WO2006018173A1 - Vorrichtung und verfahren zur entfernung von fremdstoffen aus prozesslösungen - Google Patents

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WO2006018173A1
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solution
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cathode
foreign substances
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Alexander Schiffer
Reinhard Schwarz
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Blasberg Werra Chemie Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device for removing foreign substances from process solutions according to the preamble of claims 1, 7 and 9.
  • an electroplating plant with a divided cell for the electrodialytic purification of electroplating solutions in which the separation between the anode and cathode compartments is to be effected by a cation exchange membrane.
  • the solution to be purified is introduced into the anode compartment, while an alkaline solution of alkali metal hydroxide or ammonium hydroxide, carbonate and / or bicarbonate is used in the cathode compartment.
  • an electric field By applying an electric field, the polyvalent cations are to be transported out of the anolyte into the catholyte and, due to the adjusted pH value, to be transported there as hydroxides, respectively. Carbonates are precipitated.
  • the commercially available cation exchange membranes are sensitive to concentrated acidic media, especially if they contain oxidizing constituents such as, for example, dichromates, since concentrated media can osmotically damage the membranes. Therefore, dilute solutions with a high expenditure of energy can at most be treated with the system configuration described, since the purified solutions must be brought back to their initial concentration after successful purification by means of suitable concentration methods, such as evaporation. Due to the poor effectiveness of the electrodialytic cleaning, the high energy consumption required and the inadequate stability of the membranes used compared to concentrated process solutions, the known method is not suitable for practical use.
  • DE 44 08 337 C2 discloses a two-chamber electrolysis system for the electrodialysis of acidic process solutions in which the separation between the anode and cathode compartments is to be effected by a plastic diaphragm which has sufficient stability compared to concentrated process solutions.
  • the solution to be purified is introduced into the anode compartment of the electrolysis cell.
  • the foreign metal ions should be converted electrodially into the cathode space of the diaphragm electrolysis plant by precipitating the foreign metal ions as hydroxides by addition of an alkali and separating them by filtration.
  • it has been shown that the acidic components of the process solution are transported much faster into the catholyte than the foreign metals.
  • polyvalent cations such as Al 3+ , Fe 3+ and Cr 3+ are strongly bound by a strongly acidic cation exchanger. They can only be removed again from the cation exchanger material by a special treatment.
  • Cr 3+ one can use its good oxidability in the alkaline range. By treatment with sodium hydroxide solution and 30% hydrogen peroxide, the cation Cr 3+ is converted into the anion chromate (CrCu 2 " ) 3+ reach from the cation exchange material.
  • the cation exchanger is in the Na-loading and can be obtained by the use of a regenerant are transferred back into the H + -load, whereby the use of sulfuric acid
  • hydrochloric acid as a regenerating acid can be dispensed with if required, which is particularly relevant in certain process solutions (galvanic chromium deposition, anodizing of aluminum, etc.), since chlorides cause great disturbances in the coating processes and therefore the use of Hydrochloric acid as R Egenerated acid is excluded. More problematic is the removal of Fe 3+ .
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the object of the invention is to provide a device for removing foreign substances from process solutions, which enables economically viable and practicable removal of the entrained foreign substances from a process solution, in particular for the treatment of metal surfaces. According to the invention, this object is achieved in that an auxiliary circuit is guided through the connecting space, in which a Kationen ⁇ exchanger is arranged.
  • a device for removing foreign substances from process solutions which makes possible an economically feasible and practicable removal of the introduced foreign substances from a process solution, in particular for the treatment of metal surfaces.
  • at least one of the partitions is a porous diaphragm or a cation exchange membrane.
  • a porous diaphragm or a corresponding cation exchange membrane By using a porous diaphragm or a corresponding cation exchange membrane, foreign matter can be transferred from a concentrated process solution into the auxiliary circuit, from which the foreign matter can be removed selectively and with high efficiency by suitable ion exchange materials.
  • the concentrations of the components involved in the auxiliary circuit can be set such that the separation of the foreign substances takes place with high efficiency and at the same time the sensitive components the cleaning device will not be damaged.
  • the cell configuration according to the invention of the multi-chamber electrolysis system allows, in addition to the transport of the foreign substances, also the electrodialytic return transport of ingredients of the process solution, which were diffused into the auxiliary circuit in the course of the cleaning process. Both processes cause the foreign substances to be removed from the process solution and the ingredients necessary for the surface treatment process to be returned to the process solution.
  • the purified process solution can thereby be further used for the surface treatment process, wherein the cleaning method and the device according to the invention for the removal of metallic foreign substances from a plurality of preferably acidic process solutions can be used.
  • a device combination of membrane electrolysis and ion exchange is used, with a three-compartment cell being used in membrane electrolysis.
  • At least one of the partitions is a porous diaphragm or a cation exchange membrane. This will be a separation achieved between anode and cathode space at the same time Fremdstoff matauerkeit.
  • the anode is equipped on both sides with diaphragms and in each case the cathode on both sides with cation exchange membranes.
  • separation of the anolyte or of the catholyte from the solution of the auxiliary circuit is achieved.
  • membrane electrode units can be formed which, depending on the amount of foreign substance, can be added or removed in pairs from the cell.
  • the cation exchanger is connected on the outlet side to distributing tubes with nozzle system, which are arranged in the cell. As a result, a uniform concentration distribution of the ingredients in the auxiliary circuit in the electrolysis tank is achieved.
  • At least one pump is provided for anolyte and / or catholyte supply, which is connected to a nozzle system.
  • the invention is further based on the object to provide a method for removing foreign substances from process solutions, which allows economically meaningful and practicable removal of the foreign substances entered from a process solution, in particular for the treatment of metal surfaces.
  • this object is achieved in that the process solution is supplied to an anode compartment of an embodiment of the device according to the invention, to the electrodes of the electrolysis plant an electrical voltage is applied, taken from at least one connection space solution and a strongly acidic cation exchanger in the H + - Loading is abandoned and the running out of the cation exchanger solution is fed back at least one connection space.
  • the solution running off the cation exchanger is distributed via distributor tubes with nozzle system in at least one connecting space. As a result, a thorough mixing of the solution of the auxiliary circuit is achieved.
  • the invention is also based on the object of providing a process for regenerating a cation exchanger, in particular for removing foreign substances from process solutions, which makes possible an efficient and economically sensible removal of the introduced foreign substances from a process solution, in particular for the treatment of metal surfaces.
  • this object is achieved in that initially bound from the cation exchanger cations are removed by treatment with anionic complexing agents and subsequently the cation exchanger is transferred by the task of a regenerating acid back into the H + loading.
  • the invention provides a process for regenerating a cation exchanger, in particular for removing foreign substances from process solutions, which enables an efficient and economically sensible removal of the introduced foreign substances from a process solution, in particular for the treatment of metal surfaces.
  • fluoride is used as the anionic ligand complexing agent.
  • the fluoride is alkali metal or ammonium fluoride, preferably sodium fluoride.
  • a loaded exchanger By pretreating a loaded exchanger with an alkali metal fluoride or ammonium fluoride, preferably sodium fluoride, it is first converted into the corresponding alkali metal or ammonium charge, and can be converted back into the H + charge by the use of a regenerating acid
  • an alkali metal fluoride or ammonium fluoride preferably sodium fluoride
  • sulfuric acid leads to good Regeneriermates ⁇ sen.
  • hydrochloric acid as regenerating acid can be dispensed with, in particular in process solutions (galvanic chromium deposition, anodizing of aluminum, etc.) in which chlorides cause great disruptions in the coating processes and therefore preclude the use of hydrochloric acid as regenerating acid is.
  • the two-stage regeneration process according to the invention makes it possible to achieve a good separation of the polyvalent cations from the strongly acidic cation exchanger material, so that the entire capacity of the strongly acidic cation exchanger material can be further used for the purification of the process solution.
  • Figure 1 is a schematic representation of the cleaning method using the device according to the invention and Figure 2 is a schematic representation of a device for the removal of
  • the device selected as an embodiment for removing foreign substances from process solutions according to FIG. 1 consists essentially of an electrolysis cell 10, in which an anode 3 and a cathode 9 are arranged opposite one another. Between the anode 3 and the cathode 9, a diaphragm 4 is provided parallel to one another on the anode side, and a cation exchange membrane 7 is provided on the cathode side, so that three chambers are formed: an anode-side anode chamber 2; cathode-side space 6 and a connecting space 5 formed between diaphragm 4 and cation exchange membrane 7.
  • the connecting space 5 contains an auxiliary circuit 51 in which a cation exchanger 8 is arranged.
  • the process solution 1 * which is to be cleaned of cationic impurities, is fed to the anode compartment 2 of the cleaning device.
  • the auxiliary circuit contains a dilute process solution, since part of the ingredients of the process solution can diffuse out of the anolyte 2 * through the diaphragm into the auxiliary circuit 51.
  • an electric field is built up by which an electro-dialytic transport of ions is effected.
  • the cation exchanger 8 connected between outlet 52 and outlet 53 of connection space 5 is highly acidic and is in the H + charge.
  • protons (H + ) and other cations (Me 2+ ) and the associated anions (A x ) from the anode space 2 through the diaphragm 4 into the connection space 5 takes place by dialysis as a result of the different concentrations of the respective components in the anode space 2 and in the auxiliary circuit 51.
  • the protons (H + ) and other cations (Me z + ) are also transferred electrodialytically from the anode compartment 2 into the auxiliary circuit 51, while the anions (A x ) electrodialytically from the auxiliary circuit 51 back into the anode compartment 2 back.
  • the cationic impurities are transferred from the anode space 2 into the auxiliary circuit 51.
  • the solution of the auxiliary circuit 51 is removed from the chamber 5 and fed to the strongly acidic cation exchanger 8, which is located in the H + -load.
  • polyvalent cations are bound to the cation exchange material and thus removed from the auxiliary circuit 51.
  • an equivalent amount of protons is liberated from cation exchanger material and introduced into the solution of the auxiliary circuit 51.
  • the effluent from the cation exchanger 8 solution is fed back to the connecting space 5, whereby at the same time a good mixing of this space 5 is achieved.
  • the con- centering of the polyvalent cations in the auxiliary circuit 51 at a low level.
  • the protons (H + ) and other cations (Me 2+ ) can be transported from the auxiliary circuit 51 through the cation exchange membrane 7 into the cathode chamber 8, the transport of the protons (H + ) preferably taking place, since protons have a higher mobility and additionally by treating the solution of the auxiliary circuit 51 with the strongly acidic cation exchanger material of the cation exchanger 8, the concentration of the polyvalent cations is reduced and the concentration of the protons in the auxiliary circuit 51 is increased.
  • the membrane surface of the cleaning device is adapted to the foreign substance entry, wherein the required membrane surface can be achieved by a multiple arrangement of the spaces 2, 5, 6 shown in FIG.
  • FIG. 2 schematically shows a device for removing foreign substances by means of a combination of membrane electrolysis and ion exchange for use in industrial practice, two anode elements 11 and two cathode elements 1 2 being provided in this embodiment.
  • membrane electrode units 1 1, 12 may be added or removed in pairs in a sufficiently dimensioned electrolytic cell 10.
  • replacing a membrane 4, 7 here only the relevant membrane electrode unit must be shut down and taken out of the electrolytic cell 10. The rest of the system remains functional.
  • the cleaning device according to FIG. 2 consists essentially of a cell in the form of an electrolytic tank 10, which is made of plastic or rubberized steel and in which the solution of the auxiliary circuit 51 is located.
  • the solution of the auxiliary circuit 51 is removed via a pump of the electrolysis tank 10 and a strongly acidic cation exchanger 8 in the H + charge abandoned, which is located in an ion exchange column.
  • the effluent from the cation exchanger 8 solution of the auxiliary circuit 51 is distributed via distributor pipes with nozzle system 13 in the electrolysis bath 10. This will be a uniform Concentration distribution of the ingredients in the auxiliary circuit 51 in the Elektrolyse ⁇ trough 10 reached.
  • the anodes 3 are located in membrane electrode units 1 1, which are equipped with diaphragms 4 on both sides. As a result, a separation of the anolyte 2 * is achieved by the solution of the auxiliary circuit 5.
  • the Anolyte 2 * is conveyed via a pump from a storage vessel 14 via distribution pipes with nozzle system 15 in the membrane electrode units 1 1 and runs back through a manifold without pressure in the storage vessel 1 1 back. About distribution pipes with nozzle system 13 at the bottom of the membrane electrode unit ge ensures good mixing.
  • the cathodes 9 are in membrane electrode units 1 2, which are equipped on both sides with cation exchange membranes 7. As a result, separation of the catholyte 6 * from the solution of the auxiliary circuit 51 is achieved.
  • the catholyte 6 * is conveyed via a pump from a storage vessel 1 6 via distribution pipes with Düsenstock ⁇ system 1 7 in the membrane electrode units 1 2 and runs back through a manifold without pressure in the storage vessel of the catholyte.
  • the nozzle tube system at the bottom of the membrane electrode unit 1 2 ensures good mixing.
  • the purified process solution 1 * is conveyed back into the process tank 1 as required, while at the same time the process solution to be cleaned is removed from the process tank 1 and conveyed into the storage tank 14 of the anolyte 2 *. This allows a continuous cleaning of the coating bath, since the cleaning device is operated in shunt to the process tub 1.
  • Example 1 Process solution for chromium plating containing cationic impurity such as sodium, iron, aluminum or Cr (III)
  • cationic impurity such as sodium, iron, aluminum or Cr (III)
  • In the galvanic deposition of chromium from a chromic acid solution er ⁇ follows by pickling and / or demetallizing an entry of Fremdmetal ⁇ len in the process solution, which limits their useful life.
  • the type of foreign substances entered depends on the base material of the parts to be coated. Therefore, in the so-called hard chromium plating of steel workpieces, essentially iron is introduced into the process solution.
  • the cations migrate through a cation exchange membrane 7 into the cathode space 6, wherein because of the higher mobility of the protons, these are preferably transported.
  • the anions which have diffused into the auxiliary circuit 51 are prevented by the cation exchange membrane 7 from further migrating in the direction of the cathode 9 and thus kept away from it, as a result, for example, by a reduction of chromate (CrO 4 2 " ) or dichromate (Cr 2 H 7 2" ). to Cr (III) is avoided.
  • the anions are electrodialytically transported back into the anolyte 2 *, so that they can be used again for the coating process.
  • a device according to the invention with a total membrane area of 9 dm 2 is used to clean a process solution for hard-chromium contaminated with iron ions.
  • the separation of the cationic foreign substances is carried out by a strongly acidic cation exchanger 8 in the H + loading.
  • the loading of the ion exchanger column which is filled with 1 5 I strongly acidic cation exchanger material, is carried out in the upflow at a feed rate of 10 m / h.
  • Anode space 2 is equipped with lead anodes with a surface area of 10.2 dm 2 , while in the cathode space 6 electrodes made of stainless steel with an area of 8.4 dm 2 surface are used.
  • the cathode compartment 6 is filled with about 5% H2SO4 solution.
  • the device is operated with an anodic current density of 300 A / m 2 , to which a voltage of 4.7 V is applied to the electrodes.
  • the device is operated for a period of 20 hours.
  • the iron content in 25 l of solution can be lowered from 8.4 g / l to 2.0 g / l.
  • the anodic oxidation of Cr (III) takes place so that at the end of the cleaning concentration, the content of Cr (IlI) is below 0.1 g / l.
  • the purified process solution can then be reused for hard chrome plating.
  • the strongly acidic cation exchange material used in the ion exchange column is washed after the cleaning process with softened water or demineralized water and then treated with a sodium fluoride solution (about 30 g / l) to the Fe (III) bound by the exchanger in the corre sponding to convert ⁇ sponding complex anion ([FeFe] 3 ").
  • Cr (III) to act by a loading of the strongly acidic cation exchange material with H2SO4 is only unvollstän ⁇ dig removed therefrom, is carried out after some additional loadings treatment with sodium hydroxide solution and a Be ⁇
  • a substantial removal of Cr (III) in the form of chromate from the cation exchange material can be achieved.
  • H2SO4 (about 100 g / l) converts the strongly acidic cation exchange material back into the H + charge.
  • the final washing process takes place with demineralized water (demineralized water), so that a Pre-loading of the strongly acidic cation exchange material with Na + ions or other water ingredients is avoided.
  • demineralized water demineralized water
  • the eluates of the strongly acidic cation exchanger are treated by wastewater technology.
  • Example 2 Anodizing of aluminum when using a HteSCU-containing process solution
  • the method according to the invention is carried out by the anodic decomposition of water and a regression of the bound acid.
  • the aluminum ions are transported by dialysis and electrodialysis from the anode chamber 2 through a porous diaphragm 4 into the auxiliary circuit 51, where the H2SO4 concentration must not exceed a value of 30 g / l, otherwise the strongly acidic cation exchanger 8 is partially discharged again and thus reduces the efficiency of the process.
  • the cations migrate through a cation exchange membrane 7 into the cathode chamber 6, the latter preferably being transported because of the higher mobility of the protons.
  • the anions diffused into the auxiliary circulation are electrodialytically transported back into the anolyte 2 *, so that they can be used again for the surface treatment process.
  • a device To clean a process solution contaminated with aluminum ions for anodizing aluminum surfaces, a device according to the invention with a total membrane area of 9 dm 2 is used.
  • the separation of the cationic Foreign matter from the auxiliary circulation takes place through a strong acid cation exchanger in the H + charge.
  • the loading of the ion exchange column, which is filled with 1 5 I strongly acidic cation exchange material is carried out in an upflow with a feed rate of 10 m / h.
  • the cathode compartment 6 is filled with about 5% H2SO4 solution.
  • an amount of aluminum of 1 50 g can be separated off from 25 l of solution during this time.
  • the strongly acidic cation exchange material used in the ion exchange column is washed after the cleaning process with softened water or demineralized water and then treated with a sodium fluoride solution (about 30 g / l) to the aluminum ions bound by the exchanger in the corresponding complex to convert the anion ([AlF ⁇ ] 3 "). by anschlie ⁇ sequent treatment with H2SO4 (100 g / l), the strongly acidic cation-exchange material again converted into the H + -load.
  • Example 3 Anodizing of aluminum when using a H2Cr ⁇ 4-containing process solution
  • the aluminum ions are transported by dialysis and electrodialysis from the anode chamber 2 through a porous diaphragm 4 into the auxiliary circuit 51, where the hkSCU concentration there may not exceed a value of 30 g / l, otherwise the strongly acidic cation exchanger 8 partially unloaded again and thus has a total of insufficient efficiency.
  • the cations migrate through a cation exchange membrane 7 into the cathode chamber 6, the protons being transported in a preferred manner because of the higher mobility of the protons.
  • the anions diffused into the auxiliary circulation are prevented by the cation exchange membrane 7 from further migration in the direction of the cathode 9 and thus kept away from it, whereby, for example, a reduction of chromate (CrO 4 2 " ) or dichromate (CrzCb 2" ) Cr (III) is avoided.
  • the anions are electrodialytically transported back into the anolyte 2 *, so that they can be used again for the coating process.
  • a device according to the invention with a total membrane area of 9 dm 2 is used to clean a process solution contaminated with aluminum ions for anodizing aluminum according to the Bengough method.
  • the separation of the cationic foreign substances from the auxiliary circulation takes place by means of a strongly acidic cation exchanger 8 in the H + charge.
  • the charge of the ion exchanger column which is filled with 1 5 I strongly acidic cation exchanger material, follows in an upflow with a feed rate of 10 m / h.
  • electrodes 9 made of stainless steel with an area of 8.4 dm 2 surface are used.
  • the cathode chamber 6 with an approximately 5% H 2 SO 4 solution filled.
  • the cleaning device is operated for a period of 20 hours to clean a contaminated process solution, an amount of aluminum of 1 20 g can be separated off from the contaminated process solution during this time.
  • the strong acid cation exchange material used in the auxiliary circulation is washed after the cleaning process with softened water or demineralized water and then treated with a sodium fluoride solution (about 30 g / l) to the bound by the exchanger 8 aluminum ions in the corresponding complex to convert the anion ([Aife] 3 ").

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen, enthaltend eine Elektrolyseanlage mit einer durch mindestens zwei stromdurchlässige Trennwände, durch die mindestens ein Verbindungsraum gebildet ist, geteilten Zelle, mit mindestens einem Anoden- und einem Kathodenraum, wobei durch den Verbindungsraum (5) ein Hilfskreislauf (51) geführt ist, in dem ein Kationenaustauscher (8) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen, wobei die Prozesslösung (1 *) einem Anodenraum (2) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt wird, an den Elektroden (3, 9) der Elektrolyseanlage eine elektrische Spannung angelegt wird, aus wenigstens einem Verbindungsraum (5) Lösung entnommen und auf einen stark saurem Kationenaustauscher (8) mit H+ -Beladung aufgegeben wird und die aus dem Kationenaustauscher (8) ablaufende Lösung wieder wenigstens einem Verbindungsraum (5) zugeführt wird. Außerdem ein Verfahren zur Regenerierung eines Kationenaustauschers, wobei zunächst vom Kationenaustauscher (8) gebundene Kationen durch Behandlung mit anionischen Komplexbildnern entfernt werden und nachfolgend der Kationentauscher (8) durch die Aufgabe einer Regeneriersäure wieder in die H+-Beladung überführt wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen
Die Erfindung betrifft eine-Vorrichtung zur Entfernung von Fremdstoffen aus Pro¬ zesslösungen nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 , 7 und 9.
Bei der Oberflächenveredelung von metallischen Werkstoffen erfolgt durch Beiz¬ prozesse ein Eintrag von Fremdstoffen, wodurch die Nutzungsdauer der betreffen¬ den Prozesslösungen begrenzt ist. Sobald die Fremdstoffkonzentration einen Grenz¬ wert überschritten hat, muss die Prozesslösung ganz oder teilweise verworfen und abwassertechnisch behandelt werden, da die ansteigende Fremdstoffkonzentration zu unbefriedigenden Beschichtungsergebnissen führt. Um die Prozesslösung wieder in einen funktionsfähigen Zustand zu versetzen, erfolgt in der Regel zum Auskrei¬ sen der Fremdstoffe ein (Teil-) Verwurf an Prozesslösung und zum Ausgleich der Stoffverluste eine Ergänzung der Prozesslösung durch entsprechende Einsatzstoffe. Um den Verwurf von sauren Prozesslösungen durch eine gezielte Abtrennung von Fremdstoffen zu minimieren oder sogar ganz zu vermeiden, sind zu deren Reinigung unterschiedliche Verfahren bekannt, die sich jedoch in der betrieblichen Praxis nicht bewährt haben.
Aus der DE 32 07 776 A1 ist für die elektrodialytische Reinigung von Galvanisier¬ lösungen eine Elektrolyseanlage mit geteilter Zelle bekannt, bei der die Trennung zwischen Anoden- und Kathodenraum durch ein Kationenaustauschermembran er¬ folgen soll. Die zu reinigende Lösung wird in den Anodenraum eingebracht, wäh- rend im Kathodenraum eine alkalische Lösung aus Alkali- oder Ammoniumhydroxid, -carbonat und/oder -hydrogencarbonat eingesetzt wird. Durch Anlegen eines elek¬ trischen Feldes sollen die mehrwertigen Kationen aus dem Anolyten in den Ka- tholyten transportiert und dort wegen des eingestellten pH-Wertes als Hydroxide resp. Carbonate ausgefällt werden. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass der Transport mehrwertiger Kationen durch eine Kationenaustauschermembran in sau¬ ren Lösungen, also in Gegenwart höherer Protonen-Konzentrationen, deutlich ge¬ hemmt ist, da Protonen eine erheblich höhere Beweglichkeit besitzen und daher die Kationenaustauschermembran leichter passieren können als die mehrwertigen Kationen. Daher sind hohe Spannungen an den Elektroden der Elektrolysezelle erfor- derlich, um die mehrwertigen Kationen aus dem Anolyten in den Katholyten zu transportieren. Dies erfordert einen hohen Energieaufwand, was sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens auswirkt. Zudem sind die technisch ver¬ fügbaren Kationenaustauschermembranen empfindlich gegenüber konzentrierten sauren Medien, insbesondere wenn diese oxidierende Bestandteile wie z.B. Dichro- mate enthalten, da konzentrierte Medien die Membranen osmotisch schädigen kön¬ nen. Daher können mit der beschriebenen Anlagenkonfiguration allenfalls verdünnte Lösungen mit hohem Energieaufwand aufbereitet werden, weil die gereinigten Lösungen nach der erfolgten Reinigung mittels geeigneter Konzentrierverfahren, wie z.B. der Verdampfung, wieder auf ihre Ausgangskonzentration gebracht werden müssen. Aufgrund der schlechten Wirksamkeit der elektrodialytischen Reinigung, des hohen erforderlichen Energieaufwandes sowie der unzureichenden Stabilität der eingesetzten Membranen gegenüber konzentrierten Prozesslösungen ist das be¬ kannte Verfahren für die betriebliche Praxis nicht geeignet. Aus der DE 44 08 337 C2 ist eine Zwei-Kammer-Elektrolyseanlage zur elektrodia- lytischen Reinigung von sauren Prozesslösungen bekannt, bei der die Trennung zwischen Anoden- und Kathodenraum durch ein Kunststoffdiaphrama erfolgen soll, das gegenüber konzentrierten Prozeßlösungen eine ausreichende Stabilität aufweist. Die zu reinigende Lösung wird in den Anodenraum der Elektrolysezelle eingebracht. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes sollen die Fremdmetallionen elektrodi- alytisch in den Kathodenraum der Diaphragmaelektrolyseanlage überführt werden, indem durch Zugabe einer Lauge die Fremdmetallionen als Hydroxide gefällt und mittels Filtration abgetrennt werden. In der betrieblichen Praxis zeigt sich jedoch, dass die sauren Bestandteile der Prozesslösung wesentlich schneller in den Katho- lyten transportiert werden, als die Fremdmetalle. Weiterhin sind für die Einstellung des pH-Wertes im Katholyten große Mengen an Lauge erforderlich. Durch die zu¬ gesetzte Lauge und die Diffusion von Inhaltsstoffen aus dem Katholyten in die Pro¬ zesslösung im Anodenraum erfolgt eine Kontamination der zu reinigenden Prozess- lösung mit störenden Fremdstoffen. Die ausgefällten Fremdmetallhydroxide verur¬ sachen zusätzlich eine Verblockung der eingesetzten porösen Kunststoffdiaphrag¬ men, so dass die Reinigungsanlage oftmals bereits nach kurzer Zeit nicht mehr funktionstüchtig ist. Zusätzlich beeinträchtigt die Kontamination der Prozesslösung mit Alkalimetall-Ionen die Funktionsfähigkeit der zu reinigenden Prozesslösung. Auch der in der DE 1 98 1 2 005 A1 beschriebene zusätzliche Einsatz von ge¬ pulstem Gleichstrom kann die beschriebenen Defizite nicht beseitigen.
In der DE 43 1 5 41 1 C2 ist zur Regeneration von verbrauchten Chromsäurelösun¬ gen der Einsatz einer Elektrolyseanlage mit geteilter Zelle vorgeschlagen, bei der die Trennung von Anoden- und Kathodenraum durch eine Kationenaustauschermem¬ bran erfolgt, wobei der Katholyt über einen stark sauren Kationenaustauscher geführt wird, der zuvor mit Säure regeneriert und dadurch in die H+-Beladung über¬ führt wurde. Als Katholyt soll dabei ein Teilstrom an nicht mehr nutzbarer Proze߬ lösung genutzt werden, wobei das in diesem Teilstrom enthaltene Cr(VI) zu Cr(III) reduziert und vom stark sauren Kationenaustauscher sehr fest gebunden wird. Ge¬ mäß der bekannten Selektivität von stark sauren Kationenaustauschern können Cr3+-lonen fast alle anderen Kationen von diesem Kationenaustauschermaterial ver¬ drängen. Wegen der hohen Affinität von Cr3+-lonen ist daher die Regenerierung des Kationenaustauschermaterials schwierig. Es wird daher zur Entfernung der Cr3+- lonen aus dem Kationenaustauscherharz der Einsatz einer 15 %-igen Salzsäure vor¬ geschlagen. Nachdem bereits Spuren von Chlorid in einer Prozesslösung zur galva¬ nischen Chromabscheidung zu sehr großen Problemen führen können, wird an- gegeben, dass das Kationenaustauscherharz Chlorid-frei zu waschen ist, was einen sehr hohen Spülwasseraufwand erfordert und daher nur unter erheblichem Aufwand realisierbar ist. Wie zuvor ausgeführt, ist der Transport mehrwertiger Kat¬ ionen durch eine Kationenaustauschermembran in sauren Lösungen deutlich gehemmt, weshalb für den Transport der mehrwertigen Kationen erhebliche Spannungen an den Elektroden der Elektrolysezelle anliegen müssen. Weiterhin weisen die technisch verfügbaren Kationenaustauschermembranen gegenüber konzentrierten chromsauren Medien nur eine stark eingeschränkte Beständigkeit auf.
Hinzu kommt eine weitere spezifische Problematik: Mehrwertige Kationen wie Al3+, Fe3+ und Cr3+ werden von einem stark sauren Kationenaustauscher sehr stark gebunden. Sie lassen sich nur durch eine besondere Behandlung wieder vom Kationenaustauschermaterial entfernen. Beim Cr3+ kann man hierzu seine gute Oxidierbarkeit im alkalischen Bereich nutzen. Durch eine Behandlung mit Natronlauge und 30 % Wasserstoffperoxid erreicht man, dass das Kation Cr3+ in das Anion Chromat (CrCu2") überführt wird. Nachdem Chromat von Kationenaus¬ tauschermaterial nicht gebunden wird, kann man auf diese Weise eine vollständige Entfernung des Cr3+ aus dem Kationenaustauschermaterial erreichen. Nach der oxidativen Sonderbehandlung mit Natronlauge und 30 % Wasserstoffperoxid befindet sich das Kationenaustauschermaterial in der Na-Beladung und kann durch den Einsatz einer Regeneriersäure wieder in die H+-Beladung überführt werden, wobei auch der Einsatz von Schwefelsäure zu guten Regenerierergebnissen führt. Somit kann bei Bedarf auf den Einsatz von Salzsäure als Regeneriersäure verzichtet werden. Dies ist insbesondere bei bestimmten Prozesslösungen (galvanische Chromabscheidung, Anodisieren von Aluminium etc.) relevant, da hier Chloride große Störungen in den Beschichtungsprozessen verursachen und daher der Einsatz von Salzsäure als Regeneriersäure ausgeschlossen ist. Problematischer gestaltet sich die Entfernung von Fe3+. Beim Einsatz von Salzsäure als Regeneriersäure bildet sich bei Fe3+ bei hohen Chloridkonzentrationen ein anionischer Chlorokomplex, so dass Fe3+-lonen ohne größere Probleme aus einem stark sauren Kationenaustauschermaterial entfernt werden können. Ist der Einsatz von Salzsäure aus prozesstechnischen Gründen nicht möglich, so ist die Abtren¬ nung von Fe3+ derzeit mit erheblichem Chemikalien- und Wasseraufwand verbun¬ den.
Für die Entfernung von Al3+ aus dem stark sauren Kationenaustauschermaterial ist derzeit kein entsprechender Vorbehandlungsschritt bekannt, so dass die Entfernung dieser Ionen nur mit erheblichem Chemikalien- und Wasseraufwand möglich ist.
Da die vorbekannten Verfahren sich aufgrund der aufgezeigten Probleme als nicht praxistauglich erwiesen haben, ist der Stand der Technik durch den Verwurf nicht mehr nutzbarer Prozesslösungen, die abwassertechnische Behandlung dieses Teil¬ stroms und den Ausgleich der Stoffverluste durch den Einsatz von Frischchemika¬ lien gekennzeichnet. Hierdurch werden hohe Kosten und Umweltbelastungen ver¬ ursacht, da die Rückstände der abwassertechnischen Behandlung in der Regel als schwermetallhaltiger Sonderabfall deponiert werden müssen.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen zu schaf¬ fen, die eine wirtschaftlich sinnvolle und praxistaugliche Entfernung der eingetrage¬ nen Fremdstoffe aus einer Prozesslösung insbesondere zur Behandlung von Metall- Oberflächen ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass durch den Verbindungsraum ein Hilfskreislauf geführt ist, in dem ein Kationen¬ austauscher angeordnet ist.
Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Entfernung von Fremdstoffen aus Pro- zesslösungen geschaffen, die eine wirtschaftlich sinnvolle und praxistaugliche Entfernung der eingetragenen Fremdstoffe aus einer Prozesslösung insbesondere zur Behandlung von Metalloberflächen ermöglicht. Vorzugsweise ist mindestens eine der Trennwände ein poröses Diaphragma oder eine Kationenaustauschermembran. Durch den Einsatz eines porösen Diaphragmas oder einer entsprechenden Kationenaustauschermembran können Fremdstoffe aus einer konzentrierten Prozesslösung in den Hilfskreislauf überführt werden, aus dem die Fremdstoffe durch geeignete lonenaustauschmaterialien selektiv und mit hoher Effizienz entfernt werden können. Durch die geeignete Wahl des Materials und der Porenweite des eingesetzten Diaphragmas sowie über die an die Elektroden an¬ gelegte Spannung können im Hilfskreislauf die Konzentrationen der beteiligten Komponenten so eingestellt werden, dass die Abtrennung der Fremdstoffe mit ho- her Effizienz erfolgt und gleichzeitig die empfindlichen Komponenten der Reini¬ gungsvorrichtung nicht geschädigt werden.
Die erfindungsgemäße Zellkonfiguration der Mehrkammerelektrolyseanlage ermöglicht neben dem Transport der Fremdstoffe auch den elektrodialytischen Rücktransport von Inhaltsstoffen der Prozesslösung, die im Zuge des Reinigungs¬ vorganges in den Hilfskreislauf diffundiert waren. Beide Vorgänge bewirken, dass die Fremdstoffe aus der Prozesslösung entfernt und die für den Oberflächen- behandlungsprozess erforderlichen Inhaltsstoffe wieder in die Prozesslösung zurückgeführt werden. Die gereinigte Prozesslösung kann dadurch weiter für den Oberflächenbehandlungsprozess genutzt werden, wobei das Reinigungsverfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Entfernung von metallischen Fremdstoffen aus einer Vielzahl von vorzugsweise sauren Prozesslösungen eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu den vorbekannten Verfahren kommt dabei eine Vorrichtungskombination von Membranelektrolyse und lonenaustausch zum Einsatz, wobei bei der Membranelektrolyse eine 3-Kammer-Zelle zu Einsatz kommt. Durch die Abschirmung des Kathodenraumes durch eine Kationenaustauschermembran wird beispielsweise bei der Reinigung Chromsäure¬ haltiger Lösungen eine unerwünschte Reduktion von Chromat an der Kathode ver¬ mieden. Zusätzlich kann auf den Zusatz problematischer Stoffe verzichtet werden, durch die ggf. eine Kontamination der Prozesslösung erfolgen könnte.
In Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der Trennwände ein poröses Diaphragma oder eine Kationenaustauschermembran. Hierdurch wird eine Trennung zwischen Anoden- und Kathodenraum bei gleichzeitiger Fremdstoffdurchgängigkeit erzielt.
Bevorzugt ist jeweils die Anode beidseitig mit Diaphragmen und jeweils die Kathode beidseitig mit Kationenaustauschermembranen bestückt. Hierdurch wird eine Tren¬ nung des Anolyten bzw. des Katholyten von der Lösung des Hilfskreislaufs erreicht. Weiterhin können Membranelektrodeneinheiten gebildet werden, die je nach Fremd¬ stoffmenge paarweise der Zelle zugefügt oder entnommen werden können.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Kationenaustauscher ablaufseitig an Vertei¬ lungsrohre mit Düsenstocksystem angeschlossen, die in der Zelle angeordnet sind. Hierdurch wird eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung der Inhaltsstoffe im Hilfskreislauf in der Elektrolysewanne erreicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Anolyt- und/oder Katholyt- Versor¬ gung mindestens eine Pumpe vorgesehen, die mit einem Düsenstocksystem ver¬ bunden ist. Hierdurch wird eine gleichmäßige Durchmischung erzielt.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen zu schaffen, das eine wirtschaftlich sinn¬ volle und praxistaugliche Entfernung der eingetragenen Fremdstoffe aus einer Pro¬ zesslösung insbesondere zur Behandlung von Metalloberflächen ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Prozesslösung einem Anodenraum einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt wird, an den Elektroden der Elektrolyseanlage eine elektrische Spannung angelegt wird, aus wenigstens einem Verbindungsraum Lösung entnommen und auf einen stark saurem Kationenaustauscher in der H+-Beladung aufgegeben wird und die aus dem Kationenaustauscher ablaufende Lösung wieder wenigstens einem Verbindungsraum zugeführt wird.
Mit der Erfindung ist ein Verfahren zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozess¬ lösungen geschaffen, das eine wirtschaftlich sinnvolle und praxistaugliche Entfer- nung der eingetragenen Fremdstoffe aus einer Prozesslösung insbesondere zur Be¬ handlung von Metalloberflächen ermöglicht.
In Ausgestaltung der Erfindung wird die aus dem Kationenaustauscher ablaufende Lösung über Verteilrohre mit Düsenstocksystem in mindestens einer Verbindungs¬ raum verteilt. Hierdurch wird eine gute Durchmischung der Lösung des Hilfskreis- laufs erzielt.
Der Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regenerierung eines Kationenaustauschers insbesondere zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen zu schaffen, das eine effiziente und wirtschaftlich sinnvolle Ent¬ fernung der eingetragenen Fremdstoffe aus einer Prozesslösung insbesondere zur Behandlung von Metalloberflächen ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zunächst vom Kationenaustauscher gebundene Ka- tionen durch Behandlung mit anionischen Komplexbildnern entfernt werden und nachfolgend der Kationenaustauscher durch die Aufgabe einer Regeneriersäure wieder in die H+-Beladung überführt wird.
Mit der Erfindung ist ein Verfahren zur Regenerierung eines Kationenaustauschers insbesondere zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen geschaffen, das eine effiziente und wirtschaftlich sinnvolle Entfernung der eingetragenen Fremdstoffe aus einer Prozesslösung insbesondere zur Behandlung von Metallober¬ flächen ermöglicht.
In Ausgestaltung der Erfindung wird als Komplexbildner Fluorid als anionischer Li- gand eingesetzt. Beim Einsatz von Fluorid als anionischer Ligand in Verbindung mit einer abwassertechnischen Behandlung der entsprechenden Teilströme mit Kalk¬ milch kann der gewünschte Regeneriereffekt erreicht und zusätzlicher Aufwand bei der abwassertechnischen Behandlung vermieden werden, da Fluorid einerseits mit Al3+ oder Fe3+ stabile Fluoridkomplexanionen bildet, andererseits aber die Fluorid- lonen bei der abwassertechnischen Behandlung mit Kalkmilch als Calciumfluorid gefällt und damit aus dem Abwasserteilstrom abgetrennt werden. Bevorzugt ist das Fluorid Alkalimetall- oder Ammoniumfluorid, vorzugsweise Natri- umfluorid. Durch die Vorbehandlung eines beladenen Austauschers mit einem Alka¬ limetall- oder Ammoniumfluorid, vorzugsweise Natriumfluorid, wird dieser zunächst in die entsprechende Alkalimetall- oder Ammoniumbeladung überführt, und kann durch den Einsatz einer Regeneriersäure wieder in die H+- Beladung überführt werden, wobei auch der Einsatz von Schwefelsäure zu guten Regenerierergebnis¬ sen führt. Somit kann bei Bedarf auf den Einsatz von Salzsäure als Regeneriersäure verzichtet werden, insbesondere bei Prozesslösungen (galvanische Chromabschei- dung, Anodisieren von Aluminium etc.), bei denen Chloride große Störungen in den Beschichtungsprozessen verursachen und daher der Einsatz von Salzsäure als Re¬ generiersäure ausgeschlossen ist.
Durch den erfindungsgemäßen zweistufigen Regeneriervorgang kann eine gute Ab¬ trennung der mehrwertigen Kationen aus dem stark sauren Kationenaustauscher- material erreicht werden, so dass die gesamte Kapazität des stark sauren Kationen¬ austauschermaterials weiter für die Reinigung der Prozesslösung genutzt werden kann.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Un- teransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich¬ nung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Reinigungsverfahrens unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernung von
Fremdstoffen aus Prozesslösungen.
Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vorrichtung zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen gemäß Figur 1 besteht im Wesentlichen aus einer Elektrolyse- zelle 10, in der gegenüberliegend eine Anode 3 und eine Kathode 9 angeordnet sind. Zwischen Anode 3 und Kathode 9 sind parallel zueinander anodenseitig ein Diaphragma 4 und kathodenseitig eine Kationenaustauschermembran 7 vorgese¬ hen, so dass drei Räume gebildet sind: ein anodenseitiger Anodenraum 2, ein ka- thodenseitiger Kathodenraum 6 und ein zwischen Diaphragma 4 und Kati¬ onenaustauschermembran 7 gebildeter Verbindungsraum 5. Der Verbindungsraum 5 enthält einen Hilfskreislauf 51 , in dem ein Kationenaustauscher 8 angeordnet ist.
Die Prozesslösung 1 *, die von kationischen Verunreinigungen gereinigt werden soll, wird dem Anodenraum 2 der Reinigungsvorrichtung zugeführt. Der Hilfskreislauf enthält eine verdünnte Prozesslösung, da ein Teil der Inhaltsstoffe der Prozess¬ lösung aus dem Anolyten 2* durch das Diaphragma in den Hilfskreislauf 51 diffun¬ dieren kann. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 3, 9 in der Elektrolysezelle 10 wird ein elektrisches Feld aufgebaut, durch das ein elektro- dialytischer Transport von Ionen bewirkt wird. Der zwischen Auslauf 52 und Ablauf 53 des Verbindungsraums 5 angeschlossene Kationenaustauscher 8 ist stark sauer und befindet sich in der H+-Beladung.
Der Transport von Protonen (H+) und anderen Kationen (Me2+) sowie den zugehöri¬ gen Anionen (Ax ) aus dem Anodenraum 2 durch das Diaphragma 4 in den Verbindungsraum 5 erfolgt dialytisch infolge der unterschiedlichen Konzentrationen der jeweiligen Komponenten im Anodenraum 2 und im Hilfskreislauf 51 . Zusätzlich werden die Protonen (H+) und anderen Kationen (Mez+) auch elektrodialytisch aus dem Anodenraum 2 in den Hilfskreislauf 51 überführt, während die Anionen (Ax ) elektrodialytisch aus dem Hilfskreislauf 51 wieder in den Anodenraum 2 zurück¬ geführt werden. Dadurch werden die kationischen Verunreinigungen aus dem Ano¬ denraum 2 in den Hilfskreislauf 51 überführt.
Die Lösung des Hilfskreislaufs 51 wird der Kammer 5 entnommen und dem stark sauren Kationenaustauscher 8 aufgegeben, der sich in der H+-Beladung befindet. Dadurch werden mehrwertige Kationen am Kationenaustauschermaterial gebunden und damit aus dem Hilfskreislauf 51 entfernt. Gleichzeitig wird von Kationenaus¬ tauschermaterial eine äquivalente Menge an Protonen freigesetzt und in die Lösung des Hilfskreislaufs 51 eingetragen. Die aus dem Kationenaustauscher 8 ablaufende Lösung wird wieder dem Verbindungsraum 5 zugeführt, wodurch gleichzeitig eine gute Durchmischung dieses Raums 5 erreicht wird. Hierdurch pegelt sich die Kon- zentration der mehrwertigen Kationen im Hilfskreislauf 51 auf einem niedrigen Ni¬ veau ein.
Die Protonen (H+) und anderen Kationen (Me2+) können aus dem Hilfskreislauf 51 durch die Kationenaustauschermembran 7 in die Kathodenkammer 8 transportiert werden, wobei der Transport der Protonen (H+) bevorzugt erfolgt, da Protonen eine höhere Beweglichkeit besitzen und zusätzlich durch die Behandlung der Lösung des Hilfskreislaufes 51 mit dem stark sauren Kationenaustauschermaterial des Kati¬ onenaustauschers 8 die Konzentration der mehrwertigen Kationen vermindert und die Konzentration der Protonen im Hilfskreislauf 51 angehoben wird.
Die Membranfläche der Reinigungseinrichtung ist an den Fremdstoffeintrag anzu¬ passen, wobei die erforderliche Membranfläche durch eine Mehrfachanordnung der in Figur 1 dargestellten Räume 2, 5, 6 erreicht werden kann.
In Figur 2 ist schematisch eine Vorrichtung zur Entfernung von Fremdstoffen mit¬ tels einer Verfahrenskombination von Membranelektrolyse und lonenaustausch für den Einsatz in der betrieblichen Praxis dargestellt, wobei in diesem Ausführungsbei¬ spiel je zwei Anodenelemente 1 1 und zwei Kathodenelemente 1 2 vorgesehen sind. Je nach zu entfernender Fremdstoffmenge können in eine ausreichend dimensio¬ nierte Elektrolysezelle 10 paarweise Membranelektrodeneinheiten 1 1 , 12 hinzuge¬ fügt oder entfernt werden. Beim Austausch einer Membran 4, 7 muss hier nur die betreffende Membranelektrodeneinheit stillgelegt und aus der Elektrolysezelle 10 herausgenommen werden. Die restliche Anlage bleibt funktionsfähig.
Die Reinigungsvorrichtung gemäß Figur 2 besteht im Wesentlichen aus einer Zelle in Form einer Elektrolysewanne 10, die aus Kunststoff oder gummiertem Stahl her¬ gestellt ist und in der sich die Lösung des Hilfskreislaufs 51 befindet. Die Lösung des Hilfskreislaufs 51 wird über eine Pumpe der Elektrolysewanne 10 entnommen und einen stark sauren Kationenaustauscher 8 in der H+-Beladung aufgegeben, der sich in einer lonenaustauschersäule befindet. Die aus dem Kationenaustauscher 8 ablaufende Lösung des Hilfskreislaufes 51 wird über Verteilrohre mit Düsenstock- system 13 in der Elektrolysewanne 10 verteilt. Dadurch wird eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung der Inhaltsstoffe im Hilfskreislauf 51 in der Elektrolyse¬ wanne 10 erreicht.
Die Anoden 3 befinden sich in Membranelektrodeneinheiten 1 1 , die beidseitig mit Diaphragmen 4 bestückt sind. Dadurch wird eine Trennung des Anolyten 2* von der Lösung des Hilfskreislaufes 5 erreicht. Der Anolyt 2* wird über eine Pumpe aus einem Vorratsgefäß 14 über Verteilungsrohre mit Düsenstocksystem 15 in die Membranelektrodeneinheiten 1 1 gefördert und läuft über eine Sammelleitung drucklos in das Vorratsgefäß 1 1 zurück. Über Verteilrohre mit Düsenstocksystem 13 am Boden der Membranelektrodeneinheit wird für eine gute Durchmischung ge¬ sorgt.
Die Kathoden 9 befinden sich in Membranelektrodeneinheiten 1 2, die beidseitig mit Kationenaustauschermembranen 7 bestückt sind. Dadurch wird eine Trennung des Katholyten 6* von der Lösung des Hilfskreislauf s 51 erreicht. Der Katholyt 6* wird über eine Pumpe aus einem Vorratsgefäß 1 6 über Verteilungsrohre mit Düsenstock¬ system 1 7 in die Membranelektrodeneinheiten 1 2 gefördert und läuft über eine Sammelleitung drucklos in das Vorratsgefäß des Katholyten zurück. Über das Dü- senrohrsystem am Boden der Membranelektrodeneinheit 1 2 wird für eine gute Durchmischung gesorgt.
Die gereinigte Prozesslösung 1 * wird nach Bedarf in die Prozesswanne 1 zurückge¬ fördert, während gleichzeitig die zu reinigende Prozesslösung der Prozesswanne 1 entnommen und in den Vorratsbehälter 14 des Anolyten 2* gefördert wird. Dies erlaubt eine kontinuierliche Reinigung des Beschichtungsbades, da die Reinigungs¬ vorrichtung im Nebenschluß zur Prozesswanne 1 betrieben wird.
Die Einsatzmöglichkeiten der Vorrichtung und des Verfahrens zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen werden anhand der nachfolgend aufgeführten Anwendungsbeispiele erläutert:
Beispiel 1 : Prozeßlösung zum Verchromen, die kationische Verunreinigung wie Natrium, Eisen, Aluminium oder Cr(III) enthält Bei der galvanischen Abscheidung von Chrom aus einer chromsauren Lösung er¬ folgt durch Beiz- und/oder Entmetallisierungsvorgänge ein Eintrag von Fremdmetal¬ len in die Prozesslösung, die deren Nutzungsdauer begrenzt. Die Art der eingetra- gen Fremdstoffe ist abhängig vom Grundwerkstoff der zu beschichtenden Teile. Daher wird beim sog. Hartverchromen von Stahlwerkstücken im wesentlichen Eisen in die Prozesslösung eingetragen.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Regenerierverfahrens wird der größte Teil des in der Prozesslösung enthaltenen Cr(III) in der saueren Lösung ano¬ disch zu Dichromat (Cr2θ72 ) oxidiert. Die verbleibenden kationischen Fremdstoffe (Cr(lll)-Ionen, Kationen aus dem Grundmaterial, Natrium-Ionen) werden dialytisch und elektrodialytisch aus dem Anodenraum 2 durch ein poröses Diaphragma 4 in den Hilfskreislauf 51 transportiert. Durch die kontinuierliche Aufgabe der Lösung des Hilfskreislaufes 51 auf einen starksauren Kationenaustauscher 8 in der H+-Be- ladung werden diese Fremdstoffe wieder aus dem Hilfskreislauf 51 entfernt. Dabei wird eine äquivalente Menge an Protonen vom Kationenaustauscher 8 freigesetzt.
Die Kationen wandern durch eine Kationenaustauschermembran 7 in den Kathoden- räum 6, wobei wegen der höheren Beweglichkeit der Protonen diese bevorzugt transportiert werden. Die in den Hilfskreislauf 51 diffundierten Anionen werden von der Kationenaustauschermembran 7 an einer weiteren Wanderung in Richtung der Kathode 9 gehindert und damit von dieser ferngehalten, wodurch z.B. eine Reduk¬ tion von Chromat (CrO4 2") resp. Dichromat (Cr2Ü72") zu Cr(III) vermieden wird. Die Anionen werden elektrodialytisch wieder in den Anolyten 2* zurücktransportiert, so dass diese wieder für den Beschichtungsprozess genutzt werden können.
Zur Reinigung einer mit Eisen-Ionen verunreinigten Prozesslösung zum Hartverchro¬ men wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Membranfläche von insge- samt 9 dm2 eingesetzt. Die Abtrennung der kationischen Fremdstoffe erfolgt durch einen starksauren Kationenaustauscher 8 in der H+-Beladung. Die Beladung der lonenaustauschersäule, die mit 1 5 I starksaurem Kationenaustauschermaterial ge¬ füllt ist, erfolgt im Aufstrom mit einer Aufgabegeschwindigkeit von 10 m/h. Der Anodenraum 2 wird mit Bleianoden mit einer Oberfläche von 10,2 dm2 bestückt, während im Kathodenraum 6 Elektroden aus Edelstahl mit einer Fläche von 8,4 dm2 Oberfläche zum Einsatz kommen. Der Kathodenraum 6 wird mit einer ca. 5 %-igen H2SO4-Lösung gefüllt.
Die Vorrichtung wird mit einer anodischen Stromdichte von 300 A/m2 betrieben, wozu an die Elektroden eine Spannung von 4,7 V angelegt wird. Zur Reinigung einer verunreinigten Prozesslösung wird die Vorrichtung über einen Zeitraum von 20 Stunden betrieben. In dieser Zeit kann der Eisengehalt in 25 I Lösung von 8,4 g/l auf 2,0 g/l abgesenkt werden. Gleichzeitig erfolgt auch die anodische Oxi- dation von Cr(III), so dass am Ende der Reinigungskonzentration der Gehalt an Cr(IlI) unterhalb von 0,1 g/l liegt.
Die gereinigte Prozesslösung kann anschließend wieder für die Hartverchromung eingesetzt werden. In der betrieblichen Praxis ist es vorteilhaft, die erfindungsge¬ mäße Vorrichtung parallel zur Prozesslösung zu betreiben, um über die regelmäßige Entfernung von Fremdstoffen gleichmäßige Betriebsbedingungen erreichen zu kön¬ nen.
Das in der lonenaustauschersäule eingesetzte starksaure Kationenaustauscher- material wird nach dem Reinigungsvorgang mit enthärtetem Wasser oder voll entsalztem Wasser gewaschen und anschließend mit einer Natriumfluorid-Lösung (ca. 30 g/l) behandelt, um das vom Austauscher gebundene Fe(III) in das entspre¬ chende komplexe Anion ([FeFe]3") zu überführen. Nachdem Cr(III) durch eine Be- handlung des starksauren Kationenaustauschermaterials mit H2SO4 nur unvollstän¬ dig aus diesem entfernt wird, erfolgt nach einigen Beladungen zusätzlich eine Be¬ handlung mit Natronlauge und Wasserstoff peroxyd. Dadurch kann eine weitge¬ hende Entfernung von Cr(III) in Form von Chromat aus dem Kationenaustauscher¬ material erreicht werden.
Durch die anschließende Behandlung mit H2SO4 (ca. 100 g/l) wird das starksaure Kationenaustauschermaterial wieder in die H+-Beladung überführt. Der abschlie¬ ßende Waschvorgang erfolgt mit vollentsalztem Wasser (VE-Wasser), damit eine Vorbeladung des starksauren Kationenaustauschermaterials mit Na+-Ionen oder anderen Wasserinhaltsstoffen vermieden wird. Die Eluate des starksauren Kat¬ ionenaustauschers werden abwassertechnisch behandelt.
Beispiel 2: Anodisieren von Aluminium beim Einsatz einer HteSCU-haltigen Prozesslösung
Beim Anodisieren von Aluminium in einer hhSCU-haltigen Prozeßlösung (ca. 200 g/l H2SO4) erfolgt parallel zur anodischen Oxidation der Aluminiumoberfläche auch ein Beizangriff auf die Oberfläche, wodurch in Abhängigkeit der behandelten Werk¬ stückoberfläche ein Aluminiumeintrag von ca. 8 bis 10 g/m2 erfolgt. Oberhalb einer Aluminiumkonzentration von ca. 20 g/l sinkt die Stromausbeute der anodischen Oxidation in der H2SO4-haltigen Prozeßlösung und es werden nicht mehr die er¬ forderlichen Schichteigenschaften erreicht. Zur Verlängerung der Nutzungsdauer der Prozeßlösung ist eine Abtrennung des eingetragenen Aluminiums erforderlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt durch die anodische Zersetzung von Wasser auch eine Rückbildung der gebunden Säure. Die Aluminium-Ionen werden dialytisch und elektrodialytisch aus der Anodenkammer 2 durch ein poröses Dia- phragma 4 in den Hilfskreislauf 51 transportiert, wobei dort die H2SO4-Konzen- tration einen Wert von 30 g/l nicht überschreiten darf, da andernfalls der starksaure Kationenaustauscher 8 teilweise wieder entladen wird und damit die Effizienz des Verfahrens sinkt.
Die Kationen wandern durch eine Kationenaustauschermembran 7 in die Kathoden¬ kammer 6, wobei wegen der höheren Beweglichkeit der Protonen diese bevorzugt transportiert werden. Die in den Hilfskreislauf diffundierten Anionen werden elektrodialytisch wieder in den Anolyten 2* zurücktransportiert, so dass diese wieder für den Oberflächenbehandlungsprozess genutzt werden können.
Zur Reinigung einer mit Aluminium-Ionen verunreinigten Prozesslösung zum Anodi¬ sieren von Aluminiumoberflächen wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Membranfläche von insgesamt 9 dm2 eingesetzt. Die Abtrennung der kationischen Fremdstoffe aus dem Hilfskreislauf erfolgt durch einen starksauren Kationenaustau¬ scher in der H+-Beladung. Die Beladung der lonenaustauschersäule, die mit 1 5 I starksaurem Kationenaustauschermaterial gefüllt ist, erfolgt im Aufstrom mit einer Aufgabegeschwindigkeit von 10 m/h. Als Anoden 3 wird platziertes Titan-Streck- metall mit einer lichten Oberfläche von 6, 1 dm2 verwendet, während im Kathoden¬ raum 6 Elektroden 9 aus Edelstahl mit einer Fläche von 8,4 dm2 Oberfläche zum Einsatz kommen. Der Kathodenraum 6 wird mit einer ca. 5 %-igen H2SO4 Lösung gefüllt.
Wird die Reinigungsvorrichtung zur Reinigung einer verunreinigten Prozesslösung über einen Zeitraum von 20 Stunden betrieben, kann in dieser Zeit aus 25 I Lösung eine Aluminiummenge von 1 50 g abgetrennt werden.
Das in der lonenaustauschersäule eingesetzte starksaure Kationenaustauscher- material wird nach dem Reinigungsvorgang mit enthärtetem Wasser oder voll entsalztem Wasser gewaschen und anschließend mit einer Natriumfluorid-Lösung (ca. 30 g/l) behandelt, um die vom Austauscher gebundenen Aluminium-Ionen in das entsprechende komplexe Anion ([AlFβ]3") zu überführen. Durch die anschlie¬ ßende Behandlung mit H2SO4 (ca. 100 g/l) wird das starksaure Kationenaus- tauschermaterial wieder in die H+-Beladung überführt. Der abschließende Wasch¬ vorgang erfolgt mit VE-Wasser, damit eine Vorbeladung des starksauren Kationen¬ austauschermaterials mit Na+-Ionen oder anderen Wasserinhaltsstoffen vermieden wird. Die Eluate des starksauren Kationenaustauschers werden abwassertechnisch behandelt.
Beispiel 3: Anodisieren von Aluminium beim Einsatz einer H2Crθ4-haltigen Prozesslösung
Beim Anodisieren von Aluminium in einer Chromsäure-haltigen Prozesslösung er- folgt parallel zur anodischen Oxidation der Aluminiumoberfläche auch ein Beizan¬ griff auf die Oberfläche, wodurch ein Aluminiumeintrag erfolgt. Zur Verlängerung der Nutzungsdauer der Prozesslösung ist eine Abtrennung des eingetragenen Alu¬ miniums erforderlich. Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt durch die anodische Zersetzung von Wasser eine Rückbildung der gebunden Säure und eine Oxidation von gebildeten Cr(lll)-Ionen. Die Aluminium-Ionen werden dialytisch und elektrodialytisch aus der Anodenkammer 2 durch ein poröses Diaphragma 4 in den Hilfskreislauf 51 trans- portiert, wobei dort die hkSCU-Konzentration einen Wert von 30 g/l nicht über¬ schreiten darf, da andernfalls der starksaure Kationenaustauscher 8 teilweise wie¬ der entladen wird und damit insgesamt eine nicht ausreichend Effizienz besitzt.
Die Kationen wandern durch eine Kationenaustauschermembran 7 in die Kathoden- kammer 6, wobei wegen der höheren Beweglichkeit der Protonen diese bevorzugt transportiert werden. Die in den Hilfskreislauf diffundierten Anionen werden von der Kationenaustauschermembran 7 an einer weiteren Wanderung in Richtung der Kathode 9 gehindert und damit von dieser ferngehalten, wodurch z.B. eine Reduk¬ tion von Chromat (CrO4 2") resp. Dichromat (CrzCb2") zu Cr(III) vermieden wird. Die Anionen werden elektrodialytisch wieder in den Anolyten 2* zurücktransportiert, so dass diese wieder für den Beschichtungsprozess genutzt werden können.
Zur Reinigung einer mit Aluminium-Ionen verunreinigten Prozesslösung zum Ano- disieren von Aluminium nach dem Bengough-Verfahren wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Membranfläche von insgesamt 9 dm2 eingesetzt. Die Ab¬ trennung der kationischen Fremdstoffe aus dem Hilfskreislauf erfolgt durch einen starksauren Kationenaustauscher 8 in der H+-Beladung. Die Beladung der lonenaus- tauschersäule, die mit 1 5 I starksaurem Kationenaustauschermaterial gefüllt ist, er¬ folgt im Aufstrom mit einer Aufgabegeschwindigkeit von 10 m/h. Als Anode 3 werden Elektroden mit platiniertem Titan-Streckmetall mit einer lichten Oberfläche von 6,1 dm2 verwendet, während im Kathodenraum 6 Elektroden 9 aus Edelstahl mit einer Fläche von 8,4 dm2 Oberfläche zum Einsatz kommen. Der Kathodenraum 6 wird mit einer ca. 5 %-igen H2SO4 Lösung gefüllt.
Wird die Reinigungsvorrichtung zur Reinigung einer verunreinigten Prozesslösung über einen Zeitraum von 20 Stunden betrieben, kann in dieser Zeit aus der ver¬ unreinigten Prozesslösung eine Aluminiummenge von 1 20 g abgetrennt werden. Das im Hilfskreislauf eingesetzte starksaure Kationenaustauschermaterial wird nach dem Reinigungsvorgang mit enthärtetem Wasser oder voll entsalztem Wasser ge¬ waschen und anschließend mit einer Natriumfluorid-Lösung (ca. 30 g/l) behandelt, um die vom Austauscher 8 gebundenen Aluminium-Ionen in das entsprechende komplexe Anion ([AIFe]3") zu überführen. Nachdem Cr(III), das in geringem Ausmaß in den Hilfskreislauf gelangt, durch eine Behandlung des starksauren Kationen¬ austauschermaterial mit H2SO4 nur unvollständig aus diesem entfernt wird, erfolgt nach einigen Beladungen zusätzlich eine Behandlung mit Natronlauge und Wasserstoffperoxid. Dadurch kann eine weitgehende Entfernung von Cr(III) in Form von Chromat aus dem Kationenaustauschermaterial erreicht werden. Durch die an¬ schließende Behandlung mit H2SO4 (ca. 100 g/l) wird das starksaure Kationen¬ austauschermaterial wieder in die H+- Beladung überführt. Der abschließende Waschvorgang erfolgt mit VE-Wasser, damit eine Vorbeladung des starksauren Kationenaustauschermaterials mit Na+-Ionen oder anderen Wasserinhaltsstoffen vermieden wird. Die Eluate des stark sauren Kationenaustauschers werden ab¬ wassertechnisch behandelt.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen, enthaltend eine Elektrolyseanlage mit einer durch mindestens zwei semipermeable Trennwände, durch die mindestens ein Verbindungsraum gebildet ist, geteilten
Zelle, mit mindestens einem Anoden- und einem Kathodenraum, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Verbindungsraum (5) ein Hilfskreislauf (51 ) geführt ist, in dem ein Kationenaustauscher (8) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Trennwände (4, 7) ein poröses Diaphragma oder eine Kationenaustauscher¬ membran ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig mindestens einer Anode (3) und einer Kathode (9) eine semipermeable Trennwand (4, 7) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Anode (3) beidseitig mit Diaphragmen (4) und jeweils die Kathode (9) beidseitig mit Kationenaustauschermembranen (7) bestückt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kationenaustauscher (8) ablaufseitig an Verteilungsrohre mit Düsen- stocksystem (13) angeschlossen ist, die in der Zelle (1 ) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anolyt- und/oder Katholyt- Versorgung mindestens eine Pumpe vor- gesehen ist, die mit einem Düsenstocksystem (13) verbunden ist.
7. Verfahren zur Entfernung von Fremdstoffen aus Prozesslösungen, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Prozesslösung (1 *) einem Anodenraum (2) einer Vorrichtung gemäß einem der vorgenannten Ansprüche zugeführt wird, an den Elektroden (3, 9) der Elektrolyseanlage eine elektrische Spannung angelegt wird, aus wenigstens einem Verbindungsraum (5) Lösung entnommen und auf einen stark saurem Kationenaustauscher (8) in der H+-Beladung aufgegeben wird und die aus dem Kationenaustauscher (8) ablaufende Lösung wieder wenigstens einem Verbindungsraum (5) zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Kati¬ onenaustauscher (8) ablaufende Lösung über Verteilrohre mit Düsenstocksys¬ tem (13) in mindestens einem Verbindungsraum (5) verteilt wird.
9. Verfahren zur Regenerierung eines Kationenaustauschers, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst vom Kationenaustauscher (8) gebundene Kationen durch Behandlung mit anionischen Komplexbildnern entfernt werden und nachfolgend der Kationentauscher (8) durch die Aufgabe einer Regeneriersäure wieder in die H+-Beladung überführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Komplexbildner Fluorid als anionischer Ligand eingesetzt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fluorid um Alkalimetall- oder Ammoniumfluorid, vorzugsweise Natriumfluorid handelt.
1 2. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Behandlung resultierenden Abwasserteilströme mit Kalkmilch behandelt werden.
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