Projekt 12209/01

Untersuchung zur umweltfreundlichen Badführung und zur Standzeitverlängerung von Prozeßbädern beim Chemischen Entgraten

Projektträger

ENGra-Chemie
Gollierstr. 70
80339 München
Telefon: 089/50094190

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das chemische Entgraten ist ein weitverbreitetes Metallbearbeitungsverfahren, um insbesondere Grate an mechanisch nicht oder sehr schwer zugänglichen Stellen zu entfernen, z.B. an Federn und Kugellagerkäfigen. Auch für sehr kleine und dünnwandige Teile wird es häufig eingesetzt. Bisher ist es nicht möglich, den Arbeitsprozess der chemischen Entgratung kontinuierlich zu führen. Bei Überschreiten einer Metallionen-Grenzkonzentration werden Teilmengen des chemischen Bades ausgewechselt. Zusätzlich müssen ausfallende Salze entfernt werden. Damit fallen diskontinuierlich große Mengen an schwer zu entsorgendem Sondermüll an. Ziel des Projektes war es, durch eine kontinuierliche Prozessbadpflege eine Regeneration der Arbeitslösung zu erreichen. Die Standzeit der Bäder sollte verlängert und die Menge an anfallendem Sondermüll drastisch vermindert werden. Neben der Kosteneinsparung in den Unternehmen hätte dies eine enorme Umweltentlastung zur Folge.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie bisher übliche Methode einer diskontinuierlichen Teilmengenerneuerung sollte durch eine kontinuierliche Badpflege mit einer Teilstrombehandlung ersetzt werden. Dazu wurde eine Versuchsanlage errichtet und erprobt. Durch Kombination einer Membranelektrolyse mit einer Mikrofiltration sollten sowohl die Säurebestandteile der chemischen Bäder zurückgewonnen als auch die gelösten Metalle gezielt abgeschieden werden. Mit der Membranelektrolyse sollten die Anionen der Prozesslösung entzogen und im Konzentrat angereichert werden. An der Kathode entstehende Hydroxidionen sollten den pH-Wert der Prozesslösung erhöhen und im Ablauf der durchströmten Elektrolysezelle zu einem Ausfällen der Metallionen insbesondere als Eisenhydroxid führen. Mit einer Mikrofiltration im Querstrombetrieb war eine Abtrennung bzw. Aufkonzentration ausgefällter Metalle vorgesehen, so dass das Permeat gemeinsam mit dem o.g. Konzentrat zum Wiederauffüllen der Prozessbäder aufbereitet wurde. Nach Bereitstellung der Membranelektrolyse musste durch Vorversuche eine Anpassung an die Entgratungsanlage erfolgen. Nach der Optimierung und Umsetzung der Anlagentechnik erfolgten die Laborversuche. Dabei wurde eine chemische Entgratung unter praxisähnlichen Bedingungen durchgeführt. Es wurden die Parameter des Prozessbades, des regenerierten Bades und des Abwassers ständig analytisch überwacht. Weiterhin wurden die Membranen auf ihre Standzeiten hin untersucht. Zwischenauswertungen erfolgten bzgl. evtl. notwendiger erneuter Anlagenanpassungen und Verfahrensänderungen. Nach Abschluss der Laborversuche waren Technikumsversuche mit Produktionsbädern von Kunden über einen Zeitraum von ca. 6 Monaten geplant, um eine Stabilität der Ergebnisse nachweisen zu können.


Ergebnisse und Diskussion

Die Projektergebnisse zeigen , dass bei den bisher eingesetzten Materialien die Membranelektrolyse nur bedingt durchführbar ist. Bei dem Prozess konnte eine Reduktion des Eisengehaltes im Prozessbad beobachtet werden, allerdings erfolgte die Reduktion immer durch eine Eisenabscheidung an der Kathode. Dies konnte auch nicht durch angepasste Regenerationsparameter wie Durchflussgeschwindigkeit oder Stromdichte verhindert werden. Die angestrebte gezielte Fällung von Eisenhydroxid hinter der Elektrolysezelle, die durch Mikrofiltration abgetrennt werden kann, konnte in dem Prozessbad nicht erreicht werden.
Außerdem zeigten die Membranen verschiedene Schwachstellen auf. Es konnte von der Membranherstellerfirma eine Anionenaustauschermembran hergestellt werden, die gegen das Prozessmedium resistent zu sein scheint, aber noch liegen die Schwierigkeiten in einer geeigneten Kationenaustauschermembran. Derzeit verfügbare Materialien haben eine zu geringe Selektivität gegenüber Fluoridionen. Eine weitere Schwachstelle ist derzeit das Material und die Beschichtung für die verwendete Anode. Beides hat eine zu geringe Resistenz gegenüber Fluoridionen, die zu einer Zerstörung der Anode führen. Während der Projektlaufzeit konnten die Werkstoffprobleme nicht bewältigt werden.
Somit kann festgestellt werden, dass die Durchlässigkeit der Kationentauschermembran für Fluoridionen bzw. die mangelnde Säureresistenz der Anode gegen Fluoride ein positiveres Ergebnis des Forschungsvorhabens verhindert haben.
Laut Aussagen der Herstellerfirma der Kationenaustauschermembran als auch der Herstellerfirma der Anode sind die im Einsatz befindlichen Materialien für Membran bzw. Anode die am widerstandsfähigsten Materialien, zu denen es derzeit keine Alternativen gibt. Deshalb unterblieb ein erneuter Wechsel zu anderen Materialien. Der Einsatz einer Anode aus Platin könnte für den Problempunkt Säureresistenz erfolgversprechend sein. Es bleibt festzustellen, dass unter Verwendung neuer, zukünftig verfügbarer Materialien die Membranelektrolyse durchaus das Potential zur Regeneration der Entgratungsbäder haben kann. Die generelle Zielstellung des Projekts bleibt weiterhin prinzipiell interessant.


Fazit

Mit der zur Zeit am Markt verfügbaren Anlagentechnik kann das angestrebte Ergebnis nicht erzielt werden.