Bei diesem Reinigungsverfahren wird unter hohem Druck (ca. 150 bar) stehendes Kohlendioxid in seiner flüssigen Phase als Lösungsmittel verwendet. Komprimiertes Kohlendioxid weist ein relativ hohes Lösevermögen für organische Stoffe, wie Öle oder Fette, auf. Nach der Reinigung wird das flüssige Kohlendioxid aus der Reinigungskammer gepumpt und der Kammerdruck auf Umgebungsdruck gesenkt.
Bei diesem Reinigungsverfahren wird unter hohem Druck (ca. 150 bar)
stehendes Kohlendioxid in seiner flüssigen
Phase als Lösungsmittel verwendet. Komprimiertes Kohlendioxid weist ein relativ hohes Lösevermögen für organische Stoffe,
wie Öle oder Fette, auf. Nach der Reinigung wird das flüssige Kohlendioxid
aus der Reinigungskammer gepumpt und der Kammerdruck auf Umgebungsdruck gesenkt.
Dabei verdampft noch anhaftendes Kohlendioxid und die Bauteile können trocken
und fettfrei aus der Kammer entnommen werden.
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
bei anderen Prozessen entsteht und so sinnvoll weiterverwendet wird.
Physikalischer Hintergrund
Das Kohlendioxid wird während der Reinigung im flüssigen Zustand
benötigt. Dieser wird bei Raumtemperatur bei einem Druck von ca. 65 bar
erreicht. Bei geringerer Temperatur wird die flüssige Phase bei
entsprechend niedrigerem Druck erreicht (siehe Phasendiagramm). Das
Lösevermögen flüssigen Kohlendioxids für Öle und Fette ist von dem
Kammerdruck abhängig. Liegt der Kammerdruck gerade über dem zur
Verflüssigung
erforderlichen Druck von ca. 65 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. Einen guten Kompromiss bietet ein Anlagendruck von ca. 150 bar.
Phasendiagramm für Kohlendioxid
Die zu reinigenden Bauteile werden zusammen mit flüssigem CO2 und
evtl. mit Zusatzstoffen zur Verbesserung der Reinigungswirkung, wie Enzymen,
Detergenzien, Emulgatoren oder
Tensiden, in die
Reinigungskammer gegeben. Die Verschmutzungen werden vom flüssigen CO2 bei
Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur gelöst. Die Reinigungszeit
beträgt dabei meist zwischen 10 und 30 min. Zur besseren
Durchmischung in der Reinigungskammer können zusätzlich Waschtrommeln
oder eine Ultraschallunterstützung
vorgesehen werden.
Das Gemisch aus flüssigem CO2, Zusatzstoffen und den gelösten Verschmutzungen
wird nach der Reinigung aus der Reinigungskammer gepumpt und in einen Abscheider geführt. Unter vermindertem Druck wird
das flüssige CO2 aus dem Gemisch gasförmig und fließt zur weiteren
Verwendung in den Vorratstank zurück. Die Verschmutzungen werden im Abscheider von den
Zusatzstoffen getrennt und entnommen. Die Zusatzstoffe werden ebenfalls zur
Weiterverwendung in einen Vorratstank geleitet.
In der
Reinigungskammer bleiben so nur die gereinigten Bauteile zurück. Bei der
Absenkung des Kammerdruckes auf den Umgebungsdruck kühlen die Bauteile durch
die Verdunstung des noch anhaftenden Kohlendioxids stark ab. Daher ist es
oftmals sinnvoll, die Bauteile vor der Entnahme wieder auf Raumtemperatur
aufzuheizen, damit es zu keiner Kondensation von Luftfeuchtigkeit
kommt.
Anlage mit geschlossenem Kohlendioxid-Kreislauf
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
flüssiges Kohlendioxid, durch die eine Erhöhung der Standzeit erreicht werden
kann.
Haupteinsatzgebiete
Die zu reinigenden Teile müssen dem Druck in der Reinigungskammer
standhalten und Verträglichkeit gegenüber Kohlendioxid und den möglicherweise
verwendeten
Zusatzstoffen zeigen.
Gereinigt
werden können Oberflächen aus den unterschiedlichsten Materialien, wie
z. B. Glas, Keramik, Metall, Stoff und sogar Papier. Problematisch ist die Reinigung von
Kunststoffen, insbesondere von Elastomeren. Elastomere nehmen in der unter
Hochdruck stehenden Reinigungskammer CO2 auf, welches beim Absenken des Drucks
nach der Reinigung zur Blasenbildung im Werkstoff führt.
Problemlos entfernt werden können organische Stoffe, wie Fette und
Öle, Kohlenwasserstoffe oder Plastifiziermittel. Ohne Zusatzstoffe sind Salze, anorganische Verschmutzungen,
Rost, Lacke, Graphit und kleine Partikel schwierig oder gar nicht zu entfernen.
Durch die Zugabe von Enzymen, Detergenzien, Emulgatoren und Tensiden und eine
mechanische Unterstützung der Reinigung, z. B. durch Trommeln, können jedoch
auch derartige Verschmutzungen entfernt werden.
Konkretes Einsatzbeispiel:
In einem Anwendungsfall wurden Messing-Hydraulikfilter von Helikoptern
gereinigt. Früher
wurden die Teile 24 Stunden lang in eine Hydrokarbonlösung eingeweicht, von
Hand abgebürstet,wieder 24 Stunden eingeweicht und nochmals abgebürstet.
Nach der Verfahrensumstellung werden die
Teile 10 Minuten in einem Gemisch aus Hydrokarbonlösung und Öl/Tenside eingeweicht, von Hand abgebürstet und schließlich für 20
Minuten mit flüssigem Kohlendioxid gereinigt. Auf diese Weise konnte eine
erhebliche Verkürzung der Reinigungszeiten bei gleichbleibender
Reinigungsqualität erzielt werden.
Umwelt- und Arbeitsschutz
Der MAK-Wert für Kohlendioxid liegt bei 5000ppm, da sonst
Erstickungsgefahr
besteht. Deshalb sollte sich, insbesondere bei nicht geschlossenem
CO2-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. Sonst 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
das verwendete Kohlendioxid nicht zusätzlich produziert wird, sondern als
Abfallprodukt anderer Prozesse entsteht und so sinnvoll weiterverwendet wird.
Da es sich bei den Anlagen zur Reinigung mit flüssigem Kohlendioxid um Hochdruckanlagen handelt, ist auf
entsprechende Sicherheitsaspekte zu achten.
Zur Energierückgewinnung kann verunreinigtes CO2 beim Verlassen der Anlage 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.
Anlagen und Kosten
Die Anschaffungskosten der Anlagen zur Reinigung mit flüssigem
Kohlendioxid sind relativ hoch. So kostete
eine Anlage 1998 noch 100.000 $ und mehr. Dagegen sind die
Betriebskosten sehr
gering. Es fallen keine Abwasserkosten oder Entsorgungskosten für
Lösemittel an. Flüssiges CO2 ist im Vergleich zu Lösemitteln sehr
preiswert und auch die Energiekosten sind bei diesem Verfahren relativ
gering.
Da es sich um ein Feinreinigungsverfahren handelt, ist es aus
Kostengründen am besten geeignet, um dünne Verschmutzungsschichten zu
entfernen. Bei gröberen Verschmutzungen sollte ein geeigneter Schritt zur
Vorreinigung eingeplant werden.
Es empfiehlt sich außerdem, 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.
Anlagenbeispiel
Referenzen
Homepage
der "United States Environmental Protection Agency"
www.epa.gov
Online-Magazin
"Precision Cleaning Web"
Ausgabe 07.1999, 02.1998, 03.2000
www.precisioncleaningweb.com
US-Amerikanische
Wissensbasis "Sage: Solvent Alternatives Guide"
http://sage.rti.org
