Reinigen mit überkritischen Kohlendioxid

Bei diesem Reinigungsverfahren wird das Kohlendioxid in seiner überkritischen Phase als Lösungsmittel verwendet. Die physikalischen Eigenschaften dieser turbulenten Phase liegen zwischen denen der flüssigen und der gasförmigen Phase. Der Vorteil gegenüber der Reinigung mit flüssigem Kohlendioxid liegt darin, dass die überkritische Phase eine geringere Viskosität und Oberflächenspannung aufweist, so dass auch kleinste Spalte und feinste Poren gereinigt werden können. Die Reinigung findet bei einer Temperatur von 35 °C - 65 °C und einem Druck von 138 bar - 276 bar statt.

Die gereinigten Bauteile weisen einen hohen Grad an Reinheit auf. Die Menge der zurückbleibenden Verunreinigungen beträgt meist weniger als 100 mg pro Quadratmeter. Außerdem sind die Bauteile nach der Reinigung trocken, so dass ein zusätzlicher Schritt der Trocknung nicht erforderlich ist.

Die Verwendung von Kohlendioxid ist ungefährlich. Es ist nicht giftig und bildet mit Luft keine explosiven Gemische. Auch für die Umwelt ist Kohlendioxid ein unbedenkliches Reinigungsmittel, da es nicht zusätzlich produziert wird, sondern als Abfallprodukt anderer Prozesse entsteht und so sinnvoll weiterverwendet wird.

Physikalischer Hintergrund

Die überkritische Phase eines Stoffes wird erreicht, indem die Flüssigkeit in einem geschlossenem Behälter so lange erhitzt wird, bis die Dichte des entstehenden Gases genau so groß ist, wie die Dichte des restlichen flüssigen Anteils. Bei Kohlendioxid geschieht dies bei einer Temperatur von ca. 31 °C und bei einem Druck von ca. 75 bar. Die überkritische Phase nimmt bezüglich ihrer physikalischen Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase ein.

Phasendiagramm von Kohlendioxid

Die überkritische Phase des Kohlendioxids besitzt eine Dichte von 0,47 g/cm³. Der Vorteil gegenüber der Verwendung von flüssigem Kohlendioxid liegt darin, dass die überkritische Phase eine geringere Viskosität und Oberflächenspannung aufweist, so dass auch kleinste Spalte und feinste Poren gereinigt werden können. In dem überkritischen Zustand besitzt das CO₂ keine merkliche Oberflächenspannung mehr. Die Viskosität wird sehr gering und die Diffusion bzw. Durchmischung innerhalb des überkritischen Fluids ist sehr hoch. Durch diese Eigenschaften können in CO₂ lösbare Substanzen aus porösen Feststoffen extrahiert werden. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Entkoffeinierung von Kaffee oder die Herstellung von nikotinarmem Tabak.

Das Lösevermögen flüssigen Kohlendioxids für organische Stoffe ist von dem Kammerdruck abhängig. Liegt der Kammerdruck gerade über dem zum Erreichen des überkritischen Zustandes erforderlichen Druck von ca. 75 bar (bei Raumtemperatur), so liegt das Lösevermögen des Kohlendioxids um ca. 4 Zehnerpotenzen unter dem der FCKW. Erst bei sehr hohen Drücken von über 500 bar wird das Lösevermögen der FCKW erreicht. Bei der Auslegung der Anlage ist also abzuwägen, ob der erhöhte Anlagenaufwand einer Hochdruckanlage den höheren Kohlendioxidverbrauch einer Niederdruckanlage wettmacht.

Die Reinigung findet in der Regel bei einer Temperatur von 35 °C - 65 °C und einem Druck von 138 bar - 276 bar statt. Das überkritische Kohlendioxid löst die Verschmutzungen von den zu reinigenden Oberflächen. Die Reinigungszeit beträgt in der Regel 15 bis 30 min. Während dieser Zeit wird kontinuierlich frisches CO₂ durch die Reinigungskammer gepumpt. Das Gemisch aus überkritischem Kohlendioxid und den Verschmutzungen fließt zum Abscheider, wo das Kohlendioxid wieder in den gasförmigen Zustand übergeht und die Verunreinigungen abgeschieden werden. Das gasförmige Kohlendioxid wird in einem Kühler verflüssigt und fließt zur weiteren Verwendung zurück in den Vorratstank.

Kreisprozeß bei der Bauteilreinigung mit überkritischem CO₂

Die gereinigten Bauteile weisen einen hohen Grad an Reinheit auf. Die Menge der zurückbleibenden Verunreinigungen beträgt weniger als 100 mg pro Quadratmeter Bauteiloberfläche. Außerdem sind die Bauteile nach der Reinigung trocken, so dass ein zusätzlicher Schritt der Trocknung nicht erforderlich ist.

Bei Anlagen mit hohem Kohlendioxidverbrauch kann das verunreinigte CO₂ zur Energierückgewinnung über eine Turbine entspannt werden. Eine weitere Möglichkeit der Energieeinsparung ist eine Aufbereitungsstufe für das flüssige Kohlendioxids, durch die eine Erhöhung der Standzeit erreicht werden kann.

Haupteinsatzgebiete

Das typische Einsatzgebiet für die Bauteilreinigung mit überkritischem CO₂ ist die Reinigung von relativ kleinen Bauteilen mit sehr hohen Anforderungen an die Oberflächenreinheit oder mit einer hoher Porosität bzw. engen Spalten. Eine breit angelegte experimentelle Untersuchung der US-Amerikanischen "Los Alamos National Laboratories" mit 49 Werkstoffproben, die mit 145 Substanzen definiert verunreinigt und mit überkritischem CO₂ gereinigt wurden zeigte, dass die Reinigungswirkung nahezu unabhängig von dem zu reinigenden Material ist und dass alle organischen Verunreinigungen mit nicht zu hohem Molekülgewicht mit sehr hoher Effektivität entfernt werden können.

Mit überkritischem Kohlendioxid können folgende Oberflächen gereinigt werden:

Verschiedene Stähle, Sinterwerkstoffe, Messing, Berillium, Gold, Silber, Kupfer, Keramiken, Teflon und Silikon. Kunststoffe können nur bedingt gereinigt werden. So bilden sich z. B. infolge von Gasaufnahme auf der Oberfläche von Polycarbonat feine Bläschen.

Entfernt werden können folgende Verunreinigungen:

Im Allgemeinen können alle nichtpolaren hydrophoben Verschmutzungen entfernt werden, während hydrophile Verschmutzungen wie z. B. anorganische Salze, Fingerabdrücke usw. nicht entfernt werden können. Probleme bereiten auch Fette, Öle und Wachse mit einem hohen Molekülgewicht, die in Kohlendioxid generell nicht gelöst werden können. Außerdem können keine kleinen anorganischen Partikel entfernt werden, wie sie in Hon-, Läpp- und Polierpasten vorkommen. Gut zu entfernen sind leichte Fette und Öle, Silikon, Hydrokarbonate, Ester, Fluorkarbonate, Maschinen- und Schmieröle, silikonhaltige Öle, Flussmittelrückstände, Erdöle, dielektrische Öle und Plastifiziermittel.

Einsatzbeispiele:

Reinigung von optischen Gläsern, porösen Keramiken, Schmuckstücken, Teilen von Musikinstrumenten, gestanzten, tiefgezogenen, gedrehten und geschliffenen Bauteilen, Beschleunigungsmessern, Thermalschaltern, Ventilsitzen, Kameralinsen, Laseroptikkomponenten, Navigationskompassen für Raketen, Wafern, Konnektoren, Transformatoren und Kabeln in der Radartechnik von Flußmitteln und dielektrischen Ölen, O-Ringen von Plastifiziermitteln und Maschinenölen, Dichtungen von Plastifiziermitteln und Monomeren, Baumwollballen und -lappen von organischen Auszügen und Triglyceriden.

Eine weitere Anwendung ist die Abtrennung von Inhaltsstoffen aus Kaffee, Tee, Tabak, Hopfen, Gewürzen und anderen Naturprodukten.

Umwelt- und Arbeitsschutz

Der MAK-Wert für Kohlendioxid liegt bei 5000ppm. Deshalb sollte sich, insbesondere bei Anlagen mit nicht geschlossenem Kohlendioxid-Kreislauf, am Arbeitsplatz ein Messgerät befinden, das die Kohlendioxid-Konzentration misst. Außerdem sollte beachtet werden, dass Kohlendioxid schwerer ist als Luft und sich deshalb in Mulden oder Bodensenken sammelt. Ansonsten ist die Verwendung von Kohlendioxid ungefährlich. Es ist nicht giftig und bildet mit Luft keine explosiven Gemische.

Auch für die Umwelt ist Kohlendioxid ein unbedenkliches Reinigungsmittel, da es nicht eigens für die Reinigung produziert wird, sondern als Abfallprodukt anderer Prozesse entsteht und so sinnvoll weiterverwendet wird.

Da es sich hier um Hochdruckanlagen handelt, ist auf entsprechende anlagentechnische Sicherheitsaspekte zu achten.

Zur Energierückgewinnung kann das verunreinigte CO₂ beim Verlassen der Ablage über eine Turbine entspannt werden. Eine weitere Möglichkeit der Energieeinsparung ist eine Aufbereitungsstufe für das flüssige Kohlendioxid, durch die eine Erhöhung der Standzeit erreicht werden kann.

Anlagen und Kosten

Eine komplette Anlage besteht aus einem Kompressor, einem Wärmetauscher zum Erwärmen, einer Druckkammer, einem Ventil zur Kontrolle des Druckes, einem Wärmetauscher zum Abkühlen und einem Abscheider. Die übliche Größe des Reinigungsbehälters variiert zwischen 10 ml und 60 l (Stand 2000). Realisiert werden bewegte und unbewegte Autoklaven. Bewegte Autoklave sind zu empfehlen, falls die zu reinigenden Bauteile Sacklöcher o. ä. enthalten.

Es empfiehlt sich zumeist, eine Anlage vorzusehen, in der sowohl mit flüssigem Kohlendioxid als auch mit überkritischem Kohlendioxid gereinigt werden kann, da das Lösungsvermögen von flüssigem Kohlendioxid im Vergleich zu überkritischem Kohlendioxid größer ist, wohingegen feine Poren und Risse wegen der geringeren Oberflächenspannung besser von überkritischem Kohlendioxid gereinigt werden können.

Die Anschaffungskosten sind relativ hoch. So kostete eine mittelgroße Anlage 1999 rund 100.000 $. Dagegen sind die zu erwartenden Betriebskosten relativ gering. In einer Versuchsreihe wurden 1994 in den USA pro Stunde 0,90 $ Energiekosten ermittelt, wobei mit einer Temperatur von 30 °C und einem Druck von 103 bar in einem Reinigungsbehälter mit einem Volumen von 60 l gereinigt wurde. Bei gröberen Verschmutzungen wurde dieselbe Anlage bei einer Temperatur von 40 °C und bei einem Druck von 241 bar betrieben. Die Energiekosten betrugen in diesem Fall 2,75 $. Neben den Energiekosten fallen weitere Kosten für das verwendete Kohlendioxid an. Diese lagen 1995 bei 0,10 $ pro kg flüssigem Kohlendioxid.

Versuchsanlage der "Los Alamos National Laboratories"

Referenzen

Homepage der "United States Environmental Protection Agency"
www.epa.gov

Online-Magazin "Precision Cleaning Web"
www.precisioncleaningweb.com

Online-Magazin "Parts Cleaning Web"
www.partscleaningweb.com

US-Amerikanische Wissensbasis "Sage: Solvent Alternatives Guide"
http://sage.rti.org

Online-Informationen des "Los Alamos National Laboratory"
www.scrub.lanl.gov

Reinigen mit komprimiertem Kohlendioxid
Online-Artikel, Journal für Oberflächentechnik, Ausgabe 98/05, 1998
www.jot-oberflaeche.de