Principeschema
Principe- en installatiebeschrijving
In een kristallisatiereactor worden in water opgeloste anorganische componenten (ionen) verwijderd door de vorming van een neerslag op een geschikt dragermateriaal. Men voegt hiervoor een reagens toe dat een onoplosbaar zout vormt met het te verwijderen ion. De chemische reacties zijn gelijk aan die van de traditionele chemische precipitatie (zie technische fiche 'Chemische precipitatie'), de uitvoeringsvorm is echter verschillend.
Een korrelreactor bestaat uit een cilindrische kolom, gedeeltelijk gevuld met geschikt entmateriaal (meestal filterzand), waarop kiemvorming en kristalgroei kan optreden. Het water wordt opwaarts door de reactor gepompt, met een snelheid die hoog genoeg is opdat het korrelbed zich in gefluïdiseerde toestand bevindt. Het reagens wordt eveneens onderaan toegevoegd, in voldoende overmaat. Door het grote contactoppervlak van het gefluïdiseerd bed treedt snel volledige kristallisatie op. De korrels groeien geleidelijk aan en zakken als gevolg van hun gewicht naar beneden. Regelmatig worden korrels afgetapt en vers entmateriaal bijgevuld. Meestal wordt het effluent gedeeltelijk gerecirculeerd. Afhankelijk van het soort afvalwater en ion kunnen geringe hoeveelheden zwevende stof worden geproduceerd. In dit geval moet een filter worden voorzien in de recirculatiestroom.
Specifieke voor- en nadelen
Door de procescondities in de korrelreactor kristalliseren de te verwijderen ionen rechtstreeks uit in het kristalrooster van de korrels, zodat relatief zuivere, vrijwel watervrije korrels worden geproduceerd (watergehalte 5-10%), die voor hergebruik geschikt zijn. Nevenverontreinigingen, zoals organische stoffen, zwevende stoffen en andere ionen worden vrijwel niet ingebouwd. Dit is een specifiek voordeel t.o.v. precipitatie, waarbij volumineuze vlokken worden gevormd waarin alle nevenverontreinigingen worden gevat, zodat hergebruik meestal uitgesloten is. De kristallisatiereactor is een zeer compacte installatie. Het belangrijkste nadeel is dat kristallisatie een relatief nieuwe techniek is, waarmee nog niet veel industriële ervaring is opgedaan. De kosten voor chemicaliën zijn relatief hoog, maar kunnen gecompenseerd worden als men een nuttige toepassing heeft voor de kristallen.
Toepassing
Kristallisatie onder de vorm van korrelreactoren werd courant toegepast voor de ontharding van leiding- en proceswater. Kristallisatie in een korrelreactor is echter breed toepasbaar; de elementen Li, K, Mg, Ca, Sr, Zr, V, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Al, Sn, Pb, Te, F en de verbindingen CO3-, NH4+, PO43-, SO42- zijn reeds met succes teruggewonnen in een korrelreactor.
Sectoren waarin de korrelreactor wordt toegepast zijn bijvoorbeeld:
- Kristallisatie van metaalzouten uit hoog geconcentreerde oplossingen (procesbaden), waarbij de kristallijne fractie in het bedrijf zelf of in de ertsverwerkende industrie hergebruikt kan worden;
- Ook afvalwater van de chemische en ertsverwerkende industrie dat Hg, Zn, Cu, Ni, Cr, Mn, Cd, Ag en Fe bevat, kan behandeld worden.
- Verwijdering van fluoride onder de vorm van CaF2 kristallen. Enkel vrije fluoride ionen kunnen verwijderd worden, gebonden fluoride ionen worden niet verwijderd.
- Verwijdering van fosfaat als calcium-, magnesium-, magnesiumammonium- of kaliummagnesiumfosfaat; de effluentconcentratie is afhankelijk van het gekozen kristal; met calciumfosfaat bedraagt de effluentconcentratie minder dan 0,5 mg/l P. Een voorbeeld is de verwijdering van fosfaat door kristallisatie uit anaeroob gezuiverd afvalwater van de voedingsnijverheid (aardappelverwerking).
Randvoorwaarden
Afgezien van zwevende stoffen, driewaardig ijzer en hoge concentraties sterke oppervlakteactieve stoffen treedt vrijwel geen verstoring van de kristallisatie op door in het afvalwater aanwezige verontreinigingen. Afvalwater met concentraties van 10 tot 100.000 mg/l kan worden behandeld. Schommelingen in de ingangsconcentratie kunnen opgevangen worden door de circulatieverhouding aan te passen. De hydraulische belasting van de kristallisatiereactor wordt best tussen de 40 en 75 m/u gehouden. Leverbare diameters van full-scale reactoren zijn 0,4 tot zelfs 3,5 meter. De optimale pH is afhankelijk van de verbinding die uitgekristalliseerd wordt.
Werkingsgraad
De procescondities kunnen meestal zodanig worden ingesteld dat naar wens één metaal of anion selectief wordt verwijderd of dat juist enkele metalen of anionen gecombineerd worden verwijderd. De benedengrens voor verwijdering wordt bepaald door het oplosbaarheidsproduct van de uitkristalliserende verbinding.
Hulpstoffen
Per type ion moet een geschikt reagens gekozen worden, zodat kristallen gevormd kunnen worden.
Milieu-aspecten
Enkel korrels worden afgetapt uit de reactor. Hergebruik van het uitgekristalliseerde materiaal is soms mogelijk.
Kosten
Een case studie voor toepassing van een korrelreactor voor fluorideverwijdering uit een stroom met een debiet van ~10 m³/uur heeft een investeringskost van 500 000 €. Het energieverbruik bedraagt 220 kWh.
Opmerkingen
Geen
Complexiteit
De complexiteit van het systeem is relatief laag. De keuze van de procesvoorwaarden en een nauwgezette procesopvolging zijn kritisch om een goede werking (effluentkwaliteit en kwaliteit van de kristallen) te garanderen.
Automatiseringsgraad
Het systeem kan volledig geautomatiseerd worden.
Referenties
- 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)
- Giesen A., Crystallisation process eables environmental friendly phosphate removal at low costs, in Environmental Technology, Vol. 20, Issue 7, pp 769-775, 1999
- VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2009
- http://water.dhv.com
Versie : februari 2010