Removal of aluminum content of concentrated salt solutions by ion exchange: Experimental and simulation study = Tömény sóoldatok alumíniumtartalmának eltávolítása ioncserés eljárással: kísérleti és szimulációs elemzés

Csorba, Benjámin and Tóth, Péter and Mihalkó, Andrea and Farkas, László and Boros, Renáta Zsanett and Gresits, Iván László (2025) Removal of aluminum content of concentrated salt solutions by ion exchange: Experimental and simulation study = Tömény sóoldatok alumíniumtartalmának eltávolítása ioncserés eljárással: kísérleti és szimulációs elemzés. SCIENTIA ET SECURITAS. ISSN 3057-9759 (In Press)

Preview

Text 112-article-10.1556-112.2025.00317.pdf - Published Version Available under License Creative Commons Attribution. Download (7MB) | Preview

Abstract

In the chlor-alkali industry, membrane cell technology requires a significantly purer raw brine than other methods. Further developments of ion exchange for aluminum removal have been required. Several chelating ion exchange resins have been characterized and their Al-binding properties compared. Total binding capacities, breakthrough curves were determined, the effects of pH, temperature, feed brine composition, and column geometry were investigated. Aminomethylphosphonic acid functionalized resins were found to be effective, achieving effluent Al concentrations below 0.01 ppm. At a flow rate of 30 bed volumes per hour and an inlet Al content of 0.5 ppm, a cycle time of up to one month can be achieved. The optimal binding pH is 2.5–3.0, and temperature increase enhances binding efficiency. | A klór-alkáli iparban a korábban elterjedt higanykatódos elektrolízist napjainkra a környezetbarátabb és gazdaságosabb, jelenleg a klórgyártás legjobb elérhető technológiájának (BAT) minősülő membráncellás módszer váltotta fel. Ezen technológia azonban jóval tisztább, fémszennyezőket (jellemzően Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Fe) legfeljebb ppb (milliárdodrész, tömegre vetítve) nagyságrendben tartalmazó sólevet igényel. Míg az alkáliföldfémek eltávolításával számos szerző foglalkozott, az alumínium eltávolítása további fejlesztéseket igényelt. Munkánkban ezen fém ioncserés eltávolításának kísérleti és szimulációs vizsgálatával foglalkoztunk. Kísérleteinkhez több különböző gyártótól származó, különböző funkciós csoportokkal rendelkező ioncserélő gyantákat használtunk, melyeket karakterizáltuk. Vizsgáltuk az egyes gyanták teljes Al-megkötő kapacitását, és annak pH-függését is. Ez alapján az aminometilfoszfonsav funkciós csoportú gyanták Al-megkötő kapacitása 0,65–0,71 mol/L (nedves, Na+ formájú gyanta halmaztérfogatára vonatkoztatva), az optimális pH 2,5–3,0. Ezen tartomány jelentősen eltér az alkáliföldfémek iminodiacetát gyantával történő megkötésének optimális pH-tartományától, így a két megkötési cél egyazon oszlopban, kevert gyantaággyal nem valósítható meg, az alumínium eltávolításához külön ioncserélő oszlop szükséges. A jellemző üzemi körülményeket jól modellező folyamatos megkötési kísérleteket is végeztünk, vizsgálva a hőmérséklet, az oszlopgeometria, a belépő sólé-összetétel és a gyanta telítettségi fokának hatását. Az eltávolítási hatékonyság a hőmérséklet emelésével jelentősen javult, a klór-alkáli iparban jellemző 60 °C hőmérsékleten 0,01 ppm alatti végső Al-koncentráció is elérhető volt. A BAT-beli kilépő Al-koncentrációlimitet figyelembe véve 50% feletti kapacitáskihasználás is megvalósítható volt. A gyantaágy geometriájának és a további jellemző fémszennyezők jelenlétének nem volt jelentős hatása. Az ioncsere folyamatát a Homogén Felületi Diffúzió Modellje (HSDM) alkalmazásával is vizsgáltuk, kísérleti adataink alapul vételével. A szimuláció során a méretnövelés megvalósíthatónak bizonyult, 30 BV/h sóléáram (30-szoros gyantaágy-térfogatnak megfelelő sólé átáramlása óránként) és 0,5 ppm belépő Al-koncentráció mellett akár 1 hónapos ciklusidő is elérhető volt. Vizsgáltuk a sóléáram, a belépő Al-tartalom, a gyanta mennyiségének és a gyantaágy geometriájának hatását is, felvéve áttörési görbéket, izoplánokat és izokronokat. Ez alapján a rendszer áttörése a belépő Al-tartalom időszakos megemelkedésekor sem következik be jelentősen korábban, a gyantaágy geometriájának nincs jelentős hatása, és az eltávolítás még 60 BV/h térfogatáramnál is hatékony, azonban rövidebb ciklusidő mellett. Eredményeinket felhasználva Magyarország klór-alkáli iparágának vezető vállalata, a BorsodChem Zrt. új, 13 m3 aminometilfoszfonsav csoportú gyantát tartalmazó ioncserélő oszlopot telepített mindkét membráncellás üzemébe, melyek megfelelő üzembiztonsággal üzemelnek.

Actions (login required)

Edit Item