen Resourcen machen, während das zurückkehrende Abwasser, das entsorgt oder recycelt werden muss, akzeptable Mengen von Kontaminierungen enthält.
Das US-Patent Nr. 5 470 559, ausgestellt am 28. November 1995 (Grolman et al.), das dem gleichen Anmelder wie die vorliegende Erfindung übertragen wurde, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Recyceln von verbrauchten Auskleidungen von Aluminiumreduktionszellen, die gebräuchlich als verbrauchte Behälterauskleidungen (SPL) genannt werden. Die Behälterauskleidungen, zusammengesetzt vorwiegend aus Kohlenstoff, feuerfestem Normalstein und Kryolith, enthalten Fluor, Aluminiumoxid und Natrium neben freien und komplexen Cyaniden. Das Verfahren beinhaltet das Schleifen von verbrauchtem Behälterauskleidungsmaterial zu einem Pulver und Behandeln des Pulvers mit wäßrigem Natriumhydroxid, um eine wässrige Masse zu produzieren. Die wässrige Masse wird in feste und flüssige Bestandteile getrennt; die Flüssigkeit wird anschließend verdünnt (falls notwendig), um eine Lösung herzustellen, welche die Cyanide oder komplexen Cyanidionen enthalten, die geeignet für den Cyanidabbau und die Natriumfluorkristallisation sind.
Das US-Patent Nr. 5 160 637, ausgestellt am 3. November 1992 (Bell et al.), das ebenfalls dem gleichen Anmelder als die vorliegende Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln und Abbau von Cyaniden und Ferrocyaniden, die im Abwasser enthalten sind, resultierend aus der Umkehrung von Aluminiumoxid in Aluminiummetall. Das Patent offenbart einen vertikalen, rohrförmigen Reaktor, in welchem das Abwasser unter Wärme und Druck behandelt wird. In einigen Anwendungen können Cyanide und Ferrocyanide wirkungsvoll unter Verwendung von hohen Drücken und Temperaturen, wie in jenem Patent offenbart wurde, abgebaut werden. Die Ausrüstung, die notwendig ist zum Ausführen des Verfahrens, ist jedoch beim Kauf und Installieren sehr teuer und verbraucht beträchtliche Mengen an Energie, um die Temperaturen und Drücke, die darin nützlich sind, zu erreichen. Entsprechend würde ein weniger teures System zum Erreichen desselben Zieles wünschenswert sein.
Die europäische Patentanmeldung 469 737 A2, veröffentlicht am 5. Februar 1992 im Namen der Tioxide Group Services Limited, offenbart ein Abbauverfahren, in welchem chemischer Abfall in Sauerstoff unter Verwendung einer elektrischen Plasmaflamme verbrannt wird, um einen Gasstrom zu erwärmen, welcher mindestens 70 Gew.-% Sauerstoff enthält. Flüssiger Abfall in Form von Tröpfchen wird in den Gasstrom über eine zwei Flüssigkeiten enthaltende Sprühvorrichtung eingeführt.
Das US-Patent 3 051 639, welches am 28. August 1962 ausgestellt wurde, und welches der Union Carbide Corporation übertragen wurde, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausführen von chemischen Reaktionen, insbesondere der Umwandlung von Flüssigkeiten oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen in Acetylen. Das Verfahren beinhaltet das Erzeugen eines Stroms aus heißem Bogengas durch einen wandstabilisierten, elektrischen Bogen, und das Einführen von gasförmigem oder flüssigem Kohlenwasserstoff in den Strom, oder der Strom ist in ein relativ großes Volumen aus flüssigem Kohlenwasserstoff gerichtet.
Das US-Patent 4 438 706, welches ausgestellt wurde am 27. März 1984, und welches der Villamosipari Kutato Intezet übertragen wurde, offenbart ein Verfahren und eine Ausrüstung zum Abbauen von flüssigem Abfall, der organische Materialien enthält, die durch ein Plasmaverfahren verdampft werden können. Das Verfahren beinhaltet das Herstellen eines Plasmas, Herstellen eines Plasmabrenners an einem Ende eines Reaktors, Einführen des Abfalls in dampfförmigen Zustand und des Sauerstoffes in den Brenner zur Wechselwirkung mit dem Reaktor und das Ausgeben der Endprodukte aus dem Reaktor. Der Reaktor ist ein doppelwandiges Rohr, wobei die innere Wand perforiert ist, um den Durchfluss von Luft in den Reaktionsbereich zu ermöglichen.
Das deutsche Patent DE 44 40 813 A1, welches veröffentlicht wurde am 18. Mai 1995 und der Fraunhofer-Gesellschaft zur Forderung der angewandten Forschung e.V. übertragen wurde, offenbart ein Verfahren zum Behandeln von Flüssigkeiten, einschließlich Flüssigkeiten, die Cyanide enthalten. Die Flüssigkeit wird in einem Entladungsbereich zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden, die mit Wechselstrom versorgt werden, gehalten. Mikroentladefäden werden in dem Entladungsbereich gebildet, die sich von der flüssigen Oberfläche zur gegenüberliegenden Elektrode verlängern. Das Verfahren zerstört gefährliche Materie im Abwasser und wandelt sie in ungefährliche Verbindungen um.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten thermischen Reaktor bereitzustellen, der in der Lage ist, Abwasser und andere Flüssigkeiten zu behandeln.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Reaktorsystem bereitzustellen, das geeignet ist zum Behandeln von Abwasser, das verbrauchte Auskleidungslauge einschließlich Cyanide und Cyanidkomplexen, wie z. B. Ferrocyanide und andere unerwünschte Verunreinigungen, enthält.
Es ist ferner eine Aufgabe, ein thermisches Reaktorsystem bereitzustellen, das geeignet ist zum Behandeln von Abwasser, wie z. B. verbrauchter Bayer-Verfahrensflüssigkeit, welches Abwasser erwärmt, um die Flüssigkeit zu verdampfen und zu konzentrieren, wobei Niederschlag von darin gelösten Verbindungen und der Abbau von darin enthaltenen organischen Materialien verursacht wird.
Die vorangegangenen Nachteile des Standes der Technik sind überkommen, und die Aufgaben werden erzielt durch Bereitstellung einer Vorrichtung für die Behandlung von Abwasserlösungen, die Cyanide und/oder gelöste organische Materialien enthalten, mit einem Speicherbehälter für die Abwasserlösung, und einem Plasmabrenner zum Richten eines Plasmaenergiestrahls in den Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Saugrohr, Eduktorrohr oder Venturirohr enthält, das ein Reaktorrohr mit offenem Ende bildet, das innerhalb des Behälters gestellt ist, so dass das Reaktorrohr mit offenem Ende unterhalb der Oberfläche des Speichers eingetaucht ist, was ermöglicht, dass Abwasserlösung zwischen dem Speicherbehälter und dem Inneren des Reaktorrohres zirkuliert, der Plasmabrenner in den Speicher eingetaucht und gestellt ist angrenzend an einen Eingang des Reaktorrohres mit offenem Ende, so dass der Plasmaenergiestrahl von dem Brenner in das Innere des Rohres mit offenem Ende gerichtet ist.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren bereitgestellt zum Behandeln von wässrigen Abwasserlösungen, die Cyanid und/oder gelöste organische Materialien enthalten, mit Richten eines Plasmaenergiestrahls von einem Plasmabrenner in einen Behälter, der einen Vorrat von Abwasserlösungen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Saugrohr, Eduktorrohr oder Venturirohr, das ein längliches Reaktorrohr mit offenem Ende bildet, eingetaucht ist unterhalb der Oberfläche des Vorrats in dem Behälter, wodurch Abwasserlösung zwischen dem Vorrat innerhalb des Behälters und dem Inneren des Reaktorrohres zirkuliert, und der Plasmabrenner in dem Vorrat eingetaucht ist und der Plasmaenergiestrahl in das Reaktorrohr mit offenem Ende von einer Position, angrenzend an einen Eingang eines Reaktorrohres mit offenem Ende, gerichtet ist.
Hohe Energie wird erzeugt in dem Rohr von einer geeigneten Quelle, vorzugsweise angrenzend an den Einlass des länglichen Rohres, so dass die Flüssigkeit an der Quelle vorbeifließt und daraus Energie absorbieren kann. Die hohe Energie ist vorzugsweise ein Plasma (ein Gemisch von Elektronen, Ionen und neutralen Teilchen), z. B. ein thermisches Plasma mit Temperaturen, die 4000ºC übersteigen, das erzeugt wird durch einen Bogenstoß zwischen Elektroden oder durch Induktion. Ein Gleichstrom (DC) Plasmabrenner wird bevorzugt innerhalb eines Leistungsbereichs von bis zu 2 MW und einer Effizienz von bis zu 90% bei atmosphärischem Druck betrieben.
Während die Energie innerhalb des Reaktorrohres für den direkten Kontakt mit dem Abwasser erzeugt werden sollte, kann die Energiequelle oder Generator (z. B. ein Plasmabrenner) selbst teilweise oder vollständig außerhalb des Reaktorrohres positioniert sein, vorausgesetzt, sie richtet die Energie in das Rohr. Die Energiequelle ist vorzugsweise in die Abwasserlösung eingetaucht.
Das längliche Reaktorrohr kann z. B. ein Saugrohr, ein Eduktorrohr oder ein Venturirohr sein. Was nun kommt sind Definitionen der Begriffe "Saug"-, "Eduktor"- und "Venturi"- Rohre, wie hierin verwendet:

Saugrohr:

In einem Saugrohr wird die Energie des Strahles auf die Flüssigkeit übertragen und drängt die Flüssigkeit von dem Strahl weg. Hier tritt das Primärhochgeschwindigkeitsgas des Strahles an eine Stelle an der Rohrachse und beim Mischen mit der Sekundärniedergeschwindigkeitflüssigkeit überträgt es einen anfänglichen Impuls. In einer Ausführungsform dieser Erfindung nimmt jedoch das heiße Plasmagas bezüglich seines Volumens zu und überträgt das meiste seiner thermischen Energie auf die mitgeführte sekundäre Phase. Die primäre, nach oben gerichtete Kraft in dem Saugrohr wird bereitgestellt durch den Dichteunterschied zwischen dem heißen Gemisch aus Flüssigkeit und Gas in dem Saugrohr und der Kühlflüssigkeit außerhalb des Rohres. Dieser Unterschied hängt von dem Volumenteil, der von dem Gas in dem Flüssigkeits-/Gasgemisch belegt wird, ab, welches erstens von der örtlichen Temperatur und zweitens von dem Gasmassefluss bestimmt ist. Die Sekundärflüssigkeit erhält so den Impuls, um ihn zum gegenüberliegenden Ende des Rohres zu übertragen und verursacht so, dass frische Flüssigkeit in das gegenüberliegende Ende des Saugrohres eingezogen wird.

Eduktorrohr:

Ein Eduktorrohr ist ähnlich einem Saugrohr, außer dass es zusätzliche Öffnungen in den Rohrwandungen aufweist. Der Strahl verursacht, dass die Flüssigkeiten innerhalb des Rohres an das andere Ende sich bewegen und dass das so erzeugte Volumen durch Flüssigkeit gefüllt wird, das sowohl durch die Wandöffnungen als auch durch das offene Ende des Rohres eingezogen wird.

Venturirohr:

Ein Venturirohr ist ein Rohr mit einer Beschränkung bzw. Einschnürung, die sich zwischen den zwei Öffnungen befindet. Die Beschränkung kann durch Verringerung des Durchmessers in dem mittleren Bereich erzeugt werden, was zu zwei aufgeweiteten Enden abseits dem mittleren Bereich nach sich zieht. Die Venturi- oder die Beschränkung in dem Rohr verursacht eine Druckveränderung der in dem Rohr bewegten Flüssigkeit, des Weiteren eine zunehmende Vermischung und eine Vereinfachung des Eintritts von frischer Flüssigkeit an dem anderen Ende des Rohres.
Das Reaktorrohr selbst ist innerhalb eines großen Behälters oder Mantels bereitgestellt und unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit in dem Mantel eingetaucht, so dass Flüssigkeit zwischen dem Vorrat innerhalb des Mantels und dem Inneren des Reaktorrohres zirkulieren kann.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das längliche Rohr ein Saugrohrreaktor, und die Strahlungsenergiequelle ist ein eingetauchter Plasmabrenner, der sich in vertikaler Richtung in der Nähe des Flüssigkeitseinlasses des Saugrohres befindet. Das Saugrohr kann vorzugsweise einen Kopfraum mit größerem Durchmesser als derjenige Teil des Saugreaktorrohres aufweisen, in dem der Kontakt zwischen der Flüssigkeit und der Energie stattfindet (oder der Reaktormantel, der das Reaktorrohr enthält, kann solch einen vergrößerten Kopfraum bereitstellen), um die Verflüchtigung von Gasen und die Reduzierung von Turbulenzen zu ermöglichen.
Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Behandeln von Abwasser oder anderen Flüssigkeiten bereit, wie z. B. verbrauchter Behälterauskleidungslauge, indem das Abwasser durch ein längliches Rohr hindurchgeführt ist, das eine darin gestellte Quelle mit hoher Energie enthält, nämlich einen Plasmabrenner. Während das Abwasser durch das längliche Rohr angrenzend an dem Plasmabrenner hindurchgeführt wird, erwärmt der Plasmabrenner direkt und bestrahlt die Lösung und baut viele der Kontaminierungen ab. Das genaue Abbauverfahren ist unbekannt. Ohne an eine spezielle Theorie gebunden zu sein, ist man jedoch der Annahme, dass es ultraviolette Strahlung, Reaktion mit durch die Strahlung gebildeten Radikalen, thermisch ausgelöste Hydrolyse, Oxidation oder andere Mechanismen enthält. Ferner verursacht die thermische Quelle, dass die Lösung teilweise verdampft, was wiederum einen Niederschlag von anderen gelösten Verbindungen verursacht, wie z. B. Natriumfluorid und Natriumhydroxid.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, das als ein Teil eines Systems zur Behandlung von verbrauchter Behälterauskleidungslauge gezeigt ist;
Fig. 2 ist eine schematische Zeichnung eines Querschnitts eines Wärmereaktors, der zur Verwendung in dem System der Fig. 1 geeignet ist, einschließlich eines Plasmabrenners zum Ausführen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3(A) ist eine schematische Querschnittsansicht einer Saugrohreinrichtung, welche die Anordnung von Drosseln in dem Saugrohr des Reaktors darstellt;
Fig. 3(B) ist ein horizontaler Querschnitt der Einrichtung der Fig. 3 entlang der Linie B-B der Fig. 3(A);
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Filmreaktors, der in dem Vergleichsbeispiel 1 diskutierten Versuch verwendet wurde;
Fig. 5(A) und 5(B) sind schematische Querschnittsansichten des Reaktors zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung, die alternative Durchmesser für das Saugrohr zeigen;
Fig. 6 ist eine weitere schematische Querschnittsansicht eines Saugrohrreaktors mit einem erweiterten oberen Abschnitt zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine weitere schematische Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung, die mögliche alternative Anordnungen des Saug-, Eduktor-, Venturirohres und Plasmabrenners zeigen;
Fig. 8 ist eine anschauliche Darstellung des Verhältnisses der Cyanid-Konzentration am Anfang und am Ende, die logarithmisch gegen die Zeit nach Erreichen der Behandlungstemperatur aufgetragen ist (die Reaktionskonstanten (K) für die verschiedenen Tests sind in der Zeichnung gezeigt);
Fig. 9(A) und 9(B) sind Zeichnungen, die die gesamte Cyanidkonzentration als eine Funktion der Behandlungszeit und den Logarithmus -ln(C/Co) als Funktion der Zeit zeigen, wie in Beispiel 4 erklärt;
Fig. 10(A) und 10(B) sind Zeichnungen, die den Abbau des Cyanids bzw. den Logarithmus -ln(C/Co) als Funktion der Zeit, wie in Beispiel 4 erklärt, zeigen;
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das ein System, das in den Beispielen 5 und 6 verwendet wurde, zeigt;
Fig. 12 ist ein Querschnitt eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung, der in den Beispielen 5 und 6 verwendet wurde; und
Fig. 13 ist eine Zeichnung, welche die Lichtabsorption durch die verbrauchte Bayer-Flüssigkeit vor und nach der Behandlung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESTES VERFAHREN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

In herkömmlichen Prozessen zum Erwärmen von Lösungen werden oftmals eingetauchte Heizelemente verwendet.
Unglücklicherweise verursacht die Abscheidung von festen Materialien, die sich aus der Lösung durch die Wärme niederschlagen, einen Verlust der Effizienz des Wärmeübergangs und eine Zunahme der Betriebskosten aufgrund der erforderten, periodischen Säuberungsarbeiten. Direktes Erwärmen durch Einführen von Dampf ist in einigen Anwendungen eine Option, aber die begleitende Verdünnung der so erwärmten Flüssigkeit und die Schwierigkeit der Dampfversorgung bei sehr hohen Drücken (d. h. bis zu 250ºC bei Drücken von bis zu 2068,5 kPa (300 psig)) stellen ernsthafte Beschränkungen dar. Der Prozess der vorliegenden Erfindung löst jedoch diese Probleme durch Bereitstellung von hoher Energie, d. h. eines Plasmabrenners, die direkt auf das Abwasser selbst wirkt und darin eingetaucht ist. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass der Zweck der Plasmabestrahlung jedoch nicht nur dazu dient, einen unterschiedlichen Weg der Erwärmung der Abwasserlösung bereitzustellen, sondern dient ebenfalls dazu, die Lösung mit ultravioletter Strahlung (Oxidation wird verursacht), alkalischer Hydrolyse und Oxidation in der Gegenwart von reagierenden bzw. reaktiven Chemikalien (Katalysatoren) zu behandeln, welche umgekehrt durch die hohe Energie erzeugt worden sind. Diese reaktiven Arten können selber dazu beitragen, die unerwünschten Schmutzstoffe bzw. Kontaminierungen, die anwesend sind, zu zerstören.
Dieses Verfahren hat direkte Anwendung unter anderem in der Aluminiumindustrie, um folgendes zu erreichen:
1. Abbau von Cyaniden (z. B. von der Behandlung von verbrauchten Auskleidungen) in der Form von freien Cyaniden (CN) oder komplexen Cyaniden (Fe(CN)), um ihre Konzentrationen von 600 bis 1000 ppm auf weniger als 1 ppm zu reduzieren; und
2. Abbau von organischen Materialien (z. B. aus dem Bayer- Verfahren), die in der Form von Oxalaten, Huminsäuren und anderen organischen Verbindungen gegenwärtig sind.
In dem zweiten Fall ist die Behandlung geeignet, eine Abnahme der organischen Materie von einer Anfangskonzentration von 8- 10 g/l auf 5 g/l, eine Konzentration, die oftmals wünschenswert in Bayer-Prozessen ist, oder selbst auf weniger als 1 g/l herbeizuführen.
Die Behandlung erfordert direkten (oder zumindest nahen) Kontakt zwischen einer intensiven Strahlungsquelle, z. B. einem stationären DC-thermischen Plasmabrenner oder einem Lichtbogen, und einer sich bewegenden Flüssigkeit. Einmal mehr, ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die erwünschten chemischen Transformationen als Ergebnis von zwei grundlegenden Mechanismen erscheinen. Der erste beinhaltet einfach eine schnelle Erwärmung der Flüssigkeit unter hohem Druck (von bis zu möglicherweise 2068,5 kPa (300 psig)) bei einer Temperatur von bis zu 250ºC in der Gegenwart einer oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre, falls benötigt. Unter diesen Bedingungen hat die Oberfläche der Plasma-Wasser-Grenzfläche direkten Einfluss auf den Übertragungsmechanismus von Masse und Energie aufgrund des dabei gegenwärtigen großen thermischen Gradienten. Der zweite Mechanismus ist ein fotochemischer Effekt. Da die von dem Plasma emittierte Strahlung beträchtlich mit dem Druck zunimmt, bei welchem sie wirkt, ist es möglich, die Flüssigkeit während ihrer kurzen Verweildauer in dem Reaktor der intensiven ultravioletten Strahlung und einem hohen Temperaturgradienten auszusetzen, was die Abbaurate von Schmutzstoffen in dem Reaktor beträchtlich erhöht. Das letztere erlaubt die Destabilisierung von Oxalaten und den Abbau von anderen organischen Arten selbst bei atmosphärischem Druck, was in herkömmlichen Verfahren nicht durchführbar ist. Ebenso ist es möglich, reaktive Arten hinzuzufügen, wie z. B. Ozon, Wasserstoffperoxid oder andere Katalysatoren, wie z. B. Titandioxid, um die Rate der Destabilisierung oder Dekomposition zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von wässrigen Abwasserlösungen bereit, wie z. B. verbrauchter Bayer-Flüssigkeit oder cyanidhaltigen Flüssigkeiten unter Verwendung von Energie bei subatmosphärischen, atmosphärischen oder superatmosphärischen Drücken. Die Plasmastrahlungsquelle ist ein eingetauchtes thermisches DC-Plasma zum Bereitstellen von intensiver Wärme und ultraviolettem Licht mit einem Minimum von Plasmagas. Die Strahlungsquelle (oder Quellen) wird in ein längliches Rohr gestellt (oder gestellt, um Energie einem länglichen Rohr zuzuführen), d. h. ein Saugrohr, Venturi oder Ejektor, um die zu behandelnde Flüssigkeit eintreten zu lassen, dem Plasma auszusetzen und letztendlich die behandelte Lösung austreten zu lassen. Auf diese Weise ist die Temperatur des größten Teils der Lösungen (die das Rohr in einem Reaktormantel oder dergleichen umgeben) unterschiedlich von der Temperatur an der Grenzfläche zwischen der Strahlungsquelle und der Lösung. Ferner ist der Durchmesser des oberen Teils des Reaktorrohres (oder des Reaktormantels) vorzugsweise größer als der Hoden des Reaktors, um eine deutliche Differenz in der Geschwindigkeit des nach oben gerichteten Flüssigkeitflusses sicherzustellen, wodurch die Trennung von mitgeführten Gasen von der Flüssigkeit gefördert wird. Zusätzlich enthält der Raum in dem oberen Abschnitt mit großem Durchmesser des Reaktorrohres (oder Mantels) sowohl die Flüssigkeit als auch einen Freiraum oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit zum Sammeln von zuvor mitgeführten Gasen. Der Zweck dieses Absaugrohres, Venturi oder Ejektors ist, die Rate des Flüssigkeitsflusses vorbei am Plasma und so die Verweilzeit der Flüssigkeit in der Plasmazone zu steuern. Auf diese Weise kann die Energieübertragungsrate von dem Plasma auf die Flüssigkeit reguliert werden.
Die optimale Flussrate der Flüssigkeit nach der Plasmastrahlungsquelle wird von Fall zu Fall variieren und hängt von solchen Faktoren ab wie die der zu behandelnden Lösung, den Betriebsparametern des Plasmas (Plasmagas, Plasmaleistung, Plasmaoberflächencharakteristiken, Betriebsdruck und Temperatur) und dem hydrodynamischen Verhalten der Lösung in dem Reaktor. Ein bestimmter Bereich von geeigneten Raten kann deshalb nicht bereitgestellt werden, sondern geeignete Flussraten können in jedem besonderen Fall einfach durch Variation der Flussraten gefunden werden (z. B. durch Verwendung von Reaktionsrohren mit variierendem Durchmesser) und Bestimmung der Konzentration der verbleibenden Schmutzstoffe. Die optimale Flussrate wird die Schmutzstoffe auf einen erwünschten Pegel für eine gegebene Plasmaquelle reduzieren.
Wie oben erwähnt ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung, das von dem Plasmabrenner produzierte Plasma mit einem Rohr zu umschließen. Die Plasmaquelle selbst kann innerhalb des Rohres oder teilweise oder vollständig außerhalb liegen, vorausgesetzt, die Energie ist in das Innere des Rohres gerichtet, z. B. als ein Strahl von heißem Plasmagas, das von dem Plasmabrenner emittiert wird. Das Plasma ist ein heißes, ionisiertes Gas, welches sowohl Hitze als auch ultraviolette Energie abstrahlt, und wird vorzugsweise in der Form eines Strahles von einem Plasmabrenner produziert. Nach Verlassen des Ausganges des Plasmabrenners wird der Strahl die umgebende Flüssigkeit mitreißen und expandieren. Überdies wird Dampf nach Bestrahlen bzw. Exposition der Flüssigkeit mit der Wärmequelle produziert. Der Impuls des Strahles wird auf die umgebende Flüssigkeit, die mitgerissen wurde, übertragen. Es gibt einen gewissen Verlust an Impuls aufgrund von Turbulenzen, aber diese Effekte werden dadurch minimiert, indem der Strahl durch ein Rohr umgeben wird. Ein geeigneter Plasmabrenner zum Gebrauch in kommerziellen Prozessen ist von Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, PA, USA, erhältlich. Der Plasmabrenner stellt keine erwärmte Oberfläche bereit, die in Kontakt mit der Lösung ist, an der ein Abblättern ("scaling") vorkommen könnte. Sie erwärmt die Lösung ohne Verdünnung (wie z. B. von überhitztem Dampf), führt kein Kohlendioxid ein (wie z. B. von einer eingetauchten Flamme) oder stellt eine heiße Oberfläche bereit, an der Abblättern auftreten könnte (wie z. B. beim direkten oder indirekten Widerstandsheizen).
Der Plasmabrenner und das Rohr sind vorzugsweise vertikal ausgerichtet, wobei der Plasmabrenner an dem Boden eines Reaktors positioniert ist, angrenzend an den Eingang des Rohres. Falls erwünscht, kann der Brenner und das umgebende Rohr jedoch horizontal oder unter einem Winkel zwischen der Horizontalen und Vertikalen, wie schematisch in Fig. 7 dargestellt ist, angeordnet sein. Es kann ein einziger Brenner oder eine Mehrzahl von Brennern sein, die an verschiedenen Positionen in dem Reaktor sich befinden, wobei alle vorzugsweise unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche sind. Der Reaktor kann für den Stapelbetrieb konfiguriert sein, kann aber auch kontinuierlich betrieben werden mit einem stetigen Zufluss von Flüssigkeit an dem Boden und einem stetigen Ausfluss von behandelter Flüssigkeit von den oberen Schichten. Die Größenabmessungen des Reaktors und der Brenner können entsprechend dem Volumen des Abwassers für die Bearbeitung, der Art der darin gelösten Schmutzstoffe und den Raumbeschränkungen für den Reaktor variiert werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Durchführen der vorliegenden Erfindung kann anhand der Fig. 1 verstanden werden, welches ein schematisches Diagramm des Plasmabehandlungsabschnittes eines Prozesses und einer Vorrichtung für verbrauchte Auskleidungsbehandlungen ist (z. B. wie in dem US-Patent 5 470 559 offenbart ist). Die Flüssigkeit, die nach der Filtrierung von Festkörpern übrig bleibt, wie z. B. Kohle aus verbrauchter Auskleidungslaugenbehandlung, wird in einen Verdampfer 12 gepumpt, dem Dampf 14 hinzugeführt wird. Verbliebene, niederschlagbare Festkörper werden in einem Kristallisator 16 entfernt, und die Flüssigkeit wird zu einem Saugrohrreaktor 20 weitergeleitet, der einen Plasmabrenner 22 an seinem unteren Abschnitt aufweist. Der Plasmabrenner, der von einer Stromversorgung 24 betrieben wird, wird mit einer Argonquelle oder einem anderen Trägergas, wie z. B. Stickstoff, versorgt. Der Plasmabrenner emittiert hohe Temperaturen und Druckplasma, welches Wärme, Impuls und ultraviolette Energie auf die Flüssigkeit überträgt, die in dem Saugrohr, wie in Fig. 3, 6 und 7 gezeigt, vorbeigeführt wird, oder verwendet einen Ejektor (z. B. wie in Fig. 7 gezeigt) oder ein Venturi (wie in den Fig. 2 und 7 gezeigt). Die Wärme und die ultraviolette Energie unterstützen den Zerfall von Cyaniden und Cyanidkomplexen (oder organischen Materialien), die in der Flüssigkeit enthalten sind, während die Hitze das Verdunsten der Flüssigkeit unterstützt, so dass aufgelöste Verbindungen, wie z. B. Natriumfluorid, sich aus diesen niederschlagen können, obwohl Größenabmessungen, abhängig von der speziellen Anwendung, variiert werden können.
Nach der Behandlung in dem Saugrohrreaktor 20 wird die Flüssigkeit durch einen zweiten Verdampfer 12', der mit Dampf 14 versorgt wird, und anschließend an einen zweiten Kristallisator 16' hindurchgeführt, um verbleibende, niederschlagbare Festkörper zu entfernen. Die verbleibende Flüssigkeit wird anschließend weiterer, herkömmlicher Behandlung ausgesetzt. Es wurde festgestellt, dass die Reaktorfähigkeit zur Cyanidvernichtung unabhängig von der kaustischen Konzentration in der Lauge ist und deshalb mehrere Möglichkeiten hinsichtlich der Konzentration der Flüssigkeit vor und nach der Behandlung in dem Reaktor existieren. Zum Beispiel ist es möglich:
1. Verdunst-/Kristallisatoreinheiten 12, 16 an beiden Seiten des Reaktors bereitzustellen, wie in Fig. 1 gezeigt;
2. Verdunst-/Kristallisatoreinheiten 12, 16 nur an der Upstream-Seite des Reaktors bereitzustellen;
3. Verdunst-/Kristallisatoreinheiten 12, 16 nur an der Downstream-Seite des Reaktors bereitzustellen; oder
4. keine Verdunst-/Kristallisatoreinheiten bereitzustellen, wobei darauf vertraut wird, dass der Reaktor selbst die Flüssigkeit konzentriert.
Ein Vorteil der Anordnung 2 ist derjenige, dass der Reaktor bezüglich seiner Größe kleiner ist, da er mit einem reduzierten Flüssigkeitsvolumen zurecht kommen muss. Der Vorteil der Anordnung 4 ist es, dass die Anzahl von unabhängigen Vorgängen verringert und der gesamte Prozess vereinfacht sein kann.
Ein bevorzugter Aufbau des Plasmareaktors ist in Fig. 2 gezeigt. Laugenzufuhr 24 tritt in die Pumpe 26 ein und wird in den Reaktor 20 an dem Einlass 28 zugeführt. Es wird an dem Plasmabrenner 22 vorbeigeführt, welcher von einer Plasmagasquelle 30 versorgt wird. Das Plasmagas kann Argon, Argon-/Stickstoffgemisch, Argon-/anderes Gasgemisch oder Luft sein. Kühlwasser 32 hilft, um akzeptable Betriebstemperaturen des Plasmabrenners 22 aufrechtzuerhalten. Der Plasmabrenner 22 erzeugt einen Plasmastrahl 22a innerhalb eines Rohres 10 (in diesem Fall ist es ein Venturirohr). Der Plasmastrahl taucht in die Lauge 24 in dem Rohr 10 ein und wirkt direkt auf die Lauge, um Cyanid oder organische Konzentrationen zu reduzieren, welche gegenwärtig sein können. Die Lauge steigt in dem Rohr 10 an und tritt an dem Auslass 10a an der Oberseite aus und wird durch frische, unbehandelte Lauge ersetzt, die durch den Einlass 10a des Rohres an der Bodenseite eintritt. Eine Mehrzahl von Thermoelementen 34, die in dem Reaktorbehälter 20 befestigt sind, helfen, die Temperatur darin zu überwachen. Wird die Lauge 24 an dem Plasmabrenner 22 vorbeigeführt und tritt an dem Auslass 10a aus, so steigt sie kontinuierlich in dem Reaktor 20 an, bis sie an dem Ventil 32 austritt. Ein Pegelmessgerät 35 überwacht den Flüssigkeitspegel innerhalb des Reaktors 20. Ein wichtiges Merkmal des Reaktors ist der Kopfraum 36 oder Ausdehnungsraum, der oberhalb des Flüssigkeitspegels bereitgestellt ist, um zu ermöglichen, dass Führungsgase austreten können, wodurch Schaum reduziert wird. Die Gase treten durch einen Nebelseparator 38 hindurch und treten durch ein Ventil 39 aus. Der Reaktor ist geschützt durch ein Drucksicherheitsberstventil 41 (bzw. Stoßventil), und der Druck kann anhand eines Druckmessgerätes 42 überwacht werden.
Falls erwünscht, kann ein Teil oder die gesamte behandelte Lauge durch eine Leitung 43 zur Pumpe 26 wieder zurückgeführt werden. Ein Ablass 44 ist für die Instandsetzung und zu Reparaturzwecken bereitgestellt.
Fig. 3(A) und 3(B) stellen die Anordnung von Stützdrosseln 40 innerhalb des Saugrohres 20 dar, wenn der Gebrauch eines Saugrohres erwünscht ist. Wie oben erwähnt, kann die Anordnung eines Eduktors oder Venturis verwendet werden anstelle eines Saugrohres, wie in Fig. 7 gezeigt, und die Anordnung des Saugrohres, Venturi oder Eduktors kann entsprechend der Art der zu behandelnden Flüssigkeit und anderen Parametern variiert werden, die dem Fachmann bekannt sind, bis eine erwünschte Anordnung durch verschiedene Versuche bestimmt ist.
Die Vorrichtung, die in den Fig. 3(A) und 3(B) gezeigt ist, ist ein wenig von dem Reaktor der Fig. 2 verschieden, indem die behandelte Lauge von dem Auslass 32 entfernt wird, sondern auch von dem Auslass 32a entfernt werden kann, der sich an der Bodenseite des Reaktors befindet. Der Reaktor hat ebenfalls einen einstellbaren Deflektor zum Unterdrücken von Flüssigkeits- oder Schaumstößen. Eine Vorrichtung dieser Art kann ein Lösungsvolumen von 5,3 l, ein Nettovolumen von 3 l, einen Massefluss von 1,5 l/min und einer Verweilzeit von 2 Minuten haben.
Der folgende experimentelle Abschnitt und die Beispiele sind angegeben, um die Anwendung der Erfindung darzustellen und sollten nicht derart ausgelegt werden, um den Bereich der Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken.

EXPERIMENTELLER ABSCHNITT

Zwei Hauptkonfigurationen des Reaktors wurden in Wasser studiert, bevor mit der Arbeit mit Abwasserlösungen begonnen wurde. Der Plasmabrenner, der bei dieser Arbeit verwendet wurde, war ein Gleichstrom (DC), nicht übertragener, thermischer Plasmabrenner, der zwischen 10 und 19 Kilowatt betrieben wird, mit entweder einer wolframbeschichteten Anode oder Kupferanode.

BEISPIEL 1 (vergleichend)

Eine wichtige Betrachtung bei der Behandlung von Lösungen ist es, eine große Oberflächenfläche der Lösung zu erhalten, um sie der Wärme und der Strahlung, die von dem Brenner erzeugt wird, auszusetzen. Die ersten Versuche wurden mit einem Filmreaktor gemacht, in welchem Wasser zum Überlaufen gebracht wurde und an der Innenoberfläche des Reaktors haften blieb, wobei der Plasmabrenner in axialer Richtung in dem Reaktor befestigt war.
Der Aufbau des ersten Reaktors ist in Fig. 4 gezeigt. In dieser Ausführungsform zeigt das Reaktorrohr 10 in vertikaler Richtung, und der Plasmabrenner 22 ist von der Oberseite aus nach unten in das Reaktorrohr gerichtet. In diesem Fall gibt es keinen umgebenden Reaktormantel und Flüssigkeit wird in das Reaktorrohr durch einen tangentialen Einlass 50 eingeführt und die behandelte Flüssigkeit und Dämpfe treten durch einen zentralen, unteren Auslass 52 aus. Das Reaktorrohr verjüngt sich von oben nach unten und dies, gekoppelt mit der tangentialen Einführung der Flüssigkeit, erzeugt eine Wirbelbewegung, die hilft, um die Wände des Reaktorrohres kühl zu halten und steigert eine schnelle Behandlungsreaktion. Das Reaktorrohr ist umgeben durch einen Kühlmantel 54, der wiederum hilft, Wärme abzuführen. Die Vorrichtung, wie gezeigt, umfasst einen Plasmareaktor, welcher bei höheren Drücken (2068,5 kPa (300 psig)) betrieben werden könnte, in welchem der kontinuierliche (Gleichstrom) Plasmabrenner axial angeordnet ist. Der Brenner wurde durch Wasser gekühlt und mit zwei Gasflüssen versorgt. Das Plasmagas war im Wesentlichen Argon. Wie darauf hingewiesen ist, wurde Wasser unter hohem Druck tangential in den Reaktor eingeführt, wodurch ein Wasserfilm gebildet wird, der den Plasmabrenner umgibt. Folglich wurde das Wasser sehr schnell erwärmt und der intensiven ultravioletten Bestrahlung ausgesetzt. Der Reaktor, der eine konische Bodenseite hatte, drängte das Gemisch von eingeführtem Wasser und den resultierenden Dampf, der entsprechend den Drücken erzeugt wurde, und die Plasmagase durch ein Expansionsventil, in welchem der Druck des Gemisches schnell von 2068,5 kPa (300 psig) auf atmosphärischen Druck fällt.
Vor Betreiben des Plasmabrenners wurde eine hydrodynamische Studie des Filmreaktors bei atmosphärischem Druck gemacht, um das Verhalten des Films zu sehen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Wasserflussrate von 1 Liter/Minute nicht ausreichend war, um einen Wasserfilm über die gesamte Oberfläche des Reaktors zu erzeugen. Es war möglich, einen kontinuierlichen Film durch Zunahme der Flussrate der Flüssigkeit zu erhalten.
Modifikationen wurden deshalb durchgeführt, um die Geschwindigkeit des eintretenden Wassers durch Abnahme des Durchmessers des Zuführrohres zu erhöhen. Ein Fluss von ungefähr 2,5 l/min war erforderlich, um einen kontinuierlichen Film zu erhalten. Bei einer niedrigeren Flussrate bildete sich der Film und verschwand anschließend, bevor ein stabiler Zustand verwirklicht werden konnte. Um eine Betriebszeit von mindestens 5 Minuten mit einem vollständigen Film über die gesamte Oberfläche sicherzustellen, waren in der Tat Flussraten von 1,5, 2,0 und 2,25 l/min erforderlich, aber diese Flussraten gewährleisteten keine ausreichende Verweilzeit der Flüssigkeit innerhalb des Reaktors.

BEISPIEL 2

Der nächste Reaktor, der getestet wurde, gewährleistete einen hohen Grad an Wiederumlauf der Lösung innerhalb des Reaktors. Die Charakteristiken dieses Reaktors sind in den Fig. 5(A) und 5(B) gezeigt. Der Plasmabrenner wurde an der Bodenseite des Reaktors gestellt, wo er während des Betriebs von der Flüssigkeit innerhalb des Reaktors bedeckt ist und deswegen als ein eingetauchter Plasmabrenner bezeichnet wird. Ein Rohr mit einem offenen Ende wurde an der Stelle gestellt, an der die Plasmagase während des Betriebs aus dem Brenner austreten. Dieses Rohr stellte einen Kanal für den Wiederumlauf der Flüssigkeit um die Außenseite des Rohres bereit und ermöglichte einen konstanten Flüssigkeitsfluss, der durch die Innenseite des Rohres fließt und den Plasmagasen ausgesetzt ist. Zusätzlich gibt es Zuführungen in den Reaktor an vier Stellen anstelle nur einer einzigen. Der Plasmabrenner wurde mit Argon bei einer Leistung von 10 kW betrieben. Der Plasmabrenner wurde in mehreren Versuchen in dem leeren Reaktor gestartet, und während des Betriebs wurde der Reaktor gefüllt und der Brenner in dem "eingetauchten" Modus betrieben. Der Brenner wurde ebenfalls in dem eingetauchten Modus gestartet.
Die besten Ergebnisse wurden mit einem Saugrohr mit 5 cm (2 inches) Durchmesser erzielt (wie in Fig. 5(B) gezeigt), das einen eher gleichmäßigeren Fluss der Flüssigkeit durch die Innenseite des Rohres gewährleistete und für einen besseren Wiederumlauf sorgte. Die Höhe des Saugrohres betrug 30 cm (12 inches), um so die Kontaktzeit zwischen dem Gas und der Flüssigkeit zu erhöhen. Der Reaktormantel 20 bestand aus einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 10 cm (4 inches) und einer Höhe von ungefähr 1,5 m (5 feet). Dies sorgte für ein gutes Vermischen der Flüssigkeit und des Gases.

BEISPIEL 3

Die vorangegangene Konfiguration des Plasmareaktors ergab eine beträchtliche Menge an Schaum. Dies behinderte den Wiederumlauf der Flüssigkeit durch den Reaktor. Der Reaktor wurde deshalb modifiziert, um die Trennung des Plasmagases von der Flüssigkeit in einem Ausdehnungsraum oberhalb der oberen Oberfläche der Flüssigkeit zu ermöglichen. Dies wurde durch Zunahme des Durchmessers des oberen Teils des Reaktors verwirklicht, um für eine plötzliche Abnahme der Geschwindigkeit der nach oben fließenden Flüssigkeit zu sorgen und um einen Ausdehnungsraum oberhalb der oberen Oberfläche der Flüssigkeit bereitzustellen, in welchem das Plasmagas angesammelt wird. Die Bauweise dieses Reaktors ist schematisch in Fig. 6 gezeigt. Dieser Reaktor sorgte für eine sehr verbesserte Trennung des Gases von der Flüssigkeit und sorgte für eine beachtliche Verringerung der Menge des Gases, die mit der Flüssigkeit durch das Saugrohr zurückgeführt wurde.

BEISPIEL VON ERZIELTEN ERGEBNISSEN

Dieser Reaktor wurde betrieben mit:
- unterschiedlichen Plasmagasen, Ar und Ar plus N2;
- einer Eingangsleistung von 10 und 19 kW;
- einem Flüssigkeitsvolumen von 5,1 und 14,1 1;
- einer Konzentrationen von Natriumhydroxid von 32 und 57 g/l; und
- Cyanidkonzentrationen, die ursprünglich bei 139 und 356 ppm lagen.
Die Betriebsbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst, und die Abbaurate von Cyanid ist in Fig. 8 gezeigt als der Logarithmus des Verhältnisses von Endkonzentration (C), geteilt durch Anfangskonzentration (Co).
Die Ergebnisse zeigen, dass der Abbau von Cyanid wirkungsvoll bei allen Bedingungen war. Der Reaktor arbeitete zufriedenstellend mit Argon als Plasmagas; und ebenfalls mit einem Gemisch von Argon und Stickstoff. Kupfer kann den Wolfram als die Anode in dem Plasmabrenner, falls erwünscht, ersetzen. TABELLE 1 BETRIEBSBEDINGUNGEN

BEISPIEL 4

Ein typisches Ergebnis der Behandlung von verbrauchter Auskleidungslauge in einem Plasmareaktor ist in den Fig. 9(A) und 9(B) gezeigt. Die gesamte Cyanidkonzentration als Funktion der Behandlungszeit ist in der Fig. 9(A) gezeigt. Ein Schaubild von -ln(C/Ca) als Funktion der Zeit ist in der Fig. 9(B) gezeigt. Die exponentiellen Ergebnisse des letzteren zeigen eine Reaktion erster Ordnung hinsichtlich des Cyanidabbaus. Eine Reaktionsrate erster Ordnung wurde ebenfalls beobachtet. Bei der herkömmlichen Behandlung von verbrauchter Topfauskleidung ("spent potlining"), um Cyanidinhalte zu reduzieren, wird die Auskleidungslauge mit kaustischem bzw. ätzendem Alkali behandelt, z. B. Natriumhydroxid, und der Grad des Abbaus von Cyanid ist direkt abhängig von der Alkalikonzentration. Ein Test wurde durchgeführt, um zu sehen, ob der Cyanidabbau von verbrauchten Topfauskleidungen, die das Verfahren der Erfindung benutzen, ebenfalls von der Alkalikonzentration abhängt.
Der Einfluss der Temperatur auf den Cyanidabbau wurde ermittelt durch Vergleich der Effizienz von alkalischer Hydrolyse in einem Stapelreaktor und einem Plasmareaktor. Der Stapelreaktor war ein 2 Liter Parr-Reaktor, Modell 4542. Bei allen Experimenten wurde in beiden Reaktoren eine ähnliche verbrauchte Topfauskleidungslauge verwendet. Die Ratenkonstante für den Cyanidabbau, die bei beiden Verfahren erhalten wurde, ist in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2 Cyanidabbau-Ratenkonstante (k) in einem Parr-Reaktor (thermische Hydrolyse) und in einem Plasmareaktor (thermische Hydrolyse und Plasmaeffekt)
In einem halben Stapelmodus war die Ratenkonstante in dem Plasmareaktor um das 1,5- bis 1,7-Fache höher als bei thermischer Hydrolyse in einem Parr-Reaktor bei idealen Betriebsbedingungen. In einem Plasmareaktor wird das Cyanid durch thermische Hydrolyse und den Plasmaeffekt abgebaut. Ausgedrückt durch ein Prozentverhältniss ist thermisches zu Plasma-Verengungsverhältnis bei 100, 170 und 180ºC gleich 9 : 91, 58 : 42 bzw. 67 : 33. Diese Verbesserung ist das Ergebnis von höheren thermischen Gradienten an der Plasmaflüssigkeitsgrenzfläche und der UV-Bestrahlung. Alle diese Ergebnisse wurden erhalten, ohne die kaustische Konzentration zu verändern. Der Abbau von Cyaniden durch thermisches Plasma wurde bei atmosphärischem Druck erzielt, was zuvor als nicht durchführbar mittels herkömmlicher thermischer Hydrolyse angesehen wurde.
Experimente wurden bei atmosphärischem Druck durchgeführt, um den Effekt der kaustischen Konzentration auf die Kinematik des Cyanidabbaus zu bestimmen. Wie es anhand der Fig. 10(A) und 10(B) den Anschein hat, wird die Cyanidabbaurate nicht von der kaustischen Konzentration bei 100ºC beeinflusst. Im Gegensatz dazu hatte bei der thermischen Hydrolyse bei einer Temperatur von 100ºC die kaustische Konzentration einen bedeutenden Einfluss auf die Abbaurate, wie vorher gezeigt. Es kann daraus gefolgert werden, dass die kaustische Konzentration von 32 bis 57 g/l NaOH die Abbaurate des Cyanides in einem Plasmareaktor nicht beträchtlich verändert. Die Idealkonzentration von 60 g/l für thermische Hydrolyse wurde in dem Plasmareaktor unter diesen Bedingungen nicht beobachtet.
In Fig. 10(B) ist C die gesamte Cyanidkonzentration zu einem Zeitpunkt "t", und Co ist die anfängliche gesamte Cyanidkonzentration.
Für die folgenden Beispiele 5 und 6 wurde die in den Fig. 11 und 12 gezeigte Vorrichtung verwendet.
Das Blockdiagramm des experimentellen Aufbaus, der diese Ergebnisse produzierte, ist in Fig. 11 gezeigt. Der Aufbau wird als selbsterklärend betrachtet hinsichtlich der Beschriftungen, die in der Figur für die verschiedenen Elemente gegeben wurden. Die Bauweise und Abmessungen des Plasmareaktors sind in der Fig. 12 gezeigt. Der Gleichstromplasmabrenner stammt von der Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, USA, Modell Mark 3A. Dieser Brenner ist von 50 bis 200 kW Leistung klassifiziert und kann mit komprimierter Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon etc. betrieben werden. Der Brenner wurde in dem eingetauchten Modus betrieben. Das bedeutet, dass der Kopf des Plasmabrenners vollständig in der Flüssigkeit in dem Reaktor eingetaucht wurde. Es wurden Modifikationen bezüglich der Bauweise des Plasmabrenners durchgeführt, um einen Tauch- und Hochdruck-Betrieb zu ermöglichen. Der Brenner wurde in dem eingetauchten Modus gezündet, und die Flüssigkeit in dem Reaktor zirkuliert um die Plasmasäule. Es bestand direkter Wärmeaustausch zwischen dem Plasma und der Flüssigkeit. Die UV-Strahlung, die von dem Plasma emittiert wird, wurde von der umgebenden Flüssigkeit absorbiert. Der experimentelle Aufbau war so bestimmt, um einen Stapel- und kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen.
Der Plasmabrenner wurde mit komprimierter Luft betrieben. Dies ist bei weitem die wirtschaftlichste Art und Weise für den Betrieb des Brenners. Der Sauerstoff in der Luft hat einen bedeutenden Einfluss auf die Oxidation der organischen Verbindungen und Cyanide, während UV-Strahlung gegenwärtig ist. Die Lebenszeit der Elektrode ist bedeutend länger mit Luft als mit Argon oder Stickstoff. Die Wärmeaustauschrate von dem Plasma auf die Flüssigkeit ist ebenfalls schneller.

BEISPIEL 5 Abbau von organischen Verbindungen ("organics") und Destabilisierung von Oxalaten in der verbrauchten Bayer-Flüssigkeit

Verbrauchte Bayer-Flüssigkeit wurde für dieses Beispiel verwendet. Dies ist die Flüssigkeit, die nach dem Niederschlag von übersättigtem Aluminiumoxid übrig bleibt, auch bezeichnet als Digerieren, welches der erste Schritt in dem Bayer-Verfahren für die Extraktion von Aluminiumoxid aus Bauxit ist. Diese Flüssigkeit wird normalerweise zum Digerierungsschritt zurückgeführt, um das kaustische und gelöste Aluminiumoxid, welches noch anwesend ist, zurückzugewinnen. Die organischen Verbindungen neigen nicht nur dazu, das Aluminiumoxid zu verfärben, welches in dem Digerierungsverfahren produziert wird, sondern ihre Anwesenheit neigt auch dazu, das Verfahren selbst zu verlangsamen und es weniger kosteneffektiv zu machen.
Achtzehhn (18) Liter von verbrauchter Bayer-Flüssigkeit wurden durch thermisches Plasma mit Wechselstrom behandelt, betrieben bei 100 kW, wobei komprimierte Luft als das Plasmagas verwendet wurde. Der Reaktor wurde bei 160ºC und 6,8 Atmosphären (690 kPa) gehalten.
Der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) nahm von 7,4 g/l auf 5,9 g/l nach der Plasmabehandlung für nur 10 Minuten ab. Die Carbonat (CO&sub3;) Konzentration nahm von 22,6 g/l auf 28,1 g/l zu, welches die Oxidation der chemischen Verbindungen anzeigt. Der kritische Oxalatkonzentrations (COC) Test bewies, dass die Oxalate destabilisiert wurden. Schäumen wurde beträchtlich in der behandelten Flüssigkeit reduziert. Die Farbe der verbrauchten Bayer-Flüssigkeit wechselte von undurchsichtig Dunkelbraun nach durchsichtig Orange. Das Schaubild der Fig. 13 zeigt den Vergleich der Lichtabsorption von verschiedenen Wellenlängen in der Flüssigkeit vor und nach der Plasmabehandlung. Ein Nutzen der helleren Farbe ist derjenige, dass ein hochwertigeres Aluminiumoxid (superweißem Hydrat) aus dem Bayer-Verfahren resultiert.

BEISPIEL 6 Cyanidabbau in verbrauchter Topfauskleidungslauge (SPL)

(A) 19 Liter an verbrauchter Topfauskleidungslauge (SPL) wurden durch das thermische Plasma unter Verwendung von komprimierter Luft bei 60 kW behandelt. Der Reaktor wurde auf atmosphärischem Druck und 101ºC gehalten. Die Konzentration der gesamten Cyanide nahm von 369 ppm auf 136 ppm in 8 Minuten nach der Plasmabehandlung ab.
(B) 20 Liter an SPL-Lauge wurden durch das thermische Plasma unter Verwendung von komprimierter Luft bei 95 kW behandelt. Die Betriebsbedingungen waren 161ºC und 6,9 Atmosphären (703 kPa) in dem Reaktor. 120 ml von 30%-iger Lösung an Wasserstoffperoxid wurden zugeführt, um den Abbau der Cyanide zu erhöhen. Die gesamte Cyanidkonzentration nahm von 468 ppm auf 36 ppm in 12 Minuten ab.

Claims

1. Vorrichtung zum Behandeln von Abwasserlösungen, die Cyanide und/oder gelöstes organisches Material enthalten, mit einem Behälter zum Halten eines Vorrats an Abwasserlösung, und einem Plasmabrenner zum Richten eines Strahls von Plasmaenergie in den Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Saugrohr, ein Eduktorrohr oder Venturirohr enthält, die ein Reaktorrohr mit offenem Ende bilden, das innerhalb des Behälters gestellt ist, so dass das Reaktorrohr mit offenem Ende unterhalb der Oberfläche des Vorrats eingetaucht ist, wobei ermöglicht wird, dass Abwasserlösung zwischen dem Vorrat innerhalb des Behälters und dem Inneren des Reaktorrohres zirkuliert, und der Plasmabrenner in dem Vorrat eingetaucht ist und benachbart zu einem Eingang des Reaktorrohres mit offenem Ende gestellt ist, so dass der Strahl von Plasmaenergie von dem Brenner in das Innere des Rohres mit offenem Ende gerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner benachbart zu einem Eingang des Behälters gestellt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter rohrförmig ist und einen Ausgang und einen Eingang besitzt, und der Durchmesser des rohrförmigen Behälters benachbart des Ausganges größer als der Durchmesser des rohrförmigen Behälters benachbart des Einganges ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Behälter zusätzlich Kopfraum umfasst, um die Trennung von mitgeführten Gasen von der Abwasserlösung zu steigern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter rohrförmig ist und einen Eingang und einen Ausgang besitzt, und der Durchmesser des rohrförmigen Behälters benachbart des Ausganges im Wesentlichen der gleiche als der Durchmesser benachbart des Einganges ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter einen Raum umfasst, worin Gas benachbart zum Ausgang gesammelt werden kann.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner so gestellt ist, um einen Impuls auf die Abwasserlösung in dem Reaktorrohr mit offenem Ende zu übertragen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner und das Reaktorrohr mit offenem Ende beide im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Plasmabrennern und damit zusammenhängenden Saugrohren, Eduktorrohren und/oder Venturirohren, von denen jedes Reaktorrohre mit offenem Ende bilden, in dem Behälter bereitgestellt sind.

10. Verfahren zum Behandeln von wässrigen Abwasserlösungen, die Cyanide und/oder gelöstes organisches Material enthalten, mit den Schritten:

Richten eines Strahls von Plasmaenergie von einem Plasmabrenner in einen Behälter, der einen Vorrat von Abwasserlösung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Saugrohr, Eduktorrohr oder Venturirohr, die ein längliches Reaktorrohr mit offenem Ende bilden, unterhalb der Oberfläche des Vorrats in dem Behälter eingetaucht ist, um zu ermöglichen, dass Abwasserlösung zwischen dem Vorrat innerhalb des Behälters und dem Inneren des Reaktorrohres zirkulieren kann, und der Plasmabrenner in den Vorrat eingetaucht ist und der Strahl von Plasmaenergie in das Reaktorrohr mit offenem Ende von einer Stelle, benachbart zu einem Eingang des Reaktorrohres mit offenem Ende, gerichtet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter rohrförmig ist und mit einem Eingang und einem Ausgang versehen ist, und der Durchmesser des rohrförmigen Behälters von dem Eingang des Behälters zu dem Ausgang zunimmt, und Abwasser in dem rohrförmigen Behälter vorbei an dem Plasmabrenner nach oben fließt und den rohrförmigen Behälter mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als bei Eintritt in den rohrförmigen Behälter verlässt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl, der von dem Plasmabrenner emittiert wird, Impuls auf das Abwasser, das durch das Innere des Reaktorrohres mit offenem Ende hindurchtritt, überträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Plasmabrenner als auch das längliche Reaktorrohr mit offenem Ende im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind und Abwasserlösung veranlasst wird, das Reaktorrohr mit offenem Ende in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zu durchfließen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Abwasserlösung Cyanidionen darin enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasserlösung, die durch den Behälter hindurchtritt, eine cyanidhaltige Lösung ist, die von der Behandlung von Topfauskleidungen erhalten wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11, 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Abwasserlösung metallische Salze, die darin gelöst sind, enthält, und wobei das Verfahren Verdampfen von Wasser aus der Lösung in dem Behälter umfasst.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasserlösung konzentriert ist und einem Niederschlag ermöglicht wird, aus dieser vor Durchtreten des Abwassers durch den Behälter zu kristallisieren.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasserlösung konzentriert ist und einem Niederschlag ermöglicht wird, aus dieser nach Hindurchtreten durch den Behälter zu kristallisieren.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasserlösung, die durch den Behälter hindurchgetreten ist, eine Lösung ist, die gelöstes organisches Material enthält, das aus dem Betrieb des Bayer-Verfahrens erhalten ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung konzentriert ist und einem superweißen Aluminiumoxidhydrat ermöglicht ist, aus dieser nach Hindurchtreten durch den Behälter zu kristallisieren.