DE102014214427B4 - Method and device for removing a coating from a surface of a base material - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Abtragen einer Beschichtung (12), die polychlorierte Biphenyle, PCB, enthält, von einer Oberfläche eines Basiswerkstoffs (13), bei dem die Beschichtung (12) durch einen ersten Laserstrahl (4) auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, so dass die polychlorierten Biphenyle thermisch zersetzt werden, wobei die Zersetzung durch eine laserinduzierte Fluoreszenz überwacht wird, indem eine Zone (15) oberhalb der erwärmten Beschichtung (12) von einem zweiten Laserstrahl (10) als Strahl mit linienförmigem Querschnitt (als Lightsheet) oder als Linie durchstrahlt wird und der zweite Laserstrahl (10) eine Wellenlänge im Bereich von 271 nm bis 279 nm aufweist, wobei in der Zone (15) eine bei der thermischen Zersetzung gebildete chemische Verbindung als charakteristisches chemisches Zwischenprodukt der Zersetzung von dem zweiten Laserstrahl (10) zur Fluoreszenz angeregt und die Fluoreszenz mit einem optischen Detektor (11) detektiert wird.Method for removing a coating (12) containing polychlorinated biphenyls, PCB, from a surface of a base material (13), in which the coating (12) is heated to a predetermined temperature by a first laser beam (4) so that the polychlorinated biphenyls are thermally decomposed, the decomposition being monitored by laser-induced fluorescence by a zone (15) above the heated coating (12) being irradiated by a second laser beam (10) as a beam with a linear cross-section (as a lightsheet) or as a line and the second laser beam (10) has a wavelength in the range from 271 nm to 279 nm, a chemical compound formed during the thermal decomposition as a characteristic chemical intermediate product of the decomposition being excited to fluorescence in the zone (15) and the fluorescence is detected with an optical detector (11).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtragen einer Beschichtung, die polychlorierte Biphenyle (PCB) enthält, von einer Oberfläche eines Basiswerkstoffs.The present invention relates to a method and a device for removing a coating containing polychlorinated biphenyls (PCB) from a surface of a base material.
Polychlorierte Biphenyle wurden bis zu deren Verbot in der Bundesrepublik Deutschland als Komponente in Lacken eingesetzt. Mit diesen Lacken wurden Betonwände versiegelt, um diese gegen Kontamination zu schützen. Im Zuge von Sanierungs- oder Abrissarbeiten müssen diese Lacke, deren PCB-Gehalt einen Gefahrengrenzwert überschreitet, von den Wänden entfernt, verpackt und in einem gesonderten Arbeitsschritt in einer Sondermüllverbrennungsanlage entsorgt werden.Polychlorinated biphenyls were used as a component in paints until they were banned in the Federal Republic of Germany. Concrete walls were sealed with these paints to protect them against contamination. In the course of renovation or demolition work, these paints, the PCB content of which exceeds a risk limit value, must be removed from the walls, packed and disposed of in a separate work step in a hazardous waste incineration plant.
Aus dem Stand der Technik ist ein händisch-mechanischer Abtrag mit anschließender thermischer Nachbehandlung in einer Sondermüllverbrennungsanlage bekannt. Diese Verfahren erfordern einen hohen sicherheitstechnischen Aufwand zur Minimierung bzw. zur Vermeidung von Sekundärkontamination durch Staubflug. Das Arbeiten unter Schutzkleidung mit Atemmaske stellt eine extrem hohe körperliche Belastung für das Personal dar und ist mit erheblichen gesundheitlichen Risiken verbunden. Durch die geringe mechanische Präzision werden auch Betonstrukturen entfernt, die keine toxische Kontamination aufweisen, aber ebenfalls der thermischen Nachbehandlung zugeführt werden, was die Kosten entsprechend erhöht.A manual-mechanical removal with subsequent thermal aftertreatment in a hazardous waste incineration plant is known from the prior art. These methods require a high level of safety-related effort to minimize or avoid secondary contamination from flying dust. Working in protective clothing with a breathing mask is an extremely high physical strain for the staff and is associated with considerable health risks. The low mechanical precision also removes concrete structures that do not have any toxic contamination, but are also sent for thermal post-treatment, which increases the costs accordingly.
Außerdem ist als weiteres Verfahren ein Laserabtrag des Lacks bekannt. In der Gebrauchsmusterschrift
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der die genannten Nachteile überwunden werden, d. h. zeitgleich zu dem Abtrag eine Prozessüberwachung erfolgt.The present invention is therefore based on the object of proposing a method and a device with which the above-mentioned disadvantages are overcome, i. H. Process monitoring takes place at the same time as the removal.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved with a method according to claim 1 and a device according to claim 7. Advantageous refinements and developments are described in the subclaims.
Bei einem Verfahren zum Abtragen einer Beschichtung, die polychlorierte Biphenyle (PCB) enthält, von einer Oberfläche eines Basiswerkstoffs wird durch einen ersten Laserstrahl die Beschichtung auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, so dass die polychlorierten Biphenyle thermisch zersetzt werden. Die thermische Zersetzung wird durch eine laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) überwacht, indem eine Zone oberhalb der erwärmten Beschichtung von einem zweiten Laserstrahl mit mindestens einer Wellenlänge, die ein charakteristisches chemisches Zwischenprodukt der Zersetzung anregen kann, durchstrahlt wird. Dabei wird in der Zone eine bei der thermischen Zersetzung gebildete chemische Verbindung als charakteristisches chemisches Zwischenprodukt von dem zweiten Laserstrahl zur Fluoreszenz angeregt und die Fluoreszenz mit einem optischen Detektor detektiert.In a method for removing a coating containing polychlorinated biphenyls (PCB) from a surface of a base material, the coating is heated to a predetermined temperature by a first laser beam, so that the polychlorinated biphenyls are thermally decomposed. The thermal decomposition is monitored by laser-induced fluorescence (LIF) by irradiating a zone above the heated coating with a second laser beam with at least one wavelength that can excite a characteristic chemical intermediate product of the decomposition. A chemical compound formed during thermal decomposition as a characteristic chemical intermediate product is excited to fluorescence in the zone by the second laser beam and the fluorescence is detected with an optical detector.
Durch die Erwärmung der Beschichtung auf eine vorbestimmte Temperatur wird die Beschichtung, typischerweise ein Lack, von der Oberfläche des Basiswerkstoffs abgelöst und verbrannt. Die Verwendung von Laserstrahlung zur Dekontamination weist den Vorteil auf, lokal sehr schnell sehr hohe Temperaturen erzeugen zu können. Durch die thermische Zersetzung bildet sich eine Reaktionszone, die sich oberhalb des zuvor bestrahlten Bereichs befindet und dort durch den zweiten Strahl einfach hinsichtlich der Zusammensetzung untersucht werden kann. Das Verwenden der laserinduzierten Fluoreszenz ermöglicht eine schnelle und präzise Echtzeituntersuchung der Reaktionszone. Der zweite Laser regt üblicherweise bei der thermischen Zersetzung von PCBhaltigen Beschichtungen entstehende chemische Zwischenverbindungen zur Fluoreszenz an, so dass gezielt diese Komponenten untersucht werden können.By heating the coating to a predetermined temperature, the coating, typically a lacquer, is detached from the surface of the base material and burned. The use of laser radiation for decontamination has the advantage of being able to generate very high temperatures locally very quickly. As a result of the thermal decomposition, a reaction zone is formed that is located above the previously irradiated area and can be easily examined there with regard to the composition with the second beam. The use of laser-induced fluorescence enables fast and precise real-time investigation of the reaction zone. The second laser usually excites chemical interconnections that arise during the thermal decomposition of PCB-containing coatings to fluorescence, so that these components can be examined in a targeted manner.
Die Leistung des ersten Laserstrahls kann erhöht werden, wenn eine mit dem optischen Detektor durch die laserinduzierte Fluoreszenz ermittelte Konzentration der chemischen Verbindung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Durch die Anpassung der Laserleistung des ersten Lasers kann ein Energieeintrag zur thermischen Zersetzung der Beschichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Konzentration von Zwischenprodukten eingestellt und gesteuert werden. Ein optisches Beobachtungssystem bietet sich hierfür wegen der Möglichkeit einer berührungslosen Messung besonders an. Durch eine on-line-Prozessregelung, bei der bei Unterschreiten des Grenzwerts für das Zwischenprodukt die Leistung erhöht wird, damit die polychlorierten Biphenyle zersetzt werden, kann ein unnötiger Abtrag von Material vermieden werden, da nur die Beschichtung, nicht aber der nicht kontaminierte Basiswerkstoff abgetragen wird.The power of the first laser beam can be increased if a concentration of the chemical compound determined with the optical detector by the laser-induced fluorescence falls below a predetermined limit value. By adapting the laser power of the first laser, an energy input for the thermal decomposition of the coating can be set and controlled as a function of the determined concentration of intermediate products. An optical observation system is particularly suitable for this because of the possibility of contactless measurement. An on-line process control, in which the output is increased if the limit value for the intermediate product is not reached, so that the polychlorinated biphenyls are decomposed, unnecessary removal of material can be avoided, since only the coating, but not the uncontaminated base material, is removed will.
Der zweite Laserstrahl durchstrahlt als Strahl mit linienförmigem Querschnitt, also vorzugsweise als Lichtschnitt mit vertikal aufgeweitetem, horizontal fokussiertem Querschnitt die Zone oberhalb der erwärmten Beschichtung. Durch diesen auch als „Lightsheet“ bekannten Querschnitt des zweiten Laserstrahls wird nur ein kleiner, aber aussagekräftiger Bereich der Verbrennungszone bzw. der Reaktionszone oberhalb der verbrennenden Beschichtung untersucht, wodurch das Verfahren auch bei begrenztem Raum angewandt werden kann. Der Laserstrahl fokussiert alternativ als Linienverfahren einen einzelnen Punkt und überwacht den Prozess, ohne eine räumliche Auflösung zu realisieren.The second laser beam shines through as a beam with a linear cross-section, i.e. preferably as a light section with a vertically widened, horizontally focused cross-section, the zone above the heated coating. Through this cross-section of the second laser beam, also known as the “lightsheet”, only a small but meaningful area of the combustion zone or the reaction zone above the burning coating is examined, which means that the method can also be used in limited space. Alternatively, the laser beam focuses on a single point as a line method and monitors the process without realizing a spatial resolution.
Der zweite Laserstrahl weist eine Wellenlänge im Bereich von 271 nm bis 279 nm auf, da dieser Wellenlängenbereich zur zuverlässigen Anregung entstehender Zwischenprodukte verwendet werden kann.The second laser beam has a wavelength in the range from 271 nm to 279 nm, since this wavelength range can be used for the reliable excitation of intermediate products that are formed.
Die bei der abgeschlossenen thermischen Zersetzung gebildete chemische Verbindung kann ein Radikal, vorzugsweise CCI, enthalten. Die Anwesenheit dieses Radikals lässt eine Aussage über einen erfolgreichen Dekontaminationsprozess zu. Falls kein CCI nachgewiesen werden kann, ist dies ein Hinweis darauf, dass der Abtragprozess nicht einwandfrei funktioniert und die polychlorierten Biphenyle nicht zersetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die bei der thermischen Zersetzung gebildete chemische Verbindung eine in einem Werkstoff, insbesondere Beton, auf dem die Beschichtung ausgebildet ist, enthaltene chemische Verbindung oder ein in dem Werkstoff enthaltenes chemisches Element sein. Durch den Nachweis von Stoffen, die für die Ablösung der Beschichtung typisch sind, kann zuverlässig auf die erfolgreiche Ablösung, d. h. Dekontamination der Oberfläche des Basiswerkstoffs zurückgeschlossen werden.The chemical compound formed when the thermal decomposition is complete can contain a radical, preferably CCI. The presence of this radical allows a statement to be made about a successful decontamination process. If no CCI can be detected, this is an indication that the removal process is not working properly and that the polychlorinated biphenyls are not being decomposed. Alternatively or additionally, the chemical compound formed during the thermal decomposition can be a chemical compound contained in a material, in particular concrete, on which the coating is formed, or a chemical element contained in the material. By the detection of substances that are typical for the detachment of the coating, a reliable indication of the successful detachment, i.e. H. Decontamination of the surface of the base material can be concluded.
Es kann vorgesehen sein, dass die bei der thermischen Zersetzung gebildeten gasförmigen chemischen Komponenten thermisch auf Temperaturen von weniger als 250 °C gequencht, d. h. schnell abgekühlt, werden. Alternativ oder zusätzlich kann die vorbestimmte Temperatur mindestens 1000 °C betragen. Durch eine derartig hohe Temperatur mit anschließender schneller Abkühlung wird die Bildung von polychlorierten Dibenzodioxinen (PCDD) und polychlorierten Dibenzofuranen (PCDF) durch eine Rekombination von Zersetzungsprodukten unterbunden.It can be provided that the gaseous chemical components formed during the thermal decomposition are thermally quenched to temperatures of less than 250.degree. H. be cooled quickly. Alternatively or additionally, the predetermined temperature can be at least 1000 ° C. Such a high temperature with subsequent rapid cooling prevents the formation of polychlorinated dibenzodioxins (PCDD) and polychlorinated dibenzofurans (PCDF) through a recombination of decomposition products.
Typischerweise hat der erste Laserstrahl eine Wellenlänge von 800 nm bis 1100 nm, vorzugsweise 915 nm, 940 nm, 980 nm und 1030 nm sowie vorzugsweise eine Dauerstrichleistung im Kilowattbereich, d. h. von mindestens 3 kW, besonders vorzugsweise von mindestens 10 kW. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Erwärmen der Beschichtung, so dass diese verdampft und durch die laserinduzierte Fluoreszenz untersucht werden kann. Die vier genannten Wellenlängen können dabei zu je einem Viertel in dem ersten Laserstrahl präsent sein.Typically, the first laser beam has a wavelength of 800 nm to 1100 nm, preferably 915 nm, 940 nm, 980 nm and 1030 nm and preferably a continuous wave power in the kilowatt range, i. H. of at least 3 kW, particularly preferably of at least 10 kW. This enables the coating to be reliably heated so that it evaporates and can be examined using the laser-induced fluorescence. A quarter of the four mentioned wavelengths can each be present in the first laser beam.
Eine Vorrichtung zum Abtragen einer Beschichtung, die polychlorierte Biphenyle (PCB) enthält, von einer Oberfläche eines Basiswerkstoffs weist einen ersten Laser auf, der ausgebildet ist, einen ersten Laserstrahl auf die Beschichtung einzustrahlen und diese hierdurch thermisch zu zersetzen. Die Vorrichtung umfasst einen zweiten Laser, der eingerichtet ist, eine oberhalb der Beschichtung befindliche Zone mit einem zweiten Laserstrahl als Strahl mit linienförmigem Querschnitt (als Lightsheet) oder als Linie und mit einer Wellenlänge im Bereich von 271 nm bis 279 nm zu durchstrahlen und hierdurch eine Fluoreszenz einer beim thermischen Zersetzen entstehenden chemischen Verbindung anzuregen. Die Vorrichtung weist außerdem einen optischen Detektor auf, der dazu eingerichtet ist, die Fluoreszenz zu detektieren.A device for removing a coating containing polychlorinated biphenyls (PCB) from a surface of a base material has a first laser which is designed to radiate a first laser beam onto the coating and thereby thermally decompose it. The device comprises a second laser which is set up to irradiate a zone located above the coating with a second laser beam as a beam with a linear cross section (as a lightsheet) or as a line and with a wavelength in the range from 271 nm to 279 nm and thereby a To stimulate the fluorescence of a chemical compound formed during thermal decomposition. The device also has an optical detector which is set up to detect the fluorescence.
Es kann ferner eine Steuerungseinheit vorgesehen sein, die eine Leistung des ersten Lasers erhöht, wenn eine Konzentration der chemischen Verbindung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.A control unit can also be provided which increases the power of the first laser when a concentration of the chemical compound falls below a predetermined limit value.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Absauger aufweist, der bei der thermischen Zersetzung entstehende gasförmige und partikelgebundene chemische Verbindungen absaugt. Vorzugsweise weist der Absauger mindestens einen Filter auf, um toxische Stoffe in abgesaugten Volumen zu binden. Typischerweise erfolgt das beschriebene Abkühlen auf Temperaturen von weniger als 200 °C, also das thermische Quenchen, vor dem Absauger.It can also be provided that the device has a suction device which sucks off gaseous and particle-bound chemical compounds that arise during thermal decomposition. The aspirator preferably has at least one filter in order to bind toxic substances in the aspirated volume. Typically, the described cooling to temperatures of less than 200 ° C., i.e. the thermal quenching, takes place upstream of the suction device.
Der erste Laser kann einen Laserspot mit einer Größe von 45 mm mal 10 mm erzeugen, der vorzugsweise rechteckig ist. Hierdurch kann die Oberfläche des Basiswerkstoffs komplett und schnell abgefahren werden und gleichzeitig ein ausreichender homogener Energieübertrag auf die Beschichtung gewährleistet werden.The first laser can produce a laser spot with a size of 45 mm by 10 mm, which is preferably rectangular. As a result, the surface of the base material can be completely and quickly traversed and, at the same time, a sufficiently homogeneous energy transfer to the coating can be guaranteed.
Alternativ oder zusätzlich kann der erste Laser mindestens 220 kJ/m Streckenenergie, vorzugsweise mindestens 225 kJ/m Streckenenergie, besonders vorzugsweise mindestens 230 kJ/m Streckenenergie erzeugen, um die polychlorierten Biphenyle zuverlässig abzutragen. Typischerweise ist der zweite Laser eingerichtet, die oberhalb der Beschichtung befindliche Zone mit einem zweiten Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 271 nm bis 279 nm zu durchstrahlen.Alternatively or additionally, the first laser can generate at least 220 kJ / m unit energy, preferably at least 225 kJ / m unit energy, particularly preferably at least 230 kJ / m unit energy, in order to reliably ablate the polychlorinated biphenyls. The second laser is typically set up to irradiate the zone located above the coating with a second laser beam with a wavelength in the range from 271 nm to 279 nm.
Der optische Detektor ist typischerweise eingerichtet, die Fluoreszenz zeitlich und räumlich aufgelöst zu detektieren. Der optische Detektor kann auch eingerichtet sein, Punktverfahren oder Linienverfahren durchzuführen, beispielsweise über Photomultiplier. Es kann auch vorgesehen sein, dass der optische Detektor zur Durchführung eines Linienverfahrens ohne räumliche Auflösung ausgebildet ist. Die durch den optischen Detektor gewonnenen Informationen können für eine Feinsteuerung des ersten Lasers genutzt werden, um definiert den Abtrag zu steuern.The optical detector is typically set up to detect the fluorescence in a temporally and spatially resolved manner. The optical detector can also be set up to carry out point processes or line processes, for example via photomultiplier. It can also be provided that the optical detector is designed to carry out a line method without spatial resolution. The information obtained by the optical detector can be used for fine control of the first laser in order to control the removal in a defined manner.
Das beschriebene Verfahren wird typischerweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt bzw. die beschriebene Vorrichtung ist geeignet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.The method described is typically carried out with the apparatus described or the apparatus described is suitable for carrying out the method described.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand der
Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Laserdekontamination PCB-haltiger Lacke mit Prozess-Monitoring.
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1 a schematic view of a device for laser decontamination of paints containing PCBs with process monitoring.
Der Laserstrahl
Bei Lackstärken zwischen 0,1 mm und 1 mm ist für einen vollständigen Abtrag der Lackschicht
Der Laserarbeitskopf
Das Detektionssystem
Durch die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Verfahren kann eine Sanierung oder ein Abriss von Gebäudestrukturen ressourcenschonend mit hoher Effizienz und ohne Gefahr von Kontaminationsverschleppung durchgeführt werden.By means of the described device or the described method, a renovation or demolition of building structures can be carried out in a resource-saving manner with high efficiency and without the risk of contamination.
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