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Pflanzenölbasierte Reiniger

Pflanzenöle, wie Sojaöl, Rapsöl oder Kokosöl, und ihre Fettsäureester können bei industriellen Reinigungsprozessen als Ersatz für Kohlenwasserstoffreiniger verwendet werden. Da reine Pflanzenöle im Allgemeinen eine zu hohe Viskosität besitzen und nicht stabil genug gegenüber Oxidation sind, werden ihre Fettsäuren verestert. Derartige Fettsäureester sind für eine Reihe von Reinigungstechniken, wie Tauch-, Sprüh-, und Wischreinigung, geeignet, können jedoch nicht ohne Weiteres für die Dampfentfettung verwendet werden, da ihre Siedetemperaturen zu hoch liegen. Einsatzbedingungen und Zusammensetzung der Esterprodukte müssen für eine optimale Reinigung der Art der Verschmutzung und dem erforderlichen Reinheitsgrad angepasst werden. Es können z. B. Emulgatoren zugegeben werden, damit der Reiniger leicht mit Wasser entfernt werden kann. Der Einsatz von pflanzenölbasierten Reinigern bietet eine Reihe von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen:

-Pflanzenölbasierte Reiniger sind gut emulgierbar

-Sie besitzen eine nur geringe Flüchtigkeit

-Es werden keine Absaugvorrichtungen und Kapselungen benötigt

-Die von ihnen ausgehende Gesundheitsgefährdung ist gering

-VbF- und Ex-Schutzmaßnahmen entfallen, da der Flammpunkt > 100 °C ist

-Der verbleibende Restfilm bietet einen temporären Korrosionsschutz

-Es werden zum Teil erheblich höhere Badstandzeiten erreicht

-Die Umweltverschmutzung wird reduziertAusgangsprodukt sind nachwachsende Rohstoffe

Die Nachteile dieser noch relativ neuen Reiniger liegen zum einen in dem im Vergleich zu herkömmlichen Lösemitteln hohen Preis und zum anderen in den noch geringen Praxiserfahrungen. Vor dem Einsatz von Fettsäureestern müssen zumeist Versuche durchgeführt werden, um die Eignung für den jeweiligen Einsatzfall zu garantieren.

Eigenschaften

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Pflanzenöle hängen wesentlich von ihrer chemischen Struktur ab. Im Allgemeinen besitzen sie eine hohe Viskosität und sind nicht in ausreichender Weise stabil gegenüber Oxidation. Zur Verbesserung der chemischen und physikalischen Eigenschaften werden Fettsäureester synthetisiert, indem die aus Pflanzenölen gewonnenen Fettsäuren verestert werden. Die so erzeugten Fettsäureester bestehen aus einer langen Kohlenwasserstoffkette mit gewöhnlich 10 bis 20 Kohlenstoffatomen und einer Estergruppe. Die Kohlenwasserstoffkette kann sowohl gesättigt, als auch ungesättigt, verzweigt oder unverzweigt auftreten.

Die hohen Siedetemperaturen (zwischen ca. 200 °C und 350 °C) und die geringe Flüchtigkeit bei Raumtemperatur machen Fettsäureester zu einer interessanten Alternative zu den herkömmlichen Lösemitteln. Ein mit der geringen Flüchtigkeit einhergehender Nachteil ist, dass nach der Reinigung ein dünner öliger Film als Rückstand auf der Metalloberfläche zurückbleibt. Dieser Film kann durch Abwischen oder in einigen Fällen durch thermische Behandlung entfernt werden. Eine Nachreinigung durch wässrige Systeme ist oftmals ebenfalls möglich. In vielen Fällen ist der verbleibende Film jedoch als Korrosionsschutz erwünscht und verbleibt auf den Teilen.

Die Viskosität ist ein Maß für das Fließverhalten einer Flüssigkeit: Je höher die Viskosität ist, desto weniger beweglich ist die Flüssigkeit. Reinigungsmittel mit einer niedrigen Viskosität können leichter auf ein zu reinigendes Objekt aufgetragen werden und in Spalten und Hohlräume eindringen. Die Viskosität von Pflanzenölestern ist schon bei Raumtemperatur mit ca. 10 mPa*s relativ niedrig und nimmt mit steigender Temperatur weiter ab. Eine Zunahme der Kettenlänge oder größere Estergruppen führen zu einer Zunahme der Viskosität. Insgesamt sind die Viskositäten sämtlicher Fettsäureester ähnlich niedrig, wie die der herkömmlichen Kohlenwasserstoffreiniger.

Eine weitere Voraussetzung für ein wirksames Reinigungsmittel ist ein gutes Benetzungsvermögen. Je niedriger die Oberflächenspannung ist, desto weniger Energie wird benötigt, um die Oberfläche z. B. eines Flüssigkeitstropfens zu vergrößern. Das bedeutet, dass die Flüssigkeit die zu reinigende Oberfläche leichter benetzen kann. Bei 20 °C haben reine Fettsäureester eine Oberflächenspannung im Bereich von 27,9 bis 30,8 dyn/cm und liegen damit im Bereich herkömmlicher Kohlenwasserstoffreiniger (20 - 40 dyn/cm). Bei ansteigender Temperatur zeigen sie eine lineare Reduzierung der Oberflächenspannung. Je länger die Kohlenwasserstoffkette in dem Pflanzenölester ist, desto höher ist die Oberflächenspannung.

Reiniger auf der Basis von Fettsäureestern sind gewöhnlich teurer als organische Lösemittel. In der Praxis kann dieser Nachteil durch eine Reihe von positiven Faktoren wettgemacht werden:

-Vermeidung von Lösemittelemissionen am Arbeitsplatz

-Reduzierung der Umweltverschmutzung

-Geringere Kosten für technische Anlagen zur Emissionsverminderung und Emissionsmessung

-Geringere Kosten für Schutzkleidung und medizinische Betreuung der Beschäftigten

-In der Regel sind keine Maßnahmen zum Explosionsschutz erforderlich

-Aufwendungen für Feuerschutzmaßnahmen und Lagerhaltungskosten können verringert werden

-Geringerer Reinigerverbrauch aufgrund geringerer Verluste durch Verdunstung

-Höhere Standzeit der Reinigungsbäder aufgrund hoher Schmutzaufnahmefähigkeit und geringer Verdunstung

Einsatzgebiete

Esterprodukte lösen wirksam organische Verschmutzungen, wie Schmiermittel, Schutzbeschichtungen und Kühlschmierstoffe. Sie haben hingegen, wie herkömmliche Lösemittel auch, nur eine begrenzte Wirkung auf Oxidschichten oder eingebrannten Schmutz. Fettsäureester auf Pflanzenölbasis wirken normalerweise nicht korrodierend auf Metalle. Rostfreier Stahl und Aluminium sind am widerstandsfähigsten, wohingegen verzinkte und zinkhaltige Metalle von den im Reiniger enthaltenen freien Fettsäuren angegriffen werden. Reinigungslösungen auf Pflanzenölbasis können Gummi quellen lassen und den Weichmacher aus verschiedenen Kunststoffen lösen. Diese Wirkung ist im Allgemeinen vergleichbar mit der herkömmlicher organischer Lösemittel. Materialien aus Teflon, Viton und Polypropylen werden in der Regel durch Fettsäureester nicht angegriffen.

Fettsäureester sind für eine Reihe von Reinigungstechniken, wie Tauch-, Sprüh-, und Wischreinigung, geeignet. Sie können jedoch nicht ohne Weiteres für die Dampfentfettung verwendet werden, da ihre Siedetemperaturen zu hoch liegen. Einsatzbedingungen und Zusammensetzung der Esterprodukte müssen für eine optimale Reinigung der Art der Verschmutzung und dem erforderlichen Reinheitsgrad angepasst werden. Es können z. B. Emulgatoren zugegeben werden, damit der Reiniger leicht mit Wasser entfernt werden kann.

Nach der Oberflächenreinigung bleibt ein dünner Film des Esterprodukts auf der Oberfläche zurück, was bei der Lagerung von Metallen von Vorteil sein kann, da dieser Film vor Korrosion und Flugrost schützt. Wenn jedoch das gereinigte Metall nachfolgend beschichtet werden soll, muss ein zusätzlicher Reinigungsschritt erfolgen, um den dünnen Schutzfilm zu entfernen. Dies kann durch Wischen mit einem organischen Lösemittel, Verdunstung oder Nachreinigung mit einem wässrigen Reiniger erfolgen.

Die Reinigungswirkung der Esterprodukte wurde in folgenden Einsatzfällen erfolgreich getestet:

Reinigung demontierter Maschinen- und Anlagenteile: Das Produkt wird entweder mit einer Fußpumpe durch einen Schlauch zu einem Pinsel geführt, mit dem die Teile manuell gereinigt werden oder die Werkzeuge und Maschinenteile werden in ein Ultraschallbad getaucht, das den Reiniger enthält. Das Bad wird dabei auf eine Temperatur von 75 °C erhitzt. Der Ersatz der herkömmlichen KW-Reiniger durch einen pflanzenölbasierten Reiniger hat bei einigen Vorgängen zu einem erhöhten mechanischen Aufwand geführt. Dagegen ging die Anzahl der Beschwerden der Beschäftigten über Hautreizungen stark zurück.

Entfernen von Ziehfetten von Aluminiumteilen: Das Beispielunternehmen verwendete Perchlorethylen, welches ersetzt werden musste, um die gesetzlichen Vorschriften und ökologischen Anforderungen zu erfüllen. Die Reinigung mit Perchlorethylen wurde in zwei Schritten durchgeführt: Tauchen mit anschließender Dampfentfettung. Die Reinigung mit Esterprodukten wird nun folgendermaßen realisiert: Der ursprüngliche Perchlorethylen-Tauchbehälter enthält eine esterbasierte Reinigungslösung bei einer Temperatur von 60 °C. Der Behälter für die Dampfphase wird als Wanne für die Nachtauchlösung zur Entfernung der Reinigerrückstände eingesetzt. Hierfür wird ein Reiniger verwendet, der ebenfalls auf Fettsäureestern basiert, jedoch eine höhere Flüchtigkeit besitzt. Der gesamte Tauchvorgang dauert 10 Minuten. Als letzter Schritt wird der höher flüchtige Reiniger in einem Umluftkondensationstrockner abgedunstet. Der Hauptvorteil der Umstellung war eine Reduzierung des Reinigerverbrauchs um das 6 bis 8-fache.

Reinigung der Außenflächen von Bussen: Ein auf Rapsöl basierender Reiniger wird auf die Außenfläche aufgesprüht und muss einige Stunden einwirken (für die Reinigung des Businneren beträgt die empfohlene Einwirkungsdauer 10 Minuten). Nach dieser Zeit fährt der Bus durch eine automatische Waschanlage. Da der Reiniger einen Emulgator enthält, können Reinigungsmittel und gelöster Schmutz problemlos abgewaschen werden. Der Ersatz des ursprünglichen Reinigungsmittels durch den Rapsreiniger hat zu einer deutlichen Verringerung des mechanischen Aufwands bei der Vorreinigung geführt.

Umwelt- & Arbeitsschutz

Pflanzenölester weisen bezüglich des Umwelt- und Arbeitsschutzes folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Kohlenwasserstoffreinigern auf:

-keine Brand- und Explosionsgefahr aufgrund des hohen Flammpunktes*

-geringe Verdunstungsraten entlasten die Raumluft

-die geringe Toxizität macht die Überwachung von Arbeitsplatzgrenzwerten entbehrlich

-Berufskrankheiten sind bei bestimmungsgemäßem Gebrauch nicht zu erwarten

-eine gute biologische Abbaubarkeit schützt die Umwelt

-es besteht keine Kennzeichnungspflicht nach Gefahrstoff-Verordnung

-die pflanzlichen Produkte sind in Wasser und Boden besser biologisch abbaubar

-als Basis stehen nachwachsende Rohstoffe zur Verfügung

* Da bei ungünstigen Konstellationen (feiner Sprühnebel in hoher Konzentration) explosionsfähige Gemische entstehen können, sind vorab die Vorraussetzungen für ein Versprühen zu klären. Bei anderen Anwendungen (manuelle Reinigung, Tauchbecken, etc.) kann in aller Regel auf Absaugmaßnahmen verzichtet werden.

Im Vergleich zu Kohlenwasserstoffprodukten werden die Esterölreiniger in der Regel als wesentlich hautverträglicher eingestuft. Da Fettsäureester die Haut auf Dauer entfetten, ist dennoch Hautschutz erforderlich. Da Fettsäureester bei Raumtemperatur nicht flüchtig sind und eine ölige Konsistenz aufweisen, sollte auf dem Fußboden verspritzte Reinigungslösung zur Vermeidung der Rutschgefahr umgehend weggewischt 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.

Aufbereitung und Entsorgung

Für die Aufbereitung von Fettsäureestern werden zwei verschiedene Verfahren angewendet: Die Vakuumdestillation und die Ultrafiltration.

Die Vakuumdestillation ist bei Reinigern mit hohem Siedepunkt, wie den Fettsäureestern, nur schwer zu realisieren. Die Destillation verbraucht sehr viel Energie und ungesättigte Fettsäuren sind bei den zur Verdampfung erforderlichen Temperaturen oftmals nicht stabil genug. Bei gesättigten Fettsäuren kann die Vakuumdestillation jedoch eingesetzt werden. Die erforderliche Energiemenge und die damit verbundenen hohen Kosten stellen dennoch ein Hindernis für den Einsatz der Vakuumdestillation dar. Darüber hinaus kann es bei der Destillation Probleme geben, wenn der Reiniger (Fettsäureester) und die Verunreinigung (z. B. Mineralöl) ähnliche Siedepunkte besitzen.

Für die Ultrafiltration werden Membranen mit einer Porengröße zwischen 0,1 µm und 0,001 µm verwendet. Die Porengröße hängt von der gewünschten Trennwirkung ab. Zusammen mit der Querstrom-Filtration haben sich diese Systeme beim Recycling von Reinigern mit hohem Siedepunkt bewährt. Die Querstrom-Filtration ist ein dynamischer Prozess, bei dem ein Strahl parallel zur Oberfläche des Filters fließt, wodurch der Aufbau eines Filterkuchens verhindert wird. Nach dem Recyclingprozess muss der hochkonzentrierte Schmutz entsorgt werden. Der Vollständigkeit halber sollte der recycelte Reiniger auf mögliche Veränderungen der chemischen Struktur untersucht werden. Die Ultrafiltration ist im allgemeinen sehr effektiv bei der Trennung von Mischungen, die unterschiedlich große Moleküle enthalten, wie Öl, Wasser oder Metallpartikel. Bei der Beurteilung der Wirksamkeit der Filtration sollte immer sowohl der Reiniger (inklusive Zusätze) als auch die Verunreinigung berücksichtigt werden. Besonders in der metallverarbeitenden Industrie treten verschiedene Arten von Verunreinigungen auf und jedes Recyclingsystem muss den spezifischen Bedürfnissen des Unternehmens angepasst werden.

Referenzen

Online-Magazin "JOT - Journal für Oberflächentechnik"

http://www.jot-oberflaeche.de/

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

Online-Veröffentlichungen der Universität Hamburg und der IGM

http://www.rrz.uni-hamburg.de/kooperationsstelle-hh/

Bulletin Universität Hamburg

http://www.loesemittelersatz.de/download/metallreinigung.pdf

http://www.loesemittelersatz.de/23.html

Name des Autors: team