Upscaling and testing of a procedure for precipitation of metal oxides and metals from wastewater

Anagnostopoulos, Iphigenia Franziska (2024): Upscaling and testing of a procedure for precipitation of metal oxides and metals from wastewater. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Water is essential for metal processing. Consequently, significant amounts of heavy metal-loaded wastewater are produced during the processing and manufacturing of metals. These wastewaters are classified as hazardous and toxic to humans and the environment. The collection of these wastewater as mixed wastewater makes their treatment challenging due to their complex composition. The conventional treatment method is a neutralisation process leading to the precipitation of heavy metals as hydroxides. This causes large amounts of voluminous sludge, usually disposed of in hazardous landfills. Recently, waste has received greater attention as a potential metal resource for economic and strategic reasons. Accordingly, research focuses on developing extraction methods of metals from waste. An innovative concept is the so-called Specific Product-Oriented Precipitation (SPOP) process, which aims to purify metal-bearing wastewater and recover the contained metals as a secondary resource. This thesis focuses on scaling up the SPOP process, which has been carried out as a laboratory process. This includes the installation and optimisation of a pilot facility and its software. Three different wastewater systems (Zn, Au, and Cu) were tested using real and model wastewater. The effect of impurities in real wastewater was also tested using Cu-enriched electroplating wastewater with lower Zn, Pb, Ni, Cr, and Mn concentrations. Applying a one-step process demonstrated the recovery of Zn as ZnO and Cu as ferrite or CuO, depending on the addition of Fe to the system. In a two-step process, Au is obtained as zero-valent Au in the first step and Fe as ferrite in the second step. The treatment with the pilot facility shows good results regarding product-oriented phase formation and water purification. An alteration of the suspension generally leads to reduced metal concentrations, and limit values for discharge are met for Zn, Pb, Ni and Cr. With the upscaling of the process, new parameters became relevant. The stirring speed during precipitation influenced the phase formation and composition. Modifying the SPOP process into a continuous mode enabled the treatment of a larger volume of wastewater in a shorter process time. This variant proved particularly effective for forming specific phases such as delafossite (ABO2). Overall, it could be shown that the upscaling of the process was successful, as the laboratory and pilot scale results are comparable. The results of this thesis show that the SPOP process is robust and can be operated in an automated batch mode, treating larger wastewater quantities in series, which is a requirement for industrial implementation.

Abstract

Wasser ist ein wesentlicher Rohstoff für die Metallverarbeitung. Daher fallen bei der Verarbeitung und Herstellung von Metallen erhebliche Mengen an schwermetallhaltigen Abwässern an. Diese werden allgemein als gefährlich eingestuft, da sie für Mensch und Umwelt schädlich sind. Die Sammlung dieser Abwässer als gemischte Abwässer macht ihre Behandlung aufgrund ihrer komplexen Zusammensetzungen zu einer Herausforderung. Die herkömmliche Behandlungsmethode ist ein Neutralisationsfällungsverfahren, bei dem die Schwermetalle in Form von Hydroxiden ausgefällt werden. Dieses Verfahren verursacht jedoch große Mengen an voluminösen Schlämmen, welche in der Regel auf Sondermülldeponien entsorgt werden. In jüngster Zeit findet Abfall aus wirtschaftlichen und strategischen Gründen größere Beachtung, da er eine potenzielle Metallressource darstellt. Dementsprechend konzentriert sich die Forschung auf die Entwicklung von Extraktionsmethoden für Metalle aus Abfällen. Ein innovatives Konzept für die Rückgewinnung von Metallen aus Abwässern ist der sogenannte „Spezifische Produkt-Orientierte Präzipitations“ (SPOP) Prozess, welcher zum Ziel hat Abwasser zu reinigen und die enthaltenen Metalle als Sekundärressource zurückzugewinnen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Skalierung des SPOP-Prozesses, welches bisher als Laborverfahren angewendet wurde. Dabei wurde eine Technikumsanlage installiert und die automatisierte Behandlung inklusive der Software optimiert. Drei Abwassersysteme (Zn, Au und Cu) wurden mit Industrie- und Modellabwässern getestet. Der Einfluss von Verunreinigungen wurde mit Cu-angereichertem Galvanikabwasser mit niedrigeren Konzentrationen an Zn, Pb, Ni, Cr und Mn getestet. Die Anwendung eines einstufigen Prozesses zeigte die Rückgewinnung von Zn in Form von ZnO und Cu in Form von Ferrit oder CuO, je nach Zugabe oder Ausschluss von Fe zum System. In einem zweistufigen Verfahren wurde erst nullwertiges Au und im zweiten Schritt Fe als Ferrit gewonnen. Eine Alterung der Suspension führt im Allgemeinen zu verringerten Metallkonzentrationen und die Grenzwerte für die Einleitung konnten für Zn, Pb, Ni und Cr eingehalten werden. Damit konnte gezeigt werden, dass sowohl eine produkt-orientierte Phasenbildung als auch eine Wasserreinigung mit der SPOP Technikumsanlage möglich ist. So erwies sich beispielsweise die Rührgeschwindigkeit während der Fällung als ein einflussreicher Prozessparameter für die Phasenbildung und -zusammensetzung. Durch die Modifizierung des SPOP-Verfahrens in einen kontinuierlichen Betrieb konnte eine größere Abwassermenge in einer kürzeren Prozesszeit behandelt werden. Diese Variante erwies sich als besonders geeignet für die Bildung von Delafossit (ABO2). Insgesamt konnte gezeigt werden, dass das Upscaling des Prozesses erfolgreich war, da die Ergebnisse im Labor- und Pilotmaßstab vergleichbar sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das SPOP-Verfahren robust ist und in einem automatisierten Batch-Modus betrieben werden kann, um größere Abwassermengen in Serie zu behandeln, was eine Voraussetzung für die industrielle Umsetzung ist.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Juli 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Heuss-Aßbichler, Soraya