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; Modigell, Michael (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

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.