Reinigung flüssiger Industrieabfälle der Metallindustrie mit Zeolithen

Masterarbeit – Autorin: Eirini Papadimitriou, Betreuerin: Ch. Karagianni, außerordentliche Professorin, Nationale Technische Universität Athen, Fakultät für Chemieingenieurwesen, 2010.

Das Problem weitreichender Verschmutzungsereignisse durch Schwermetalle und toxische Chemikalien infolge der unkontrollierten Handhabung giftiger und gefährlicher Industrieabfälle ist nicht nur in Griechenland aufgetreten, sondern auch in anderen europäischen Ländern wie Frankreich, Italien, Irland u. a. Es wird zudem als ein sehr ernstes, tatsächlich bestehendes Problem anerkannt, das als europäisches Problem behandelt werden muss und sofortiges Handeln erfordert.
Einerseits hat das wirksame Management des Umweltrisikos Priorität, um die öffentliche Gesundheit zu schützen und den unmittelbaren Zugang zu sauberem Wasser sicherzustellen; andererseits steht die Sanierung der Umwelt an, bei der erstmals auch die Rechtsvorschriften zur Umwelthaftung angewendet werden sollen, nach denen „der Verursacher zahlt“, und zwar die Kosten der Maßnahmen zur Vermeidung und Sanierung des Umweltschadens.
Das Unternehmen „Aluminium of Greece S.A.“ (ALOUMINION ELLADOS A.E.) ist eine der größten Industrieanlagen Griechenlands mit einer jährlichen Produktionskapazität von 165.000 Tonnen Aluminium. Als Rohstoff dient Bauxit, aus dem mit dem bekannten Bayer-Verfahren (Behandlung des Bauxits mit konzentrierter Natronlauge bei hoher Temperatur und hohem Druck) reines Aluminiumoxid gewonnen wird. Die bei der Behandlung des Bauxits mit der Natronlauge entstehende Lösung enthält Natrium-, Kalium-, Calcium-, Eisen-, Aluminium- und Titanionen sowie gelöste Siliciumverbindungen und Sulfatreste, die aus der Auslaugung eines Teils der Ionen der festen Bauxitmasse in die genannte wässrige Lösung stammen. Letztere, die auch Spuren radioaktiver Elemente enthält, ist für die industrielle Verwendung ungeeignet, da die Anwesenheit der genannten Elemente die Wirkung der ursprünglichen Lösung bei neuen Bauxitchargen verringert und/oder hemmt; ihre Wiederaufbereitung bleibt daher für die Aluminiumindustrie ein schwer lösbares Problem. Darüber hinaus ist ihre Einleitung ins Meer gefährlich für die menschliche Gesundheit. Von entscheidender Bedeutung ist daher die vollständige Reinigung der Abfalllösung des Bauxitaufschlusses sowohl von den genannten Spurenelementen als auch von NaOH, damit sie im Bayer-Verfahren wiederverwendet werden kann.
In diesem Zusammenhang und um eine Lösung für das Problem vorzuschlagen, wurde die vorliegende Diplomarbeit erstellt. Konkret wurde die Rolle der Adsorption der Eisen- und Aluminiumionen der genannten Abfalllösung des Bauxitaufschlusses (nach dem Bayer-Verfahren) an griechischem Naturzeolith eingehend untersucht (einem günstigen, lokal verfügbaren und umweltfreundlichen Adsorbens, da in Griechenland reichlich Lagerstätten vorhanden sind, wie etwa die untersuchte Probe aus dem nördlichen Evros) sowie an synthetischem Zeolith. Es wurden kinetische Experimente in einem diskontinuierlich betriebenen Reaktor (Batch-Reaktor) bei Umgebungstemperatur durchgeführt, aus deren Ergebnissen Schlussfolgerungen zum Adsorptionsmechanismus und zu den Adsorptionsisothermen der untersuchten Kation/Zeolith-Systeme gezogen wurden. Dabei zeigte sich, dass die Adsorption von Eisenkationen an griechischem Naturzeolith (87 Gew.-% Klinoptilolith) sowie an synthetischem Zeolith (Baylith WE894: Typ 13X) einer Kinetik pseudo-zweiter Ordnung (pseudo-second order chemical reaction kinetics) folgt und sehr zufriedenstellend durch die Isothermen von Freundlich, Dubinin-Kaganer-Radushkevich und Temkin beschrieben wird, während die Adsorptionskinetik von Aluminiumkationen an griechischem Naturzeolith einem Mechanismus folgt, der gleichermaßen gut durch die einfachen kinetischen Modelle erster und zweiter Ordnung (simple first and second kinetic model), das Modell der intrapartikulären Diffusion (intraparticle-diffusion model) sowie die kinetischen Modelle von Elovich und Freundlich beschrieben wird. Diese kinetischen Modelle beschreiben den Mechanismus der Adsorption von Aluminiumionen an griechischem Naturzeolith zufriedenstellend, entweder für denselben Zeitraum (parallele Mechanismen – Koexistenz) oder für aufeinanderfolgende Zeiträume (Mechanismuswechsel – Beteiligung). Chemisorption wird für Aluminium zumindest über den gesamten Untersuchungszeitraum von zwei Stunden nicht beobachtet, auch wenn nach etwa anderthalb Stunden die Kinetik pseudo-zweiter Ordnung die experimentellen Daten zufriedenstellend zu beschreiben scheint. Dieses letzte experimentelle Ergebnis bedeutet möglicherweise die langsame Bildung chemischer Bindungen des adsorbierten Aluminiums mit Bestandteilen bzw. Gruppen der Zeolithoberfläche (möglicherweise in tieferen Schichten derselben). Angesichts der Koexistenz von Eisen- und Aluminiumionen in der Abfalllösung und der Tatsache, dass Eisen nahezu sofort an der Zeolithoberfläche chemisorbiert wird, bleibt die Möglichkeit, dass auch das Aluminium – selbst zu fortgeschrittenen Zeiten – am Zeolith chemisorbiert wird, jedoch wahrscheinlich eine Möglichkeit, die sich nicht verwirklicht, und zwar wegen der „Blockierung“ der Poren der Oberfläche des festen Adsorbens durch das bereits gebildete Niederschlagsprodukt aus Eisentrioxid. Was schließlich das Isothermenmodell betrifft, dem die Adsorption von Aluminiumionen am Zeolith (griechischer Naturzeolith oder synthetisch) folgt, so beschreiben die Adsorptionsisothermenmodelle von Freundlich, Dubinin-Kaganer-Radushkevich und Temkin die physikalische Sorption von Aluminium am Zeolith zufriedenstellend.
Allerdings gehorcht keines der untersuchten Adsorptionssysteme Metallion/Zeolith der Adsorptionsisotherme nach Langmuir.