Extraktion -Industrieprojekt mit der BAYER AG
Trennung von Kobalt und Nickel durch Reaktivextraktion
Die Trennung von Kobalt und Nickel in reine Komponenten ist schwierig, aufgrund ihres ähnlichen physiko-chemischen Verhaltens. Die Lösungsmittelextraktion bietet hierfür eine geeignete Prozeßvariante. Im Zuge der Prozeßintensivierung stehen in der Verfahrenstechnik die Steigerung der Ausbeute, sowie die Erhöhung der Trennleistung im Vordergrund um nachgeschaltete Wasch- oder Trennstufen einzusparen. Hierfür bedarf es für die Modellierung genauer physikalisch-chemischer Modelle, die das Extraktionsverhalten abbilden. Neben den Gleichgewichten als treibendes thermodynamisches Gefälle für den Stofftransport interessiert für die Auslegung von Extraktionsapparaten die Geschwindigkeit mit der der Stofftransport abläuft, die Stofftransportkinetik.
Die Extraktionsgleichgewichte (Reaktionsgleichgewichte) von Kobalt und Nickel werden mit einem selektiven Ionentauscher, einer Phosphinsäure, vermessen. Die Extraktionsausbeute steigt mit zunehmendem pH-Wert, Kobalt wird bei niedrigen pH-Werten bevorzugt über Nickel extrahiert, eine Trennung ist somit möglich (s. Abb.1).
Um ein Modell für die Gleichgewichtskonstante zur Verfügung zu stellen, welches über einen großen Konzentrationsbereich Gültigkeit besitzt, müssen die Nichtidealitäten beider Phasen berücksichtigt werden. Die Aktivitätskoeffizienten der wässrigen Komponenten werden mit Hilfe des gE-Ansatzes von Pitzer, die der organischen Komponenten mit dem gE-Ansatz von Hildebrand-Scott berechnet. Zur Modellierung der Gleichgewichte bedarf es Informationen über den vorliegenden Metallkomplex in der organischen Phase; dieser wird indirekt mit Hilfe der FT-IR Spektroskopie ermittelt, durch Bestimmung des unbeladenen Ionentauschers nach Extraktion.
Für die Beschreibung der Kinetik des Stoffübergangs sind mehrere Parameter entscheidend: Die Tropfengrößenverteilung, die chemische Reaktion an der Phasengrenze sowie die Strömungsbedingungen in einem Extraktionsapparat beeinflussen den Stoffübergang. Die Kinetik des Extraktionsgeschehens wird anhand von Einzeltropfenexperimente in einer Tropfensäule untersucht (s. Abb.2). Die Reaktionsraten des Systems werden in einer Rührzelle vermessen, wobei das sogenannte Plateaugebiet eingestellt wird, dort herrscht ein reaktionslimitiertes Regime. Die so erhaltenen Kinetikparameter werden in geeignete Stoffübergangsmodelle implementiert.