Strategien und Untersuchungen zum Salzfracht-Rückhalt - Antje Ulbricht, M.Sc. (GFI) Dagmar Meinel (LMBV - KSE) Alexander Müller (LMBV - KSE)

Strategien und Untersuchungen
 zum Salzfracht-Rückhalt

 Antje Ulbricht, M.Sc. (GFI)
 Dagmar Meinel (LMBV - KSE)
 Alexander Müller (LMBV - KSE)

 Dresden, den 09.06.2021

 1

Veranlassung
Haldensickerwasser der Halde Bischofferode + weitere Halden der Region
Derzeitige Situation:
 Ableitung von Sickerwasser von Rückstandshalden des Kalibergbaus über Laugenstapelbecken
 Wipperdorf in Vorfluter unter Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte
 anfallender Haldensickerwasser-Volumenstrom am Laugenstapelbecken Wipperdorf von bis zu
 750.000 m3/a

 Wipper

 Kalihalden Laugenstapelbecken Wipperdorf

 2

Veranlassung
Verschärfung der Situation durch: Klima
 (-prognose)
 Bischofferode

 Laugenstapelbecken Wipperdorf Wipper
Bleicherode ≈ 120 g/L Cl
 Q↓

 Sollstedt Q↓
 max. !
 Q↑
 VSole↑ bzw.
 !
 Vfreier Speicher ↓
 1,5 g/L Cl

 Menteroda

 3

Lösungsansätze
 …weitere siehe Vortrag Weber et al. …

Rückhalt der Salzfrachten vor Einleitung in den Vorfluter zur Deponierung
  Entzug der Salzfrachten aus dem Haldensickerwasser → Salz
 als verwertbares
 Produkt

 Bischofferode
 Salzfracht↓, (Q↓)
 Laugenstapelbecken Wipperdorf Wipper
 Wo ist
 Bleicherode
 welcher
 Lösungs- Sollstedt
 ansatz
 möglich? Menteroda

 Q↓

 Grubenversatz
  Entzug der Sole aus dem System durch Nutzung der Sole
 andere Verwertung

 4

Lösungsansätze
Entzug der Salzfracht und Deponierung des Salzes
 Wird der Sole Wasser entzogen, bilden sich bei Übersättigung Salzkristalle.
 Definition Eindampfgrad ED , 
 = ∙ 100 %
 ( ℎ )

 mittlere Salzkonzentration (Rohsole): 190 g/L
 mittlere Dichte (Rohsole): 1,13 kg/L
 3
 1 m Sole enthält somit 940 L reines Wasser.
 → Werden 1 m3 Sole 470 L Wasser entzogen, entspricht dies einem Eindampfgrad von 50 %.

 ED = 100 % → Zero Liquid
 Discharge (ZLD) - Produktion
 ohne Abwasser

 Schematic illustration of (A) thermal and (B)
 RO-incorporated ZLD systems. [1]

 5

Lösungsansätze
Entzug der Salzfracht und Deponierung des Salzes
 Verdampfungswärme von Wasser
 bei 100 °C (Sieden bei Normaldruck) =
 Technologien und Verfahrensgrenzen 0,63 kWh/kg

 Crystalliser

 Thermal Brine
 Concentrator
 Mechanical
 Vapour
 Compression

 Enhanced RO (ie OPUS, HERO etc)

 Seawater RO
 Brackish Water RO

 Specific energy consumption by RO, brine concentrator,
 and brine crystallizer. [1] Specific Energy Consumption of Salt Concentration Systems [2]

 100 Tm3 Haldensickerwasser ∙ 40 kWh/m3 = 4 MWh

 6

Lösungsansätze
Entzug der Salzfracht und Deponierung des Salzes

 Was geschieht mit dem Destillat? Kosten für die
 Salzentsorgung?

 Kosten für die
 Anlage und den
 Anlagenbetrieb?

 7

Lösungsansätze
Nutzung der Sole als Grubenversatz?

 Nahezu vollständige Eindampfung zur Erfüllung der Bedingungen notwendig
 → vorwiegend Salz, kaum noch Sole
 → nur geringe Einsparmöglichkeiten gegenüber einer vollständigen
 Eindampfung und Deponierung des Salzes

 8

Lösungsansätze
Nutzung von Sole oder Salz als Winterdienstmittel?
 Voraussetzungen laut DIN 16811-1 (Auszug) [5] Die chemischen Anforderungen, die an die
 Sole (NaCl) gestellt werden, sind wesentlich
 geringer.
 Sulfatgehalt:
 Salz: ≤ 1,5 m-%
 Sole: ≤ 6 m-% der TDS *
 NaCl-Anteil:
 Salz: ≥ 97 m-%
 Sole: keine Angabe, die auf die
 Salzmasse (TDS) bezogen ist,
 die gelöst ist → keine konkrete
 „Reinheitsanforderung“

 *≤ 0,6 m-% Sulfat in einer 10 %igen Sole:
 10 %ige Sole  100 g Salz in 1000 g Sole
 ≤ 0,6 m-% Sulfat  maximal 6 g Sulfat in 1000 g Sole
  max. 6 m-% des gelösten Salzes darf Sulfat sein

 9

Lösungsansätze
Nutzung von Sole als Winterdienstmittel?
 Analysen des Haldensickerwassers aus den Stapeltanks in Bischofferode ergaben, dass die
 Sole unter den folgenden Voraussetzungen für den Winterdienst geeignet ist:
 1. Filtration der Sole um größere Festbestandteile zu entfernen
 2. Eindickung der Sole zur Erreichung des Mindestgehalts an NaCl
 a. durch Anreicherung mit NaCl
 b. durch Entzug von Wasser (z.B. mit Hilfe eines Verdampfers)
 26
 Maximalgehalt Winterdienst
 24
 Mindestgehalt Winterdienst
 22
 NaCl-Gehalt [m-%]

 20
 18
 16
 14
 12
 10
 8

 10

Rückblick
 Nutzung von Salz als Winterdienstmittel?
 Modellierung – Laborversuche - Technikumsversuche
 Mittlere Konzentration [g/L]
 Zusammensetzung
 LSB Wipperdorf
 der Sole Kühlwasser im
 Kondensator
 KCl 11,6
 NaCl 145,5
 MgCl2 30,7 Kondensation
 MgSO4 6,5
 CaSO4 2,2
 NaCl/∑Salz [m-%] 74,0 Kondensat-
 Ablauf
 Verdunstung

 Beheizbare Sole-
 m(NaCl)
 m(KCl)
 m(CaSO4)
 m(MgCl2)
 Edelstahlwanne Zulauf
 m(MgSO4) Na/∑Kat
 Kumulative Masse an Kristallisat
 30 180
 Abscheidung
 Salz
 bevorzugter Verdunstungsbereich
Masse CaSO4 , KCl, NaCl [g]

 ab ED [%]
 25 150
 Kumulative Summe [g]

 CaSO4 40
 Na/∑ Kationen [m-%] ,

 NaCl 56
 20 KCl 86 120
 MgCl 2 95
 MgSO4 · 7 H2O 95
 15 ED: Eindampfgrad
 90

 10 60

 5 30

 0 0

 Eindampfgrad [%]

 11

Rückblick: Laborversuche
 100
 Na/∑ Kationen > 97 %
 Verwertbares Produkt
 97 97
 96
 95
 94
Na/∑ Kationen in Ma.-%

 91 91
 90 (ED: 63 - 74 %) (ED: 67 - 77 %) Aufbereitung des
 Kristallisats
 86 86
 durch Waschen
 85 (ED: bis 92 %)
 (ED: 63 - 73 %)

 80 Verdampfungskristallisation bei

 75
 73 (ED: 58 - 76 %)

 70
 Prozess- Prozess Prozess- Prozess- Prozess- Salz/Wasser Salz/Wasser Salz/Wasser Salz/Wasser
 tempratur 80 °C tempratur 60 °C tempratur 50 °C tempratur 30 °C tempratur 30 °C keine Vorgabe 3:4 3:2 1:1
 Mit Zugabe von Ohne Zugabe
 NaCl- von NaCl-
 Impfkristallen Impfkristallen

 12

Rückblick: Technikumsversuche
 (Teil-) Waschen; Waschen;
 Eindampfen Wasser Wasser
 Salz abziehen Salz abziehen Salz

 S nach Eindampfen S1; m(S):m(WW) = 4 S2; m(S):m(WW) = 4
 ZW-Dt. (NaCl/∑Salz) ZW-EU (NaCl/∑Salz)
 100
 S…Salz
 WW…Waschwasser
 Na/∑Kat; NaCl/∑Salz [m-%]

 95
 ZW…Zielwert
 90

 85

 80
 Versuche mit
 75 Eindampfgraden
 > 90 %
 70
 T6-1 T6-2 T6-3 T6-4 T6-5 T6-6 T7-1 T7-3 T7-5 T8-1 T8-3 T8-5
 Versuch

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Standortwechsel
Bischofferode
 An der Halde Bischofferode fällt der
 größte Anteil der Haldenabwässer in der
 Region (314000 m3/a) an.

 Das Haldenabwasser in Bischofferode
 hat gegenüber der Mischsole im LSB
 Wipperdorf eine bessere Qualität
 hinsichtlich der NaCl-Reinheit
 → höhere Massenerträge sind zu
 erwarten/es fällt weniger Restsole an

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derzeitige Versuche
 Restsole Restsole Restsole Restsole

 Salz mit
 EV Z1 W1 Z2 NaCl-
 Eindampfen Gehalt
 Sole (Vakuum- Entwässerung Waschen Entwässerung von
 Verdampfer) (Zentrifuge) (Mischer) (Zentrifuge) mind.
 97 m-%

 Destillat

 15

derzeitige Versuche Salz(Rohsole)
 WV1
 EV
 Z2
 Z1
 Zielwert
 100

 NaCl-Gehalt [m-%]
 98

 Zwischenergebnisse 96
 94
 92
 Salzqualität:
 90
 88

 10-01-02

 11-01-02

 12-01-02
 06/1-01-02

 07/1-01-02

 07/2-01-02

 08/1-01-02

 09/1-01-02
 Ausbeute (Grobbilanz):
 Versuchsfolge
 Restsole
 0,25 m3 gesättigt
 110 kg
1 m3 Salz mit
 EV Z1 Salz W1 Z2
 NaCl-
 Sole Eindampfen
 Gehalt
 (ED 80 %) Entwässerung Waschen Entwässerung
TDS 130 kg von mind.
190 kg 97 m-%
 0,75 m3 0,05 m3

 Destillat

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derzeitige Versuche
Optimierung der Versuche durch eine kleine Industriezentrifuge

Fokus der kommenden Versuche
  Steigerung der Produktausbeute
  Verringerung der notwendigen Waschwassermenge
  Erreichen eines geringeren Wassergehalts

 Restsole

 Eindampfen Entwässerung Salz mit NaCl-
 Sole (Vakuum- + Waschen Gehalt von mind.
 Verdampfer) (Zentrifuge) 97 m-%

 Destillat

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Zusammenfassung und Ausblick
 Es existieren verschiedene Handlungsstrategien zur Reduzierung der Salzfracht.

 Eine Eindampfung ist technisch generell möglich, jedoch verursacht diese hohe Kosten,
 vor allem wenn kein verwertbares Produkt entsteht.
  derzeit effektivste Lösung bezüglich des Salzfrachtrückhalts
  Angemessenheit/Verhältnismäßigkeit v.a. durch Handlungsdruck bestimmt
  dort sinnvoll, wo potenziell günstige Energiequellen vorhanden sind

 Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung der Haldensickerwässer
 der Halden, gibt es keine Standardlösung zur Herstellung eines verwertbaren Produkts.
 Standortspezifische Betrachtungen und Versuche sind notwendig.

 Eine Verwertung im Bereich des Winterdienstes scheint eine mögliche Lösung zu sein,
 zumindest für die Halde Bischofferode.
  Verwertung der Sole → Pilotversuche im Winter werden angestrebt
  Herstellung eines verwertbaren Salzes → derzeitige Versuchsergebnisse sind
 vielversprechend

 18

Vielen Dank für Ihre
 Aufmerksamkeit!

…und natürlich vielen Dank an
 alle Beteiligten!

 19

Quellen
[1] Tong T, Elimelech M. The Global Rise of Zero Liquid Discharge for Wastewater Management: Drivers,
 Technologies, and Future Directions. Environ Sci Technol. 2016 Jul 5;50(13):6846-55. doi:
 10.1021/acs.est.6b01000. Epub 2016 Jun 22. PMID: 27275867.
[2] Nicoll, Peter & Mehta, Soham. [2018] Novel Technology for Concentration of Brine Using Membrane-Based
 System.
[3] Dennis Rheinsberg [2021] Klimaschutzpolitik setzt Energiekosten der Industrie unter Strom. 12. Februar
 2021, IKB Deutsche Industriebank AG. Erreichbar via. https://www.ikb-blog.de/klimaschutzpolitik-setzt-
 energiekosten-der-industrie-unter-strom/, abgerufen am 02.06.21.
[4] Ergänzung zum Abschlussbetriebsplan Bergwerk Bischofferode; Einleitung mineralisierter Lösungen aus
 Fremdbezug. Aktualisierung des 1. Nachtrags; Bau und Betrieb einer Tanklastzugentleerung einschließlich
 erforderlicher Zwischenpufferbehälter in Großbodungen sowie Einleitung von Lösungen in Grubenbaue des
 Bergwerkes Bischofferode über die Flutungsbohrung Großbodungen (FL Bi 00/01). Teil A; Einleitung der
 mineralisierten Lösungen aus Fremdbezug mit geotechnischer Überwachung und Qualitätssicherung.
 Abschnitt 3 Erläuterung des Vorhabens. (Ausschnitte durch Fr. Meinel überreicht)
[5] DIN EN 16811-1:2016-10, Winterdienstausrüstung - Enteisungsmittel - Teil 1: Natriumchlorid -
 Anforderungen und Prüfverfahren; Deutsche Fassung EN 16811-1:2016.

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