Saure Reiniger sind wässrige Lösungen mit einem pH-Wert < 6. Diese
Reinigergruppe zeichnet sich durch eine relativ komplexe Zusammensetzung aus.
Typische Komponenten eines sauren Reinigers sind: Ein saurer Bestandteil,
wasserlösliche organische Lösemittel, oberflächenaktive Substanzen und
Inhibitoren.
Saure Lösungen sind in der Lage, anorganische
Verschmutzungen (Metallabrieb, Staub, Pigmente) sehr wirkungsvoll zu entfernen.
Ein weiterer typischer Einsatzfall für die saure Reinigung ist die
Oberflächenbehandlung von oxidierten Metallen (Entfernung von Rost, Zunder).
Größere Mengen Fett oder Öl können nicht entfernt werden.
Beim Umgang mit stark sauren Reinigern muss das Arbeitspersonal vor der ätzenden
Wirkung der Reinigungslösung und ihrer Dämpfe geschützt werden. Ausreichende
Schutzkleidung ist in diesen Fällen unbedingt erforderlich.
Eigenschaften
Säuren sind chemische Verbindungen mit einem pH-Wert < 6. Sie bestehen aus dem Säurewasserstoff und dem
Säurerest. Werden Säuren mit Wasser verdünnt, spalten sich ionisierte
Wasserstoffatome (H
+) ab und es entstehen Oxonium-Ionen (H
3O
+), die für
die saure Eigenschaft der Lösung verantwortlich sind. Je leichter das
Wasserstoffatom abgespalten werden kann, desto stärker ist die Säure.
Die
sauren Reiniger bestehen meist aus
einem sauren Bestandteil (
anorganische
Säuren,
organische
Säuren,
saure
Salze),
aus wasserlöslichen organischen Lösungsmitteln (
Alkohole,
Ester) und aus oberflächenaktiven Verbindungen (
Tensiden,
Emulgatoren),
welche die Benetzung der Oberfläche begünstigen und die abgelösten Fette
emulgieren. Vielfach enthalten saure Reiniger zusätzlich Inhibitoren, die einen
Angriff des Grundmaterials unterbinden.
Das Reinigungsprinzip basiert darauf, dass
in einer sauren Lösung vorhandene H+-Teilchen sich sowohl am Schmutz als auch an
der zu reinigenden Oberfläche anlagern. Die positive Ladung an Schmutz
und Oberfläche führt dazu, dass der Schmutz von der Oberfläche abgestoßen
wird. Die Abstoßungskräfte sind aber (im Vergleich zu alkalischen Lösungen)
gering. In Abhängigkeit von den Reinigungsanforderungen wird zwischen
schwachsauren (pH-Wert 2 - 6) und sauren Lösungen (pH-Wert < 2)
unterschieden.
Die
Trocknung erfolgt für gewöhnlich im warmen Luftstrom. Normalerweise
übersteigen die Temperaturen hierbei aus ökonomischen Gründen nicht 100 °C.
Zur genauen Temperatursteuerung können auch Infrarot-Trockner eingesetzt
werden.
Einsatzgebiete
Im Gegensatz zu Lösemitteln zeigen saure
Reiniger eine sehr gute Reinigungswirkung bei
anorganischen Verschmutzungen wie Pigmenten, Stäuben und Metallabrieb.
Weiterhin können sie metallische Oberflächenoxide (vor allem
Rost und Zunder) effektiv lösen.
In Entrostungsmitteln sind anorganische Säuren (Salzsäure, Phosphorsäure)
zur Auflösung des Rostes und zur Entfärbung von Eisen-Ionen enthalten. Rost
ist ein Eisen(III)-Oxidhydroxid, das durch Säuren in lösliche
Eisenverbindungen überführt werden kann. Fest in Oberflächen eingelagerte
gelbbraune Eisen(III)-Ionen werden durch Komplexierung mit Phosphorsäure entfärbt.
Die Oberflächenreinigung mit sauren Reinigungsmitteln ist
nur bedingt in der Lage unpolare Fett- und Ölverschmutzungen zu entfernen.
Der Reinigungsvorgang läuft dabei folgendermaßen ab: Die Befettung
ist adsorptiv an die Oberfläche gebunden. Grenzflächenaktive Substanzen (Tenside)
setzen die Grenzflächenspannung zwischen der Befettung
und der wässrigen Lösung herab.
Unterstützt durch den Eintrag mechanischer Energie, wie zum Beispiel durch Ultraschall, umnetzen sie die Ölphase
und das Öl kann in Tropfenform vom
Werkstück abrollen. Neben einem Eintrag mechanischer Energie steigert auch eine
Erhöhung der Badtemperatur die Reinigungsleistung.
Eine relativ gute
Entfettungswirkung kann erreicht werden, wenn der Reiniger in Verbindung mit
speziellen, auf den Anwendungsfall zugeschnittenen Zusatzstoffen benutzt wird. Dabei ist aber mit wesentlich höheren
Investitionskosten zu rechnen.
Chromsäure wird benutzt, um Gusseisen und rostfreien
Stahl zu reinigen. Sie wird oft als letzte Phase im Reinigungsprozess benutzt,
da sie den Korrosionswiderstand von beschichteten Oberflächen vergrößert. 10 - 20 %ige Salpetersäure wird benutzt, um
rostfreien Stahl und Aluminium aufzuhellen.
Bei der elektrolytischen Reinigung wird empfohlen, hochkonzentrierte
Schwefelsäure oder Salzsäure einzusetzen.
Erhitzung: Saure Reiniger werden selten über 82 °C erhitzt.
Verbesserte Reinigerformulierungen haben in den letzten Jahren vielfach eine
Reinigung bei Raumtemperatur möglich gemacht, was große Energieersparnis mit sich
brachte, jedoch bringt der Wärmeeinsatz normalerweise Vorteile bei der
Entfernung von Rost oder hartnäckigen Verschmutzungen. Meist werden dann
Temperaturen von 60 °C - 71 °C benutzt.
Die
Tauchreinigung ist besonders gut für Bauteile mit komplexer
Oberflächengeometrien geeignet. Dabei werden dem Reiniger
Schaummittel zugesetzt, um zu verhindern, dass Dämpfe in die Atmosphäre
gelangen und um den Wärmeverlust zu minimieren.
Die
Trommelreinigung wird bei der Reinigung einer großen Anzahl von kleinen
Teilen (z. B. Bolzen) eingesetzt. In einigen Fällen wird ein Fremdmedium (z. B. Kies, Sand)
zur Verstärkung der Scheuerwirkung zugegeben. Der Reinigung erfolgt im Allgemeinen bei
Raumtemperatur oder bei sehr hartnäckigen Verschmutzung bei leicht erhöhter
Temperatur.
Die
elektrolytische Reinigung beruht auf der mechanischen Wirkung der Gasbläschen
sowie der chemischen Reduktion von Oberflächenoxidschichten bei anodischem
Einsatz. Hierbei werden zumeist Schwefelsäurebäder verwendet. Fett und Öl sollten vollständig
vor der elektrolytischen Reinigung entfernt sein, um die Badverschmutzung zu
minimieren. Bei alkalischer Vorreinigung müssen die Teile gründlich gespült
werden, um eine Neutralisation der Säure zu vermeiden. Die Taktzeiten sind
kurz zu halten, anderenfalls kann es zu einer starken Verätzung des
Grundmaterials kommen.
Bei
allen sauren Reinigungsverfahren treten Verätzungserscheinungen der gereinigten
Oberflächen auf. In viele Fällen
ist dieses leichte Anätzen jedoch erwünscht und dient zur Vorbereitung für die nachfolgenden Prozessschritte. Wenn der
Grundmaterialangriff nicht toleriert werden kann, muss ein anderer
Reinigungsprozess gewählt werden.
Arbeitsschutz
Säuren können auch in verdünnter Form Kleidung beschädigen oder zerstören
und ernsthafte Verletzungen hervorrufen. Berührung
mit den Augen und der Haut ist zu vermeiden. Daher ist eine ausreichende
Schutzbekleidung (dichtschließende Schutzbrille, Gummistiefel, etc) notwendig.
Es sollten außerdem Augenduschen und eine Erste-Hilfe-Ausstattung vorhanden sein. In der Nähe
der Anlagen ist auf rutschfeste Bodenbeläge zu achten. Es muss zudem vermieden
werden, dass Cyanide mit der Säure in Kontakt kommen und dabei
Wasserstoffchloridgas entsteht.
Elektrolytische Reinigungssysteme bergen die potentielle
Gefahr von Spritzern, daher sollte das Personal andiesen Anlagen Gummischuhe und �handschuhe tragen. Die
elektrischen Spannungen von 5 V - 15 V bergen keine Gefahr.
Nebel
aus Spritzanlagen oder aus warmen Bädern stellt ebenfalls eine Gesundheitsgefahr
dar.
Die Nebelbildung steigt mit der Zahl der Werkstücke, der Temperatur, dem Säuregehalt der Lösung und der Stromdichte bei elektrolytischer
Reinigung. Der Nebel enthält alle Bestandteile der Reinigungslösung, daher ist
für entsprechende Be- und Entlüftung zu sorgen.
Saure
Reiniger dürfen nicht mit anderen Reinigern vermischt werden. Beim Verdünnen
mit Wasser ist das Produkt langsam unter ständigem Rühren dem Wasser zuzugeben.
Bei der Verarbeitung ist auf eine gute Raumlüftung zu achten.
Saure Reiniger sollten nicht zusammen mit Laugen gelagert werden. Dicht
verschlossene Behälter
müssen kühl und trocken in einem gut belüfteten Raum gelagert werden. Säuren
dürfen nicht in Leichtmetallbehältern gelagert werden.
Aufbereitung und Entsorgung
Bei der wässrigen Reinigung entsteht Abwasser, das in der Regel nicht direkt
(in Flüsse oder Bäche), oder indirekt (in kommunale Kläranlage) ohne
Abwasseraufbereitung eingeleitet werden darf. Die Hauptverschmutzungen, die zu
entfernen sind, oder eine Abwasserabgabe bewirken, sind:
- CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) durch gelöste
Öle und Fette sowie durch Tenside und Inhibitoren
- Säuren oder Laugen (pH-Wert)
- Mineralöl, Petrolether-extrahierbare Substanzen
- Metallionen, wie Zn, Cu bei Reinigung der
entsprechenden Metalle oder Legierungen
- AOX (adsorbierbares organisch gebundenes Chlor) aus
Chlorkohlenwasserstoffen
Zur Aufbereitung der Abwässer, die bei der wässrigen Reinigung anfallen,
gibt es seit langem bewährte Verfahren. Im Wesentlichen handelt es sich dabei
um die Neutralisation und die Ölabtrennung. Bei
nur geringem Anfall an verschmutzten Reinigerbädern kann es auch vorteilhaft
sein, diese durch ein darauf spezialisiertes Unternehmen entsorgen zu lassen.
Alle wässrigen Lösungen mit einem pH-Wert kleiner 7 gelten als Säuren und
müssen entsprechend entsorgt werden. Bei der Abfallabgabe ist grundsätzlich der pH-Wert
anzugeben. In den Behältern dürfen nur Säuren
gemischt werden, die nicht miteinander reagieren. Anorganische und organische
Säuren sollten getrennt gesammelt werden. Der Inhalt muss frei von Ölen,
Fetten und organischen Lösemitteln sein. Folgende
Säuren müssen getrennt von anderen Säuren gesammelt werden:
- Salpetersäure
- Chromschwefelsäure
- Flusssäure (Konzentration ist anzugeben)
Organische Säuren (z. B. Essigsäure) sind
getrennt von organischen Lösemitteln zu sammeln, da z. B. mit Ethanol exotherme
Reaktionen eintreten können.
Referenzen
T. W. Jelinek
Reinigen und
Entfetten in der Metallindustrie
Eugen G. Leuze
Verlag, 1999
Online-Magazin "JOT - Journal für
Oberflächentechnik"
http://www.jot-oberflaeche.de/
-Ausgabe:
04/98: Grundsätzliches zur wässrigen Teilereinigung
-Ausgabe:
03/99: Welches Reinigungssystem ist das richtige?
N. N.
"Guide to Acid, Alkaline,
Emulsion and Ultrasonic Cleaning"
ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering,
ASM International, 1996
N. N.
"Guide to
Pickling and Descaling, and Molten Salt Bath Cleaning"
ASM Handbook,
Volume 5, Surface Engineering, ASM International, 1996
Peterson, D
"Practical
Guide to Industrial Metal Cleaning"
Hanser Gardner
Publications, 1997
US-Amerikanische
Wissensbasis "Sage: Solvent Alternatives Guide"
http://sage.rti.org
Weiner, R.
"Metall-Entfettung
und -Reinigung"
Eugen G. Leuze
Verlag, 1969
