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Sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe

Die meisten der zu Reinigungszwecken eingesetzten organischen Lösemittel können, entsprechend ihrer Reinigungseigenschaften und Einsatzgebiete, in Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und Chlorkohlenwasserstoffe unterteilt werden.

Die meisten der zu Reinigungszwecken eingesetzten organischen Lösemittel können, entsprechend ihrer Reinigungseigenschaften und Einsatzgebiete, in Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und Chlorkohlenwasserstoffe unterteilt werden.


Sauerstoffhaltige KW


-Alkohole

-Aldehyde

-Ketone

-Ester

-Ether


Reiniger aus der Gruppe der sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe verfügen zumeist über ein polares und ein unpolares Molekülteil (Polarität eines Lösemittels) und werden eingesetzt, wenn neben unpolaren auch polare Verschmutzungen zu erwarten sind. Aufgrund ihrer leichten Entflammbarkeit werden sie zumeist den VbF-Klassen AI oder AII zugeordnet.





Eigenschaften


Als Kohlenwasserstoffe werden alle chemischen Verbindungen bezeichnet, die aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind. Die Kohlenstoffatome bilden dabei das Grundgerüst, an das die Wasserstoffatome gebunden sind. Entsprechend der Molekülstruktur werden kettenförmige und ringförmige Kohlenwasserstoffe (KW) unterschieden. Neben Kohlenstoff und Wasserstoff können KW auch weitere Atome und Gruppen enthalten, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften stark beeinflussen.


Zusammensetzung


In der Reinigungstechnik werden die beiden Hauptgruppen der halogenierten Kohlenwasserstoffe und der nicht halogenierten Kohlenwasserstoffe unterschieden. Die für die Bauteilreinigung relevanten halogenierten KW sind im Abschnitt CKW ausführlich beschrieben. Bei den nicht halogenierten Kohlenwasserstoffen handelt es sich zumeist um Stoffgemische und nicht um Einzelsubstanzen. Die Gemische setzen sich meist aus folgenden Stoffklassen zusammen:


Einige dieser Gruppen umfassen unpolare Stoffe, die ein gutes Öl- und Fettlösevermögen besitzen, andere besitzen polare Eigenschaften und sind wassermischbar. Aus den genannten Stoffen können daher sowohl polare als auch unpolare Reiniger zusammengestellt werden.


Einteilung


Wegen der Explosions- und Brandgefahr müssen die Prozesstemperaturen bei der Reinigung mit nichthalogenierten KW unter dem Flammpunkt des jeweiligen Gemisches gehalten werden. Je mehr kurzkettige Kohlenwasserstoffe in den Gemischen enthalten sind, um so leichter flüchtig und leichter entflammbar sind diese. Reinigungsbenzine werden zum Beispiel folgendermaßen unterteilt:


Spezialbenzine: Flammpunkt unter 21 °C
Testbenzine: Flammpunkt 21 °C bis 100 °C
Hochsieder: kein Flammpunkt


Eine allgemeine Klasseneinteilung der Kohlenwasserstoffe anhand ihrer Flammpunkte erfolgt in der Verordnung brennbarer Flüssigkeiten (VbF).


Trocknung


Werden die Temperaturen bei der Trocknung aus Sicherheitsgründen unter dem Flammpunkt der VbF A - Produkte gehalten, ergeben sich meist unwirtschaftlich lange Trocknungszeiten. Mehrfach schneller kann getrocknet werden, wenn Temperaturen weit oberhalb des Flammpunktes eingesetzt werden. Diese Verfahrensweise muss durch Explosionsschutzmaßnahmen oder durch Vermeidung zündfähiger Konzentrationen mittels Zuluft-/Abluftbetrieb beziehungsweise Umluftbetrieb mit Kondensation und messtechnischer Überwachung abgesichert werden. Effektiv auch bei Temperaturen unterhalb des Flammpunktes ist die Vakuumtrocknung. Allerdings werden hier leistungsfähigere und teurere Vakuumpumpen als beispielsweise bei wässrigen Medien mit Enddrücken von 1 bis 2 mbar und bei Teilen mit Kapillaren und engen Spalten von weniger als 1 mbar für eine gute Trocknung benötigt.


Physikalische Daten einiger Lösemittel


Lösemittel

Polarität

Flammpunkt (°C) Verdunstungszahl

Siedepunkt (°C)

Viskosität 20 °C (cP)

Dichte 20 °C
Aceton

5,1

 < - 20 2,1

56,2

0,32

0,790
Benzol

2,7

 - 11 3

80,1

0,65

0,879
Dichlormethan

3,1

 - 1,8

39,7

0,43

1,324
Diethylether

2,8

 - 40 1,0

34,5

0,23

0,713
1,4-Dioxan

4,8

 12 7,3

101,1

1,54

1,034
Ethanol

4,3

 12 8,3

78

1,20

0,789
Ethylacetat

4,4

 - 4 2,9

77,1

0,45

0,900
Toluol

2,4

 6 6,1 110,6

0,59

0,59
Wasser

10,2

100

1,00

1,00



Einsatzgebiete


In der industriellen Bauteilreinigung spielen die sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe mengenmäßig eine eher untergeordnete Rolle. Sie kommen dort zum Einsatz, wo Verschmutzungen aufgrund ihrer Polarität gegen die üblicheren, unpolaren Kohlenwasserstoffe beständig sind. Mit sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen können z. B. Polymerisate wie Kleb- und Dichtstoffe, Harze, Farben usw. gelöst werden. Derartige Verschmutzungen sind in der industriellen Praxis häufiger von Produktionsmitteln, als von Produkten abzureinigen. Die Reinigung erfolgt meist als sogenannte Kaltreinigung von Hand und ohne Erwärmung des Reinigers, da die meisten Formulierungen einen sehr geringen Flammpunkt besitzen und den VbF-Klassen AI oder AII angehören. Aus ihrer Leichtflüchtigkeit ergeben sich hohe Emissionen in die Umgebungsluft.


In Elektronik, Optik und Feinmechanik wurden die früher gebräuchlichen FCKW häufig durch sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe ersetzt, die hohe Oberflächenreinheit garantieren und schnell trocknen (beispielsweise Isopropanol oder Aceton). Da diese leicht entflammbar sind, sind explosionsgeschützte Anlagen erforderlich, die aus Sicherheitsgründen der Dauerabsaugung unterliegen. Dadurch steigen die ohnehin hohen Emissionen oft auf über zwei Drittel des Reiniger-Einsatzes. Diese Emissionsrate gilt auch für die in der Feinoptik weit verbreitete manuelle Alkohol-Reinigung. Die Emissionen konnten in jüngster Zeit durch den Einsatz von höher flüchtigen Lösemittel, wie Glykolether oder N-Methyl-Pyrrolidon (NMP), zumindest etwas gesenkt werden.


In Einsatzfällen, wo überwiegend anorganische Verschmutzungen abgereinigt und Teile entspant werden müssen, sind wässrige Reiniger zumeist deutlich effektiver als sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und sollten daher vorgezogen werden.



Arbeitsschutz


Organische Lösungsmittel sind in der Regel leicht flüchtig und verdampfen auch bei niedrigen Temperaturen rasch. Unter ungünstigen Ventilationsbedingungen können daraus höhere Konzentrationen in der Atemluft resultieren. Über die Atemluft gelangen Lösemittel in die Lunge, wo sie mit dem Blut in die einzelnen Organe und ins Gewebe transportiert werden und ihre Giftwirkung entfalten. Direkter Hautkontakt kann gegebenenfalls die Lösungsmittelaufnahme steigern. Die Toxizität nichthalogenierter organischer Lösemittel ist jedoch meist wesentlich geringer als die der CKW.


Die Wirkungsschwellen für Lösemittel sind sehr unterschiedlich. Neben einer narkoseähnlichen Wirkung treten je nach Substanz Schleimhautreizungen, Schwindelgefühl, Müdigkeit, Benommenheit und bei höherer Dosis auch Übelkeit und Kopfschmerzen auf. Bei einer Langzeitbelastung können neben psychoorganischen Störungen Leber- und Nierenschädigungen hinzukommen. Erhöhte Lösemittelkonzentrationen in der Raumluft sind oftmals durch den charakteristischen Geruch zu erkennen. Grundsätzlich sind Lösemittel in ihren gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen schwer zu beurteilen, weil sie in unterschiedlichen Kombinationen vorkommen und hierfür keine Richt- oder Grenzwerte vorliegen. Alle sicherheitsrelevanten Kenndaten können den von den Lösemittelherstellern bereitgestellten Sicherheitsdatenblättern entnommen werden. Allgemeine Richtlinien für den Umgang mit organischen Reinigern enthält die Verordnung zur Umsetzung der Richtlinie 1999/13/EG über die Begrenzung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (Zusammenfassung). Richtlinien für die zulässigen Immissionen in die Umwelt können dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) entnommen werden.


Beim Umgang mit Lösemitteln sind folgende Schutzmaßnahmen zu beachten: Dicht verschlossen, kühl, an gut belüftetem Ort lagern. Arbeiten unter Abzug vornehmen. Schutzbrille mit Seitenschutz und oberer Augenraumabdeckung tragen.


Erste-Hilfe-Maßnahmen:


Hautkontakt: mit viel Wasser abwaschen

Augenkontakt: mehrere Minuten bei gespreizten Lidern unter fließendem Wasser mit Augendusche ausspülen. Augenarzt konsultieren!

Einatmen: Frischluft. Ggf. Atemspende oder Gerätebeatmung

Verschlucken: Viel Wasser trinken lassen. Erbrechen vermeiden. Einen Arzt konsultieren.



Anlagen


Bei brennbaren Lösemitteln muss die Anlagentechnik darauf ausgerichtet sein, Brände und Explosionen auszuschließen. Explosionsschutzmaßnahmen müssen nicht ergriffen werden, wenn das Lösemittel bei Temperaturen von maximal 15 °C unter seinem Flammpunkt verwendet wird oder eine Explosionsgefährdung dadurch unterdrückt wird, dass die Anwendung bei entsprechendem Unterdruck erfolgt. Explosionen der Lösemittel/Luft-Gemische führen zu einer bis zu achtfachen Druckerhöhung. Dies bedeutet, dass eine Explosion, die in einer geschlossenen Kammer bei einem Druck < 125 mbar stattfindet, keine Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck von 1 bar erzeugt und somit relativ ungefährlich ist.


Aus der Sicht des Umweltschutzes erweist sich die KW-Oberflächenreinigung bei erhöhten Lösemittelverlusten als problematisch. Das betrifft in erster Linie Großanlagen mit Heißlufttrocknung zur seriellen Reinigung. Bei derartigen Anlagen sind Maßnahmen zur Emissionsminderung, wie z. B. eine Kondensationsabscheidung, erforderlich. Lösemittelverluste können durch die Realisierung eines geschlossenen Kreislaufes mit destillativer Badpflege minimiert werden.


Die Wasserlöslichkeit der meisten Kohlenwasserstoffe ist gering, was sich in ihrer Einordnung in die Wassergefährdungsklasse 1 (kaum wassergefährdend) äußert.


Der Einsatz von Teile-Reinigungsgeräten ohne Absaugung ist nur zulässig, wenn das verwendete Lösemittel

  • im Sinne der Gefahrstoffverordnung nicht kennzeichnungspflichtig ist

  • einen Flammpunkt über 55 °C aufweist

  • der Massenanteil von halogenorganischen Verbindungen nicht mehr als 1 % beträgt.


Werden in Teile-Reinigungsgeräten Lösemittel verwendet, die diesen Anforderungen nicht entsprechen, muss - zusätzlich zur natürlichen Lüftung - eine technische Lüftung (Absaugeinrichtung) vorhanden sein.



Aufbereitung


Anwender von Gefahrstoffen sind gesetzlich verpflichtet, recyclingfähige Wertstoffe getrennt zu sammeln und diese entweder selbst nach Gebrauch zu regenerieren oder sie einer Wiederverwendung zuzuführen. Die Verwertung von Abfällen hat Vorrang vor der Entsorgung, wenn:

  • sie technisch möglich ist

  • die hierbei entstandenen Kosten im Vergleich zu anderen Verfahren der Entsorgung nicht unzumutbar sind

  • für die gewonnenen Stoffe ein Markt vorhanden ist.


Bei der Reinigung gebrauchter Lösemittel besteht die Aufgabe entweder darin, Verunreinigungen abzutrennen, oder Gemische wieder in die Einzelkomponenten zu zerlegen. Die Rückgewinnung verunreinigter, flüssiger Lösemittel erfolgt in der Regel durch Destillation. Unter Destillation (destillare, lat. = herabtropfen) wird die Trennung einer Lösung durch Verdampfen und anschließendes räumlich getrenntes Kondensieren verstanden. Die Trennung beruht auf der unterschiedlichen Siedetemperatur von Lösemittel und Lösestoff. Am Ende des Destillationsvorganges kann das gereinigte Lösemittel wiederverwendet werden. Übrig bleibt ein Konzentrat in Form von Schlamm oder Feststoffen, das entsorgt werden muss. Im einfachsten Fall besteht eine Destillationsanlage aus einem indirekt beheizten Verdampfungsbehälter mit einem nachgeschalteten Kondensator.


Praxiserfahrungen zeigen, dass die zentrale Aufarbeitung vom Lösemittel auch Nachteile mit sich bringt, weil nicht alle Nutzer die unbedingt notwendige sortenreine Sammlung beachten. Bereits kleine Beimengungen von anderen Stoffen können die aufwendige Aufarbeitung zunichte machen. Aus diesem Grund wird in erster Linie eine dezentrale Aufarbeitung direkt am Entstehungsort unterstützt.


Inzwischen können relativ saubere halogenfreie Lösemittel kostengünstig der Energiegewinnung zugeführt werden. Aus diesem Grund werden die Abfallerzeuger gebeten, geeignete Lösemittel getrennt zu sammeln. Es handelt sich insbesondere um brennbare Stoffe, wie z. B. Alkohole (Methanol, Ethanol, Isopropanol), Ketone (Aceton), Ester, Xylol, Benzol, Toluol u. ä. Die Flüssigkeiten dürfen keine Feststoffe, störenden Reaktionsprodukte und nach Möglichkeit kein oder nur wenig Wasser enthalten. Regenerierungsfähige Lösemittel fallen nicht unter diese Kategorie von Abfällen.


Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojektes zur ganzheitlichen Bilanzierung von Verfahren der industriellen Teilereinigung wurde ein Vergleich der drei am häufigsten eingesetzten Verfahren - Reinigung mit CKW, nichthalogenierten Kohlenwasserstoffen nach VbF AIII und wässrigen Systemen - sowie eine ökologisch-ökonomische Schwachstellenanalyse der Einzelverfahren durchgeführt (Ökobilanz).


Allgemeine Richtlinien für den Umgang mit organischen Reinigern enthält die Verordnung zur Umsetzung der Richtlinie 1999/13/EG über die Begrenzung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (Zusammenfassung). Richtlinien für die zulässigen Immissionen in die Umwelt können dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) entnommen werden.



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 01/00: Reinigung von Kugellagern

  • Ausgabe 06/99: KW- Reinigung bei großen Chargen und komplizierten Teilen

  • Ausgabe 07/99: Reinigen mit Kohlenwasserstoffen - Stand der Technik und neue Trends

  • Ausgabe 12/99: Industrielle Reinigung - Noch höhere Standzeiten und niedrigere Restschmutzgehalte

  • Ausgabe 03/98: Präzisionsreiniger für Metall-, Elektronik- und Optikanwendungen

  • Ausgabe 11/98: Reinigen mit nicht-VOC-relevanten Lösemitteln

  • Ausgabe 08/98: Reinigung mit halogenfreien Lösemitteln: Anwendungstrends und VOC-Richtlinie

N. N.

Guide to Vapor Degreasing and Solvent Cold Cleaning

ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering, ASM International, 1996


Peterson, D.

Practical Guide to Industrial Metal Cleaning

Hanser Gardner Publications, 1997


Weiner, R.

Metall-Entfettung und -Reinigung

Eugen G. Leuze Verlag, 1969


US-Amerikanische Wissensbasis "Sage: Solvent Alternatives Guide"

http://sage.rti.org

Name des Autors: team