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TECHNISCHE ELEKTROCHEMIE IN DER WASSER-UND WERTSTOFFTECHNOLOGIE

H. – J. Friedrich

Technische Elektrolysen und Geothermie

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Gliederung

Elektrochemische Wasserbehandlung

Wasserbehandlung im Bergbau

Elektrochemische Totalmineralisation

Konditionierung von / Rohstoffgewinnung aus Tiefenwässern

Elektrochemische Prozesse für das Recycling seltener Metalle

Gewinnung Seltener Erden aus sekundären Rohstoffen

Rückgewinnung seltener Metalle aus Elektronikschrott

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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern

Sulfat kann nur sehr schwierig selektiv abgetrennt werden

Membranelektrolyse zur Abtrennung von Sulfat, Eisen, Mangan, Uran, Thorium - (RODOSAN®-Verfahren)

Produkte Kathodenseite:

-aufbereitetes Wasser

-Wasserstoff

SO42-

Saures Wasser

Produkte Anodenseite:

-H2SO4

-(NH4)2SO4

-(NH4)2S 2O8

− +

Anolyt

CO2

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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern

Saure, sulfatreiche und schwermetallbelastete Wässer stellen ein weltweites Problem bei der Förderung von Braun- und Steinkohle sowie von sulfidischen Erzen dar

Entstehung schwefelsaurer Seen

als Endstadium des Bergbaus

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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern

Entwicklungsstand: technischer Pilotmaßstab 5 …10 m3 / h

Erprobung für verschiedene Wassertypen über 20.000 h

Konversion eines Wasserschadstoffs (Sulfat) in Düngemittel

AnlagenstandortMembranelektrolyseur

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Elektrochemische Behandlung von Bergbauwässern

Sulfatabtrennung bis 60% (Pilot) und >80% im Labor

Quantitative Entfernung von Schwermetallen und Aluminium

In-situ-Erzeugung von Pufferkapazität

0

20

40

60

80

100

120

Sulfat Aluminium Eisen Mangan

%

Schadstoffabtrennung

Sedlitz Bockwitz RL111 Nochten Labor

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Elektrochemische Totaloxidation („kalte Verbrennung“)

Zerstörung hochpersistenter und biozider organischer Verbindungen

Für ein breites Spektrum von Stoffen erprobt

Anderen Verfahren hinsichtlich Umsatzgrad dabei deutlich überlegen

CxHyR

Elektrolyse

x CO2 + y H+ + RO-

Verfahrensprinzip

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Elektrochemische TOTALOXIDATION von Nitroaromaten / STV

Verbindungen in Reinsubstanz teilweise brisante Sprengstoffe

Elektrochemische Behandlung erfordert spezielle Verfahrensführung

Anwendungsgebiete sind z.B. die Behandlung von Abwässern

Technikumsanlage zur Totaloxidation

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Elektrochemische Konditionierung radioaktiver Abfälle BMBF-FKZ 02S8801

Flüssige organische Abfälle sind nicht endlagerfähig, es stehen nur begrenzte Aufnahmemöglichkeiten zur Verfügung

Drastische Volumenreduktion mittels elektrochem. Totaloxidation möglich

Überführung der C-14-Aktivität in endlagerfähigen Feststoff

Laborversuchsstand C-14-Elektrolyse

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Elektrochemische TotaloxidationOrganischer Verbindungen

Leistungsunterschiede zwischen den Verfahrensalternativen (Photo-/Ozonolyse) erscheinen z.T. wenig beeindruckend

+/-10% in der Abbauleistung entscheiden aber letztlich über den Behandlungserfolg

Metaboliten der Ozonung /Photolyse oft ebenfalls toxisch/mutagen

020406080

100120

Um

sa

tz (

%)

Abbau Organik

TNC DNT TNT

0

2

4

6

8

0 8 16 24 32Lg

(A)

/Bq

t (h)

C-14-Aktivität

Probe 1 Probe2

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Konditionierung von Thermalsolen in der Tiefen Geothermie (BMWI FKZ 0325696)

Verstärkte Nutzung der Geothermie – wichtiger Baustein der Energiewende

Häufiges Problem: „Scaling“ – Ablagerung von SM und Radionukliden Betriebsstörungen

Konzept: Elektrochemische Abtrennung in situ

Geothermietestfeld Radioaktive Scales (Pb-210, Ra)

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Konditionierung von Thermalsolen in der Tiefen Geothermie

Voruntersuchungen: Scalebildung ist an Austausch elektrischer Ladungen gebunden und kann elektrochemisch beeinflusst werden

Derzeit: Entwicklung eines elektrochem. Abscheidesystems (BMWi)-Proj.

Ziel: Rückhalt bereits in der Bohrung bzw. „Solekonditionierung“

stimuliertes Scaling In-situ-Teststand (Patent)Prinzip Scalebildung

Fe Fe2++ 2 e-

2 H+ +2 e- H2

Men+ + n e- Me

e-FeS, MnS

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Solekonditionierung - Vermeidung von Scaling und Rohstoffgewinnung

Kritische Scalebildner sind effizient abscheidbar (Pb-210, Cd, As)

Sehr gute Abscheideraten werden auch für Indium und Tellur erzielt

Gegenwärtig: Optimierung der Abscheidebedingungen und der Verweilzeit (Reaktorauslegung)

Abscheidegrade in Modellsole

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

As Pb-210 Tl Cu In Te

Ab

tren

nu

ng

X

in

%

1h -8l/h 2 h-8 l/h 3h - 8 l/h 3 h-2l/h

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Solekonditionierung - Vermeidung von Scaling und Rohstoffgewinnung

Teilweise beachtliches Rohstoffpotential der Solen (NaCl, KCl, Li, J, Mn, Zn, In, Tl)

Wertpotential der Inhaltsstoffe übertrifft Wärmeerlöse teilweise mehrfach, keine zusätzlichen Aufschlüsse nötig

Z.Z. analytisches und technologisches Screening (DBU-Projekt)

1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04 1,0E+06

t/a

€/aTl

In

Mn

J

Li

KCl

NaCl

Rohstoffpotential (Beispiel) Bohrung Norddeutsches Becken

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ELEKTROCHEMISCHE PROZESSE FÜR DAS RECYCLING SELTENER METALLE

Elektrochemische Prozessschritte für die Stofftrennung

Metallabscheidung / Raffination

Rückgewinnung von Chemikalien

Behandlung von Prozessabwässern

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Recyclingpotentiale für kritische Rohstoffe (Auswahl)

Halbleiter/Elektronik/Elektro-

industrie

Fahrzeugbau/Fahrzeug-recycling

Verbraucher, Kommunen,

Landwirtschaft

Bergbau /Metallurgie

Energie-wirtschaft

Maschinen-Anlagen- und

Gerätebau

Li Energiespeicher MgLi-Legierungen Energiespeicher Haldenmaterial Mobilfunk/Akkus

P Aschen Schlacken Klär-/Gärschlamm

Ga Prod.Abfälle, Laserdio.

Kfz.-Elektronik Geräteelektronik, Sprinkleranlagen

PhotovolaikHochleistungszellen

?

In Prod.Abfälle, LCD Displays (Navi), Displays Haldenmaterial Smartphones,Monitore

Sb Prod.Abfälle Displays, Pb-Akkus Displays, Sensoren(IR)

Haldenmaterial

Te Prod.Abfälle Thermoelektrik? Kühlelemente Dünnschichtzellen Erzaufbereitung

Co Hartmagnet. Werkstoffe

Li-Akkus Hartmetalle Turbinenschaufeln Haldenmaterial Implantate

Ag Lote /Abfälle, RFID-Tags

Kfz-Elektronik GeräteelektronikLote, Elektroden

Solarzellen (Kontakte)

Haldenmaterial HH- und Bürotechnik

Au Kontaktierung Kfz-Elektronik Geräteelektronik HH- und Bürotechnik

PGM Kontakte (Pd), Widerstände (Ru)

Abgas-KatalysatorenLambda-Sonden

Sensoren, Katalyse, Elektroden

Brennstoffzellen Metallraffination

SEE Leuchtpigmente, Magnete, Laser, HTSL

Abgas-Katalysator E-Antriebe,Katalyse,Generatoren, Laser

E-Antriebe, SOFC,Generatoren

Rostfreie Stähle, Speziallegierungen

Leuchtmittel,Fernsehgeräte

Ta Kondensatoren Kfz-Elektronik, Super-Caps

Steuerungen Turbinen Bürotechnik,Mobilfunk

Tl Frequenzfilter, HTSL

Aschen, Rauchgasr. Haldenmaterial Medizintechnik

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Rohstoff

Mech. Aufbereitung

Sortierung

Laugung

Elektrolyse

Extraktion

Fällung / Elektrolyse

Säurerück-

gewinnung

Rückgewinnung von Seltenen Erden-/Metall-Verbindungen aus sekundären Rohstoffen

Produkt

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Rückgewinnung von Seltenen Erden-Verbindungen aus sekundären Rohstoffen

Katalysator Laugung Elektrolyse

Extraktion

Cercarbonat

Lanthanoxalat Säurerückgewinnung

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Rückgewinnung von Tellur aus Dünnschicht-solarzellen

Laugung Elektrolyse

Te-Ausbeute von ca. 1 m2 ModulPV-Modul Shredder

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Rückgewinnung von Indium aus LCD-Displays

LCD-Displays Schichtaufbau Display V=140x

Glas

Po

lari

sati

on

sfil

ter,

Re

fle

kto

r

Po

lari

sati

on

sfil

ter

LC

+IT

O

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Rückgewinnung von Indium aus LCD-Displays

TFT-LCD-Display Delaminierung Kunststoff

Glasfraktion

Laugung Elektrolyse

Glasrecycling

Indium

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