Bauteilreinigung. Minimierung von Abluft, Abwasser, Abfall. Brigitte Haase. Hochschule Bremerhaven (D)

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1 Bauteilreinigung Minimierung von Abluft, Abwasser, Abfall Brigitte Haase Hochschule Bremerhaven (D)

2 Inhalt Definition: Was ist Reinigung? Woher kommen Verunreinigungen? Reinigungsverfahren Reinigen mit flüssigen Reinigungsmitteln Reinigungsanlage Abluft, Abwasser, Abfall

3 Bauteilreinigung Entfernen unerwünschter Bestandteile von Bauteiloberflächen "Verunreinigung","Schmutz", "Kontamination" mit unbekannter Zusammensetzung, in Form von Motivation: - Schichten oder Filmen, - Partikeln. Die Verunreinigung behindert die Fertigung oder Bearbeitung z.b.: Kühlschmiermittel-Rückstände beim Gasnitrieren Die Verunreinigungen beeinträchtigen die Funktion eines Bauteils oder Systems z.b.: Partikel in Diesel-Einspritzsystemen Aussehen "schlechtes Aussehen = schlechtes Teil" Bauteilreinigung ist ein wertschöpfender Teilschritt in der Fertigungslinie!

4 Herkunft von Verunreinigungen Fertigung, Lagerung und Transport Schneidöle, Abschreckmedien, Hydraulik- und Bettbahnöle,... Emulsionen Späne Korrosionsschutzmittel Werkzeugabrieb Reinigungsmittel Strahlmittelrückstände... Staub unspezifizierter "Schmutz" Schmutz Abfall

5 Chemische Zusammensetzung von Verunreinigungen "Periodensystem der Elemente" Mineralöle synthetische Öle Polymere andere organische Verbindungen... Metallpartikeln Metalloxide Silicate, Carbonate, Chloride,... Ruß, Graphit - große Mengen - dünne Filme -Partikeln - Mischungen (Synergieeffekte) - wasserlöslich - nicht-wasserlöslich - löslich in Lösemitteln - schlecht löslich - nichtlöslich andere anorganische Verbindungen...

6 Aufbau einer Metalloberfläche Bindungskräfte Kontaminationsschicht contamination layer, > 1 µm Sorptionsschicht sorption layer, 1-10 nm Reaktionsschicht reaction layer, 1-10 nm verformte Grenzschicht deformed boundary layer, > 1 µm Grundwerkstoff base material

7 Reinigungsverfahren Energieeintrag Abluft schmutzige Teile Wärme Mechanik Reinigungsmittel saubere, trockene Teile Reinigungsanlage Behandlungsdauer Verweilzeit Abwasser Abfall

8 Reinigungsanlage Trennung: Schmutz/Oberfläche Schmutz im Reinigungsmittel (Lösung/Dispersion)... und Peripherie 2. Trennung: Reinigungsmittel/ Schmutz Abfall: Altöl, Schlamm

9 Reinigungsverfahren und Abfallerzeugung Unabhängig vom Reinigungsmittel oder -verfahren: Moderne Reinigungsanlagen sind abluft- und abwasserfrei. Damit entsteht Abfall. Abfallminimierung: Im besten Fall fällt nur der abgereinigte Schmutz als Abfall an. Voraussetzung: Peripherie zur Trennung von Reinigungsmittel und Schmutz Rückführung des Reinigungsmittels hohe Standzeit des Reinigungsmittels Anlagenauslegung

10 Reinigungsverfahren: Energieeinsatz mechanisch thermisch chemisch hoch abrasiv v Strahlen v Schleifen reaktiv Wärmebehandlung T >> 100 C T < 1000 C T > 1000 C abrasiv/reaktiv vin flüssiger Phase - Beizen - ECM, Elektropolieren - (elektro-)chemisch Entgraten vin der Gasphase - in reaktiven Gasen - Plasma-unterstützt - sputter cleaning niedrig nicht-abrasiv v Rühren, Mischen - Ultraschall - Spritzen nicht-reaktiv T < 100 C v erhöhte Badtemperatur vdampfentfettung nicht-reaktiv v organische LM - CKW - KW - modifizierte Alkohole vwässrige Lösungen - Tenside, Builder,... vüberkritisches CO 2

11 Flüssige Reinigungsmittel "Gleiches löst Gleiches" "Like Dissolves Like" Die meisten Verunreinigungen sind unlöslich in Wasser - hydrophobe Filme - Feststoffpartikel Lösemittel Löslichkeitsgleichgewicht Wässrige Reiniger Tensid- Mechanismus Synergie-Effekt: Builder & Tenside

12 Bestandteile wässriger Reiniger Wasser H2O > 80 % Tenside - anionisch - nichtionisch SO 3 - Fettalkoholethoxylat Dodecylbenzolsulfonat, DBS ( CH 2 O) H CH 2 n anorganische Builder [ K+ O O O O O P P P O O O O O K+ K+ ]5- Kaliumtripolyphosphat COO - Na + Komplexbildner H HO C C OH H Korrosionsinhibitoren H H C OH C OH CH 2 OH HO HO CH 2 CH 2 CH 2 N CH 2 CH 2 OH CH 2 Natriumgluconat Triethanolamin, TEA

13 Tensidstruktur und -eigenschaften Tensidmoleküle bestehen aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil, sind schlecht wasserlöslich, reichern sich an allen Grenzflächen an: Oberfläche Wasser/Luft Behälterwände Bauteiloberfläche

14 Tensidmechanismus: Ablösen eines Ölfilms Für das Entfernen von Partikeln sind Buildermoleküle/-ionen verantwortlich. Der Mechanismus ist ähnlich. Verunreinigungen werden von den Reinigerkomponenten verdrängt.

15 Verunreinigungen und flüssige Reinigungsmittel Verunreinigung Mineralöle synthetische Öle Polymere andere organische Verbindungen Metallpartikeln Metalloxide Silicate, Carbonate, Chloride,... Ruß, Graphit andere anorganische Verbindungen Verhalten mit wässrigen Reinigern unlöslich; Tensid- bzw. Buildermechanismus löslich, oder Tensid- bzw. Buildermechanismus unlöslich; Tensid- bzw. Buildermechanismus löslich Verhalten mit Lösemitteln u.u. schlecht löslich i.a. schlecht löslich u.u. schlecht löslich unlöslich unlöslich unlöslich unlöslich i.a. unlöslich

16 Abfall- Minimierung! Typen von Tensidreinigern emulgierend/demulgierend Hoher Aufwand bei Trennung stabiler Emulsionen

17 Reinigerauswahl und -vergleich wässrige Reiniger, Tensidreiniger Lösemittelreiniger Phys.-chem. Eigenschaften sauer, "neutral", alkalisch (ph-wert) Wasser: > 80 % Zusätze: Tenside, Builder, Korrosionsschutz etc. Trocknung: Wasser verdampft, nicht aber die Zusätze! brennbare Lösemittel: KW, modifizierte Alkohole (Siedepunkte: > 200 C) nicht-brennbare LM: CKW (Siedepunkte <> 60 C i.a. rückstandsfrei verdampfbar Wassermischbarkeit gering Wirkungsweise Tensid- bzw. Buildermechanismus: Schmutz wird verdrängt Tensid-bzw. Builderfilm verbleibt (vielfach nicht verdampfbar) Typen: emulgierend oder demulgierend Oberfläche ist hydrophil (= "wasserliebend") Ölartiger Schmutz wird gelöst, mit eingebetteten Partikeln Reinigerfilm verdampft Oberfläche ist hydrophob ("= wasserfeindlich") CKW können Salzsäure abspalten (===> Korrosion) Aufbereitung, Standzeit-- Verlängerung Abfall- Minimierung! Sonstiges Ölabscheidung Partikelabscheidung Wasseraufbereitung (Entsalzung) Badpflege (Nachschärfen) Spülbad-Pflege (Kaskade, Korrosionsschutz Spülbäder gegen Reinigungsmittelrückstände Verdampfung (Destillation) CKW: Stabilisator-Zusatz Anlagen vollständig gekapselt "Zero Emission", Gas-Pendeltechnik

18 Abwasserfreie Reinigungsanlage Flüssige Medien verschmutzte Teile Reinigung Vorreinigung Reinigung Spülen 1 Spülen 2 Spülen 3 Trocknen saubere Teile Abfall Peripherie Phasentrennung Filtration Verdampfung Mikro-/Ultrafiltration Verdampfung Nanofiltration/ Umkehrosmose

19 Abwasserfreie Reinigungsanlage für flüssige Medien 1. Badzustand: konstant 3. Trocknung 2. Badkontrolle: Reinigerkomponenten Schmutzgehalt Frischwasserqualität Wasserhärte, Salzgehalt Spülbäder - Kaskadenspülung, entsalztes Wasser - Korrosionsschutz nach Bedarf 4. Peripherie Abtrennung der Verunreinigungen Öl, Partikeln keine Konzentrationsschwankungen Badanalytik für Badkontrolle Abfall- Minimierung! Wasseraufbereitung (Enthärtung, Entsalzung)

20 Badqualität Ölgehalt in den Bädern begrenzt die erreichbare Oberflächenreinheit. Oberflächenverunreinigung, mg/m² Mineralöl Alle Komponenten des letzten Spülbades bleiben auf den Teilen Esteröl Ausnahmen: reines Wasser (VE-Qualität), reine Lösungsmittel (ohne Additive) Ölgehalt im Reiniger, Vol.-%

21 Mechanischer Energieeintrag Bad-Mechanik bestimmt die Reinigungswirkung bei Reinigungswirkung, % komplizierten Oberflächen, z.b. komplexe Einzelteile, enge Bohrungen, etc., Schüttgut freie Fläche Spalt 0.2 mm Verfahren A freie Fläche Spalt 0.2 mm Verfahren B unterschiedliche Badmechanik gleich: Reiniger, Temperatur, Badvolumen

22 Badmechanik Entfernung von Schmutz aus Bohrungen und Spalten nach Trocknung 1 2 Reinigerbad 3a gute Durchströmung: sauber chemische Wirkung: Lösen, Desorption 3b ungenügende Durchströmung erneute Ablagerung

23 Zusammenfassung Sowohl mit wässrigen Reinigern als auch mit Lösemitteln lassen sich die Sauberkeitsanforderungen in der Metallbearbeitung erfüllen. Schmutzeintrag, Reinigertyp und Anlagentechnologie müssen zusammenpassen! Anlagenauslegung Abfallminimierung nur bei optimaler Auslegung der Reinigungsanlage und der Peripherie, mit - Ölentfernung - Partikelentfernung - Badkontrolle (Reinigungs- und Spülbäder) - Hohe Standzeiten Abfallminimierung w Reinigungsergebnis

24 Bauteilreinigung im Internet Auswahlsystem für geeignete Reinigungsverfahren, Anlagen oder Reinigungsmittel Wissensbasis Online-Lexikon zur industriellen Bauteilreinigung Datenbanksuche Anbieter, Reinigungsanlagen und mittel; Beispiele Forum cleantool bauteilreinigung.de Kooperationsstelle Hamburg Besenbinderhof Hamburg Phone: Fax: Internet: Referatsleitung: Lothar Lißner Universität Dortmund Fachgebiet Maschinenelemente Leonhard-Euler-Str. 5 D Dortmund Prof. Dr.-Ing. Bernd Künne Tel.: +49 (0)231 / Fax: +49 (0)231 / b.kuenne@me.mb.uni-dortmund.de