Abscheidung von Nickel und anderen Schwermetallen bei der Reinigung von Zinksulfatlösungen durch Zementieren mit Zinkstaub

Groß, Oliver; Modigell, Michael

doi:HT015105690

Abscheidung von Nickel und anderen Schwermetallen bei der Reinigung von Zinksulfatlösungen durch Zementieren mit Zinkstaub = Refining Nickel and Other Heavy Metals by Purifying Zinc Sulfate Solutions by Cementation with Zinc Dust

Groß, Oliver (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Oliver Groß

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangII, 138 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Modigell, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-01-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18646
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61744/files/Gross_Oliver.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zink (Genormte SW) ; Elektrochemie (Genormte SW) ; Zementation <Metallurgie> (Genormte SW) ; Zinksulfat (Genormte SW) ; Laugung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Zinkstaub (frei) ; Grillo (frei) ; Nickel (frei) ; cementation (frei) ; leaching (frei) ; zinc sulphate (frei) ; zinc dust (frei) ; nickel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der industriellen Herstellung von Zinksulfat werden wässrige ZnSO4-Lösungen eingesetzt, die der Laugung zinkhaltiger Sekundärmaterialien mit Schwefelsäure entstammen und daher mit erheblichen Mengen an Schwermetallen verunreinigt sind. Diese Metalle werden durch den Prozess der Zinklaugenreinigung, die in ähnlicher Weise auch bei der elektrolytischen Zinkgewinnung praktiziert wird, aus der Lösung entfernt. Im Verlauf der Zementation werden hierbei Schwermetalle, die edler sind als Zink, wie z. B. Blei, Cadmium, Cobalt, Kupfer und Nickel, mit Zinkstaub in Form von festen Phasen abgeschieden. Zur Optimierung der Zementation im Hinblick auf die Zinksulfatherstellung wurden zahlreiche Versuche im Labor- und Betriebsmaßstab durchgeführt, bei denen die Auswirkungen verschiedener Randbedingungen, wie z. B. die Temperatur, die Art und die Konzentration der Verunreinigungen sowie die Menge des eingesetzten Zinkstaubs, erfasst werden konnten. Die Untersuchungen im Labor und im Betrieb erfolgten dabei sowohl mit technischen Zinksulfatlösungen (Betriebslösungen) als auch mit Zinksulfatlösungen, die einen wesentlich geringeren Gehalt an Schwermetallen aufweisen (Pharmalösungen). Im Rahmen dieser Arbeit ging es dabei in erster Linie um die Untersuchung des Einflusses von Metallen auf die Ni-Zementation, die bei der großtechnischen Produktion von Zinksulfat in aller Regel bereits in der Ausgangslösung enthalten sind. In Übereinstimmung mit der Literatur ergab die Auswertung der Versuchsergebnisse, dass die Zementation von Nickel durch eine Reaktion 1. Ordnung beschrieben werden kann. Auf Grund der darüber hinaus gefundenen signifikanten Abhängigkeit zwischen der Geschwindigkeitskonstanten der Ni-Zementation und den stöchiometrischen Proportionen in der Lösung, konnten erstmalig zwei stöchiometrische Faktoren, die die Konzentrationsverhältnisse in der Lösung eindeutig beschreiben, aus der Geschwindigkeitskonstanten eliminiert werden. Für die Praxis bedeutet dies, dass die Anfangsbedingungen in der Lösung für den Verlauf der Ni-Zementation von entscheidender Bedeutung sind. So verläuft die Ni-Abscheidung nur dann vollständig und genügend schnell, wenn in der Ausgangslösung, also schon zu Beginn des Zementationsprozesses, die Konzentrationen an Blei, Cadmium und Kupfer groß sind und gleichzeitig deren Verhältnis zu Nickel genügend hoch (etwa 10) ist. Sind diese Bedingungen erfüllt, wird die Zementation bei sonst konstanten Parametern, wie z. B. der Temperatur, dem pH-Wert oder der Rührgeschwindigkeit, nur noch durch das Zinkstaub/Metall-Mengenverhältnis in der Ausgangslösung beeinflusst, das stets größer als 2 sein sollte. Die Auswertungen zur Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten ergaben für die Nickelzementation eine Aktivierungsenergie von 49,41 kJ/mol. Dies spricht dafür, dass im technischen Zementationsprozess die Geschwindigkeit der Ni-Abscheidung aus Zinksulfatlösungen nicht durch Diffusion, sondern durch eine chemisch oder elektrochemisch kontrollierte Reaktion bzw. deren starken Einfluss bestimmt wird. Des Weiteren wurden für die betriebliche Praxis Möglichkeiten aufgezeigt, die eine sichere quantitative Entfernung von Nickel gewährleisten und eine Überdosierung von Zinkstaub vermeiden. Da das bei der Zinklaugenreinigung anfallende Zementationsprodukt ein Schlamm ist, in dem eine Analyse der Struktur und Zusammensetzung der einzelnen Stoffphasen nicht möglich ist, wurde abschließend der Versuch unternommen, den Zementationsprozess anhand von thermodynamischen Rechnungen zu simulieren, um so das grundsätzliche Verhalten der Metalle und die möglichen Zusammensetzungen der Zementationsprodukte zu beschreiben. Mit Hilfe der Rechnungen gelang es, den Einfluss der Bildung von intermetallischen Phasen und die damit verbundene Reihenfolge in der Abscheidung der Metalle im Zementationsverlauf aufzuzeigen.

The industrial production of zinc sulfate employs aqueous ZnSO4 solutions. These are made from leaching zinc-containing secondary materials with sulfuric acid, with the result that they are contaminated with considerable quantities of heavy metals. These metals are removed from the solution by the process of zinc lye purification, which is performed similarly to electrolytic zinc refinement. During the cementation, other heavy metals which are nobler than zinc, e.g. lead, cadmium, cobalt, copper and nickel, are separated in the form of solid phases by adding zinc dust. Numerous experiments – both at the laboratory scale and large scale – have been performed to optimise cementation as part of zinc sulfate production, by studying the effects of parameters such as temperature, the type and concentration of impurities and the quantity of zinc dust used. These studies have employed both technical zinc sulphate solutions (working solutions) and solutions with much lower concentrations of heavy metals (pharmaceutical solutions). The present study primarily concentrated on investigating the effect of metals on the cementation of nickel, which is almost always contained in the starting solution in the large scale production of zinc sulfate. In accordance with the literature, the results showed that the cementation of nickel can be described as a first order reaction. Moreover, there was significant correlation between the rate constants for nickel cementation and the stochiometric proportions in the solution. This made it possible for the first time to eliminate two stoichiometric factors from the rate constants which unambiguously describe the concentrations in the solution. In practice, this signifies that the initial conditions in the solution are of decisive importance for the course of nickel cementation. Thus the course of nickel separation is only complete and adequately rapid when the concentrations of lead, cadmium and copper in the starting solution, at the beginning of the cementation process, are high and their ratios to the nickel concentration are also high (about 10). If these conditions are fulfilled, and other parameters (such as temperature, pH and stirring rate) are kept constant, the cementation is only influenced by the zinc dust/metal ratio in the starting solution, which must always be greater than 2. Evaluation of the temperature dependence of the rate constants found that the activation energy for nickel cementation was 49.41 kJ/mol. This indicates that the rate of nickel separation from zinc sulfate solutions in the technical cementation process is not determined by diffusion, but is determined, or strongly influenced, by a chemically or electrochemically controlled reaction. In addition, practical possibilities are listed for reliable quantitative removal of nickel and for avoiding overdosage with zinc dust. The cementation product produced during zinc lye purification is a sludge, in which analysis of the structure and composition of the individual substance phases is not possible. For this reason, an attempt was made to simulate the cementation process by using thermodynamic calculations. This was intended to describe the basic behaviour of the metals and the possible composition of the cementation products. In this manner, it was possible to describe the effect of the formation of intermetallic phases and the coupled sequence of the separation of the metals during cementation.

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