Fizikai-kémiai módszerek (flotálás, koagulálás, flokkulálás)

6.4. Kémiai eljárások 6.4.1. Fizikai-kémiai módszerek (flotálás, koagulálás, flokkulálás) 6.4.1.1. A flotálás Fejezet szerzője: Dr. Bokányi Ljudmilla A flotálás, mint fizikai-kémiai alapú szétválasztási eljárás, kiemelkedő helyet foglal el: évente mintegy 2 milliárd tonna nyersanyagot dolgoznak fel világszerte flotálással. Az ércek közel 90%-át, a kibányászott feketekőszenek mintegy egyharmadát flotálják (Bokányi, 2000). A hulladékok flotációs visszanyerése napjainkban egyre nagyobb mértékű. Flotálással nyerik vissza a hasznos alkotókat a bánya- és előkészítési meddőkből, kohászati salakokból, REAgipszből és más hulladékokból. Ion- és olajflotálással tisztítják a szennyvizeket, szennyezett talajok tisztításához is alkalmazzák a flotációs eljárást. A hulladék-műanyagok fajtázása is legegyszerűbben flotálással oldható meg. A hulladékpapír festéktelenítéséhez világszerte alkalmazzák nagy sikerrel ezt az eljárást. Jövőbeli környezeti alkalmazása várhatóan egyre nagyobb ütemben fejlődik majd (Bokányi és társai, 2010). A flotálás az anyagok felületi adhéziós sajátságainak eltérésén alapuló dúsítási eljárás, amely különböző anyagok felületének a levegőhöz és vízhez való eltérő tapadásán alapul. A víz vagy levegő megtapadását a szilárd szemek felületén, a megfelelő reagensek hozzáadásával, módosítani: fokozni vagy mérsékelni lehet, sőt a szilárd szem felületének a vízhez vagy levegőhöz tapadására való hajlamát ellenkezőre is meg lehet változtatni. Légbuborékokat diszpergálva a zagyba, ezekhez hozzátapadnak a levegőhöz vonzódó (aerofil, hidrofób) anyagszemcsék és a zagy felszínére felszállnak a buborékokkal. Alkalmas reagensek hozzáadásával a buborékok nem pattannak azonnal szét, hanem hosszabb-rövidebb ideig megmaradnak a zagy felszínén, ott többékevésbé tartós habot képezve. E habba gyűjthetők szelektíven az egymásután hidrofóbbá változtatott anyagszemcsék, míg a vízhez tapadó (aerofób, hidrofil) szemek a zagyban diszpergálva maradnak. A gáz fázis anyagi minőségben való eltérésének a flotálás eredményére nincsen nagy befolyása: levegő helyett más gáz vagy akár vízgőz is lehet ez a fázis. Az anyagok flotálhatóságát azonban befolyásolhatja, ha az ásványok felülete, vagy a víz, vagy az ebben oldott reagensek és a gáz molekulák között kémiai reakció játszódik le. A folyadék fázis mindig víz, helyesebben vizes híg oldat. A víz oldó ereje és ionizáló ereje nagy. A víz molekulái hajlamosak az egymás közötti asszociálódásra és idegen ionok hidratizálására. A flotálásban többé-kevésbé hidratált ionok tapadnak az anyagszemek felületére, azt vízhártyával vonva be, de a szemcsék felületi ionjai maguk is hidratálódhatnak. Általában erőseben hidratálódnak a nagy vegyértékű és kis ionsugarú ionok. A szilárd fázist a flotálásban az anyagok felülete, és nem azok belseje, képviseli. A kristályok belső szerkezete természetesen nagymértékben meghatározza azok felületi sajátságait is. Flotáló reagensek A flotálás organikus reagensei a habképzők vagy gyűjtők, s főleg anorganikus reagensei a módosítók. A habképzők feladata a finom levegőbuborékok diszpergált állapotának biztosítása, hogy azok a folyadék belsejében ne egyesüljenek egymással, valamint a felszínre felszálló buborékok stabilizálása, hogy azok ott hosszabb-rövidebb ideig tartós habot alkossanak, amelyben a légbuborékokhoz tapadó határszöggel rendelkező (hidrofób) ásványok összegyűlnek. A gyűjtőreagensek feladata a zéró határszögű (hidrofil) anyagok felületét hidrofóbbá változtatni, vagy a kis határszögű anyagok határszögét megnövelni, hogy azok a légbuborékokkal való összetapadásra hajlamosak legyenek. A módosító reagensek feladata az

331

anyagok minél jobb szétválasztásának feltételeit biztosítani: - a habból távoltartandó anyagok hidrofiliáját fokozni, ezáltal a flotálhatóságot csökkenteni (nyomóreagensek), - a nem eléggé flotálódó vagy nyomóreagenssel előzőleg nem flotálhatóvá tett anyagokat a gyűjtőreagens adszorpcióra alkalmassá, s ezáltal flotálhatóvá tenni (aktiváló reagensek), - a zagyban jelenlevő káros ionokat kiejteni; a kiflotálandó anyagok idegen finomiszap bevonatát eltávolítani; a zagy pH-ját beszabályozni stb. Habképzők A továbbiakban a flotáláshoz használt reagenseket ismertetem részletesen; először a habképző reagenseket. A felületi feszültség igyekszik csökkenteni a felületet. A levegőben eső vízcsepp vagy a vízben lévő légbuborék gömb alakú, mert a gömb felülete a legkisebb az azonos térfogatú testek között. Két légbuborék nagyobb buborékká egyesül, mert utóbbinak kisebb a felülete, mint a két eredeti buboréknak. A buborékok a tiszta víz felszínére felszállva szétpattannak, nem képződik belőlük tartós hab, mert a hab buborékjainak felülete nagyobb, mint a sima vízfelszíné. Tiszta folyadékokból vékony hártyát létesíteni nehéz, mivel a felületi feszültség megszünteti azt. A víz felületi feszültségét csökkentő, a víz-levegő fázishatáron irányítva adszorbeálódó, heteropoláros organikus anyagok ellenben a habot vagy folyadékhártyát tartóssá tehetik. A heteropoláros molekula poláros része a vízzel jól megfér, a nem poláros részét a víz nem nedvesíti meg. A víz-levegő határfelületen adszorbeált molekulák poláros vége az oldat felé, nem poláros vége a levegő felé irányul, mert így kisebb a rendszer szabad energiája. Ha valamilyen külső erő az ilyen felületaktív anyaggal „szennyezett” folyadékhártyát széthúzza, akkor annak felületét növeli, az oldott molekulák koncentrációja a hártya felületén is, annak belsejében is csökken. A koncentráció csökkenésével a felületaktív anyagok oldatainak felületi feszültsége, tehát a hártya összehúzására irányuló erőhatás nő. Ez fordítva is igaz: ha a külső erő a hártya felületét csökkenti, a koncentráció növekszik, s a felületi feszültség csökken. A felületi feszültség változása mindig a folyadékhártya felületének növelését vagy csökkenését okozó külső erő ellen dolgozik, s az eredeti egyensúlyi állapot megőrzésére törekszik. Felületaktív anyagok oldatának felszínén ezért tartós hab lesz, és az oldat belsejében érintkező buborékok nem egyesülnek nagyobb buborékokká. A hab általában annál tartósabb lesz, minél hosszabb időre van szükség a frissen képződő felületeken a sztatikus egyensúlyi felületi feszültség eléréséhez. A habzás erőssége a habképző reagens mennyiségének növelésével kezdetben nő, egy kritikus koncentráció túllépése után azonban csökken és zéró lesz, ha az oldat telítődik a felületaktív anyaggal. Túlságosan tartós habra nincs szükség flotálásnál. A víz felületi feszültségének csökkentése a határszöget, s ezzel az anyagok flotálhatóságát is csökkenti. Ezért a flotálás során elegendő igen kis mennyiségű habképző anyaggal dolgozni, s a víz felületi feszültségét kis mennyiségben is erősen csökkentő anyagok habképzőként való alkalmazását kerülni. Az ilyen anyagok (pl. szappanok, szulfanált vagy szulfatált mosószerek, szaponin stb.) habja stabilis, de üres, nem tapad anyag a buborékokhoz. A víz felületi feszültségét (és ezzel a határszöget, az adhéziós munkát és az adhéziós erőt) csak kissé csökkentő habképzők „nem szelektívek”, ezek habjába többféle anyag bekerülhet. A víz felületi feszültségét aránylag jobban csökkentő habképzők „szelektívek”, ezek buborékjaihoz a nagy határszögű anyagok tapadnak hozzá. A leggyakoribb habképző reagensek a vízben gyengén oldódó heteropoláros szénhidrogének, amelyeknek egyetlen poláros gyöke a vízhez bír affinitással. Általában nem elektrolitok. Leggyakoribb poláros gyökként az –OH (fenol származékok, terpenalkoholok, magasabb alkoholok), de –CO (ketonok, aldehidek), -COO (észter), -COC (éter), –NH2 (amin) poláros gyökkel bíró nem elektrolit szénhidrogének is alkalmas

332

habképzők. Az elektrolitok kevésbé jó habképzők. A magasabb alkoholok (pl.: amilalkohol) jó habképzők, de az alacsonyabb alkoholok (pl.: etilalkohol) nem adnak habot, mert túl jól oldódnak vízben. A jól oldódás annak a jele, hogy molekuláik és a vízmolekulák között nagy az affinitás, s ezért ezek nem is koncentrálódnak nagy mértékben a víz-levegő határfelületén. Gyakran használt „szelektív” habképző a szénkátrány desztillációs termékeként kapható krezilsav. A leggyakoribb „nem szelektív” habképző a fenyőtűolaj. Terpentinből, vagy egyes fenyőfafajták ágainak gőzzel való desztillálása, vagy oldószerrel való extrahálása után nyerhető. E változó összetételű reagensek helyett újabban előszeretettel használnak szintetikus (6–7–8 C–atomos) alkoholokat vagy egyéb „gyári” (flotol, sapinol fedőnevű) termékeket habképzésre, amelyekkel a kívánt textúrájú hab nagyobb biztonsággal érhető el. Gyűjtőreagensek A gyűjtőreagensek feladata a kiflotálandó anyagokat megfelelő nagyságú határszöggel ellátni. Természetes flotálhatósága csakis nemionos jellegű külső felülettel rendelkező szilárd anyagoknak van, amilyenek például a szilárd szénhidrogének. A kiflotálandó anyagok felületén (teljes vagy részleges) szénhidrogén-bevonatot létesítve, azok határszögre tesznek szert és a levegőbuborékokhoz tapadnak. A gyűjtőreagensek heteropoláros szénhidrogének, amelyeknek poláros gyöke a kiflotálandó anyag felületéhez bír affinitással. A gyűjtőreagensek általában a vízben kellő mértékben oldódó organikus (heteropoláros) savak, bázisok vagy sók, tehát elektrolitok, amelyeknek ionjai irányítva, a poláros gyökükkel specifikusan (szelektíven) kapcsolódnak egyes ásványok felületéhez. Kivételesen nemionos vagy teljesen nempoláros vegyületeket (petróleumot, Diesel-olajat, szén – és fakátrányokat, kreozokat stb.) is használnak gyűjtőanyagként. A nemionos gyűjtőanyagok molekulái is ionizálódnak azonban kisebb.nagyobb mértékben tautoméria, hidrolízis vagy egyéb átalakulás révén. A nempoláros szénhidrogén olajok a hidrofób ásványokat egyformán bevonják, azaz nem szelektívek. Szén flotálásához használnak jól emulgeált nempoláros gyűjtőolajokat. Az ionos gyűjtőreagensek mellett is adagolnak kevés nempoláros olajat, szívósabb és stabilabb hab nyerése céljából. Az ionokra disszociálódó kémiai („valódi”) gyűjtőreagensek anionosak vagy kationosak aszerint, hogy a szénhidrogéncsoport melyik ionba kerül. Legelterjedtebbek az anionos gyűjtők, amelyeknek az anionja tartalmazza a szénhidrogént, tehát ez a tulajdonképpeni gyűjtőreagens, míg az organikus sav hidrogénje vagy a sókban ezt helyettesítő fém lesz a kation. A kationként disszociálódó hidrogén vagy fém a disszociálatlan molekulában oxigén atomhoz vagy kén atomhoz kapcsolódik; ez alapján oxhidril és szulfhidril vegyületeket (tiolokat) különböztetünk meg. A gyűjtőkként használttiolok között a legegyszerűbb vegyületek a merkaptánok. A C „kulcs” atomú poláros gyökkel rendelkező tiolok között a legfontosabbak az alkilgyökkel bíró ditiokarbonátok alkálifém sói, a xantátok. A xantátok vízben jól oldódnak, 10-20 % -os oldat alakjában adagolják őket, legtöbbször gyengén lúgos zagyba. Jobban elterjedtek a flotálási eljárásokban a ditiofoszfátok, illetve a ditiofoszforsavak aerofloat (vagy phosokrezol) kereskedelmi elnevezéssel. A kationos gyűjtőreagensek disszociálásakor a kation tartalmazza az organikus vegyület szénhidrogén csoportját. A legfontosabb kationos reagensek az ammóniumsók. Az ammóniából származtathatók az aminok. A kationos reagensek (aminsók) főleg a szilikátok (talk, csillám, szricit, kaolin), a kvarc, a wolframátok, molibdátok, vanadátok, arzenátok flotálásra használható. A gyűjtőreagensek kémiai és fizikai sajátságait a szénhidrogéngyök és a poláros gyök határozza meg. Az utóbbitól függ, hogy erős vagy gyenge elektrolit-e a gyűjtőanyag, azaz teljesen vagy csak kissé disszociál-e ionokra az oldatban. A gyűjtőreagensek ásványok felületén való adszorpciójára a poláros gyökök geometriai mérete is befolyással van. A gyűjtő (vagy egyéb) reagenseknek az anyagok felületén való megkötése fizikai adszorpció, kemiszorpció, vagy kémiai reakció útján történhet. A fizikai adszorpcióra a gyors reverzibilitás, a kis energia és a specifikusság hiánya jellemző. A kemiszorpciónak nagy

333

az adszorpciós energiája, valamint a reakció rendszerint specifikus és irreverzibilis (vagy csak lassan reverzibilis). A szulfidos ásványokon a xantátok vagy más tiol vegyületek kemiszorpció és/vagy kémiai reakció útján adszorbeálódnak. Oxidokon és szilikátokon viszont a gyűjtőreagensek többnyire fizikai adszorpcióval kötődnek meg, amikor is a szilárd-folyadék határréteg elektromos kettősrétegének ellenionjait képviselik. Emellett azonban kemiszorpció is felléphet. A gyűjtőreagensek, akár kemiszorpció, akár poláros, akár nempoláros (fizikai) adszorpció útján; vagy közvetlenül az anyagfelületen, vagy a felületre beépült idegen (aktiváló) ionokon, vagy az anyagfelületen szorosan kötött hidrátrétegen (hidrogénhidakkal) adszorbeálódhatnak. A pH változásával a flotáláshoz szükséges reagens mennyiség is változik, mivel a zetapotenciál nagysága is változik. Ha a zetapotenciál nő, az ellenionok (gyűjtőionok) adszorpciója is nő, tehát a zéró töltési ponttól távolodva a flotáláshoz szükséges reagens koncentráció általában csökken. Módosító reagensek A módosító reagensek (nyomóreagensek, aktiváló reagensek, egyéb feladatú reagensek) többnyire anorganikus vegyületek, amelyekkel a gyűjtőreagensek szelektivitását, a szétválasztandó anyagok szeparálásának élességét fokozni lehet. A gyűjtőhatás növelését aktiválásnak, csökkentését nyomásnak vagy dezaktiválásnak nevezzük. A flotálást zavaró ionokat el kell távolítani az oldatból, közömbösíteni kell, vagy ki kell ejteni őket, mielőtt a gyűjtőreagenst beadnánk. A nyomóreagensek hatásmechanizmusa többféle lehet: - a gyűjtőreagenssel azonos előjelű zetapotenciál létesítése (vagy növelése), - a felületen erősen adszorbeálódó ionokkal a konkurráló gyűjtőreagens kiszorítása, - a zagyban jelenlévő aktiváló ionoknak oldhatatlan vegyület alakjában való kiejtése, - az ásványfelületen a gyűjtőreagenssel nem fedett részek hidrátburkának erősítése (pl. hidrofil kolloidok adszorpciója révén). Anionos gyűjtők mellett különböző idegen anionok, kationos gyűjtők mellett különböző kationok szerepelhetnek elsősorban nyomóreagensekként, mint amelyekkel a gyűjtőionnak versenyeznie kell az ásványfelületen való adszorpcióért. Organikus hidrofil kolloidok, mint a keményítő, zselatin, gumiarabikum, proteinek stb. is használatosak a flotálásban nyomóreagensként. Ezek többnyire szabályosan ismétlődő elemekből felépülő nagy molekulák, s gyakran micellák, amelyek oldatban töltésre, valamint elektromos kettősrétegre tesznek szert. Az aktiváló reagensek az anyagok felületét a gyűjtőreagens adszorpciójára teszik alkalmassá. A hatásmechanizmus háromféle lehet: - a zetapotenciál előjelének (vagy nagyságának) a megváltoztatása, - a gyűjtőreagens adszorpcióra hajlamos idegen ionoknak a Stern-rétegbe való beépítése, - az ásványfelület gyűjtőreagenssel nem fedett részén a hidrátburok leépítése vagy gyengítése. A nyomás és aktiválás mellett egyéb feladata is lehet a módosító reagenseknek. A pH szabályozására a gyakorlatban rendszerint meszet (CaO), szódát (Na2CO3), esetlegesen marónátront (NaOH), illetve kénsavat (H2SO4), vagy kénessavat (H2SO3) adagolnak. A mész a legolcsóbb lúg, a kénsav a legolcsóbb sav. A pH szabályozásával a H+ és OHionok, vagy más ellenionok, avagy egyéb, a flotálást előnyösen vagy hátrányosan befolyásoló ionok (aktiválók, nyomók, reagensfogyasztók, flotációs mérgek stb.) meghatározott koncentrációja érhető el. A különböző anyagok, adott reagensekkel, más és más pH-nál flotálódnak a legjobban. Ha két anyag ugyanazzal a gyűjtőreagenssel flotálható, eltérhet a kritikus pH, amely mellett még flotálhatók: a felületért a gyűjtőreagenssel versengő ion más és más koncentrációjánál szorul ki a gyűjtőreagens az egyes anyagok felületéről.

334

A flotálás készülékei A flotálás műveletében a megfelelően előkezelt szilárd anyagot és vizes oldatot, vagyis a kondicionált zagyot a levegőbuborékokkal kell összehozni, illetve a levegő buborékokhoz tapadó és a vízhez tapadó szemcséket egymástól elkülönítve kell kinyerni. A flotáló készülékek olyan tartályok, amelyekben a zagynak a levegő buborékokkal való telítése, valamint a levegőhöz és vízhez tapadó szemcsék egymástól való elkülönítése végbemegy. A flotáló készülékek egyes cellák lehetnek, vagy több, azonos cella sorba kapcsolásával jöhetnek létre. A sorba kapcsolt celláknál mindegyik cella az előző cellában habtalanított zagyot kapja feladásként. A flotáló cella típusok csoportosítása a légbuborékok létesítésének módja szerint történhet. A gázbuborékoknak a zagyban való létrehozására 8 lehetséges módszer van: - kémiai reakcióval való gázképzés, - forralással történő gázképzés, - kaszkád módszer (ahol szabadon eső zagysugár ránt magával több-kevesebb levegőt), - agitációs módszer (ahol a zagyfelszín közelében forgó keverőlapát szívja be, illetve veri be a külső atmoszférából a zagyba a levegőt), - vákuum-módszer (ahol felül zárt térben létesített vákuum a normális hidrosztatikus szint fölé felemeli a zagyot, miközben abból az 1 atmoszféra nyomáson elnyelt levegő a hidrofób szemek felületén igen finom buborékok alakjában kiválik), - túlnyomásos módszer, - pneumatikus módszer (ahol a zagy fenekén kis túlnyomású levegőt fúvatnak be), alsólevegős keverőlapátos módszer (ahol a zagy fenekén forgó, s a zagyot szuszpenzióban tartó keverőlapát közelében kerül a levegő a zagyba). A következő ábra cellatípusokat szemléltet

. 6.4.1.1. ábra: Flotáló cella típusok Az A) rajz egy agitációs cellát ábrázol. A keverőtérben forgó propeller a levegőt bekeveri a zagyba, ott jól diszpergálja, és az előző cella csúcskád alakú habterében leülepedő zagyot átszívja a következő cellába. Nagy habfelülete miatt olyan nyersanyagokra célszerű ennek a készüléknek az alkalmazása, amelyekben aránylag sok a kiflotálandó rész . A B) rajz egy vákuum flotálókészüléket mutat be. A felül lezárt tartályban, annak felső csövéhez csatlakozó légszivattyú vákuumot létesít, s ez az alsó centrális csövön felszívja a tartályba a megfelelően kondicionált zagyot, s az oldott levegő a hidrofób ásványok felületén kicsapódik. A hab és a

335

meddőzagy túlfolyó éleken át megfelelő hosszúságú „barometrikus” csövekbe kerül. Az úszó habot gereblye tereli a habgyűjtő tölcsér felé. A leülepedő durvább szemcsés meddőt ugyancsak lassan forgó mechanizmussal tereli egy elvezető cső felé. A C) rajz túlnyomással dolgozó légemelős flotáló készülék elvét mutatja be. A légemelőcső alján bevezetett nagynyomású levegő egy részét a víz elnyeli (oldja), s ez a felszálló csőben a nyomáscsökkenés következtében a hidrofób ásványokon kiválik. A felszálló cső vége célszerűen tangenciálisan csatlakozhat egy hengeres cellához. E centrifugális hableválasztó edényben körbeforgó zagy gyorsan szétkülönül a tengely vonalban összegyűlő habra és a cella falánál összegyűlő meddő szemcsékre. A D) rajz a levegőnek vízben (zagyban) való diszpergálására, túlnyomással dolgozva, és a víznek oldott levegővel való gyors telítésére jól bevált injektort tüntet fel. A túlnyomásnak az ejektoros cella belsejében alkalmas fesztelenítővel való hirtelen csökkentése nagy mennyiségű, a hidrofób felületeken kiváló finom légbuborékot hoz létre, ami a makrobuborékokkal ütköző hidrofób ásványszemcsék megtapadásához szükséges időtartam nullára vagy közel nullára csökkenése következtében a teljesítményt erősen fokozza . Az E)…L) jelű rajzok pneumatikus flotálókészüléket ábrázolnak. Az E) jelű (Callow) és F) jelű (McIntosh) celák mindegyike hosszú, különálló kád, amelynek fenekén kis túlnyomású levegő porózus felületen át kerül finom buborékok alakjában a zagyba. A Callow-készülék lejtős porózus fenekét lyukasztott lemez és többszörös vászonréteg alkotja. A vászon pórusai a meddő szemcséktől gyorsan eldugulnak. Ezen a hátrányon a McIntosh készülék úgy segít, hogy a levegőt szintes fenekű kád alján lassan forgó lyukasztott csövön át vezeti a zagyba (Tarján, 1974). A G) és H) rajzok a zagy szuszpenzióban tartására a légemelő elvét alkalmazó flotálókészülékeket mutatnak. Hosszú, egyetlen cellából álló tartály felett végighúzódó légcsőből 10-15 cm-ként, 1-2,5 cm átmérőjű függőleges légvezető csövek nyúlnak közel a fenékig, a készüléken végighúzódó függőleges válaszfalak között. Itt felfelé áramlik a zagy és a levegő keveréke, s nekiütközve a hosszanti légcső alatti harangnak a levegő kisebb buborékokra diszpergálva szétfröcskölődik. A középső válaszfalakon kívül a zagy lefelé áramlik, a cella egyik végén feladott zagy tehát kettős spirális pályán halad a cella túlsó vége felé, ahol szabályozható átbukó élen ömlik át. Az I) rajz koncentrikus hengeres cellája a centrifugális erőt hasznosítja a jobb buborék diszpergálás és nagyobb teljesítmény érdekében. A zagy tangenciálisan lép be a koncentrikus hengerek közti gyűrűs térbe, s a kis túlnyomású levegő a zagybevezetés alatt öröskörül kerül a zagyba apró buborékok alakjában . A J), K), L) jelű rajzok a nagyteljesítményű ciklo-cell különböző kiviteli formáit mutatják. Ezek „lelke” egy-egy kis hengeres örvény-edény, amelybe tangenciálisan nagy sebességgel vezetik be a zagyot és tengelyirányban adagolják a levegőt. A tartály centrális alsó nyílásából ernyősen szétterülve kilépő zagy igen finoman diszpergálva tartalmazza a levegőt. Az M), N), O) jelű rajzok az alsólevegős flotálókészülékek legelterjedtebb típusait ábrázolják . FLOTÁLÁS KÖRNYEZETI ALKALMAZÁSA  Szennyezett talajok tisztítása  Meddők, salakok újrahasznosítása  Műanyagok fajta szerinti szétválasztása  Finom diszperz fémek visszanyerése  Elektronikai hulladékok visszanyerése  Maradékanyagok kezelése (pl. REA-gipsz, shredder maradékanyag, stb.)  Szennyezett vizek tisztítása (ion-flotálás).

336

Irodalom 1. Berecz E., Kirnerné K. A., Montovay T., Péter L., Raisz I., Sipos L., Szita L., Vorastz B. (2002): Kémia műszakiaknak (Nemzeti tankönyvkiadó, Budapest, 2002) 2. Tarján G.: Mineral Processing. Volume II. Akadémiai Kiadó, 1986. 2. Bokányi, L.: A flotálás alkalmazási területei a környezeti eljárástechnikában. Veszprémi Környezetvédelmi Kiállítás és Konferencia. Veszprém, 1993. március 2-11., p.112. 3. Bokányi, L.: Flotációs kutatások 80 éve a Miskolci Egyetem Eljárástechnikai Tanszékén. A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 54. kötet, p. 165184. 4. Bokányi L., Takács J., Varga T., Mádainé Ü. V., Nagy S., Paulovics J. (2010): Kutatófejlesztő munka a bioeljárástechnika és a reakciótechnika területén - A Miskolci Egyetem Közleménye; A sorozat, Bányászat, 79. Kötet (2010) 303-313. oldal HU ISSN 1417-5398 5. Bokányi, L. - Török, T.I: Metals Recycling from Aqueous Suspensions Based on Interfacial Phenomena. Proceedings of the Second Int. Conference on the Recycling of Metals. Amsterdam - the Netherlands, 19-21 October 1994, ASM International, Brussels,p.111-118. 6. Bokányi, L. - Barabás, Zs.: Finomszemcsés alumínium és réz reciklálása flotálással. BKL, Kohászat, 128.évf. 2-3.sz. 1995, p.87-90. 7. Bokányi, L. - Török, T.I.: Separation of Fine Metallic Particles Using Their Surface Properties. Gospodarka Surowcami mineralnymi. Kwartalnik. Tom 11 - Zeszyt 4. Widawnictwo CPPGSMIEPAN, Kraków, 1995. p. 447-456.

8Bokányi, L. - Török, T.I.: The Fundamentals of Metals Recycling by Flotation or Flotation Related Methods. Proceedings of the XX. Int. Mineral Proc. Congress., 21-26. September, 1997. AachenGermany, Volume 5, p. 227-236. 8. Bokányi, L. - Bauer, N.: Metals and Metal Ions Removal from Aqueous Environment by Physical-Chemical Techniques. Proceedings of microCAD’99 Int.Comp.Sci. Conference, Miskolc, 24-25 February, 1999, p. 20-25 9. Bokányi, L.: Recycling of aluminium by flotation. Global Symposium on recycling, waste treatment and clean technology REWAS’04. Volume I. Edited by I. Gaballah, B. Mishra, R. Solozabal, M. Tanaka. A Publication of The Minerals, Metals & Materials Society, Warrendale, Pennsylvania and INASMET, 2004. P. 947- 958. 10. Bokányi: L.:: Flotation of coal from aluminium smelter slag, XV Int.Coal Prep.Congr., China Univ. of Mining and Technology Press, 2006, 417-422. 11. Bokányi L: Effect of CuSO4 on surface properties and recycling flotation of copper and lead, Proceedings of XXIII Int.Mineral Prőc. Congress. Ed. Önal et al.Promed.Ad.Ageincy, Istambul, 2006, 2147-2151, 2006. 12. Sapich, G. – Weimann, K. – Berger, W. – Bokányi, L. – Adam, C.: Recovery of tellurium and indium from thin photovoltaic modules: EU Life Project RESOLVED.

337

22th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exibition. Milan, 3-7 September, 2007, Proceedings

338

6.4.1.2. A finom szemcsék és kolloid rendszerek aggregálódása koagulálással és flokkulálással Fejezet szerzője: Dr. Takács János – Dr. Bokányi Ljudmilla A finom diszperz szilárd részecskék felületén - a specifikus kémiai kölcsönhatások, a szelektív beoldódás vagy a kristályrácsban való atomok behelyettesítése miatt – felületi töltés alakul ki. Ez a töltés a folyadék-fázisban a vízmolekula dipólusai, víz-ionok, vagy a vízben oldott ionok segítségével elektromoson semlegesítődik olyan módon, hogy a semlegesítő felhő egy része oly szoros adszorpciós réteget képez, hogy az – a szilárd részecske elmozdításakor vele együtt mozdul el. E réteg a Stern-réteg, a lazábban kötődő pedig a diffúz réteg. A részecske elmozdításakor a Stern és a diffúz-réteg határán mért potenciál az elektrokinetikai, vagy zeta-potenciál (1. ábra). Az azonos felületi elektromos töltésű részecskék kölcsönösen taszítják egy mást, főképpen, ha a töltés nagysága nagy. Ha a részecskék töltése elenyészően kicsi (3-5 mV abszolút nagyság szerint), akkor a vonzó kölcsönhatás fog érvényesülni a London – van der Waals erőknek köszönthetően. Ekkor a részecskék spontán aggregálódása következik be. Ha gyorsítani szeretnénk a szilárd részecskék ülepedését, akkor csökkenteni kell azok felületi töltését, ezzel együtt az elektrosztatikus taszítási kölcsönhatásukat. A részecskék elektromos töltése lecsökkenthető az elektrolitok adagolásával. Ezt az eljárást koagulálásnak nevezzük. A Ca(OH)2 elektrolit csökkenti a szilárd részecskék felületi töltését, valamint a vízben oldott átmeneti fémek kationjait hidroxid formájában csapadékba ejti, precipitálja. Tehát a hatásmechanizmusa komplex koagulálás és precipitálás. A szintetikus, vízben oldható nagy molekulatömegű polielektrolitok térhálós szerkezettel rendelkeznek. A szilárd részecskéken való adszorpciójuk az ún. híd-mechanizmus: egyidejűleg két vagy több részecskén adszorbeál egy molekula, ezzel számottevően megnövelve a részecskék ülepedési sebességét.

6.4.1.1. ábra: A kolloidok felületi töltésének alakulása, a szemcsék között fellépő erők A szilárd szemcsék koaguláltatása több lépésben megy végbe (2. ábra). 1. Töltés semlegesítés, kicsapódás pozitív töltésű kolloiddal, mikropelyhek képzése. A koagulálószerek bejuttatása a vízbe gyors vegyszerbekeveréssel, 1-2 perc. A koaguláló

339

elektrolitok szilárd felületen való adszorpciójának következménye a finom diszperz, ill. kolloid részecskék felületi töltésének csökkenése vagy semlegesítődése. Az oldat zavarossága nő, majd csökken. A koagulálás ezen része fizikai-kémiai folyamat (Ez az úgynevezett perikinetikus koagulálás). 2. A mikro-pelyhekből nagy pelyhek kialakulása (kis pelyhek összetapadásának elősegítése) 10-30 perces lassú keveréssel. Ezzel biztosítjuk a mikropelyhek ütközését, méretük növekedését. Oldat zavarossága csökken, pelyhek mérete nő, nagy makropelyhek alakulnak ki. Kolloid lebegő anyagot tartalmazó szuszpenzió Koagulálószer

Szil. szemcsék felületi feszültségének csökkenése Stabilizálatlan szuszpenzió

Töltés sziget kialakulás, foltszerű szemcsevonzás

Kis méretű pehely képződése Erőteljesebb keverés

Pehely aprózódás az intenzív keverés hatására

Nagyobb pelyhek képződése

Polimer flokkulálászer

Makro pelyhek képződése

6.4.1.2. ábra:A finom diszperz, ill. kolloid méretű szilárd részecskék pelyhesedésének sémája A koagulálás ezen része (ortokinetikus koagulálás) fizikai-kémiai folyamat. Az erőteljesebb keverés hatására egyes pelyhek aprózódhatnak, de a keverés mértékének csökkenése, megszüntetése után a pehely részecskék újra összeállnak. 3. A koagulálás újabb lépése az adhézió, melynek során a kialakult pelyhek a vízben levő nagyon finom kolloidokat, illetve ionokat adhézióval, ill. adszorpcióval megkötik, elősegítik a víz további tisztítását. 4. A pelyhek méretének növelése polimerek, óriás molekulatömegű, hosszú szénláncú flokkulálószerek hozzáadásával biztosítható. Ezek hatásai pillanatszerűek, ennek megfelelően elegendő az áramló szennyvízbe adagolni, amelyben minimális átkeverődés elősegíti a makropelyhek, flokkok kialakulását. Ezen adalékok önállóan is alkalmazhatók a pelyhesedés elérése érdekében.

340

A vizek tisztításakor a töltés semlegesítésére elsősorban Al3+ és Fe3+ ionokat használnak. A háromértékű fémsók alkalmazásának előnye a hidrolizáló sajátságaikban is rejlik. E fémsókból vízbe adagolásukat követően pozitív töltésű közbenső termékek (polihidroxi vegyületek) képződnek. Ezek semlegesítik a kolloidok negatív töltését. A hidrolízis további szakaszában az átmeneti vegyületek fokozatosan elvesztik töltésüket és a kolloidokat szorbeálva rosszul oldódó hidroxid pelyheket alkotnak, amelyek makroszkópikus csapadék formájában kiválnak a vízből. A hidrolízist a víz változó keménysége is befolyásolja a folyamatot: 2 Al3+ +3 SO42- + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Al(OH)3 +3 CaSO4 + 6 CO2 Az aluminium sok altal megvalositott viztisztitas főbb reszfolyamatai a kovetkezők1-3 : 1. a koaguláns hidrolízise monomer és polimer egységek, valamint oldhatatlan hidroxid képződésével: Al3+ → Al(OH)2+ → Al(OH)2+ → Al(OH)3 → Al(OH)4-Al(OH)2+→ Al2(OH)44+→Al3(OH)45+→Al4(OH)8 4+→Al13O4(OH)24 7+ (az utóbbi séma csak az irodalomban fellelhető egységeket, de nem a folyamat lépcsőzetes megvalósulását ábrázolja) 2. az Al3+ és poliionok adszorpciója a negatív kolloidrészecskéken (töltés semlegesítés), 3. szerves anyagok adszorpciója a frissen kiülepített Al(OH)3 felületén, 4. a pozitív töltéselőjelű Al(OH)3 részecskék és a szennyezők negatív részecskéinek heterokoagulációja, 5. a szennyezők mechanikai befogása a növekvő Al(OH)3 üledék részecskéi között („sepregető” koaguláció). Továbbá: A vas(III)-szulfátnál pontosan ugyanez a reakció játszódik le a következő bruttó folyamat formájában: Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Fe(OH)3 +3 CaSO4 + 6 CO2 A reakció során a három pozitív töltésű fémionból semleges fémhidroxid lesz, a közbenső termékek, az ún. fém-hidroxo-komplexek ellenben pozitív töltésűek (képesek a negatív töltésű lebegő anyagok semlegesítésére, illetve azok koordinációs kémiai kötésére. Az elektrosztatikai és kémiai hatások mellett azonban még adszorpciós kötő hatás is van), sőt polimerizációra is hajlamosak. Így hosszabb láncú, vagy térhálós alakzatok képződnek, amelyeknek kisebb vagy nagyobb pozitív töltése mindaddig megmarad, míg létre nem jön az Al : OH = 3 :1 arány. A koaguláció szempontjából a vas(III)-sóknak több előnyös tulajdonságuk van, mint az alumínium-sóknak. Az Al-sók csak 5,8-7,4 pH értékek között pelyhesednek megfelelően (alatta, felette az Al-ionok oldatban maradnak), a vas-sók pedig pH = 5,5 felett jóformán felső határ nélkül használhatók, a nem megfelelő kicsapódás miatti színező hatásuk megszünése viszont csak pH > 8 értéknél biztosítható. A koagulálás akkor hatékony, ha a kezelt víz összes keménysége meghaladja az 5 nk°-ot, literenként legalább 0,5 mekv hidrogénkarbonát-iont tartalmaz. A nagyobb sótartalmú vízben könnyebb és eredményesebb a koagulálás, melyet a víz hőmérséklete, és szilárdanyag tartalma is befolyásol. A szervetlen koaguláló szerek mellett a polielektrolitok használata is nagy teret kap (nagyobb pelyhek létrehozása érdekében). Ezen készítmények közös tulajdonsága, hogy aktív funkciós

341

csoportjaik vannak, amelyek pozitív, vagy negatív jellegűek lehetnek. Használatukkal a pelyhek méretét és a növekedés sebességét lehet változtatni. A kolloid felületen a polimermolekula egy része szorbeálódik, a többi rész szabadon mozog az oldatban és újabb részecskékhez képes kötődni. Így a polimer mintegy hidat képezve a pehelyegységek között a mikropelyhek hálósodását, összekapcsolódását eredményezi.

Mikropelyhek kepződese

Makropelyhek kepződese

A képződött makropehely a fémhidroxid pelyheknél jóval nagyobb méretű, tömörebb szerkezetű, így hatékonyabb szilárd-folyadék elválasztást tesz lehetővé. A felhasznált polimer lehet lineáris vagy elágazó láncmolekula, szintetikus vagy természetes eredetű, szervetlen vagy szerves nagy molekulatömegű vegyület, disszociációra képes csoportjai szerint kationos, anionos vagy nem-ionos jellegű. A kationos polielektrolitok a vizek kolloid részecskéinek töltéssemlegesítésére közvetlenül is alkalmasak, a nem-ionosak hidrogénhidakkal, az anionosak a diffúz kettősréteg ellentétes töltésű ionjaival létesítenek szorpciós kapcsolatot. A kationos polielektrolitok alkalmazása gazdasági okok miatt a vízderítésben általában nem, csupán a szennyvíziszap kezelésében terjedt el a gyakorlatban. A polielektrolittal történő pelyhesítés nagyon gyors folyamat, egy lassú bekeverés után a folyamat pillanatszerűen lejátszódik. A szükséges fajlagos polielektrolit igény nagyságrenddel, rendekkel kisebb, mint a szervetlen koagulálószerek eset A vizoldhato polimerek adagolasakor kialakulo pelyhek un. hidkepződessel jonnek letre. A folyamat első lepese a polimerek szorpcioja a szilard reszecskek feluleten, mikropelyhek kepződese. Ezt koveti a mikropelyhek nagymeretű, jol ulepedő pelyhekke valo osszekapcsolodasa. A makromeretű pehelykepződest a polimer szerkezete teszi lehetőve. A kolloid feluleten a polimermolekula egy resze szorbealodik, a tobbi resz szabadon mozog az oldatban es ujabb reszecskekhez kepes kotődni. Igy a polimer mintegy hidat kepezve a pehelyegysegek kozott a mikropelyhek halosodasat, osszekapcsolodasat eredmenyezi. A kepződott makropehely a femhidroxid pelyheknel joval nagyobb meretű, tomorebb szerkezetű, igy hatekonyabb szilard-folyadek elvalasztast tesz lehetőve. A felhasznalt polimer lehet linearis vagy elagazo lancmolekula, szintetikus vagy termeszetes eredetű, szervetlen vagy szerves nagy molekulatomegű vegyulet, disszociaciora kepes csoportjai szerint kationos, anionos vagy nemionos jellegű. A kationos polielektrolitok a vizek kolloid reszecskeinek toltessemlegesitesere kozvetlenul is alkalmasak, a nemionosak hidrogenhidakkal, az anionosak a diffuz kettősreteg ellentetes toltesű ionjaival letesitenek szorpcios kapcsolatot. A kationos polielektrolitok alkalmazasa gazdasagi okok miatt a vizderitesben altalaban nem, csupan a szennyviziszap kezeleseben terjedt el a gyakorlatban. Az aluminium-szulfattal vegrehajtott derites hatekonysaga nemcsak polimerek alkalmazasaval fokozhato. Ismeretesek olyan eljarasok is, amelyek deritesi segedanyagokat is felhasznalnak. Ilyen segedanyag lehet pl. a homok a kepződott flokkulum fajsulyanak novelesere (Cykloflokk eljaras), vagy szorpcios tulajdonsagu adalek, mint az aktiv szenpor vagy az agyagasvanyok. Az agyagasvanyok a flokkulummeret novelese mellett a hatekonyabb szennyezőanyageltavolitast is szolgaljak. A gyakorlaton egy specialis tulajdonsagu, Naionformaju agyagasvanyt

342

tartalmazo kőzetet (Na-bentonitot) alkalmazunk segedderitőszerkent (Flygtol eljaras). Ennek a kőzetnek szemcsei jo duzzadokepesseggel, nagy fajlagos felulettel es szorpcios (ioncsere) tulajdonsagokkal rendelkeznek. A Na-bentonit a polimerrel is kemiai kolcsonhatast letesit, hasznalata a pehelymeret es a deritesi hatasfok noveleset egyarant elősegiti. Deriteskor a kőzetszemcsek vizes szuszpenzioja hasznalatos. Ujabban olyan deritőszerek is elterjedtek, melyek a haromertekű femiont szervetlen polimer formajaban tartalmazzak. Ilyen a bazikus polialuminium-klorid tipusu, Aln(OH)mCl3n-m osszegkepletű deritőszer, mely az aluminium-szulfathoz kepest szelesebb pH-tartomanyban hatekony, segedderitőszert nem igenyel, valamint a tisztitott vizben kisebb a marado aluminium-koncentracio. A koagulalas, flokkulalas folyamatai legtobb esetben jelentősen hőmerseklet es pH fuggőek. A vizben levő kolloidok toltese, egyes deritővegyszerek ionformaja egyarant pH fuggő. Pl. az Al3+ vegyuletek hidrolizisehez az optimalis pH tartomany 6 - 6,5 pH. Lenyeges szerepet jatszanak a deritőszerek alkalmazasakor a mechanikai korulmenyek is. A vegyszerek adagolasakor a vegyszert es a tisztitando vizet igen gyorsan ossze kell keverni. Ez egyreszt a vegyszer homogen eloszlatasat biztositja, masreszt azt, hogy a vegyszerek meg aktiv, reakciokepes allapotukban (pl. a polihidroxidok) reagaljanak a lebegőanyagreszecskekkel. A gyors vegyszerbekeverest kovetően a primer aggregatumok tovabbi utkozteteset, a pehelymeret noveleset lassu keveressel kell elősegiteni. A keveresi sebessegek (a folyadekban kialakulo un. sebesseggradiens) optimalis megvalasztasa mellett az alkalmazott keveresidőt is optimalni kell. (A keveresidő novelese ugyanis az aggregatumkepződes mellett az aggregatumok apritasat is eredmenyezheti.)

343

6.4..2. A komponensek szétválasztását, kinyerését szolgáló termikus eljárások: lepárlás, abszorpció, szilárd fázisú extrakció, oldatkezelési eljárások (adszorpció, precipitáció, ioncsere, folydék-folydék extrákció, elektrolízis) 6.4.2.1. A KOMPONENSEK SZELEKTÍV SZÉTVÁLASZTÁSA ÉS KINYERÉSE SZILÁRD FÁZISÚ EXTRAKCIÓVAL Fejezet szerzője: Dr. Bokányi Ljudmilla A szilárd-folyadék rendszerű extrakció egy vagy néhány komponens kinyerését jelenti szelektív oldódás következtében - pórusos szerkezetű szilárd anyagból. A kinyerendő komponens a szilárd anyag pórusaiban helyezkedik el szilárd formában vagy oldott alakban. A kinyerendő komponens fokozatosan oldódik a folyadékban, amely behatol a szilárdanyag pórusaiba, majd a szilárd fázis felületére, onnan a folyadék belsejébe diffundál. Az oldott anyag a szilárd anyag pórusiból a folyadék főtömegébe diffundál át. Szilárd anyagokból végzett extrakcióhoz vizet vagy bizonyos szervetlen, ill. szerves savak, lúgok vizes oldatait használják szelektív oldószerként, ezt kilúgzásnak is nevezik A legfontosabb oldószerek:        

Kénsav: H2SO4 Vasszulfát: Fe2(SO4)3 Sósav: HCl Nátrium-hidroxid: NaOH Ammónia: NH3 Nátrium-karbonát: Na2CO3 Nátrium-cianid: NaCN Kálium-cianid: KCN.

A hulladékkezelésben akkor alkalmazható, ha a hulladék heterogén: a környezetileg inert mátrixban diszperzióként találhatók a szennyezők. Ezek eltávolítását célozza a szilárd-fázisú extrakció. A keletkező oldat szelektív kezelésre kerül, amennyiben a szennyezőkből piaci termékek nyerhetők ki. Amennyiben a piaci termékek kinyerése nem gazdaságos, így az összes oldott szennyezőt vízben nem oldódó vegyületté alakítjuk át az alábbi koncepciónak megfelelően.

344

345

346

347

6.4.2.2. Oldatkezelés: a komponensek szelektív szétválasztása és kinyerése Fejezet szerzője: Dr. Bokányi Ljudmilla - Paulovics József A környezetvédelmi rendelkezések szennyvíz esetében az egyes szennyező ill. mérgező anyagok maximális koncentrációjával korlátozzák a kibocsátásokat. Az előírt koncentrációkat minden esetben az üzem határánál és nem közvetlenül a szennyvízkezelő után kell mérni. Más határértékek vonatkoznak a közcsatornába és mások az élővizekbe vezetett szennyvizekre (1. táblázat). 6.4.2.2.1. táblázat: Néhány szennyvíz-kibocsátási határérték [1]

KOId - kémiai oxigénigény, a szennyvíz szervesanyag tartalmára jellemző adat, de minden redukálószer (mint pl. biszulfit) feleslegét is hozzámérik (a “d” index azt jelenti, hogy dikromátos módszerrel határozzák meg, szemben az ivóvizekre előírt permanganátos módszerrel) BOI5 - biológiai oxigénigény, a szennyvíz biológiailag bontható szervesanyag tartalma SzOE - szerves oldószer extrakt, a szennyvíz olajszerő szennyezései, de a felületaktív anyagokat is részben hozzámérik. A felületkezelő üzemben keletkező szennyvizek esetén a hagyományos szennyvízkezelés – a legegyszerűbb esetben – a szennyvíz semlegesítéséből áll. Az itt keletkező szennyvizek általában az 6.4.2.2.1. táblázatban felsorolt szennyező anyagokat tartalmazhatják. Galvánüzemek szennyvizeiben természetesen előfordulnak a galvanizálással felvitt fém ionjai, valamint egyes horganyfürdőkben ammóniumionok, a munkadarabok alapanyagának (vas, réz, horgany, stb.) ionjai, savak és lúgok, a felületről eltávolított zsírok és olajok, a zsírtalanításhoz használt mosószerek, valamint a galvanizálás adalékanyagainak szervesanyagai. Találhatók a szennyvízben továbbá cianidos fürdők alkalmazásakor cianidionok, szulfátos fürdőknél (nikkel, egyes réz- és ónfürdők esetében) szulfátionok, bizonyos pácoldatokban vagy krómfürdőkben fluoridionok, egyes zsírtalanítókban a 348

szennyvízkezelésre káros komplexképzők, a kémiai réz- vagy nikkelfürdőkben szintén komplexképzők [1]. Nagyobb galvánüzemekben, ahol ezen szennyezők többsége előfordul, a szennyvízkezelés igen bonyolult folyamat, több részre bontva, többnyire a hígabb és a töményebb oldatokat is elválasztva végzik a kezelést. Alapvető szempont, hogy a cianidos szennyvizeket soha nem szabad összekeverni a savas vizekkel, mert az a rendkívül mérgező cián-hidrogéngáz felszabadulásával jár. A hagyományos szennyvízkezelés azon az elven alapul, hogy a különböző szennyvizeket egy helyen összegyűjtik, és ezt követően kezdik el a mérgező anyagok eltávolítását (csővég technika). A megoldás legnagyobb előnye az egyszerűségében van. Gyakran előnyös, hogy a különböző helyről érkező szennyvizek egymást részben semlegesítik, és így kevesebb vegyszert kell felhasználni. Az öblítővizek kezelésére alkalmazott módszer, hogy azokat összegyűjtik, semlegesítik, a kiváló fém-hidroxid csapadékot ülepítik, kiszűrik, majd deponálják, sem műszakilag, sem környezetvédelmi szempontból nem tekinthető az ELT-nek. Már az 1980-ban megjelent magyar műszaki irányelvben (MI-05 22.690-80) több fémvisszanyerési lehetőséget vázolnak. Világszerte számos műszaki megoldást dolgoztak ki az öblítővizekből a fém kinyerésére az ioncserétől a bepárláson, a cementáláson, a dialízisen, a fordított ozmózison, keresztül az elektrolízisig [1]. A határértékek betartásához szükséges legfontosabb (nehéz)fém eltávolító és/vagy visszanyerő eljárások a fémkiejtés, ioncsere, oldószeres extrakció és membráneljárások (1. ábra).

6.4.2.2.1. ábra: Legfontosabb oldattisztító (nehézfém eltávolító) eljárások 6.4.2.2.2.1 Fémkiejtés A fémkiejtés az a hidromettalurgiai művelet, amellyel az oldatban lévő fémeket szilárd fázis alakjában ejtik ki. A kiejtéshez az szükséges, hogy az oldat az illető anyagra nézve túltelített legyen. A telítettségi, ill. túltelítettségi állapotot az alábbiak szerint lehet elérni: az oldott ionok vegyértékének megváltoztatásával (redukció); rosszul oldódó vegyületeket képző ionok adagolásával; az oldat egy részének elpárologtatásával, ill. a hőmérsékletének csökkentésével. A gyakorlat szempontjából az is fontos, hogy az oldatból kiváló szilárd fázis jól ülepedő, szűrhető és mosható legyen, emellett szemnagyságát a továbbfelhasználásnak megfelelően szabályozni lehessen. A fémkiejtésre használatos eljárások két csoportba oszthatók. Az elsőbe azok tartoznak, amelyekkel a fémet színállapotban lehet kiejteni. A másik csoportba tartozó eljárásokkal fémvegyület nyerhető [3].

349

6.4.2.2.2.3.1 Fém kiejtése elemi alakban Oldatból a fémet elemi alakban redukcióval, cementálással, nyomás alatti redukcióval és elektrolízissel lehet kiejteni. 6.4.2.2.2.3.1.1 Cementálás A cementálás redukciós folyamat, amelynek során az oldott fém ionjait egy másik, nálánál kevésbé nemes (negatívabb elektródpotenciálú) fémmel redukáljuk. A folyamatot leíró általános reakcióból is látható, hogy a cementálás olyan redoxifolyamat, amelyben a cementálószer (M) a redukáló anyag. A cementálás feltételeként az elektródpotenciálokra levezetett eMe>eM egyenlőtlenség teljesülése esetén a fém gyakorlatilag teljesen kiejthető. A cementálás feltétele, hogy

A cementálás az oldat és a beadott szilárd cementálószer érintkező határfelületén folyik. A cementálószer (M) felületét a leváló fém vékony rétegben bevonja, körülötte a tapadó folyadékfilmben pedig a kiejtett fém koncentrációja csökken. A cementálás akkor folytatódik, ha a diffúzió elszállítja a tapadó folyadékrétegből a kiejtés során oldatba ment fém ionjait (Mm+), az oldatban lévő, kiejteni kívánt fém ionjai (Men+) pedig a tapadó folyadékrétegen (l vastagságú) és a fémburkon át a cementálószerhez diffundálnak (2. ábra).

6.4.2.2.2. ábra: Fémionok útja cementáláskor [I] A cementálás sebességét tehát a diffúzió határozza meg. A cementálás sebessége növelhető a diffúziós együttható (hőmérséklet), az érintkező felület (aprítási fok), koncentrációkülönbség növelésével és a tapadóréteg vastagságának csökkentésével (Fick I. törvénye) [3]. 6.4.2.2.2.3.1.2 Nyomás alatti redukció Vizes oldatból a fémeket nyomás alatti redukcióval is ki lehet ejteni. Redukálószer valamilyen gáz, általában hidrogén, de szén-monoxid, kén-dioxid, ill. ezek keveréke is számításba jöhet.

350

Lejátszódó folyamatokat a következő egyenletek szemléltetik:

A nyomás alatti redukció vizes oldat esetén cementálásnak is felfogható, amely során a cementálószer a redukáló gáz. Feltétele (csakúgy, mint a cementálásnál), hogy a redukálószer elektródpotenciálja negatívabb legyen a kiejteni kívánt féménél (hidrogén esetén ). A 3. ábrából kiolvasható, hogy a réz nyomás alatt hidrogénnel könnyen redukálható, a nikkelt és a kobaltot is meghatározott pH- és koncentrációtartományban különösebb nehézség nélkül ki lehet ejteni, a cinket azonban a gyakorlatban előállítható nyomás alatt hidrogénnel vizes oldatból nem lehet redukálni.

6.4.2.2.3. ábra: A hidrogén és néhány fém elektródpotenciáljának változása az ionkoncentrációval[I] A gyakorlatban a rezet kénsavas oldatból 115-140 °C-on, ammóniát is tartalmazó oldatból nikkellel és kobalttal együtt 175 – 200 °C hőmérsékleten, 2,5 MPa hidrogén parciólis nyomáson redukálják. Nyomás alatti redukcióval igen tiszta, finomszerkezetű, egyenletes szemnagyságú fémporokat lehet előállítani, amit a porkohászat alapanyagaként használnak fel. Az eljárás további előnye, hogy több fémiont tartalmazó oldatból a fémek elektródpotenciáljuknak

351

megfelelően egymás után redukálhatók, így megfelelő technológiával viszonylag szennyezett oldatból is szelektíven ejthetők ki [3]. 6.4.2.2.2.3.1.3 Elektrolízis A fémeket vizes oldatból elemi állapotban napjainkban elsősorban elektrolízissel ejtik ki. Fémek elektrolitos kiejtése elsősorban a réz-, cink-, nikkel-, kadmium-, mangán-, ezüst-, antimonkohászatban terjedt el, de más fémek metallurgiájában is számításba jöhet. Az elektrolízis az elektrometallurgiai eljárások közé tartozik, melyek során az energia kémiai és elektromos formái átalakulnak, eközben munkát végeznek. Az átalakulás az ún. elektrokémiai rendszerben játszódik le, amelynek fontosabb összetevői: Elektrolit: reagáló anyagok, továbbá ionizált, ill. az ionizációban résztvevő anyagok, amelyek az elektromos áram áthaladását biztosítják (egy vagy több anyag vizes oldata vagy olvadéka). Elektródok: két, az elektrolitba merülő fémdarab, amelyek az elektronok átadását biztosítják a külső áramkör és az elektrolit között (anód és katód). Külső áramkör: fémes vezető, amely az elektródokat köti össze és biztosítja közöttük az áram áthaladását. Azt az elektrokémiai rendszert, amely a benne végbemenő kémiai átalakulások révén elektromos energiát termel, galvánelemnek (kémiai áramforrásnak) nevezik. Elektrolízisről akkor beszélünk, ha valamely elektorkémia rendszerben külső elektromos energia hatására kémiai átalakulás megy végbe (4. ábra).

6.4.2.2.4. ábra: Elektrolízis szemléltetése [II] A gyakorlatban azt a folyamatot nevezzük elektrolízisnek, amelynél elektromos energia segítségével fémet választanak le. Fémek elektrolitos kiejtése esetén a cél az oldatban levő fém leválasztása a katódon, ezért oldhatatlan anóddal elektrolizálnak. Az anódnak olyan anyagból kell készülnie, amely jól vezeti az áramot, ellenáll az elektrolit korrodáló hatásának, kicsi rajta a fejlődő gáz túlfeszültsége és aránylag olcsó. Szulfátos elektrolitból elsősorban ólomanóddal elektrolizálnak, amelyet szilárdsága növelésére esetenként 1% ezüsttel vagy antimonnal ötvöznek. Egyes üzemekben magnetitból vagy chilex-ből (réz-szilícium-ötvözet), újabban titánból készült anódot használnak. Kloridos elektrolitból grafit-, újabban titánanóddal elektrolizálnak, mert ellenállnak az anódon felszabaduló klór korrodáló hatásának, és a klór kis túlfeszültséggel válik le rajtuk. A katód legtöbbször a leválasztani kívánt fém. Ha a fém könnyen oldódik az elektrolitban, nagy hidrogén-túlfeszültséget kell biztosítani, esetleg a fém nagy értéke miatt más anyagból készült katódot használhatnak. Így pl. a mangánt saválló acélkatódra választják le, a cinket alumíniumkatódra elektrolizálják, az ezüst elektrolízisére használatos BalbachThum- eljárásnál grafit a katód kiinduló anyaga. 352

A katód anyagának megválasztásakor a felsoroltakon kívül egyéb szempontok is szerepet játszhatnak, pl. lehet a fém tovább-feldolgozását elősegítő katódot választani. Így ha az aranyat, ezüstöt cianidos oldatból elektrolizálják, célszerűen ólomkatódot használnak. Továbbfeldolgozás során a nemesfémeket ugyanis ólommal összeolvasztva finomítják. Az erősen negatív elektródpotenciálú fémeket gyakran amalgámkatóddal elektrolizálják, ezen ugyanis nagy a hidrogén-túlfeszültség. A hidromettalurgiai műveletekből származó oldat (elektrolit) legtöbbször szulfátos, mivel a kénsav olcsó és a legtöbb fém oxidja jól oldódik benne. Szulfátos oldatból elektrolizálják pl. a rezet, nikkelt, cinket, mangánt. Kloridos oldatból ritkábban elektrolizálnak, egyrészt mert a sósav drága, másrészt mert elektrolízis közben az anódon klór fejlődik, melynek összegyűjtéséről gondoskodni kell. Ezért zárt kivitelű, általában drága kádakban lehet csak elektrolizálni. A nemesfémeket sokszor cianidos, az antimont pedig nátrium-szulfidos oldatból elektrolizálják. Az elektrolithoz különféle pótlékokat, így elektromos vezetést javító, pH-t szabályozó és szerkezetet finomító pótlékokat kell adni. Az elektrolitot az értékes fémet tartalmazó érc lúgzásával állítják elő. A lúgzásból származó oldat az értékes fém mellett különféle szennyezőt tartalmazhat, amelyeket elektrolízis előtt el kell távolítani vagy ártalmatlanná kell tenni. Pozitív elektródpotenciálú fémek esetében a fémleválasztás feltétele akkor is biztosítható, ha a szennyezőket nem távolítják el egészen. Természetesen ilyenkor arról is gondoskodni kell, hogy a szennyezők mennyisége a körforgásban levő oldatba megengedhető határértéket ne lépje túl. Ezért az oldat egy részét időnként vagy folyamatosan kivezetik a rendszerből, és kiejtik a benne levő szennyezéseket. Az oldatból annyit kell elszedni, amennyinek a szennyezőfém-tartalma egyenlő a lúgzás közben oldódó szennyező mennyiségével. A körforgásban levő oldat szennyezőit így a kívánt határérték alatt lehet tartani [3]. A kromátok redukciója során is a legkedvezőbb megoldásnak az elektrokémiai redukció látszik, ahol semmilyen vegyszer adagolására nincs szükség, semmilyen többlet só, vagy iszap nem keletkezik. Grafitelektródok használatakor nem kell különválasztani a katód- és anódtereket, mert ekkor a króm(III)ionok visszaoxidációjának mértéke igen kicsi. Az eljárást mindezek ellenére lényegében nem alkalmazzák [1]. 6.4.2.2.2.3.2 Fém kiejtése vegyület alakban Fémeket vegyület alakban vizes oldatokból rosszul oldódó só alakjában, továbbá adszorpció vagy kristályosítás révén lehet kiejteni. 6.4.2.2.2.3.2.1 Fémkiejtés rosszul oldódó só alakban A fém kiejtésének egyik igen hatékony módja, hogy az oldatba adott idegen fajtájú anion vagy az oldat pH-ját megváltoztató vegyület révén az értékes fém ionját vízben rosszul oldódó sóvá alakítják át. Megfelelően választott vegyülettel a fémnek az oldhatóság mértékét meghaladó mennyisége szelektíven kiejthető. A fémeket általában oxid, hidroxid, karbonát, szulfid, szulfát, normálsó, bázikus só alakjában ejtik ki. Az adott vegyület oldhatósága lényeges szempont, hiszen ez határozza meg elsősorban a fémeltávolítás hatékonyságát [3]. Ipari területeken a szulfidos-kicsapatásnak kicsi a jelentősége, habár itt érhető el a legkisebb oldott fémtartalom, és a kicsapatás komplexképzők jelenlétében is lehetséges. A kis jelentőség oka az alkalmazott kicsapatószerek (kénhidrogén, nátrium-szulfid) magas toxicitása. A kénhidrogén alkalmazásánál további intézkedések is szükségesek a szagemisszió

353

csökkentésére. A fémfeldolgozó iparban előforduló szennyvizek túlnyomórészt savas kémhatásúak, és ezért bázikus anyagokkal semlegesítik azokat. Ehhez általában nátronlúgot, mésztejet és szódát alkalmaznak. A nehézfémek hidroxidként vagy nehezen oldódó bázikus sókként csapódnak ki (függ a jelenlévő anionoktól és azok koncentrációjától) [4]. A szennyvíz semlegesítésekor gondosan meg kell választani az adott fémek leválasztáshoz szükséges optimális pH-t. Nem eléggé lúgosított szennyvízben egyes fémionok még nem válnak ki, túlzottan lúgos oldathoz esetleg felesleges vegyszert adagoltunk, de egyes fémionok ott már oldatba is mehetnek. A semlegesítés a nehézfémionok eltávolításának is általános módja, mivel a semlegeshez közeli pH-tartományban a fémionokból fém-hidroxidok lesznek, amik rosszul oldódnak, és az oldatból csapadékként kiválnak [1]. A finom, kolloid méretű hidroxid-csapadékok jobb ülepíthetősége érdekében flokkuláló szereket (makromolekuláris polimereket) alkalmaznak. Az organikusan szennyezett hidroxidcsapadékok jelentősen megnehezítik azonban az újrafelhasználhatóságot. Komplexképzők jelenléte a szennyvízben jelentős hatásfok csökkenést eredményez, mivel ilyenkor a fémionok komplexformában vannak és nem csapódnak ki hidroxidként [2]. A fémionok optimális eltávolításához azonban nem éppen a semleges, azaz 7-es pH a legkedvezőbb, mert azok többsége nem itt oldódik a legkevésbé. Egyes fémionok (pl. vas, réz, nikkel, kadmium) oldhatósága folyamatosan csökken a pH növekedésével, más fémionok (pl. króm, cink, ón) azonban savas közegben oldhatók, a pH növekedésekor oldhatóságuk csökken, majd – amennyiben a semlegesítést nátrium- vagy kálium-hidroxiddal végezzük – egy minimum elérése után ismét egyre jobban oldódnak. Néhány fémion oldhatóságának változását a pH-tól mutatja be az 5. ábra (az ábrán vastag vonalakkal jelöltük a 204/2001. (X. 26.) Korm. rendelet szerint közcsatornába vezethető koncentrációkat, élővízbe vezetéskor ennél általában alacsonyabb koncentrációkat engednek meg).

6.4.2.2.5. ábra: Fémionok oldhatóságának pH függése [III]

354

Az ábra nátrium-hidroxiddal végzett semlegesítésnél mutatja az oldhatóságokat és abban az esetben, ha híg, csupán a kérdéses fém kationjait tartalmazó oldatból választják le a csapadékot. Amennyiben más nehézfémek, esetleg semleges sók vannak az oldatban, akkor az itt bemutatott oldhatóságok akár többszörösükre, esetleg töredékükre is változhatnak. Ezen elméletinek mondható ábra azonban mégis többnyire jól használható, elsősorban a minimális pH-k, illetve az egyes fémionok egymáshoz való viszonyai szempontjából [1]. Amennyiben a semlegesítést mésztejjel végzik, akkor a króm és cinkionok lúgos oldatban sem kezdenek ismét oldódni, a minimum után csak minimális növekedés tapasztalható. Nagy előnye a karbonátos-kicsapatásnak a hidroxidos-kicsapatással szemben, hogy ugyanaz az eltávolítási hatásfok az ólom és kadmium esetében már 2-es pH értéknél könnyen elérhető. A keletkezett csapadék ülepíthetősége lényegesen jobb, mint a fémhidroxidoké, és jobb a szűrhetősége is. A végkoncentráció hasonló képen a kicsapatás előtti koncentrációtól függ. Laborkísérletekben galvánipari szennyvíznél 1-10 mg/l-es koncentráció érhető el [2]. Ezzel szemben, ha a krómionok semlegesítését szódával végzik, akkor a pH = 7 körüli minimális oldhatóság több mint 10 mg/l-re nő és ezt követően meredeken növekszik. A galvánüzemekben a szennyvizek általában savasak, ezért lúgoldattal kell semlegesíteni. Erre a célra nátrium-hidroxid oldatot vagy mésztejet használnak. Az előbbinek a kezelése lényegesen egyszerűbb, jobban elkeverhető. A mésztej olcsóbb, azonban használatakor sokkal több iszap keletkezik, aminek elhelyezési költsége általában meghaladja a vegyszer árával megtakarított összeget. Bizonyos esetekben, mint szulfátos vizek, élővízbe vezetett cink és krómionok, a káros anyagok lényegesen jobban eltávolíthatók mésztejes semlegesítéssel, ezért mégis ezt alkalmazzák. Üzemi méretekben a semlegesítést szakaszos vagy folyamatos üzemmódban lehet végezni. Az elsőt kisebb, a másodikat nagyobb mennyiségű (~1 m3/h) szennyvíz kezelésekor szokták használni [1]. 6.4.2.2.2.3.2.2 Fémkiejtés adszorpcióval A vas és alumínium hidrolízisének a gyakorlatban lényeges szerepe van. A vas már viszonylag kis pH-nál hidrolizál, ilyenkor nagyon finom, kolloidális, Fe(OH)3*xH2O összetételű csapadék keletkezik, amely nagy fajlagos felülete miatt jelentős mennyiségű fémiont adszorbeál. Így adszorbeálja az arzént, antimont, ónt, germániumot, tellúrt, és ezeket az ionokat a hidrolízis előrehaladásával, a csapadék koagulálásakor magába zárja. Ilyen módon, elegendő vas esetén a felsorolt és hasonló tulajdonságú elemeket el lehet távolítani az oldatból. A vashoz hasonlóan viselkedik az alumínium is, hatása azonban lényegesen gyengébb [3]. 6.4.2.2.2.3.2.3 Fémkiejtés kristályosítással Kristályosítás során az oldat koncentrációjának és hőmérsékletének változtatásával a kiejteni kívánt fémsóra nézve túltelített oldatot állítunk elő, amelyből a fémvegyület kikristályosodik. A kristályosodás magok, kristályosodási középpontok képződésével kezdődik és további új magok keletkezésével, ill. a már meglévők növekedésével folytatódik. A két folyamat egymáshoz viszonyított sebessége határozza meg a keletkező kristályok méretét. Nagy kristályok akkor keletkeznek, ha a kis sebességgel keletkező magok nagy sebességgel növekedhetnek, ha pedig a kristályok képződésének a sebessége a nagyobb a növekedésük sebességénél, apró kristályok kiválása várható. A kristálymagok képződésének sebességét a hőmérséklet, a keverés módja, a hűtés sebessége, továbbá az oldott anyagok minősége és mennyisége befolyásolja. Nagy a magok

355

képződésének sebessége, ha gyors a hűtés, intenzív a keverés, nagy a hőmérséklet, kicsi a kristályosodó anyag molekulatömege és sok idegen fajtájú mag van jelen. A kristályok növekedésének a sebessége annál nagyobb, minél nagyobb a kristályosodási középponttal közvetlenül érintkező folyadékrétegben, az ún. tapadórétegben a kristályosodó anyag pillanatnyi koncentrációja (ct) a telítettségi koncentrációnál (c0). A Δc = ct – c0 koncentrációkülönbség adott rendszerben a hőmérséklet csökkenésével nő. Kristályosodás közben a tapadórétegben csökken a fémion koncentrációja, a kristályosodás ezért csak akkor folytatódhat, ha a diffúzió a túltelített oldatból anyagot szállít a tapadórétegbe. A kristályosodás sebességét ezért elsősorban a diffúzió sebessége határozza meg [3]. 6.4.2.2.2.2 Ioncsere Az ioncsere célja általában az, hogy valamely iont (hidrometallurgiában leggyakrabban fémiont) a vizes fázisból az ionit (szerves) fázisba átvive, onnan koncentráltabban, esetleg tisztább vagy módosított alakban nyerjék vissza ismét vizes oldatban. A művelet eredményességét legjobban a megoszló ion koncentrációjának változása mutatja. Ezért az ioncserés műveletet olyan derékszögű koordináta-rendszerben ábrázolják, melyben a változók a megoszló ion (abszolút vagy relatív) koncentráció a két fázisban [3]. Az ioncserélők vízben oldhatatlan, de duzzadó képes műgyanták, amiknek aktív csoportjaik vannak. Az ioncserélő gyanta egy aktív csoportokat tartalmazó szerves polimer, amelyből 0,5 – 1,2 mm átmérőjű gyöngyöket képeztek. A kationcserélő anyagában lévő hidrogénionok könnyen kicserélődnek az oldat más kationjaival, így a veszélyes nehézfémionok vagy a természetes vizek sótartalmát képező kalcium- és magnéziumionok megkötődnek a gyantában. Hasonlóan az anioncserélő gyanták aktív hidroxil csoportjai könnyen cserélhetők a szennyvíz anionjaival. Ha először a szennyvíz kationjait, majd az anionjait is eltávolítjuk, akkor az oldatban nem marad szervetlen só, az ilyen vizeket sótalanítottnak nevezzük [1]. A fizikai tulajdonságok lényegében a rögzített ion koncentráción, a mikroporozitáson és a makroporozitáson nyugszanak, miközben a kémiai tulajdonságokat a rögzített ion fajtája, az ellenion fajtája és a műgyantamátrix fajtája határozza meg [5]. Az ioncserélők csoportosítása az 6.4.2.2.6. ábrán látható.

6.4.2.2.6. ábra: Az ioncserélők csoportosítása [IV]

356

A műgyantamátrix a legtöbb esetben műanyag (polisztirol, polikarbonát). A leggyakrabban felhasznált aktív csoportokat illetve ioncserélő gyantákat az 2. táblázat mutatja be. Az erős savas kationcserélők általában a legproblémamentesebbek és legerőteljesebbek. A makroporózus gyanták nyomásvesztesége 2,5 bar, miközben a gélgyantáknál az 1,5 bar nyomást nem szabad túllépni. A fémfeldolgozó iparban kivétel nélkül a kation cserélők a H+-csoportot alkalmazzák. Ezek 1-14-es pH érétkeknél és 120°C-ig alkalmazhatók. Az eljárás hátránya mindenek előtt a csekély szelektivitás az alkáli- ill. alkáliföldfém-ionokkal szemben, és az irreverzibilis károsodás az olajok, tenzidek és oxidálószerek által. 6.4.2.2.2. táblázat: A leggyakrabban használt ioncserélők és tulajdonságaik [6] Az ioncserélő Az aktív Működési pH Tipikus terméknevek gyanta jellege csoport tartomány erősen savas DOWEX 50X8 -SO30-14 kationcserélő VARION KS gyengén savas AMBERLIT IRC-84 4-14 -COOkationcserélő VARION KCO erősen bázikus DOWEX 1X8 -NR3+ 0-14 anioncserélő VARION AD gyengén bázikus AMBERLIT IRA-45 -NH3+ 0-7 anioncserélő VARION ADA A gyenge savas kationcserélők ugyan nagyon magas kapacitással (1-3 meq/l nedves gyantakapacitás) rendelkeznek, de a korlátozott pH-tartomány következtében, a fémfeldolgozó iparban kevés a jelentősége, kiváltképpen a gyenge szelektivitása miatt. A végső tisztítási lépcsőként többnyire szelektívcserélőt (pl. kelátképzőt) alkalmaznak. Ez ugyan nem rendelkezik nagy kapacitással, de ellenionok jelenlétében is képes specifikusan fémionokat megkötni. A nehézfém megkötés nagy stabilitása miatt kétszer annyi regenerálószer (legtöbbször HCl) szükséges a regeneráláskor [4]. A cianidionokat tartalmazó szennyvizeket is elvben hozzá lehet keverni a többi szennyvízhez, az anioncserélő oszlop megköti a cianidionokat is, de feltétlenül ügyelni kell arra, hogy a cianidionokat tartalmazó vizek csak lúgos vagy legfeljebb semleges vizekkel találkozhatnak. Komplex vegyületek, mint például cianidok jelenlétében figyelemmel kell lenni arra, hogy a nehézfémionok általában komplex anionokat képeznek és a kationcserélő gyanta nem minden esetben tudja megbontani ezeket, így előfordul, hogy azok az anioncserélőn kötődnek meg. Az anioncserélő gyanta a kromátionokat szintén megköti, azonban általában nem érdemes azokat ide vezetni, mert az anioncserélő gyanták regenerálásakor lúgos oldat keletkezik, amelyből a kromátionok méregtelenítése csak jelentős mennyiségű sav felhasználása után végezhető el. Károsan befolyásolja az ioncserélő gyanták működését és élettartamát az öblítővizek magas zsír és olajtartalma, ezért abban az esetben, ha a zsírtalanító utáni öblítő vizében sok a zsír, akkor ajánlatos ezt a vizet közvetlenül a szennyvízkezelőbe és nem az ioncserélőkre vezetni. Ha az ioncserélő oszlopra túlzottan nagy sebességgel vezetik rá a szennyvizet, akkor az oldott ionoknak nincs idejük a gyanta közelébe kerülni és ekkor az oszlopról elfolyó víz még tartalmazni fog ionokat. Túlzottan kis sebesség az oszlop kihasználtságát rontja. A gyakorlatban az oszlopban lévő gyanta mennyiségének (literben megadva) 25-szörös mennyiségű szennyvizet lehet az oszlopon óránként átnyomni. Ez az érték legfeljebb 40-szeresig növelhető. Az ioncserélő gyanták csak egy adott mennyiségű kationt vagy aniont képesek megkötni [1]. Nyugvóréteges ioncserénél, ha valamilyen jól szorbeálódó A-iont tartalmazó influátum kis sebességgel áramlik az ioncserélő oszlopon, az ionit felső rétege gyorsan telítődik, az effluátumban az A-ion koncentrációja cA ≈ 0. Közben a szorpciós zóna lefelé halad, és az

357

oszlopról távozó effluátumban az A-ion koncentrációja lassan nő. Az áttörési pont (ugrásszerű növekedés) után az effluátum A-ion tartalma rövidesen eléri a kezdeti koncentrációt. Ezután a szorpció megszűnik, mert az ionit egyensúlyban van az influátummal (7. ábra) [3].

6.4.2.2.7. ábra: Ioncserélő oszlop telítődése [I] A szennyvízkezelőkben vagy a vízlágyításhoz általában használt kationcserélő gyanta literje 0,8 – 1,5 grammegyenértéket, azaz kétértékű nehézfémekből (nikkel, réz, cink) 25 – 40 grammot, háromértékűből (vas, króm) 15 – 25 grammot. Az általánosan használt anioncserélő gyanták kapacitása csak kevéssé nagyobb, 1,0 – 1,5 grammegyenérték literenként. Ez szulfátionnál 50 – 75 g-ot, kloridionnál 35 – 50 g-ot, cianidionnál 17 – 25 g-ot, kromátionnál 60 – 90 g-ot jelent gyanta literenként. Ilyen mennyiségű ion megkötése után a gyanta telítve van, ezt követően az átfolyt szennyvízből többet nem tud kivenni, a szennyvíz változatlanul átfolyik az oszlopon. Az ioncserélőről elfolyó szennyvízben a sótartalom növekedése legegyszerűbben a víz elektromos vezetésének mérésével állapítható meg. Öblítési célokra még megfelelő az 50 μS/cm érték, azonban egy jól működő ioncserélő rendszerrel a 10 μS/cm elektromos vezetés is elérhető. A telített gyantáról a megkötött ionokat el kell távolítani és vissza kell állítani az eredeti állapotát (regernerálás). A gyakorlatban ez úgy történik, hogy a kationcserélő gyantára hígított savoldatot, többnyire sósavat nyomatnak és ekkor a gyantán a fémionok ismét hidrogénionokra cserélődnek. Az anioncserélő gyantákra lúgoldatot nyomatnak és ekkor az anionok hidroxilra cserélődnek. A kationcserélő oszlopról regeneráláskor elfolyó savas oldatban lesz az öblítővíz összes fémionja, míg az anioncserélőről elfolyó lúgos vízben az összes anionja. A felületkezelő iparban az ioncserés öblítővíz kezelést általában a felhasznált víz mennyiségének csökkentésére használják. Az eljárás lényege, hogy az üzemben a víz körforgását alakítják ki úgy, hogy az öblítőkádakból elfolyó vizeket (esetleg néhány kivétellel) nem a semlegesítőbe vezetik, hanem ioncserélő oszlopokon átnyomatva minden oldott sót eltávolítanak belőle, majd ismét felhasználják az üzemben öblítésre. A gyakorlatban az összegyűjtött öblítővizeket először egy kavicsszűrőre nyomják, hogy az ioncserélő oszlop eltömődését okozó lebegő szennyeződéseket eltávolítsák. Ezt követően kerül a szennyvíz a kationcserélő, majd az anioncserélő oszlopra. Az innen elfolyó víz teljes mennyiségét egy puffer tartályból vissza lehet vezetni az üzembe öblítésre. Az ioncserés öblítővíz kezelés kétségtelenül jelentős előnye, hogy a vízfelhasználást jelentős mértékben csökkenti. További előny, hogy az öblítést tisztább vízzel végzik, a víz

358

sótartalmának rászáradásától nem kell tartani. Az üzemben a kihordott és a szennyvízbe jutott sómennyiség változatlan értéke mellett azonban a kevesebb vízfelhasználás egyben azt jelenti, hogy az elfolyó szennyvízben olyan magas lesz a sótartalom, hogy az a magyar rendelkezések szerint közcsatornába már gyakran nem engedhető. Tovább növeli a sótartalmat az a nem jelentéktelen a sav- és lúgmennyiség, amit az ioncserélő regenerálására használtunk. Mindeközben szennyvízkezelőre továbbra is szükség van, mert mind az elhasznált elő- és utókezelő oldatokat, koncentrátumokat, mind az ioncserélő eluátumait továbbra is semlegesíteni, ülepíteni, szűrni kell, bár kétségtelenül kisebb mennyiségű szennyvizet kell kezelni, tehát kisebb térfogatú berendezésekre lesz szükség a szennyvízkezelőben [1].

6.4.2.2.2.3 Oldószeres extrakció Oldószeres extrakció (szolvens extrakció) során valamely vizes oldat komponenseit választjuk szét másik, az oldattal nem vagy csak kismértékben elegyedő szerves folyadék segítségével. Ha a kiinduló oldat elválasztani kívánt komponense vagy komponensei különbözőképpen oszlanak meg a két folyadék között, egy vagy több lépésben bizonyos mértékű elválasztás érhető el. Az extrahálószer valamilyen szerves anyag, amelyet általában a folyamat szempontjából inert oldószerben oldanak (gyakori hígítószer a petróleum). Az extrakció után kapott szerves fázist extraktumnak, a vizes fázist raffinátumnak nevezik. A szerves fázisba került komponenst megfelelő fosztó oldattal nyerik vissza, ill. viszik újra vizes fázisba (reextrakció), miközben a szerves fázis (reextraktum) regenerálódik és visszavezethető az extrakcióhoz. A kiinduló oldat és az extrahálószer közötti intenzív érintkezést keverőkben biztosítják. Az egyensúly beállása után a két fázis ülepítőben különül el. A két folyadékfázis keveredése, de főleg szétválasztása szempontjából lényeges a szerves oldószer viszkozitása, felületi feszültsége, valamint sűrűsége (ill. a két fázis sűrűségének különbsége). A szerves oldószer viszkozitását hígítókkal állítják be. A nagy felületi feszültség a fázisok keveredését gátolja, mégis előnyös, mert az elkülönülést elősegíti. Fontos, hogy az extrahálószer kémiailag stabilis legyen, ne reagáljon a rendszer többi komponensével, ne támadja meg a berendezés szerkezeti anyagait, emellett olcsó, könnyen beszerezhető és minél tökéletesebb, kis veszteséggel regenerálható legyen. Üzemi felhasználás szempontjából lényeges az is, hogy az extrahálószer ne legyen mérgező, gyúlékony, és gőznyomása kicsi legyen [3]. A kohászatban használt extrakciós műveleteket a következőképpen csoportosíthatjuk [3]: egyszerű fizikai megoszlás alapján végbemenő extrakció, szolvátextrakció, anioncserés extrakció, kationcserés extrakció, belső komplex vegyületek (kelátok) megoszlása alapján végbemenő extrakció.

359

6.4.2.2.2.4 Membráneljárások A kémiai kicsapatás és az ioncsere mellett a fémfeldolgozó ipar különböző membráneljárásokat alkalmaz a nehézfém- vagy ipari oldószer visszanyerésére. A legtöbbet használt eljárások a fordított ozmózis és az elektrodialízis. 6.4.2.2.2.4.1 Fordított ozmózis Bizonyos természetes hártyák vagy mesterséges membránok olyan tulajdonsággal rendelkeznek, hogy rajtuk keresztül egy oldatból lényegében csak az oldószer molekulák tudnak áthaladni, míg az oldott anyagok nem (féligáteresztő membrán). Az ozmózis jelensége azáltal írható le, hogy két különböző töménységű oldat egy féligáteresztő membránnal van elválasztva (8. ábra). Csak a tiszta oldószer (víz) képes a membránon átjutni, így (hígítás révén) csökken a töményebb oldat koncentrációja, és ezáltal megnő a rendszer nyomása. Ezen effektus technológiai szempontból úgy lehet kihasználni, ha megnövelt nyomást gyakorolunk erre a közegre (fordított ozmózis), ezáltal a tisztítás oly módon valósul meg, hogy a féligáteresztő membrán a vizet átereszti, de a szerves és szervetlen szennyezőket kiszűri, amik a koncentrátumban dúsulnak [7].

8. ábra: Ozmózis és fordított ozmózis szemléltetése [V] A legfontosabb membrán alapanyagok a módosított természetes anyagok (pl. cellulózacetát) és szintetikus anyagok (pl. poliamid, polipropilén). A fordított ozmózis előnyeit és hátrányait a 3. táblázatban láthatjuk [9]. 3. táblázat: A fordított ozmózis előnyei és hátrányai Eljárás előnyei Eljárás hátrányai korlátozott termikus, kémiai és mechanikai egyszerű felépítés stabilitás szennyezésekkel szembeni érzékenység alacsony energiaigény (eldugulás) tiszta fizikai szétválasztóeljárás kémiai vagy termikus komponensmódosítás nélkül A fordított ozmózis elvét már évtizedek óta alkalmazzák az ipari gyakorlatban. A különböző célokra különböző anyagokból készült, valamint különböző méretű molekulákat 360

visszatartani képes membránokat tartalmazó komplett berendezés-elemeket, az ún. modulokat kereskedelmi forgalomban árusítják. Leggyakrabban víz sótartalmának csökkentésére használják, pl. tengervízből ivóvizet állítanak elő, vagy ivóvízből ionmentes vizet. Gyakorlati célra olyan membrán rendszert használnak, amelyen keresztül nem csak az oldószer, általában a víz, hanem kis mennyiségű oldott anyag is keresztül megy (minél kevesebb oldott anyagot akarunk átengedni, annál költségesebb a megoldás), ezért az RO-val előállított víz sótartalma magasabb, mint az ioncserélővel előállított [1]. Papírgyártó iparból származó öblítővíz kezelésénél egy 312 m2 nagyságú membrán felülettel fordított ozmózis segítségével 99,7 %-os tisztítást értek el a 2170 mg Zn2+/l-es (5 m3/h) szennyvíznél [8]. Galván öblítővizek töményítésére a fordított ozmózis a 9. ábrán bemutatott elv szerint alkalmazható. Az ábrán megadott mértékű (1,56 g/l-ről 70 g/l-re) töményítést azonban a kereskedelemben kapható membránokkal egyetlen lépésben nem lehet megvalósítani, ezért két, esetleg három rendszert kell egymás után építeni és az első rendszerben visszamaradó, félig töményített oldatot lehet a második RO-ra vezetni. A második RO-ból elfolyó tömény oldat már esetleg visszavezethető a galvánkádba, míg az ezen keresztül jövő híg oldatot érdemes átvezetni még egyszer az első membránon. A berendezés építésekor figyelemmel kell lenni arra, hogy a membránok érzékenyek egyes szerves anyagokra, így esetleg a galván oldatok adalékaira is. A fordított ozmózis módszerét a gyakorlatban alig használják (bár Magyarországon évekig működött egy rendszer) [1].

9. ábra. Öblítővizek töményítése RO-val vagy elektrodialízissel [III] 6.4.2.2.2.4.2 Elektrodialízis Elektrodialízis segítségével egyaránt dúsíthatók fémionok és töltött fémkomplexek is. Bizonyos, ioncserélő gyanta felhasználásával készített membránok vezetik az elektromos áramot, de rajtuk keresztül csak az anyaguknak megfelelő töltésű ionok képesek vándorolni, az anioncserélő membránon keresztül csak anionok, a kationcserélőn csak kationok. Az elektrodialízis során a váltakozva elhelyezkedő anion- és kationáteresztő membránok kamrákat képeznek egy elektromos térben (10. ábra), amit két párhuzamosan elhelyezkedő elektródával hoznak létre.

361

10. ábra: Elektrodialízis folyamata [VI] Pozitív töltésű ionok az elektromos tér hatására a kationáteresztő-membránon átjuthatnak és a következő anionáteresztő-membrán visszatartja azokat. Ezzel szemben a negatív töltésű ionok az anionáteresztőn képesek átjutni és a kationáteresztő-membrán nem engedi át azokat. A szomszédos kamrákban ezáltal egy dúsulás (koncentrátum) ill. egy hígulás (diluátum) jön létre. Az eljárás előnye, hogy nem kapcsolódik hozzá sókiválás, hátránya viszont a gyenge szelektivitás valamint a membránok eldugulása [9]. Öblítővizek töményítésére több tucat, esetleg száznál több egymás melletti membránt tartalmazó, szűrőprésszerű berendezéseket lehet használni. A két szélső cellarészt nem számítva, minden második cellarészben az öblítővizet, a közöttük lévőben a galván oldatot keringetik. Az irodalomban savak és sóik szétválasztására is ajánlják az eljárást azonban a gyakorlatban egy ilyen berendezés elkészítése a cellarészek különleges kialakítása és a membrán magas ára miatt elég költséges. A módszer a nátrium-klorid elektrolízisénél (lúg és klórgyártás) lényegében általánossá vált, azonban a galvániparban nem terjedt el [1]. 6.4.2.2.2.5 Nehézfém eltávolítás szerves anyagokkal Az utóbbi 10 évben egyre fontosabb szerep jutottak a mikroorganizmusokat felhasználó szennyvíztisztító eljárások is, ezen belül a bioszorpciós eljárásokat nagy figyelem kíséri. A bioszorpció során különböző kémiai reakciók együttes hatása játszódik le, ahol fontos szerepe van az adszorpciós- és ioncserés folyamatoknak [10]. A vizes oldatokból történő nehézfém eltávolítása biológiai anyagok segítségével alapvetően két módon bioszorpció és bioakkumuláció útján történhet. A bioakkumuláció jelenti az aktív nehézfém felvételt egy élő sejtbe, és ehhez a sejtnek energiára van szüksége. Feltételezhető, hogy a nehézfém felvételének mechanizmusa a sejtmembránon keresztül hasonlóképpen zajlik le, mint az esszenciális elemek (nátrium, kálium és magnézium) felvétele [11]. A bioszorpció egy passzív akkumulációs folyamata a biológiai anyagnak, ami számos fizikai és kémiai folyamaton alapszik. A bioszorpció független az egykori organizmus anyagcseréjétől és kiejtésen, ioncserén, elektrokémiai folyamatokon, kelátképzésen és adszorpción alapszik [11]. Technológiai szempontból a bioszorpció folyamatának az az előnyös tulajdonsága van a bioakkumulációval szemben, hogy inaktív biomassza is alkalmazható. Ezáltal olyan magasan koncentrált szennyvizeknél is alkalmazható, ahol a koncentráció már az élő organizmusok 362

számára is toxikus lenne, és emellett nincs szükség az élő szervezetek számára fontos tápanyagok jelenlétére a szennyvízben. Mindemellett még megvalósítható egy hatásos regenerálás a pH érték módosításával, ami az élő biomassza esetében az organizmusok pusztulásához vezetne. Emellett a bioszorpciós folyamat egy reverzibilis és gyors eljárás, ami technológiai szempontból nagy előny. Erre a többé kevésbé jellegzetes fém megkötésre szinte minden organizmus képes, ami érvényes a baktériumokra, élesztőgombákra, gombákra és kivált képen az algákra. Ennek a passzív megkötődésnek a kialakulásáért a sejtfal összetevőinek funkciós csoportjai felelősek [10]. Felhasznált irodalom: [1] Dr. Török Tamás et al.: Korszerű fémipari felületkezelési és hulladékgazdálkodási módszerek, Miskolci Egyetem Továbbképzési Központ 2004, Phare támogatású ESZA típusú oktatási projekt (HU0008-02-01-0062) [2] Wilke, A.: Optimierung der biosorptiven Schwermetallentfernung unter Verwendung von immobilisierter Algenbiomasse, Dissertation Technische Universität Berlin 2001 [3] Dr. Horváth Zoltán, Dr. Sziklavári Károly, Dr. Mihalik Árpád - Elméleti kohászattan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1986 [4] Hartinger, L.: Handbuch der Abwasser- und Recyclingtechnik, Carl Hanse Verlag, München Wien 1991. [5] Keller, M.: Basic Ion Exchange for Residental Wastewater Treatment. Firmenmitteilung, Sybron Chemicals Inc., Birmingham [6] Kankalin Környezettudományi Felsőoktatási Folyóirat www.kankalin.bme.hu/Dok/gyakorlatok/kozlek/Vizkezeles/Ioncsere.doc; lementés ideje 2008.02. [7] Hain, U.: Individuelle „Cross-Flow”-Filtration als Instrument zur Ab- und Prozesswasseraufbereitung. Bremen 1998 [8] Baumgarten, G.; Müller, H.: Möglichkeiten und Grenzen der Behandlung des Recyclings von Prozess(ab)wasser aus der Oberflächentechnik mit Membranverfahren. Colloquium Productionsintegrierter Umweltschutz: Abwasser aus der metalverarbeitenden Industrie und des Transportgewerbes, Inst. für Umweltverfahrenstechnik und GVC-VDIGesellschaft, Bremen 1998, B-129. [9] Röhricht, M.: Mikrobielle Verfahren zur Entfernung von Schwermettalen aus wässrigen Lösungen im Vergleich zu Ionaustauschern. VDI Fortschrittsberichte Reihe15: Umwelttechnik (101), VDI, Düsseldorf 1993. [10] Klimmek, S.: Charakterisierung der Biosorption von Schwermetallen an Algen, Dissertation, TU-Berlin 2003 [11] Veglio, F.; Beolchini, F.: Removal of metals by biosorption: a review. Hydrometallurgy 44, 1997, (301-316) Ábrajegyzék Dr. Horváth Zoltán, Dr. Sziklavári Károly, Dr. Mihalik Árpád - Elméleti kohászattan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1986 [II] http://cheminst.emk.nyme.hu/eloadas/11-ea.pdf, utoljára módosítva: 25-Nov-2008 [III] Dr. Török Tamás et al.: Korszerű fémipari felületkezelési és hulladékgazdálkodási módszerek, Miskolci Egyetem Továbbképzési Központ 2004, Phare támogatású ESZA típusú oktatási projekt (HU0008-02-01-0062) [IV] aktweb.chem.u-szeged.hu/Vizkezeles/vizkezeles04_3resz.pdf; lementve: 2008.02. [V] http://wasserfilter-net.de/wf/umkehrosmose.htm; lementve: 2008.02. [I]

363

[VI] www.fumatech.com/Startseite/Membrantechnologie/Membranverfahren/ Elektrodialyse; lementve: 2008.02.

364

6.4.4. Csurgalékvizek kezelése Fejezet szerzője: Dr. Takács János, Dr. Szűcs Péter A depóniában lejátszódó kémiai folyamatok, a csapadék, a hulladéklerakók esetében szennyvíz keletkezéséhez vezetnek. Ennek mennyisége és összetétele a lerakó tulajdonságaitól (lerakott hulladék összetétele, a depónia építésekor megvalósított szigetelés, kora, stb.), nagyságától függ. A csapadék átszivárog a depónián és közben elszennyeződik. Az így keletkezett szennyvizet a szakirodalom csurgalék, vagy szivárgó víznek nevezi. Egy jól megépített hulladéklerakóban ezt a vizet összegyűjtik (csak így kerülhető el a talaj, talajvíz elszennyeződése), és ártalmatlanítják. A települési szilárd hulladéklerakóban végbemenő folyamatokat az 6.4.4.1. és 2. ábra szemlélteti.

6.4.4.1. ábra: Hulladékdepónia vízforgalma

365

6.4.4.2. ábra: A hulladéktestben végbemenő folyamatok A települési hulladék lerakóhelyen lényegében öt leépülési fázis megy végbe, melyek időben egymást követik. a lerakás után egy rövid anaerob fázisban a hulladék szerves alkotói a még jelenlévő oxigénnel széndioxiddá és vízzé alakulnak át, az első anaerob fázisban az erjesztő és ecetsavképző baktériumok aktivitása megnő, folyékony zsírsavak, széndioxid, hidrogén keletkezik, a savas reakció felszabadítja a nehézfémeket, az anaerob folyamat további lefolyása során megnő a metánképző baktériumok aktivitása. a metánképződés stabilizálódik, a folyékony zsírsavak részarány továbbnő, a folyamat végén csak a nehezen leépülő szerves anyagok maradnak vissza, fokozatosan ismét nitrogén és oxigén diffundál az atmoszférából a depóniatestbe. Bár a bomlás kezdeti szakasza aerob később már egyértelműen az anaerob folyamatok dominálnak – ehhez feltétlen szükséges a szemét 50–60%-os nedvességtartalma. A csurgalékvíz mennyisége A csurgalékvíz mennyisége számos tényező függvénye: befolyásolja a depónia kialakítása, a lerakási technológia jellege és hatásfoka (tömörítés), a lerakott hulladék jellege (szemét, szennyvíziszap együttes lerakás), az adott terület csapadékviszonyai, az adott terület párolgási viszonyai. A hazai párolgási és csapadékviszonyokat elemezve az átlagos csurgalékvíz hozam 150–300 m3/ha/hónap (5–10 m3/ha/nap) értéknek lehet tekinteni. (Ez 1 mm/nap beszivárgás és k = 10-8 m/s szivárgási tényező mellett) Az 1. táblázat különböző lefolyási viszonyok mellett 1 ha szigetelt tároló esetén a vízmennyiség számítást tartalmazza.

6.4.4.1. táblázat:Vízmennyiség számítás 1 ha szigetelt területre vonatkozóan (m3/hónap) http://www.tankonyvtar.hu/konyvek/kornyezettechnika/kornyezettechnika-5-12-2

366

Csurgalékvíz jellemzői A csurgalékvíz olyan hulladékvíz, amelyet, a hulladéktesten átszivárgó csapadékvíz, a hulladékban lejátszódó biokémiai folyamatok eredményeként keletkező víz, valamint a hulladékban eredetileg jelenlévő víz alkot. A csurgalékvizek jelentős mennyiségű szerves anyagot tartalmazhatnak, ezen belül fontosak a humusz jellegű alkotórészek, valamint az ammónia- nitrogén, nehézfémek, klórozott szerves és szervetlen sók. A szerves anyag eltávolításának során a KOI, BOI mérések (KOI = az oldott szerves anyagok kémiai oxidálásához szükséges oxigén mennyisége, a BOI = az oldott szervesanyag biológiai lebontásához szükséges oxigén mennyiség) az irányadók, a csurgalékvíz természetes vizekbe való bevezethetőségét pedig általában az ammónium tartalom szabja meg. A csurgalékvíz toxicitása különböző élő teszt szervezetek segítségével határozható meg, ilyenek például Vibrio fisheri, Daphnia similes, Artemia salina. Az így végzett vizsgálatokkal a potenciális veszélyek és a kezelés szükségessége feltárható, az eredmény a befogadóba történő bevezetésre vonatkozó határértékekkel összevethető. Szigorú szabályozás van érvényben a biológiailag nem bontható szerves anyagokra és a nitrogénvegyületekre vonatkozóan. A francia hatóságok például nagyon szigorú követelményeket szabtak meg a felszíni vizekbe történő bevezethetőség tekintetében. Szerencsére a szigorodó szabványokkal, előírásokkal a folyamatosan fejlődő víztisztítási technológiák lépést tudnak tartani. Összességében a szilárd települési hulladékkezelése világszerte jelentős környezeti, gazdasági, társadalmi problémát jelent, főként amiatt, hogy a keletkező hulladék mennyisége nagyobb ütemben nő, mint ahogy a népesség növekszik. A következőkben a hagyományos csurgalékvíz kezelési eljárások mellett, néhány ígéretes, új kezelési lehetőség is bemutatásra kerül. A folyékony hulladékot alapvetően két fő paraméterével jellemezzük, a térfogatáramával és az összetételével. Az 1. ábrán a lerakón történő víz körfolyamat látható. Az átfolyó csurgalékvíz mennyisége szoros összefüggésben van a csapadékkal, a felszínen elfolyó vízzel, és a beszivárgó víz mennyiséggel, valamint talajvíz betörés esetén a lerakón íly módon átszivárgó vízzel. A hulladék lerakásának technikája (vízálló borítás, szigetelő anyagok, agyag, geotextília, műanyagok) alapvetően meghatározza a lerakóba várhatóan beszivágó víz mennyiségét, ezáltal kézenfekvő, hogy megfelelő technológia alkalmazásával a csurgalékvíz okozta veszélyek csökkenthetők. A klimatikus viszonyoknak a csapadék mennyiségén és a párolgás mértékén keresztül szintén nagy befolyásuk van a csurgalékvíz mennyiségére. Végül a lerakott hulladék víztartalma, valamint a tömörsége is meghatározó tényező, minél tömörebb a hulladék, annál kisebb az átszivárgás, ezáltal az elvezetett csurgalékvíz mennyisége. A csurgalékvíz minőségét számos tényező befolyásolja, úgymint a csapadék, az évszakok miatti időjárás változások, a hulladék típusa és összetétele és a lerakó kora. A fiatal lerakókban, amelyekben nagy menyiségű bomló szerves anyag van jelen, nagyon gyors anaerob fermentáció jellemző, mely folyamat során illékony szírsavak keletkeznek. A savas fermentációt fokozza a hulladék magas nedvességtartala. A hulladéklerakó életének eme korai szakaszát acidogén fázisnak nevezzük, melynek során nagy menniységű szabad zsírsav sazbadul fel, a szerves anyag tartalom majd 95%-a ebben a formában van jelen. A lerakó érésével a metanogén fázis kerül előtérbe. A metanogén mikroorganizmusok a hulladékban fejlődnek ki, majd a zsírsavakból biogázt konvertálnak. Íly módon a csurgalékvízbe kerülő szerves komponensek a biológiailag nem bomló szereves anyagok, főként a humuszos ásványi anyagok.

367

A csurgalékvíz tulajdonságait főként az alapvető paraméterekkel jellemzzük, mint a KOIk, BOI5, KOIk/BOI5 arány, pH, szuszpendált szilárd tartalom, ammónium – nitrogén tartalom, nehézfém tartalom. A csurgalékvíz összetétele széleskörűen változhat a fokozatos aerob, acetogén, metanogén stabilizációs folyamatok során, a csurgalékvizek három típusát különböztetjük meg a hulladéklerakó korától függően, az alábbi táblázat szerint: 6.4.4.2. táblázat: csurgalékvizek kor alapján történő osztályozása friss/jelenlegi átmeneti érett <5 5-10 >10 kor 6,5 6,5-7,5 >7,5 pH >10000 4000-10000 <4000 KOI (mg/l) >0,3 0,1-0,3 <0,1 BOI5/KOI 5-30% zsírsavak + 80% illékony huminsavak és huminsavak és szerves komponens zsírsavak fulvosavak fulvosavak jelentős közepes alacsony biológiai bonthatóság A megfelelő vízkezelési eljárás megválasztásához hasznos ismernünk a hulladéklerakó kora és a szerves anyag összetétel közötti kapcsolatot. A szemét-testen átszivárgó csapadékvíz (csurgalék vagy szivárgó-víz) a depónia anyagát oldja és különböző szerves és szervetlen bomlástermékekkel dúsul (3. ábra). 1000g Csurgalékvíz 2 – 15 g egyéb anyag

985 – 998 g H2O

Organikus alkotók: 5 – 20 m% illetve 0,1 – 3 g KOI, BOI5, AOX

Nitrogén vegyületek

Só képzők

NH4, NO3, NO2 Na, K, Ca, Mg, SO4, Cl, HCO3 több mint 99 m% ; 1,6 – 13g

Anorganikus anyagok 80 -95 m% illetve 1,6 – 13 g

Nehézfémek Hg, Cd, Cr, Ni, Pb, Cu, Zn, As 0,0005 – 0,004 g

6.4.4.3. ábra: A csurgalékvíz átlagos szennyezettségi mutatói A szivárgó-víz szennyezettsége napi, sőt életkori ingadozásokat mutat. Szerves szennyezettségénél a 10000 mg/l KOI érték sem ritka, szervetlen szennyezőinek aránya (ammónia, klorid, vas és mangánvegyületek stb.) is lényegesen meghaladja az átlagos városi szennyvizekét.

368

Az 4. ábra egy tömörített lerakón átszivárgó csurgalék-víz minőségének összes oldott anyag valamint KOI, BOI értékek szerinti időbeli változását, míg az 5. ábra a pH alakulását szemlélteti.

6.4.4.4. ábra: Tömörített hulladékon átszivárgó csurgalékvíz minőségének időbeli változása Csurgalékvíz minősége 1.

6.4.4.5. ábra: Tömörített hulladékon átszivárgó csurgalékvíz minőségének időbeli változása Csurgalékvíz minősége 2. A csurgalékvíz, a szennyeződés típusától függően, különböző tisztítási eljárások (6.4.4.2. táblázat) segítségével összeállított technológia szerint tisztíthatók. Ezek célja, hogy a tisztított csurgalékvíz megfeleljen a 22/2001.(X.10.) KÖM rendeletnek, amely a hulladéklerakók kialakításának követelményeivel, illetve a 20/2006.(IV.5) KvVM rendeletnek (A hulladéklerakással, valamint a hulladéklerakóval kapcsolatos egyes szabályokról és feltételekről). A 6.4.4.2. táblázatban összefoglalt eljárások (amelyek különböző szilárd, oldott, és gáznemű szennyeződés eltávolítására, ártalmatlanítására, lebontására szolgálnak) fogalma, alapja, elvei röviden a következőkben foglalhatók össze.

369

Eljárás

Rövidítés

1

Adszorpció

Ads

2

Flokkulálás (koagulálás – pelyhesítés)

Flo

3

Kicsapatás

Kcs

4

Fázisszétválasztás

Fszv

5

Flotálás

Flot

6

Ülepítés

Sed

7

Szűrés (hagyományos)

Filt

8

Mikroszűrés

Mikfilt

9

Ultraszűrés

Ultfilt

10

Nanoszűrés

Nanfilt

11

Fordított ozmózis

RO

12

Elektrodialízis

Eld

13

Extrakció

Extr

14

Ioncsere

Ioncs

15

Transmembrán-desztiláció

Trd

16

Elpárologtatás

Pár.

17

Szárítás

Szá

18

Kiűzés levegővel

Stri

19

Abszorpció

Abs

20

Bio-kémiai folyamatok

Bio

21

Kémiai oxidáció

Ko

22

Nedvesoxidáció

No

23

Termikus oxidáció

To

1. Adszorpció A vízben lévő szennyező anyagok szilárd anyag (adszorbens, szemcsés vagy por jellegű aktív szén, aktív koksz, kazánkoksz, szén, bentonit stb.) felületén történő megfogását jelenti. Nem jelenti a szennyező anyag ártalmatlanítását, mert regenerálás után egy kisebb térfogatban nagyobb koncentrációban jelenik meg. A regenerátum további kezelést igényel. Bizonyos esetekben az adszorbens és az általa megkötött szennyezőanyag termikus kezeléssel ártalmatlanítható. Alkalmazása elsősorban biológiailag rezisztens, toxikus anyagok, szerves szén-hidrogének eltávolításánál ajánlott. Szükséges lehet többlépcsős kialakítás is.

370

2. Pelyhesítés (flokkulálás, koagulálás) Szerves és szervetlen szennyezők leválasztására alkalmas. A vízben lévő vagy kicsapatás közben keletkezett kolloid részecskék pelyhesítését, összetapasztását jelenti a szilárd halmazállapotú anyag szemcseméretének növelése céljából. Ennek érdekében fémsóelektrolit Fe(II), Fe(III) Al(III) sók oldatait és/vagy polielektrolitot kell szakszerűen a szennyvízhez adagolni, megfelelő ideig keverni, hogy a szükséges kémiai, fizikai folyamatok végbemenjenek. 3. Kicsapatás A vízben lévő oldott szennyezők, különböző paraméterek megváltoztatása után, vegyszerek hozzáadását követő kémiai reakciók eredményeként, kisméretű „szilárd” halmazállapotú anyaggá válnak, így tehát a korábban oldott szennyezőanyag fázisszétválasztással a víztől elkülöníthető. 4. Fázisszétválasztás A vizek szennyvizek tisztításánál elsősorban a szilárd és folyékony fázisok szétválasztását jelenti, melynek két alapvető formája van. Az ülepítés (a sűrűség szerinti szegregáció) különböző módjainak alapja a szilárd anyagokra jellemző szemcseméretéből, alakjából, sűrűségéből adódó ülepedési végsebesség. Az ülepedési végsebesség levegő buborék hozzáadásával növelhető (flotálás). A különböző porozitású közeggel való szűrést (szilárdanyag visszatartást) pedig a porózus közegen történő visszatartás határozza meg. 5. Flotáció A vízből, szennyvízből a finom szilárd vagy folyékony cseppek (pl. olaj) leválasztásának egyik lehetséges módja. Lényege, hogy a finom részecskék a felületükre tapadt légbuborékokkal (a közös sűrűségük lényegesen kisebbé válik, mint a víz sűrűsége) kisebb, nagyobb sebességgel a folyadék felszínére emelkednek, ahonnan lefölözhetők. A légbuborék képzése lehetséges a szennyvízbe való megelőző nyomás alatti légbeoldással, vagy szabad levegő bevezetéssel. A flotálás előtt szükség lehet a részecskék felületi tulajdonságainak módosítására vegyszeres kezeléssel, illetve a nagyon finom részecskék koagulálására, flokkulálására. Szennyvizek esetén több alkalommal nincs szükség vegyszeres kezelésre. A lefölözött termék további kezelést igényel 6. Ülepítés Folyadék/szilárd rendszerek fázisszétválasztási módja, amely a gravitációs erőtérben a folyadék–szilárd anyag sűrűségének, a szilárd részecske szemcseméretének függvényében kialakuló, úgynevezett ülepedési végsebesség következménye. Az ülepítés hatásossága koagulálás, flokkulálás alkalmazásával (szemcseméret növelés), illetve centrifugális erőtér alkalmazásával növelhető. 7. Szűrés (hagyományos) Folyadék/szilárd rendszerek fázisszétválasztásának módja, amely egy szűrőközeg és az annak két oldalán kialakuló nyomáskülönbség hatására jön létre. A szűrőközeg lehet egy szemcsés anyag halmaz, (pl. homok), ez a szűrés a mélységi szűrés (a leválasztott szilárd részecskék a

371

halmaz szemcséi közötti térben visszamaradnak.), illetve egy lap /szűrőszövet, amely a szilárd részecskéket, mint egy lepény visszatartja. Az alkalmazott nyomáskülönbség szerint megkülönböztethetünk gravitációs, vákuum, nyomó vagy prés szűrést. A szűrés hatásfoka pelyhesítéssel (koagulálással) illetve szilárd szűrési segédanyag hozzáadásával növelhető. 8-11. Mikroszűrés, ultraszűrés, nanoszűrés, fordított ozmózis Ezek a szétválasztási műveletek a membrán szűrés lehetséges módjai. A szűrőközeg egy membrán, és ennek porozitása különbözteti meg a szűrési típusokat. A mikroszűrés 1-0,1 µm-es membrán porozitással a szilárd részecskék, mikroorganizmusok leválasztására szolgál. Az ultraszűrésnél a membrán pórusai 0,2-0,001 µm közötti mérettel jellemezhetők; kolloidok, nagy molekulatömegű vegyületek leválasztására alkalmas. A nanoszűrésre szolgáló membrán már 0,001-0,0001 µm pórusméretekkel már két vegyértékű ionokat is visszatartja. A nanoszűrés alatti tartományban van a fordított ozmózis, melynél a szűrőközeg egy félig áteresztő hártya, ezzel már teljes sótalanítás lehetséges. Azt, hogy melyik membránszűrés alkalmazására van szükség, a szennyezőanyag mérete, illetve molekulatömege határozza meg. Az alkalmazott nyomáskülönbség a szűrőközeg porozitásának függvénye. Szerves és szervetlen szennyezők leválasztására egyaránt alkalmas. 1. Elektrodialízis Membránszeparációs eljárás. Elektródák (katód, anód) között elhelyezett membránok segítségével az egyenáram hatására következik be a membránon keresztül történő ion vándorlás/diffúzió, Eredményeképpen nagyon kis sótartalmú tisztított vízet, és kationokban valamint anionokban dús koncentrátumot nyerhetünk. Ez a koncentrátum további kezelést igényel. 2. Extrakció Szétválasztási művelt, amelynél egy vagy több komponens eltávolítását, kioldását egy szilárd (kilúgzás), folyékony (szolvens extrakció) fázisból szelektív oldószer alkalmazásával valósítjuk meg. A szilárd-folyadék extrakció egy oldószerben történő oldás, fázisszétválasztás valamit az oldott anyag továbbkezelését jelenti. A folyadék-folyadék extrakció olyan művelet, amelyben a két komponensű elegyből az egyiket egy harmadik folyadékkomponens (szelektív oldószer) segítségével választjuk le. A leválasztás után az oldószer desztillációjával a szennyező anyag leválasztható. 3. Ioncsere Kémiai folyamat, amikor is a vízben, szennyvízben lévő szennyező ionokat aktív csoportokat tartalmazó szilárd anyaggal (zeolit, bentonit, műgyanták) hozunk érintkezésbe és az oldatban lévő ionok, valamint a velük egyenértékű ionok cseréje jön létre. Beszélhetünk kation és anion cserélésről egyaránt. A folyamat közben az ioncserélő szilárd anyag kimerül, regenerálni kell. A regenerátumot veszélyességének megfelelően kezelni, ártalmatlanítani kell.

372

4. Transzmembrán desztilláció Vizek kezelésének termikus membrán eljárása: termék, hulladék oldatok koncentrálására; teljesen só mentes víz előállítására; kazán tápvíz előállítására; ivóvíz előállítására sós vizekből. Az eljárás lényege, hogy vékony, mikro-porozitású hidrofób membrán (PTFEpolytetrafluoretán) segítségével választjuk el a vizet a nem kívánatos oldott anyagtól. A hidrofób jelleg miatt a membrán csak a vízgőz számára áteresztő, a víz és az oldott só számára nem. Ezáltal termikus kezelés után a vízgőz áthalad a membránon, majd kondenzálódik. A végeredmény só-mentes víz és egy nagy só koncentrációjú oldat. 5. Elgőzölögtetés Az anyag folyadékformából gáz formájú halmazállapotba való átvitele hő hozzáadásával. Két formája van. Az egyik az elpárologtatás (forrásponti hőmérséklet alatti átmenet), a másik a forralás, amikor forrási hőmérsékleten történik a halmazállapot-változás. 6. Szárítás Egy anyag nedvességtartalmának csökkentése elpárologtatással, szárító anyag hozzáadásával, vagy más technikák (mechanikus víztelenítés, hő, kémiai kezelés, légszárítás) alkalmazásával. Technikai szárítás módjai: fagyasztás, mikrohullámú szárítás, kondenzációs szárítás, vákuumszárítás, adszorpciós szárítás, Peltier-szárítás, granulátummal történő szárítás, légszárítás. 7. Kiűzés levegővel, sztrippelés Oldott gázok vízből való eltávolításának módszere. A Henry-törvény szerint a gázok oldódása az alábbi egyenlettel írható le: Cv=Pg*H (Cv: vízben oldott gáz koncentrációja, Pg: a gáz parciális nyomása, H a gázra jellemző Henry-konstans) Eszerint a Pg parciális nyomást csökkentve, annak mértékében az oldott gázmolekula gáz állapotba kerül, amely egy kiűző közeggel (levegő, gőz) a víz fajlagos felületét növelve (pl. cseppesítéssel) jó hatásfokkal eltávolítható. A sztrippelés történhet nyitott vagy zárt rendszerben, a két rendszer közti választást elsősorban a gáz veszélyessége határozza meg. 8. Abszorpció Fizikai-kémiai jelenség, melynek során gázok gőzök atomjai, molekulái folyadékkal vagy szilárd testtel érintkezve abban elnyelődnek. Az atomok, molekulák diffúzióval jutnak az elnyelő anyag (abszorbens) belsejébe, molekulák közé vagy kristály szerkezetbe. Az abszorbció mértéke alacsonyabb hőmérsékleten, hatásosabb.

373

9. Biológiai eljárások A természetes tápanyagláncban is nagyon fontos szerepe van. A vízben lévő oldott szennyező anyagok mikroorganizmusok illetve magasabb rendű élő szervezetek általi célzott átalakítása ártalmatlan ionná, molekulává, biomaszzává. Alapvetően két módját különböztetjük meg, úgy mint aerob (szabad oxigén melletti) és anaerob (szabad oxigén nélküli) eljárások, de sok esetben ezek kombinációja is alkalmazható. A szerves vegyületek bio-kémiai ártalmatlanítása megfelelő feltételek mellett optimális. Alkalmazható a vízben lévő oldott szerves vegyületek lebontására, nitrifikációra, denitrifikációra, foszfáttartalom csökkentésére. 10. Kémiai oxidáció Minden olyan kémiai folyamatot, amelyben az atomok, molekulák, vagy ionok elektront adnak le, oxidációnak nevezzük. Oxidáció csak akkor megy végbe, ha egy másik anyag (atom, molekula, ion) az elektronokat felveszi, redukálódik. A reakciónak a víz-szennyvíztisztításban nagy a jelentősége, mert több eltávolítandó komponens a felszín alatti víztartókban, talajban redukált állapotú. Ezek legtöbb esetben, vízben nagyon jól oldódnak, míg oxidált állapotú vegyületük általában rosszul. Ezt kihasználva oxidációt követően a szennyező komponensek csapadék formájában eltávolíthatók. A fertőtlenítés nagy részben oxidációval oldható meg. A biológiailag nehezen, vagy nem bontható toxikus szerves vegyületek molekulái szintén oxidáció segítségével alakíthatók ártalmatlan, egyszerű vegyületekké, gyökökké. A leginkább használt oxidálószerek: O3, H2O2, UV-sugárzás (OH-radikál), illetve ezek kombinált alkalmazása. 11. Nedves oxidáció A szerves vegyületek folyékony fázisban történő nagy nyomás és hőmérséklet melletti oxidációja. A szennyvizek szerves anyag tartalma a levegő oxigénjének jelenlétében 240-290 o C-on kb. 120 bar nyomáson oxidálódik. Előzőleg a víz semlegesítése szükséges. Exoterm folyamat, meghatározott feltételek mellett alkalmazható. 12. Termikus oxidáció A szerves szennyezők magas hőmérsékleten (800-1000oC) oxigén (levegő) hozzáadásával történő lebontása, ártalmatlanítása (égetése), nagy turbulencia és megfelelő tartózkodási idő mellett. A szerves vegyületekből CO2 és H2O keletkezik, de természetesen más gyökök, egyszerű vegyületek is keletkezhetnek, amelyek a vízben maradnak, vagy a füstgázba kerülnek. Szükség esetén a füstgázt tisztítani kell. Az égetési hőmérséklet katalizátor alkalmazásával csökkenthető (350-550oC-ra). Az ismertetett eljárások sok esetben önállóan nem elegendőek a csurgalékvizek tisztítására, hanem ezek kombinációja, megfelelő sorrendbe kapcsolásával vezetnek eredményre, a hatósági előírásoknak megfelelő tisztítás magvalósítására.

374

Tápanyag C, P

pH módosító

csurgalékvíz

Levegő (O2)

Koaguláló szerek

Szennyezett levegő

Biológiai lebontás

Ülepítés

Recirkulációs iszap

Túlfolyás

Iszapstabilizálás, sűrítés

Fölös iszap

Az iszap sűrítés és gépi víztelenítés vize

Kicsapatás, flokkulálás

Adszorpció

Iszap

Ülepítés

Iszap gépi víztelenítés

pH módosító

pH kezelés Iszap Szűrőlepény

Ülepítés Koaguláló, flokkulálószer

Aktívszén

Tisztított csurgalékvíz

6.4.4.6. ábra: Csurgalékvíz tisztítási technológia variáció; (biológiai lebontás; adszorpció; kicsapatás; koagulálás/flokkulálás; iszapvíztelenítés) A 6. ábrában vázolt tisztítási technológia szerint a csurgalékvíz első lépésben a biológiai fokozatra kerül, ahol a bontható oldott szerves vegyületek ártalmatlanítása, az ammónia nitrifikációja (aerob körülmények között), valamint a nitrát denitrifikációja (anaerob vagy anox körülmények mellett) következik be. A lebontó mikroorganizmusok iszap formájában történő leválasztása után a biológiailag nem bontható oldott szerves anyagok adszorpciója (aktívszén por bekeverés) következik. A kimerült aktívszén por leválasztására vegyszeres előkezelés után egy ülepítő szolgál. A kezelt víz pH-ját szükség szerint módosítani lehet. A tisztítás közben keletkezett iszapok sűrítés után, térfogatát gépi víztelenítéssel minimális mértékre csökkentve deponálhatók, elégethetők. A következő, 6.4.4.7. ábrában vázolt technológia első szakasza az előző technológiához hasonló, azaz a biológiailag bontható szerves szennyezők ártalmatlanítása, a nitrifikáció, denitrifikáció a biológiai kezeléssel történik, viszont a biológiailag nem bontható szerves vegyületek ártalmatlanítását kémiai oxidáció biztosítja. Oxidálószer lehet az oxigén, ózon, H2O2, illetve alkalmazható az UV segítségével történő fotokémiai oxidáció. A technológiában keletkező iszap kezelése, ártalmatlanítása az előző technológiai sornak megfelelően történhet. A 8. ábrában vázolt technológia az előzőektől szintén a biológiailag nem bontható, maradék oldott szerves anyagok ártalmatlanításában tér el, ugyan is ebben a technológiában ezek membrán eljárással, fordított ozmózis segítségével kerülnek leválasztásra. Mivel a fordított ozmózis közben a leválasztott szennyezők koncentrátumként keletkeznek, ezt a koncentrátumot bepárlással illetve szárítással hozhatjuk könnyen kezelhető formába. 375

Tápanyag C, P

Levegő (O2)

pH módosító

csurgalékvíz

Koaguláló szerek

Szennyezett levegő

Biológiai lebontás

Túlfolyás

Ülepítés

Iszapstabilizálás, sűrítés

Fölös iszap

Recirkulációs iszap Az iszap sűrítés és gépi víztelenítés vize

Kémiai oxidáció Tisztított csurgalékvíz

Iszap gépi víztelenítés Levegő, illetve O2 Szennyezett levegő, kezelésre

Szűrőlepény

6.4.4.7. ábra: Csurgalékvíz tisztítási technológia variáció; (biológiai lebontás; kémiai oxidáció; iszapvíztelenítés)

Tápanyag C, P

pH módosító

csurgalékvíz

Levegő (O2)

Koaguláló szerek

Szennyezett levegő

Biológiai lebontás

Ülepítés

Recirkulációs iszap

Túlfolyás

Iszapstabilizálás, sűrítés

Fölös iszap

Az iszap sűrítés és gépi víztelenítés vize

H2SO4

Fordított ozmózis I

Permeát 1

Fordított ozmózis II Iszap gépi víztelenítés

Retentát

Bepárlás

Szárítás

Tisztított csurgalékvíz (Permeát 2) Szűrőlepény

Inertgáz

Szilárd maradékanyag

6.4.4.8. ábra: Csurgalékvíz tisztítási technológia variáció; (biológiai lebontás; fordított ozmózis; bepárlás; szárítás; iszapvíztelenítés)

376

A 6.4.4.9. ábrában vázolt technológiában a csurgalékvízben levő szennyezőanyagok leválasztása kétfokozatú fordított ozmózissal történik. Ennek feltétele, hogy a csurgalékvíz csak oldott szennyezőket tartalmaz. A membránok védelme miatt a víz pH-ját minimum 6,5 alá kell csökkenteni. Célszerű olyan membrán modult választani, amelyben a nagyobb áramlási sebesség biztosítani tudja a membrán öntisztulását (pl.: csőmodul). A két fokozatban nem feltétlenül szükséges azonos modul. Koncentrátum elvétel az I jelű modulról van, amit bepárlással még szivattyúzható mértékűvé sűrítenek. A sűrítményt termikusan tovább szárítják. A keletkező maradék szárazanyag deponálható. A Bepárlás desztillátuma nagy ammónia tartalmú, amit a nitrogénmentesítési fokozatban választanak le. Ennek desztillátuma visszakerül a II fordított ozmózis fokozatba, míg az ammónia értékes vegyület formába vihető és értékesíthető. H2SO4 Koncentrátum II

Csurgalékvíz

Fordított ozmózis I

Permeát 1

Koncentrátum

Permeát II, tisztított csurgalékvíz

Desztillátum

Bepárlás Szárítói desztillátum

Fordított ozmózis II

Bepárlási desztillátum

Nitrogén mentesítés

Bepárlási koncentrátum Segédanyag

Szárítás NaOH

Maradékanyag Inertgáz

Értékes anyag

6.4.4.9. ábra: Csurgalékvíz tisztítási technológia variáció; (fordított ozmózis I; bepárlás; szárítás; nitrogénmentesítés; fordítottozmózis II) A 6.4.4.10. ábrában látható séma szerint a csurgalékvíz savas jelleggel kerül a bepárlóba. Az innen kijutó desztillátum könnyen illanó nitrogénkomponenst, és szerves anyagot tartalmaz. A desztillátum nitrogénmentesítés után kondenzálódik, majd egy fordított ozmózis berendezés segítségével nyeri el a várt végső tisztaságot. A bepárlási kondenzátum szárításával nyerhetők ki a szennyező komponensek szilárd, jól kezelhető formában, esetleges értékesíthető anyagként. A 6.4.4.11. ábrában vázolt séma szerinti tisztítási technológia akkor alkalmazható, ha a csurgalékvíz csak nagyon csekély mértékben tartalmaz nitrogén vegyületet, illetve azt nem gazdaságos értékes anyagként kinyerni. A csurgalékvíz pH-ját kénsavval 3 érték alá csökkentve kerül a bepárló készülékbe. A bepárlóban keletkező koncentrátum tartalmazza a különböző sókat, így az ammónia-nitrogén só-vegyületét is. Szárítás után ezek szilárd formában deponálhatók. A bepárló desztillátumát amely még tartalmazhat könnyen illanó szerves vegyületeket, fordított ozmózissal lehet a kívánt mértékben megtisztítani. Az itt keletkező koncentrátumot a nyers csurgalékvízhez vezetik vissza.

377

Koncentrátum

Fordított ozmózis

Csurgalékvíz

Permeát, tisztított csurgalékvíz

Desztillátum

Bepárlás Szárítói desztillátum

Bepárlási desztillátum

Nitrogénmentesítés

Bepárlási koncentrátum Segédanyag

Szárítás NaOH

Maradékanyag Értékes anyag

Inertgáz

6.4.4.10. ábra: Csurgalékvíz tisztítási technológia variáció; (bepárlás; szárítás; nitrogénmentesítés; fordítottozmózis) Koncentrátum

H2SO4

Fordított ozmózis

Csurgalékvíz

Permeát, tisztított csurgalékvíz

Bepárlási desztillátum

Bepárlás Szárítói desztillátum

Bepárlási koncentrátum

Szárítás

Maradékanyag Inertgáz

6.4.4.11. ábra: Csurgalékvíz tisztítási technológia variáció; (savas bepárlás, pH<3; szárítás; fordítottozmózis) Természetes, hogy még számos más technológiai sort is össze lehet állítani az csurgalékvízben levő szennyezők leválasztására, alkalmazására a vízjellemzők és lehetőségek függvényében, és alkalmazhatók olyan természetközeli technológiák is (amennyiben nem jár a környezet elszennyeződésével), melyek során a vázolt tisztítási folyamatok játszódnak le, csak kisebb intenzitással, esetleg kisebb hatásfokkal.

378

6.4.4.12. ábra: A csurgalékvíz és a tisztítás után nyert termékek Akármilyen technológiai sort választunk a tisztításnak biztosítani kell a kellő tisztaságú vizet, amely befogadóba bocsátható, illetve egy könnyen kezelhető tárolható, bizonyos esetekben értékesíthető szennyezőanyag koncentrátumot (6.4.4.12. ábra) Bizonyos esetekben, a szennyezettség függvényében, a csurgalékvíz nagyobb kapacitású kommunális szennyvíztisztító telepen is tisztítható. Felhasznált irodalmak: 1. JR.Bayard, C.Gachet, F. Achour, C de Brauer? R. Gordon: Effect of leachate recirculation ont he stabilisation of organic matter in Municipal Solid Waste; „Hidro – Physics – Mechanics of Landfills” Internationale Workshop LIRIGM, Grenoble I University France; 21-22. March 2005 2. Bereczki A.: A csúrgalékvíz minősége, kezelési lehetőségek, javaslat a Pécs-kökényi hulladéklerakó csúrgalékvizének tisztítására; Diplomaterv, Miskolci Egyetem, 2004. 3. Deponiesickerwasserreinigung und Fachbeitraege aus der Idustrie, Tagung München, 16.April 1991; Herausgeber: enviro Consult Ingenieurgesellschaftvfür Umwelt- und Verfahrenstechnik GmbH, Ingenieurbüro für Abfallwirtschaft W. P. Bauer, 1991. 4. Das Sickerwasser und die Deponie Schönberg/Ihlenberg; http://www.stoppt-deponie-schoenberg.de/DOMIN.html 5. L. Di Palma, P. Ferrantelli, C. Merli, E. Petrucci: Treatmant of industrial Landfill leachate by means of evaporation and reverse osmosis; Waste Management 22 (2002) 951-955. 6. M. El-Fadel, E-Bou Zeid, W. Chahine? B. Alayli: Temporal variation of leachate quality from pre-sorted and baled municipal solid Waste with high organic and moiustire content; Waste Management 22 (2002) 269-282. 7. Elfolyó Vizek mg-i hasznosítása – Magyar Öntözési Egyesület http:// www.moe.hu/?page=aktualis&.inc..... 8. Entsorgugszentrum Salzgitter GmbH, Sickerwasserreinigung 9. Handbuch Altlasten, Band3, Teil.6.: Ermittlung von Schadstofffrachten im Grund- und Sickerwasser; ISBN 978-3-89026-812-5, Hessischesdesamt für Umwelt und Geologie; Wiesbaden, 2008. 10. W. Huber, S. Schatz: Sickerwasser in der Nachsorgephase; Technik & Managenent, Abfall/Recycling

379

11. W. Huber, S. Schatz, A. Qentin: Statistische Auswertung des Sickerwasseranfalls auf bayerischen Deponien; Endbericht, Projekt 3260; Nov. 2002. 12. Hulladékgazdálkodás-1.dia; http://www.ttk.nyme.hu/fldi/Documents/.../Hulladekgazdalkodas.ppt 13. Hulladékgazdálkodás http://www.diakoldal.hu/.../21a5295af15605f70859a5841ac909fahulladekgazd.doc 14. Dr.-Ing. Jochen St. Kollbach: Deponiesickerwasser-reinigungsverfahren – Stand 1991, zukünftige Entwicklungen; Deponiesickerwasserreinigung, Tagung München, 16.April 1991 15. Rytec GmbH Frankfurt am Main, Engineering für Abfalltechnologie und Energiekonzepte; Sickerwasserbehandlungsanlagen 16. R. Sicksmeyer, U. Packhaeser: Sickerwasser-Behandlungsanlage auf der Zentraldeponie Hannover; Wasser/ Abwassertechnik; WLB Wasser, Luft und Boden 1-2/2003 17. Dr. Szabó I.: Hulladékelhelyezés; Egyetemi Kiadó, Miskolc, 1999. 18. Vízgazdálkodás és vízminőségvédelem II. Szennyvíztisztítás; Egyetemi jegyzet környezetmérnök szakos hallgatóknak; Debreceni Egyetem, 2010.; szennyviztisztitas.tananyag.debrecen.pdf. 19. Víztisztítás; Egyetemi jegyzet, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Kar Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék; Budapest, 2007, víztisztítás_jegyzet.pdf. 20. W. J Weber, Y-C. Jang, T. G. Townsend, S.Laux: Leachate from Land Disposed Residential Construction Waste;Journal of Environmental Engineering, March 2002. 21. L. Zimmer: Eindüsung von sickerwasser aus hausmülldeponien inder Feuerraum einer Müllverbrennungsanlage; tb97_zimmer.pdf. 22. 22/2001.(X.10.) KöM rendelet 23. A szerzők ez irányú kutatási eredményei; Miskolci Egyetem.

380