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SpülprozesseAn die Reinigung mit flüssigen Reinigungsmitteln (Nassverfahren) muss sich oftmals ein Spülen anschließen, um die gelösten bzw. emulgierten Verschmutzungen und die aktiven Bestandteile des Reinigungsmittels, wie z. B. Tenside und Emulgatoren, von der Bauteiloberfläche zu entfernen. Hierdurch werden Verschleppungen in die nachfolgenden Reinigungsstufe bzw. eine Rückverschmutzung bei nachfolgender Trocknung vermieden. In Abgrenzung zum Reinigen sollen beim Spülen keine Verschmutzungen gelöst oder emulgiert werden, sondern es sollen die bereits im Reiniger gelösten oder emulgierten Verschmutzungen sowie die aktiven Bestandteile des Reinigers auf ein akzeptables Maß verdünnt werden. An die Reinigung mit flüssigen Reinigungsmitteln (Nassverfahren) muss sich oftmals ein Spülen anschließen, um die gelösten bzw. emulgierten Verschmutzungen und die aktiven Bestandteile des Reinigungsmittels, wie z. B. Tenside und Emulgatoren, von der Bauteiloberfläche zu entfernen. Hierdurch werden Verschleppungen in die nachfolgenden Reinigungsstufe bzw. eine Rückverschmutzung bei nachfolgender Trocknung vermieden. In Abgrenzung zum Reinigen sollen beim Spülen keine Verschmutzungen gelöst oder emulgiert werden, sondern es sollen die bereits im Reiniger gelösten oder emulgierten Verschmutzungen sowie die aktiven Bestandteile des Reinigers auf ein akzeptables Maß verdünnt werden.
Physikalischer HintergrundZiel des Spülens ist es, die Konzentration an gelösten Verunreinigungen und aktiven Bestandteilen des Reinigungsmittels, kurz die Wirkstoffkonzentration, in der an den Bauteilen anhaftenden Flüssigkeit auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Die zu erreichende Endkonzentration muss so niedrig sein, dass es bei der folgenden Trocknung weder zu einer Rückverschmutzung, noch zu Trockenflecken kommt. VerschleppungZusammen mit den Werkstücken gelangt eine bestimmte Menge Reinigungsflüssigkeit der Zusammensetzung des letzten Bades in das Spülbad. Diese Verschleppung, oft auch als Übertrag, Eintrag oder Austrag bezeichnet, kann je nach Anwendungsfall stark variieren. Bestimmend für das Verschleppungsvolumen sind vornehmlich die Werkstückgeometrie, -lage und -anordnung. Bei schöpfenden Bauteilen, wie z. B. Näpfen, Tassen o. ä., ist unbedingt auf die richtige Orientierung zu achten, so dass die Reinigungsflüssigkeit bestmöglich abfließen kann. Ebenfalls einen Einfluss auf das Verschleppungsvolumen hat die Gestaltung der Übergänge zwischen den Bädern (Abtropfzeit, Bewegungsgeschwindigkeit usw.) sowie die Viskosität der Lösungen. Insbesondere stark alkalische Lösungen weisen eine hohe Viskosität auf und es muss mit deutlich größeren Verschleppungen gerechnet werden. Falls nichts genaueres bekannt ist, kann mit 0,1 Liter pro Quadratmeter Bauteiloberfläche bei Einzelteilen, 0,05 Liter pro Quadratmeter bei Bandanlagen nach dem Abquetschen und bei Trommelware mit 2 bis 3 Litern pro Trommel gerechnet werden. Bei hochviskosen alkalischen Reinigungsflüssigkeiten betragen die Verschleppungen leicht 10 Liter pro Quadratmeter Bauteiloberfläche und mehr. Die Verschleppungen können durch folgende Maßnahmen minimiert werden:
-Anordnung der Bauteile so, dass Flüssigkeitseinschlüsse minimiert werden -Langsames Herausheben der Bauteile aus dem Bad -Abschütteln der Bauteile -Schwenken, Kippen, Drehen der Bauteile -Lange Abtropfzeiten -Abblasen der Bauteile mit Druckluft -Minimierung der Oberfläche von Warenkörben und Gestellen -Einsatz eines gut abspülbaren Reinigers SpülflüssigkeitAls Spülflüssigkeit wird zumeist Leitungswasser eingesetzt. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass in dem Wasser gelöste Mineralstoffe bei einer nachfolgenden Trocknung zu Fleckenbildung führen können. Zum Spülen sollte daher möglichst "weiches" Wasser eingesetzt werden. Die "Härte" des Wassers kann beispielsweise als Calciumcarbonat-Äquivalent angegeben werden und folgendermaßen berechnet werden:
Anlagen und KostenBei einer Spülanlage kann es sich im einfachsten Fall um ein einfaches Tauchbecken handeln, in das die Bauteile nach der Reinigung von Hand getaucht werden. In der Galvanotechnik werden jedoch auch aufwendig Spülanlagen mit mehreren Tauch- und Spritzspülstufen, Ultraschallunterstützung, Spülwasserkaskaden, interner Spülwasseraufbereitung und automatischen Bauteilumsetzern eingesetzt. Unabhängig von dem konkreten Anwendungsfall können sämtliche Spülanlagen in Standspülen und Fließspülen unterteilt werden. StandspülenEin Spüle, die weder über einen Zulauf noch einen Ablauf verfügt, wird als Standspüle bezeichnet. Durch die Verschleppung aus der Reinigungsstufe reichern sich in einer solchen Standspüle die Verschmutzungen und störenden Chemikalien mehr und mehr an. Vereinfacht kann die Anreicherung der Wirkstoffe folgendermaßen beschrieben werden:  c1 = Wirkstoffkonzentration in der Standspüle c0 = Wirkstoffkonzentration in der verschleppten Flüssigkeit VS = Volumen der Standspüle VE = verschlepptes Flüssigkeitsvolumen Eine Standspüle wird in der Regel nur eingesetzt:
FließspülenEin Spülbad, dem kontinuierlich oder auch diskontinuierlich Spülflüssigkeit zugeführt wird, heißt Fließspüle. In einer Fließspüle stellt sich nach einer gewissen Betriebszeit ein stationärer Zustand ein, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die eingetragenen und ausgetragenen Wasservolumina und Schmutzmengen die Waage halten:
 Spülbeckendesign zur optimalen Baddurchmischung Bei mehrstufigen Spülen sollte der Zulauf eines Beckens durch den Überlauf des nachfolgenden Beckens gespeist werden. Lediglich das letzte Becken wird mit Frischwasser gespeist. Eine solche Anordnung wird gegenläufige Spülwasserrückführung oder auch Spülwasserkaskade genannt und trägt stark zur Verringerung des Wasserverbrauches bei (siehe Berechnung). Der Zulauf kann kontinuierlich oder auch diskontinuierlich erfolgen. Eine sinnvolle Variante einer diskontinuierlichen Speisung ist die Kopplung eines Leitfähigkeitsmessgerätes mit einem Schaltventil. Sobald die Leitfähigkeit, die ein Maß für die Verschmutzung mit Ionen (z. B. Salzen) ist, einen oberen Wert überschreitet, wird das Ventil geöffnet und solange Frischwasser in das Becken gelassen, bis ein unterer Wert erreicht wird. Auf diese Weise kann die Frischwassermenge automatisch an einen variablen Bedarf angepasst werden. Eine ebenfalls häufig realisierte Anlagenvariante ist ein zweistufiges Spülen bei dem zunächst in einem Tauchbad und anschließend, nach dem Herausheben der Bauteile, mit einer Spritzeinrichtung über dem Tauchbecken gespült wird. Die Spritzeinrichtung wird zumeist mit Frischwasser gespeist und stellt den Zulauf für das Becken dar. Die Vorteile dieser Variante sind, dass die Bauteile, nachdem sie aus dem Spülbecken gehoben werden, nochmals mit Frischwasser abgespritzt werden und dass nur dann Frischwasser verbraucht wird, wenn auch gerade Schmutz in das Becken eingetragen wird. Nachteilig ist hingegen die schlechte Durchmischung des Tauchbades.
Berechnung der SpülprozesseNach den DIN EN ISO-Normen der 9000er Reihe sind Spülprozesse so zu gestalten, dass eine ausreichende Spülqualität bei möglichst geringem Ressourceneinsatz, d. h. Frischwasserverbrauch, erreicht wird. Um diesem Ziel gerecht zu werden, kann die erforderliche Spülwassermenge und Qualität einer Berechnung zugänglich gemacht werden, so dass Vorhersagen über das Spülergebnis gemacht und der Spülprozess optimiert werden kann. Um einen Spülprozess zu charakterisieren, wird ein dimensionsloses Spülkriterium eingeführt. Das Spülkriterium R ist der Quotient aus der eingeschleppten Wirkstoffkonzentrationen c0, also der Reinigungsbadkonzentration, und der nach dem Spülen zu erreichenden Endkonzentration cn: 
Mit dieser Kennzahl ist es nun möglich, für ein bestimmtes Volumen VE an eingeschleppter Reinigungslösung das für die Spülung erforderliche Wasservolumen VS zu berechnen. Werden diese Volumina auf die Zeit bezogen, so ergeben sich die entsprechenden Volumenströme des Abwassers und des Frischwassers. Typische Spülkriterien zeigt die folgende Tabelle:
Ein einstufiger Spülprozess ist relativ einfach zu berechnen. Bei der Berechnung mehrstufiger Spülprozesse müssen Prozesse ohne und mit Spülwasserkaskade unterschieden werden. Einstufiger Spülprozess Einstufiger Spülprozess
Bei einem einstufigen Spülprozess werden die zu spülenden Bauteile in ein Spülbecken eingebracht, welches mit Frischwasser gespeist wird. Das Frischwasservolumen trägt keine Verschmutzungen in das Spülbecken ein. Mit den Bauteilen wird die Wirkstoffmenge ME in das Spülbad eingeschleppt.  VE ist dabei das mit den Bauteilen eingeschleppte Flüssigkeitsvolumen und c0 die Wirkstoffkonzentration in der eingeschleppten Flüssigkeit. Die Wirkstoffkonzentration im Spülbad, die sich im Gleichgewichtszustand ergibt, kann durch Bilanzierung der ein- und ausgetragenen Wirkstoffmengen ermittelt werden:  Diese Wirkstoffkonzentration weist sowohl das Abwasser des Spülbeckens, als auch das noch an den Bauteilen anhaftende Spülwasser auf. Das Spülkriterium ergibt sich zu:  Umstellen nach dem Spülwasservolumen VS und umbenennen in VF ergibt den Frischwasserbedarf:  VF = Frischwasserbedarf R = Spülkriterium VE = in die Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Mehrstufiger Spülprozess ohne SpülwasserkaskadeBei einem mehrstufigen Spülprozess ohne Spülwasserkaskade werden sämtliche Spülstufen mit Frischwasser gespeist. Über den Zulauf werden somit keine Verschmutzungen in die jeweiligen Spülbecken eingetragen. Nach einiger Zeit ergibt sich in jedem Becken eine Gleichgewichtskonzentration und die Kenngrößen können berechnet werden. Spülstufe ohne Spülwasserkaskade Die in die erste Stufe des Spülbades eingeschleppte Wirkstoffmenge ME beträgt: VE ist dabei das mit den Bauteilen eingeschleppte Reinigungsflüssigkeitsvolumen, c0 die Wirkstoffkonzentration in der eingeschleppten Reinigungsflüssigkeit. Die Wirkstoffkonzentration im Spülbad ergibt sich mit der Spülwassermenge VS zu: Das Spülkriterium ergibt sich damit zu: Bei einer mehrstufigen Spülung ergibt sich das Spülkriterium allgemein als das Produkt der Spülkriterien der einzelnen Stufen:  Für die mehrstufige Spülung ohne Spülwasserkaskade ergibt sich somit:
R = Spülkriterium VS = Volumen der Spülflüssigkeit pro Stufe VE = in die Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen n = Zahl der Spülstufen Umstellen nach dem Spülwasservolumen pro Stufe VS und Multiplikation mit der Stufenzahl n ergibt den Frischwasserbedarf VF :  VF = Frischwasserbedarf n = Zahl der Spülstufen R = Spülkriterium VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Spülprozesse mit SpülwasserkaskadeIn einem mehrstufigen Spülprozess kann die benötigte Frischwassermenge stark herabgesetzt werden, indem nicht für jede Spülstufe Frischwasser verwendet wird, sondern jeweils das Spülwasser der nachfolgenden Spülstufe zur Speisung der vorhergehenden verwendet wird. Lediglich in der letzten Spülstufe wird Frischwasser eingesetzt. Ein solches Vorgehen wird gegenläufige Spülwasserrückführung oder auch Spülwasserkaskade genannt. Eine Spülwasserkaskade kann im einfachsten Fall durch Überläufe von jedem Spülbecken auf das jeweils vorhergehende realisiert werden. Soll der Spülprozess in einer einzelnen Kammer als Batchprozess oder in Form einer Spritzspülung erfolgen, ist eine der Anzahl der Spülstufen weniger eins entsprechende Zahl an Vorratsbehältern vorzusehen, in denen das bereits benutzte Spülwasser bereitgestellt wird. Die Berechnung von Spülwasserkaskaden kann für zweistufige Prozesse exakt und für dreistufige, vierstufige und n-stufige Prozesse näherungsweise durchgeführt werden. Zweistufiger Spülprozess mit Spülwasserkaskade Zweistufiger Spülprozess mit Spülwasserkaskade In die erste Spülstufe wird mit den Bauteilen das Volumen VE eingetragen. Die eingetragene Reinigungsflüssigkeit hat die Wirkstoffkonzentration c0. Gespült wird mit dem Abwasser der zweiten Spülstufe mit der Wirkstoffkonzentration c2. Die in der ersten Spülstufe erreichte Wirkstoffkonzentration c1 ergibt sich zu:
In die zweite Spülstufe wird mit den Bauteilen das Volumen VE der Wirkstoffkonzentration c1 eingetragen. Für die zweite Spülstufe wird reines Spülwasser verwendet. Die erreichte Endkonzentration beträgt:
Diese beiden linearen Gleichungen für die Konzentrationen können gelöst werden. Das mit einer zweistufigen Kaskadenspülung erreichbare Spülkriterium ergibt sich dann zu:
Umstellen nach dem Spülwasservolumen VS und umbenennen in VF ergibt den Frischwasserbedarf:  VF = Frischwasserbedarf R = Spülkriterium VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Dreistufiger Spülprozess mit Spülwasserkaskade
Dreistufiger Spülprozess mit Spülwasserkaskade
Die Wirkstoffkonzentrationen in den einzelnen Spülstufen ergeben sich bei der dreistufigen Kaskadenspülung zu:
Dieses lineare Gleichungssystem führt auf das Spülkriterium:
R = Spülkriterium VS = Volumen der Spülflüssigkeit VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Die Berechnung des erforderlichen Frischwasservolumens ist bei einer dreistufigen Spülung zwar noch geschlossen möglich, führt jedoch auf eine unhandliche Formel. In erster Näherung kann der Frischwasserbedarf als ein Drittel dessen einer dreistufigen Spülung ohne Kaskade abgeschätzt werden:
VF = Frischwasserbedarf R = Spülkriterium VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen
Eine bessere Abschätzung kann durch folgende Näherungsformel gegeben werden:  VF = Frischwasserbedarf R = Spülkriterium VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Der Fehler dieser Abschätzung beträgt bei üblicher Anlagenauslegung nur wenige Zehntelprozent.
Vierstufiger Spülprozess mit Spülwasserkaskade Vierstufiger Spülprozess mit Spülwasserkaskade Die Wirkstoffkonzentrationen in den einzelnen Spülstufen ergeben sich bei der vierstufigen Kaskadenspülung zu: 
 
 Dieses lineare Gleichungssystem führt auf das Spülkriterium:
R = Spülkriterium VS = Volumen der Spülflüssigkeit VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Die Berechnung des erforderlichen Frischwasservolumens ist nicht geschlossen möglich. Er kann grob zu einem Viertel des Frischwasserbedarfs einer vierstufigen Spülung ohne Kaskade abgeschätzt werden:  VF = Frischwasserbedarf R = Spülkriterium VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Eine bessere Abschätzung kann durch folgende Formel erzielt werden:
VF = Frischwasserbedarf R = Spülkriterium VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Der Fehler dieser Abschätzung beträgt bei üblicher Anlagenauslegung nur wenige Zehntelprozent.
Spülprozess mit n-stufiger Spülwasserkaskade
n-stufiger Spülprozess mit Spülwasserkaskade Bei einem n-stufigen Spülprozess mit gegenläufiger Spülwasserrückführung ergibt sich die Wirkstoffkonzentration in der n-ten Stufe zu:
Eine Sonderstellung nimmt die letzte Spülstufe ein, da diese mit Frischwasser versorgt wird. Für sie ergibt sich:
Für das Spülkriterium einer n-stufigen Kaskadenspülung gilt:
Das Spülkriterium kann durch folgende Reihe beschrieben werden:
 1-stufig 2-stufig 3-stufig 4-stufig n-stufigR = Spülkriterium VS = Volumen der Spülflüssigkeit VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen n = Zahl der Spülstufen Der Frischwasserbedarf einer n-stufigen Kaskadenspülung kann folgendermaßen abgeschätzt werden:
VF = Frischwasserbedarf n = Zahl der Spülstufen R = Spülkriterium VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen Diese Formel stellt für ein- und zweistufiges Spülen die exakte Lösung dar und ist für vielstufiges Spülen eine sehr gute Näherung.
Logarithmiert und nach n aufgelöst ergibt sich dann:
Dies führt auf die einfache Auslegungsgleichung:
R = Spülkriterium n = Anzahl der Spülstufen VE = in eine Stufe eingetragenes Flüssigkeitsvolumen VS = Spülwasservolumen pro Stufe |
