Anwendung von Ultrafiltrationssystemen (UF) in der elektrophoretischen Beschichtungsindustrie
Die elektrophoretische Beschichtung ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem das Werkstück und die zugehörige Elektrode in die wasserlösliche Beschichtung eingetaucht und an die Stromversorgung angeschlossen werden. Durch die physikalischen und chemischen Reaktionen des elektrischen Feldes fallen Harz, Pigment und Füllstoff der Beschichtung gleichmäßig aus und lagern sich auf der Oberfläche der Beschichtung als Elektrode ab. So entsteht ein wasserunlöslicher Beschichtungsfilm. Ultrafiltration und Ultrafilter spielen eine wichtige Rolle im Prozess der elektrophoretischen Beschichtung. Durch die verbesserte Nutzung und Förderung der ED-RO-Technologie lässt sich die Ausnutzung der elektrophoretischen Beschichtung und der Wasserressourcen weiter steigern und die Abwassermenge deutlich reduzieren. Die korrekte und effektive Nutzung und Wartung der Ultrafiltrationsanlagen optimiert die Ausnutzung des Ultrafiltrationssystems. Die Ultrafiltrationsreinigung (UF) nach der Elektrophorese dient dazu, an der Oberfläche der elektrophoretischen Beschichtung haftende, schwimmende Farbreste zu entfernen, die Oberflächenqualität der Beschichtung zu verbessern und die Beschichtung zurückzugewinnen.
Kurzbeschreibung des Ultrafiltrationssystems
Die Ultrafiltration (UF) ist eine Membrantrenntechnik. Es handelt sich um ein Trennverfahren, das auf dem Prinzip der mechanischen Siebung basiert und durch den Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der UF-Membran angetrieben wird. Der übliche Betriebsdruck liegt zwischen 0,1 und 0,6 MPa, der Porendurchmesser zwischen 1 nm und 0,1 μm und das zurückgehaltene Molekulargewicht zwischen 500 und 1.000.000. Bei der elektrophoretischen Lack-UF passieren die Lösung und anorganische Salze die Membran, sobald der Lack mit ihr in Kontakt kommt. Moleküle ähnlicher Größe wie Harz und Pigmente hingegen können die Membran nicht passieren, werden in der Lacklösung zurückgehalten und zurück in den Elektrophoresebehälter transportiert.
Anwendung von Ultrafiltern bei der elektrophoretischen Beschichtung Der Ultrafilter ist die Schlüsselkomponente der Elektrophorese-Beschichtungsanlage. Seine Hauptaufgabe besteht darin, mittels der UF-Anlage deionisiertes Wasser und Lacklösungsmittel aus dem Elektrophoresebecken zu gewinnen, die Elektrophorese-Teile zu spülen und überschüssigen Lack vom Werkstück zu entfernen. Anschließend wird das Wasser in das Elektrophoresebecken zurückgeführt. Dadurch kann der Lack von der Werkstückoberfläche recycelt und ein geschlossener Kreislauf realisiert werden, wodurch Unternehmen 30 % der Lackkosten einsparen. Darüber hinaus wird ein Teil der UF-Flüssigkeit abgeleitet, um die während des Beschichtungsprozesses in das Elektrophoresebecken eingebrachten Verunreinigungsionen zu entfernen. So wird der Gehalt an Verunreinigungen in der Arbeitsflüssigkeit des Elektrophoresebeckens innerhalb der vorgegebenen Leitfähigkeits- und pH-Wert-Bereiche gehalten. Die UF-Flüssigkeit kann anstelle von deionisiertem Wasser zum Spülen des Werkstücks nach der Elektrophorese verwendet werden, und der Lack wird praktisch nicht abgeleitet. Dadurch wird die Belastung der Abwasserbehandlungsanlagen durch die direkte Reinigung mit deionisiertem Wasser vermieden und die Umweltverschmutzung reduziert.
Funktionsprinzip des Ultrafiltrationssystems Die Ultrafiltration dient der Entfernung von Verunreinigungsionen aus der Arbeitsflüssigkeit für elektrophoretische Lacke und schließt effektiv die Kationen- und Anionenquelle, um die Stabilität der Lacklösung und die Unversehrtheit des Lackfilms zu gewährleisten. Ultrafiltration (UF) ist eine Membranpermeations-Separationstechnologie, die Lösungen reinigen, trennen oder konzentrieren kann. Der Ultrafiltrationsprozess kann als Siebverfahren verstanden werden, das von der Membranporengröße abhängt. Unter dem Druck auf beiden Seiten der Membran als treibende Kraft und der Ultrafiltrationsmembran als Filtermedium passieren unter einem bestimmten Druck beim Durchfließen der Membranoberfläche nur Wasser, anorganische Salze und kleine Moleküle, während suspendierte Feststoffe, Kolloide, Proteine, Mikroorganismen und andere Makromoleküle im Gewebewasser die Membran passieren können. Dadurch wird die Lösung gereinigt, getrennt oder konzentriert. Ultrafiltration ist ein kontinuierlicher Niederdruckprozess.
Die Flüssigkeit im Elektrophorese-Farbtank wird unter Druckdifferenz durch den Ultrafiltrationsfilter und die seitliche Ultrafiltrationsmembran filtriert und fließt anschließend zurück in den Ultrafiltrationstank. Etwa 30 % der im Ultrafiltrationskreislauf zirkulierenden Flüssigkeit stammen aus dem Elektrophorese-Hilfstank und werden dann in den Elektrophorese-Tank zurückgeführt. Die Mindestmenge an Farbe im Ultrafiltrationssystem beträgt das Zehnfache der geplanten Wasserausbeute, die optimale Menge das Zwanzigfache.
Betriebsabläufe des Ultrafiltrationssystems
1) Sicherstellen, dass kein Druck in der Auslassleitung herrscht. Farbzufuhrventil, Reinigungseinlassventil und Reinigungsauslassventil schließen. Flüssigkeit durch den Vorratstank und das Ventil des Reinigungstanks leiten. 2) Farbumlaufventil, Flüssigkeitsauslassventil und alle Manometer-Absperrventile öffnen. 3) Kühlmitteleinlass- und -auslassventil der Ultrafiltrationspumpenwellenabdichtung öffnen (Druck: 0,2 MPa). 4) Farbzufuhrpumpe starten. 5) Farbeinlass leicht öffnen, um Farbe langsam in das Ultrafiltrationssystem einzuspritzen. 6) Farbeinlassventil langsam öffnen, bis der Druck am Ausgangswert 0,15 MPa erreicht, und dann die Pumpe einschalten. 7) Ein- und Auslassventile langsam einstellen, bis die Druckdifferenz 0,2 MPa erreicht und die Ein- und Auslassdrücke 0,35 MPa bzw. 0,15 MPa betragen. 8) Auf Undichtigkeiten der Ultrafiltrationsmembran prüfen. Bei Undichtigkeiten O-Ring und Membrangruppe umgehend austauschen. 9) Die Abflusszeit der durchlässigen Flüssigkeit sollte mindestens 10 Minuten betragen. 10) Öffnen Sie das Ventil, um die Flüssigkeit zum Speichergerät zu leiten, und schließen Sie anschließend das Abflussventil für die Trennflüssigkeit.
Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von Ultrafiltrationsanlagen1) Ultrafiltrationskomponenten, Gehäuse und Zubehör sind vorsichtig zu handhaben, um Beschädigungen zu vermeiden. 2) Plötzliche Stromausfälle oder andere unerwartete Abschaltungen dürfen 2 Stunden nicht überschreiten. Bei längeren Abschaltzeiten muss das Ultrafiltrationsmembranelement umgehend gereinigt werden, um Farbablagerungen und damit verbundene Verstopfungen zu vermeiden. 3) Die Parameter des Reinigungs- und Elektrophoresesystems sind detailliert zu dokumentieren, um Probleme zu vermeiden und zu beheben. 4) Die Druckdifferenz zwischen Ein- und Auslass des Filters muss 0,08 MPa muss der Filterbeutel der Ultrafiltration umgehend ausgetauscht werden. Die Filtrationsgenauigkeit muss ≤ 25 μm betragen. 5) Das Ultrafiltrationssystem darf nicht bei geschlossenem Flüssigkeitsventil betrieben werden. 6) Die Pumpe darf nicht bei geöffnetem Auslassventil gestartet werden, um Druckschäden an der Ultrafiltrationsmembran zu vermeiden. 7) Große Filtratmengen sind zu vermeiden. Das Öffnungsventil muss auf die vorgegebene Filtratmenge eingestellt werden. 8) Der Einsatz chemischer Mittel im Vorbehandlungsprozess des Metalls sollte minimiert werden, und die Tropfleitfähigkeit der letzten Spülung vor Eintritt in den Elektrophoresebehälter sollte unter 10µS/cm liegen.
Das nach der Elektrophorese eingesetzte Ultrafiltrationsreinigungssystem (UF) dient der Entfernung von anhaftenden Lackresten von der Oberfläche der elektrophoretischen Beschichtung, der Verbesserung des Beschichtungsbildes und der Rückgewinnung des Lacks. Die verwendete Ausrüstung entspricht der Wasserwaschanlage nach der Phosphatierung. Die abschließende Reinigung mit Reinstwasser dient der Entfernung von Verunreinigungsionen und der Vermeidung von Verschmutzungsflecken und Filmbildung. Um Sekundärspuren in den Spalten nach unzureichender Reinigung zu vermeiden, ist ein vollständiges Eintauchen in die Beschichtung erforderlich. Die Ultrafiltrationswäsche wird in der Regel zwei- bis dreimal durchgeführt, um die Menge des abgetragenen Lacks zu reduzieren. Beispiel: Bei einer Karosseriefläche von 80–100 m² werden pro Karosserie 7–10 Liter einer 20%igen Feststofflösung entnommen. Beträgt der Feststoffgehalt der ersten Wasserwäsche 4–5 %, kann er bei der zweiten Wasserwäsche unter 1 % sinken. Der Feststoffgehalt der frischen Ultrafiltrationsflüssigkeit liegt in der Regel unter 0,5 %. Zur Entfernung von Verunreinigungsionen und Feststoffen wird UE-RO-Flüssigkeit anstelle von Reinstwasser für die abschließende Reinstwasserwäsche verwendet. Dadurch wird eine vollständig geschlossene Elektrophorese-Nachreinigung realisiert, was die Abwassermenge der Elektrophorese deutlich reduziert und die Ausnutzungsrate der Elektrophoresebeschichtung signifikant verbessert. Durch den effektiven geschlossenen Kreislauf werden die Verunreinigungsionen in der Arbeitslösung der Elektrophoresefarbe sowie die eingebrachten Kationen- und Anionenverunreinigungen entfernt. Dies gewährleistet die Stabilität der Farblösung und die Unversehrtheit des Farbfilms. Im Elektrophorese-Farbsystem enthält die durch Ultrafiltration erzeugte Permeationslösung Wasser und die Farblösungsmittel. Dieses Kreislaufsystem kompensiert den Farbverlust, der beim Waschen der Farbe durch die Flüssigkeit entsteht. Zudem kann die Leitfähigkeit der Farbe durch die Flüssigkeit reduziert werden.
Reinigungsprozess und Schritte der elektrophoretischen Ultrafiltrationsanlage Das Verhältnis von konzentrierter Reinigungslösung zu Reinstwasser beträgt 1:99. Die Temperatur wird zwischen 38 und 43 °C gehalten, der pH-Wert zwischen 2 und 2,2. Da die Reinigungslösung klebrig ist, wird im Reinigungstank das Reinstwasser mithilfe der Reinigungspumpe auf über 32 °C erhitzt. Anschließend wird die Reinigungslösung hinzugegeben und auf 35 °C erhitzt. Durch Zugabe von Salzsäure wird der pH-Wert auf 2 eingestellt. Danach wird das Reinigungsventil zur Membrankernreinigung geöffnet. Der pH-Wert muss während der gesamten Reinigung mindestens 2,2 betragen. Das Ultrafiltrationssystem muss strikt gemäß den Prozessvorgaben betrieben werden. Nach dem Austausch der Ultrafiltrationsmembran kann es nach einer gewissen Zeit zu Störungen kommen: Der Filterbeutel ist verstopft, und die Durchflussdruckdifferenz der Ultrafiltrationsmembran erfüllt nicht mehr die Prozessvorgaben. Daher muss der Bediener den Reinigungsprozess gemäß den Betriebsvorgaben und Prozessparametern überwachen, um die Ursache zu finden und den Fehler zu beheben. Ziel ist es, den Prozess zu optimieren und die Produktqualität zu verbessern. Hinweise: 1) Sinkt die Permeabilität der Ultrafiltrationsmembran auf 70 % des Normalwerts, muss diese gereinigt werden. Eine verzögerte Reinigung kann zu Verstopfungen führen, und in schweren Fällen ist es schwierig, den ursprünglichen Durchfluss wiederherzustellen. 2) Das Ultrafiltrationssystem ist mit einem Präzisionsfilter mit einer Genauigkeit von 25 μm ausgestattet, um Verstopfungen der Membranelemente zu verhindern. Der Filterbeutel ist gemäß den Prozessanforderungen auszutauschen, und Filter sowie Rohrleitungen sind regelmäßig zu reinigen. 3) Bei unerwarteten Stillständen aufgrund von Störungen ist die Reinigung gemäß den Vorschriften unverzüglich durchzuführen, um Verstopfungen der Membranteile zu vermeiden. 4) Die Betriebsanleitung ist strikt einzuhalten, und die Betriebsparameter des UF-Ultrafiltrationssystems sind detailliert zu dokumentieren.
Reinigungsschritte1) Schließen Sie die Farbeinlass- und -auslassventile der zu reinigenden Ultrafiltrationsmembran. 2) Entleeren Sie die zu reinigende Ultrafiltrationsmembran vollständig. 3) Öffnen Sie die Ein- und Auslassventile der Reinigungspumpe. 4) Öffnen Sie die Ein- und Auslassventile des Reinigungsschlauchs am Membranrohr. 5) Öffnen Sie die Ein- und Auslassventile der gewünschten Ultrafiltrationsmembran. 6) Starten Sie die Reinigungspumpe. 7) Spülen Sie die Ultrafiltrationsmembran mit deionisiertem Wasser (klares Wasser ist sichtbar). 8) Bereiten Sie die Reinigungslösung gemäß der Reinigungsformel vor (pH-Wert auf 2–3 einstellen, Teststreifen verwenden). Reinigen Sie die Membran 2–3 Stunden lang, bis die Durchflussrate 600 l/h erreicht. Lassen Sie die Reinigungslösung anschließend ab. 9) Die Temperatur der Reinigungsflüssigkeit darf 45 °C nicht überschreiten. Bei zu hoher Temperatur muss die Maschine zum Abkühlen angehalten und die Reinigung anschließend fortgesetzt werden. Die Reinigungsflüssigkeit muss abgelassen werden. 10) Spülen Sie die Membran 30 Minuten lang mit fließendem deionisiertem Wasser, um die Reinigungsflüssigkeit zu entfernen. Bei starker Verstopfung kann die Reinigungszeit verlängert werden. 11) Versiegeln Sie die Membran mit deionisiertem Wasser oder UF-Lösung für den Einsatz. Das Ultrafiltrationssystem kontrolliert die Konzentration der in das Werkstück eingebrachten Verunreinigungsionen, um die Beschichtungsqualität zu gewährleisten. Achten Sie beim Betrieb des Systems darauf, dass es nach der Inbetriebnahme kontinuierlich läuft. Ein intermittierender Betrieb ist strengstens untersagt, um ein Austrocknen der Ultrafiltrationsmembran zu verhindern. Angetrocknetes Harz und Pigment lagern sich an der Membran ab und lassen sich nicht vollständig entfernen, was die Wasserdurchlässigkeit und Lebensdauer der Membran erheblich beeinträchtigt. Die Wasserausbeute der Ultrafiltrationsmembran nimmt mit der Betriebsdauer ab. Daher sollte sie alle 30 bis 40 aufeinanderfolgenden Tage gereinigt werden, um ausreichend Ultrafiltrationswasser für die Auslaugung und das Waschen zu gewährleisten.
Abschließende Bemerkungen: Die elektrophoretische Beschichtung ist ein spezielles Beschichtungsverfahren und die praktischste Technologie für wasserbasierte Beschichtungen. Sie ist wasserlöslich, ungiftig und einfach zu automatisieren. Daher ist das Recycling der elektrophoretischen Beschichtung notwendig, um Abfall zu reduzieren. Die Rückgewinnung der elektrophoretischen Beschichtung erfolgt üblicherweise mittels Ultrafiltration oder Umkehrosmose. Die Funktionsprinzipien unterscheiden sich jedoch grundlegend. Im Wesentlichen gibt es zwei Verfahren: Ultrafiltration (UF): Trennung von Polymer und Elektrolyt, auch als Farbwassertrennung bezeichnet. Der Arbeitsdruck beträgt ca. 1 kg/m², was etwa dem Dreifachen des osmotischen Drucks entspricht. Die Membranporen sind groß. Umkehrosmose (RO): Reinigung bzw. Konzentration der Lösung, d. h. Trennung von organischen und anorganischen Stoffen. Der Arbeitsdruck beträgt ca. 25 kg/m², was etwa dem 50-Fachen des osmotischen Drucks entspricht. Die Membranporen sind klein.
