Chemische precipitatie

Principeschema

Principe- en installatiebeschrijving

Het doel van precipitatie is het chemisch neerslaan van opgeloste stoffen in het afvalwater door middel van het toevoegen van een reagens dat een onoplosbare verbinding vormt met de af te scheiden stof. Positieve ionen zoals (zware) metalen maar ook negatieve ionen zoals fosfaten en sulfaten kunnen door precipitatie verwijderd worden. Het neerslaan gebeurt in het algemeen in een 1 op 1 molverhouding, dit wil zeggen dat een molecuul opgeloste stof (bijvoorbeeld SO42- aanwezig in de vorm van goed oplosbaar natriumsulfaat) met 1 molecuul reagens (bijvoorbeeld barium afkomstig van oplosbaar bariumchloride) een onoplosbaar neerslag vormt (in dit geval bariumsulfaat). Vaak is echter een beperkte overdosering vereist voor een volledig verwijdering.

Andere voorbeelden zijn het ontharden van water met kalkmelk (verwijdering Ca en Mg), het defosfateren van afvalwater door middel van ijzerchloride onder vorming van slecht oplosbaar ijzerfosfaat en het verwijderen van zware metalen zoals chroom en nikkel met behulp van natriumsulfide (vorming van metaalsulfides). Andere zware metalen kunnen door pH-verhoging neergeslagen worden als hydroxide. Nadat een stof is geprecipiteerd, kan hij door middel van filtratie, flotatie of bezinking afgescheiden worden van de hoofdstroom. Vaak wordt een polymeer toegevoegd om de afscheiding van het slib te verbeteren.

Specifieke voor- en nadelen

Precipitatie is een bewezen, relatief eenvoudige en goed werkende techniek. Voor een aantal stoffen die met andere technieken moeilijk te verwijderen zijn, kunnen door middel van precipitatie toch goede resultaten behaald worden. Een ander voordeel van deze techniek is dat heel specifieke componenten kunnen worden verwijderd, terwijl andere stoffen juist niet verwijderd worden; de selectiviteit kan dus zeer hoog zijn. In sommige gevallen kunnen afvalstoffen uit andere processen als reagens dienen, voorbeelden hiervan zijn ijzerhoudend slib of hydroxide (vloeibaar of als slib). Door de 1 op 1 verhouding is in het algemeen een grote hoeveelheid reagens nodig, dat vaak erg duur is (zoals bijvoorbeeld in het geval van bariumsulfaat). Een ander nadeel is de grote hoeveelheid slib die geproduceerd wordt. Indien het slib afgezet kan worden als een nuttige reststof levert dit niet al te grote problemen op; als het slib b.v. zware metalen bevat wordt het beschouwd als gevaarlijk afval, met hoge verwerkingskosten tot gevolg.

Toepassing

Precipitatie is de best gekende en meest gebruikte techniek voor verwijdering van metalen en sommige anionen uit afvalwater. In elke sector waar metalen in het afvalwater aanwezig zijn, kunnen toepassingen van precipitatie gevonden worden. Er kan echter opgemerkt worden dat momenteel vaak voor alternatieven gekozen wordt. Oorzaken hiervoor zijn onder meer de relatief hoge effluentconcentraties, de storende invloed van oppervlakteactieve stoffen en complexvormers, en de stijgende kost voor de slibverwijdering.

Enkele typische toepassingen worden aangehaald:

  • Oppervlaktebehandeling van metalen: kalkmelkprecipitatie of  uitzonderlijk ook sulfideprecipitatie voor end-of-pipe zuivering van het afvalwater. Als met kalkmelk gewerkt wordt, kunnen tegelijkertijd ook anionen als fluoride, fosfaat en sulfaat verwijderd worden.
  • Naast end-of-pipe zuivering kan precipitatie ook geïntegreerd worden in het proces, bijvoorbeeld voor metaalterugwinning uit spoelwater van elektrolyseprocessen of Fe-verwijdering uit fluxbaden in thermische verzinkerijen.
  • Precipitatie is een geschikte techniek voor de terugwinning van zilver uit geconcentreerde oplossingen (fixeerbaden) in de grafische sector.
  • Precipitatie is een courante techniek voor afvalwaterzuivering bij de verwerking van minerale producten, onder andere voor de verwijdering van metalen en fluoride.

Randvoorwaarden

Een belangrijke randvoorwaarde is de chemische samenstelling van het water. Als een eerste keuze is gemaakt om een bepaalde stof te co-precipiteren, dient onderzocht te worden welke de optimale pH is, welke stoffen ook mee precipiteren en welke stoffen de precipitatie kunnen beïnvloeden.

Precipitatie werkt niet of zeer slecht in geval er storende ionen aanwezig zijn, zoals complexvormers. Complexvormers zijn stoffen die een goed oplosbaar stabiel complex vormen met de te precipiteren stof. Het reagens dat toegevoegd wordt is niet sterk genoeg om de complexbinding te verbreken en een eigen binding te vormen. Bekende voorbeelden van sterke complexvormers met metalen zijn ethyleendiaminetetra-azijnzuur (EDTA) en nitrilotriacetaat (NTA). In aanwezigheid van de juiste hoeveelheid EDTA kan bijvoorbeeld koper niet worden geprecipiteerd. Naast complexvormers hebben ook stabiliserende stoffen een negatief effect op de precipitatie, bijvoorbeeld vanwege het "drempeleffect". Een stabilisator vormt een verbinding ergens aan de kristalstructuur, waardoor verder aangroeien van de kristallen wordt bemoeilijkt.

De werking van precipitatie kan vooraf vrij nauwkeurig bepaald worden aan de hand van laboratoriumtesten.

Werkingsgraad

Het rendement van precipitatie is hoog. De haalbare eindconcentratie wordt bepaald door het oplosbaarheidsproduct van de verbinding. Voor combinaties van verontreinigingen is moeilijk een eindconcentratie te geven vanwege de interacties van stoffen op elkaar. Haalbare eindconcentraties voor enkelvoudige metalen met Ca(OH)2 als reagens zijn 1-10 mg/l en voor koper, lood, zilver en cadmium met S2- ongeveer 0,1-1 mg/l.

Hulpstoffen

Chemicaliën als reagens; voorbeelden zijn ijzerchloride, polyaluminiumchloride, kalkmelk, ijzerhydroxide en natriumsulfide.

Vaak is pH-correctie noodzakelijk via dosering van zuur en/of base.

Milieu-aspecten

Als reststof wordt chemisch slib gevormd, waarbij onder andere het drogestofgehalte van groot belang is voor een eventuele volgende bewerkingsstap. Slib van precipitatie van zware metalen is gevaarlijk afval.

Kosten

De kosten van deze techniek zijn sterk afhankelijk van de keuze van het reagens. Het doseerniveau is afhankelijk van de hoeveelheid te precipiteren materiaal.

Case 1: studie van een bedrijf actief in de metaalsector (2008).

Precipitatie van de metalen Cr en Mo met Fe(SO4) en polymeer van een afvalwaterstroom van 3 m³/uur.

Investeringskost  545 000 € inclusief reactor, gebouw, slibbuffertank, filterpers, elektromechanische uitrusting.

Werkingskost exclusief afschrijving: 37 000 € per jaar inclusief onderhoud, personeelskost, chemicaliën en slibafvoer(verbranding)

Opmerkingen

Storende stoffen kunnen het proces negatief beïnvloeden. Let op de vorming van schadelijke complexen of schadelijke bijproducten (zoals bijvoorbeeld waterstofsulfide).

Complexiteit

Precipitatie is een redelijk eenvoudig proces.

Automatiseringsgraad

Het proces is goed te automatiseren.

Referenties

  • AEA Technology, Manual of Effluent Process Technology, Environmental & Process Engineering Department, Harwell (GB), 1991
  • Baeyens J., Hosten L. en Van Vaerenbergh E., Afvalwaterzuivering, Stichting Leefmilieu - Kluwer Editorial, 1995
  • EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
  • Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering: treatment, disposal, reuse, McGraw-Hill, 1991
  • TNAV, leverancierbevraging, 2008
  • VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2009

Versie : februari 2010

Producten en diensten: