Projekt 12213/01

Entwicklung und Erprobung einer Prozeßtechnik zur Regenerierung von Adsorbenzien mit Ultraschall und Wasser

Projektdurchführung

Dr. Hielscher GmbH
Warthestr. 21
14513 Teltow

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei dem Betrieb galvanischer Bäder fallen organische Störstoffe an, welche von Adsorberpolymeren (z.B. Lewatit VP OC 1064) gebunden werden können. Die Adsorption allein betrachtet stellt ein umweltfreundliches Verfahren dar. Die notwendige Regeneration (Desorption) zur wiederholten Verwendung des Adsorbermaterials erfolgte bisher unter umweltbelastender Verwendung von organischen Lösungsmitteln. Die Zielsetzung des Vorhabens bestand in der Entwicklung und Erprobung einer Technologie zur chemikalienfreien Regenerierung von Adsorberpolymeren. Dieses umweltfreundliche Verfahren sollte den Einsatz von Polymeren zur Organikentfernung im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit verbessern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie für die chemikalienfreie Desorption notwendige Energie sollte durch Ultraschall aufgebracht werden.
Im Labormaßstab wurden mehrere Adsorbermaterialien auf ihre mechanische Belastbarkeit und Adsorptionskapazität untersucht. Für die weiteren Untersuchungen hat sich dabei ein Produkt der Firma Bayer AG (Lewatit VP OC 1064) als geeignet erwiesen.
Für die analytische Erfassung der Organikbelastung wurde der Summenparameter TOC (total organic content) gewählt, da nicht einzelne Organiksubstanzen von Interesse waren, sondern die gesamte Organik aus dem Galvanikbad zu entfernen war.
Nach der Bestimmung effizienterer Prozessparameter im Labormaßstab begann die technische Umsetzung in die Praxis anhand eines mobilen Prototyps. Ein Fassungsvolumen von 10 l und eine maximale Schalleistung von 1000 W ermöglichte die Regenerierung eines galvanischen Bades mit einem Volumen von 200 l. Die Erprobung dieses Prototyps unter Praxisbedingungen erfolgte bei der Firma Saxon Screens in Frankenberg.
Aufbauend auf den Untersuchungen am ersten Prototyp wurde ein zweiter Prototyp aufgebaut. Er kann mit ca. 300 l Adsorberpolymer gefüllt werden bei einem Flüssigkeitsfassungsvolumen von ca. 600 l. Eine spezielle Stabsonotrode ermöglicht hierbei in einem Druckgefäß die Einbringung der erforderlichen Schalleistung (2000 W). Bei dem als optimal ermittelten Druck von 25 bar werden Kavitationserscheinungen ausgeschlossen, die das Adsorbermaterial zerstören können.


Ergebnisse und Diskussion

Adsorptionsverfahren haben auf dem Gebiet der Umwelttechnik große Bedeutung erlangt. Adsorptionsverfahren sind aber erst dann sinnvoll, wenn Desorptionsverfahren existieren, mit denen die beladenen Adsorbenzien für einen Mehrfacheinsatz so regeneriert werden können, dass sie nicht beschädigt oder in ihrer Adsorptionskapazität beeinträchtigt werden.
Die Untersuchungen der GUV mbH erbrachten brauchbare Ergebnisse beim Einsatz von hochfrequentem Ultraschall (>500kHz) unter Normaldruckbedingungen. Dieses bedingte jedoch eine Fokussierung des Ultraschalls, deren technischer Aufwand eine wirtschaftliche Nutzung dieser Konfiguration ausschließt. Daher wurde die Verwendung von niederfrequentem Ultraschall (20kHz) untersucht. Die Kavitation, welche in diesen Frequenzbereichen vermehrt auftritt, kann jedoch die Adsorbermaterialien in ihren Eigenschaften verändern oder die Materialien gänzlich zerstören. Die Kavitation kann unter Verwendung von Druck unterbunden werden. Die notwendigen Informationen über die Beziehungen zwischen den Größen Amplitude, Druck, Temperatur, Volumenverhältnis (Wasser/Polymer) wurden anhand der Prototypen ermittelt. Sie sind eine wichtige Grundlage für die erfolgreiche Umsetzung des Verfahrens in den industriellen Maßstab.
Anhand der beiden Prototypen konnte gezeigt werden, dass eine erfolgreiche Regeneration des Adsorberpolymers mit vollentsalztem Wasser unter Einsatz von Ultraschall möglich ist. Dabei nahm die Kapazität des Adsorbers auch über mehrere Beladungs- und Regenerierungszyklen nicht ab. Die wesentlichen Polymereigenschaften, wie Polarität, Porosität und Oberflächenmorphologie wurden nicht beeinträchtigt. Dies zeigt, dass ein Einsatz des entwickelten Verfahrens unter industriellen Bedingungen möglich ist.
Es wurde ein effizienter Verfahrensablauf ermittelt, nach welchem ein Teil des galvanischen Nickelbades im Bypass durch den Reaktor geleitet wird: Nachdem die Organik vom Adsorber aufgenommen wurde und dessen Kapazität erschöpft ist, wird der Zufluss zum Reaktor gestoppt und die das Porenvolumen ausfüllende Flüssigkeit mittels Druckluft aus dem Reaktor gedrückt. Zur anschließenden Regeneration wird der Reaktor mit vollentsalztem Wasser gefüllt und ein Druck von 25 bar angelegt. Dann wird das Adsorbermaterial mindestens 15 Minuten beschallt. Nachdem das Wasser mit der aus dem Polymer gelösten Organik aus dem Reaktor gepresst wurde, wird dieser Regenerationszyklus weitere dreimal bis viermal wiederholt. Danach ist das Adsorberpolymer ausreichend regeneriert und der Reaktor kann wieder im Bypassbetrieb Organik aus dem galvanischen Bad aufnehmen.
Eine Anlage für den industriellen Einsatz kann mobil gestaltet werden und arbeitet vollautomatisch, was sich für den Anwender kostensparend auswirkt. Außerdem kann eine Anlage abwechseln für mehrere Galvanikbäder eingesetzt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Verfahren zum Regenerieren von Adsorbermaterialien ist Gegenstand einer Patentanmeldung (DE 199 38 254.9-43). Nach dem Umbau des zweiten Prototypen zu einer serienreifen Anlage erfolgt die Präsentation der Technologie auf Messen, wie der Achema, der DGO-Tagung und der Hannover-Messe. Zudem sind Veröffentlichungen in Zeitschriften, wie z.B. Galvanotechnik vorgesehen. Auf der Website der Dr. Hielscher GmbH ist eine Internet-Präsentation vorgesehen.


Fazit

Mittels niederfrequentem Ultraschall (20kHz) in Kombination mit erhöhtem Druck wurde ein neues, lösemittelfreies Regenerierungsverfahren für Adsorberpolymere entwickelt. Das Verfahren gestattet einen vollautomatischen Ablauf im industriellen Einsatz unter Verwendung von Wasser zur Reinigung des Adsorbermaterials. Damit wurde ein umweltschonendes und wirtschaftliches Verfahren entwickelt, welches den Einsatz von umweltbelastenden organischen Lösungsmitteln zur Regenerierung nicht mehr erfordert.