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Bild: AEE Intec; iStock, Donald34

Membrandestillation hält Kosten und Ressourcenverbrauch gering Mit Hilfe der Sonne besser galvanisieren

02.06.2018

Kann die gebündelte Kraft von industrieller Abwärme und Sonnenenergie die Ressourceneffizienz bei Galvanik-Prozessen steigern? Das Industrieunternehmen Roto Frank Austria möchte durch diese Kombination jedes Jahr einen sechsstelligen Betrag einsparen. In Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut für nachhaltige Technologien AEE Intec wurde dieses Potenzial errechnet.

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Die Forschungseinrichtung AEE Intec testet gemeinsam mit dem Unternehmen Roto Frank Austria eine vielversprechende Technologie: Mit Hilfe der Membrandestillation will das Unternehmen in seinen Galvanik-Prozessen den Verbrauch von Wasser und Chemikalien senken. Die Energie dafür soll in Zukunft aus Wärmerückgewinnung und Sonnenkollektoren stammen. Derzeit wird die Membrandestillation zur Wasseraufbereitung in einer Pilotanlage im realen Betrieb getestet. Roto Frank produziert unter anderem Beschläge und Verriegelungssysteme.

Zu den wichtigsten Prozessen der Firma gehört das Beizen von Oberflächen, also die Vorbereitung der Oberflächen für das Galvanisieren. Dabei durchlaufen die Beschläge eine Reihe von Bädern mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen. Damit keine Chemikalien von einem Becken ins nächste verschleppt werden, gibt es zwischen jedem sogenannten Aktivbad mehrere Spülstufen. Dabei wird das Spülbad mit der Zeit immer weiter verschmutzt. Wirtschaftliche Verfahren, um die verunreinigten Spülbäder wieder zu reinigen und so länger einzusetzen, gab es bisher nicht. Technisch wäre dies zwar möglich, doch diese Verfahren benötigen so viel Energie, dass sie sich nicht lohnen. Jahr für Jahr muss Roto Frank deshalb einige tausend Liter Galvanikflüssigkeit allein aus den Spülbädern entsorgen und ersetzen. Das kostet den Betrieb einen sechsstelligen Betrag im Jahr.

Membranen für Effizienz

Entsprechend groß ist das Potenzial für neue, effiziente Technologien wie die Membrandestillation. Sie wird bereits in der Meerwasserentsalzung eingesetzt, wurde aber für den Einsatz in der industriellen Wasseraufbereitung bisher kaum erforscht. Die Membrandestillation funktioniert ähnlich wie eine Regenjacke mit Goretex-Membran: Auf einer Seite der Membran befindet sich die Flüssigkeit, die aufkonzentriert werden soll. Die Membran ist undurchlässig für Wasser, lässt aber Wasserdampf passieren. Sorgt man nun dafür, dass die Seite mit der zu konzentrierenden Flüssigkeit deutlich wärmer ist als die andere Seite, verdampft auf der wärmeren Seite mehr Wasser als auf der kälteren. Der Teildruck des Wasserdampfes ist dort also höher. Das sorgt dafür, dass mehr Dampfmoleküle von der wärmeren auf die kältere Seite diffundieren.

Das sogenannte Permeat, das sich auf der kälteren Seite der Membran sammelt, ist reines Wasser. Zurück bleibt auf der Primärseite stärker konzentrierte Flüssigkeit. In Versuchen hat das Team von AEE Intec bei einer Temperatur von 80 °C auf der Primärseite, also den verunreinigten Chemikalien, und 20 °C auf der Permeat-Seite eine stündliche Abtrennung von 6,4 Liter Wasser pro Quadratmeter Membranfläche erzielt. Die relativ niedrige Temperatur von 80 °C hat den Vorteil, dass sich ein Großteil der benötigten Energie aus der Abwärme der Bäder gewinnen lässt. Fehlende Wärme kann bei diesem Temperaturniveau zum Beispiel aus Sonnenkollektoren bezogen werden. Somit ist die Membrandestillation nicht nur ein Beitrag zur effizienteren Ressourcennutzung, sondern ebenso ein ganz neues Anwendungsfeld für solare Prozess-
wärme.

Aufbau und Leistung

Es wurden verschiedene Membranen und Destillationsmodule getestet. Indem die Membran zu Spiralen aufgerollt wird, lässt sich auf einer Grundfläche von 1,5 Quadratmeter ein Modul mit einem Durchfluss von 200 Liter pro Stunde unterbringen. Wenn man mehrere Module parallel verschaltet, kann man auch höhere Kapazitäten erreichen. Roto Frank möchte eine Anlage mit einem Durchfluss von 1.000 Liter pro Stunde realisieren.

Auf diesem Weg ließ sich die Flüssigkeit so stark konzentrieren, dass diese wieder im Spülbad eingesetzt werden konnte. Dafür muss die Konzentration von Chrom und Cobalt bei mindestens 1.500 mg, beziehungsweise 600 mg/l liegen. Im Versuch gelang es, die Chrom-Konzentration von 203 auf 2.442 mg/l und die Kobalt-Konzentration von 76 auf 1.244 mg/l zu erhöhen. Zugleich darf die Konzentration von Eisen und Zink nicht zu groß werden, denn diese Elemente wirken als Inhibitoren und hemmen den Prozess. Sie werden bei der Reaktion der Galvanikflüssigkeit mit den behandelten Metallen frei und reichern sich mit der Zeit in den Bädern an. Bei den Versuchen im Technikum blieben Eisen und Zink innerhalb des gewünschten Rahmens.

Bei diesen Ergebnissen kann man davon ausgehen, dass sich der Bedarf durch die Membrandestillation an Passivierungsflüssigkeit um 60 Prozent und der Frischwasserbedarf um 93 Prozent senken lassen. So wurde das jährlich sechsstellige Kostensenkungspotenzial berechnet. Der Wärmebedarf für die Membrandestillation ließe sich zu knapp der Hälfte durch Abwärme aus dem Prozess decken. Die Passivierungsflüssigkeit könnte damit auf 72 °C aufgeheizt werden. Der verbleibende Energiebedarf, um die Flüssigkeit auf 80 °C zu erwärmen, könnte beispielsweise mit Solarwärme gedeckt werden. In der Praxis soll das im nächsten Schritt umgesetzt werden – wenn die Langzeittests abgeschlossen sind und die Anlage im Originalmaßstab in den Prozess integriert wird.

Der Langzeittest bei Roto Frank soll zeigen, ob die Ergebnisse aus dem Technikum auch in der Praxis zu halten sind. Ein Knackpunkt ist dabei noch die Haltbarkeit der Membran im Dauerkontakt mit den Chemikalien. Dabei sind vor allem zwei Prozesse zu beobachten: Fouling und Wetting, also die Bildung einer Deckschicht auf der Membran und das Durchnässen der Membran. Fouling würde dazu führen, dass sich die Poren der Membran zusetzen. Um das zu verhindern, müsste diese regelmäßig gereinigt werden. Dies wäre möglich, bedeutet aber zusätzlichen Aufwand. Wetting heißt, dass die Membran mit der Zeit ihre Hydrophobizität, also ihre wasser­abweisende Wirkung, verliert, somit gewissermaßen durchnässt – so, wie es auch mit Regenjacken im Laufe der Jahre geschieht. Dann dringt Flüssigkeit in die Poren ein und die Membran wird durchlässig.

Im Technikum wurden diese beiden Prozesse bereits überprüft. Die Effekte waren gering und damit unkritisch. Langzeiterfahrungen fehlen aber noch. Vorerst soll die Pilotanlage noch etwas kleiner sein, aber ab Herbst 2018 soll eine Real-Scale-Anlage, im Rahmen der „Vorzeigeregion Energie – New Energy for Industry“, gebaut werden.

Perspektiven für die Branche

Sind die Versuche weiter so erfolgreich, erschließen sich große Möglichkeiten: Das Einsparpotenzial bei Roto Frank bezieht sich allein auf die Passivierung. Die Membrantechnologie könnte aber auch in anderen Prozessschritten eingesetzt werden. Allein in Österreich gibt es 266 Betriebe, die in der Oberflächenveredelung tätig sind. In Deutschland sind 2.000 Firmen in der Galvanotechnik aktiv.

Bildergalerie

  • Die Membranmodule in der Galvanikstraße sollen helfen, Chemikalien im Bereich eines sechsstelligen Betrages einzusparen.

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