DE10322120A1 - Methods and devices for extending the service life of a process solution for chemical-reductive metal coating - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung, die bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung verwendet wird. In dem Verfahren erfolgt die pH-Wert-Einstellung und die Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls ohne störende Gegenionen durch Aufgabe der Prozesslösung, gegebenenfalls nach Verdünnung, auf mindestens einen mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladenen schwachsaueren Kationenaustauscher. Die Nachdosierung des Reduktionsmittels erfolgt entweder in einem Hilfskreislauf oder in eine verdünnte Prozesslösung. Bevorzugt werden aus dem Reduktionsmittel stammende störende Kationen mithilfe eines starksauren protonenbeladenen Kationenaustauschers und störende Anionen mithilfe eines schwachbasischen Anionenaustauschers abgetrennt. Bei der Metallabscheidung sich in der Prozesslösung anreichernde störende Kationen werden bevorzugt mithilfe eines starksauren protonenbeladenen Kationenaustauschers abgetrennt. DOLLAR A Das Verfahren ermöglicht eine nahezu konstante Zusammensetzung der Prozesslösung mit geringem Fremdstoffgehalt. Dadurch wird eine besondere Qualität der Beschichtung bewirkt. DOLLAR A Die Verlängerung der Nutzungsdauer der Prozesslösung steigert die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit der chemisch-reduktiven Metallbeschichtung.The invention relates to a method and devices for extending the useful life of a process solution used in chemical-reductive metal deposition. In the process, the pH is adjusted and the ions of the coating metal are metered in without disturbing counterions by feeding the process solution, if appropriate after dilution, onto at least one weakly acidic cation exchanger loaded with ions of the coating metal. The reducing agent can be replenished either in an auxiliary circuit or in a dilute process solution. Interfering cations originating from the reducing agent are preferably separated off using a strongly acidic proton-loaded cation exchanger and interfering anions using a weakly basic anion exchanger. Interfering cations that accumulate in the process solution during metal deposition are preferably separated using a strongly acidic proton-loaded cation exchanger. DOLLAR A The process enables an almost constant composition of the process solution with low foreign matter content. This creates a special quality of the coating. DOLLAR A The extension of the service life of the process solution increases the economy and environmental compatibility of the chemical-reductive metal coating.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung, die bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung verwendet wird. Die chemisch-reduktive Metallabscheidung wird genutzt, um Werkstücke mit einem Metallüberzug (Cu, Ni, Ag oder Au) zu überziehen.The The invention relates to a method and devices for extension the service life of a process solution, used in chemical-reductive metal deposition. The chemical-reductive metal deposition is used to work with a metal coating (Cu, Ni, Ag or Au).
Für die chemisch-reduktive
Metallabscheidung von Nichteisen-Metallen (NE-Metallen) auf der
Oberfläche
eines Basismaterials (z. B. Metall oder vorbehandelter Kunststoff)
kann beispielhaft für
die Nickelabscheidung die folgende, stark vereinfachte, Reaktionsgleichung
aufgestellt werden:
Bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung werden Reduktionsmittel (hier NaH2PO2) und Metallionen des Beschichtungsmetalls (hier Ni2+) verbraucht und es werden gleichzeitig äquivalent zur abgeschiedenen Metallmenge als Umsetzungsprodukte das oxidierte Reduktionsmittel (hier NaH2PO3) sowie Protonen gebildet, wobei diese den pH-Wert in der Prozesslösung erniedrigen.In the chemical-reductive metal deposition, reducing agents (here NaH 2 PO 2 ) and metal ions of the coating metal (here Ni 2+ ) are consumed and at the same time the oxidized reducing agent (here NaH 2 PO 3 ) and protons are formed as reaction products equivalent to the amount of metal deposited. whereby these lower the pH in the process solution.
Bedingt durch zahlreiche Nebenreaktionen werden für die Abscheidung von einem Mol Nickel ca. 3,3 mol des Reduktionsmittels benötigt. Dabei wird auch elementarer Phosphor, der durch Nebenreaktionen aus dem Reduktionsmittel gebildet wird, in die entstehende Metallschicht einlegiert.conditioned through numerous side reactions for the deposition of one Mol of nickel requires about 3.3 mol of the reducing agent. It also becomes more elementary Phosphorus formed by side reactions from the reducing agent is alloyed into the resulting metal layer.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Nachdosierung des Reduktionsmittels und der Metallionen des Beschichtungsmetalls durch die Zugabe der entsprechenden Salze und die Einstellung des pH-Werts durch Zugabe von Laugen in die Prozesslösung. Durch den Prozess der Metallabscheidung, der pH-Wert-Einstellung, der Nachdosierung der verbrauchten Komponenten und durch Abtrag von Basismaterial reichern sich Fremdstoffe in der Prozesslösung an, die den Prozess der Metallabscheidung stören und die Qualität der erzeugten Schichten negativ beeinflussen. Zur Entfernung der Fremdstoffe erfolgt in der Regel ein Teilvenvurf der Prozesslösung, wobei deren abwassertechnische Behandlung wegen der komplexen Zusammensetzung problematisch ist.To In the prior art, the reducing agent is replenished and the metal ions of the coating metal by adding the corresponding salts and the adjustment of the pH by addition of alkalis in the process solution. Through the process of metal deposition, pH adjustment, the replenishment of the used components and by removal Foreign materials accumulate in the process solution from base material, that disrupt the process of metal deposition and the quality of the produced Negatively affect layers. To remove the foreign substances usually a partial disposal of the process solution, with its wastewater-technical Treatment is problematic because of the complex composition.
Die gebräuchliche Maßeinheit für die Nutzungsdauer der Prozesslösung ist der Metalldurchsatz MTO (= „Metal-Turn-Over"). Dabei wird von 1 MTO gesprochen, wenn der Metallgehalt der Prozesslösung einmal umgesetzt und erneut zugegeben wird. Nach dem Stand der Technik geht die Druckspannung in der Nickel-Phosphor-Schicht nachteilig bereits nach 2 bis 4,5 MTO in eine Zugspannung über und daher ist die Nutzungsdauer der Prozesslösung meist auf 5 MTO begrenzt.The common Unit of measurement for the Service life of the process solution is the metal throughput MTO (= "metal turn-over") 1 MTO spoken once the metal content of the process solution was implemented and is added again. According to the prior art, the compressive stress goes in the nickel-phosphorus layer disadvantageously after 2 to 4.5 MTO into a tension over and therefore the service life of the process solution is usually limited to 5 MTO.
Zur
Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Prozesslösung
zur chemisch-reduktiven Nickelabscheidung ist es erforderlich, die
eingetragenen Fremdstoffe mittels geeigneter Verfahren abzutrennen.
Hierzu werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen:
Bereits
1953 wurden in
Already in 1953
Der Einsatz von Regenerierverfahren, die auf dem Wirkprinzip der Membranelektrolyse beruhen, werden in einer Reihe von Schriften vorgeschlagen, wobei unterschiedliche Zellkonfigurationen zum Einsatz gelangen.The Use of regeneration processes based on the principle of action of membrane electrolysis are proposed in a number of writings, whereby different cell configurations are used.
In
der Patentschrift
In
der Patentschrift
In
den Patentschriften
In
einer besonderen Ausführungsform
des Verfahrens nach
Die
erforderliche pH-Wert-Einstellung erfolgt nach
In
den Patentschriften
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit denen die Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallbeschichtung verlängert werden kann.The The object of the invention is to specify methods and devices with which the service life of a process solution for chemical-reductive metal coating extended can be.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bei dem das bei der Metallabscheidung verbrauchte Reduktionsmittel und Metallionen des Beschichtungsmetalls nachdosiert und der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden. Die Nachdosierung der Metallionen und die pH-Wert-Einstellung erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe mindestens eines schwachsauren Kationenaustauschers, der mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen ist. Dazu wird dieser mit Prozesslösung oder einer verdünnten Prozesslösung beaufschlagt. Die durch den schwachsauren Kationenaustauscher aufbereitete Lösung wird der Prozesslösung wieder zugeführt.The Task is solved through an extension process the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, in which the metal deposition used reducing agents and metal ions of the coating metal replenished and the pH in the process solution adjusted. The The metal ions are then metered in and the pH is adjusted according to the invention with the help at least one weakly acidic cation exchanger, the one with ions of the coating metal is loaded. This is done with process solution or one diluted process solution applied. The one prepared by the weakly acidic cation exchanger solution becomes the process solution fed again.
Im weiteren Text wird unter dem Begriff Ionenaustauscher jeweils eine Vorrichtung verstanden, die z.B. in Form einer Säu1e, Kolonne oder Filterkammer entweder teilweise oder vollständig mit einem Ionenaustauschermaterial gefüllt ist. Es werden organische oder anorganische Ionenaustauschermaterialien eingesetzt, wobei diese funktionelle Gruppen besitzen, die zum Ionenaustausch befähigt sind. Die Ionenaustauschermaterialien können fest oder flüssig sein. Entsprechend der Struktur der funktionellen Gruppen des eingesetzten Ionenaustauschermaterials kann der Ionenaustauscher näher charakterisiert werden, z.B. als starksaurer bzw. schwachsaurer Kationenaustauscher oder als schwachbasischer bzw. starkbasischer Anionenaustauscher. Die vom Ionenaustauscher gebundenen Stoffe können durch Regeneration wieder von den funktionellen Gruppen entfernt werden, wobei die Regeneration im Gleich- oder Gegenstrom möglich ist.in the further text is one under the term ion exchanger Understand device which e.g. in the form of a column, column or filter chamber either partially or completely is filled with an ion exchange material. It will be organic or inorganic ion exchange materials used, wherein these have functional groups which are capable of ion exchange. The ion exchange materials can be solid or liquid. According to the structure of the functional groups of the ion exchange material used the ion exchanger can get closer be characterized, e.g. as strongly acidic or weakly acidic Cation exchanger or as weakly basic or strongly basic Anion exchanger. The substances bound by the ion exchanger can through Regeneration are removed again from the functional groups, regeneration is possible in cocurrent or countercurrent.
Durch das auf die Metallbeschichtung folgende Spülen des beschichteten Werkstücks werden Inhaltsstoffe der Prozesslösung in die Spüllösung ausgeschleppt. Dadurch gelangen auch Fremdstoffe, wie das oxidierte Reduktionsmittel, die Gegenionen des Reduktionsmittels, in der Regel Na+, und andere störende Ionen in die Spüllösung. Die Spüllösung stellt somit eine verdünnte Prozesslösung dar, aus der die Fremdstoffe entfernt werden können. Im weiteren Text schließt daher der Begriff verdünnte Prozesslösung die Spüllösung mit ein.By rinsing the coated workpiece after the metal coating, ingredients of the process solution are dragged into the rinsing solution. As a result, foreign substances such as the oxidized reducing agent, the counterions of the reducing agent, as a rule Na + , and other disruptive ions also get into the rinsing solution. The rinsing solution is therefore a diluted process solution from which the foreign substances can be removed. In the further text, the term diluted process solution therefore includes the rinsing solution.
Die Nachdosierung der bei der Metallabscheidung verbrauchten Metallionen des Beschichtungsmetalls erfolgt erfindungsgemäß durch Aufgabe der Prozesslösung oder einer verdünnten Prozesslösung auf einen schwachsauren Kationenaustauscher, der mit den Kationen des Beschichtungsmetalls beladen ist. Dieser gibt Metallionen in die Prozesslösung ab. Vorteilhaft werden dadurch keine störenden Gegenionen in die Prozesslösung eingebracht.The Replenishment of the metal ions consumed in the metal deposition of the coating metal takes place according to the invention by abandoning the process solution or one diluted process solution on a weakly acidic cation exchanger that works with the cations of the coating metal is loaded. This gives in metal ions the process solution from. As a result, no interfering counterions are advantageously introduced into the process solution.
Dabei wird die Prozesslösung direkt auf den Kationenaustauscher gegeben. Dass dies bisher noch nicht versucht wurde, liegt vermutlich darin, dass die Fachwelt davon ausgegangen ist, dass das direkte in Kontakt bringen der Prozesslösung mit Kationenaustauschermaterialien zu einer unerwünschten Metallabscheidung auf den Ionenaustauschermaterialien führen würde und diese dadurch schnell unbrauchbar würden.there becomes the process solution placed directly on the cation exchanger. That this has not been the case so far Tried, is probably that the professional world of it It is assumed that the process solution is brought into direct contact with Cation exchange materials lead to an undesirable metal deposition would lead to the ion exchange materials and thereby this quickly would become unusable.
Erstaunlicherweise lässt sich die Prozesslösung jedoch direkt mit Kationenaustauschermaterialien in Kontakt bringen, ohne dass dies zu einer nennenswerten Metallabscheidung auf den Materialien führt.Amazingly, let yourself the process solution but directly in contact with cation exchange materials, without this leading to a significant metal deposition on the Leads materials.
Überraschend wurde gefunden, dass mit Hilfe des schwachsauren Kationenaustauschers parallel zur Nachdosierung der Metallionen auch der pH-Wert einer sauren Prozesslösung eingestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der schwachsaure Kationenaustauscher, wenn er mit der Prozesslösung in Kontakt kommt, die bei der Metallabscheidung entstehenden H+-Ionen bindet.Surprisingly, it was found that with the aid of the weakly acidic cation exchanger, the pH of an acidic process solution can be adjusted in parallel with the subsequent metering in of the metal ions. This is achieved in that the weakly acidic cation exchanger, when it comes into contact with the process solution, binds the H + ions formed during the metal deposition.
Vorzugsweise wird während der Metallabscheidung kontinuierlich ein Teil der Prozesslösung oder der verdünnten Prozesslösung über den schwachsauren Kationenaustauscher geleitet. Beim Erreichen der nutzbaren Kapazität der Ionenaustauschersäule kann das Ionenaustauschermaterial ausgewechselt oder der Fluss der Prozesslösung auf einen anderen Kationenaustauscher umgeleitet werden.Preferably will during part of the process solution or the diluted Process solution via the weakly acidic cation exchanger. When reaching the usable capacity the ion exchange column the ion exchange material can be replaced or the flow of the process solution be redirected to another cation exchanger.
Durch den Einsatz des mit den Kationen des Beschichtungsmetalls beladenen schwachsauren Kationenaustauschers erübrigt sich in vorteilhafter Weise die nach dem Stand der Technik notwendige Zugabe von Laugen und Metallsalzen in die Prozesslösung, um die H+-Ionen zu binden und die verbrauchten Metallionen nachzudosieren.By using the weakly acidic cation exchanger loaded with the cations of the coating metal, the addition of lye and metal salts to the process solution, which is necessary according to the prior art, is advantageously unnecessary in order to bind the H + ions and to replenish the used metal ions.
Da mit Hilfe des schwachsauren Kationenaustauschers, der mit Prozesslösung in Kontakt gebracht wird, überraschend auch der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden kann, erübrigt sich auch die nach dem Stand der Technik notwendige Zugabe von Laugen zu der Prozesslösung.There with the help of the weakly acidic cation exchanger, which with process solution in Contacted, surprisingly also the pH in the process solution can be set, superfluous the addition of alkalis necessary according to the prior art to the process solution.
Durch die Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls ohne störende Gegenionen und die pH-Wert-Einstellung ohne Laugenzugabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit dem schwachsauren Kationenaustauscher im Vergleich zum Stand der Technik der notwendige Salzeintrag in die Prozesslösung erheblich reduziert. Durch dieses einfache Verfahren, bei dem eine herkömmliche Anlage zur chemisch-reduktiven Metallabscheidung lediglich mit dem erfindungsgemäßen schwachsauren Kationenaustauscher ergänzt werden muss, kann die Nutzungsdauer der Prozesslösung deutlich verlängert werden.By replenishing the ions of the coating metal without interfering counterions and pH adjustment without addition of lye is considerably reduced by the inventive method with the weakly acidic cation exchanger compared to the prior art, the necessary salt input into the process solution. This simple method, in which a conventional system for chemical-reductive metal deposition only has to be supplemented with the weakly acidic cation exchanger according to the invention, can significantly extend the useful life of the process solution.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bei dem das bei der Metallabscheidung verbrauchte Reduktionsmittel, sowie die Metallionen des Beschichtungsmetalls nachdosiert und der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden, wobei ein Anionenaustausch zur Abtrennung störender Anionen in einer Membranelektrolysezelle mit zusätzlichem Hilfskreislauf zwischen der Prozesslösung und dem Hilfskreislauf über Anionenaustauschermembranen erfolgt.On a further part of the invention is a method for extension the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, in which the metal deposition used reducing agents, as well as the metal ions of the coating metal metered in and the pH in the process solution adjusted an anion exchange for the separation of interfering anions in a membrane electrolysis cell with additional Auxiliary circuit between the process solution and the auxiliary circuit via anion exchange membranes he follows.
Bei diesem Verfahren wird das Reduktionsmittel in Form eines Salzes, vorzugsweise NaH2PO2, oder einer Salzlösung in den Hilfskreislauf nachdosiert, welcher eine Regenerierlösung enthält. Der Kontakt und der Austausch von Anionen zwischen der Regenerierlösung und der Prozesslösung oder einer verdünnten Prozesslösung erfolgt über Anionenaustauschermembranen in der Membranelektrolysezelle. Im Hilfskreislauf erfolgt die Abtrennung der aus dem Reduktionsmittel stammenden störenden Kationen über einen mit Protonen beladenen starksauren Kationenaustauscher, während störende Anionen mit einem schwachbasischen Anionenaustauscher, welcher in seiner Ausgangsform als freie Base vorliegt, aus der Regenerierlösung entfernt werden.In this process, the reducing agent in the form of a salt, preferably NaH 2 PO 2 , or a salt solution is replenished into the auxiliary circuit, which contains a regeneration solution. The contact and exchange of anions between the regeneration solution and the process solution or a dilute process solution takes place via anion exchange membranes in the membrane electrolysis cell. In the auxiliary circuit, the interfering cations originating from the reducing agent are separated off via a strongly acidic cation exchanger loaded with protons, while interfering anions are removed from the regeneration solution using a weakly basic anion exchanger which is in its starting form as a free base.
Die Anionenaustauschermembranen der Membranelektrolysezelle halten Kationen mit Ausnahme von Protonen zurück und erlauben die Passage von Anionen zwischen Prozesslösung und Regenerierlösung. Daher können die als Reduktionsmittel wirkenden Anionen, vorzugsweise H2PO2 –, diese Membran passieren und aus der Regenerierlösung in die Prozesslösung wandern. Dagegen werden die Gegenionen des Reduktionsmittels (Na+-Ionen) durch die Membranen zurückgehalten und können damit nicht aus der Regenerierlösung in die Prozesslösung wandern. Somit wird eine kationenfreie Nachdosierung des Reduktionsmittels, vorzugsweise H2PO2 –, in die Prozesslösung erreicht. Aus der Prozesslösung können das verbrauchte und dabei oxidierte Reduktionsmittel, vorzugsweise Orthophosphit (H2PO3 –), sowie die Gegenionen des für die Nachdosierung eingesetzten Salzes des Beschichtungsmetalls durch die Anionenaustauschermembran in die Regenerierlösung wandern. Dazu werden Prozess- und Regenerierlösung in einer Membranelektrolysezelle in getrennten Kammern in Kontakt gebracht, wobei der elektrodialytische Transport der Ionen durch ein elektrisches Feld bewirkt wird, das durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden der Membranelektrolysezelle induziert wird. Dabei bestimmt die Anzahl der dazwischenliegenden Kammern die Höhe der Spannung. Pro Basiseinheit von drei Zellen ist mit einem Spannungsabfall von ca. 2 Volt zu rechnen, wobei auch der Leitwert der in der Kammer befindlichen Lösung die Höhe der anzulegenden Spannung beeinflusst.The anion exchange membranes of the membrane electrolysis cell retain cations with the exception of protons and allow anions to pass between the process solution and the regeneration solution. The anions acting as reducing agents, preferably H 2 PO 2 - , can therefore pass through this membrane and migrate from the regeneration solution into the process solution. In contrast, the counterions of the reducing agent (Na + ions) are retained by the membranes and therefore cannot migrate from the regeneration solution into the process solution. A cation-free subsequent metering of the reducing agent, preferably H 2 PO 2 - , into the process solution is thus achieved. From the process solution, the used and oxidized reducing agent, preferably orthophosphite (H 2 PO 3 - ), as well as the counterions of the salt of the coating metal used for subsequent dosing can migrate through the anion exchange membrane into the regeneration solution. For this purpose, process and regeneration solution in a membrane electrolysis cell are brought into contact in separate chambers, the electrodialytic transport of the ions being brought about by an electric field which is induced by applying a voltage to the electrodes of the membrane electrolysis cell. The number of chambers in between determines the level of tension. A voltage drop of approx. 2 volts is to be expected per base unit of three cells, whereby the conductance of the solution in the chamber also influences the level of the voltage to be applied.
Durch die spezielle Anordnung der Membranen wird erreicht, dass die Anionen des Reduktionsmittels sowie die Fremdstoffe (oxidiertes Reduktionsmittel und ggf. die Gegenionen des zugesetzten Salzes des Beschichtungsmetalls) durch die Membranen aus der Prozesslösung in die Regenerierlösung wandern, wodurch sich die Regenerierlösung mit Fremdstoffen anreichert.By The special arrangement of the membranes is achieved by the anions of the reducing agent and the foreign substances (oxidized reducing agent and possibly the counterions of the added salt of the coating metal) migrate through the membranes from the process solution into the regeneration solution, whereby the regeneration solution enriched with foreign substances.
Um eine Aufsalzung in der Regenerierlösung zu vermeiden, werden störende Anionen dadurch abgetrennt, dass die Regenerierlösung über einen schwachbasischen Anionenaustauscher geleitet wird. Nachdem die Nachdosierung des Reduktionsmittels in Form eines handelsüblichen Salzes in die Regenerierlösung erfolgt, müssen zur Verhinderung einer Aufsalzung der Regenerierlösung die Gegenionen des Reduktionsmittels, wie z. B. Na+, abgetrennt werden. Dazu wird die Regenerierlösung zusätzlich über einen starksauren Kationenaustauscher geleitet, welcher mit H+-Ionen beladen ist. Durch den starksauren Kationenaustauscher werden Natriumionen entfernt und durch H+-Ionen ersetzt, so dass eine Anreicherung von Natriumionen in der Regenerierlösung verhindert wird. Die H+-Ionen hingegen werden durch den kathodischen Elektrodenprozess bzw. bei der Aktivierung des schwachbasischen Anionenaustauschers verbraucht und somit wieder aus der Regenerierlösung entfernt.In order to avoid salt formation in the regeneration solution, disruptive anions are separated by passing the regeneration solution over a weakly basic anion exchanger. After the redosing of the reducing agent in the form of a commercially available salt into the regeneration solution, the counterions of the reducing agent, such as, for. B. Na + , are separated. For this purpose, the regeneration solution is additionally passed through a strongly acidic cation exchanger which is loaded with H + ions. The strongly acidic cation exchanger removes sodium ions and replaces them with H + ions, so that an accumulation of sodium ions in the regeneration solution is prevented. The H + ions, on the other hand, are consumed by the cathodic electrode process or when the weakly basic anion exchanger is activated, and are thus removed from the regeneration solution.
Sobald die Kapazität der Ionenaustauscher erschöpft ist, werden die Ionenaustauscher regeneriert. Im Falle des schwachbasischen Anionenaustauschers erfolgt dies mit Natronlauge, Kalilauge, Natriumcarbonat-Lösung, Kaliumcarbonat-Lösung oder Ammoniak, im Falle des starksauren Kationenaustauschers erfolgt die Regenerierung mit Salz- oder Schwefelsäure. Die dabei anfallenden Eluate werden abwassertechnisch behandelt.As soon as the capacity the ion exchanger is exhausted the ion exchangers are regenerated. In the case of the weakly basic Anion exchanger this is done with sodium hydroxide solution, potassium hydroxide solution, sodium carbonate solution, potassium carbonate solution or Ammonia, in the case of the strongly acidic cation exchanger Regeneration with hydrochloric or sulfuric acid. The resulting Eluates are treated using wastewater technology.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des starksauren Kationenaustauschers kann im Hilfskreislauf überraschenderweise sogar auf eine separate Aktivierung des schwachbasischen Anionenaustauschers nach dessen Regenerierung verzichtet werden, da die im Hilfskreislauf enthaltenen Salze teilweise in die korrespondierenden Säuren überführt und an die aktiven Gruppen des Anionenaustauschers addiert werden.By the use of the invention of the strongly acidic cation exchanger can surprisingly be found in the auxiliary circuit even on a separate activation of the weakly basic anion exchanger after its regeneration can be dispensed with, since the in the auxiliary circuit contained salts partially converted into the corresponding acids and be added to the active groups of the anion exchanger.
Der Volumenstrom an Prozesslösung VP, der zur Einstellung der gewünschten Konzentration cF,g über die Membranelektrolysezelle geführt wird, lässt sich gemäß Gleichung 2 berechnen, die für den stationären Zustand gültig ist.The volume flow of process solution V P , which is passed over the membrane electrolysis cell to set the desired concentration c F, g , can be calculated according to equation 2, which is valid for the steady state.
Dessen Wert werden durch den Fremdstoffeintrag in die Prozesslösung (mF), die Fremdstoffkonzentrationen im Zulauf (cF,z) und im Ablauf (cF,R) der Reinigungsvorrichtung sowie durch Rückfuhrgrad der ausgeschleppten Komponenten (γR) bestimmt. Der Massenstrom des Fremdstoffeintrags lässt sich über die Stöchiometrie aus der abgeschiedenen Nickelmenge bestimmen. Der Rückführgrad ist davon abhängig, welcher Anteil der Spüllösung zum Ausgleich der Verdunstungsverluste in den Beschichtungsbehälter überführt wird, und kann zwischen 0 und 1 liegen.Its value is determined by the entry of foreign matter into the process solution (m F ), the foreign matter concentrations in the inlet (c F, z ) and in the outlet (c F, R ) of the cleaning device and by the degree of recirculation of the components (γ R ) that have been towed out. The mass flow of the foreign substance input can be determined from the deposited amount of nickel via the stoichiometry. The degree of recirculation depends on the proportion of the rinsing solution that is transferred to the coating container to compensate for evaporation losses, and can be between 0 and 1.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kombination von starksaurem Kationenaustauscher und schwachbasischem Anionenaustauscher im Hilfskreislauf einer Membranelektrolysezelle mit der nachfolgend beschriebenen Anordnung der Kammern hat den Vorteil, dass das Reduktionsmittel ohne störende Kationen in die Prozesslösung nachdosiert und störende Anionen aus der Prozesslösung abgetrennt werden können, und im Hilfskreislauf keine Anreicherung störender Kationen erfolgt.The Use of the combination according to the invention of strongly acidic cation exchanger and weakly basic anion exchanger in the auxiliary circuit of a membrane electrolysis cell with the one described below Arrangement of the chambers has the advantage that the reducing agent without annoying Cations in the process solution replenished and annoying Anions from the process solution can be separated, and there is no accumulation of interfering cations in the auxiliary circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die oben beschriebene Nachdosierung des Reduktionsmittels und die Abtrennung störender Anionen im Hilfskreislauf mit der zuvor beschriebenen pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls mit Hilfe des mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladenen schwachsauren Kationenaustauschers kombiniert. In dieser Ausführungsform wird durch die erfindungsgemäße Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls ohne störende Anionen eine geringere Fremdstoffmenge in die Prozesslösung eingetragen. Dadurch muss durch die Membranelektrolysezelle auch nur eine geringere Fremdstoffmenge abgetrennt werden.In a preferred embodiment the invention is the above-described dosing of the reducing agent and the separation more disruptive Anions in the auxiliary circuit with the pH setting described above and replenishment of the ions of the coating metal using the Weakly acidic cation exchanger loaded with ions of the coating metal combined. In this embodiment through the subsequent dosing according to the invention of the ions of the coating metal without a disturbing anion Quantity of foreign matter in the process solution entered. This means that the membrane electrolysis cell must also only a smaller amount of foreign matter can be separated.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die oben beschriebene Nachdosierung des Reduktionsmittels und die Abtrennung störender Anionen im Hilfskreislauf mit einem Verfahren kombiniert, bei dem störende Kationen, die sich bei der Metallabscheidung in der Prozesslösung anreichern, mit Hilfe mindestens eines starksauren Kationenaustauschers abgetrennt werden, der zuvor mit Protonen beladenen wurde.In a further embodiment the invention is the above-described dosing of the reducing agent and the separation more disruptive Anions combined in the auxiliary circuit with a process in which disturbing Cations that accumulate in the process solution during metal deposition, separated using at least one strongly acidic cation exchanger that was previously loaded with protons.
Vorzugsweise wird diese Abtrennung der störenden Kationen zeitweise bei Bedarf in einem speziellen Reinigungsprozess durchgeführt. Dieser dient im wesentlichen der Entfernung von Kationen, die bei der Metallabscheidung aus dem Basismaterial in die Prozesslösung eingetragen werden. Hierzu wird die Prozesslösung mit einem starksauren Kationenaustauscher in Kontakt gebracht, der zuvor mit Protonen beladen wurde.Preferably this separation is the disruptive Cations temporarily in a special cleaning process if necessary carried out. This essentially serves to remove cations that are present in the the metal deposition from the base material into the process solution become. This is the process solution brought into contact with a strongly acidic cation exchanger, the was previously loaded with protons.
Bei diesem Reinigungsvorgang werden aber auch die in der Prozesslösung enthaltenen Ionen des abzuscheidenden Metalls entfernt und Protonen in die Prozesslösung eingetragen. Die Kationen des Beschichtungsmetalls müssen anschließend nachdosiert und die bei der Reinigung der Prozesslösung eingetragenen Protonen wieder entfernt werden. Um die Kationen des Beschichtungsmetalls wieder nutzen zu können, wird das Eluat, das bei der Regenerierung des starksauren Kationenaustauschers anfällt, nach einer pH-Einstellung für die Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers mit den Kationen des Beschichtungsmetalls eingesetzt.at this cleaning process also includes those contained in the process solution Ions of the metal to be deposited are removed and protons are added to the process solution. The cations of the coating metal must then be replenished and the protons entered when cleaning the process solution be removed again. To the cations of the coating metal to be able to use again becomes the eluate that is used to regenerate the strongly acidic cation exchanger accrues, after a pH adjustment for the loading of the weakly acidic cation exchanger with the cations of the coating metal used.
Vorzugsweise werden die Ionen des Beschichtungsmetalls durch einen schwachsauren Kationenaustauscher, der mit den entsprechenden Kationen des Beschichtungsmetalls beladen ist, nachdosiert. Gleichzeitig bindet dieser die Protonen, die durch den Reinigungsprozess in die Prozesslösung eingetragen wurden.Preferably the ions of the coating metal are weakly acidic Cation exchanger with the corresponding cations of the coating metal is loaded, replenished. At the same time, it binds the protons, which were entered into the process solution by the cleaning process.
Bei geringen Metalldurchsätzen ist der Einsatz einer Membranelektrolysezelle mit Hilfskreislauf jedoch mit relativ hohen Kosten verbunden.at low metal throughputs is the use of a membrane electrolysis cell with an auxiliary circuit however, involves relatively high costs.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bei dem das bei der Metallabscheidung verbrauchte Reduktionsmittel sowie die Metallionen des Beschichtungsmetalls nachdosiert und der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden, wobei störende Kationen und Anionen, die sich bei der Metallabscheidung in der Prozesslösung anreichern, mit Hilfe von Ionenaustauschprozessen aus der Prozesslösung oder einer verdünnten Prozesslösung entfernt werden. Zur Abtrennung störender Kationen wird hierzu mindestens ein starksaurer Kationenaustauscher eingesetzt, der zuvor mit Protonen beladen wurde, während der schwachbasische Anionenaustauscher zur Abtrennung der störenden Anionen durch Protonen in die protonierte Form überführt wird. Vorzugsweise werden dazu die Protonen verwendet, die der starksaure Kationenaustauscher, wie oben beschrieben abgibt, wenn er störende Kationen bindet.Another component of the invention is therefore a method for extending the useful life a process solution for the chemical-reductive metal deposition, in which the reducing agent used in the metal deposition and the metal ions of the coating metal are replenished and the pH value in the process solution is adjusted, whereby disturbing cations and anions, which accumulate in the process solution during the metal deposition, are removed from the process solution or a dilute process solution with the aid of ion exchange processes. For the removal of interfering cations, at least one strongly acidic cation exchanger is used for this purpose, which was previously loaded with protons, while the weakly basic anion exchanger for the removal of the interfering anions is converted into the protonated form by protons. The protons which the strongly acidic cation exchanger releases as described above when it binds interfering cations are preferably used for this purpose.
Bevorzugt wird bei diesem Verfahren das Reduktionsmittel in Form eines wasserlöslichen Salzes, vorzugsweise Natriumhypophosphit (NaH2PO2), oder einer entsprechenden Lösung direkt in die Prozesslösung oder in eine verdünnte Prozesslösung nachdosiert.In this process, the reducing agent is preferably replenished directly in the process solution or in a dilute process solution in the form of a water-soluble salt, preferably sodium hypophosphite (NaH 2 PO 2 ), or a corresponding solution.
Die Abtrennung der störenden Anionen über den schwachbasischen Anionenaustauscher und der störenden Kationen über den starksauren Kationenaustauscher erfolgt bevorzugt aus einer verdünnten Prozesslösung.The Separation of the disruptive Anions over the weakly basic anion exchanger and the interfering cations over the strongly acidic cation exchangers are preferably made from a dilute process solution.
Vorzugsweise werden dabei durch den starksauren Kationenaustauscher die störenden Kationen und durch den schwachbasischen Anionenaustauscher die störenden Anionen aus dem Spülsystem abgetrennt. Nachdem durch den starksauren Kationenaustauscher neben den kationischen Verunreinigungen aus Basismaterial aber auch die in die Spüllösung ausgeschleppten Kationen des Beschichtungsmetalls abgetrennt werden, muss der starksaure Kationenaustauscher häufiger regeneriert werden, als wenn er Bestandteil eines separaten Hilfskreislaufes der Membranelektrolysezelle ist.Preferably become the disturbing cations by the strongly acidic cation exchanger and through the weakly basic anion exchanger the interfering anions from the flushing system separated. After by the strongly acidic cation exchanger next the cationic contaminants from base material but also the towed into the rinse solution Cations of the coating metal must be separated, the strongly acidic Cation exchangers more common be regenerated as if it were part of a separate auxiliary circuit the membrane electrolysis cell.
Die so gereinigte Spüllösung wird zum Ausgleich von den bei der Metallabscheidung auftretenden Verdunstungsverlusten in die Prozesslösung zurückgeführt.The cleaned rinsing solution to compensate for the evaporation losses that occur during metal deposition in the process solution recycled.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das oben beschriebene Verfahren zur Abtrennung von störenden Anionen bzw. störender Kationen aus einer verdünnten Prozesslösung (bzw. Spüllösung) mit der weiter oben beschriebenen pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung der Metallionen mit Hilfe des Metallionenbeladenen schwachsauren Kationenaustauschers kombiniert.In a preferred embodiment The invention uses the separation method described above of distracting Anions or more disruptive Cations from a diluted process solution (or rinsing solution) with the pH setting described above and replenishment of the metal ions with the aid of the metal ion loaded weakly acidic cation exchanger combined.
Vorzugsweise erfolgt die Zuführung der Metallionen des Beschichtungsmetalls in die zuvor gereinigte Lösung mit Hilfe eines schwachsauren Kationenaustauschers, der zuvor mit den Metallionen des Beschichtungsmetalls beladen wurde. Dadurch wird der pH-Wert in der zurückgeführten Lösung angehoben und es werden die durch den starksauren Kationenaustauscher abgetrennten Metallionen des Beschichtungsmetalls wieder in die Prozesslösung zurückgeführt. Das Eluat des starksauren Kationenaustauschers kann dabei nach einer pH-Wert-Einstellung für die Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers mit den Metallionen des Beschichtungsmetalls genutzt werden.Preferably the feed takes place the metal ions of the coating metal in the previously cleaned solution With the help of a weakly acidic cation exchanger, which had previously Metal ions of the coating metal was loaded. This will the pH in the returned solution is raised and there are those separated by the strongly acidic cation exchanger Metal ions of the coating metal are returned to the process solution. The Eluate of the strongly acidic cation exchanger can be after a pH adjustment for the loading of the weakly acidic cation exchanger with the metal ions of the coating metal can be used.
Diese vereinfachte Prozess- und Anlagentechnik führt ebenfalls zu einer deutlichen Verringerung des Fremdstoffgehaltes in der Prozesslösung, ermöglicht aber nicht die gute Stoffnutzung, die mit der zuvor beschriebenen Membranelektrolysezelle mit Hilfskreislauf erreicht werden kann.This Simplified process and plant technology also leads to a clear one Reduction of the foreign matter content in the process solution, but enables not the good use of materials with the membrane electrolysis cell described above can be achieved with auxiliary circuit.
Des
weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Prozesslösung
für die
chemisch-reduktive Metallabscheidung, bestehend aus mindestens einem
schwachsauren Kationenaustauscher zum Einsatz für die pH-Wert-Einstellung und
die Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls in einer Anlage
für die
chemisch-reduktive Metallabscheidung. Die Vorrichtung weist Elemente
auf, die der Verbindung des Zu- und Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers
(
Vorzugsweise enthält der Kationenaustauscher ein schwachsaures Kationenaustauschermaterial mit Carbonsäuregruppen als funktionelle Gruppen.Preferably contains the cation exchanger is a weakly acidic cation exchanger material with carboxylic acid groups as functional groups.
Zu seinem erfindungsgemäßen Einsatz wird der schwachsaure Kationenaustauscher mit den Kationen des Beschichtungsmetalls beladen. Vorzugsweise erfolgt dies in zwei Schritten: Zuerst wird der schwachsaure Kationenaustauscher zur Konditionierung, mit einer Lauge, vorzugsweise mit Natronlauge, in die Salzform überführt. Zur Beladung wird er anschließend mit einem wasserlöslichen Salz des Beschichtungsmetalls in gelöster Form in Kontakt gebracht. Im Fall der chemisch-reduktiven Nickelabscheidung wird für die Beladung mit Metallionen beispielsweise eine wässrige Lösung von Nickelsulfat oder Nickelchlorid gewählt.For its use according to the invention, the weakly acidic cation exchanger is loaded with the cations of the coating metal. This is preferably done in two steps: First, the weakly acidic cation exchanger for conditioning, with an alkali, preferably with sodium hydroxide solution, into the salt transferred form. For loading, it is then brought into contact with a water-soluble salt of the coating metal in dissolved form. In the case of chemical-reductive nickel deposition, for example an aqueous solution of nickel sulfate or nickel chloride is chosen for loading with metal ions.
Die Beladung mit Metallionen erfolgt vorzugsweise in zwei Stufen mit unterschiedlich konzentrierten Metallsalzlösungen, wobei bei der zweiten Stufe – vorzugsweise durch eine Kreislaufführung – eine vollständige Beladung mit Metallionen des Beschichtungsmetalls erfolgt. Durch diese schrittweise Vorgehensweise ist eine vollständige Überführung des schwachsauren Harzes in die Beladung mit Ionen des Beschichtungsmetalls und gleichzeitig eine gute Stoffnutzung der eingesetzten Ionen des Beschichtungsmetalls gewährleistet.The Metal ion loading is preferably carried out in two stages differently concentrated metal salt solutions, with the second Level - preferably through a circuit - a full load with metal ions of the coating metal. Through this gradually The procedure is a complete transfer of the weakly acidic resin in the loading with ions of the coating metal and at the same time good use of the ions of the Coating metal guaranteed.
Nach dem Beladungsvorgang wird der Ionenaustauscher mit vollentsalztem Wasser gewaschen, um die entsprechenden Natriumsalze aus dem Ionenaustauscher zu entfernen, damit diese nicht in die Prozesslösung als Fremdstoffe eingetragen werden.To the loading process is the ion exchanger with fully desalinated Washed water to remove the appropriate sodium salts from the ion exchanger to remove them so that they do not enter the process solution as foreign substances become.
Bei seinem erfindungsgemäßen Einsatz wird der schwachsaure Kationenaustauscher mit Prozesslösung beaufschlagt und gibt Metallionen in diese ab. Gleichzeitig bindet er Protonen. Die maximale Protonen-Aufnahmekapazität des schwachsauren Kationenaustauschers wird bei vollständiger Überführung in die Salzform erreicht. Die Kapazität wird über den pH-Wert in seinem Ablauf kontrolliert. Dabei sinkt der pH-Wert im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers, wenn die vollständige Entladung von den Metallionen erreicht wurde.at its use according to the invention the weakly acidic cation exchanger is charged with process solution and releases metal ions into them. At the same time, it binds protons. The maximum proton absorption capacity of the weakly acidic cation exchanger is at complete transfer in reached the salt form. The capacity is above the pH in its drain controlled. The pH value drops in the process Expiration of the weakly acidic cation exchanger when the discharge is complete was achieved by the metal ions.
Bei vollständiger Entladung befindet sich der schwachsaure Kationenaustauscher in der H-Form. Für die erneute erfindungsgemäße Nutzung muss der schwachsaure Kationenaustauscher mit einer Lauge wieder in die Salzform überführt und anschließend mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen werden. Der so regenerierte schwachsaure Kationenaustauscher kann erneut für die pH-Wert-Einstellung, sowie die Nachdosierung von Metallionen verwendet werden.at complete The weakly acidic cation exchanger is located in the discharge the H shape. For the renewed use according to the invention the weakly acidic cation exchanger must be reintroduced with an alkali the salt form is transferred and subsequently be loaded with ions of the coating metal. The so regenerated weakly acidic cation exchanger can be used again for pH adjustment, and the replenishment of metal ions can be used.
Der schwachsaure Kationenaustauscher besitzt eine hohe Selektivität für Protonen, so dass die bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung gebildeten Protonen von diesem Kationenaustauscher gebunden werden. Im Gegenzug werden die zuvor am Kationenaustauscher gebundenen Metallionen in die Prozesslösung abgegeben.The weakly acidic cation exchanger has a high selectivity for protons, so that those formed during chemical-reductive metal deposition Protons are bound by this cation exchanger. In return are the metal ions previously bound to the cation exchanger in the process solution issued.
Die für die Metallabscheidung verwendeten zweiwertigen Kationen werden von dem schwachsauren Kationenaustauscher stärker gebunden als einwertige Kationen. Vorteilhaft lässt sich der Austauscher daher in einfacher Weise mit Natronlauge in die Salzform überführen und anschließend mit den zweiwertigen Kationen des Beschichtungsmetalls beladen. Die Säulenkapazität des schwachsauren Kationenaustauschers wird entsprechend der gewünschten Nutzungsdauer und der abzuscheidenden Metallmenge gewählt.The for the Metal divalent cations are used by the metal deposition weakly acidic cation exchangers more strongly bound than monovalent ones Cations. Leaves advantageous the exchanger therefore in a simple manner with sodium hydroxide solution convert the salt form and subsequently loaded with the divalent cations of the coating metal. The column capacity of weak acid Cation exchanger is according to the desired service life and the amount of metal to be deposited.
Überraschend wurde gefunden, das der schwachsaure Kationenaustauscher direkt mit der Prozesslösung in Kontakt gebracht und nicht nur die Ionen des Beschichtungsmetalls nachdosiert, sondern auch der pH-Wert der Prozesslösung eingestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der schwachsaure Kationenaustauscher, wenn er mit der Prozesslösung in Kontakt kommt, die bei der Metallabscheidung entstehenden H+-Ionen bindet.It was surprisingly found that the weakly acidic cation exchanger was brought into direct contact with the process solution and not only did the ions of the coating metal be replenished, but the pH of the process solution could also be adjusted. This is achieved in that the weakly acidic cation exchanger, when it comes into contact with the process solution, binds the H + ions formed during the metal deposition.
Durch den Einsatz des mit den Kationen des Beschichtungsmetalls beladenen schwachsauren Kationenaustauschers erübrigt sich in vorteilhafter Weise die nach dem Stand der Technik notwendige Zugabe von Laugen und Metallsalzen in die Prozesslösung, um die H+-Ionen zu binden und die verbrauchten Metallionen nachzudosieren.By using the weakly acidic cation exchanger loaded with the cations of the coating metal, the addition of lye and metal salts to the process solution, which is necessary according to the prior art, is advantageously unnecessary in order to bind the H + ions and to replenish the used metal ions.
Da mit Hilfe des schwachsauren Kationenaustauschers, der mit Prozesslösung in Kontakt gebracht wird, überraschend auch der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden kann, erübrigt sich auch die nach dem Stand der Technik notwendige Zugabe von Laugen zu der Prozesslösung.There with the help of the weakly acidic cation exchanger, which with process solution in Contacted, surprisingly also the pH in the process solution can be set, superfluous the addition of alkalis necessary according to the prior art to the process solution.
Durch die Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls ohne störende Gegenionen und die pH-Wert-Einstellung ohne Laugenzugabe wird durch den erfindungsgemäßen schwachsauren Kationenaustauscher im Vergleich zum Stand der Technik der notwendige Salzeintrag in die Prozesslösung erheblich reduziert. Wird eine herkömmliche Anlage zur chemisch-reduktiven Metallabscheidung allein mit dem erfindungsgemäßen schwachsauren Kationenaustauscher ergänzt, kann die Nutzungsdauer der Prozesslösung deutlich verlängert werden.By the replenishment of the ions of the coating metal without interfering counterions and the pH adjustment without addition of alkali is achieved by the weak acid according to the invention Cation exchanger compared to the state of the art the necessary Salt entry in the process solution significantly reduced. Becomes a conventional chemical-reductive plant Metal deposition alone with the weakly acidic cation exchanger according to the invention added, the service life of the process solution can be significantly extended.
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Prozesslösung
für die
chemisch-reduktive Metallabscheidung, bestehend aus mindestens einem
starksauren Kationenaustauscher zum Einsatz für die Entfernung störender Kationen
in einer Anlage für
die chemisch-reduktive Metallabscheidung. Die Vorrichtung weist
Elemente auf, die der Verbindung des starksauren Kationenaustauschers
(
Als starksaure Kationenaustauschermaterialien kommen Verbindungen zum Einsatz, die als funktionelle Gruppen Sulfonsäure-Gruppen tragen, die zum Ionenaustausch befähigt sind. Diese binden in Abhängigkeit von den Konzentrationsverhältnissen alle kationischen Metallionen sowie Ammoniumionen stärker als Protonen. Dadurch werden diese Kationen aus der Aufgabelösung vom Ionenaustauscher gebunden, während gleichzeitig eine äquivalente Menge an Protonen an die Lösung abgegeben werden.As strongly acidic cation exchange materials come to the compounds Use that carry sulfonic acid groups as functional groups Enables ion exchange are. These bind in dependence from the concentration ratios all cationic metal ions as well as ammonium ions stronger than Protons. This will remove these cations from the feed solution from Ion exchanger bound while at the same time an equivalent Amount of protons in the solution be delivered.
Erfindungsgemäß wird der starksaure Kationenaustauscher zur Entfernung von Kationen aus der Prozesslösung, der verdünnten Prozesslösung, der Spüllösung oder der Regenerierlösung eingesetzt, wozu das starksaure Kationenaustauschermaterial in die H+-Form überführt wird. Dies erfolgt durch Aufgabe einer Säure in der erforderlichen Konzentration auf den Kationenaustauscher, wobei in der Praxis normalerweise Salz- oder Schwefelsäure eingesetzt werden.According to the invention, the strongly acidic cation exchanger is used to remove cations from the process solution, the diluted process solution, the rinsing solution or the regeneration solution, for which purpose the strongly acidic cation exchange material is converted into the H + form. This is done by placing an acid in the required concentration on the cation exchanger, with hydrochloric or sulfuric acid normally being used in practice.
Die Erschöpfung der Säulenkapazität des Austauschers wird über die Messung der Leitfähigkeit in Zu- und Ablauf des Kationenaustauschers ermittelt, wobei ein Absinken des Differenzwertes von Zu- und Ablauf auf die Erschöpfung der Säulenkapazität des starksauren Kationenaustauschers hinweist.The exhaustion the column capacity of the exchanger is about the measurement of conductivity determined in the inflow and outflow of the cation exchanger, a Decrease of the difference value of inflow and outflow to the exhaustion of the Column capacity of the strong acid Cation exchanger indicates.
Zur Regeneration des beladenen starksauren Kationenaustauschermaterials wird dieses durch Zugabe eines Überschusses an Säure wieder in seine H+-Form überführt. Durch die Protonen werden dabei die gebundenen Kationen von den funktionellen Gruppen des Austauschers verdrängt. Dabei wird zur Entfernung von mehrwertigen Kationen ein größerer Säureüberschuss und gegebenenfalls eine höhere Säurekonzentration benötigt als zur Entfernung monovalenter Kationen.To regenerate the loaded strongly acidic cation exchange material, it is converted back into its H + form by adding an excess of acid. The protons displace the bound cations from the functional groups of the exchanger. A larger excess of acid and possibly a higher acid concentration is required to remove polyvalent cations than to remove monovalent cations.
Mit dieser Vorrichtung werden vorteilhaft aus dem Basismaterial stammende kationische Fremdstoffe, wie z.B. Al3+, Sn2+, Zn2+ etc, sowie die störenden Kationen des nachdosierten Reduktionsmittels, die sich in der Prozesslösung anreichern können, entfernt.This device advantageously removes cationic foreign substances originating from the base material, such as Al 3+ , Sn 2+ , Zn 2+, etc., as well as the disruptive cations of the replenished reducing agent, which can accumulate in the process solution.
Die Erfindung betrifft auch die Kombination des oben beschriebenen schwachsauren Kationenaustauschers mit dem oben beschrieben starksauren Kationenaustauscher in einer Vorrichtung zum Einsatz in einer Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, um die Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung zu verlängern. Die Vorrichtung enthält dabei mindestens einen starksauren Kationenaustauscher für die Entfernung störender Kationen, der mit mindestens einem schwachsauren Kationenaustauscher zum Einsatz für die pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls in Reihe oder parallel geschaltet wird. Die Vorrichtung weist auch Elemente auf, die der Verbindung des schwachsauren Kationenaustauschers und des starksauren Kationenaustauschers mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung, abgekühlte Prozesslösung bzw. vorbehandelte Prozesslösung enthält, dienen. Des weiteren enthält die Vorrichtung zugehörige Peripherie, wie z. B. Pumpen, Ventile, Messvorrichtungen für pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperaturen.The The invention also relates to the combination of the weak acid described above Cation exchanger with the strongly acidic cation exchanger described above in a device for use in a plant for the chemical-reductive Metal deposition to determine the useful life of a process solution for the chemical reductive Extend metal deposition. The device contains at least one strongly acidic cation exchanger for the removal disturbing Cations with at least one weakly acidic cation exchanger used for the pH adjustment and replenishment of ions of the coating metal in series or is connected in parallel. The device also has elements the combination of the weakly acidic cation exchanger and the strongly acidic cation exchanger with at least one container which Process solution diluted Process solution cooled process solution or pretreated process solution contains serve. Furthermore contains associated with the device Peripherals such. B. pumps, valves, measuring devices for pH, Conductivity, Temperatures.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Kombination des oben beschriebenen starksauren Kationenaustauschers mit einem schwachbasischen Anionenaustauscher in einer Vorrichtung zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung. Diese Vorrichtung zum Einsatz in einer Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung besteht mindestens aus einem starksauren Kationenaustauscher für die Entfernung störender Kationen mit mindestens einem zu diesem in Reihe oder parallel geschalteten schwachbasischen Anionenaustauscher für die Entfernung störender Anionen, Die Vorrichtung weist weiterhin Elemente auf, die der Verbindung des starksauren Kationenaustauschers und des schwachbasischen Anionenaustauschers mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung, abgekühlte Prozesslösung bzw. vorbehandelte Prozesslösung enthält, dienen. Des weiteren enthält die Vorrichtung zugehörige Peripherie, wie z. B. Pumpen, Ventile, Messvorrichtungen für pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperaturen.Farther The invention relates to the combination of the strong acid described above Cation exchanger with a weakly basic anion exchanger in an extension device the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition. This device for use in a facility for the chemical-reductive metal deposition consists at least of a strongly acidic cation exchanger for the removal of interfering cations with at least one connected in series or parallel to this weakly basic anion exchanger for the removal of interfering anions, The device also has elements connected to the connection the strongly acidic cation exchanger and the weakly basic anion exchanger with at least one container, the process solution, diluted Process solution, cooled process solution or pretreated process solution contains serve. Furthermore contains associated with the device Peripherals such. B. pumps, valves, measuring devices for pH, Conductivity, Temperatures.
Als schwachbasische Anionenaustauschermaterialien kommen bevorzugt anorganische oder organische Materialien mit schwachbasischen funktionellen Gruppen, vorzugsweise mit tertiären Aminen, zum Einsatz. Das schwachbasische Anionenaustauschermaterial besitzt spezifische Selektivitäten und bindet daher Sulfat, Chlorid und Orthophosphit stärker als Hypophosphit. Zum erfindungsgemäßen Einsatz des schwachbasischen Anionenaustauschers müssen die funktionellen Gruppen des schwachbasischen Anionenaustauschermaterials aus der Form der freien Base in eine protonierte kationische Form überführt werden, die zum Ionenaustausch befähigt ist. Dies erfolgt durch Aufnahme von Protonen, beispielsweise durch Aufgabe von Säure. Bedingt durch die Selektivität des Ionenaustauschermaterials werden bestimmte Anionen, wie z.B. Sulfat oder Orthophosphit, bevorzugt gebunden. Diese können auch Anionen, die vom Anionenaustauscher weniger fest gebunden werden, wie z.B. Hypophosphit, von den zum Ionenaustausch befähigten funktionellen Gruppen verdrängen. Dadurch erfolgt eine Auftrennung eines aufgegebenen Anionengemisches. Damit keine Überführung des Austauschers aus der kationischen Form in die Form der freien Base erfolgt, die als ungeladene Gruppe nicht zum Ionenaustausch befähigt ist, muss auf den schwachbasischen Anionenaustauscher stets eine sauere Lösung aufgegeben werden.The weakly basic anion exchange materials used are preferably inorganic or organic materials with weakly basic functional groups, preferably with tertiary amines sentence. The weakly basic anion exchange material has specific selectivities and therefore binds sulfate, chloride and orthophosphite more strongly than hypophosphite. To use the weakly basic anion exchanger according to the invention, the functional groups of the weakly basic anion exchanger material have to be converted from the form of the free base into a protonated cationic form which is capable of ion exchange. This is done by taking up protons, for example by releasing acid. Due to the selectivity of the ion exchange material, certain anions, such as sulfate or orthophosphite, are preferably bound. These can also displace anions that are less firmly bound by the anion exchanger, such as hypophosphite, from the functional groups capable of ion exchange. This results in the separation of a given anion mixture. So that the exchanger is not converted from the cationic form into the free base form, which as an uncharged group is not capable of ion exchange, an acidic solution must always be applied to the weakly basic anion exchanger.
Der starksaure Kationenaustauscher und der schwachbasische Anionaustauscher sind vorzugsweise in Reihe geschaltet, so dass der Ablauf des starksauren Kationenaustauschers mit dem Zulauf des schwachbasischen Anionaustauschers verbunden ist. Dabei gibt der starksaure Kationenaustauscher bei seinem erfindungsgemäßen Einsatz Protonen ab, die für die Überführung der funktionellen Gruppen des schwachbasischen Anionaustauschers aus der Form der freien Base in die zum Ionenaustausch befähigte protonierte Form genutzt werden. Damit stellt der starksaure Kationenaustauscher den pH-Wert der aufgegebenen Lösung auf einen sauren Wert ein, der für den Einsatz des schwachbasischen Anionenaustauschers erforderlich ist.The strongly acidic cation exchanger and the weakly basic anion exchanger are preferably connected in series, so that the expiration of the strongly acidic Cation exchanger with the feed of the weakly basic anion exchanger connected is. The strongly acidic cation exchanger is added its use according to the invention Protons for the transfer of the functional groups of the weakly basic anion exchanger the shape of the free base into the protonated one capable of ion exchange Form can be used. The strong acid cation exchanger thus provides the pH of the solution applied to an acidic value for the use of the weakly basic anion exchanger is required is.
Die Regenerierung des schwachbasischen Anionenaustauschers erfolgt durch die Aufgabe von Natronlauge, wodurch der schwachbasische Anionenaustauscher aus der protonierten Form in die Form der freien Base überführt wird. In dieser Form trägt die funktionelle Gruppe keine Ladung mehr und ist damit nicht zum Ionenaustausch befähigt. Dadurch können alle zuvor gebundenen Anionen quantitativ von Anionenaustauschermaterial entfernt werden. Nach einem Spülvorgang mit vollentsalztem Wasser kann der schwachbasische Anionenaustauscher wieder für die erfindungsgemäße Abtrennung störender Anionen verwendet werden.The The weakly basic anion exchanger is regenerated by the task of caustic soda, which makes the weakly basic anion exchanger is converted from the protonated form into the form of the free base. Wears in this form the functional group no longer has a charge and is therefore not for ion exchange capable. This allows all previously bound anions quantitatively from anion exchange material be removed. After a rinsing process the weakly basic anion exchanger can be used with deionized water again for the separation according to the invention disturbing Anions can be used.
Durch den schwachbasischen Anionaustauscher werden das oxidierte Reduktionsmittel sowie ggf. die Gegenionen des nachdosierten Beschichtungsmetalls und durch den starksauren Kationenaustauscher die störenden Gegenionen des nachdosierten Reduktionsmittels abgetrennt. Die Nachdosierung des Reduktionsmittels in Form eines Salzes bzw. als entsprechende Salzlösung führt bei dem Einsatz der erfindungsgemäßen Kombination von starksaurem Kationenaustauscher und schwachbasischem Anionaustauscher daher vorteilhaft nicht zu einer Aufsalzung der Prozesslösung. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des starksauren Kationenaustauschers ist eine Aktivierung des schwachbasischen Anionenaustauschers durch Phosphinsäure nicht erforderlich.By The weakly basic anion exchanger becomes the oxidized reducing agent and, if necessary, the counterions of the replenished coating metal and the annoying counterions through the strongly acidic cation exchanger separated from the replenished reducing agent. The replenishment of the reducing agent in the form of a salt or as a corresponding saline solution leads the use of the combination according to the invention of strongly acidic cation exchanger and weakly basic anion exchanger therefore advantageous not to salt the process solution. By the use according to the invention of the strongly acidic cation exchanger is an activation of the weakly basic Anion exchanger by phosphinic acid is not required.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Vorrichtung, in der wie oben beschrieben der starksaure Kationenaustauscher mit dem schwachbasischen Anionenaustauscher kombiniert werden, zusätzlich mindestens einen wie weiter oben beschriebenen schwachsauren Kationenaustauscher für die pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls.In one embodiment of the invention the device in which, as described above, the strongly acidic cation exchanger can be combined with the weakly basic anion exchanger, additionally at least a weakly acidic cation exchanger as described above for the pH adjustment and replenishment of ions of the coating metal.
Diese Vorrichtung weist dementsprechend zusätzlich Elemente auf, die der Verbindung des schwachsauren Kationenaustauschers mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung, abgekühlte Prozesslösung bzw. vorbehandelte Prozesslösung dienen.This Accordingly, the device has additional elements that the Connection of the weakly acidic cation exchanger with at least a container, the process solution, diluted Process solution, cooled process solution or pretreated process solution serve.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung zum Einsatz in einer Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bestehend aus einer Membranelektrolysezelle mit einem Hilfskreislauf.On Another object of the invention is a device for extension the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition for use in a plant for the chemical-reductive metal deposition, consisting of a membrane electrolysis cell with an auxiliary circuit.
Diese Vorrichtung enthält im Hilfskreislauf mindestens einen schwachbasischen Anionenaustauscher und mindestens einen zu diesem in Reihe oder parallel geschalteten starksauren Kationenaustauscher.This Includes device in the auxiliary circuit at least one weakly basic anion exchanger and at least one strong acid in series or parallel to this Cation exchanger.
Beim Einsatz dieser Vorrichtung erfolgt die Nachdosierung des durch die Metallabscheidung verbrauchten Reduktionsmittels in Form eines Salzes oder einer Salzlösung in den Hilfskreislauf.At the Use of this device is carried out by the Metal deposition of used reducing agent in the form of a salt or a saline solution in the auxiliary circuit.
Die Anionenaustauschermembranen tragen an ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen mit positiv geladenen Festionen, die bewirken, dass Anionen diese Membran passieren können, während Kationen, mit Ausnahme von Protonen, diese Barriere nicht überwinden können.The Anion exchange membranes have functional surfaces Groups with positively charged fusions that cause anions can pass this membrane while Cations, with the exception of protons, do not overcome this barrier can.
Die Membranelektrolysezelle besteht aus einer Anode (+) und einer Kathode (–) und mindestens vier zwischen den Elektroden angeordneten Kammern, die durch ionenselektive Membranen voneinander getrennt sind.The Membrane electrolysis cell consists of an anode (+) and a cathode (-) and at least four chambers arranged between the electrodes, the are separated from each other by ion-selective membranes.
Die
erste Kammer, die Anodenkammer
Die
zweite, dritte und vierte Kammer
Des
weiteren enthält
die Vorrichtung Elemente, welche der Verbindung der dritten Kammer
Die Anionenaustauschermembran trägt an ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen mit positiv geladenen Gruppen, die bewirken, dass Anionen diese Membran passieren können, während Kationen mit Ausnahme von Protonen diese Barriere nicht überwinden können.The Anion exchange membrane carries on their surface functional groups with positively charged groups that cause that anions can pass through this membrane while cations except of protons cannot overcome this barrier.
Durch die Aufgabe der Prozesslösung in eine Kammer der Membranelektrolyseanlage, die von zwei Anionenaustauschermembranen begrenzt ist, und die über die Anionenaustauschermembranen mit Regenerierlösung in Kontakt steht, wird durch das zwischen den Elektroden angelegte elektrische Feld eine Wanderung von Anionen zwischen Prozesslösung und Regenerierlösung erreicht.By the task of the process solution into a chamber of the membrane electrolysis system, which consists of two anion exchange membranes is limited, and the over the anion exchange membranes are in contact with regeneration solution by the electrical field applied between the electrodes Migration of anions between process solution and regeneration solution achieved.
Die
Anionen werden aus der Prozesslösung
durch die Anionenaustauschermembran in die als Anreicherungskammer
fungierende zweite Kammer
Durch diese erfindungsgemäße Kombination des starksauren Kationenaustauschers mit dem schwachbasischen Anionenaustauscher kann im Hilfskreislauf überraschenderweise sogar auf eine separate Aktivierung des schwachbasischen Anionenaustauschers nach dessen Regenerierung verzichtet werden, da die im Hilfskreislauf enthaltenen Salze teilweise in die korrespondierenden Säuren überführt und an die aktiven Gruppen des Anionenaustauschers addiert werden.By this combination according to the invention the strongly acidic cation exchanger with the weakly basic anion exchanger can surprisingly in the auxiliary circuit even on a separate activation of the weakly basic anion exchanger after its regeneration can be dispensed with, since the in the auxiliary circuit contained salts partially converted into the corresponding acids and be added to the active groups of the anion exchanger.
Bevorzugt wird die oben beschriebene Membranelektrolysezelle mit einem Hilfskreislauf mit den zuvor beschriebenen schwachsauren und starksauren Kationenaustauschern kombiniert. Die Vorrichtung zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung enthält dabei zusätzlich zu der Membranelektrolysezelle mit einem Hilfskreislauf mit integriertem starksauren Kationenaustauscher und schwachbasischen Anionenaustauscher mindestens einen schwachsauren Kationenaustauscher und/oder mindestens einen weiteren starksauren Kationenaustauscher. Die Vorrichtung weist weiterhin auch Elemente auf, mit denen die Membranelektrolyseanlage mit Hilfskreislauf, der schwachsaure Kationenaustauscher bzw. der starksaure Kationenaustauscher beim Einsatz in einer Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung mit einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung, abgekühlte Prozesslösung und/oder vorbehandelte Prozesslösung enthält, verbunden werden.Prefers becomes the membrane electrolysis cell described above with an auxiliary circuit with the weakly acidic and strongly acidic cation exchangers described above combined. The device for extending the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition contains in addition to the membrane electrolysis cell with an auxiliary circuit with integrated strongly acidic cation exchanger and weakly basic anion exchanger at least one weakly acidic cation exchanger and / or at least another strongly acidic cation exchanger. The device also has elements with which the membrane electrolysis system with auxiliary circuit, the weakly acidic cation exchanger or the strongly acidic cation exchanger when used in a system for chemical-reductive metal deposition with a container, the process solution, diluted Process solution cooled process solution and / or pretreated process solution contains get connected.
Der zusätzliche starksaure Kationenaustauscher trennt dabei störende Kationen aus der Prozesslösung ab. Dazu wird er vorzugsweise bei Bedarf mit Prozesslösung, verdünnter Prozesslösung, abgekühlter Prozesslösung bzw. vorbehandelten Prozesslösung beaufschlagt. Hierzu ist der starksaure Kationenaustauscher im Hilfskreislauf nicht in der Lage, da – bedingt durch die Zellkonfiguration in der Membranelektrolyseanlage – keine kationischen Fremdstoffe mit Ausnahme von H+ aus der Prozesslösung in den Hilfskreislauf gelangen können.The additional strongly acidic cation exchanger separates disruptive cations from the process solution. For this purpose, it is preferably charged with process solution, diluted process solution, cooled process solution or pretreated process solution if necessary. The strongly acidic cation exchanger in the auxiliary circuit is not able to do this because of the cell configuration in the membrane electrolysis system - no cationic foreign substances with the exception of H + can get into the auxiliary circuit from the process solution.
Durch die erfindungsgemäße Kombination der Membranelektrolysezelle mit dem schwachsauren Kationenaustauscher wird durch die Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls ohne störende Anionen eine geringere Fremdstoffmenge in die Prozesslösung eingetragen. Dadurch muss durch die Membranelektrolysezelle auch nur eine geringere Fremdstoffmenge abgetrennt werden.By the combination according to the invention the membrane electrolysis cell with the weakly acidic cation exchanger is achieved by replenishing the ions of the coating metal without annoying Anions introduced a smaller amount of foreign matter into the process solution. As a result, only a smaller one has to pass through the membrane electrolysis cell The amount of foreign matter is separated.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung sind die oben genannten Ionenaustauscher Säulenaustauscher, welche mit einem festen, wasserunlöslichen, Ionenaustauschermaterial befüllt sind. Das organische oder anorganische Ionenaustauschermaterial enthält funktionelle Gruppen, die zum Ionenaustausch befähigt sind. Diese Säulenaustauscher können im Gleich- oder Gegenstrom regeneriert werden.In a preferred embodiment of the invention, the above-mentioned ion exchangers are column exchangers, which with a solid, water-insoluble, ion exchange material filled are. The organic or inorganic ion exchange material contains functional groups that are capable of ion exchange. These column exchangers can be regenerated in cocurrent or countercurrent.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die oben genannten Ionenaustauschermaterialien jeweils Teil eines Filter- oder Membranapparates. Dieser enthält jeweils ein regenerierbares, organisches oder anorganisches Ionenaustauschermaterial, welches vorzugsweise in einer zum Ionenaustausch befähigten Form in den Filter- oder Membranapparat eingebracht wird.In an alternative embodiment of the invention are the above-mentioned ion exchange materials each part of a filter or membrane apparatus. This contains in each case a regenerable, organic or inorganic ion exchange material, which is preferably in a form capable of ion exchange is introduced into the filter or membrane apparatus.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden bei mindestens einem der eingesetzten Ionenaustauschermaterialien flüssige Ionenaustauschermaterialien verwendet. Der oder die Ionenaustauscher bestehen in dieser Ausführungsform aus jeweils einem Behälter, der eine mit der Prozesslösung nicht mischbare Flüssigkeit enthält, in der ein Ionenaustauschermaterial verteilt bzw. gelöst ist. Vorzugsweise besteht das Ionenaustauschmaterial in dieser Ausführungsform aus einem Reagenz, das die für die Ionenaustauschwirkung erforderlichen funktionellen Gruppen enthält, wie sie z.B. bei der Reaktivextraktion verwendet werden.In a further embodiment the invention are in at least one of the ion exchange materials used liquid Ion exchange materials used. The ion exchanger (s) exist in this embodiment one container each, the one with the process solution immiscible liquid contains in which an ion exchange material is distributed or dissolved. Preferably, the ion exchange material is in this embodiment from a reagent that is used for contains the functional groups required ion exchange action, such as they e.g. be used in the reactive extraction.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung bestehend aus:
- • mindestens einem Beschichtungsbehälter,
- • einem Spülsystem,
- • und mindestens einer der oben beschriebenen Vorrichtungen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung.
- At least one coating container,
- • a flushing system,
- • and at least one of the devices described above for extending the service life of a process solution for chemical-reductive metal deposition.
Des weiteren enthält die Anlage Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten sowie die zugehörige Peripherie, wie Pumpen, Ventile, Messvorrichtungen für pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperaturen etc..Of contains further the system connecting lines between the individual components as well as the associated Peripherals, such as pumps, valves, measuring devices for pH value, Conductivity, Temperatures etc.
Der Beschichtungsbehälter enthält die Prozesslösung, in welche das zu beschichtende Werkstück eingetaucht wird.The coating tank contains the process solution, in which the workpiece to be coated is immersed.
In ihrer einfachsten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Anlage aus einem Beschichtungsbehälter, einem Spülsystem und einer wie oben beschriebenen Vorrichtung mit einem schwachsauren Kationenaustauscher zur pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung des abzuscheidenden Metalls, der mit Zu- und Ablauf mit dem Beschichtungsbehälter verbunden ist.In in its simplest form there is the system according to the invention from a coating container, a flushing system and a device as described above with a weakly acidic cation exchanger for pH adjustment and subsequent dosing of the metal to be deposited, which is connected to the coating tank with inlet and outlet.
In einer zweiten Ausführungsform enthält die Anlage zusätzlich einen schwachbasischen Anionenaustauscher zur Abtrennung von störenden Anionen. In dieser Kombination ermöglicht das Einbringen der Metallionen ohne störende Anionen eine besonders effiziente Nutzung des schwachbasischen Anionenaustauschers, da dieser somit im wesentlichen nur die Anionen des oxidierten Reduktionsmittels, in der Regel Orthophosphit, von denen des Reduktionsmittels, in der Regel Hypophosphit, abtrennen muss.In a second embodiment contains the system additionally a weakly basic anion exchanger for the separation of interfering anions. In this combination the introduction of the metal ions without interfering anions is a special efficient use of the weakly basic anion exchanger, because this essentially only contains the anions of the oxidized reducing agent, usually orthophosphite, of which the reducing agent, in usually hypophosphite, must separate.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Anlage zusätzlich einen starksauren Kationenaustauscher zur Abtrennung von störenden Kationen.In a further embodiment contains the system additionally a strongly acidic cation exchanger for the separation of interfering cations.
In einer Ausführungsform der Anlage ist der Zulauf und der Ablauf des schwachsauren bzw. des starksauren Kationenaustauschers direkt mit dem Beschichtungsbehälter verbunden.In one embodiment the system is the inflow and outflow of weakly acidic or of the strongly acidic cation exchanger directly connected to the coating container.
Vorzugsweise wird die Prozesslösung, bevor sie mit den empfindlichen Komponenten der Vorrichtungen, insbesondere den Ionenaustauschermaterialien und den Membranen, in Kontakt gebracht wird, abgekühlt. Durch die Abkühlung wird insbesondere die Gefahr einer unerwünschten Metallabscheidung auf diesen Komponenten verringert. Die durch die Vorrichtung aufbereitete Prozesslösung muss, bevor sie in den Beschichtungsbehälter zurückgeführt wird, wieder auf die Prozesstemperatur angehoben werden.The process solution is preferably cooled before it is brought into contact with the sensitive components of the devices, in particular the ion exchange materials and the membranes. Cooling in particular reduces the risk of undesired metal deposition on these components. The process solution prepared by the device must be in the Be stratification tank is returned to the process temperature.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der oben beschriebenen Anlage sind der Zulauf und der Ablauf des schwachsauren bzw. des starksauren Kationenaustauschers daher über einen Wärmetauscher mit dem Beschichtungsbehälter verbunden. Durch den Wärmetauscher wird die Energie des Abkühlungsprozesses für den Aufwärmprozess von gereinigter Prozesslösung genutzt.In a preferred embodiment of the system described above are the inflow and outflow of the weakly acidic or strongly acidic cation exchanger therefore via a heat exchangers with the coating container connected. Through the heat exchanger becomes the energy of the cooling process for the up process of cleaned process solution used.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform enthält die Anlage eine wie oben beschriebene Vorrichtung mit einem schwachsauren Kationenaustauscher, einem starksauren Kationenaustauscher und einem schwachbasischen Anionenaustauscher.In a preferred embodiment contains the system a device as described above with a weak acid Cation exchanger, a strongly acidic cation exchanger and a weakly basic Anion exchanger.
Dabei stellt die Spüllösung eine verdünnte Prozesslösung dar und kann zum Ausgleich von Verdunstungsverlusten der Prozesslösung zugeführt werden.there sets the rinsing solution diluted process solution and can be added to the process solution to compensate for evaporation losses.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der starksaure Kationenaustauscher und der schwachbasische Anionenaustauscher in Reihen- oder Parallelschaltung mit dem Spülsystem verbunden. Der Zulauf des schwachsauren Kationenaustauschers ist mit dem Spülsystem oder dem Regenerierbehälter und der Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers mit dem Beschichtungsbehälter verbunden.In an advantageous embodiment are the strongly acidic cation exchanger and the weakly basic one Anion exchanger in series or parallel connection with the flushing system connected. The feed of the weakly acidic cation exchanger is with the flushing system or the regeneration tank and the outlet of the weakly acidic cation exchanger is connected to the coating container.
In dieser Ausführungsform erfolgt die Abtrennung störender Kationen und Anionen durch die beschriebene Kombination von starksaurem Kationenaustauscher und schwachbasischem Anionenaustauscher aus dem Spülsystem. Vorzugsweise wird dabei zum Ausgleich von Verdunstungsverlusten ein Teil der aufbereitenden Spüllösung über den beschriebenen, mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladenen, schwachsauren Kationenaustauscher in die Prozesslösung zugeführt. Dadurch können in dieser Anlage vorteilhaft sowohl störende Kationen als auch Anionen abgetrennt werden, Metallionen nachdosiert und der pH-Wert eingestellt werden. Die Funktion dieser Anlage ist dabei abhängig von der Höhe der Ausschleppung von Prozesslösung in die Spüllösung und der Verdunstungsverluste.In this embodiment the separation is more disruptive Cations and anions through the combination of strongly acidic described Cation exchanger and weakly basic anion exchanger from the Flushing system. It is preferably used to compensate for evaporation losses part of the processing rinse solution over the described, weakly acidic cation exchanger loaded with ions of the coating metal in the process solution fed. This allows In this system, both interfering cations and anions are advantageous are separated, metal ions are metered in and the pH is adjusted become. The function of this system depends on the height of the tow of process solution into the rinsing solution and the evaporation losses.
In
einer besonderen Ausführungsform
der Anlage sind der starksaure Kationenaustauscher und der schwachbasische
Anionenaustauseher in Reihen- oder Parallelschaltung mit einem zusätzlichen,
mit dem Spülsystem
verbundenen, Regenerierbehälter
In dieser Anlage erfolgt daher die Abtrennung störender Kationen und Anionen und die Rückführung der gereinigten Lösung aus einem Gemisch von Spüllösung mit Prozesslösung. In vorteilhafter Weise erfolgt in dieser Anlage die Abtrennung von Fremdstoffen und die Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls weitgehend unabhängig von der Höhe der Ausschleppung von Prozesslösung in die Spüllösung. Zusätzlich kann im Regenerierbehälter der pH-Wert auf einen Wert eingestellt werden, der für den Reinigungsprozess am günstigsten geeignet ist.In This system therefore separates interfering cations and anions and the repatriation of the purified solution from a mixture of rinsing solution Process solution. In this plant, the separation of Foreign substances and the replenishment of ions of the coating metal largely independent from the height the removal of process solutions in the rinsing solution. In addition can in the regeneration tank the pH value must be set to a value that is appropriate for the cleaning process best suitable is.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Anlage als Kernstück eine Membranelektrolysezelle mit einem Hilfskreislauf, wie oben beschrieben, in der Prozesslösung und Hilfskreislauf durch Anionenaustauschermembranen von einander getrennt sind. Der Hilfskreislauf enthält als weitere Komponenten mindestens einen schwachbasischen Anionenaustauscher und einen starksauren Kationenaustauscher.In Another preferred embodiment contains the system according to the invention as the centerpiece a membrane electrolysis cell with an auxiliary circuit, as above described in the process solution and auxiliary circuit through anion exchange membranes from each other are separated. The auxiliary circuit contains other components at least one weakly basic anion exchanger and one strongly acidic Cation exchanger.
Bevorzugt
wird die Membranelektrolysezelle mit Prozesslösung beschickt, die durch den
Wärmetauscher
abgekühlt
wurde. Dazu ist die dritte Kammer
In der Membranelektrolysezelle werden Anionen aus der Prozesslösung elektrodialytisch in den Hilfskreislauf transportiert. Die Auftrennung des Anionengemisches erfolgt durch den schwachbasischen Anionenaustauscher. Durch diesen werden das oxidierte Reduktionsmittel und andere störende Anionen (z. B. Sulfat, Chlorid, Orthophosphit) entfernt. In einer vorzugsweisen Ausführungsform werden zur Verbesserung der Trennleistung und zur Erhöhung der Kapazität im Hilfskreislauf mehrere schwachbasische Anionenaustauscher hintereinander in Reihe geschaltet.In the membrane electrolysis cell, anions from the process solution become electrodialytic transported into the auxiliary circuit. The separation of the anion mixture takes place through the weakly basic anion exchanger. Through this become the oxidized reducing agent and other disruptive anions (e.g. sulfate, chloride, orthophosphite) removed. In a preferred way embodiment are used to improve the separation performance and to increase the capacity several weakly basic anion exchangers in succession in the auxiliary circuit connected in series.
Die Nachdosierung des Reduktionsmittels erfolgt in den Hilfskreislauf, wobei ein Transport der Gegenionen des Reduktionsmittels, vorzugsweise Na+-Ionen, in die Prozesslösung durch die Anionenaustauschermembranen verhindert wird. Die Einstellung der sauren Prozessbedingungen im Hilfskreislauf sowie die Abtrennung der Gegenionen des Reduktionsmittels, vorzugsweise Na+-Ionen, erfolgt durch einen starksauren Kationenaustauscher in der H+-Form. Durch den Kontakt der Prozesslösung mit dem Hilfskreislauf in der Membranelektrolysezelle wird das Reduktionsmittel kationenfrei in die Prozesslösung eingebracht.The reducing agent is replenished in the auxiliary circuit, with transport of the opposites ions of the reducing agent, preferably Na + ions, are prevented in the process solution by the anion exchange membranes. The setting of the acidic process conditions in the auxiliary circuit and the removal of the counterions of the reducing agent, preferably Na + ions, is carried out by means of a strongly acidic cation exchanger in the H + form. By contacting the process solution with the auxiliary circuit in the membrane electrolysis cell, the reducing agent is introduced into the process solution in a cation-free manner.
Vorteilhaft können durch die Trennung von Prozesslösung und Hilfskreislauf im Hilfskreislauf die für die Auftrennung der Anionen erforderlichen Prozessparameter eingestellt werden. ohne dass gleichzeitig die Zusammensetzung der Prozesslösung verändert werden muss.Advantageous can by separating process solution and auxiliary circuit in the auxiliary circuit for the separation of the anions required process parameters can be set. without that at the same time the composition of the process solution changed must become.
Die Anlage mit Membranelektrolysezelle und Hilfskreislauf enthält vorzugsweise mindestens einen wie oben beschriebenen schwachsauren Kationenaustauscher zur Einstellung des pH-Wertes sowie zur Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls. In einer Ausführungsform ist der schwachsaure Kationenaustauscher mit dem Beschichtungsbehälter verbunden und wird direkt mit Prozesslösung beaufschlagt.The Plant with membrane electrolysis cell and auxiliary circuit preferably contains at least one weakly acidic cation exchanger as described above for adjusting the pH value and for replenishing ions of the coating metal. In one embodiment, the is weak acid Cation exchanger connected to the coating container and is directly with process solution applied.
Zur Abtrennung von störenden Kationen aus der Prozesslösung enthält die Anlage mit einer Membranelektrolysezelle mit Hilfskreislauf neben dem starksauren Kationenaustauscher im Hilfskreislauf vorzugsweise mindestens einen wie oben beschrieben starksauren Kationenaustauscher, der mit Prozesslösung oder einer verdünnten Prozesslösung beaufschlagt wird.to Separation from disruptive Cations from the process solution contains the system with a membrane electrolysis cell with auxiliary circuit in addition to the strongly acidic cation exchanger in the auxiliary circuit, preferably at least one strongly acidic cation exchanger as described above, the one with process solution or a diluted one process solution is applied.
In einer Ausführungsform der Anlage mit Hilfskreislauf ist der starksaure Kationenaustauscher mit dem Beschichtungsbehälter verbunden. In dieser Ausführungsform wird er direkt mit Prozesslösung beaufschlagt.In one embodiment the system with auxiliary circuit is the strongly acidic cation exchanger with the coating container connected. In this embodiment it becomes direct with process solution applied.
In
einer weiteren Ausführungsform
der Anlage mit Membranelektrolysezelle und Hilfskreislauf ist der starksaure
Kationenaustauscher mit seinem Zulauf mit dem Spülsystem und mit seinem Ablauf
mit einem Vorlagebehälter
für zu
reinigende Prozesslösung
In dieser Ausführungsform wird ein Teil der Spüllösung durch den starksauren Kationenaustauscher von störenden Kationen befreit, wobei eine äquivalente Menge an Protonen freigesetzt wird. Die Aufbereitung dieser vorbehandelten und verdünnten Prozesslösung erfolgt vorzugsweise in einer Membranelektrolysezelle mit Hilfskreislauf.In this embodiment part of the rinsing solution frees the strongly acidic cation exchanger from interfering cations, whereby an equivalent Amount of protons is released. The preparation of these pretreated and diluted process solution is preferably carried out in a membrane electrolysis cell with an auxiliary circuit.
In einer weiteren Ausführungsform der Anlage mit Membranelektrolysezelle mit Hilfskreislauf ist der schwachsaure Kationenaustauscher in einem Regenerierkreislauf mit Zu- und Ablauf mit dem zusätzlichen Stapelbehälter, der durch die Membranelektrolysezelle aufbereitete Prozesslösung enthält, verbunden.In a further embodiment The system with a membrane electrolysis cell with an auxiliary circuit is weak acid Cation exchanger in a regeneration circuit with inlet and outlet with the additional stacking container that contains process solution prepared by the membrane electrolysis cell.
In
einer Anlage mit Membranelektrolysezelle mit Hilfskreislauf ist
der schwachsaure Kationenaustauscher in einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
mit seinem Zulauf mit der dritten Kammer der Membranelektrolysezelle
und mit seinem Ablauf über
den Wärmetauscher
mit dem Beschichtungsbehälter
verbunden. Vorzugsweise ist dabei zwischen den Zulauf des schwachsauren
Kationenaustauschers und der dritten Kammer der Membranelektrolysezelle
ein Stapelbehälter
für gereinigte
Prozesslösung
(
Des weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung von schwachsaurem Kationenaustauschermaterial oder schwachsauren Kationenaustauschern für die pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung.Of the invention further relates to the use of weakly acidic Cation exchange material or weakly acidic cation exchangers for the pH adjustment and replenishment of ions of the coating metal for extension the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung von starksaurem Kationenaustauschermaterial oder starksauren Kationenaustauschern für die Entfernung störender Kationen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung.object the invention is also the use of strongly acidic cation exchange material or strongly acidic cation exchangers for the removal of interfering cations for extension the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Kombination aus
- a.) schwachbasischem Anionenaustauschermaterial oder schwachbasischen Anionenaustauschern für die Entfernung störender Anionen und
- b.) starksaurem Kationenaustauschermaterial oder starksauren Kationenaustauschern für die Entfernung störender Kationen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung.
- a.) weakly basic anion exchange material or weakly basic anion exchangers for the removal of interfering anions and
- b.) strongly acidic cation exchange material or strongly acidic cation exchangers for the removal of interfering cations to extend the useful life of a process solution for chemical-reductive metal deposition.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Kombination aus
- a.) schwachsaurem Kationenaustauschermaterial oder schwachsauren Kationenaustauschern für die pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls und
- b.) starksaurem Kationenaustauschermaterial oder starksauren
Kationenaustauschern (
15 ) für die Entfernung störender Kationen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung.
- a.) Weakly acidic cation exchange material or weakly acidic cation exchangers for pH adjustment and replenishment of ions of the coating metal and
- b.) strongly acidic cation exchange material or strongly acidic cation exchangers (
15 ) for the removal of interfering cations to extend the useful life of a process solution for chemical-reductive metal deposition.
Gegenüber dem Stand der Technik kann durch die Erfindung die Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallbeschichtung erheblich verlängert werden. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine erhebliche Einsparung an Einsatzstoffen. Gleichzeitig reduzieren sich die Entsorgungskosten, die nach dem Stand der Technik, nicht unerheblich sind.Compared to the State of the art can the useful life of a Process solution for the chemical-reductive Metal coating can be extended significantly. Advantageously results considerable savings in feed materials. simultaneously reduce the disposal costs, which according to the state of the art, are not insignificant.
Des weiteren werden durch die Erfindung in vorteilhafter Weise nahezu konstante Prozessbedingungen bei der chemisch-reduktiven Metallbeschichtung und damit eine besonders gleichmäßige Abscheidung des Metalls auf dem zu beschichteten Werkstück erreicht. Durch den geringen Fremdstoffgehalt der Prozesslösung, der in der erfindungsgemäßen Anlage erreicht wird, können Nickel-Phosphor-Schichten abgeschieden werden, die im Druckspannungsbereich liegen, was im besonderen die Qualität der Beschichtung der Abscheidung bewirkt.Of others are almost advantageous by the invention constant process conditions in chemical-reductive metal coating and thus a particularly uniform separation of the Metal reached on the workpiece to be coated. Due to the low Foreign matter content of the process solution, that in the plant according to the invention can be achieved Nickel-phosphorus layers are deposited in the compressive stress range lie what is particularly the quality of the coating of the deposition causes.
Anhand nachfolgender Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und beschrieben. Dabei zeigen:Based The following drawings are exemplary embodiments of the invention shown and described schematically. Show:
Die
Anlage nach
Das
mehrstufige Spülsystem
Der
schwachsaure Kationenaustauscher
Der
schwachsaure Kationenaustauscher besteht aus einer Ionenaustauschersäule
Dieses schwachsaure Kationenaustauscherpolymer wird vor der Verwendung mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen. Dazu wird der Ionenaustauscher zuerst mit Natronlauge in die Salzform überführt und anschließend durch die Aufgabe einer Metallsalzlösung mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen. Im Falle der chemisch-reduktiven Vernickelung erfolgt die Beladung des schwachsauren Kationenaustauscherpolymeres mit Nickelionen, wozu eine NiSO4-Lösung über die Ionenaustauschersäule geleitet wird. Diese Beladung erfolgt in zwei Schritten mit Nickelsalzlösungen unterschiedlicher Konzentrationen, wobei beim ersten Beladungsschritt ein Unterschuss an Nickelionen auf den Ionenaustauscher aufgegeben wird. Bedingt durch die Selektivität des Kationenaustauschers wird hierdurch eine nahezu vollständige Entfernung der Nickelionen aus der Aufgabelösung erreicht, die nach der Beladung verworfen und abwassertechnisch behandelt wird. Beim zweiten Beladungsschritt wird durch den Einsatz eines Überschusses von Nickelionen beim Beladen des Ionenaustauschers und eine Kreislaufführung der Aufgabelösung eine vollständige Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers mit Nickel erreicht.This weakly acidic cation exchange polymer is loaded with ions of the coating metal before use. For this purpose, the ion exchanger is first converted into the salt form with sodium hydroxide solution and then loaded with ions of the coating metal by applying a metal salt solution. In the case of chemical-reductive nickel plating, the weakly acidic cation exchange polymer is loaded with nickel ions, for which purpose a NiSO 4 solution is passed over the ion exchange column. This loading takes place in two steps with nickel salt solutions of different concentrations, with a deficit of nickel ions being applied to the ion exchanger in the first loading step. Due to the selectivity of the cation exchanger, an almost complete removal of the nickel ions from the feed solution is achieved, which is discarded after loading and treated with waste water. In the second loading step, by using an excess of nickel ions when loading the ion exchanger and circulating the feed solution, the weakly acidic cation exchanger is fully loaded with nickel.
Nach dem Beladungsvorgang mit Nickel wird der schwachsaure Kationenaustauscher mit vollentsalztem Wasser gewaschen, um störende Ionen aus der Polymerschüttschicht zu entfernen. Durch diesen Spülvorgang wird der Überschuss an Nickelionen wieder aus der Polymerschüttschicht entfernt. Der Ablauf der zweiten Fraktion des Beladungsvorganges wird zusammen mit der ersten Fraktion des Spülwassers zwischengestapelt und bei der nachfolgenden Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers als erste Beladungsfraktion verwendet.To The weakly acidic cation exchanger becomes the loading process with nickel washed with deionized water to remove unwanted ions from the polymer layer remove. Through this rinsing process becomes the surplus of nickel ions removed from the polymer bulk layer. The sequence the second fraction of the loading process is together with the first fraction of the rinse water interposed and in the subsequent loading of weak acid Cation exchanger used as the first loading fraction.
Die Prozesslösung ist in bekannter Weise zusammengesetzt. Beim Neuansatz werden ihr die Ionen des Beschichtungsmetalls in Form von Nickelsulfat (6,0 g Ni2+/l) zugesetzt. Das Reduktionsmittel wird in Form von Natriumhypophosphit (17,0 g H2PO2 –/l) zugegeben. Durch in der Prozesslösung enthaltene organische Säuren wird die Lösung im Bereich pH 4 bis pH 5 gepuffert.The process solution is composed in a known manner. When newly prepared, the ions of the coating metal in the form of nickel sulfate (6.0 g Ni 2+ / l) are added to it. The reducing agent is added in the form of sodium hypophosphite (17.0 g H 2 PO 2 - / l). The solution is buffered in the pH 4 to pH 5 range by the organic acids contained in the process solution.
Zur
Abscheidung von Nickel-Phosphorlegierungen auf der Stahloberfläche eines
zu beschichtenden Werkstücks
Die Temperatur der Prozesslösung, welche
das zu beschichtende Werkstück
The temperature of the process solution, which is the workpiece to be coated
Bedingt
durch die Metallabscheidung sinken auch pH-Wert und der Nickelgehalt
in der Prozesslösung. Daher
wird der pH-Wert in der Prozesslösung überwacht.
Sinkt der pH-Wert
der Prozesslösung
unter einen festgelegten Wert, z.B. von pH 4,5 auf pH 4,2, dann
wird ein Teilstrom der Prozesslösung
mit einer Durchflussgeschwindigkeit < 5 m/h in einem Kreislauf durch den
schwachsauren Kationenaustauscher
Über die
Kontrolle des pH-Wertes im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers
Bei
der Metallbeschichtung treten durch die hohen Behandlungstemperaturen
Verdunstungsverluste in der Prozesslösung auf. Diese Verdunstungsverluste
werden ausgeglichen, in dem Spüllösung aus
dem Spülsystem
Im Vergleichsversuch (siehe rechte Spalte der Tabelle) steigt der Salzgehalt in der Prozesslösung durch die eingetragenen bzw. gebildeten Fremdstoffe (insbesondere Na+, SO4 2–, H2PO3 –) bereits nach einem Metalldurchsatz von 5,5 MTO auf hohe Werte an, so dass zu diesem Zeitpunkt die Abscheidegeschwindigkeit bei 90°C auf Werte < 5 μm/h absinkt und die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten nicht mehr den Anforderungen entsprechen.In the comparative experiment (see right column of the table), the salt content in the process solution rises to high values after a metal throughput of 5.5 MTO due to the foreign substances introduced or formed (in particular Na + , SO 4 2– , H 2 PO 3 - ) so that at this point the deposition rate at 90 ° C drops to values <5 μm / h and the properties of the deposited layers no longer meet the requirements.
Bei
dem erfindungsgemäßen Einsatz
des schwachsauren Kationenaustauschers
Der
schwachsaure Kationenaustauscher
Zur
Metallbeschichtung in dieser Anlage wird prinzipiell, wie zu
Durch
den Einsatz des Wärmetauschers
Der
schwachsaure Kationenaustauscher
Als
weitere Komponenten enthält
diese Anlage einen starksauren Kationenaustauscher
Der
starksaure Kationenaustauscher
Der
schwachbasische Anionenaustauscher
Die
Säulenkapazität des mit
Kationenaustauschermaterial in der H+-Form
gefüllten
Ionenaustauschersäule
Die
Metallbeschichtung in dieser Anlage erfolgt analog zur Vorgehensweise,
die zu
Nach
erfolgter Beschichtung wird das beschichtete Werkstück
Zum
Ausgleich von Verdunstungsverlusten in der Prozesslösung wird
die Spüllösung über den schwachsauren
Nickel-beladenen Kationenaustauscher
Die Nachdosierung des verbrauchten Reduktionsmittels erfolgt hier durch Zugabe von Natriumhypophosphit in die Prozesslösung.The Subsequent metering of the used reducing agent is carried out here Add sodium hypophosphite to the process solution.
Zur
Aufbereitung der Spüllösung wird
ein Volumenstrom über
den starksauren Kationenaustauscher
Gemäss seiner
Selektivität
bindet der starksaure Kationenaustauscher
Die
Erschöpfung
der Kapazität
des Kationenaustauschers
Zur Regenerierung wird er in bekannter Weise durch Aufgabe von Salzsäure mit einer Konzentration von 70 g/l bis 100 g/l wieder mit Protonen beladen und kann nach einem Spülvorgang mit voll entsalztem Wasser erneut zur Verlängerung der Nutzungsdauer der Prozesslösung verwendet werden.to It is regenerated in a known manner by adding hydrochloric acid at a concentration of 70 g / l to 100 g / l again loaded with protons and can after a rinse with deionized water again to extend the service life of the process solution be used.
Die
durch den starksauren Kationenaustauscher
Die
Regenerierung des schwachbasischen Anionenaustauschers
Die
durch den schwachbasischen Anionenaustauscher
Das
bei der Regenerierung des starksauren Kationenaustauschers
Die
indirekte Reinigung der Prozesslösung über das
Spülsystem
Durch
die in dieser Ausführungsform
beschriebene Abtrennung störender
Anionen aus der Spüllösung und
die Nachdosierung von Nickelionen über einen mit Nickelionen beladenen
schwachsauren Kationenaustauscher
Bei
dem erfindungsgemäßen Einsatz
dieser Anlage steigt der SO4 2–-Gehalt
der Prozesslösung
mit dem Metalldurchsatz nicht an, da die Nickelionen mit Hilfe des
schwachsauren Kationenaustauschers
Um den Gehalt an Orthophosphit auf einem Wert < 120 g/l über die Elektrolytausschleppung in die Spüllösung stabilisieren zu können, wäre bei einer Abscheidung von 10 μm Nickel eine Elektrolytausschleppung > 4 l/m2 erforderlich.In order to be able to stabilize the orthophosphite content at a value <120 g / l via the electrolyte extraction into the rinsing solution, an electrolyte extraction> 4 l / m 2 would be required with a deposition of 10 μm nickel.
Der
Aufbau der Anlage entspricht hinsichtlich des Beschichtungsbehälters
Der
Regenerierbehälter
Der
Zulauf des schwachsauren Kationenaustauschers
Zur
chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel auf Stahloberflächen wird
das Werkstück
Zur
Aufbereitung der Prozesslösung
wird ein bestimmter Volumenstrom der Prozesslösung aus dem Beschichtungsbehälter 1 dem
Regenerierbehälter
Die
gereinigte Lösung
wird aus dem Regenerierbehälter
Durch
die direkte Verbindung von Beschichtungsbehälter
Kernstück dieser
Vorrichtung ist eine Membranelektrolysezelle. Diese besteht aus
einer Kathode (–) und
einer Anode (+) und je einer der Kammern
Die
Kammern
Neben
der Membranelektrolysezelle enthält
die Vorrichtung einen schwachbasischen Anionenaustauscher
Der
Zulauf des schwachbasischen Anionenaustauschers
Des
weiteren enthält
die Vorrichtung einen Vorlagebehälter
Die
Kammern
Zur
Verlängerung
ihrer Nutzungsdauer werden die Anionen in dieser Vorrichtung aus
einer Prozesslösung,
die bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung eingesetzt wurde,
kationenfrei entfernt und gleichzeitig wird das Reduktionsmittel
nachdosiert. Hierzu wird, wie beispielhaft für die chemisch reduktive Nickelbeschichtung
erläutert,
wie folgt verfahren:
Der Vorlagebehälter
The storage container
Das
Säuregemisch
in Kammer
Der
Ablauf des Anionenaustauschers
Aus
dem Pufferbehälter
Nachdem
durch den Regenerierprozess in der Membranelektrolysezelle keine
Kationen aus der Prozesslösung
entfernt werden, verändert
sich durch den Regenerierprozess der Salzgehalt in der aufbereiteten Prozesslösung nicht.
Es werden lediglich Sulfat-, Chlorid- und Orthophosphit-Ionen aus
der Lösung
entfernt und durch eine äquivalente
Menge an Hypophosphitionen ersetzt. Dadurch wird die Prozesslösung mit
Reduktionsmittel angereichert. Die so aufbereitete Prozesslösung wird
aus der Kammer
Durch die zusätzlichen Kammern wird die für den Ionentransport benötigte Membranfläche, über die Prozess- und Regenerierlösung miteinander in Kontakt stehen, vergrößert. Damit kann im Aufbereitungsprozess die Transportleistung, die zur Abtrennung einer vorgegebenen Fracht an Fremdstoffen erforderlich ist, erreicht werden.By the additional Chambers is for needed the ion transport Membrane area over which process and regeneration solution are in contact with each other, enlarged. This can be used in the preparation process the transport service required to separate a given freight of foreign substances is required.
Zur
Verlängerung
der Nutzungsdauer einer Prozesslösung,
die bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung eingesetzt wurde,
wird die eingesetzte Prozesslösung
in dieser Vorrichtung mit Reduktionsmittel angereichert und es werden
gleichzeitig störende
Anionen aus ihr abgetrennt. Dazu wird analog der Beschreibung zu
Zur
chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel auf Stahloberflächen wird
in dieser Anlage wie folgt verfahren: Das Werkstück
Die
Nachdosierung des Reduktionsmittels und die Abtrennung von störenden Anionen
erfolgt in dieser Anlage in einem Hilfskreislauf wie zu
Aus
dem Vorlagebehälter
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung der Anlage ergeben sich in Abhängigkeit des Metalldurchsatzes folgende Parameter für die Prozesslösung: When using the system according to the invention, the following parameters for the process solution result depending on the metal throughput:
Durch
die Abtrennung störender
Anionen und der kationenfreien Nachdosierung des Reduktionsmittels
im Hilfskreislauf wird eine deutliche Verminderung des Fremdstoffanstieges
erreicht. Mit der in
Durch die Abtrennung störender Anionen im Hilfskreislauf und die Nachdosierung des Reduktionsmittels ohne störende Kationen kann eine Verlängerung der Nutzungsdauer der Prozesslösung auf mindestens 12 MTO erreicht werden, wobei über den Volumenstrom an Prozesslösung, die über die Membranelektrolysezelle geleitet wird, die Orthophosphit-Konzentration in der Prozesslösung eingestellt und ein starker Anstieg der Hypophosphit-Konzentration in der Prozesslösung vermieden wird. Die Berechnung der Volumenströme erfolgt nach Gleichung 2.By the separation more disruptive Anions in the auxiliary circuit and replenishment of the reducing agent without annoying Cations can be an extension the service life of the process solution can be achieved on at least 12 MTO, with the volume flow of process solution being via the Membrane electrolysis cell is passed, the orthophosphite concentration in the process solution discontinued and a sharp increase in hypophosphite concentration in the process solution is avoided. The volume flows are calculated according to equation 2.
Zur
chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel auf Stahloberflächen in
dieser Anlage wird wie folgt verfahren: Das Werkstück
Da
durch den erfindungsgemäßen Einsatz
des schwachsauren Kationenaustauschers
Durch die Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls und des Reduktionsmittels ohne störende Ionen, die Abtrennung störender Anionen aus der Prozesslösung sowie die Vermeidung einer Zugabe von Natronlauge in die Prozesslösung zur Einstellung des pH-Wertes wird die Zusammensetzung der Prozesslösung über einen längeren Zeitraum stabilisiert und ein nahezu stationärer Zustand bezüglich des pH-Werts, der Konzentrationen von Sulfat, Na+, Hypophosphit und Orthophosphit erreicht. Die Zusammensetzung der Prozesslösung im stationären Zustand wird durch folgende tabellarisch dargestellten Parameter charakterisiert und entspricht einem Badalter von ca. 1 MTO.By metering the ions of the coating metal and the reducing agent without interfering ions, separating interfering anions from the process solution and avoiding adding sodium hydroxide solution to the process solution to adjust the pH, the composition of the process solution is stabilized over a longer period of time and almost steady state with respect to pH, concentrations of sulfate, Na + , hypophosphite and orthophosphite reached. The composition of the process solution in the steady state is characterized by the following tabular parameters and corresponds to a bath age of approx. 1 MTO.
Vorteilhaft
entspricht dieser stationäre
Zustand in den wichtigen Parametern wie pH-Wert, Nickelgehalt und Abscheidegeschwindigkeit
einer frischen Prozesslösung.
Da in dieser Anlage die Ionen des Beschichtungsmetalls und Reduktionsmittel
ohne störende
Gegenionen nachdosiert werden, und somit die positiven Effekte der
Vorrichtungen aus
Die
Vorgehensweise der chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel auf
Stahloberflächen
in der Anlage aus
Während des chemisch-reduktiven Beschichtungsvorgangs laufen Sekundärprozesse wie z.B. Beizprozesse ab, die zu einem Eintrag von Fremdstoffen aus dem Basismaterial in die Prozesslösung führen, wobei die Fremdstoffe in der Prozesslösung in der Regel in kationischer Form vorliegen. Diese Fremdstoffe begrenzen die Nutzungsdauer der Prozesslösung insbesondere dann, wenn durch die beschriebenen Vorrichtungen über die Entfernung anderer störender Stoffe bzw. dem verminderten Eintrag störender Stoffe, wie hier insbesondere Sulfat- und Natriumionen, die Nutzungsdauer der Prozesslösung verlängert wird.During the chemical-reductive coating processes run secondary processes such as. Pickling processes that lead to an entry of foreign substances lead from the base material into the process solution, whereby the foreign substances in the process solution usually in cationic form. Limit these foreign substances the service life of the process solution especially when the devices described above Removal of other disruptive Substances or the reduced entry of disruptive substances, such as here in particular Sulfate and sodium ions, the service life of the process solution is extended.
Durch
den Einsatz des zusätzlichen
starksauren Kationenaustauschers
Die
Entfernung der bei der Reinigung freigesetzten Protonen und die
Zuführung
der bei der Reinigung mit entfernten Ionen des Beschichtungsmetalls
erfolgt dadurch, dass die Prozesslösung, wie zu
Die
chemisch-reduktive Abscheidung von Nickel auf Stahloberflächen in
dieser Anlage erfolgt in Analogie zur Beschreibung zu
Dem
Beschichtungsbehälter
Der
Unterscheid zur Anlage aus
Diese erfindungsgemäße Vorgehensweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn durch die Abtrennung störender Anionen mit gleichzeitiger Nachdosierung von Hypophosphit eine recht hohe Konzentration an Hypophosphit in der gereinigten Prozesslösung erreicht wurde, da die Gefahr der unerwünschten reduktiven Metallabscheidung mit der Konzentration des Reduktionsmittel steigt.This Procedure according to the invention is particularly useful when separating interfering anions with simultaneous replenishment of hypophosphite a very high one Concentration of hypophosphite in the cleaned process solution reached was because of the risk of unwanted reductive metal deposition with the concentration of the reducing agent increases.
Für den Reinigungsprozess
zur Abtrennung störender
Kationen wird mittels des starksauren Kationenaustauschers
Zur
chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel auf Stahloberflächen in
dieser Anlage wird wie folgt verfahren: Das Werkstück
Die
Nachdosierung des Reduktionsmittels und die Abtrennung von störenden Anionen
erfolgt in dieser Anlage in einer Membranelektrolysezelle mit Hilfskreislauf,
wie zu
Aus
dem Vorlagebehälter
Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung der Prozesstechnik ist, dass dem Regeneriersystem eine verdünnte Prozesslösung aufgegeben wird. Durch die niedrigere Konzentration von Inhaltsstoffen (Ionen des Beschichtungsmetalls, Reduktionsmittel) verringert sich die Gefahr einer unerwünschten Metallabscheidung auf sensiblen Komponenten der Reinigungsvorrichtung, wie z.B. Membranen und Ionenaustauscherpolymere.Advantageous with this design of the process technology, that is the regeneration system a diluted one process solution is abandoned. Due to the lower concentration of ingredients (Ions of the coating metal, reducing agent) is reduced the danger of an unwanted Metal deposition on sensitive components of the cleaning device, such as. Membranes and ion exchange polymers.
Durch die erfindungsgemäße Behandlung der Prozesslösung wird ein stationärer Zustand auf einem Konzentrationsniveau erreicht, das einem Badalter von ca. 1 MTO entspricht und durch folgende tabellarisch dargestellte Parameter der Prozesslösung charakterisiert ist: The treatment of the process solution according to the invention achieves a steady state at a concentration level which corresponds to a bath age of approximately 1 MTO and is characterized by the following parameters of the process solution shown in table form:
Vorteilhaft entspricht dieser stationäre Zustand in den wichtigen Parametern wie pH-Wert, Nickelgehalt und Abscheidegeschwindigkeit einer frischen Prozesslösung. Durch eine Variation der Volumenströme an Prozesslösung, die mit dem Hilfskreislauf in Kontakt gebracht werden, können Zusammensetzungen der Prozesslösung eingestellt werden, die einem Badalter von 1 bis 4 MTO entsprechen.Advantageous corresponds to this stationary Condition in the important parameters such as pH value, nickel content and deposition rate a fresh process solution. By varying the volume flows of process solution, the compositions can be brought into contact with the auxiliary circuit the process solution can be set that correspond to a bath age of 1 to 4 MTO.
- 11
- Beschichtungsbehältercoating tank
- 22
- zu beschichtendes Werkstückto coating workpiece
- 33
- (mehrstufiges) Spülsystem(Multi-stage) flushing system
- 44
- Wärmetauscherheat exchangers
- 55
- Vorlagebehälter für zu reinigende ProzesslösungStorage container for to be cleaned process solution
- 66
- Anodenkammer der Membranelektrolysezelleanode chamber the membrane electrolysis cell
- 77
- Anreicherungskammer des Hilfskreislaufes der Membranelektrolysezelleconcentrating compartment the auxiliary circuit of the membrane electrolysis cell
- 88th
- Kammer der Membranelektrolysezelle mit zu reinigender Prozesslösungchamber the membrane electrolysis cell with the process solution to be cleaned
- 99
- schwachbasischer Anionenaustauscher zur Auftrennung des Anionenweakly Anion exchanger for the separation of the anions
- gemischesmixture used
- 1010
- Pufferbehälter für den HilfskreislaufBuffer tank for the auxiliary circuit
- 1111
- starksaurer Kationenaustauscher im Hilfskreislaufstrong acid Cation exchanger in the auxiliary circuit
- 1212
- Regenerierkammer des Hilfskreislaufes der Membranelektrolysezelleregeneration chamber the auxiliary circuit of the membrane electrolysis cell
- 1313
- Stapelbehälter für gereinigte ProzesslösungStacking container for cleaned process solution
- 1414
- schwachsaurer Kationenaustauscher zur Nachdosierung desslightly acidic Cation exchanger for replenishing the
- Beschichtungsmetallscoating metal
- 1515
- starksaurer Kationenaustauscher zur Reinigung der Prozesslösungstrong acid Cation exchanger for cleaning the process solution
- 1616
- Regenerierbehälterreplenishment containers
- ++
- Anodeanode
- –-
- Kathodecathode
- A1, A2A1, A2
- AnionaustauschermembranenAnionaustauschermembranen
- K1K1
- Kationenaustauschermembrancation
- H2OH 2 O
- Frischwasserfresh water
- NaH2PO2 NaH 2 PO 2
- Reduktionsmittelreducing agent
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