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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtration einer
einen Schlamm enthaltenden phosphathaltigen Phosphatierprozessflüssigkeit
mittels einer Filtriereinrichtung, durch deren Filtermaterial die
Phosphatierprozessflüssigkeit
unter Ausbildung einer Druckdifferenz gedrückt wird, wobei während der
Ausbildung der Druckdifferenz an die Phosphatierprozessflüssigkeit
innerhalb der Filtriereinrichtung ein elektrisches Feld angelegt
wird.
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Aus
der
DE 38 43 028 A1 ist
ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Trennung schlecht filtrierbarer
Suspensionen in einer Filterpresse bekannt. Bei diesen schlecht
filtrierbaren Suspensionen handelt es sich insbesondere um schwer
entwässerbaren
Klärschlamm
aus kommunalen und industriellen Kläranlagen.
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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-Phosphatierungschemikalien 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.
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Insbesondere
werden in der Automobilindustrie neben den Spritz- auch die Phosphatierbadverfahren
angewendet. Bei beiden Verfahren entstehen unter anderem durch das
sogenannte Beizen mit Phosphorsäure
feinste Partikel, die vom Werkstück abtropfen
bzw. in einem Phosphatierbecken sedimentieren und als phosphathaltiger Phosphatierschlamm,
auch vereinfacht als Phosphatierbadschlamm bezeichnet, anfallen.
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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 Phosphatierbadschlamm sogenannte Schrägklärer und nachgeschaltete
Eindicker verwendet. Sowohl Schrägklärer als
auch Eindicker beruhen auf dem Sedimentationsprinzip, bei dem vereinfacht
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.
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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 Feststoffanreicherung erfährt. Das
entstehende Filtrat wird wie die beiden Klarphasen des Schrägklärers und
des Eindickers dem eigentlichen Verfahren wieder zugeführt. Der
entstandene Filterkuchen muß dann
entsprechend entsorgt werden.
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In
der Regel wird zur Durchführung
der Filtration ein Druck von ca. 1,5 MPa 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 Reinigungskosten 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.
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Verfahren,
die die aus der Phosphatierung stammenden und den Phosphatierschlamm
enthaltenden Flüssigkeiten
ohne Schrägklärer und
Eindicker direkt über
eine Filtriereinrichtung reinigen, weisen den Nachteil auf, daß nur zu
Beginn der Filtration ein großer
Volumenstrom mit kleiner Schlammkonzentration über die Filtriereinrichtung
gereinigt werden kann, da mit zunehmender Filterkuchendicke der über die
Filtriereinrichtung geförderte
Volumenstrom rapide abnimmt. Folglich geht auch der Schlammaustrag
beispielsweise aus einem Phosphatierbecken zurück. Dieser Filterkucheneffekt
ist bei diesem direkten Filtrierverfahren von großem Einfluß, da keine
Vorab-Konzentrierung durch Schrägklärer und Eindicker
stattfindet.
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Häufig wird
bei diesen direkten Verfahren nur ein Druck von zirka 0,6 MPa angelegt,
so daß hieraus nachteilig
ein höherer
Restfeuchtegehalt des Filterkuchens resultiert.
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Die
vorliegende Erfindung geht von der Problemstellung aus, ein Verfahren
der eingangs genannten Art zur Filtration einer einen Schlamm enthaltenden
phosphathaltigen Phosphatierprozessflüssigkeit zur Verfügung zu
stellen, bei dem eine Erhöhung
des Feststoffanteils im Phosphatierbadschlamm, eine gleichmäßige Filtrierleistung über einen
längeren
Zeitraum und eine geringere Restfeuchte des Filterkuchens erzielt
werden können.
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Ausgehend
von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs
genannten Gattung dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatierprozessflüssigkeit
vor dem Einleiten in die Filtriereinrichtung mit einer herkömmlichen Schlammkonzentrierung
vorbehandelt wird, wobei der Filtriereinrichtung ein Schrägklärer und
ein Eindicker vorgeschaltet sind und die Phosphatierprozessflüssigkeit
zunächst
dem Schrägklärer zugeführt wird und
der am Boden des Schrägklärers sich
ansammelnde Schlamm chargen-/pulsweise oder kontinuierlich abgezogen
und dem Eindicker zugeführt
wird, und dass ein bei der Filtration erhaltenes Filtrat in einen
Phosphatierprozess zurückgeführt wird.
Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Phosphatierprozeßflüssigkeiten
sind hochionenbeladene Produkte, die größenordnungsmäßig 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 Salzkonzentration 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 Phosphatierprozeßflüssigkeiten 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.
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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 elektrische Feld zu einer vermehrten
Bewegung von Teilchen durch im Mikrobereich wirkende Anziehungs-
und Abstoßungskräfte führt, so
daß eine
gleichmäßige 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.
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Durch
die gattungsgemäße
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 Verfahren ist jedoch für schlecht filtrierbare Suspensionen,
nämlich
Klärschlamm
aus kommunalen 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.
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Zur
Anwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren
kommt ein Phosphatierprozeßflüssigkeitsfilter,
das gekennzeichnet ist durch in dem Überdruckfilter angeordnete
Elektroden zur Anlegung eines elektrischen Feldes in der Phosphatierprozeßflüssigkeit
innerhalb des Überdruckfilters.
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Aus
den oben erwähnten
Gründen
sind dem Überdruckfilter
herkömmliche
Schrägklärer und/oder Eindicker
vorgeschaltet.
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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.
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Die
Elektroden können
beispielsweise in Form von Metallnetzen ausgebildet sein. Die zwischen
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 Filterkuchendicke kann beispielsweise auf eine
parallel dazu angeschlossene zweite Filtriereinrichtung umgeschaltet
werden, so daß ein
bequemes chargenweises Entleeren der beladenen Filtriereinrichtung
möglich
ist.
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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 Vorrichtung
bereitzustellen.
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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 Filtriereinrichtungen).
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Die
Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
Es zeigt:
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1 eine
Prinzipskizze einer beispielhaften Ausgestaltung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
der Figur ist eine Prinzipskizze einer beispielhaften Ausgestaltung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt.
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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 Flüssigkeitsüberstand
abgezogen und dem Phosphatierbecken 1 wieder zugeführt. Der
sich am Boden der Schrägklärer ansammelnde
Schlamm wird chargen-/pulsweise oder kontinuierlich abgezogen 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.
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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
0,6 MPa ein elektrisches Wechselfeld mit einigen V/cm einwirkt,
um so eine hohe und über
die Filtrationsdauer konstante Filtrationsleistung bei geringer
Restfeuchte des Filterkuchens zu erreichen. Das gewonnene Filtrat
wird mittels einer Pumpe 9 dem Phosphatierbecken 1 zugeführt.
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Des
weiteren kann der aus dem Phosphatierbecken 1 abgezogene
Schlamm über
eine Pumpe 10 direkt der Filterpresse 4 zugeführt werden,
wobei sich das normalerweise einstellende 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 Phosphatierbecken 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 0,6 MPa. Generell sind Betriebsdrücke zwischen
0,3 bis 2,0 MPa, insbesondere 0,5 bis 1,0 MPa geeignet.
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Das
Umschalten auf den jeweiligen Modus ist mittels in den Leitungen
eingebauter Ventile, die durch entsprechende Symbole in der Figur
gekennzeichnet sind, möglich.
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Der
aus der Filterpresse 4 stammende Filterkuchen wird als
Sondermüll
entsprechend entsorgt und gegebenenfalls deponiert.