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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stoffkreislaufschließung, d.
h. Rückführung der
bei einem Prozess anfallenden Spülwässer, und
zum Reinigen eines in einem Prozess verwendeten Prozessbades, insbesondere
zum Reinigen eines Zn/Ni-Elektrolyten eines galvanischen Prozesses.
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Prozessbäder werden
im Laufe des Prozesses verunreinigt. Bei einem Galvanisierungsprozess mit
einem alkalischen Zink/Nickel-(Zn/Ni-)Elektrolyten werden als Verunreinigungen
beispielsweise Salze, wie Natrium-Carbonat und -Sulfat angereichert. Dadurch
wird die Qualität
der beim Galvanisieren abgeschiedenen Schichten verschlechtert.
Als weitere Folge der Verunreinigungen kann die Viskosität des Elektrolyten
im Laufe des Prozesses ansteigen, wodurch wiederum die Ausschleppung
der Chemikalien des Elektrolyten durch damit behandelte Gegenstände in das
Spülwasser
erhöht
werden kann.
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Durch
die Verunreinigungen kann ferner die Stromausbeute im Prozess verringert
werden, wodurch die Abscheidung bei der Galvanisierung verlangsamt
wird. Wird als Gegenmaßnahme
die Stromdichte erhöht,
kann im Elektrolyten ein verstärkter Abbau
der organischen Stoffe stattfinden. Dadurch werden organische Abbauprodukte
angereichert.
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Um
diese Nachteile zu vermeiden, müssen verstärkt Bad-Chemikalien
in das Prozessbades zugegeben werden. Gleichzeitig ist zur Qualitätssicherung
eine regelmäßige Teilerneuerung
des Elektrolyten notwendig.
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Bekannt
ist, dass ein Teil des Elektrolyten zur Reinigung des Prozessbades
kontinuierlich ausgefroren wird, um den Gehalt an angereichertem
Salz zu verringern.
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Das
in einer dem Prozessbad nachgeschalteten Spüle (beispielsweise Kaskadenspüle) kontinuierlich
anfallende erste Spülwasser
wird in eine physikalisch-chemische Abwasserbehandlungsanlage überführt. Je
nach Art und Konzentration der im Prozessbad eingesetzten Komplexbildner
muss die Abwasserbehandlung mit einem hohen Chemikalienbedarf durchgeführt werden.
Oft können
die geforderten Abwassergrenzwerte der Metalle nicht zuverlässig eingehalten
werden. Zudem müssen
die Abwässer getrennt
von anderen Spülwassern
behandelt werden, da durch eine Vermischung die Grenzwerte noch
schwieriger einzuhalten sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die den gesamten
Stoffkreislauf schließt
und gleichzeitig eine effiziente Reinigung eines Prozessbades ermöglicht.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1.
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Erfindungsgemäß wird bei
einem Prozessbad für
einen Galvanisierungsprozess eine verbesserte Qualität der abgeschiedenen
Schichten, eine konstante Stromausbeute und eine verminderte Ausschleppung
von Chemikalien erreicht. Zusätzlich
fällt durch
die komplette Rückführung des Spülwassers praktisch
kein Abwasser zur physikalisch-chemischen Abwasserbehandlung mehr
an.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung und den Unteransprüchen beschrieben.
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Mit
der Vorrichtung wird zum Reinigen eines in einem Prozess verwendeten
Prozessbades zumindest ein Teil des in dem Prozess verwendeten Prozessbades
gemeinsam mit dem anfallenden ersten Spülwasser nach dem Prozess eingedampft,
bis eine Phasentrennung in eine untere Phase, mindestens eine mittlere
Phase und eine obere Phase erfolgt, und die untere und die obere
Phase werden abgetrennt. Eine getrennte Eindampfung des Prozessbades
(zur Reinigung) und des Spülwassers
(zur Rückführung und
Stoffkreislaufführung)
ist ebenfalls möglich.
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Dabei
kann in der mittleren Phase das gereinigte Prozessbad angereichert
werden. Infolgedessen kann durch die Abtrennung der oberen und der unteren
Phase das gereinigte Prozessbad erhalten werden. Dies führt wiederum
zu einer gleich bleibend hohen Stromausbeute beim Prozess, so dass
die Produktionskosten gering gehalten werden. Ferner kann die Stromdichte
im Wesentlichen konstant gehalten werden. So kann die Anreicherung
von organischen Abbauprodukten, die eine Folge des verstärkten Abbaus
der organischen Stoffe bei hoher Stromdichte ist, minimiert werden.
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Als
weitere Folge kann das in der mittleren Phase angereicherte, gereinigte, überkonzentrierte Prozessbad
ohne weiteren Zusatz von Chemikalien dem Originalbad wieder zugeführt werden.
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Die
untere Phase kann als Schlamm, die mittlere Phase kann als wässrige Phase
und die obere Phase kann mit einem im Vergleich zur wässrigen Phase
geringeren spezifischen Gewicht gebildet werden. Dies ermöglicht eine
zuverlässige
Trennung der Phasen.
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In
der unteren Phase können
unerwünschte Salze
des Prozessbades und in der oberen Phase können organische Verunreinigungen
und/oder Metallkomplexe angereichert werden. Werden die untere und
die obere Phase abgetrennt, können
daher praktisch alle Verunreinigungen des Prozessbades ausgeschlossen
werden. Dadurch wird ein Ansteigen der Viskosität des Elektrolyten vermieden,
was wiederum die Ausschleppung von Prozessbad durch darin behandelte
Gegenstände
in das Spülwasser
verringert.
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Insbesondere
kann das verwendete Prozessbad und/oder das anfallende Spülwasser
oder der Teil des verwendeten Prozessbades aus dem Prozess entnommen,
bis zur Phasentrennung eingedampft und die mittlere Phase als gereinigtes
Prozessbad in den Prozess zurückgeführt werden.
Dadurch ergibt sich ein wesentlich geringerer Verbrauch an Chemikalien
für den
Elektrolyten und für
die Abwasserbehandlung des Spülwassers.
Zudem kann die Rückführung und
die Badreinigung gleichzeitig in einer Anlage erfolgen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Eindampfen im Vakuum bei niedrigen Temperaturen (etwa 45–55°C) durchgeführt werden.
Auf diese Weise wird eine Zersetzung der hitzeempfindlichen Komponenten
des Prozessbades vermieden.
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Ferner
kann das Eindampfen und Abtrennen periodisch wiederholt werden.
Dies ermöglicht
eine regelmäßige Regeneration
des Prozessbades, so dass die benötigte Elektrolytzusammensetzung
gesichert und eine gleich bleibende Stromausbeute erhalten wird.
Zudem wird gewährleistet,
dass die Reaktionen in dem Prozess mit einer im Wesentlichen konstanten
Geschwindigkeit ablaufen können
und die Qualität
der in dem Prozess behandelten Produkte gesichert wird. Ferner erübrigt sich
eine regelmäßige Teilerneuerung
des Elektrolyten zur Qualitätssicherung.
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Außerdem kann
als das Prozessbad ein Zn/Ni-Elektrolyt und/oder es können die
nach dem Prozessbad anfallenden Spülwässer eingedampft werden, in
der unteren Phase können
Salze der Anionen des Zn/Ni-Elektrolyten, in der mittleren Phase der
gereinigte Zn/Ni-Elektrolyt und in der oberen Phase können organische
Verunreinigungen angereichert werden. Infolgedessen können durch
Abtrennen der unteren Phase und der oberen Phase ausgefällte Salze
und organische Verunreinigungen des Zn/Ni-Elektrolyten eines galvanischen Prozesses aus
dem Prozessbad entfernt werden.
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Der
Dichteunterschied der oberen Phase und der mittleren Phase ermöglicht eine
zuverlässige Trennung.
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Je
nach Art, Alter und Zustand des Bades werden etwa 14% untere Phase,
etwa 80% mittlere Phase und etwa 6% obere Phase erhalten. Dies ermöglicht,
dass das Volumen des regenerierten Prozessbades beim Abtrennen der
unteren und der oberen Phasen nur um einen kleinen Teil verringert
wird, so dass nur eine kleine Menge an neuen Bad-Chemikalien zur
Ergänzung
dem Prozessbad zugesetzt werden muss.
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Die
untere Phase kann durch Sedimentieren, Abnutschen und/oder Zentrifugieren
abgetrennt werden. So kann auf schonende Weise eine der Phasen, die
Verunreinigungen enthält,
entfernt werden.
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Das
beim Eindampfen erhaltene Destillat kann als Spülwasser (anstelle von Frischwasser
oder vollentsalztem Wasser) verwendet werden. Dadurch wird der Stoff-Kreislauf
für den
gesamten Prozess geschlossen. Eine Abwasserbehandlung oder externe
Entsorgung des Spülwassers
ist nicht erforderlich.
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Außerdem kann
die obere Phase eventuell einer thermischen Verwertung zugeführt werden.
Dadurch kann die obere Phase beispielsweise durch Verbrennen auf
einfache Weise entsorgt werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Rückführung von
anfallendem Spülwasser
(bei 35) in ein Prozessbad 38 und der gleichzeitigen Reinigung
des Prozessbades 38 dient zur Stoffkreislaufschließung (Spülwasserrückführung) und
zum gleichzeitigen Reinigen eines Zn/Ni-Elektrolyten eines galvanischen
Prozesses. Sie umfasst neben dem Prozessbadbehälter 38 und einem
Spülwasserbehälter 32 einen
Vakuumeindampfer 2 und einen Behälter 4 zur Phasentrennung.
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Der
Vakuumeindampfer 2 weist einen Kessel 8 und eine
Kondensatkammer 12 auf. Innerhalb des Kessels 8 befindet
sich ein Rührer 10 und
ein innenliegender Wärmetauscher 11.
Mit einer in 1 nicht gezeigten Vakuumpumpe
kann im Kessel 8 ein Unterdruck erzeugt werden. Die Kondensatkammer 12 ist
mit innenliegenden Kühlrohren 14 versehen,
die an einen Kühlkreislauf 15 angeschlossen
sind. Ferner kann eine Wärmepumpe 16 vorgesehen
werden, um einerseits den Kühlkreislauf 15 mit
Kühlwasser
zu versorgen und andererseits die Siedewärmetauscher 11 in
dem Kessel 8 mit Warmwasser zu versorgen. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet
einen Warmwasserbehälter,
der über
einen Warmwasserkreislauf 19 mit dem Wärmetauscher 11 in
dem Behälter 8 verbunden
ist. Ebenso kann, der Warmwasserkreislauf 19 statt an die
Wärmepumpe 16 an
bauseitig vorhandene Energie angeschlossen werden oder es kann ein
elektrisch beheizter Warmwasserkreislauf zum Einsatz kommen.
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Der
Kessel 8 weist ferner eine Zuleitung 20 für einen
Zn/Ni-Elektrolyten und eine Ableitung 22 für das beim
Eindampfen erhaltene Konzentrat auf, die mit dem Behälter 4 zur
Phasentrennung in Verbindung steht. Am unteren Ende des Behälters 4 ist
eine Ableitung 26 für
Sediment, im oberen Bereich ist eine Ableitung 28 für eine obere
Phase und im mittleren Abschnitt des Behälters 4 ist eine Ableitung 30 für eine mittlere
Phase vorgesehen.
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Die
Vorrichtung zur Reinigung eines Prozessbades weist weiterhin den
Spülwasserbehälter 32,
einen Sammelbehälter 34 für das gereinigte
Pro zessbad und einen Sammelbehälter 36 für den Elektrolyten
und das einzudampfende Spülwasser
auf.
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Zwischen
der Kondensatkammer 12 und dem Spülwasserbehälter 32 ist eine Destillatleitung 33 vorgesehen,
durch die das Destillat in den Spülwasserbehälter 32 gegeben wird,
der als dreifach Kaskadenspülung
ausgebildet ist. Zudem kann aus dem Spülwasserbehälter 32 mittels einer
in 1 nicht gezeigten Leitung Spülwasser in den Sammelbehälter 34 zur
Verdünnung
des Elektrolyten überführt werden.
Eine weitere Leitung 35 verbindet den Spülwasserbehälter 32 mit
dem Zn/Ni-Prozessbadbehälter 38,
in dem der galvanische Prozess stattfindet, und mit dem Sammelbehälter 36.
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Der
Sammelbehälter 34 für den gereinigten Elektrolyten
besitzt eine Ableitung 37, die in den Prozessbadbehälter 38 führt.
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Der
Sammelbehälter 36 für den Elektrolyten und
die Spülwässer ist
an die Zuleitung 20 in dem Kessel 8 angeschlossen.
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Somit
wird einerseits ein Kreislauf für
den Zn/Ni-Elektrolyten geschaffen, in den der Prozessbadbehälter 38,
der Sammelbehälter 36 für den Elektrolyten,
der Kessel 8 des Vakuumeindampfers 2, der Behälter 4 zur
Phasentrennung und der Sammelbehälter 34 integriert
sind.
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Andererseits
existiert ein Spülwasser-Kreislauf
zwischen dem Spülwasserbehälter 32,
dem Sammelbehälter 36 für den Elektrolyten,
dem Kessel 8 des Vakuumeindampfers 2 und der Kondensatkammer 12.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Reinigung des Zn/Ni-Elektrolyten
unter Verwendung der in 1 gezeigten Vorrichtung beschrieben.
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Zunächst wird
dem Prozessbadbehälter 38 Zn/Ni-Elektrolyt
entnommen, mit Spülwasser
aus dem Spülwasserbehälter 32 vermischt
und in dem Sammelbehälter 36 aufgefangen.
Aus dem Sammelbehälter 36 wird
das Gemisch Spülwasser
und verunreinigter Elektrolyt in den Kessel 8 überführt. Sodann wird
im Kessel 8 ein Vakuum erzeugt und das Gemisch Spülwasser
und Zn/Ni-Elektrolyt wird unter Rühren erwärmt. Das dabei erzeugte Destillat
wird in der Kondensatkammer 12 kondensiert und in den Spülwasserbehälter 32 überführt.
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Das
Konzentrat im Kessel 8 wird so lange bei einer regulierten
Temperatur geheizt und eingedampft, bis der gewünschte Konzentrierungsfaktor erreicht
ist. Dann wird der Kreislauf unterbrochen und das Konzentrat wird über die
Ableitung 22 in den Behälter 4 zur
Phasentrennung überführt.
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In
dem Behälter 4 zur
Phasentrennung wird dem Konzentrat Gelegenheit gegeben, sich durch Sedimentation
in eine feste untere Phase, eine wässrige mittlere Phase und in
eine obere Phase aufzutrennen. Die feste untere Phase kann je nach
Art, Alter und Verunreinigung des Elektrolyten etwa 14% des Konzentratvolumens
aufweisen und enthält
Natriumsulfat und Natriumcarbonat. Die wässrige mittlere Phase enthält den gereinigten
Zn/Ni-Elektrolyten, also NaOH, Zn und Ni und nimmt etwa 80% des
Konzentratvolumens ein. Die obere Phase ist spezifisch leichter
als die wässrige
Phase, macht etwa 6% des Konzentratvolumens aus und umfasst organische Abbauprodukte
(CSB), Metallkomplexe, die nicht mehr zur Funktion des Elektrolyten
beitragen, N, Zn und Ni.
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Nach
der Ausbildung der drei Phasen wird die obere Phase durch die Ableitung 28 einer
thermischen Verwertung zugeführt.
Die mittlere, den gereinigten Elektrolyten enthaltende Phase wird
aus der im mittleren Bereich des Behälters angeordneten Ableitung 30 in
den Sammelbehälter 34 für den Elektrolyten
geleitet, dort mit Spülwasser
auf die benötigte Konzentration
des Elektrolyten verdünnt
und in den Prozessbadbehälter 38 überführt. Die
untere, feste Phase wird über
die Ableitung 26 aus dem Behälter 4 abgelassen
und nach einem eventuell erforderlichen Reinigungsschritt ins Abwasser
geleitet.
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Auf
diese Weise kann der Zn/Ni-Elektrolyt regelmäßig in bestimmten Zeitabständen regeneriert werden.
Das Verfahren gewährleistet
dabei eine gleich bleibende Elektrolytzusammensetzung und eine konstante
Stromausbeute, so dass eine gleich bleibend gute Qualität der galvanischen
Schichten gesichert ist. Gleichzeitig ist aufgrund der effektiven Regenerierung
des Elektrolyten und aufgrund der Rückführung des Spülwassers
ein geringer Chemikalieneinsatz zur Aufrechterhaltung der Qualität des Elektrolyten
erforderlich. Zudem ermöglicht
die erfindungsgemäße Vorrichtung,
dass in einer Anlage gleichzeitig eine Regeneration des Elektrolyten
und eine Rückführung des
Spülwassers
in den Prozess durchgeführt
wird. Dadurch werden erhebliche Mengen an Abwasserbehandlungschemikalien
und an Badchemikalien eingespart. Zusätzlich wird durch Wiederverwenden
des Destillats als Spülwasser
die zu zuführende
Menge an vollentsalztem Wasser zum Abspülen der Waren gering gehalten.
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- 2
- Vakuumeindampfer
- 4
- Behälter zur
Phasentrennung
- 8
- Kessel
- 10
- Rührer
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Kondensatkammer
- 14
- Kühlrohre
- 15
- Kühlkreislauf
- 16
- Wärmepumpe
- 18
- Warmwasserbehälter
- 19
- Warmwasserkreislauf
- 20
- Zuleitung
- 22
- Ableitung
- 26
- Ableitung
- 28
- Ableitung
- 30
- Ableitung
- 32
- Spülwasserbehälter
- 33
- Destillatleitung
- 34
- Sammelbehälter
- 35
- Leitung
- 36
- Sammelbehälter
- 37
- Ableitung
- 38
- Prozessbadbehälter