Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6994

Elimination of Health-Relevant Heavy Metals From Raw Waters of the Drinking Water Supply in the PR China by Means of Weakly Basic Anion Exchange Resins

Wolfgang H. Höll, Zhao Xuan, Klaus Hagen

Abstract
The selective elimination of traces of heavy metals from raw waters of the drinking water supply by means of commercially available weakly basic anion exchangers has been investigated. Target spe-cies were heavy metal cations (of Hg, Cd, Zn, Ni, Cu, Pb) and chromate (Cr(VI)) anions.

In the laboratory investigations, suitable anion exchangers were indentified. The phenol formaldehyde-based resin Duolite A7 revealed optimum properties for sorption of practically all heavy metal cations. Acrylic weakly basic exchangers provide optimum properties for chromate removal. Both kinds of ex-changers also remove part of the natural organic matter. In parallel investigations in China Chinese anion exchangers were investigated. Further fundamental investigations comprised the sorption mechanism, the rate-controlling step and the conditions of optimum regeneration and rinsing. Further-more, a mathematical approach for prediction of the filter breakthrough performance was tested.

In the pilot scale experiments were carried out at several sites in China to demonstrate the processes and to obtain economic data about the application. Experiments at Shenyang showed that chromate concentrations of about 100 µg/L Cr(VI) can be decreased below the standard of 50 µg/L for about 4000 bed volumes. Experiments at Haikou showed that mercury concentrations of about 2 µg/L can be diminished below 1 µg/L for more than 15000 m³/m³ of exchanger. The experiments at Huludao dem-onstrated that a simultaneous elimination of copper and mercury species, again at very large specific throughputs is achieved. In all cases only few m³ of sulfuric acid, NaOH solution and rinsing water were required. Evaluation of the cost of chemicals and energy revealed that the specific operating cost of the selective elimination are in the range of € 0.02/m³ to € 0.05/m³.

Elimination gesundheitsbedenklicher Schwermetalle aus Rohwässern der Trinkwasserversorgung in China mit Hilfe schwach basischer Ionenaustauscherharze

Zusammenfassung
In Grundlagenuntersuchungen und Vor-Ort-Feldversuchen im Pilotmaßstab wurde die selektive Elimi-nation von Spuren von Schwermetallen aus Rohwässern der Trinkwasserversorgung in China mit Hilfe handelsüblicher schwach basischer Anionenaustauscher untersucht. Ziele waren die Elimination von Schwermetallkationen, insbesondere von Hg, Cd, Zn, Ni, Cu, Pb sowie von Chromat (Cr(VI)).

In Grundlagenversuchen im Laboratoriumsmaßstab wurden geeignete Anionenaustauscher identifi-ziert. Der auf der Basis von Phenol und Formaldehyd hergestellte Austauscher Duolite A7 weist opti-male Eigenschaften für die Sorption praktisch sämtlicher Schwermetallkationen auf. Chromat kann am besten mit Austauschern auf Acrylamidbasis entfernt werden. Beide Arten von Austauschern entfer-nen gleichzeitig auch einen Teil der natürlichen organischen Wasserinhaltsstoffe. In parallelen Unter-suchungen in China wurden Austauscher chinesischer Produktion getestet. Weitere Grundlagenver-suche konzentrierten sich auf den Sorptionsmechanismus und die Bedingungen einer optimalen Re-generation und Spülung. Ferner wurde ein mathematischer Ansatz zur Simulation des Filterbetriebs getestet.

In Vor-Ort-Versuchen wurden die Prozesse im Pilotmaßstab an mehreren Standorten in China de-monstriert. Die Versuche wiesen nach, daß eine selektive Verminderung des Cr(VI)-Gehalts von 100 µg/L unter den Grenzwert von 50 µg/L erreicht wird. Pro m³ Austauscher können dabei ca. 4000 m³ Wasser behandelt werden. Bei Quecksilber gelingt eine selektive Elimination von etwa 2 µg/L auf we-niger als 1 µg/L für mehr als 15000 m³ Wasser pro m³ Austauscher. Regeneration und Spülung benö-tigen wenige m³ Schwefelsäure, Natronlauge und Spülwasser. Die spezifischen Betriebskosten liegen im Bereich von < € 0.05/m³.

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