DE19652191A1 - Verfahren zur Filtration einer phosphathaltigen Phosphatierprozeßflüssigkeit und Phosphatierprozeßflüssigkeitsfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtration einer phosphathaltigen Phosphatier­ prozeßflüssigkeit mittels einer Filtriereinrichtung, durch deren Filtermaterial die Phos­ phatierprozeßflüssigkeit unter Ausbildung einer Druckdifferenz gedrückt wird. Die Erfindung betrifft ferner einen Phosphatierprozeßflüssigkeitsfilter mit einem Überdruckfilter zur Tren­ nung von festen und flüssigen Bestandteilen der phosphathaltigen Phosphatierprozeßflüs­ sigkeit.

Das Phosphatieren von Werkstücken stellt wirtschaftlich einen wichtigen Faktor zum Schutz gegen Korrosion dar. Die in der Regel eisenhaltigen Werkstücke werden mit sauren, phosphathaltigen Lösungen behandelt, d. h. entweder besprüht oder in ein Bad getaucht, um auf ihrer Oberfläche eine Schicht zu erzeugen, die im wesentlichen aus Phosphaten besteht. Die Phosphatierungsmittel bestehen im wesentlichen aus Zink-, Mangan- und weiteren Schwermetallphosphaten und Phosphorsäure sowie Beschleunigungsmitteln, wie z. B. Nitraten, Nitriten, Wasserstoffperoxid und Spezialzusätzen. Die mit Zink-Phosphatie­ rungschemikalien auf Eisen und Stahl erzeugten hellgrauen Phosphatschichten bestehen aus Hopeit und Phosphophyllit. Im Phosphatrostschutz beim Eisen liegen die Schichtdicken zwischen 1 und 25 µm. Sie sind bis zirka +200°C beständig, unlöslich in organischen Lösungsmitteln, jedoch löslich in Säuren und Laugen. Die Phosphatschicht allein bietet noch keinen absoluten Schutz gegen Korrosion, so daß wegen ihrer Porosität Öl, Wachs, Lack oder organische Beschichtungsmittel auf die Phosphatschicht aufgebracht werden müssen. Insbesondere in der Automobilindustrie stellt die Phosphatierung eine nicht mehr wegzudenkende Schutzmaßnahme gegen Korrosion dar.

Insbesondere werden in der Automobilindustrie neben den Spritz- auch die Phosphatierbad­ verfahren angewendet. Bei beiden Verfahren entstehen unter anderem durch das so­ genannte Beizen mit Phosphorsäure feinste Partikel, die vom Werkstück abtropfen bzw. in einem Phosphatierbecken sedimentieren und als phosphathaltiger Phosphatierschlamm, auch vereinfacht als Phosphatierbadschlamm bezeichnet, anfallen.

Dieser Schlamm muß den Umweltauflagen entsprechend entsorgt werden, wobei der Feststoffgehalt noch derartig niedrig ist, daß eine wirtschaftliche Entsorgung nicht möglich ist. Aus diesem Grund werden bei aus dem Stand der Technik bekannten Phosphatierbad- Entschlammungsverfahren regelmäßig zur Erhöhung des Feststoffanteiles im Phosphatier­ badschlamm sogenannte Schrägklärer und nachgeschaltete Eindicker verwendet. Sowohl Schrägklärer als auch Eindicker beruhen auf dem Sedimentationsprinzip, bei dem ver­ einfacht betrachtet die Feststoffpartikel aufgrund der Gravitation nach unten absinken und so ein über dem konzentrierten Schlamm befindlicher Flüssigkeitsstand entsteht. Dieser auch als Klarphase benannte Flüssigkeitsstand wird der Phosphatierung wieder zugesetzt, gegebenenfalls erst nach Filtrierung.

Der konzentrierte Schlamm wird bei bekannten Verfahren in einer Filtriereinrichtung in Form eines Überdruckfilters filtriert, so daß der üblicherweise aus den Eindickern stammende Schlamm mit einem Feststoffgehalt von zirka 40% nochmals eine erhebliche Feststoff­ anreicherung erfährt. Das entstehende Filtrat wird wie die beiden Klarphasen des Schräg­ klärers und des Eindickers dem eigentlichen Verfahren wieder zugeführt. Der entstandene Filterkuchen muß dann entsprechend entsorgt werden.

In der Regel wird zur Durchführung der Filtration ein Druck von ca. 15 bar ausgeübt, um eine wirtschaftlich akzeptable Restfeuchte des Filterkuchens zu erhalten. Nachteilig hierbei sind jedoch die hohen Investitionskosten für die hierfür benötigten Pumpen sowie für die Schrägklärer und Eindicker mit ihrem hohen Platzbedarf und den ständigen Reinigungs­ kosten aufgrund einer nicht vollständigen Austragung des entstehenden Schlamms. Diese Austragung wird vieler Orts nach wie vor manuell durchgeführt, was in bezug auf die Lohnkosten wirtschaftlich unattraktiv ist.

Verfahren, die die aus der Phosphatierung stammenden und den Phosphatierschlamm ent­ haltenden Flüssigkeiten ohne Schrägklärer und Eindicker direkt über eine Filtriereinrichtung reinigen, weisen den Nachteil auf, daß nur zu Beginn der Filtration ein großer Volumen­ strom mit kleiner Schlammkonzentration über die Filtriereinrichtung gereinigt werden kann, da mit zunehmender Filterkuchendicke der über die Filtriereinrichtung geförderte Volumen­ strom rapide abnimmt. Folglich geht auch der Schlammaustrag beispielsweise aus einem Phosphatierbecken zurück. Dieser Filterkucheneffekt ist bei diesem direkten Filtrierverfah­ ren von großem Einfluß, da keine Vorab-Konzentrierung durch Schrägklärer und Eindicker stattfindet.

Häufig wird bei diesen direkten Verfahren nur ein Druck von zirka 6 bar angelegt, so daß hieraus nachteilig ein höherer Restfeuchtegehalt des Filterkuchens resultiert.

Die vorliegende Erfindung geht von der Problemstellung aus, die bisher übliche Filtration einer phosphathaltigen Phosphatierprozeßflüssigkeit dahingehend zu verbessern, daß eine gleichmäßige Filtrierleistung über einen längeren Zeitraum und eine geringere Restfeuchte des Filterkuchens erzielt wird.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß während der Ausbildung der Druckdifferenz an die Prozeßflüssigkeit innerhalb der Filtriereinrichtung ein elektrisches Feld angelegt wird.

Phosphatierprozeßflüssigkeiten sind hochionenbeladene Produkte, die größenordnungs­ mäßig einen Salzgehalt von 20-50 g Salz/l und einen pH von ca. 2,5-4, insbesondere 2,8-3,5 aufweisen. Es handelt sich somit um hochleitende Flüssigkeiten, die sich für die Durchführung einer Elektrofiltration, die üblicherweise bei einer 10 mal kleineren Salz­ konzentration durchgeführt wird, für den Fachmann nicht angeboten haben. Hinzu kommt, daß - anders als bei Abwässern - das Filtrat der Phosphatierprozeßflüssigkeit wieder in den Phosphatierprozeß zurückgeführt (im Kreislauf geführt) werden soll. Hierbei darf das Filtrat (die Klarphase) chemisch nicht undefiniert verändert sein, da sonst der Phosphatierprozeß gestört wird. Es wurde nun festgestellt, daß die Elektrofiltration bei Phosphatierprozeß­ flüssigkeiten zu einem Filtrat führt, das o.g. Bedingungen erfüllt und zurückgeführt werden kann. Dies ist insofern überraschend, da mit der Elektrofiltration auch elektrochemische Prozesse einhergehen.

Der Grundgedanke der Elektrofiltration besteht darin, daß aus einem vom elektrischen Feld nicht beeinflußten Medium (Abgas) aufgeladene Partikel entfernt werden und sich an den Elektroden ablagern. Ein derartiger Mechanismus ist bei hochleitenden Flüssigkeiten nicht erreichbar. Die erfindungsgemäße Verbesserung der Filtrierleistung beim gleichzeitigen Anlegen von Druckdifferenz und elektrischem Feld beruht daher auf einem anderen Mechanismus als die herkömmliche Elektrofiltration. Es ist zu vermuten, daß das elektri­ sche Feld zu einer vermehrten Bewegung von Teilchen durch im Mikrobereich wirkende Anziehungs- und Abstoßungskräfte führt, so daß eine vergleichmäßigte Verteilung der Feststoffe in dem Überdruckfilter auftritt. Hierdurch wird ein Verstopfen des Filtermaterials unter Einwirkung der Druckdifferenz optimal hinausgezögert und durch die einwirkende Druckdifferenz eine maximale Entfeuchtung des Filterkuchens erreicht.

Durch die DE 38 43 028 A1 ist es an sich bekannt, in einem Überdruckfilter gleichzeitig ein elektrisches Feld anzulegen, um dadurch die Filtrierleistung zu verbessern. Dieses Verfah­ rens ist jedoch für schlecht filtrierbare Suspensionen, nämlich Klärschlamm aus kommuna­ len Kläranlagen, vorgeschlagen worden und beruhte auf der Vorstellung der herkömmlichen Elektrofiltration, da eine Addition der Filtration durch das elektrische Feld und durch die Druckdifferenz als erreichbar angesehen wird. Dies erscheint bei Klärschlämmen denkbar. Für hochleitende Spezialflüssigkeiten, wie phosphathaltige Phosphatierprozeßflüssigkeit, ist eine derartige Anwendung nicht in Betracht gezogen worden. Überraschend ist auch, daß bei der Erfindung weder der verhältnismäßig niedrige pH, noch der hohe Anteil an elektrolytisch abscheidbaren Metallionen stört.

Selbstverständlich ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren mit einer herkömmli­ chen Vorbehandlung zur Schlammkonzentrierung zu kombinieren.

Ausgehend von der oben erwähnten Problemstellung ist ferner ein Phosphatieprozeß­ flüssigkeitsfilter der eingangs erwähnten Art gekennzeichnet durch in dem Überdruckfilter angeordnete Elektroden zur Anlegung eines elektrischen Feldes in der Phosphatierprozeß­ flüssigkeit innerhalb des Überdruckfilters.

Aus den oben erwähnten Gründen können dem Überdruckfilter herkömmliche Schrägklärer und/oder Eindicker vorgeschaltet sein, vorzugsweise entfallen diese.

Es kann zweckmäßig sein, eine als Anode geschaltete Elektrode als Mittenelektrode in einem Filtrationsraum und wenigstens eine Gegenelektrode auf der dem Filtrationsraum abgewandten Seite außerhalb dieses Raumes anzuordnen.

Die Elektroden können beispielsweise in Form von Metallnetzen ausgebildet sein. Die zwi­ schen den Elektroden angelegte Potentialdifferenz beträgt beispielsweise einige Volt/cm. Bei der angelegten Spannung kann es sich um Gleich- oder Wechselspannung oder auch um eine pulsierende Gleichspannung handeln. Nach Erreichen einer bestimmten Filter­ kuchendicke kann beispielsweise auf eine parallel dazu angeschlossene zweite Filtrier­ einrichtung umgeschaltet werden, so daß ein bequemes chargenweises Entleeren der beladenen Filtriereinrichtung möglich ist.

Soll lediglich eine bestehende Phosphatieranlage mit entsprechenden Schrägklärern und Eindickern und Filtriereinrichtungen in ihrer Leistungsfähigkeit gesteigert werden, d. h. in diesem Fall, daß der Feststoffgehalt des Filterkuchens erhöht werden soll, so genügt eine Nachrüstung mit entsprechenden Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Feldes, um eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung bereitzustellen.

Denkbar ist auch ein Umschaltbetrieb zwischen dem konventionellen Verfahren (Schrägklärer, Eindicker, Filtriereinrichtung) und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (z. B. Schrägklärer, Eindicker, Filtriereinrichtung mit Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Feldes bzw. direkte Zuführung der phosphat- und schlammhaltigen Flüssigkeit in die mit Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Feldes ausgerüsteten Filtriereinrichtun­ gen).

Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer beispielhaften Ausgestaltung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Figur ist eine Prinzipskizze einer beispielhaften Ausgestaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

In einem Phosphatierbecken 1 werden Automobilkarosserieteile phosphatiert, wobei sich bei diesem Vorgang neben der als Vorkorrosionsschutz fungierenden Phosphatschicht schlammartige Produkte bilden, die auf dem Boden des Phosphatierbeckens 1 sedimentiert, den sogenannten Phosphatierbadschlamm bilden. Dieser wird kontinuierlich während des Betriebs mittels einer Pumpe 5 abgezogen und den Schrägklärern 2 zugeführt. Nach einer gewissen Verweilzeit bzw. kontinuierlich von oben wird der sich bildende Flüssigkeitsüber­ stand abgezogen und dem Phosphatierbecken 1 wieder zugeführt. Der sich am Boden der Schrägklärer ansammelnde Schlamm wird chargen-/pulsweise oder kontinuierlich abgezo­ gen und einem Eindicker 3 zugeführt. Der Eindicker 3 dient zum weiteren Abschlämmen, wobei die entstehene Klarphase dem Phosphatierbecken 1 wieder zugeführt wird. Der weiter konzentrierte Schlamm wird mittels einer weiteren Pumpe 6 einer Filterpresse 4 mit innen liegenden anodischen Mittenelektroden 7 und kathodischen Außenelektroden 8 zugeführt.

Bei laufender Beschickung der Filterpresse 4 mit eingedicktem Schlamm bilden sich in den einzelnen Kammern der Filterpresse 4 wachsende Filterkuchen, wobei gleichzeitig neben der Druckanwendung von zirka 6 bar ein elektrisches Wechselfeld mit einigen V/cm ein­ wirkt, um so eine hohe und über die Filtrationsdauer konstante Filtrationsleistung bei gerin­ ger Restfeuchte des Filterkuchens zu erreichen. Das gewonnene Filtrat wird mittels einer Pumpe 9 dem Phosphatierbecken 1 zugeführt.

Des weiteren kann der aus dem Phosphatierbecken 1 abgezogene Schlamm über eine Pumpe 10 direkt der Filterpresse 4 zugeführt werden, wobei sich das normalerweise ein­ stellende Filterkuchenwachstum nicht in der Form bemerkbar macht, daß nur zu Beginn der Filtration ein großer Volumenstrom mit kleiner Schlammkonzentration über der Filterpresse gereinigt werden kann und mit zunehmender Filterkuchendicke der geförderte Volu­ menstrom jedoch rapide abnimmt und somit der Schlammaustrag aus dem Phosphatier­ becken 1 zurückgeht, da überraschenderweise durch gleichzeitige Druckaufbringung und Anlegen eines elektrischen Feldes der phosphathaltige Schlamm eine hohe und über die Filtrationsdauer konstante Filtrationsleistung bei geringer Restfeuchte des Filterkuchens gestattet. Das entstehende Filtrat wird entweder über die im Vergleich zu einer Pumpe 11 höher belastbare Pumpe 9 oder über die Pumpe 11 dem Phosphatierbecken 1 zugeführt. Die Pumpe 11 arbeitet mit einem Betriebsdruck von zirka 6 bar. Generell sind Betriebs­ drücke zwischen 3 bis 20 bar, insbesondere 5 bis 10 bar geeignet.

Das Umschalten auf den jeweiligen Modus ist mittels in den Leitungen eingebauter Ventile, die durch entsprechende Symbole in der Figur gekennzeichnet sind, möglich.

Der aus der Filterpresse 4 stammende Filterkuchen wird als Sondermüll entsprechend ent­ sorgt und gegebenenfalls deponiert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Filtration einer phosphathaltigen Phosphatierprozeßflüssigkeit mittels einer Filtriereinrichtung (4), durch deren Filtermaterial die Phosphatierprozeßflüssigkeit unter Ausbildung einer Druckdifferenz gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ausbildung der Druckdifferenz an die Phosphatierprozeßflüssigkeit innerhalb der Filtriereinrichtung (4) ein elektrisches Feld angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatierprozeßflüssig­ keit vor dem Einleiten in die Filtriereinrichtung (4) mit einer herkömmlichen Schlamm­ konzentrierung vorbehandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bei der Filtration erhaltenes Filtrat in den Phosphatierprozeß zurückgeführt wird.

4. Phosphatierprozeßflüssigkeitsfilter mit einem Überdruckfilter (4) zur Trennung von festen und flüssigen Bestandteilen einer phosphathaltigen Phosphatierprozeßflüssigkeit, gekennzeichnet durch in dem Überdruckfilter angeordnete Elektroden (7, 8) zur Anlegung eines elektrischen Feldes in der Phosphatierprozeßflüssigkeit innerhalb des Überdruck­ filters (4).

5. Phosphatierprozeßflüssigkeitsfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Überdruckfilter (4) ein herkömmlicher Schrägklärer (2) und/oder Eindicker (3) vorgeschal­ tet ist.