EP2039810A2 - Method and devices for increasing the service life of a process solution for chemical-reductive metal coating - Google Patents
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- EP2039810A2 EP2039810A2 EP08022592A EP08022592A EP2039810A2 EP 2039810 A2 EP2039810 A2 EP 2039810A2 EP 08022592 A EP08022592 A EP 08022592A EP 08022592 A EP08022592 A EP 08022592A EP 2039810 A2 EP2039810 A2 EP 2039810A2
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- process solution
- cation exchanger
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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- C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
- C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
- C23C18/1601—Process or apparatus
- C23C18/1617—Purification and regeneration of coating baths
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D21/00—Processes for servicing or operating cells for electrolytic coating
- C25D21/12—Process control or regulation
- C25D21/14—Controlled addition of electrolyte components
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- C25D21/00—Processes for servicing or operating cells for electrolytic coating
- C25D21/16—Regeneration of process solutions
- C25D21/22—Regeneration of process solutions by ion-exchange
Definitions
- the invention relates to a method and apparatus for extending the useful life of a process solution used in chemical-reductive metal deposition.
- the chemical-reductive metal deposition is used to coat workpieces with a metal coating (Cu, Ni, Ag or Au).
- reaction equation can be set up by way of example for nickel deposition: 3NaH 2 PO 2 + 3H 2 O + NiSO 4 ⁇ 3 NaH 2 PO 3 + H 2 SO 4 + Ni + 2H 2 (Equation 1)
- reducing agents here NaH 2 PO 2
- metal ions of the coating metal here Ni 2+
- the oxidized reducing agent here NaH 2 PO 3
- protons are formed as reaction products equivalent to the amount of metal deposited.
- the redosing of the reducing agent and of the metal ions of the coating metal takes place by adding the appropriate salts and adjusting the pH by adding alkalis to the process solution.
- pH adjustment replenishment of the consumed components and removal of base material, foreign substances accumulate in the process solution, disrupting the process of metal deposition and adversely affecting the quality of the layers produced.
- To remove the foreign substances is usually a Molversch the process solution, with their sewage treatment is problematic because of the complex composition.
- MTO metal throughput
- the compressive stress in the nickel-phosphorus layer disadvantageously already after 2 to 4.5 MTO in a tensile stress and therefore the useful life of the process solution is usually limited to 5 MTO.
- the post-dosing of the metal ions is carried out by adding nickel salts, wherein US 2,726,969
- basic nickel salts such as nickel hydroxide or nickel carbonate
- a pH adjustment without the use of other alkalis to be achieved.
- these sparingly soluble compounds has the disadvantage that it contaminates the process solution with solids, which can be incorporated into the deposited metal layers and thus adversely affect their properties.
- DD 36,889 discloses a process for the continuous regeneration of acid solutions for chemical nickel plating in which the solution is passed through a combination of a nickel-loaded weakly acidic cation exchanger and a hypophosphite-loaded, (weak to) moderately basic anion exchanger.
- the weakly acidic cation exchanger is to be used for adjusting the pH and for subsequent addition of nickel ions, while the weak to medium basic anion exchanger is to be used for the subsequent addition of hypophosphite and the separation of orthophosphite.
- the weakly acidic cation exchanger and the (weak to medium) basic anion exchanger are connected in series with a matched capacity.
- the monitoring of the functionality of the cation exchanger is intended in DD 36,889 via the coloring of the weakly acidic cation exchange resin. As soon as it has changed from green (nickel loading) to a yellowish white (unloaded exchanger), the exchangers should be regenerated. This color change of the weakly acidic cation exchange resin is very poorly usable for the control of the functionality of the ion exchanger, since a process solution for the chemical-reductive nickel deposition itself is intensely colored green.
- the object of the invention is to provide methods and devices with which the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal coating can be extended.
- the object is achieved by a method for extending the service life of a process solution for chemical-reductive metal deposition, in which the metal ions of the coating metal consumed in the metal deposition are metered in and the pH value in the process solution is adjusted.
- the replenishment of the metal ions and the pH adjustment is carried out with the aid of at least one weakly acidic cation exchanger, which is loaded with ions of the coating metal.
- the pH value in the process solution is monitored and, when the pH of the process solution falls, part of the process solution, optionally after dilution, is passed through the weakly acidic cation exchanger 14 .
- the solution prepared by the weakly acidic cation exchanger 14 is returned to the process solution directly.
- the functionality of the weakly acidic cation exchanger is monitored by controlling the pH in the effluent of the weakly acidic cation exchanger 14 , the cation exchanger exchanging the pH value in the effluent of the weakly acidic cation exchanger for the pH of the process solution for reuse with ions of the Coating metal is loaded.
- the salt entry into the process solution is considerably reduced by the process according to the invention with the weakly acidic cation exchanger.
- the useful life of the process solution can be significantly extended.
- the solution is enriched with ions of the coating metal by the weakly acidic cation exchanger.
- the risk of undesirable metal deposition from such enriched solutions is great, especially if a sufficient amount of reducing agent is present.
- the pH of the process solution is adjusted to a nominal value of pH 3 to pH 6.
- the phosphorus content of the deposited metal layer increases with the H + ion concentration in the process solution.
- the monitoring of the functionality of the weakly acidic cation exchanger is carried out by controlling the pH in the feed (or in the solution to be abandoned) and in the course of the weakly acidic cation exchanger.
- the capacity of the weakly acidic cation exchanger is exhausted as soon as the pH in the outlet of the exchanger has almost equaled that of the feed (difference ⁇ 0.2 pH units).
- d. H When the capacity of the ion exchange column is exhausted, the ion exchange material can be exchanged or the flow of the process solution can be diverted to another cation exchanger.
- the end of the period of use of the weakly acidic cation exchanger can be determined according to the invention, before the pH value and the content of ions of the coating metal in the process solution exceed the tolerance range of the process leaves.
- the method according to the invention therefore makes it possible to keep the content of ions of the coating metal and the pH of the process solution almost constant.
- ion exchanger is understood in the context of the present invention in each case a device which z. B. in the form of a column, column or filter chamber is either partially or completely filled with an ion exchange material.
- organic or inorganic ion exchange materials which have functional groups that are capable of ion exchange.
- the ion exchange materials may be solid or liquid.
- the ion exchanger can be further characterized, e.g. as strongly acidic or weakly acidic cation exchanger or as weakly basic or strongly basic anion exchanger.
- the substances bound by the ion exchanger can be removed again by regeneration of the functional groups, the regeneration in cocurrent or countercurrent is possible.
- a dilute process solution is understood below to mean a process solution which is diluted (for example by mixing with the rinse solution) to a content of 5% to 90% of the concentration of the process solution, preferably 10 to 50%.
- ingredients of the process solution are extracted into the rinse solution.
- foreign substances such as the oxidized reducing agent, the counterions of the reducing agent, usually Na + , and other interfering ions in the rinse solution.
- the rinse solution thus also represents a dilute process solution from which the foreign substances can be removed.
- the term dilute process solution therefore includes the rinse solution.
- the replenishment of the metal ions of the coating metal consumed in the metal deposition is carried out by applying the process solution or a dilute process solution to a weakly acidic cation exchanger which is loaded with the cations of the coating metal. This releases metal ions into the process solution.
- no disturbing counterions are introduced into the process solution.
- the process solution can be contacted directly with ion exchange materials without resulting in significant metal deposition on the materials. This can be achieved by cooling the process solution to temperatures ⁇ 60 ° C prior to application to the ion exchanger. Alternatively, metal deposition on the ion exchange materials can be avoided by adding a dilute process solution to the ion exchange materials.
- the process solution (if appropriate after dilution) is preferably added to the one or more ion exchangers at a flow rate of less than 20 m / h, more preferably less than 10 m / h.
- V ⁇ P c F . z c F . z - c F . R ⁇ m ⁇ F c F . z - c F . R ⁇ m ⁇ F c F . 9 - V EA ⁇ ⁇ 1 - ⁇ R
- Its value is determined by the introduction of foreign substances into the process solution ( ⁇ F ), the foreign substance concentrations in the feed (c F, z ) and in the effluent (c F, R ) of the cleaning device and by the degree of return of the withdrawn components ( ⁇ R ).
- the mass flow of the foreign substance input can be determined by the stoichiometry of the deposited amount of nickel.
- the degree of recycling depends on what proportion of the rinse solution is transferred to the coating vessel to compensate for the evaporation losses, and may be between 0 and 1.
- the above-described replenishment of the ions of the coating metal is combined with a process in which interfering cations that accumulate in the process solution during metal deposition are separated by means of at least one strongly acidic cation exchanger which has been previously loaded with protons ,
- this separation of the interfering cations is temporarily performed as needed in a special cleaning process.
- This essentially serves to remove cations which are introduced from the base material into the process solution during metal deposition.
- the process solution is brought into contact with a strongly acidic cation exchanger, which was previously loaded with protons.
- ions of the metal to be deposited are removed and entered protons in the process solution.
- the cations of the coating metal must then be subsequently metered in and the protons introduced during the purification of the process solution must be removed again.
- the eluate obtained in the regeneration of the strongly acidic cation exchanger is used after a pH adjustment for the loading of the weakly acidic cation exchanger with the cations of the coating metal.
- the ions of the coating metal are replenished by a weakly acidic cation exchanger, which is loaded with the corresponding cations of the coating metal. At the same time, it binds the protons that have been introduced into the process solution through the cleaning process.
- Another possible use of the invention is a method for extending the service life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, in which the consumed in the metal deposition reducing agent and the metal ions of the coating metal is post-dosed and the pH in the process solution can be adjusted, with interfering cations and Anions that accumulate in the process solution during metal deposition are removed from the process solution or a dilute process solution using ion exchange processes.
- interfering cations at least one strongly acidic cation exchanger is used for this, which was previously loaded with protons, while the weakly basic anion exchanger is converted by protons into the protonated form for the removal of the interfering anions.
- the protons released by the strongly acidic cation exchanger as described above, when it binds interfering cations.
- the reducing agent in the form of a water-soluble salt preferably sodium hypophosphite (NaH 2 PO 2), or a corresponding solution, is preferably added directly into the process solution or into a dilute process solution.
- the separation of the interfering anions via the weakly basic anion exchanger and the interfering cations via the strongly acidic cation exchanger preferably takes place from a dilute process solution.
- the interfering cations are separated by the strongly acidic cation exchanger and the interfering anions are separated from the flushing system by the weakly basic anion exchanger.
- the strongly acidic cation exchanger After the cations of the coating metal are removed by the strongly acidic cation exchanger in addition to the cationic impurities from the base material but also the towed into the rinse solution, the strongly acidic cation exchanger must be regenerated more frequently than if it were part of a separate auxiliary circuit of a membrane electrolysis cell. The rinsing solution thus purified is returned to the process solution to compensate for the evaporation losses occurring in the metal deposition.
- the supply of the metal ions of the coating metal in the previously purified solution by means of a weakly acidic cation exchanger, which has been previously loaded with the metal ions of the coating metal.
- a weakly acidic cation exchanger which has been previously loaded with the metal ions of the coating metal.
- the eluate of the strongly acidic cation exchanger can be used after a pH adjustment for the loading of the weakly acidic cation exchanger with the metal ions of the coating metal.
- the invention relates to a device for extending the service life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, consisting of at least one weakly acidic cation exchanger for use for the pH adjustment and the post-dosing of ions of the coating metal in a plant for the chemical-reductive metal deposition.
- the device has elements which serve to connect the inlet and outlet of the weakly acidic cation exchanger 14 with at least one container containing the process solution, dilute process solution, cooled process solution or pretreated process solution.
- the device includes associated peripherals, such. As pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures.
- the weakly acidic cation exchanger 14 is connected with its feed to at least one container containing process solution, dilute process solution or cooled process solution or pretreated process solution.
- the effluent of the weakly acidic cation exchanger 14 is directly connected to at least one container containing process solution.
- the device contains measuring devices for monitoring the pH of the process solution and the pH in the effluent of the weakly acidic cation exchanger 14.
- the solution is enriched with ions of the coating metal by the weakly acidic cation exchanger.
- the risk of undesirable metal deposition from such enriched solutions is great, especially if a sufficient amount of reducing agent is present.
- the direct introduction according to the invention of the effluent of the weakly acidic cation exchanger into the process solution minimizes undesirable metal deposition between the cation exchanger and the process bath.
- the measuring device for monitoring the pH in the course of the weakly acidic cation exchanger 14 makes it possible to continuously monitor the functionality of the weakly acidic cation exchanger, since the weakly acidic cation exchanger, as long as it is loaded with ions of the coating metal, raises the pH of the ( acidic) solution takes place. As soon as the ion exchanger is discharged, the pH value of the effluent corresponds to that of the discontinued solution.
- the exhaustion of the weakly acidic cation exchanger can thus be determined according to the invention before the pH value and the content of the process solution to ions of the coating metal leaves the tolerance range of the process.
- the device therefore makes it possible to keep the content of ions of the coating metal and the pH of the process solution almost constant.
- the measuring device for monitoring the pH value is also suitable for connection to a computer and thus makes an automatic change to a second cation exchanger and the automatic control of the regeneration process possible.
- the weakly acidic cation exchanger is loaded with the cations of the coating metal.
- this is done in two steps: First, the weakly acidic cation exchanger for conditioning, with an alkali, preferably with sodium hydroxide, converted into the salt form.
- an alkali preferably with sodium hydroxide
- it is then brought into contact with a water-soluble salt of the coating metal in dissolved form.
- a water-soluble salt of the coating metal in dissolved form.
- an aqueous solution of nickel sulfate or nickel chloride is chosen for the loading of metal ions.
- the loading of metal ions is preferably carried out in two stages with different concentrations of metal salt solutions, wherein in the second stage - preferably carried out by a circulation - a complete loading with metal ions of the coating metal.
- This step-by-step procedure ensures complete transfer of the weakly acidic resin into the charge of ions of the coating metal and, at the same time, good material utilization of the ions of the coating metal used.
- the ion exchanger is washed with demineralized water to remove the corresponding sodium salts from the ion exchanger, so that they are not entered into the process solution as foreign substances.
- the weakly acidic cation exchanger is charged with process solution and releases metal ions into it. At the same time he binds protons.
- the maximum proton uptake capacity of the weakly acidic cation exchanger is achieved upon complete conversion to the salt form. The capacity is controlled by the pH in its course.
- the efficiency of the pH correction decreases when the complete discharge of the weakly acidic cation exchanger has been achieved and the pH value in the effluent of the weakly acidic cation exchanger approaches the pH value of the feed of the weakly acidic cation exchanger.
- the weakly acidic cation exchanger When fully discharged, the weakly acidic cation exchanger is in the H form.
- the weakly acidic cation exchanger must be converted back into the salt form with an alkali and then loaded with ions of the coating metal.
- the weakly acidic cation exchanger regenerated in this way can be used again for the pH adjustment as well as for the subsequent addition of metal ions.
- the weakly acidic cation exchanger has a high selectivity for protons, so that the protons formed in the chemical-reductive metal deposition are bound by this cation exchanger. In return, the metal ions previously bound to the cation exchanger are released into the process solution.
- the divalent cations used for metal deposition are more strongly bound by the weakly acidic cation exchanger than monovalent cations.
- the exchanger can therefore be easily converted into the salt form with sodium hydroxide solution and then loaded with the divalent cations of the coating metal.
- the column capacity of the weakly acidic cation exchanger is selected according to the desired service life and the amount of metal to be deposited.
- the cation exchanger contains a weakly acid cation exchange material having carboxylic acid groups as functional groups.
- the weakly acidic cation exchanger brought into direct contact with the process solution and not only replenished the ions of the coating metal, but also the pH of the process solution can be adjusted. This is achieved by the fact that the weakly acidic cation exchanger, when it comes into contact with the process solution, binds the H + ions formed in the metal deposition.
- the weakly acidic cation exchanger loaded with the cations of the coating metal it is advantageously not necessary to add alkalis and metal salts to the process solution according to the prior art in order to bind the H + ions and to replenish the spent metal ions.
- the addition of the ions of the coating metal without interfering counterions and the pH adjustment without addition of alkali is considerably reduced by the weakly acidic cation exchanger according to the invention in comparison with the prior art. If a conventional system for chemical-reductive metal deposition is supplemented solely with the weakly acidic cation exchanger according to the invention, the useful life of the process solution can be significantly increased.
- Another object of the invention is a device for extending the service life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, consisting of at least one loaded with H + ions strongly acidic cation exchanger for use for the removal of interfering cations in a plant for the chemical-reductive metal deposition.
- the device has elements for recycling the process solution or cooled or pretreated process solution via the strongly acidic cation exchanger 15.
- the strongly acidic cation exchanger 15 is connected with its inlet and its outlet directly to at least one container containing process solution, dilute process solution or cooled process solution or pretreated process solution.
- the device contains associated peripherals, such. As pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures.
- the invention also relates to the combination of the weakly acidic cation exchanger described above with the strongly acidic cation exchanger described above in a device for use in a chemical-reductive metal deposition plant in order to extend the useful life of a process solution for chemical-reductive metal deposition.
- the device contains at least one strongly acidic cation exchanger for the removal of interfering cations, which is connected in series or in parallel with at least one weakly acidic cation exchanger for use for the pH adjustment and subsequent addition of ions of the coating metal.
- the apparatus also includes elements which cool the compound of the weakly acidic cation exchanger and the strongly acidic cation exchanger with at least one container, the process solution, dilute process solution Process solution or pretreated process solution contains serve.
- the device contains associated peripherals, such. As pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures.
- the invention relates to the combination of the strongly acidic H + ions-loaded strong acid cation exchanger 15 described above with the weakly acidic cation exchanger 14 loaded with ions of the coating metal.
- the strongly acidic cation exchanger is preceded by the weakly acidic cation exchanger.
- the z. B. originate from the material to be coated.
- ions of the coating metal are bound by the strongly acidic cation exchanger and the pH value in the applied solution is lowered.
- the pH of the solution is raised again and enriched with ions of the coating metal.
- the abovementioned ion exchangers are column exchangers which are filled with a solid, water-insoluble, ion exchange material.
- the organic or inorganic ion exchange material contains functional groups capable of ion exchange.
- the above-mentioned ion exchange materials are each part of a filter or membrane apparatus.
- liquid ion exchange materials are used in at least one of the ion exchange materials used.
- the one or more ion exchangers in this embodiment each consist of a container which contains a liquid immiscible with the process solution, in which an ion exchange material is distributed or dissolved.
- the ion exchange material consists of a reagent containing the functional groups required for the ion exchange action, e.g. be used in the reactive extraction.
- the system contains connecting cables between the individual components as well as the associated peripherals, such as pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures etc.
- the coating container contains the process solution in which the workpiece to be coated is immersed.
- the plant according to the invention consists of a coating container, a rinsing system and a device with a weakly acidic cation exchanger for pH adjustment as described above and subsequent metering of the metal to be deposited, which is connected to inlet and outlet with the coating container.
- the process solution is cooled before being contacted with the sensitive components of the devices, particularly the ion exchange materials and the membranes.
- the process solution prepared by the device must be returned to the process temperature before being returned to the coating vessel.
- the inlet and the outlet of the weakly acidic or strongly acidic cation exchanger are therefore connected to the coating vessel via a heat exchanger.
- the heat exchanger uses the energy of the cooling process for the warm-up process of purified process solution.
- the weakly acidic cation exchanger loaded with ions of the coating metal is preferably used as the last step in the work-up. Its process is initiated directly into the process solution.
- the invention advantageously achieves virtually constant process conditions in the case of the chemical-reductive metal coating and thus a particularly uniform deposition of the metal on the workpiece to be coated. Due to the low impurity content of the process solution, which is achieved in the system according to the invention, nickel-phosphorus layers can be deposited, which are in the compressive stress range, which in particular causes the quality of the coating of the deposition.
- Fig. 1 shows a scheme of a plant for chemical-reductive metal coating, in which by means of a coated with ions of the coating metal low-acid cation exchanger 14, the required ions of the coating metal are replenished without interfering anions and at the same time the pH of the process solution is adjusted and thus prolongs the useful life of the process solution can be.
- the plant after Fig. 1 consists of a coating container 1, a multi-stage flushing system 3 in cascade connection and a weakly acidic cation exchanger 14 , as well as connecting pipes and associated peripherals, such as pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures, etc. The latter have not been included for reasons of clarity Fig. 1 located.
- the coating container 1 contains process solution in which a workpiece 2 to be coated is immersed.
- the workpiece 2 to be coated has a steel surface.
- the multi-stage flushing system 3 consists of three cascaded containers containing an aqueous rinse solution. Between the left and right rinse tanks 3 , as indicated by the broken line in FIG Fig. 1 indicated, but not shown, another rinsing bin queued. The left washing container 3 contains a feed for fresh water. The right rinse tank 3 is connected to the coating tank 1.
- the weakly acidic cation exchanger 14 is connected with its inlet and outlet to the coating container 1 , so that a certain volume flow of the process solution can be passed over him.
- the weakly acidic cation exchanger consists of an ion exchange column 14 which is filled with the weakly acidic cation exchange polymer Lewatit CNP 80 from Lanxess AG, Leverkusen, Germany.
- Lewatit CNP 80 from Lanxess AG, Leverkusen, Germany.
- comparable weakly acidic cation exchanger polymers from other manufacturers, e.g. C 104 of Fa. Purolite, Ratingen, Germany.
- This weakly acidic cation exchange polymer is loaded with ions of the coating metal prior to use.
- the ion exchanger is first converted into the salt form with sodium hydroxide solution and then loaded with ions of the coating metal by the application of a metal salt solution.
- the weakly acidic cation exchange polymer is loaded with nickel ions, for which purpose a NiSO 4 solution is passed over the ion exchange column. This loading is carried out in two steps with nickel salt solutions of different concentrations, the first Loading step, a deficiency of nickel ions is applied to the ion exchanger.
- the weakly acidic cation exchanger is washed with demineralized water in order to remove interfering ions from the polymer bulk layer. By this rinsing process, the excess of nickel ions is removed again from the polymer bulk layer.
- the course of the second fraction of the loading process is intermediately stacked together with the first fraction of the rinse water and used in the subsequent loading of the weakly acidic cation exchanger as the first loading fraction.
- the process solution is composed in a known manner.
- the ions of the coating metal in the form of nickel sulfate (6.0 g Ni 2+ / l) are added.
- the reducing agent is added in the form of sodium hypophosphite (17.0 g H 2 PO 2 - / l).
- the solution is buffered in the range of pH 4 to pH 5.
- the temperature of the process solution surrounding the workpiece 2 to be coated is adjusted to 85 ° C.
- Metal ions deposit on the steel surface of the workpiece 2 to be coated.
- elemental phosphorus which is formed by side reactions of the reducing agent, alloyed into the resulting metal layer, whereby a nickel-phosphorus alloy is formed.
- the Reducing agent sodium hypophosphite oxidized to sodium orthophosphite. This consumption of reducing agent is compensated for by adding sodium hypophosphite to the process solution.
- the pH value and the nickel content in the process solution also decrease. Therefore, the pH in the process solution is monitored. If the pH of the process solution falls below a specified value, e.g. from pH 4.5 to pH 4.2, then a partial stream of the process solution is passed through the weakly acidic cation exchanger 14 at a flow rate ⁇ 5 m / h. This results in the course of the weakly acidic cation exchanger 14, an increase in the nickel content of 5 g / l to 8 g / l and an increase in the pH of 4.2 to pH> 5.
- a specified value e.g. from pH 4.5 to pH 4.2
- the functionality of the weakly acidic cation exchanger is monitored. With increasing metal release, the weakly acidic cation exchanger is converted into the H + form, which is why the pH falls in the course of the cation exchanger.
- the pH in the effluent of the weakly acidic cation exchanger approaches the pH of the process solution (in this case pH 4.5), the cation exchanger is re-used for re-use, as described above, into the nickel charge.
- the salt content in the process solution rises to high values already after a metal throughput of 5.5 MTO due to the introduced or formed foreign substances (in particular Na +, SO 42 -, H 2 PO 3 -). so that at this time, the deposition rate at 90 ° C to values ⁇ 5 microns / h drops and the properties of the deposited layers no longer meet the requirements.
- the SO 42 content of the process solution does not increase with increasing metal throughput, since the nickel ions are introduced into the process solution without interfering SO 42 .
- the Na + content increases considerably slower here, since the adjustment of the pH without addition of NaOH in the process solution ..
- the process solution by the slower increase in the impurity content up to a Metal throughput of about 8 MTO can be used. The useful life of the process solution is thus almost doubled by the use according to the invention of the weakly acidic cation exchanger 14.
- Fig. 2 shows a scheme of a system for chemical-reductive metal coating with a weakly acidic cation exchanger 14, which via a heat exchanger 4 with the coating container 1 is connected.
- this system is designed according to the system Fig. 1 built up.
- this plant contains a storage tank 5 and a stack container 13, which are each connected via the heat exchanger 4 with the coating container 1.
- the weakly acidic cation exchanger 14 corresponds in its construction to that Fig. 1 , In contrast to Fig. 1 However, he is not directly connected to the coating container 1 in this system, but with its inlet to the feed tank 5 and with its outlet to the stack container 13th
- the weakly acidic cation exchanger 14 is loaded here with cooled process solution.
- a volume flow of the process solution is passed through the heat exchanger 4 and cooled in this from the treatment temperature of 85 ° C to temperatures ⁇ 50 ° C.
- This cooled solution is collected in the storage tank 5, and passed from this over the weakly acidic cation exchanger 14.
- the weakly acidic cation exchanger 14 takes place in analogy to Fig. 1 , an enrichment of the treated solution with nickel ions and an increase in the pH.
- the treated solution is collected in the stack container 13 and returned to the coating container 1 via the heat exchanger 4.
- the weakly acidic cation exchanger 14 is subjected to a cooled process solution, which significantly reduces the risk of a chemical-reductive metal deposition on the cation exchange polymer.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung, die bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung verwendet wird. Die chemisch-reduktive Metallabscheidung wird genutzt, um Werkstücke mit einem Metallüberzug (Cu, Ni, Ag oder Au) zu überziehen.The invention relates to a method and apparatus for extending the useful life of a process solution used in chemical-reductive metal deposition. The chemical-reductive metal deposition is used to coat workpieces with a metal coating (Cu, Ni, Ag or Au).
Für die chemisch-reduktive Metallabscheidung von Nichteisen-Metallen (NE-Metallen) auf der Oberfläche eines Basismaterials (z. B. Metall oder vorbehandelter Kunststoff) kann beispielhaft für die Nickelabscheidung die folgende, stark vereinfachte, Reaktionsgleichung aufgestellt werden:
3NaH2PO2+ 3 H2O + NiSO4 → 3 NaH2PO3 +H2SO4 +Ni +2 H2 (Gleichung 1)
For the chemical-reductive metal deposition of non-ferrous metals (non-ferrous metals) on the surface of a base material (eg metal or pretreated plastic), the following, greatly simplified, reaction equation can be set up by way of example for nickel deposition:
3NaH 2 PO 2 + 3H 2 O + NiSO 4 → 3 NaH 2 PO 3 + H 2 SO 4 + Ni + 2H 2 (Equation 1)
Bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung werden Reduktionsmittel (hier NaH2PO2) und Metallionen des Beschichtungsmetalls (hier Ni2+) verbraucht und es werden gleichzeitig äquivalent zur abgeschiedenen Metallmenge als Umsetzungsprodukte das oxidierte Reduktionsmittel (hier NaH2PO3) sowie Protonen gebildet, wobei diese den pH-Wert in der Prozesslösung erniedrigen.In the case of chemical-reductive metal deposition, reducing agents (here NaH 2 PO 2 ) and metal ions of the coating metal (here Ni 2+ ) are consumed and at the same time the oxidized reducing agent (here NaH 2 PO 3 ) and protons are formed as reaction products equivalent to the amount of metal deposited. these lower the pH in the process solution.
Bedingt durch zahlreiche Nebenreaktionen werden für die Abscheidung von einem Mol Nickel ca. 3,3 mol des Reduktionsmittels benötigt. Dabei wird auch elementarer Phosphor, der durch Nebenreaktionen aus dem Reduktionsmittel gebildet wird, in die entstehende Metallschicht einlegiert.Due to numerous side reactions, about 3.3 mol of the reducing agent are required for the deposition of one mole of nickel. In this case, elemental phosphorus, which is formed by side reactions of the reducing agent, alloyed into the resulting metal layer.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Nachdosierung des Reduktionsmittels und der Metallionen des Beschichtungsmetalls durch die Zugabe der entsprechenden Salze und die Einstellung des pH-Werts durch Zugabe von Laugen in die Prozesslösung. Durch den Prozess der Metallabscheidung, der pH-Wert-Einstellung, der Nachdosierung der verbrauchten Komponenten und durch Abtrag von Basismaterial reichern sich Fremdstoffe in der Prozesslösung an, die den Prozess der Metallabscheidung stören und die Qualität der erzeugten Schichten negativ beeinflussen. Zur Entfernung der Fremdstoffe erfolgt in der Regel ein Teilverwurf der Prozesslösung, wobei deren abwassertechnische Behandlung wegen der komplexen Zusammensetzung problematisch ist.According to the state of the art, the redosing of the reducing agent and of the metal ions of the coating metal takes place by adding the appropriate salts and adjusting the pH by adding alkalis to the process solution. Through the process of metal deposition, pH adjustment, replenishment of the consumed components and removal of base material, foreign substances accumulate in the process solution, disrupting the process of metal deposition and adversely affecting the quality of the layers produced. To remove the foreign substances is usually a Teilverwurf the process solution, with their sewage treatment is problematic because of the complex composition.
Die gebräuchliche Maßeinheit für die Nutzungsdauer der Prozesslösung ist der Metalldurchsatz MTO (= "Metal-Turn-Over"). Dabei wird von 1 MTO gesprochen, wenn der Metallgehalt der Prozesslösung einmal umgesetzt und erneut zugegeben wird. Nach dem Stand der Technik geht die Druckspannung in der Nickel-Phosphor-Schicht nachteilig bereits nach 2 bis 4,5 MTO in eine Zugspannung über und daher ist die Nutzungsdauer der Prozesslösung meist auf 5 MTO begrenzt.The usual unit of measure for the service life of the process solution is the metal throughput MTO (= "metal turn-over"). This is referred to as 1 MTO if the metal content of the process solution is reacted once and added again. According to the prior art, the compressive stress in the nickel-phosphorus layer disadvantageously already after 2 to 4.5 MTO in a tensile stress and therefore the useful life of the process solution is usually limited to 5 MTO.
Zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung zur chemisch-reduktiven Nickelabscheidung ist es erforderlich, die eingetragenen Fremdstoffe mittels geeigneter Verfahren abzutrennen. Hierzu werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen:To extend the service life of a process solution for chemical-reductive nickel deposition, it is necessary to separate the registered foreign substances by means of suitable methods. For this purpose, various methods are proposed:
Bereits 1953 wurden in
Die Überwachung der Funktionsfähigkeit des Kationenaustauschers soll in
Bei der Regeneration des schwach bis mittelstark basischen Anionenaustauschers soll in
Durch die in
Im Verfahren nach
Wegen der beschriebenen Defizite konnte sich das in
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen anzugeben, mit denen die Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallbeschichtung verlängert werden kann.The object of the invention is to provide methods and devices with which the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal coating can be extended.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bei dem die bei der Metallabscheidung verbrauchten Metallionen des Beschichtungsmetalls nachdosiert und der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden. Die Nachdosierung der Metallionen und die pH-Wert-Einstellung erfolgt mit Hilfe mindestens eines schwachsauren Kationenaustauschers, der mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen ist. Dazu wird der pH-Wert in der Prozesslösung überwacht und bei Absinken des pH-Wertes der Prozesslösung ein Teil der Prozesslösung, gegebenenfalls nach Verdünnung, durch den schwachsauren Kationenaustauscher 14 geleitet. Die durch den schwachsauren Kationenaustauscher 14 aufbereitete Lösung wird der Prozesslösung direkt wieder zugeführt.The object is achieved by a method for extending the service life of a process solution for chemical-reductive metal deposition, in which the metal ions of the coating metal consumed in the metal deposition are metered in and the pH value in the process solution is adjusted. The replenishment of the metal ions and the pH adjustment is carried out with the aid of at least one weakly acidic cation exchanger, which is loaded with ions of the coating metal. For this purpose, the pH value in the process solution is monitored and, when the pH of the process solution falls, part of the process solution, optionally after dilution, is passed through the weakly
Über die Kontrolle des pH-Wertes im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers 14 wird die Funktionsfähigkeit des schwachsauren Kationenaustauschers überwacht, wobei bei Annäherung des pH-Wertes im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers an den pH-Wert der Prozesslösung der Kationenaustauscher für einen erneuten Einsatz wieder mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen wird.The functionality of the weakly acidic cation exchanger is monitored by controlling the pH in the effluent of the weakly
Es wurde gefunden, dass mit Hilfe des schwachsauren Kationenaustauschers parallel zur Nachdosierung der Metallionen auch der pH-Wert einer sauren Prozesslösung eingestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der schwachsaure Kationenaustauscher, wenn er mit der Prozesslösung in Kontakt kommt, die bei der Metallabscheidung entstehenden H+-Ionen bindet. Damit erübrigt sich in vorteilhafter Weise die nach dem Stand der Technik notwendige Zugabe von Laugen und Metallsalzen in die Prozesslösung, um die H+-Ionen zu binden und die verbrauchten Metallionen nachzudosieren.It has been found that, with the aid of the weakly acidic cation exchanger, it is also possible to adjust the pH of an acidic process solution in parallel to the replenishment of the metal ions. This is achieved by the fact that the weakly acidic cation exchanger, when it comes into contact with the process solution, binds the H + ions formed in the metal deposition. This eliminates the need for prior art addition of alkalis and metal salts in the process solution to bind the H + ions and nachzudosieren the spent metal ions in an advantageous manner.
Durch die Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls ohne störende Gegenionen und die pH-Wert-Einstellung ohne Laugenzugabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit dem schwachsauren Kationenaustauscher der Salzeintrag in die Prozesslösung erheblich reduziert. Durch dieses einfache Verfahren, bei dem eine herkömmliche Anlage zur chemisch-reduktiven Metallabscheidung lediglich mit dem erfindungsgemäßen schwachsauren Kationenaustauscher ergänzt werden muss, kann die Nutzungsdauer der Prozesslösung deutlich verlängert werden.By the addition of the ions of the coating metal without interfering counterions and the pH adjustment without addition of alkali, the salt entry into the process solution is considerably reduced by the process according to the invention with the weakly acidic cation exchanger. By this simple method, in which a conventional system for chemical-reductive metal deposition only needs to be supplemented with the weakly acidic cation exchanger according to the invention, the useful life of the process solution can be significantly extended.
Die Lösung ist durch den schwachsauren Kationenaustauscher mit Ionen des Beschichtungsmetalls angereichert. Die Gefahr der unerwünschten Metallabscheidung aus derart angereicherten Lösungen ist groß, insbesondere dann, wenn eine ausreichende Menge an Reduktionsmittel vorhanden ist.The solution is enriched with ions of the coating metal by the weakly acidic cation exchanger. The risk of undesirable metal deposition from such enriched solutions is great, especially if a sufficient amount of reducing agent is present.
Durch das erfindungsgemäße direkte Einleiten der durch den schwachsauren Kationenaustauscher aufbereitenden (und mit Ionen des Beschichtungsmetalls angereicherten) Lösung in die Prozesslösung wird eine unerwünschte Metallabscheidung minimiert.The direct introduction according to the invention of the solution preparing by the weakly acidic cation exchanger (and enriched with ions of the coating metal) into the process solution minimizes undesired metal deposition.
In Abhängigkeit vom zu erwünschten Phosphorgehalt (2,5 % bis über 15 %) in der abgeschiedenen Metallschicht wird der pH-Wert der Prozesslösung auf einen SOLL-Wert von pH 3 bis pH 6. eingestellt. Dabei steigt der Phosphorgehalt der abgeschiedenen Metallschicht mit der H+-Ionen-Konzentration in der Prozesslösung. Sobald der pH-Wert der Prozesslösung während der Metallabscheidung um 0,1 bis maximal 1 pH-Einheiten unter den SOLL-Wert abgesunken ist, wird mit der Aufgabe der Prozesslösung, gegebenenfalls nach Verdünnung, auf den schwachsauren Kationenaustauscher, der mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen ist, begonnen.Depending on the desired phosphorus content (2.5% to more than 15%) in the deposited metal layer, the pH of the process solution is adjusted to a nominal value of
Die Überwachung der Funktionsfähigkeit des schwachsauren Kationenaustauschers erfolgt durch die Kontrolle des pH-Wertes im Zulauf (oder in der aufzugebenden Lösung) und im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers. Die Kapazität des schwachsauren Kationenaustauschers ist erschöpft, sobald sich der pH-Wert im Ablauf des Austauschers dem des Zulaufs nahezu angeglichen hat (Differenz < 0,2 pH-Einheiten).The monitoring of the functionality of the weakly acidic cation exchanger is carried out by controlling the pH in the feed (or in the solution to be abandoned) and in the course of the weakly acidic cation exchanger. The capacity of the weakly acidic cation exchanger is exhausted as soon as the pH in the outlet of the exchanger has almost equaled that of the feed (difference <0.2 pH units).
Am Ende der Nutzungsperiode, d. h. beim Erschöpfen der Kapazität der Ionenaustauschersäule, kann das Ionenaustauschermaterial ausgewechselt oder der Fluss der Prozesslösung auf einen anderen Kationenaustauscher umgeleitet werden.At the end of the period of use, d. H. When the capacity of the ion exchange column is exhausted, the ion exchange material can be exchanged or the flow of the process solution can be diverted to another cation exchanger.
Durch den Vergleich des pH-Wertes im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers mit dem pH-Wert der Prozesslösung kann erfindungsgemäß das Ende der Nutzungsperiode des schwachsauren Kationenaustauschers bestimmt werden, bevor der pH-Wert und der Gehalt an Ionen des Beschichtungsmetalls in der Prozesslösung den Toleranzbereich des Verfahrens verlässt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es daher den Gehalt an Ionen des Beschichtungsmetalls und den pH-Wert der Prozesslösung nahezu konstant zu halten.By comparing the pH value in the course of the weakly acidic cation exchanger with the pH of the process solution, the end of the period of use of the weakly acidic cation exchanger can be determined according to the invention, before the pH value and the content of ions of the coating metal in the process solution exceed the tolerance range of the process leaves. The method according to the invention therefore makes it possible to keep the content of ions of the coating metal and the pH of the process solution almost constant.
Durch die nahezu konstanten Prozessbedingungen bei der chemisch-reduktiven Metallbeschichtung wird erfindungsgemäß eine besonders gleichmäßige Abscheidung des Metalls auf dem zu beschichteten Werkstück erreicht.Due to the almost constant process conditions in the chemical-reductive metal coating according to the invention a particularly uniform deposition of the metal is achieved on the workpiece to be coated.
Unter dem Begriff Ionenaustauscher wird im Sinne der vorliegenden Erfindung jeweils eine Vorrichtung verstanden, die z. B. in Form einer Säule, Kolonne oder Filterkammer entweder teilweise oder vollständig mit einem Ionenaustauschermaterial gefüllt ist. Es werden organische oder anorganische Ionenaustauschermaterialien eingesetzt, wobei diese funktionelle Gruppen besitzen, die zum Ionenaustausch befähigt sind. Die Ionenaustauschermaterialien können fest oder flüssig sein. Entsprechend der Struktur der funktionellen Gruppen des eingesetzten Ionenaustauschermaterials kann der Ionenaustauscher näher charakterisiert werden, z.B. als starksaurer bzw. schwachsaurer Kationenaustauscher oder als schwachbasischer bzw. starkbasischer Anionenaustauscher. Die vom Ionenaustauscher gebundenen Stoffe können durch Regeneration wieder von den funktionellen Gruppen entfernt werden, wobei die Regeneration im Gleich- oder Gegenstrom möglich ist.The term ion exchanger is understood in the context of the present invention in each case a device which z. B. in the form of a column, column or filter chamber is either partially or completely filled with an ion exchange material. There are used organic or inorganic ion exchange materials, which have functional groups that are capable of ion exchange. The ion exchange materials may be solid or liquid. According to the structure of the functional groups of the ion exchange material used, the ion exchanger can be further characterized, e.g. as strongly acidic or weakly acidic cation exchanger or as weakly basic or strongly basic anion exchanger. The substances bound by the ion exchanger can be removed again by regeneration of the functional groups, the regeneration in cocurrent or countercurrent is possible.
Unter einer verdünnter Prozesslösung wird im nachfolgenden Text eine Prozesslösung verstanden die (z. B. durch Mischen mit der Spüllösung) auf einen Gehalt von 5 % bis 90 % der Konzentration der Prozesslösung, vorzugsweise 10 bis 50 %, verdünnt wird. Durch das auf die Metallbeschichtung folgende Spülen des beschichteten Werkstücks werden Inhaltsstoffe der Prozesslösung in die Spüllösung ausgeschleppt. Dadurch gelangen auch Fremdstoffe, wie das oxidierte Reduktionsmittel, die Gegenionen des Reduktionsmittels, in der Regel Na+, und andere störende Ionen in die Spüllösung. Die Spüllösung stellt somit auch eine verdünnte Prozesslösung dar, aus der die Fremdstoffe entfernt werden können. Im weiteren Text schließt daher der Begriff verdünnte Prozesslösung die Spüllösung mit ein.A dilute process solution is understood below to mean a process solution which is diluted (for example by mixing with the rinse solution) to a content of 5% to 90% of the concentration of the process solution, preferably 10 to 50%. By rinsing the coated workpiece following the metal coating, ingredients of the process solution are extracted into the rinse solution. As a result, foreign substances, such as the oxidized reducing agent, the counterions of the reducing agent, usually Na + , and other interfering ions in the rinse solution. The rinse solution thus also represents a dilute process solution from which the foreign substances can be removed. In the text below, the term dilute process solution therefore includes the rinse solution.
Die Nachdosierung der bei der Metallabscheidung verbrauchten Metallionen des Beschichtungsmetalls erfolgt durch Aufgabe der Prozesslösung oder einer verdünnten Prozesslösung auf einen schwachsauren Kationenaustauscher, der mit den Kationen des Beschichtungsmetalls beladen ist. Dieser gibt Metallionen in die Prozesslösung ab. Vorteilhaft werden dadurch keine störenden Gegenionen in die Prozesslösung eingebracht.The replenishment of the metal ions of the coating metal consumed in the metal deposition is carried out by applying the process solution or a dilute process solution to a weakly acidic cation exchanger which is loaded with the cations of the coating metal. This releases metal ions into the process solution. Advantageously, no disturbing counterions are introduced into the process solution.
Erstaunlicherweise lässt sich die Prozesslösung direkt mit Ionenaustauschermaterialien in Kontakt bringen, ohne dass dies zu einer nennenswerten Metallabscheidung auf den Materialien führt. Erreicht werden kann dies durch eine Abkühlung der Prozesslösung auf Temperaturen < 60 °C vor Aufgabe auf die Ionenaustauscher. Alternativ kann die Metallabscheidung auf den Ionenaustauschermaterialien vermieden werden, in dem eine verdünnte Prozesslösung auf die Ionenaustauschermaterialien aufgegeben wird. Bevorzugt wird die Prozesslösung (gegebenenfalls nach Verdünnung) mit einer Durchflussgeschwindigkeit unter 20 m/h, besonders bevorzugt unter 10 m/h, auf den oder die Ionenaustauscher gegeben.Surprisingly, the process solution can be contacted directly with ion exchange materials without resulting in significant metal deposition on the materials. This can be achieved by cooling the process solution to temperatures <60 ° C prior to application to the ion exchanger. Alternatively, metal deposition on the ion exchange materials can be avoided by adding a dilute process solution to the ion exchange materials. The process solution (if appropriate after dilution) is preferably added to the one or more ion exchangers at a flow rate of less than 20 m / h, more preferably less than 10 m / h.
Der Volumenstrom an Prozesslösung V̇P, der zur Einstellung der gewünschten Konzentration cF,g über den Regenerator geführt wird, lässt sich gemäß Gleichung 2 berechnen, die für den stationären Zustand gültig ist.
Dessen Wert werden durch den Fremdstoffeintrag in die Prozesslösung (ṁF), die Fremdstoffkonzentrationen im Zulauf (cF,z) und im Ablauf (cF,R) der Reinigungsvorrichtung sowie durch Rückführgrad der ausgeschleppten Komponenten (γR) bestimmt. Der Massenstrom des Fremdstoffeintrags lässt sich über die Stöchiometrie aus der abgeschiedenen Nickelmenge bestimmen. Der Rückführgrad ist davon abhängig, welcher Anteil der Spüllösung zum Ausgleich der Verdunstungsverluste in den Beschichtungsbehälter überführt wird, und kann zwischen 0 und 1 liegen.Its value is determined by the introduction of foreign substances into the process solution (ṁ F ), the foreign substance concentrations in the feed (c F, z ) and in the effluent (c F, R ) of the cleaning device and by the degree of return of the withdrawn components (γ R ). The mass flow of the foreign substance input can be determined by the stoichiometry of the deposited amount of nickel. The degree of recycling depends on what proportion of the rinse solution is transferred to the coating vessel to compensate for the evaporation losses, and may be between 0 and 1.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die oben beschriebene Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls mit einem Verfahren kombiniert, bei dem störende Kationen, die sich bei der Metallabscheidung in der Prozesslösung anreichern, mit Hilfe mindestens eines starksauren Kationenaustauschers abgetrennt werden, der zuvor mit Protonen beladenen wurde.In a further embodiment of the invention, the above-described replenishment of the ions of the coating metal is combined with a process in which interfering cations that accumulate in the process solution during metal deposition are separated by means of at least one strongly acidic cation exchanger which has been previously loaded with protons ,
Vorzugsweise wird diese Abtrennung der störenden Kationen zeitweise bei Bedarf in einem speziellen Reinigungsprozess durchgeführt. Dieser dient im Wesentlichen der Entfernung von Kationen, die bei der Metallabscheidung aus dem Basismaterial in die Prozesslösung eingetragen werden. Hierzu wird die Prozesslösung mit einem starksauren Kationenaustauscher in Kontakt gebracht, der zuvor mit Protonen beladen wurde.Preferably, this separation of the interfering cations is temporarily performed as needed in a special cleaning process. This essentially serves to remove cations which are introduced from the base material into the process solution during metal deposition. For this purpose, the process solution is brought into contact with a strongly acidic cation exchanger, which was previously loaded with protons.
Bei diesem Reinigungsvorgang werden aber auch die in der Prozesslösung enthaltenen Ionen des abzuscheidenden Metalls entfernt und Protonen in die Prozesslösung eingetragen. Die Kationen des Beschichtungsmetalls müssen anschließend nachdosiert und die bei der Reinigung der Prozesslösung eingetragenen Protonen wieder entfernt werden. Um die Kationen des Beschichtungsmetalls wieder nutzen zu können, wird das Eluat, das bei der Regenerierung des starksauren Kationenaustauschers anfällt, nach einer pH-Einstellung für die Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers mit den Kationen des Beschichtungsmetalls eingesetzt.In this cleaning process but also contained in the process solution ions of the metal to be deposited are removed and entered protons in the process solution. The cations of the coating metal must then be subsequently metered in and the protons introduced during the purification of the process solution must be removed again. In order to be able to use the cations of the coating metal again, the eluate obtained in the regeneration of the strongly acidic cation exchanger is used after a pH adjustment for the loading of the weakly acidic cation exchanger with the cations of the coating metal.
Vorzugsweise werden die Ionen des Beschichtungsmetalls durch einen schwachsauren Kationenaustauscher, der mit den entsprechenden Kationen des Beschichtungsmetalls beladen ist, nachdosiert. Gleichzeitig bindet dieser die Protonen, die durch den Reinigungsprozess in die Prozesslösung eingetragen wurden.Preferably, the ions of the coating metal are replenished by a weakly acidic cation exchanger, which is loaded with the corresponding cations of the coating metal. At the same time, it binds the protons that have been introduced into the process solution through the cleaning process.
Eine weitere Nutzungsmöglichkeit der Erfindung ist ein Verfahren zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bei dem das bei der Metallabscheidung verbrauchte Reduktionsmittel sowie die Metallionen des Beschichtungsmetalls nachdosiert und der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden, wobei störende Kationen und Anionen, die sich bei der Metallabscheidung in der Prozesslösung anreichern, mit Hilfe von Ionenaustauschprozessen aus der Prozesslösung oder einer verdünnten Prozesslösung entfernt werden. Zur Abtrennung störender Kationen wird hierzu mindestens ein starksaurer Kationenaustauscher eingesetzt, der zuvor mit Protonen beladen wurde, während der schwachbasische Anionenaustauscher zur Abtrennung der störenden Anionen durch Protonen in die protonierte Form überführt wird. Vorzugsweise werden dazu die Protonen verwendet, die der starksaure Kationenaustauscher, wie oben beschrieben abgibt, wenn er störende Kationen bindet.Another possible use of the invention is a method for extending the service life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, in which the consumed in the metal deposition reducing agent and the metal ions of the coating metal is post-dosed and the pH in the process solution can be adjusted, with interfering cations and Anions that accumulate in the process solution during metal deposition are removed from the process solution or a dilute process solution using ion exchange processes. For the separation of interfering cations, at least one strongly acidic cation exchanger is used for this, which was previously loaded with protons, while the weakly basic anion exchanger is converted by protons into the protonated form for the removal of the interfering anions. Preferably used the protons released by the strongly acidic cation exchanger as described above, when it binds interfering cations.
Bevorzugt wird bei diesem Verfahren das Reduktionsmittel in Form eines wasserlöslichen Salzes, vorzugsweise Natriumhypophosphit (NaH2P02), oder einer entsprechenden Lösung direkt in die Prozesslösung oder in eine verdünnte Prozesslösung nachdosiert.In this process, the reducing agent in the form of a water-soluble salt, preferably sodium hypophosphite (NaH 2 PO 2), or a corresponding solution, is preferably added directly into the process solution or into a dilute process solution.
Die Abtrennung der störenden Anionen über den schwachbasischen Anionenaustauscher und der störenden Kationen über den starksauren Kationenaustauscher erfolgt bevorzugt aus einer verdünnten Prozesslösung. Vorzugsweise werden dabei durch den starksauren Kationenaustauscher die störenden Kationen und durch den schwachbasischen Anionenaustauscher die störenden Anionen aus dem Spülsystem abgetrennt. Nachdem durch den starksauren Kationenaustauscher neben den kationischen Verunreinigungen aus Basismaterial aber auch die in die Spüllösung ausgeschleppten Kationen des Beschichtungsmetalls abgetrennt werden, muss der starksaure Kationenaustauscher häufiger regeneriert werden, als wenn er Bestandteil eines separaten Hilfskreislaufes einer Membranelektrolysezelle wäre. Die so gereinigte Spüllösung wird zum Ausgleich von den bei der Metallabscheidung auftretenden Verdunstungsverlusten in die Prozesslösung zurückgeführt.The separation of the interfering anions via the weakly basic anion exchanger and the interfering cations via the strongly acidic cation exchanger preferably takes place from a dilute process solution. Preferably, the interfering cations are separated by the strongly acidic cation exchanger and the interfering anions are separated from the flushing system by the weakly basic anion exchanger. After the cations of the coating metal are removed by the strongly acidic cation exchanger in addition to the cationic impurities from the base material but also the towed into the rinse solution, the strongly acidic cation exchanger must be regenerated more frequently than if it were part of a separate auxiliary circuit of a membrane electrolysis cell. The rinsing solution thus purified is returned to the process solution to compensate for the evaporation losses occurring in the metal deposition.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das oben beschriebene Verfahren zur Abtrennung von störenden Anionen bzw. störender Kationen aus einer verdünnten Prozesslösung (bzw. Spüllösung) mit der weiter oben beschriebenen pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung der Metallionen mit Hilfe des Metallionenbeladenen schwachsauren Kationenaustauschers kombiniert.In a preferred embodiment of the invention, the method described above for the separation of interfering anions or interfering cations from a dilute process solution (or rinse solution) with the above-described pH adjustment and post-dosing of the metal ions using the weakly acidic cation exchanger loaded with metal ions ,
Vorzugsweise erfolgt die Zuführung der Metallionen des Beschichtungsmetalls in die zuvor gereinigte Lösung mit Hilfe eines schwachsauren Kationenaustauschers, der zuvor mit den Metallionen des Beschichtungsmetalls beladen wurde. Dadurch wird der pH-Wert in der zurückgeführten Lösung angehoben und es werden die durch den starksauren Kationenaustauscher abgetrennten Metallionen des Beschichtungsmetalls wieder in die Prozesslösung zurückgeführt. Das Eluat des starksauren Kationenaustauschers kann dabei nach einer pH-Wert-Einstellung für die Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers mit den Metallionen des Beschichtungsmetalls genutzt werden.Preferably, the supply of the metal ions of the coating metal in the previously purified solution by means of a weakly acidic cation exchanger, which has been previously loaded with the metal ions of the coating metal. As a result, the pH in the recirculated solution is increased, and it becomes the metal ions of the coating metal separated by the strongly acidic cation exchanger returned to the process solution. The eluate of the strongly acidic cation exchanger can be used after a pH adjustment for the loading of the weakly acidic cation exchanger with the metal ions of the coating metal.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bestehend aus mindestens einem schwachsauren Kationenaustauscher zum Einsatz für die pH-Wert-Einstellung und die Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls in einer Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung. Die Vorrichtung weist Elemente auf, die der Verbindung des Zu- und Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers 14 mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung, abgekühlte Prozesslösung bzw. vorbehandelte Prozesslösung enthält, dienen. Des Weiteren enthält die Vorrichtung zugehörige Peripherie, wie z. B. Pumpen, Ventile, Messvorrichtungen für pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperaturen.Furthermore, the invention relates to a device for extending the service life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, consisting of at least one weakly acidic cation exchanger for use for the pH adjustment and the post-dosing of ions of the coating metal in a plant for the chemical-reductive metal deposition. The device has elements which serve to connect the inlet and outlet of the weakly
Der schwachsaure Kationenaustauscher 14 ist mit seinem Zulauf mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung oder abgekühlte Prozesslösung oder vorbehandelte Prozesslösung enthält, verbunden. Der Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers 14 ist direkt mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung enthält, verbunden. Zusätzlich enthält die Vorrichtung Messvorrichtungen zur Überwachung des pH-Werts der Prozesslösung und des pH-Werts im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers 14.The weakly
Die Lösung ist durch den schwachsauren Kationenaustauscher mit Ionen des Beschichtungsmetalls angereichert. Die Gefahr der unerwünschten Metallabscheidung aus derart angereicherten Lösungen ist groß, insbesondere dann, wenn eine ausreichende Menge an Reduktionsmittel vorhanden ist. Durch das erfindungsgemäße direkte Einleiten des Ablaufs des schwachsauren Kationenaustauschers in die Prozesslösung wird eine unerwünschte Metallabscheidung zwischen Kationenaustauscher und Prozessbad minimiert.The solution is enriched with ions of the coating metal by the weakly acidic cation exchanger. The risk of undesirable metal deposition from such enriched solutions is great, especially if a sufficient amount of reducing agent is present. The direct introduction according to the invention of the effluent of the weakly acidic cation exchanger into the process solution minimizes undesirable metal deposition between the cation exchanger and the process bath.
Die Messvorrichtung zur Überwachung des pH-Wertes im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers 14 ermöglicht es, die Funktionsfähigkeit des schwachsauren Kationenaustauschers kontinuierlich zu überwachen, da durch den schwachsauren Kationenaustauscher, solange er mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen ist, eine Anhebung des pH-Wertes der aufzubereitenden (sauren) Lösung erfolgt. Sobald der Ionenaustauscher entladen ist, entspricht der pH-Wert des Ablaufs dem der aufgegebenen Lösung.The measuring device for monitoring the pH in the course of the weakly
Durch den Vergleich des pH-Wertes im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers mit dem pH-Wert der Prozesslösung kann somit erfindungsgemäß die Erschöpfung des schwachsauren Kationenaustauschers bestimmt werden, bevor der pH-Wert und der Gehalt der Prozesslösung an Ionen des Beschichtungsmetalls den Toleranzbereich des Verfahrens verläßt. Die Vorrichtung ermöglicht es daher, den Gehalt an Ionen des Beschichtungsmetalls und pH-Wert der Prozesslösung nahezu konstant zu halten.By comparing the pH in the course of the weakly acidic cation exchanger with the pH of the process solution, the exhaustion of the weakly acidic cation exchanger can thus be determined according to the invention before the pH value and the content of the process solution to ions of the coating metal leaves the tolerance range of the process. The device therefore makes it possible to keep the content of ions of the coating metal and the pH of the process solution almost constant.
Durch die nahezu konstanten Prozessbedingungen bei der chemisch-reduktiven Metallbeschichtung wird erfindungsgemäß eine besonders gleichmäßige Abscheidung des Metalls auf dem zu beschichteten Werkstück erreicht.Due to the almost constant process conditions in the chemical-reductive metal coating according to the invention a particularly uniform deposition of the metal is achieved on the workpiece to be coated.
Die Messvorrichtung zur Überwachung des pH-Wertes eignet sich auch zum Anschluss an einen Computer und macht damit einen automatischen Wechsel auf einen zweiten Kationenaustauscher und die automatische Steuerung des Regenerierungsvorganges möglich.The measuring device for monitoring the pH value is also suitable for connection to a computer and thus makes an automatic change to a second cation exchanger and the automatic control of the regeneration process possible.
Zu seinem erfindungsgemäßen Einsatz wird der schwachsaure Kationenaustauscher mit den Kationen des Beschichtungsmetalls beladen. Vorzugsweise erfolgt dies in zwei Schritten: Zuerst wird der schwachsaure Kationenaustauscher zur Konditionierung, mit einer Lauge, vorzugsweise mit Natronlauge, in die Salzform überführt. Zur Beladung wird er anschließend mit einem wasserlöslichen Salz des Beschichtungsmetalls in gelöster Form in Kontakt gebracht. Im Fall der chemisch-reduktiven Nickelabscheidung wird für die Beladung mit Metallionen beispielsweise eine wässrige Lösung von Nickelsulfat oder Nickelchlorid gewählt.For its use according to the invention, the weakly acidic cation exchanger is loaded with the cations of the coating metal. Preferably, this is done in two steps: First, the weakly acidic cation exchanger for conditioning, with an alkali, preferably with sodium hydroxide, converted into the salt form. For loading, it is then brought into contact with a water-soluble salt of the coating metal in dissolved form. In the case of chemical-reductive nickel deposition For example, for the loading of metal ions, an aqueous solution of nickel sulfate or nickel chloride is chosen.
Die Beladung mit Metallionen erfolgt vorzugsweise in zwei Stufen mit unterschiedlich konzentrierten Metallsalzlösungen, wobei bei der zweiten Stufe - vorzugsweise durch eine Kreislaufführung - eine vollständige Beladung mit Metallionen des Beschichtungsmetalls erfolgt. Durch diese schrittweise Vorgehensweise ist eine vollständige Überführung des schwachsauren Harzes in die Beladung mit Ionen des Beschichtungsmetalls und gleichzeitig eine gute Stoffnutzung der eingesetzten Ionen des Beschichtungsmetalls gewährleistet.The loading of metal ions is preferably carried out in two stages with different concentrations of metal salt solutions, wherein in the second stage - preferably carried out by a circulation - a complete loading with metal ions of the coating metal. This step-by-step procedure ensures complete transfer of the weakly acidic resin into the charge of ions of the coating metal and, at the same time, good material utilization of the ions of the coating metal used.
Nach dem Beladungsvorgang wird der Ionenaustauscher mit vollentsalztem Wasser gewaschen, um die entsprechenden Natriumsalze aus dem Ionenaustauscher zu entfernen, damit diese nicht in die Prozesslösung als Fremdstoffe eingetragen werden.
Bei seinem erfindungsgemäßen Einsatz wird der schwachsaure Kationenaustauscher mit Prozesslösung beaufschlagt und gibt Metallionen in diese ab. Gleichzeitig bindet er Protonen. Die maximale Protonen-Aufnahmekapazität des schwachsauren Kationenaustauschers wird bei vollständiger Überführung in die Salzform erreicht. Die Kapazität wird über den pH-Wert in seinem Ablauf kontrolliert. Dabei vermindert sich die Effizienz der pH-Korrektur, wenn die vollständige Entladung des schwachsauren Kationenaustauschers erreicht wurde und der pH-Wert im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers sich dem pH-Wert des Zulaufs des schwachsauren Kationenaustauschers nähert.After the loading process, the ion exchanger is washed with demineralized water to remove the corresponding sodium salts from the ion exchanger, so that they are not entered into the process solution as foreign substances.
In its use according to the invention, the weakly acidic cation exchanger is charged with process solution and releases metal ions into it. At the same time he binds protons. The maximum proton uptake capacity of the weakly acidic cation exchanger is achieved upon complete conversion to the salt form. The capacity is controlled by the pH in its course. In this case, the efficiency of the pH correction decreases when the complete discharge of the weakly acidic cation exchanger has been achieved and the pH value in the effluent of the weakly acidic cation exchanger approaches the pH value of the feed of the weakly acidic cation exchanger.
Bei vollständiger Entladung befindet sich der schwachsaure Kationenaustauscher in der H-Form. Für die erneute erfindungsgemäße Nutzung muss der schwachsaure Kationenaustauscher mit einer Lauge wieder in die Salzform überführt und anschließend mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen werden. Der so regenerierte schwachsaure Kationenaustauscher kann erneut für die pH-Wert-Einstellung, sowie die Nachdosierung von Metallionen verwendet werden.When fully discharged, the weakly acidic cation exchanger is in the H form. For renewed use according to the invention, the weakly acidic cation exchanger must be converted back into the salt form with an alkali and then loaded with ions of the coating metal. The weakly acidic cation exchanger regenerated in this way can be used again for the pH adjustment as well as for the subsequent addition of metal ions.
Der schwachsaure Kationenaustauscher besitzt eine hohe Selektivität für Protonen, so dass die bei der chemisch-reduktiven Metallabscheidung gebildeten Protonen von diesem Kationenaustauscher gebunden werden. Im Gegenzug werden die zuvor am Kationenaustauscher gebundenen Metallionen in die Prozesslösung abgegeben.The weakly acidic cation exchanger has a high selectivity for protons, so that the protons formed in the chemical-reductive metal deposition are bound by this cation exchanger. In return, the metal ions previously bound to the cation exchanger are released into the process solution.
Die für die Metallabscheidung verwendeten zweiwertigen Kationen werden von dem schwachsauren Kationenaustauscher stärker gebunden als einwertige Kationen. Vorteilhaft lässt sich der Austauscher daher in einfacher Weise mit Natronlauge in die Salzform überführen und anschließend mit den zweiwertigen Kationen des Beschichtungsmetalls beladen. Die Säulenkapazität des schwachsauren Kationenaustauschers wird entsprechend der gewünschten Nutzungsdauer und der abzuscheidenden Metallmenge gewählt.The divalent cations used for metal deposition are more strongly bound by the weakly acidic cation exchanger than monovalent cations. Advantageously, the exchanger can therefore be easily converted into the salt form with sodium hydroxide solution and then loaded with the divalent cations of the coating metal. The column capacity of the weakly acidic cation exchanger is selected according to the desired service life and the amount of metal to be deposited.
Vorzugsweise enthält der Kationenaustauscher ein schwachsaures Kationenaustauschermaterial mit Carbonsäuregruppen als funktionelle Gruppen.Preferably, the cation exchanger contains a weakly acid cation exchange material having carboxylic acid groups as functional groups.
Es wurde gefunden, das der schwachsaure Kationenaustauscher direkt mit der Prozesslösung in Kontakt gebracht und nicht nur die Ionen des Beschichtungsmetalls nachdosiert, sondern auch der pH-Wert der Prozesslösung eingestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der schwachsaure Kationenaustauscher, wenn er mit der Prozesslösung in Kontakt kommt, die bei der Metallabscheidung entstehenden H+-Ionen bindet. Durch den Einsatz des mit den Kationen des Beschichtungsmetalls beladenen schwachsauren Kationenaustauschers erübrigt sich in vorteilhafter Weise die nach dem Stand der Technik notwendige Zugabe von Laugen und Metallsalzen in die Prozesslösung, um die H+-Ionen zu binden und die verbrauchten Metallionen nachzudosieren.It was found that the weakly acidic cation exchanger brought into direct contact with the process solution and not only replenished the ions of the coating metal, but also the pH of the process solution can be adjusted. This is achieved by the fact that the weakly acidic cation exchanger, when it comes into contact with the process solution, binds the H + ions formed in the metal deposition. By using the weakly acidic cation exchanger loaded with the cations of the coating metal, it is advantageously not necessary to add alkalis and metal salts to the process solution according to the prior art in order to bind the H + ions and to replenish the spent metal ions.
Da mit Hilfe des schwachsauren Kationenaustauschers, der mit Prozesslösung in Kontakt gebracht wird, überraschend auch der pH-Wert in der Prozesslösung eingestellt werden kann, erübrigt sich auch die nach dem Stand der Technik notwendige Zugabe von Laugen zu der Prozesslösung.Since it is surprisingly possible to adjust the pH in the process solution with the aid of the weakly acidic cation exchanger which is brought into contact with the process solution, it is also unnecessary to add alkalis to the process solution as required by the prior art.
Durch die Nachdosierung der Ionen des Beschichtungsmetalls ohne störende Gegenionen und die pH-Wert-Einstellung ohne Laugenzugabe wird durch den erfindungsgemäßen schwachsauren Kationenaustauscher im Vergleich zum Stand der Technik der Salzeintrag in die Prozesslösung erheblich reduziert. Wird eine herkömmliche Anlage zur chemisch-reduktiven Metallabscheidung allein mit dem erfindungsgemäßen schwachsauren Kationenaustauscher ergänzt, kann die Nutzungsdauer der Prozesslösung deutlich verlängert werden.By the addition of the ions of the coating metal without interfering counterions and the pH adjustment without addition of alkali, the addition of salts into the process solution is considerably reduced by the weakly acidic cation exchanger according to the invention in comparison with the prior art. If a conventional system for chemical-reductive metal deposition is supplemented solely with the weakly acidic cation exchanger according to the invention, the useful life of the process solution can be significantly increased.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, bestehend aus mindestens einem mit H+-Ionen beladenen starksauren Kationenaustauscher zum Einsatz für die Entfernung störender Kationen in einer Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung. Die Vorrichtung weist Elemente zur Kreislaufführung der Prozesslösung oder abgekühlter oder vorbehandelter Prozesslösung über den starksauren Kationenaustauscher 15 auf. Der starksaure Kationenaustauscher 15 ist mit seinem Zulauf und seinem Ablauf direkt mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung oder abgekühlte Prozesslösung oder vorbehandelte Prozesslösung enthält, verbunden. Des weiteren enthält die Vorrichtung zugehörige Peripherie, wie z. B. Pumpen, Ventile, Messvorrichtungen für pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperaturen.Another object of the invention is a device for extending the service life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition, consisting of at least one loaded with H + ions strongly acidic cation exchanger for use for the removal of interfering cations in a plant for the chemical-reductive metal deposition. The device has elements for recycling the process solution or cooled or pretreated process solution via the strongly acidic cation exchanger 15. The strongly acidic cation exchanger 15 is connected with its inlet and its outlet directly to at least one container containing process solution, dilute process solution or cooled process solution or pretreated process solution. Furthermore, the device contains associated peripherals, such. As pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures.
Die Erfindung betrifft auch die Kombination des oben beschriebenen schwachsauren Kationenaustauschers mit dem oben beschrieben starksauren Kationenaustauscher in einer Vorrichtung zum Einsatz in einer Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung, um die Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung zu verlängern. Die Vorrichtung enthält dabei mindestens einen starksauren Kationenaustauscher für die Entfernung störender Kationen, der mit mindestens einem schwachsauren Kationenaustauscher zum Einsatz für die pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls in Reihe oder parallel geschaltet wird. Die Vorrichtung weist auch Elemente auf, die der Verbindung des schwachsauren Kationenaustauschers und des starksauren Kationenaustauschers mit mindestens einem Behälter, der Prozesslösung, verdünnte Prozesslösung, abgekühlte Prozesslösung bzw. vorbehandelte Prozesslösung enthält, dienen. Des weiteren enthält die Vorrichtung zugehörige Peripherie, wie z. B. Pumpen, Ventile, Messvorrichtungen für pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperaturen.The invention also relates to the combination of the weakly acidic cation exchanger described above with the strongly acidic cation exchanger described above in a device for use in a chemical-reductive metal deposition plant in order to extend the useful life of a process solution for chemical-reductive metal deposition. The device contains at least one strongly acidic cation exchanger for the removal of interfering cations, which is connected in series or in parallel with at least one weakly acidic cation exchanger for use for the pH adjustment and subsequent addition of ions of the coating metal. The apparatus also includes elements which cool the compound of the weakly acidic cation exchanger and the strongly acidic cation exchanger with at least one container, the process solution, dilute process solution Process solution or pretreated process solution contains serve. Furthermore, the device contains associated peripherals, such. As pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Kombination des oben beschriebenen starksauren H+-Ionen beladenen starksauren Kationenaustauschers 15 mit dem mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladenen schwachsauren Kationenaustauscher 14.Furthermore, the invention relates to the combination of the strongly acidic H + ions-loaded strong acid cation exchanger 15 described above with the weakly
In dieser Kombination wird der starksaure Kationenaustauscher dem schwachsauren Kationenaustauscher vorangeschaltet.In this combination, the strongly acidic cation exchanger is preceded by the weakly acidic cation exchanger.
Durch den mit H+-Ionen beladenen starksauren Kationenaustauscher werden störende Kationen aus der Prozesslösung entfernt, die z. B. aus dem zu beschichtenden Werkstoff stammen. Gleichzeitig werden jedoch auch Ionen des Beschichtungsmetalls von dem starksauren Kationenaustauscher gebunden und der pH-Wert in der aufgegebenen Lösung abgesenkt. Durch Aufgabe des Ablaufs des starksauren Kationenaustauschers auf den schwachsauren Kationenaustauscher wird der pH-Wert der Lösung wieder angehoben und mit Ionen des Beschichtungsmetalls angereichert.By loaded with H + ions strongly acidic cation exchanger interfering cations are removed from the process solution, the z. B. originate from the material to be coated. At the same time, however, ions of the coating metal are bound by the strongly acidic cation exchanger and the pH value in the applied solution is lowered. By abandoning the course of the strongly acidic cation exchanger to the weakly acidic cation exchanger, the pH of the solution is raised again and enriched with ions of the coating metal.
Vorteilhaft ermöglicht es somit die Kombination des starksauren H+-Ionen beladenen starksauren Kationenaustauschers 15 mit dem mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladenen schwachsauren Kationenaustauscher 14 störende Kationen aus der Prozesslösung zu entfernen, den pH-Wert einzustellen und die Prozesslösung mit Ionen des Beschichtungsmetalls anzureichern.Advantageously, it thus makes it possible to combine the strongly acidic H + ion-laden strong acid cation exchanger 15 with the ions of the coating metal loaded weakly
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung sind die oben genannten Ionenaustauscher Säulenaustauscher, welche mit einem festen, wasserunlöslichen, Ionenaustauschermaterial befüllt sind. Das organische oder anorganische Ionenaustauschermaterial enthält funktionelle Gruppen, die zum Ionenaustausch befähigt sind. Diese Säulenaustauscher können im Gleich- oder Gegenstrom regeneriert werden.In a preferred embodiment of the invention, the abovementioned ion exchangers are column exchangers which are filled with a solid, water-insoluble, ion exchange material. The organic or inorganic ion exchange material contains functional groups capable of ion exchange. These column exchangers can be regenerated in cocurrent or countercurrent.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die oben genannten Ionenaustauschermaterialien jeweils Teil eines Filter- oder Membranapparates. Dieser enthält jeweils ein regenerierbares, organisches oder anorganisches Ionenaustauschermaterial, welches vorzugsweise in einer zum Ionenaustausch befähigten Form in den Filter- oder Membranapparat eingebracht wird.In an alternative embodiment of the invention, the above-mentioned ion exchange materials are each part of a filter or membrane apparatus. This contains in each case a regenerable, organic or inorganic ion exchanger material, which is preferably introduced into the filter or membrane apparatus in a form capable of ion exchange.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden bei mindestens einem der eingesetzten Ionenaustauschermaterialien flüssige Ionenaustauschermaterialien verwendet. Der oder die Ionenaustauscher bestehen in dieser Ausführungsform aus jeweils einem Behälter, der eine mit der Prozesslösung nicht mischbare Flüssigkeit enthält, in der ein Ionenaustauschermaterial verteilt bzw. gelöst ist. Vorzugsweise besteht das Ionenaustauschmaterial in dieser Ausführungsform aus einem Reagenz, das die für die Ionenaustauschwirkung erforderlichen funktionellen Gruppen enthält, wie sie z.B. bei der Reaktivextraktion verwendet werden.In a further embodiment of the invention, liquid ion exchange materials are used in at least one of the ion exchange materials used. The one or more ion exchangers in this embodiment each consist of a container which contains a liquid immiscible with the process solution, in which an ion exchange material is distributed or dissolved. Preferably, in this embodiment, the ion exchange material consists of a reagent containing the functional groups required for the ion exchange action, e.g. be used in the reactive extraction.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage für die chemisch-reduktive Metallabscheidung bestehend aus:
- ● mindestens einem Beschichtungsbehälter,
- ● einem Spülsystem,
- ● und mindestens einer der oben beschriebenen Vorrichtungen zur Verlängerung der Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallabscheidung.
- ● at least one coating container,
- ● a flushing system,
- ● and at least one of the above-described devices for extending the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal deposition.
Des weiteren enthält die Anlage Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten sowie die zugehörige Peripherie, wie Pumpen, Ventile, Messvorrichtungen für pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperaturen etc..
Der Beschichtungsbehälter enthält die Prozesslösung, in welche das zu beschichtende Werkstück eingetaucht wird.Furthermore, the system contains connecting cables between the individual components as well as the associated peripherals, such as pumps, valves, measuring devices for pH, conductivity, temperatures etc.
The coating container contains the process solution in which the workpiece to be coated is immersed.
In ihrer einfachsten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Anlage aus einem Beschichtungsbehälter, einem Spülsystem und einer wie oben beschriebenen Vorrichtung mit einem schwachsauren Kationenaustauscher zur pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung des abzuscheidenden Metalls, der mit Zu- und Ablauf mit dem Beschichtungsbehälter verbunden ist.In its simplest embodiment, the plant according to the invention consists of a coating container, a rinsing system and a device with a weakly acidic cation exchanger for pH adjustment as described above and subsequent metering of the metal to be deposited, which is connected to inlet and outlet with the coating container.
Vorzugsweise wird die Prozesslösung, bevor sie mit den empfindlichen Komponenten der Vorrichtungen, insbesondere den Ionenaustauschermaterialien und den Membranen, in Kontakt gebracht wird, abgekühlt. Durch die Abkühlung wird insbesondere die Gefahr einer unerwünschten Metallabscheidung auf diesen Komponenten verringert. Die durch die Vorrichtung aufbereitete Prozesslösung muss, bevor sie in den Beschichtungsbehälter zurückgeführt wird, wieder auf die Prozesstemperatur angehoben werden.Preferably, the process solution is cooled before being contacted with the sensitive components of the devices, particularly the ion exchange materials and the membranes. By cooling, in particular, the risk of undesired metal deposition on these components is reduced. The process solution prepared by the device must be returned to the process temperature before being returned to the coating vessel.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der oben beschriebenen Anlage sind der Zulauf und der Ablauf des schwachsauren bzw. des starksauren Kationenaustauschers daher über einen Wärmetauscher mit dem Beschichtungsbehälter verbunden. Durch den Wärmetauscher wird die Energie des Abkühlungsprozesses für den Aufwärmprozess von gereinigter Prozesslösung genutzt.In a preferred embodiment of the plant described above, the inlet and the outlet of the weakly acidic or strongly acidic cation exchanger are therefore connected to the coating vessel via a heat exchanger. The heat exchanger uses the energy of the cooling process for the warm-up process of purified process solution.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Kombination aus
- a.) schwachsaurem Kationenaustauschermaterial oder schwachsauren Kationenaustauschern für die pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls und
- b.) Ionen beladenem starksaurem Kationenaustauschermaterial oder H+-Ionen beladenen starksauren Kationenaustauschern 11, 15 für die Entfernung störender Kationen
- a.) weakly acidic cation exchange material or weakly acidic cation exchangers for the pH adjustment and post-dosing of ions of the coating metal and
- b.) ion-charged strong acid cation exchange material or H + -ionic strongly acidic cation exchangers 11, 15 for the removal of interfering cations
Der mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladene schwachsaure Kationenaustauscher wird dabei bevorzugt als letzter Schritt in der Aufarbeitung eingesetzt. Sein Ablauf wird direkt in die Prozesslösung eingeleitet.The weakly acidic cation exchanger loaded with ions of the coating metal is preferably used as the last step in the work-up. Its process is initiated directly into the process solution.
Gegenüber dem Stand der Technik kann durch die Erfindung die Nutzungsdauer einer Prozesslösung für die chemisch-reduktive Metallbeschichtung erheblich verlängert werden. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine erhebliche Einsparung an Einsatzstoffen. Gleichzeitig reduzieren sich die Entsorgungskosten, die nach dem Stand der Technik, nicht unerheblich sind.Compared with the state of the art, the useful life of a process solution for the chemical-reductive metal coating can be considerably extended by the invention. Advantageously, this results in a considerable saving of starting materials. At the same time reduce the disposal costs, which are not inconsiderable according to the prior art.
Des Weiteren werden durch die Erfindung in vorteilhafter Weise nahezu konstante Prozessbedingungen bei der chemisch-reduktiven Metallbeschichtung und damit eine besonders gleichmäßige Abscheidung des Metalls auf dem zu beschichteten Werkstück erreicht. Durch den geringen Fremdstoffgehalt der Prozesslösung, der in der erfindungsgemäßen Anlage erreicht wird, können Nickel-Phosphor-Schichten abgeschieden werden, die im Druckspannungsbereich liegen, was im besonderen die Qualität der Beschichtung der Abscheidung bewirkt.Furthermore, the invention advantageously achieves virtually constant process conditions in the case of the chemical-reductive metal coating and thus a particularly uniform deposition of the metal on the workpiece to be coated. Due to the low impurity content of the process solution, which is achieved in the system according to the invention, nickel-phosphorus layers can be deposited, which are in the compressive stress range, which in particular causes the quality of the coating of the deposition.
Anhand nachfolgender Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und beschrieben. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- Anlage mit schwachsaurem Kationenaustauscher zur pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls
- Fig. 2:
- Anlage mit Wärmetauscher und schwachsaurem Kationenaustauscher zur pH-Wert-Einstellung und Nachdosierung von Ionen des Beschichtungsmetalls
- Fig. 1
- Plant with weakly acidic cation exchanger for pH adjustment and post-dosing of ions of the coating metal
- Fig. 2:
- Plant with heat exchanger and weak acid cation exchanger for pH adjustment and post-dosing of ions of the coating metal
Die Anlage nach
Das mehrstufige Spülsystem 3 besteht aus drei kaskadenförmig miteinander verbunden Behältern, die eine wässrige Spüllösung enthalten. Zwischen dem linken und rechten Spülbehälter 3 ist, wie durch die unterbrochene Linie in
Der schwachsaure Kationenaustauscher 14 ist mit seinem Zu- und Ablauf mit dem Beschichtungsbehälter 1 verbunden, so dass ein bestimmter Volumenstrom der Prozesslösung über ihn geleitet werden kann.The weakly
Der schwachsaure Kationenaustauscher besteht aus einer Ionenaustauschersäule 14, die mit dem schwachsauren Kationenaustauscherpolymer Lewatit CNP 80 der Fa. Lanxess AG, Leverkusen, Deutschland, befüllt ist. Es können aber auch vergleichbare schwachsaure Kationenaustauscherpolymere anderer Hersteller, wie z.B. C 104 der Fa. Purolite, Ratingen, Deutschland, eingesetzt werden.The weakly acidic cation exchanger consists of an
Dieses schwachsaure Kationenaustauscherpolymer wird vor der Verwendung mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen. Dazu wird der Ionenaustauscher zuerst mit Natronlauge in die Salzform überführt und anschließend durch die Aufgabe einer Metallsalzlösung mit Ionen des Beschichtungsmetalls beladen. Im Falle der chemisch-reduktiven Vernickelung erfolgt die Beladung des schwachsauren Kationenaustauscherpolymeres mit Nickelionen, wozu eine NiSO4-Lösung über die Ionenaustauschersäule geleitet wird. Diese Beladung erfolgt in zwei Schritten mit Nickelsalzlösungen unterschiedlicher Konzentrationen, wobei beim ersten Beladungsschritt ein Unterschuss an Nickelionen auf den Ionenaustauscher aufgegeben wird. Bedingt durch die Selektivität des Kationenaustauschers wird hierdurch eine nahezu vollständige Entfernung der Nickelionen aus der Aufgabelösung erreicht, die nach der Beladung verworfen und abwassertechnisch behandelt wird. Beim zweiten Beladungsschritt wird durch den Einsatz eines Überschusses von Nickelionen beim Beladen des Ionenaustauschers und eine Kreislaufführung der Aufgabelösung eine vollständige Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers mit Nickel erreicht.This weakly acidic cation exchange polymer is loaded with ions of the coating metal prior to use. For this purpose, the ion exchanger is first converted into the salt form with sodium hydroxide solution and then loaded with ions of the coating metal by the application of a metal salt solution. In the case of chemical reductive nickel plating, the weakly acidic cation exchange polymer is loaded with nickel ions, for which purpose a NiSO 4 solution is passed over the ion exchange column. This loading is carried out in two steps with nickel salt solutions of different concentrations, the first Loading step, a deficiency of nickel ions is applied to the ion exchanger. Due to the selectivity of the cation exchanger an almost complete removal of the nickel ions from the feed solution is achieved, which is discarded after loading and treated by wastewater technology. In the second loading step, a complete loading of the weakly acidic cation exchanger with nickel is achieved by using an excess of nickel ions when loading the ion exchanger and recycling the feed solution.
Nach dem Beladungsvorgang mit Nickel wird der schwachsaure Kationenaustauscher mit vollentsalztem Wasser gewaschen, um störende Ionen aus der Polymerschüttschicht zu entfernen. Durch diesen Spülvorgang wird der Überschuss an Nickelionen wieder aus der Polymerschüttschicht entfernt. Der Ablauf der zweiten Fraktion des Beladungsvorganges wird zusammen mit der ersten Fraktion des Spülwassers zwischengestapelt und bei der nachfolgenden Beladung des schwachsauren Kationenaustauschers als erste Beladungsfraktion verwendet.After the loading process with nickel, the weakly acidic cation exchanger is washed with demineralized water in order to remove interfering ions from the polymer bulk layer. By this rinsing process, the excess of nickel ions is removed again from the polymer bulk layer. The course of the second fraction of the loading process is intermediately stacked together with the first fraction of the rinse water and used in the subsequent loading of the weakly acidic cation exchanger as the first loading fraction.
Die Prozesslösung ist in bekannter Weise zusammengesetzt. Beim Neuansatz werden ihr die Ionen des Beschichtungsmetalls in Form von Nickelsulfat (6,0 g Ni2+/l) zugesetzt. Das Reduktionsmittel wird in Form von Natriumhypophosphit (17,0 g H2PO2 -/l) zugegeben. Durch in der Prozesslösung enthaltene organische Säuren wird die Lösung im Bereich pH 4 bis pH 5 gepuffert.The process solution is composed in a known manner. In the new batch, the ions of the coating metal in the form of nickel sulfate (6.0 g Ni 2+ / l) are added. The reducing agent is added in the form of sodium hypophosphite (17.0 g H 2 PO 2 - / l). By means of organic acids contained in the process solution, the solution is buffered in the range of
Zur Abscheidung von Nickel- Phosphorlegierungen auf der Stahloberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks 2 wird mit der in
Die Temperatur der Prozesslösung, welche das zu beschichtende Werkstück 2 umgibt, wird auf 85 °C eingeregelt. Metallionen scheiden sich auf der Stahloberfläche des zu beschichtenden Werkstückes 2 ab. Bei der Abscheidung wird auch elementarer Phosphor, der durch Nebenreaktionen aus dem Reduktionsmittel gebildet wird, in die entstehende Metallschicht einlegiert, wodurch eine Nickel-Phosphor-Legierung entsteht. Durch den Redox-Prozess der chemisch-reduktiven Metallabscheidung wird das Reduktionsmittel Natriumhypophosphit zu Natriumorthophosphit oxidiert. Dieser Verbrauch an Reduktionsmittel wird durch Zugabe von Natriumhypophosphit in die Prozesslösung ausgeglichen.The temperature of the process solution surrounding the
Bedingt durch die Metallabscheidung sinken auch pH-Wert und der Nickelgehalt in der Prozesslösung. Daher wird der pH-Wert in der Prozesslösung überwacht. Sinkt der pH-Wert der Prozesslösung unter einen festgelegten Wert, z.B. von pH 4,5 auf pH 4,2, dann wird ein Teilstrom der Prozesslösung mit einer Durchflussgeschwindigkeit < 5 m/h durch den schwachsauren Kationenaustauscher 14 geleitet. Dadurch ergibt sich im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers 14 eine Erhöhung des Nickelgehaltes von 5 g/l auf 8 g/l sowie eine Erhöhung des pH-Wertes von 4,2 auf pH-Werte > 5.Due to the metal deposition, the pH value and the nickel content in the process solution also decrease. Therefore, the pH in the process solution is monitored. If the pH of the process solution falls below a specified value, e.g. from pH 4.5 to pH 4.2, then a partial stream of the process solution is passed through the weakly
Über die Kontrolle des pH-Wertes im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers 14 wird die Funktionsfähigkeit des schwachsauren Kationenaustauschers überwacht. Mit zunehmender Metallabgabe wird der schwachsaure Kationenaustauscher in die H+-Form überführt, weshalb der pH-Wert im Ablauf des Kationenaustauschers fällt. Wenn sich der pH-Wert im Ablauf des schwachsauren Kationenaustauschers dem pH-Wert der Prozesslösung nähert (in diesem Fall pH 4,5) fällt, wird der Kationenaustauscher für einen erneuten Einsatz wieder, wie eingangs beschrieben, in die Nickelbeladung überführt.By controlling the pH in the effluent of the weakly
Bei der Metallbeschichtung treten durch die hohen Behandlungstemperaturen Verdunstungsverluste in der Prozesslösung auf. Diese Verdunstungsverluste werden ausgeglichen, in dem Spüllösung aus dem Spülsystem 3, durch die in
In der nachfolgenden Tabelle werden Versuchsparameter aufgeführt, die bei dem beschriebenen Vergleichsversuch erhalten wurden.
In the following table test parameters are listed, which were obtained in the described comparative experiment.
Im Vergleichsversuch (siehe rechte Spalte der Tabelle) steigt der Salzgehalt in der Prozesslösung durch die eingetragenen bzw. gebildeten Fremdstoffe (insbesondere Na+, SO42-, H2PO3-) bereits nach einem Metalldurchsatz von 5,5 MTO auf hohe Werte an, so dass zu diesem Zeitpunkt die Abscheidegeschwindigkeit bei 90 °C auf Werte < 5 µm/h absinkt und die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten nicht mehr den Anforderungen entsprechen.In the comparative experiment (see right-hand column of the table), the salt content in the process solution rises to high values already after a metal throughput of 5.5 MTO due to the introduced or formed foreign substances (in particular Na +, SO 42 -, H 2 PO 3 -). so that at this time, the deposition rate at 90 ° C to values <5 microns / h drops and the properties of the deposited layers no longer meet the requirements.
Bei dem erfindungsgemäßen Einsatz des schwachsauren Kationenaustauschers 14 (siehe die beiden mittleren Spalten der Tabelle) steigt jedoch der SO42--Gehalt der Prozesslösung mit steigendem Metalldurchsatz nicht an, da die Nickelionen ohne störendes SO42- in die Prozesslösung eingebracht werden. Im Gegensatz zum Vergleichsversuch steigt der Na+-Gehalt hier erheblich langsamer an, da die Einstellung des pH-Werts ohne Zugabe von NaOH in die Prozesslösung erfolgt.. Durch den Einsatz des schwachsauren Kationenaustauschers 14 kann die Prozesslösung durch den langsameren Anstieg des Fremdstoffgehaltes bis zu einem Metalldurchsatz von ca. 8 MTO verwendet werden. Die Nutzungsdauer der Prozesslösung wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz des schwachsauren Kationenaustauschers 14 somit beinahe verdoppelt.When using the weakly
Der schwachsaure Kationenaustauscher 14 entspricht in seinem Aufbau dem aus
Zur Metallbeschichtung in dieser Anlage wird prinzipiell, wie zu
Durch den Einsatz des Wärmetauschers 4 wird der schwachsaure Kationenaustauscher 14 mit einer abgekühlten Prozesslösung beaufschlagt, was die Gefahr einer chemisch-reduktiven Metallabscheidung auf dem Kationenaustauscherpolymer deutlich vermindert.By using the
- 11
- Beschichtungsbehältercoating tank
- 22
- zu beschichtendes Werkstückto be coated workpiece
- 33
- (mehrstufiges) Spülsystem(multi-stage) flushing system
- 44
- Wärmetauscherheat exchangers
- 55
- Vorlagebehälter für zu reinigende ProzesslösungStorage tank for process solution to be cleaned
- 1313
- Stapelbehälter für gereinigte ProzesslösungStacking container for purified process solution
- 1414
- schwachsaurer Kationenaustauscher zur Nachdosierung des BeschichtungsmetallsLow-acid cation exchanger for post-dosing of the coating metal
- 1515
- starksaurer Kationenaustauscher zur Reinigung der ProzesslösungStrongly acidic cation exchanger for cleaning the process solution
- 1616
- Regenerierbehälterreplenishment containers
- H2OH 2 O
- Frischwasserfresh water
- NaH2PO2 NaH 2 PO 2
- Reduktionsmittelreducing agent
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