Einleitung
Abb. 1: Reaktor zur Katalytischen Zersetzung von H2O2 in Wasser Nachhaltigkeit bedeutet die Erfüllung der gegenwärtigen und zukünftigen Bedürfnisse der Menschheit mit den begrenzten Fähigkeiten der Natur in Einklang zu bringen. Dazu verabschiedete im Jahr 2015 die UN Vollversammlung im Rahmen des UN Nachhaltigkeitsgipfels die „Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung“ mit dem Ziel, innerhalb von 15 Jahren die Lebensqualität auf dem Planeten zu verbessern. Dazu wurden 17 Nachhaltigkeitsziele definiert wobei Punkt 6 ausschließlich der Ressource Trinkwasser gewidmet ist.
Vor dem Hintergrund dieser Agenda wird zukünftig mit Verschärfungen von Gesetzen und Verordnungen der einzelnen Länder beim industriellen Trinkwasserverbrauchs zu rechnen sein. Dazu kommt, dass aufgrund der klimatischen Veränderungen auch in unseren Breitengraden der Verbrauch von Trinkwasser als Prozesswasser durch Industriebetriebe zunehmend Beachtung findet und zukünftig nicht mehr unbegrenzt möglich sein wird.
Weiter verschärft wurde die Situation als am Ende der diesjährigen Hitzeperiode flächendeckend Wasserknappheit festgestellt und von politischer Seite erstmals die Notwendigkeit einer Kontingentierung geäußert wurde. Das bedeutet, dass die unbegrenzte Bereitstellung von Prozesswasser bei Wasserknappheit nicht mehr gewährleistet ist.
Situation Galvanotechnik
Die Galvanik mit ihrem Verbrauch an großen Trinkwassermengen zum Zweck der Spülung der Produkte nach dem Ätzprozess gerät dabei zunehmend ins Visier von Überlegungen zur Nachhaltigkeit in Form von Trinkwassereinsparungen.
Eine Möglichkeit dazu besteht in der Aufbereitung und Kreislaufführung von Spülwässern bei der Leiterplattenherstellung, ein Verfahren, das von enViro-cell GmbH in Oberursel angeboten wird und bereits erfolgreich in betrieblicher Anwendung läuft.
Die Behandlung des Spülwassers aus der Kaskade zur Kreislaufführung nach dem Säurebad erfolgt in einem 3-stufigen Prozess selektiver katalytischer Zersetzung des H2O2, elektrochemischer Abtrennung des Kupfers und nachfolgender Partikelreinigung mit Ultrafiltration.
Katalytische Zersetzung Wasserstoffperoxid
Abb. 2: Elektrolyse Die Entfernung von H2O2 (Wasserstoffperoxid) aus dem Spülwasser ist erforderlich, um den letzten Schritt, die elektrochemische Abscheidung des Kupfers aus dem Wasser, zu ermöglichen.
Dies geschieht durch katalytische Zersetzung des H2O2 nach der chemischen Formel:
2 H2O2 –> 2 H2O + O2 +192,2 KJ
D. h., das Wasserstoffperoxid zerfällt zu Wasser und Sauerstoff der aus der Spülflüssigkeit in die Umgebung entweicht. Es entsteht keine Verunreinigung der Spülflüssigkeit. Die Wärmeentwicklung und der richtige Bereich des pH-Werts müssen beachtet werden.
In der Elektrolysezelle erfolgt die elektrochemische Abscheidung des Kupfers an der Kathode. Die elektrolytische Abscheidung der Metallionen als Metalle kann erst erfolgen wenn kaum noch Wasserstoffperoxid vorhanden ist.
Die Elektrolyse unterteilt sich in zwei Teilvorgänge, der Kathoden- und der Anodenreaktion.
An der Anode werden von den Anionen Elektroden abgegeben und die Ionen oxidiert, z. B.
2 H2 O –> 2 H2 + O + 2 e- Oxidation
während an der Kathode von den Kationen Elektronen aufgenommen werden und die Ionen reduziert werden, z. B.
Cu2+ + 2 e- –> Cu Reduktion
In diesem Fall wird das Kupfer an der Kathode als Metall abgeschieden. Es kann dann weiter verwendet werden.
Die Elektrolyse ist also ein Vorgang, bei dem Oxidation und Reduktion voneinander getrennt ablaufen. Das H2O2 kann auch durch die Elektrolyse an der Kathode zerstört werden. Dies erfolgt immer bevorzugt vor der Kupferabscheidung. Durch das H2O2 wird aber die Elektrolyse viel größer als sie für die Kupferabscheidung notwendig wäre. Durch die Kombination der Stufen 1+2 wird verhindert, dass sich die Anlage zu einer unwirtschaftlichen Größe aufbläht.
Ultrafiltration
Abb. 3: UltrafiltrationVorbereitend für die weitere Behandlung wird das Spülwasser im letzten Schritt durch Mikro- oder Ultrafiltration von Verschmutzungen gereinigt. Die dabei verwendeten Membranen basieren auf Kunststoff. Die Membrane vereint Kapillare in einer einzigen, äußerst robusten Faser und garantiert somit herausragende Stabilität.
Die elektrolytische Kupferabscheidung stellt ein fast vollständiges Regenerierverfahren für verbrauchte Beizlösungen dar, bei der sowohl das Kupfer als auch die Schwefelsäure wiedergewonnen werden und somit fast keine Abwässer anfallen.
Die erschöpfte Beizlösung wird mit einer Pumpe dem Beizbad oder einem Ausgleichsbehälter entnommen und einem Vorlagebehälter zugeführt. Die nicht benötigte Säure läuft von dort zur Beizanlage zurück. Ein Teilstrom läuft in die Elektrolysezellen, wo ein Großteil des mitgeführten Kupfers an den Kathoden abgeschieden und die kupferarme Lösung wieder in die Beizanlage zurückgeführt wird. Bei der Metallentgiftung bzw. -rückgewinnung werden die Metalle in der Elektrolysezelle an der Kathode abgeschieden und so metallisch in Folien- oder Pulverform oder auf einem Festbett wiedergewonnen. Die Wiederverwendung ist so leicht möglich.Durch den Einsatz einer entsprechenden Spültechnik bei gleichzeitiger elektrolytischer Kupferabscheidung kann ein fast abwasserfreier Betrieb ermöglicht werden.
DIE AUTOREN
Dipl.-Ing. Wolfgang Dietz Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing. Herbert Hager, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
