DE2405214C2 - Verwendung von Amino-(methylphosphonsäuren) als Stabilisatoren - Google Patents
Verwendung von Amino-(methylphosphonsäuren) als StabilisatorenInfo
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Description
2. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Stabilisator
gegen Zersetzung des Wasserstoffperoxids durch Kupferionen verwendet wird.
3. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stabilisator Amino-tri-(methylphosphonsäure)
verwendet wird.
4. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stabilisator Äthylendiamintetra-(methylphosphonsäure)
verwendet wird.
5. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stabilisator Hexendiamintetra-(methylphosphonsäure)
verwendet wird.
6. Ausführungsform nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Stabilisator Dodecylaminob's-(methylphosphonsäure)
verwendet wird.
7. Ausführungsform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stabilisator gegen Zersetzung
durch Kupferionen ein Phenol verwendet wird
8. Ausführungsform nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stabilisator Phenol verwendet
wird.
Wasserstoffperoxid wird in größtem Umfang als Quelle für aktiven Sauerstoff eingesetzt. Reine, wäßrige
Wasserstoffperoxidlösungen sind über lange Zeit stabil. Die Anwesenheit von Schwermetallionen verursacht
jedoch in der Lösung eine mehr oder weniger schnelle Zersetzung des Wasserstoffperoxids. Deshalb müssen
Stabilisatoren verwendet werden, um diese Zersetzung zu verhindern.
Die meisten Untersuchungen bezüglich der Stabilisierung von Wasserstoffperoxid in Gegenwart von
Schwermetallionen betrafen die Lagerstabilität des Wasserstoffperoxids in konzentrierter Form zum
Transport sowie das Verdünnen zum unmittelbaren Gebrauch. Zum Verdünnen wird häufig ein mit
Sehwermetallionen verunreinigtes Wasser verwendet. Es wurde nach Möglichkeiten der Langzeitstabilisie^
rung, wie 1% Verlust pro Jahr bei 15"C1 unter 5%
Verlust in 24 Stunden bei 1000C1 gesucht. Beispiele
dieser Untersuchungen sind veröffentlicht in der BE*PS 58 162 (Phenol), US-PS126 24 655 (Pyridincärbonsäuren),
US-PS 30 53 634 (Äthylendiamintetraessigsäufe), US'PS 25 99 807 (tetrasubstituiertes Methylenphosphonsäureäthylendiamin),
US-PS 3122 417 und 32 14 454 (Acylierungsprodukte von Phosphonsäuren),
US-PS 32 34140 (Amino-tri-(methylphosphonate)),
US-PS 33 83 174 (Nitrilo-tri-(methylenphosphonsäure) zusammen mit Stannaten), und US-PS 37 01 825. Diese
Zusätze scheinen dadurch zu wirken, daß sie die relativ kleinen Mengen (bis zu etwa 5 ppm) der Verunreinigungen
durch Komplexbildung abfangen und unwirksam machen. So sind in der letztgenannten US-PS 37 01 825
wäßrige Wasserstoffperoxidlösungen bekannt, die we-
ίο nig korrosiv wirken und gegen Zersetzung durch
Verunreinigungen durch eine wasserlösliche Äthylendiamintetra-(methylenphosphonsäure)
stabilisiert sind. Diesen bekannten stabilisierten Lösungen liegt die Aufgabe zugrunde, relativ reine Wasserstoffperoxidlösungen
mit einer Konzentration von 70 bis 90% für längere Zeit gegen Zersetzung durch Verunreinigungen
zu stabilisieren, um die hochkonzentrierter Wasserstoffperoxidlösungen verschiffen zu können.
Bei der Verwendung von Wasserstoffperoxid in Bädern zur Oberflächenbehandlung von Metallen, wie
in Beizbändern für Nichteisenmetalle, entsteht ein anderes Problem. Diese Bäder sind üblicherweise stark
sauer mit einem pH-Wert unter 2,0, vorzugsweise unter 1,0, und enthalten wegen der Verwendung technischer
Säure und der Auflösung von Metall während des Verfahrens größere Mengen an Schwermetallionen. In
diesem Fall wird nur eine kurzzeitige Stabilisierung des Wasserstoffperoxids gegen Zersetzung angestrebt, um
übermäßige Verluste während der Beizbehandlung zu vermeiden.
In Beizbädern für Kupfer sind beispielsweise folgende
Stabilisatoren für Wasserstoffperoxid bekannt: US-PS 35 37 895 (organische Säuren, wie Benzoe-, Glykol- und
Propionsäure, sowie mehrwertige Alkohole, wie Glyce-
rin, Äthylen- und Propylenglykol), US-PS 35 56 883 (wasserlösliche gesättigte aliphatische Alkohole) und
US-PS 36 49 194 (Phenole und ungesättigte Alkohole). Die Arbeiten mit diesen und anderen Stabilisatoren
zeigten, daß Eisenionen in Mengen über etwa 30 ppm die Stabilisatoren in Beizbädern unwirksam machen. Da
technische Schwefelsäure, wie sie für Beizbäder verwendet wird, oft 300 und mehr ppm Eisenionen
enthält, und diese Bäder durch Kontakt mit eisernen Werkstücken sowie mit zufällig anwesenden Eisentei-Ien,
wie Nägeln, Bolzen und Muttern, weitere Mengen an Eisenionen aufnehmen, waren diese Stabilisatoren
nur teilweise zur Lösung des Problems geeignet.
Bei früheren Versuchen zur Lösung des Problems der Verunreinigung durch Eisenionen in sajren Beizbädern
wurden Fluoridionen verwendet; vgl. US-PS 20 86 123,
32 35 141, 33 69 914 und 35 37 926. Jedoch sind die
Wirkungen von Fluoriden in stark saurem Medium ziemlich schwer kontrollierbar und bringen unerwünschte
Korrosionsprobleme. Deshalb konnten auch mit diesem Vorschlag die Probleme nicht zufriedenstel
lend gelöst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Stabilisatoren für Wasserstoffperoxid zu schaffen, die
eine verbesserte Beständigkeit des Wasserstoffperoxids in wäßrigen Lösungen starker Säuren, ausgenommen
Halogensäuren, mit einem pH-Wert unter 2 in Gegenwart von Eisenionen in Mengen von 30 bis
30 000 ppm erreichen. Die Lösungen dieser Aufgabe beruht auf dem überraschenden Befund, daß Amino-(methylphösphottsäuren)
oder ihre löslichen Salze in einer Menge Von mindestens 3 Phosphonsäuregruppen
pro Eisen(III)-ion sehr gute Stabilisatoren gegen die
durch Eisen(lll)-ionen katalysierte Zersetzung des
Wasserstoffperoxids sind.
Überraschenderweise bewirken die Amino-(methylphosphonsäuren) oder ihre löslichen Salze, die bekanntlich
als Komplexbildner das Eisen in Lösung halten können, in stark saurem Medium das Gegenteil und
fällen das Eisen aus der Lösung aus. Es zeigte sich, daß die Fällung ohne Einfluß auf die Stabilität des
Wasserstoffperoxids ist Eisen(III)-hydroxid beschleunigt ebenfalls die Zersetzung des Wasserstoffperoxids.
Falls die saure Wasserstoffperoxidlösung zum Beizen von Nichteisenmetallen verwendet wird, die eine
Zersetzung des Wasserstoffperoxids katalysieren, ist es zweckmäßig, diese Zersetzung durch bekannte Stabilisatoren
zu verhindern, da die Amino-(methylphosphonsäuren) in diesem Fall unwirksam sind.
Gegenstand der Erfindung ist somit der in den Ansprüchen gekennzeichnete Gegenstand.
Die erfindungsgemäß zu stabilisierenden wäßrigen Wasserstoffperoxidlösungen sollen keine Halogensäuren
enthalten.
Die Amino-(methylphosphonsäuren) können als solche oder in Form ihrer löslichen Salze eingesetzt
werden. Alkalimetall-, Ammonium-, substituierte Ammonium-, Magnesium- und Calciumsalze sind im
allgemeinen löslich oder leichter löslich als die Phosphonsäuren selbst
Die einfachste gefundene Amino-(methylphosphonsäure), die erfindungsgemäß verwendet werden kann
und einen guten Stabilisator darstellt, ist die Amino-tri-(methylphosphonsäure)
der Formel
N-(CH2-PO3Hj)3.
Sie ist wie ihr Natrium-, Kalium- und Ammoniumsalz in Schwefelsäure leicht löslich. Der Ersatz einer oder
zwei der Methylphosphonsäuregruppen durch organische Reste vermindert 4Jie Löslichkeit der Verbindung
ίο und ihrer Salze, jedoch sind auch die substituierten
Verbindungen noch brauchbar, solange sie genügend löslich sind. Beispielsweise sind Äthylamino-bis-(methylphosphonsäure)
und ihre Salze löslich. Das Natriumsalz der Dodecylamino-bis-(methylphosphonsäure) ist wasserlüslich,
und eine Lösung ist leicht herzustellen, jedoch wird sie bei Zugabe von Schwefelsäurelösungen
größtenteils ausgefällt; dabei bleibt jedoch noch genügend in Lösung, um kleinere Mengen Eisenionen zu
inaktivieren. Als allgemeine Regel kann gelten, daß die
:>o gesamte Zahl der Kohlenstoffatome in den Substituenten
am Stickstoffatom höchstens etwa 12 betragen soli, wenn eine ausreichende Löslichkeit aufrechterhalten
werden soll.
Die erfindungsgemäß verwendeten Amino-(methylphosphonsäuren) können auch eine kompliziertere
Struktur aufweisen. Beispielsweise können verschiedene Polymethylen-tetra-(methylphosphonsäuren) und
ihre Salze der allgemeinen Formel I
O | N— (CH,)„— N / ' \ |
CH2 | 1 I |
CH2 | O Ii |
1 | OX | I | OX |
XO-P-CH2 | / \ | Il _p I |
|||||||
OX / \ O Il |
I OX O Μ |
||||||||
Il XO-P—CH: |
Il ρ 1 |
||||||||
( | I OX |
||||||||
)X | |||||||||
eingesetzt werden, in der η den Wert 2,3,4,5 oder 6 hat,
und X ein Wasserstoffatom, ein Alkalimetall-, Magnesium-, Calcium-, Ammonium- oder substituiertes Ammoniumion
bedeutet.
Bei Verwendung weniger löslicher Amino-(methylphosphonsäuren) werden diese vorzugsweise zunächst
mit einer Base neutralisiert. Die erhaltene Lösung wird anschließend in die stark mineralsaure Lösung des
Wasserstoffperoxids gegeben.
Es können auch andere Amino-(methylphosphonsäuren) verwendet werden, solange die Löslichkeit dazu
ausreicht, in einer stark sauren Wasserstoffperqxidlöjung
genügend Phosphonsäure in Lösung zu bringen, um die Eisenionen zu binden. Es sind wenigstens 3
Phosphonsäuregruppen für jedes Eisen(III)-ion nötig.
Die Eisenionenkonzentration in den Wasserstoffperöxidlösungen
hängt von den verschiedensten Faktoren ab, Mengen unter 10 ppm haben auf die Kürzzeilstäbili*
tat der Lösung geringen Einfluß, in langen Zeiträumen
verursachen jedoch auch kleine Eisenmengen eine Zersetzung des Wasserstoffperoxids. Die üblicherweise
bei den Beizverfahren angetroffenen Mengen an Eisen(lll)-ionen liegen im Bereich Von 30 bis 3000 ppm.
Bei Mengen bis zu 30 000 ppm (3 Prozent) werden vorzugsweise die besser löslichen Amino-(methylphos
phonsäuren) eingesetzt.
Die erfindungsgemäß verwendeten Amino-(methylphosphonsäuren) wurden untersucht in Lösungen von
Schwefel-, Phosphor- und Salpetersäure in Konzentrationen von 0,1 Volumprozent bis zu hohen Konzentrationen.
Die Verbindungen waren bei allen Konzentratione.: wirksam, obwohl die Zersetzung des Wasserstoffperoxids
bei sehr hohen Säurekonzentrationen progressiv zunahm. Da jedoch bei üblichen technischen
Beizverfahren Säurekonzentrationen über 25 Prozent selten vorliegen, sind die erfindungsgemäß verwendeten
Verbindungen bis zu dieser Konzentration sehr wirksam. Die beim Beizverfahren gelegentlich zusätzlich
verwendeten organischen Säuren, wie Citronen-,
bo Glukon- und Oxalsäure, stören die Stabilisierung
ebensowenig, wie Alkalimetall-, Erdalkalimetall- und Magnesiumionen, Die Anwesenheit von Halogeniden,
wie Chloride, Fluoride, Bromide Und Jodide, in Konzentrationen über 1 Prozent stört jedoch die
Stabilisierung und soll vermieden werden.
Es wurde festgestellt, daß bei der Zugabe der Amino-(methylphosphonsäuren) zu sauren Wasserstoffperoxidlösungen,
die sowohl Kupfer- als auch Eisenio-
nen enthalten, die Zersetzung des Wasserstoffperoxids besonders schnell verläuft Analysen der Lösungen
ergaben, daß das Eisen noch fast quantitativ aus der sauren Lösung gefällt wurde. Das Kupfer störte also in
keiner Weise die Wirkung der Amino-(methylphosphonsäuren). Die beobachtete Zersetzung des Wasserstoffperoxids
beruht vermutlich auf der katalytischen Wirkung der Kupferionen.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei gemeinsamer Verwendung der Amino-(methylphosphonsäuren)
mit bekannten Stabilisatoren gegen die Wirkung von Kupferionen eine sehr wirkungsvolle
Stabilisierung bei wäßrigen, sauer reagierenden Wasserstoffperoxidlösungeh
erhalten wird, die sowohl Eisenionen als auch Kupferionen enthalten. Die Kombination der Stabilisatoren war in sauren Wasserstoffperoxidlösungen,
die vorwiegend Eisenionen als Verunreinigung enthielten, wirkungsvoller und brachte
eine bessere Stabilisierung als durch die Amino-(methylphosphonsäuren) allein. 2<··
Kupfer- und Eisenionen enthaltende saure Wasserstoffperoxidlösungen
werden wirksam du-ch Amino-(methylphosphonsäuren)
zusammen mit Stabilisaloren gemäß der US-PS 36 49 194 stabilisiert Diese Stabilisatoren
sind Phenol, p-Methoxyphenol, Allylalkohol, Crotylalkohol und cis-Buten(2)-diol-l,4. Von ähnlicher
Wirkung ist eine Kombination der Amino-(methylphosphonsäuren) mit Stabilisatoren gemäß US-PS 34 07 141.
Diese Stabilisatoren sind Sulfathiazol, Phenacetin, Phenylharnstoff, Diphenylharnstoff, Benzoesäure und
Hydroxybenzoesäure. Kombinationen von Amino-(methylphosphonsäuren)
mit Stabilisatoren gemäß US-P3 35 56 883 ergaben ähnlich gute Ergebnisse. Als bevorzugte
Stabilisatoren sind wasserlösliche aliphatische Alkohole, wie Methanol, Äthanol, Propanol, Butanol
und deren Gemische, genannt. Weiterhin sind Kombinationen der Amino-(methylphosphonsäuren) mit Stabilisatoren
gemäß US-PS 35 37 895 wirksam. Als Stabilisatoren sind Benzoe-, Glykol- und Propionsäure, Glycerin,
Äthylen- nd Propylenglykol genannt.
Beispiele für besonders bevorzugte Hilfsstabilisatoren in Kombination mit den Amino-(methylphosphonsäuren)
sind Phenol, mono-, di- und trimethyl-substituierte Phenole, mit niedermolekularen Alkylresten
substituierte Phenole, monochlor-, -fluor- und -bromsubstituierte
Phenole, Anisol, Benroesäure und Hydroxybenzoesäuren,
Allylalkohol, Phenazetin, Sulfathiazcl, Phenylharnstoff und hydroxy-substituierte Phenylharnstoffe,
Äthanol. Propanol, Butanol, Äthylenglykol und Propandiol.
Die erfindungsgemäß verwendeten Amino-(methylphosphonsäuren) stabilisieren in Kombination mit den
vorgenannten HilfsStabilisatoren saure Wasserstoffperoxidlösungen auch gegen Zersetzung durch andere
Metallionen au3er Eisen- und Kupferionen. Die Gegenwart von Chrom-, Kobalt-, Nickel-, Silber-, Zink-,
Mangan ■. Molybdän-. Calcium-, Quecksilber- oder Bleiionen erhöht nicht wesentlich die Zersetzung der
sauren Wasserstoffperoxidlösungen, wenn sie das kombinierte Stabilisatorsystem enthalten. Lediglich
Vanadium in Konzentrationen von 200 ppm oder mehr beeinflußt als einziges Metall die Stabilität des
Wasserstoffperoxids nachteilig.
Somit können erfindungsgemäß saure Wasserstoffperoxidlösungen, die Eisen', Kupfer- und andere
Metalliönen, jedoch keine Vanadiumionen enthalten, durch eine Kombination der Amino-(methylphosphon* ·
säuren) mit bekannten organischen Stabilisatoren für saure, Kupferionen enthaltende Wasserstoffperoxidlösungen
stabilisiert werden.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Das Beispiel erläutert die stabilisierende Wirkung verschiedener Amino-(methylphosphonsäuren) gegenüber
Eisenionen enthaltenden sauren Wasserstoffperoxidlösungen.
Es wird eine wäßrige Lösung, enthaltend 10 Volumprozent H2SO4, 20 g/Liter H2O2 und 100 ppm
Eisen, zugegeben als Eisen(III)-suIfatlösung, hergestellt Die Stabilitätsverluste nach 22- bzw. 44stündiger
Lagerung bei 55° C sind in Tabelle I zusammengefaßt
Gehalt an Organopho-.plionsäure | % H2O2-GeIIaIt nach |
h 44 h |
22 | 34 | |
Ohne Blindversuch | 50 | - |
5 g/Liter Amino-tri-(methyl- phosphonsäure) |
86 | 82 |
3 g/Liter Äthylendiamin-tetra- (methylphosphonsäure) |
91 | 93 |
10 g/Liter Hexendiamin-tetra- (methylphosphonsäure) |
— | 78 |
10 g/Liter Dodecylamino-bis- (methylphosphonsäure) |
- |
Die Amino-tri-(methylphosphonsäure) wird direkt in
die Schwefelsäurelösung gegeben. Die Äthylendiamintetra-, Hexendiamin-tetra- und Dodecylamino-bis-(methylphosphonsäure)
werden in einer minimalen Menge !Oprozentiger Natronlauge gelöst bevor sie zur
Schwefelsäure gegeben werden. Nach der Zugabe der Phosphonsäure oder der Lösung eines ihrer Salze zur
Schwefelsäure werden das Wasserstoffperoxid und zuletzt eine konzentrierte Lösung von Eisen(III)-suIfat
zugemischt. In allen Fällen werden klare Lösungen der Phosphonsäuren in Schwefelsäure erhalten, ausgenommen
die Lösung von 10 g/Liter Dodecylamino-bis-(methylphosphonsäure), aus der wenigstens teilweise die
ge!'/s>e Verbindung bei Zugabe zur Schwefelsäure
ausfällt. Bei der Zugabe der Eisensulfatlösung tritt jeweils fast unmittelbar nach Zugabe eine weiße
flockige Fällung auf, soweit die Lösung die Phosphonsäure enthält.
Die Analy.-e der filtrierten Lösung ergibt die
Anwesenheit von Eisen in der Fällung. Um die Genauigkeit der Analysenergebnisse zu zeigen! wurde
eine Lösung mit 100 ppm Eisen bergesiellt, wie
vorstehend angegeben, und ein Atümaösorptionsspektrum
aufgenommen. Es ergab einen Eisengehalt von 130 ppm, was bedeutet, daß in den Beispielen der
Erfindung für alle tiisenkonzentrationen höhere Werte
angegeben sind als tatsächlich vorlagen. In Tabelle. Il sind die Ergebnisse zusammengefaßt.
Gehall an Ofganophosphonsäure
Eisengehalt in Lösung nach Filiration
5 g/Liter Amino-tri-(methyl- 9,7 ppm
phosphonsäure)
3 g/Litef Äthyleridiarriih-tetra- 28,3 ppm
(methylphosphonsäure)
10 g/Liter Hexendiamin-tetra- 4,4 ppm
(methylphosphonsäure)
10 g/Liter Dodecylamino-bis- 4,5 ppm
(methylphosphonsäure)
Da die weiße Fällung, im Gegensalz zu einer Eisen(lII)-hydroxidfälIung, die Stabilität des Wasserstoffperoxids
nicht beeinflußt, ist es nicht nötig, sie abzutrennen.
Dieses Beispiel erläutert die synergistische Wirkung der Amino-(methylphosphonsäuren) zusammen mit
Phenol als bekanntem Stabilisator zur Stabilisierung von sauren eisenhaltigen Lösungen.
Es wird eine wäßrige Lösung, enthaltend 10 Volumprozent H2SO4, 20 g/Liter H2O2 und 100 ppm
Eisen, zugegeben als Eisen(III)-sulfat, hergestellt. Die Stabilitätsverluste nach 22- bzw. 44stündiger Lagerung
bei 55°Csind in Tabelle III zusammengefaßt.
Gehalt an Organophosphonsäure1)
Ohne Phenol
% H2O2-Gehalt
nach
nach
22 h 44 h
Mit 100 ppm
Phenol
Phenol
% H2O2-Gehalt
nach
nach
22 h
44 h
Ohne 50 34 92 57
5 g/Liter Amino-tri-(methylphosphonsäure) 86 - 98 87
3 g/Liter Äthylendiamin-tetra-(methylphosphonsäure) 91 82 96 95
10 g/Liter Hexendiamin-tetra-(methylphosphonsäure) - 93 97 96
10 g/Liter Dodecylamino-bis-fmethylphosphonsäure) - 78 - 97
') Die Organophosphonsäuren werden wie in Beispiel 1 zugegeben.
Phenol ist ein guter Stabilisator, verliert jedoch seine Wirksamkeit innerhalb 22 bis 44 Stunden bei 55°C Die
Amino-(methylphosphonsäuren) sind bereits allein gute
Stabilisatoren, werden jedoch durch Zusatz von Phenol verbessert
Dieses Beispiel zeigt, daß mindestens 3 Mol Organophosphonsäuregruppen pro MoI Eisen(III)-ionen
nötig sind. Die synergistische Wirkung von Phenol bei der Stabilisierung des Wasserstoffperoxids
wird ebenfalls erläutert
Es werden Lösungen mit einem Eisengehalt von 30 bis 1000 ppm untersucht Die Stabilität des Wasserstoffperaxids
wird gemessen als FhO2-GeIIaIt nach der
angegebenen Lagerzeit bei 55° C.
Es wird eine wäßrige Lösung, enthaltend 10 Volumprozent H2SO4, 20 g/Liter H2O2 und verschiedene
Eisenmengen, zugegeben als Eisen(III)-sulfat, hergestellt Die Ergebnisse der Versuche sind in Tabelle IV
zusammengefaßt
A. OrganosphosphonsSure: 5 g/Liter Amino-tri-(methylphosphonsäure)
moI/Liter -PO3H2 |
ppm Fe | moI/Liter Fe | Mol verhältnis -PO3H2 |
ppm Fe in Lösung |
Ohne Phenol |
Mit 100 ppm Phenol |
Mit 100 ppm Phenol |
zu Fe | % H2O2- Gehalt nach 24 h |
% H2O2- Gehalt nach 24 h |
% H2O2- Gehalt nach 42 h |
||||
5,02X10 2 | 0 | 0 | _ | 0,90 | 98,6 | _ | - |
5,02 x 10 2 | 30 | 0,054 X IO"2 | 93 | 63 | 89,2 | - | - |
5,02 x 10 2 | 100 | 0,18 XlO"2 | 28 | 9,7 | 86,1 | 98 | 87 |
5,02 X 10 2 | 300 | 034 XIO"2 | 93 | 12,6 | 87,3 | 87,1 | 87,1 |
5,02 x !Q 2 | 500 | 0,90 x IQ"2 | 55 | 18,8 | 78,0 | 87,9 | 88,7 |
5,02 x IO"3 | 700 | 1,26 x IO"2 | 4,0 | 2U | 65,2 | 86J | 853 |
5.02X10 2 | 1,000 | 1,8 x 10 2 | 2,8 | 224 | 38,9 | 82J | 54.8 |
9 10
B. Organophosphonsäure: 3 g/Liter Äthylendiamin-lelra-(methylphosphonsäure)
mol/Liter
-POjIi2
-POjIi2
ppm Pe
mol/Liter Pe
Molverhällnis -PO3M2 zu Fe
ppm Pe in
Lösung
Lösung
Mil 100 ppm
Phenol
Phenol
% M2O2-GcIIaIt
nach 24 h
nach 24 h
MiI 100 ppm Phenol
% M2O2-Gehall
(lach 42 h
2,62 x 10 2
2,62 X 10 2
2,62 X 10'2
2,62 x 10 ~2
2,62 X 10'2
2,62 x 10 2
2,62 X 10 2
2,62 X 10'2
2,62 x 10 ~2
2,62 X 10'2
2,62 x 10 2
100
300
400
500
700
1,000
300
400
500
700
1,000
0,18 x 10 2 0,54 X 10~2
0,72X10 2 0,90 x 10 2
1,26 X 10~2 1,8 X 10 2
14,6 4,88 3,64 2,92 2,08 1,45 28.3
11,1
19,5
31,5
11,1
19,5
31,5
457
560
96,8
96,8
87,9
90,5
50,0
24,2
96,8
87,9
90,5
50,0
24,2
95
87,1 0
87,1 0
G. Organophosphonsäure: 10 g/Liter Hexendiamin-tetra-(methylphosphonsäure)
mol/Liler ^PO3M2 |
ppm Fe | mol/Liter Fe | Molverhältnis -POjM2 zu Fe |
ppm Fe in Lösung |
Mit 100 ppm Phenol |
Mit 100 ppm Phenol |
% II2OrOehalt nach 24 h |
% H2O2-Gehalt nach 42 h |
|||||
8,08 X 1O~2 | 100 | 0,18X10"2 | 45 | 4,4 | 96,8 | 96 |
8,Ü8 X 10~2 | 300 | 0,54 X 10"2 | 15 | 4,0 | 88,7 | 88,7 |
8,08 X 10"2 | 500 | 0,90 X 10"2 | 9 | 3,5 | 86,3 | 88,7 |
8,08 X 10 2 | 1,000 | 1,8XlO"2 | 4,5 | 3,3 | 82,3 | - |
D. Organophosphonsäure: 10 g/Liter Dodecylamino-bis-(methylphosphonsäure)
mol/Liter
-PO3M2
-PO3M2
ppm Fe
mol/Liter Fe
Molverhältnis -PO3M2 zu Fe
ppm Fe in
Lösung
Lösung
Ohne Phenol
Mit 100 ppm Phenol
% H2O2-GehaIt % H2O2-Gehalt
nach 44 h nach 44 h
5,36 X 10"
100
0,18X10
-2
30 4,5
78
Die Organophosphonsäuren werden jeweils wie in Beispiel 1 zugegeben. Nach den Stabilitätsversuchen
werden die Lösungen filtriert, und ihr restlicher Eisengehalt wird durch Atomabsorptionsspektrometrie
bestimmt Die Versuche zur Bestimmung der Stabilität sowie die anschließenden Eisenanalysen zeigen, daß bei
Amino-trHÄthylendiamino-tetra- und Hexendiamin-tetra-(methylphosphonsäure)
ein Molverhältnis von mindestens drei Phosphonsäuregruppen pro MoI
Eisen(III)-ion nötig ist, um eine noch gute Stabilität des
Wasserstoffperoxids zu erreichen.
Zum Vergleich wird ein Blindversuch mit einer wäßrigen Lösung, enthaltend 10 Volumprozent H2SO4,
g/Liter H2O2 und verschiedene Mengen Eisen,
zugegeben als Eisen(m)-sulfai, ohne Stabilisator hergestellt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengefaßt
ppm Fe % H2O2-Gehalt nach 24 h
30
100
300
Dieses Beispiel zeigt den Einfluß von Säureart und -konzentration auf die Fähigkeit der OrganophosphonsBuren,
saure eisenhaltige Wasserstoffperoxidlösungen zu stabilisieren.
A. Säureart
Es wird eine wäßrige Lösung, enthaltend die in Tabelle VI aufgeführte Säure, 20 g/Liter H2O2,5 g/Liter
Amino-tri-(methylphosphonsäure) und 300 ppm Eisen, abgegeben in Form einer Eisen(IIl)-sulfatlösung, hergestellt.
Die Stabilitätsverluste nach 24stündiger Lagerung bei 55° C sind in Tabelle VI zusammengefaßt.
Tabelle Vl | Konzentration | % H2OrGehalt |
Säure | nach 24 h/55°C | |
180 g/I | 87,3 | |
H2SO4 | i 00 g/l | 93,2 |
HNOj | 145 g/l | 71,8 |
H3PO4 | 59 g/l | 56,8 |
HF | 40 g/l | 16,2 |
(NH4)F · HF | 45 g/l | 0 |
HCl | ||
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Organophosphonsäuren das Wasserstoffperoxid gegen Zersetzung
durch Eisenionen in anorganischen Säuren stabilisieren, die kein Halogen enthalten.
B. Säurekonzentrationen
Es wird eine wäßrige Lösung, enthaltend Schwefelsäure der in Tabelle VII angegebenen Konzentrationen,
20 g/Liter H2O2, 5 g/Liter Amino-tri-(methylphosphonsäure)
und 300 ppm Eisen, zugegeben in Form einer Eisen(III)-sulfatlösung, hergestellt. Die Stabilitätsverluste
nach 24stündiger Lagerung bei 55° C sind in Tabelle VII zusammengefaßt.
Schwefelsäurekonzen-(ration
End-pH % H2O2- Fe-Gehalt in
Gehalt nach Lösung nach
24 h/55°C Lagerung
24 h/55°C Lagerung
30%
10%
1%
1%
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
0,1%*)
<0
0,5
1,05
1,65
1,8
2,3
2.6
5,1
5,7
6,15
79,3
61,2
57,8
31,0
24,1
12,9
36 ppm
13,5 ppm
3,4 ppm
1,9 ppm
1,6 ppm
2,4 ppm
1.3 ppm
2,2 ppm
Il ppm
18 ppm
13,5 ppm
3,4 ppm
1,9 ppm
1,6 ppm
2,4 ppm
1.3 ppm
2,2 ppm
Il ppm
18 ppm
Es wird eine wäßrige Lösung, enthaltend 10 Volumprozent HrSO4, 20 g/Liter H2O2, 30g/Li(er
* Kupfer, zugegeben als Kupfer(II)-sulfat, 5 g/Liter
Amino-tri-(methylphosphonsäure) und 300 ppm Eisen, zugegebenen als Eisen(IfI)^sulfatlösung, hergestellt. Die
Stabilitätsverluste nach 24stündiger Lagerung bei 55°C sind in Tabelle VIII zusammengefaßt.
Zusätzlicher Stabilisator
Konzentration in ppm
% H2O2-Gehalt
nach 24 h/55 C
Ohne Stabilisator - 4.8
Phenol 100 95
i'nenor ιυυυ iui/
Äthylenglykol 10000 86
Benzoesäure 1000 87
Natriumsulfathiazol 1000 73
2-Hydroxybenzoesäure 1000 90
3-Hydroxybenzoesäure 500 82
4-IIydroxybenzoesäure 500 88
Propionsäure 1000 72
Phenacetin 1000 84
3-HydroxyphenyI- 500 89 harnstoff
Allylalkohol 1000 100
Äthanol 5000 80.3
Anisol 1000 100
o-Kresol 1300 97,5
o-Chlorphenol 100 100
1,2-Propandio! 1000 82,6
PhenolhamstofT 1000 91.6
Eine ähnliche Wirksamkeit besitzen die verschiedenen mono-, di- und trimethyl-substituierten, sowie
andere mit niedermolekularen Alkylresten substituierten Phenole. Das gleiche gilt für die verschiedenen
Chlor-, Fluor- und Bromphenole. Nicht geeignet sind hydroxy-, nitro- oder amino-substituierte Phenole.
Zum Vergleich werden einige der HilfsStabilisatoren
so in Lösungen ohne Orgariophosphonsäuren geprüft Es
wird eine wäßrige Lösung, enthaltend 10 Volumprozent H2SO4, 20 g/Liter H2O2, 30 g/Liter Kupfer, zugegeben
als Kupfer(II)-sulfat, und 300 ppm Eisen, zugegeben als
Eisen(IIl)-suIfat, hergestellt und 24 Stunden bei 55° C gelagert Die Ergebnisse sind in Tabelle IX zusammengefaßt
*) Der pH-Wert wurde mit Natriumhydroxid auf die angegebenen Werte eingestellt
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß sich Schwefelsäurekonzentrationen
im Bereich von etwa 0,1 bis 25 Frozent besonders günstig auswirken. Die Stabilität des
Wasserstoffperoxids nimmt bei sehr niedrigen und sehr hohen Säurekonzentrationen ab.
Zusätzlicher
Stabilisator
Stabilisator
Konzentration
in ppm
in ppm
% HjOrGehalt nach 24 h/55 C
Phenol
Äthylenglykol
Äthylenglykol
100
10000
10000
0 41
Auch andere Stabilisatoren werden in Lösung ohne Organophosphonsäuren untersucht Die Resultate erge-
ben einen Gehalt an Wasserstoffperoxid von 0 bis 41
Prozent nach 24stündiger Lagerung bei 55°C.
Das Beispiel zeigt einen Vergleich eines Stabilisators vom Typ der Organophosphonsäure mit bekannten
Stabilisatoren für Wasserstoffperoxid in stark saurer Lösung in Gegenwart von Eisenionen. Es wird eine
wäßrige Lösung, enthaltend 10 Volumprozent H2SO4,
20 g/Liter H2O2 und 300 ppm Eisen, zugegeben als
Eisen(III>sulfat, hergestellt und 24 Stunden bei 55°C gelagert. Die Ergebnisse sind in Tabelle X zusammengefaßt.
Lösung
Stabilisator
5 g/Liter Amino-tri-(methylphosphonsäufe)
10 g/Liter Ammoniumbifluorid
10 g/Liter Ammoniumbifluorid + 10 g/Liter Oxalsäure ίΟ g/Liier Ammuiiiumbifiuuriu χ 10 g/Liier Gi>RiiKüure
10 g/Liter Ammoniumbifluorid + IO g/Liter Harnstoff 10 g/Liter Ammoniumbifluorid + 10 g/Liter Glykolsäure +
1 g/Liter Benzoesäure
10 g/Liter Oxalsäure
*) Mit Stabilisator der Erfindung.
**) Mil bekanntem Stabilisator.
**) Mil bekanntem Stabilisator.
% H2O2-GeIIaIt
nach 24 h/55 C
nach 24 h/55 C
8,8
23
22
21
50
23
22
21
50
42
Die erfindungsgemäß verwendeten Amino-(methylphosphonsäuren) begrenzen die Zersetzung des Wasserstoffperoxids
in der Lösung auf weniger als 15 Prozent in 24 Stunden bei 55° C, während der beste
Stabilisator unter den geprüften bekannten Stabilisatoren bei gleichen Bedingungen einen Verlust von 50
Prozent Wasserstoffperoxid nicht verhindern kann.
Das Beispiel erläutert die Verwendbarkeit der Amino-(methylphosphonsäuren) zum Stabilisieren von
Wasserstoffperoxid beim Beizen von Stabmaterial aus Kupfer.
Zusammensetzung der Beizlösung
10 Volumprozent H2SO4,20 g/Liter H2O2,200 ppm
Eisen, zugegeben als Eisen(IIl)-sulfat, 0 bis 80 g/Liter Kupfer, vorliegend als Kupfer(II)-suIfat
Zusammensetzung des Stabilisatorsystems:
Zusammensetzung des Stabilisatorsystems:
0,65 bis 1,6 g/Liter Amino-tri-(methylphosphonsäure),
0,2 bis 0,6 g/Liter Äthylendiamin-tetra-(methylphosphonsäure), 62 bis 165 ppm Phenol.
Die Beizlösung wird über einen Zeitraum von 4 Tagen verwendet. Während dieses Zeitraums wird die
Kupferkonzentration durch Auflösen von Kupfer von 0 g/Liter auf 80 g/Liter gesteigert. Nach einer Lagerzeit
von 16 Stunden bei etwa 50° C sind noch 94 bis 97 Prozent des Wasserstoffperoxids unzersetzL Der
Verbrauch an Wasserstoffperoxid durch Auflösen eines Blechstreifens aus Reinkupfer bei 50° C schwankt
zwischen 0,50 und 0,67 g Wasserstoffperoxid/g aufgelöstem Kupfer. Diese Werte liegen nahe am theoretischen
Wert von 0,54 g Wasserstoffperoxid/g Kupfer.
7,9-mm-Kupferstangen, hergestellt durch Erhitzen, Walzen und Ziehen von Kupferbarren, werden zunächst
30 Minuten in 20volumprozentiger Schwefelsäure bei etwa 70°C gebeizt. Nach dieser Vorbehandlung bleibt
an der Kupferoberfläche eine locker haftende rote Schicht zurück. Die Kupferstangen sind hierdurch matt
rötlich gefärbt. Die so vorbehandelten Kupferstangen werden 40 Sekunden in der Wasserstoffperoxidlösung
bei etwa 50° C gebeizt Dabei wird ein Peroxidverlust von 0,60 g/kg der Kupferstangen festgestellt Nach der
Behandlung zeigen die Kupferstangen eine ansprechende, saubere und kupferfarbene Oberfläche.
Claims (1)
1. Verwendung von Amino-(methylphosphonsäuren) als Stabilisatoren für Wasserstoffperoxid in
wäßrigen Beizbädern zur Oberflächenbehandlung von Metallen, wobei
a) die Beizbäder durch Anwesenheit von Schwefel-, Salpeter- oder Phosphorsäure einen
pH-Wert von unter 2,0 aufweisen,
b) die Beizbäder Eisen(III)-ionen in Mengen von 30 bis 30 000 ppm enthalten, ·
e) die Amino-(methylphosphonsäuren) in einer Menge von mindestens 3 Phosphonsäuregruppen
pro Eisen(III)-ion vorliegen und
d) die Amino-(methylphosphonsäuren) das Eisen fast quantitativ aus dem Beizbad ausfällen.
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