DE4218836A1 - Verfahren zum Entfernen von Oberflächenverunreinigungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Oberflächenverunreinigungen und beinhaltet zur Verringerung des hierbei anfallenden Abfallaufkommens eine kalte, mecha­ nische Entfernung der Verunreinigungen nach selektiver, dosierter, chemischer Behandlung der Oberfläche.

Verunreinigungen von Oberflächen sind meist dadurch gekenn­ zeichnet, daß Teilchen an der Oberfläche haften und/oder Fremdstoffe in geringer Tiefe in einen Werkstoff eingedrun­ gen und/oder an der Oberfläche chemisch gebunden sind. Üblicherweise erfolgt eine Reinigung durch Abwaschen der Oberfläche oder Eintauchen in ein Reinigungsbad, wobei große Volumenströme kontaminierter Reinigungsflüssigkeiten anfal­ len. Durch Zusatz aggressiver Chemikalien kann durch einen korrosiven Angriff auf die Werkstoffoberfläche die Reini­ gungswirkung erhöht werden. Die Wirkung der Chemikalien ist beispielsweise beim Eintauchen in eine Ätzlösung jedoch nur schwer zu steuern und führt infolgedessen oft zu übermäßigen Korrosionsschäden. Zudem wird hierbei ein hoher Verbrauch umweltbelastender Chemikalien herbeigeführt und es sind aufwendige Schutzmaßnahmen für die Behältnisse erforderlich, in denen die Reinigung durchgeführt wird.

Zur Dekontamination von Oberflächen eignen sich bekanntlich neben chemischen und thermischen Verfahren verschiedene mechanische Aufprall- und Abriebverfahren wie z. B. Sand­ strahlen oder Kiesstrahlen. Nachteilig bei der bisher ver­ wendeten Technik ist, daß ein hohes Abfallaufkommen daraus resultiert, daß das eingesetzte Material (Sand oder Kies) zusammen mit dem kontaminierten Abrieb anfällt und entsorgt werden muß. Weiterhin sind festhaftende Kontaminationen oder Oberflächenbeschichtungen auf diese Weise oft nicht unter vertretbarem Aufwand zu entfernen.

Eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Verfahren wäre vorstellbar, wenn zum Bestrahlen größere Körper aus Metall oder Stein verwendet würden. Diese zum Beschuß ver­ wendeten Körper können zwar vom Abrieb abgetrennt und wie­ derverwendet werden, das Verfahren wird durch die zusätzli­ chen Prozeßschritte jedoch aufwendig. Bei mechanischen Reinigungsverfahren (vor allem mit größeren Körpern) ist zudem mit einem erheblichen Materialabtrag auch des zu reinigenden Werkstoffs zu rechnen. Dies führt ebenfalls zu erhöhtem Abfallaufkommen. Ferner sind derartige Verfahren meist energie- und kostenintensiv.

Verschiedene Jet-Stoffsysteme mit flüssigem Stickstoff und/oder CO₂ können nur lose anhaftende Kontaminationen entfernen. Eine Naßstrahldekontamination bei einigen bar mit einem Wasserstrahl liefert wiederum ein hohes Sekundärab­ fallaufkommen. Vorteilhafte Weiterentwicklungsmöglichkeiten sind insbesondere beim Entlacken bzw. Abtragen von locker haftenden Oxidbelägen an Stahloberflächen bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Verfahren zu überwinden und ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, Verunreinigungen auf Oberflächen so zu entfernen, daß das Abfallaufkommen drastisch reduziert ist. Dabei soll das Verfahren möglichst umweltschonend und energiesparend sein.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfinder stellten fest, daß eine effektive Entfernung auch bei fest haftenden Oberflächenverunreinigungen mit minimalem Abfallaufkommen und Einsatz geringstmöglicher Mengen an Chemikalien erzielbar ist, wenn in einem ersten Arbeitsgang zunächst ein Film einer die Verunreinigungen selektiv angreifenden und ablösenden Wirksubstanz (z. B. Ätzmittel, Beizmittel, Komplexbildner, Extraktionsmittel, Detergentien usw.) zum Zwecke der chemischen Vorbehandlung auf die Oberfläche aufgebracht wird und dort nach Einwirkung der sich mit nachfolgender Kälteeinwirkung bildende spröde Oberflächenfilm mit den Verunreinigungen mechanisch abgetra­ gen wird.

Die Wirksubstanz wird vorzugsweise insbesondere im Fall dünner abzutragender Schichten in flüssiger gelöster Form zur Filmbildung aufgesprüht. Der Auftrag kann in Form eines Nebels z. B. durch elektrische oder Ultraschallsprühverfahren bewirkt werden. Der Vorteil hierbei ist eine gravierende Einsparung an Wirksubstanzen. Ferner wird beim Auftrag eines nur dünnen Films z. B. durch eine Vernebelung der Werkstoff geschont und die Werkstoffoberfläche nicht mehr als erfor­ derlich abgetragen. Der Vorgang kann bedarfsweise beliebig oft wiederholt werden.

Insbesondere, wenn pro Flächeneinheit größere Wirksubstanz­ mengen benötigt werden, wird die Wirksubstanz mit einem Gel wie z. B. Methycellulosegel vermischt, und ebenfalls in dosierter Menge in Form einer viskosen Masse aufgetragen. Der Vorteil hierbei ist ein hoher möglicher Abtrag, der über die vorgegebene Konzentration, Filmdicke und Einwirkzeit regelbar ist. Es konnte z. B. bei aggressiven Beizmitteln wie HNO₃ oder HF, die zum Abtragen von Metallschichten einge­ setzt werden, die Viskosität mit einem solchen Gel beliebig eingestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, selbst bei geneigten Oberflächen ausreichende Wirksubstanzmengen in eingedickter Lösung gleichmäßig auf den Oberflächen zu verteilen. Nach erfolgter Einwirkung kann ein Koagulator wie NaSO₄ aufgesprüht werden, der die Viskosität so weit herab­ setzt, daß die Beizflüssigkeit bis auf eine Restmenge von selbst abläuft, die dann vorzugsweise wiederum nach Kälte­ einwirkung mechanisch abgetragen wird. Alternativ ist auch ein Abwaschen der Restschicht möglich. Bei Anwenden des Koagulators und des zusätzlichen Abwaschvorgangs ist jedoch darauf zu achten, daß keine Kontaminationen verschleppt werden. Daher ist es auch von Vorteil, nach der Einwirkzeit die aufgebrachte Gelschicht oder einen nach einfachem mecha­ nischen Abstreifen zurückbleibenden Gelfilm durch Kälteein­ wirkung zu verspröden und mechanisch abzutragen.

Zur mechanischen Abtragung eignen sich insbesondere Kryo­ strahlverfahren, die sowohl eine zur Versprödung der ange­ griffenen Schicht führende Kälteeinwirkung als auch für die mechanische Abtragung sorgen können. Stickstoff und/oder Trockeneis (CO₂) sind als Strahlmittel zur rückstandsfreien Dekontamination einsetzbar. Hierbei wird ein Hochdruckstrahl aus flüssigem/gasförmigem Stickstoff, ggf. mit Trockeneis-Zusatz bei geeigneter Auslegung (hohe Strahlgeschwindigkeit, Jet) zum Abtragen der vorbehandelten, zu dekontaminierenden Schichten, z. B. an Stahl oder Betonoberflächen, eingesetzt und/oder zum Kühlen und Verspröden der vorbehandelten Schicht mit nachfolgendem mechanischen Abtrag verwendet.

Der Bedarf an Dickungsmitteln pro Liter Lösung beim Auf­ streichen oder Aufsprühen einer viskosen Schicht ist unbe­ deutend gering und bringt keine Umweltprobleme mit sich. Es ist sowohl bei angedicktem als auch dünnflüssigem Behand­ lungsmittel eine weitgehende Schonung des Grundwerkstoffs möglich, da vorranging nur die chemisch behandelte und durch Kälte versprödete Oberflächenschicht, die die Verunreinigung enthält, abgetragen wird und der Angriff auf die Oberfläche durch selektive, dosierte Zugabe der Wirksubstanz gesteuert werden kann. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird zusätz­ lich das Sekundärabfallaufkommen drastisch verringert und/oder bei Einsatz von flüssigem Stickstoff und/oder CO₂-Zusatz fast vollständig vermieden. Ein Teil der Energie und des verwendeten CO₂ ist durch geeignete Verfahrensführung rückgewinnbar und/oder das verwendete Kältestrahlmittel kann sogar nach Reinigung im Prozeß zurückgeführt werden. Das Verfahren arbeitet somit äußerst umweltfreundlich unter gleichzeitiger Verringerung der Kosten. Eine Verschleppung der Kontamination kann durch Wahl eines geeigneten Aufprall­ winkels des Kältestrahlmittels wesentlich vermindert werden.

Es ist vorteilhaft ohne weiteres möglich, in einem einzigen Arbeitsgerät sämtliche Verfahrensschritte von der chemischen Vorbehandlung bis zur mechanischen Abtragung auszuführen. Hierdurch wird der Dekontaminationszeitbedarf weiter ge­ senkt. Das Verfahren kann fernhantierbar gestaltet werden.

Weitere vorzugsweise Merkmale des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So sind als Wirksubstanzen neben z. B. säurehaltigen Lösungen Emulsionen und Suspensionen einsetzbar. Düsenzerstäuber mit oder ohne Ultraschallzerstäubung sind für diesen Zweck in den verschiedensten Ausführen einsetzbar.

Je nach Art der Wirksubstanz und des Sprühverfahrens wird die Oberfläche zunächst abgekühlt oder geheizt, um eine bessere Haftung und/oder Einwirkung zu erzielen.

Nicht zu behandelnde Bereiche werden mit einer Schutzschicht abgedeckt, die auch aufgesprüht werden kann.

Es können die unterschiedlichsten anlösenden, lösenden komplexierenden oder zu einer Salzbildung führenden Wirksub­ stanzen eingesetzt werden wie Säuren, Laugen, Detergentien, Desinfektionsmittel, Ethylendiamintetraessigsäure oder Lösungen anderer Komplexbildner.

Eine ferngesteuerte Verfahrensdurchführung ist ohne weiteres möglich, wobei z. B. ein teleskopartig gehalterter Düsenkranz in einen zu reinigenden Hohlbehälter eingefahren wird, um zunächst einen Film vorbestimmter Dicke auf zusprühen und anschließend eine ebenfalls an der Teleskopeinrichtung gehalterte Kryostrahlvorrichtung betätigt wird, um gleich­ zeitig zu verspröden und mechanisch abzutragen.

Um die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens, das durch kalte Versprödung der mit Behandlungsdetergentien beaufschlagten Oberflächenschicht stets sowohl bei Gelauf­ trag als auch bei dünnen Sprühfilmen im µm-Bereich eine schonende und zugleich umweltfreundliche Abtragung der behandelten Schicht ermöglicht, zu untersuchen, wurden u. a. auch eine Reihe von Versuchen mit verschiedenen Wirksubstan­ zen sowie Auftragdicken durchgeführt, von denen die folgen­ den Beispiele genannt seien.

Beispiel 1

Auf ein plattenartiges Kupfersubstrat wurde 30%ige HNO₃ einmal mit Cellulosegel angedickt und 2 mm dick aufgesprüht sowie auch alternativ aufgestrichen. Ferner wurde ein glei­ ches Substrat mit der nicht angedickten Salpetersäure mit­ tels eines Ultraschallzerstäubers 30 µm dick aufgetragen.

In einer Meßreihe, in der jeweils (durch Wiegen) die Dicke der abgebeizten Kupferschicht sowie der Prozentsatz an umgesetzter Säure ermittelt wurden, konnte nachgewiesen werden, daß die abgebeizte Dicke proportional mit dem Pro­ zentsatz an umgesetzter Säure zunimmt. Mit der Gelschicht gelang es, nach 20 Stunden bei etwa 90%iger Umsetzung der Säure 31,5 µm Kupfer abzutragen.

Bei der nur 30 µm dicken Auftragung wurden nach 18 Stunden bei 90%iger Umsetzung 0,45 µm Cu-Schicht abgebeizt und abgetragen.

Beispiel 2

Ein Chrom-Nickel-Stahl-Substrat wurde mit einer Behandlungs­ lösung aus 100 ml 25%iger HNO₃ plus 40 g Blacid TS-β (einer HF-Trockensäure) wie oben in Gelform 2mm dick und 30 µm dick aufgesprüht. Mittels des Gels konnten in etwa 3 Stunden bei 90%iger Säureumsetzung 18 µm Materialdicke abgetragen wer­ den. In 2,75 Minuten waren bereits bei der dünnen Filmauf­ tragung 0,27 µm Materialdicke abgebeizt. Auch hier ergab sich ein linearer Zusammenhang zwischen Abbeizdicke und Säureumsetzung. Es wurde ferner ermittelt, daß für bestimmte Einwirkzeiten die abbeizbare Schichtdicke einfach vorherbe­ rechnet werden kann.

Neben dem effektiv möglichen Abtrag von Metallschichten durch Einwirksubstanzen mit nachfolgender Versprödung und anschließender oder gleichzeitiger mechanischer Abtragung können beliebige Verunreinigungen, z. B. auch Öl- oder Fett­ schichten u. a. mit seifenhaltigen Detergentien behandelt werden. Dünne, festhaftende Beläge aller Art (wie Farbpig­ mente, Salze, Teer- und Rußschichten, fetthaltige Schichten, Eiweißablagerungen, Metalloberflächenbelege unterschiedlich­ ster Art) werden durch sie jeweils chemisch angreifende Substanzen in konstrollierbarer Dosierung und Dicke aufges­ prüht und nach vorbestimmbarer Einwirkzeit vorzugsweise mittels Kryostrahlen gleichzeitig versprödet und mechanisch abgetragen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen auf Oberflä­ chen, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Verunreinigungen selektiv angreifende chemische Wirksubstanz auf die Oberfläche dosiert als Schicht aufge­ tragen wird und nach Einwirkung der Substanz die mit zusätz­ licher Kälteeinwirkung entstehende spröde Oberflächenschicht mit den Verunreinigungen mechanisch abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirksubstanz als organische oder anorganische Sub­ stanz in Form einer Lösung, Emulsion oder Suspension aufge­ tragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirksubstanz auf die Oberfläche so aufgesprüht wird, daß sich ein Film bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirksubstanz in einem gelartigen Andickungsmittel in Form einer viskosen Schicht aufgetragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Versprödung und mechanischen Abtragung die Gelschicht bis auf eine Restschicht mechanisch abgestreift wird oder die Viskosität der Wirksubstanzschicht mit einem aufgesprühten Koagulator herabgesetzt wird, so daß die verflüssigte Wirksubstanzschicht mit Verunreinigungen bis auf eine Restschicht ablaufen kann.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufsprühen der Wirksubstanz bzw. des Koagulators eine Düsenzerstäubung mit oder ohne Ultraschall eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wirksubstanz solche Substanzen verwendet werden, die die zu entfernende Verunreinigung anlösen, lösen, stöchiome­ trisch umwandeln oder chemisch komplexieren, zur Aufnahme der Verunreinigungen in die Wirksubstanzschicht oder deren Ablagerung in Form eines Salzes an der Oberfläche führen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, als die Wirksubstanz eine chemisch aggressive Verbindung insbesondere in Form eines Ätzmittels, Beizmittels, Komplex­ bildners, Extraktionsmittels, Detergenzes oder Kombinationen hiervon aufgetragen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß nach vorangehendem Heizen oder Kühlen der zu behandeln­ den Oberfläche ein Film aus einem Nebel der Wirksubstanz an der Oberfläche abgeschieden wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche der Oberfläche, die nicht durch die Wirksub­ stanz angegriffen werden sollen, vor deren Auftragung mit einer Schutzschicht abgedeckt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirksubstanz ein Poliermittel zugesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehende Oberflächenschicht mit der Verunreini­ gung bzw. die nach Einsatz des Koagulationsmittel verblei­ bende Schicht durch Kühlen in eine spröde, mechanisch ab­ tragbare Form überführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch einen Kryostrahl erfolgt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Abtrag der entstehenden Schicht durch ein Kryostrahlverfahren unter Verwendung von flüssigem Stickstoff und/oder Trockeneis (CO₂) erfolgt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte wiederholt angewandt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedienung von Auftragseinrichtungen für die Wirksub­ stanzen sowie von Abkühleinrichtungen und Einrichtungen zum mechanischen Abtrag fernhantiert erfolgt.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Versprödung und/oder zum mechanischen Strahlabtrag verwendetes Kältestrahlmittel recycliert wird und Bestand­ teile nach einem Reinigungsschritt zurückgewonnen werden.