Projekt 23482/01

Neues Verfahren zur Umweltentlastung durch Einsatz innovativer Nanofiltrationstechnik am Beispiel Buntmetall verarbeitender Betriebe

Projektträger

KS Chemie GmbH
Benrodestr. 129
40597 Düsseldorf
Telefon: 0211/718009-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kalt gewalzte Flachmetalle (Buntmetalle, Stahl) werden nach dem Glühen häufig durch chemisches Beizen mit Schwefelsäure und Beizadditiven von Oxidbelägen und weiteren Verschmutzungen befreit. Die sauren Beizlösungen verlieren durch die zunehmende Anreicherung metallischer Salze ihre Beizwirkung bzw. neigen in Multimetallbeizen zu unerwünschter galvanischer Metallabscheidung. Zur Verbesserung des Prozesses sollen betriebliche Altbeizen durch Membranfiltration regeneriert werden. Analytische Untersuchungen von Beizlösungen weisen aber auf eine Entfernung der oberflächenaktiven Bestandteilen der Beizlösung - Beizadditive wie Beiz- und Korrosionsinhibitoren - hin. Im Rahmen der analytischen Untersuchung regenerierter Beizmedien sollen einfache analytische Methoden zur Bestimmung von Cu sowie der Inhibitoren entwickelt und im Rahmen der betrieblich durchgeführten Untersuchung mit einem Nanofiltrationsverfahren angewendet werden. Diese soll die Basis für die Auslegung einer betrieblichen Säureregenerationsanlage bilden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Projektphase wurde eine Nanofiltrationsanlage des BFI an der Buntmetallbeizlinie des mittelständischen Buntmetallverarbeiters Wickeder Westfalenstahl installiert und in Betrieb genommen. Anschließend erfolgten Untersuchungen zur Optimierung der Filtrationsleistung durch Variation von Betriebsparametern. Zur Charakterisierung der betrieblichen Beizadditive wurden durch die KS Chemie geeignete analytische Bestimmungsverfahren untersucht und verifiziert. In der Hauptphase erfolgte ein mehrwöchiger prozessbegleitender Nanofiltrationsversuch. Die jeweiligen Stoffströme wurden chemisch-analytisch durch die KS Chemie untersucht und bewertet. Um die Beeinflussung der Filtration durch die Beizadditive zu bestimmen, wurde anschließend die Filtrationsleistung einer Modellbeize untersucht, der gesondert Beiz- und Korrosionsinhibitor zugegeben wurden. Weiterhin wurde in der Hauptphase der Versuche ein betriebsicheres Verfahren zur Kupferanalyse verifiziert und im Betrieb eingeführt. In der Pro-jektendphase wurde basierend auf den Untersuchungsergebnissen ein Konzept zur technischen und betriebswirtschaftlichen Bewertung des Regenerationsverfahrens durch BFI und KS Chemie für Anwender erstellt. Weiterhin wurden die entwickelten chemischen Analyseverfahren zur Kontrolle des Beizprozes-ses durch KS Chemie zusammen mit dem Anwender umgesetzt. Bei zu erwartendem Bedarf an Beizadditiven in der Beizlösung wurde durch KS Chemie ein dem Prozess- und Regenerationsverfahren optimal angepasstes Additiv (Sparbeizzusatz) entwickelt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Untersuchungen zur Nanofiltration der schwefelsauren Beizlösung zeigten eine lineare Abhängigkeit des Permeatflusses vom angelegten Druck. Eine Steigerung des Druckes um 10 bar führte zu einer Steigerung des Permeatflusses um ca. 12 l/h je 2,5-Modul. Hingegen ist der Einfluss der Überströmungsgeschwindigkeit auf den Permeatfluss zu vernachlässigen. Ein möglichst hoher Druck ist also anzustreben, um die Membranfläche und damit die Investitionskosten einer betrieblichen Regenerationsanlage so gering wie möglich zu halten. Kupfer und Eisen wurden durch die Nanofiltration zu nahezu 95 % aus dem Beizbad abgetrennt (10-20 mg/l Cu Restgehalt im Filtrat). Damit konnte das Ziel erreicht wer-den, die Kupferkonzentration auf Werte < 30 mg/l zu senken. Der unerwünschte Rückhalt des relativ kleinmolekularen Beizinhibitors ist druckabhängig und variiert von 0 bis 40 %, der Rückhalt des größermolekularen Korrosionsinhibitors betrug unabhängig vom Druk ca. 87 %. Ein möglichst geringer Druck ist anzustreben, um den Rückhalt des Beizinhibitors und somit dessen Verbrauch - also Betriebskosten - so gering wie möglich zu halten. Es ergibt sich demnach ein Optimierungsproblem hinsichtlich des Druckes und dessen Einfluss auf Invest- und Betriebskosten. Die Untersuchungen zeigten weiter, dass der Permeatfluss wesentlich durch Wechselwirkungen der Nanofiltrationsmembran mit Partikeln, Ölen und dem verwendeten Korrosionsinhibitor im Beizbad beeinflusst wird. Eine gegenüber der Versuchsanlage ver-ringerte Trenngrenze bei der Vorbehandlung ist daher sinnvoll. Die Kupferanalytik auf Basis der Photometrie mittels Küvettentests konnte als betriebssichere Analytik im Betrieb etabliert werden, Referenz-messungen mittels Röntgenfluoreszensanalyse RFA ergaben Abweichungen der Kupferkonzentration le-diglich im Bereich der Messgenauigkeit.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Nanofiltration betrieblicher Schwefelsäurebeize und der damit verbundenen Analytik wurden auf der 24. Spektrometertagung des Chemikerausschusses im Stahlinstitut VDEh vom 20.-22. September 2005 in Dortmund als Referat vorgestellt. Weiterhin ist die Präsentation der Ergebnisse im Unterausschuss Gewässerschutz des VDEh vorgesehen.


Fazit

Am Beispiel einer Schwefelsäurebeize für Kupfer plattierte Werkstoffe bei Wickeder Westfalenstahl wurde exemplarisch die Eignung der innovativen und umweltschonenden Nanofiltrationstechnik zur Beizbadpflege und Säureaufbereitung gezeigt. Metalle wurden zu nahezu 95 % aus dem Beizbad abgetrennt, es erfolgte zudem ein selektiver Rückhalt der Beizadditive. Der Permeatfluss wird wesentlich durch Wechselwirkungen der Nanofiltrationsmembran mit Partikeln, Ölen und dem verwendeten Korrosionsinhibitor im Beizbad beeinflusst. Bei der Umsetzung des untersuchten Verfahrens in die betriebliche Anwendung wird folgendes Konzept vorgeschlagen: Statt der in den Untersuchungen vorliegenden Kerzenfilter als Vorbehandlungsstufe zur Öl- und Partikelabscheidung sollte eine Mikrofiltration, die kleinere Trenngrenzen aufweist, eingesetzt werden. Die Zugabe des Korrosionsinhibitors sollte nicht im Beizbad erfolgen, sondern in der nachfolgenden Spülzone. Dies ist auch wesentlich für die Wirtschaftlichkeit des Aufbereitungsverfahrens, da so weder die Filtrationsleistung wesentlich beeinflusst wird, noch Verluste an Beizadditiven durch die Nanofiltration verursacht werden. Zur Vermeidung von säurehaltigem Abwasser ist die Behandlung des Nanofiltrationskonzentrates mittels Elektrolyse notwendig.