WO2004063424A2 - Two-stage or multi-stage method for treating phosphated rinsing water using a membrane - Google Patents
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- WO2004063424A2 WO2004063424A2 PCT/EP2003/013392 EP0313392W WO2004063424A2 WO 2004063424 A2 WO2004063424 A2 WO 2004063424A2 EP 0313392 W EP0313392 W EP 0313392W WO 2004063424 A2 WO2004063424 A2 WO 2004063424A2
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- C02F2103/16—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from metallurgical processes, i.e. from the production, refining or treatment of metals, e.g. galvanic wastes
Definitions
- the invention is in the field of phosphating metal surfaces, as is carried out as a widespread corrosion protection measure in the metalworking industry such as, for example, the automotive industry and the household appliance industry, but also in part in steelworks. It relates to a process for the treatment of the overflow of the phosphating baths and / or the rinsing water after the phosphating, hereinafter referred to as "phosphating rinsing water".
- phosphating rinsing water improves the wastewater treatment and enables the recycling of bath contents into the phosphating bath and / or water into the overall process.
- the phosphating of metals pursues the goal k to produce firmly adherent metal phosphate layers on the metal surface, which in themselves improve corrosion resistance and, in conjunction with paints and other organic coatings, contribute to a significant increase in adhesion and resistance to infiltration when exposed to corrosion.
- Such phosphating processes have long been known in the prior art.
- the low-zinc phosphating processes are particularly suitable, in which the phosphating solutions have comparatively low zinc ion contents of e.g. B. have about 0.5 to about 2 g / l.
- An important parameter in these low-zinc phosphating baths is the weight ratio of phosphate ions to zinc ions, which is usually in the range> 12 and can take values up to 30.
- phosphate layers with significantly improved corrosion protection and paint adhesion properties can be formed.
- z. B. 0.5 to 1.5 g / l of manganese ions and z. B. 0.05 to 2.0 g / l of nickel ions as a so-called trication Process for the preparation of metal surfaces for painting, for example for the cathodic electro-painting of car bodies, widely used.
- a phosphating solution contains layer-forming components such as e.g. Zinc and possibly other divalent metal ions and phosphate ions.
- a phosphating solution contains non-layer-forming components such as, in particular, accelerators and their degradation products.
- the degradation products of the accelerator result from the fact that it reacts with the hydrogen formed on the metal surface by the pickling reaction.
- the non-layer-forming components, such as alkali metal ions, which accumulate over time in the phosphating bath, and in particular the degradation products of the accelerator, can only be removed from the phosphating solution by discharging part of the phosphating solution and replacing it continuously or discontinuously with new phosphating solution.
- Phosphating solution can be discharged, for example, by operating the phosphating bath with an overflow and discarding the overflow. As a rule, however, an overflow is not necessary, since the phosphated metal parts discharge a sufficient amount of phosphating solution as an adhering liquid film and transfer it into the rinsing water.
- the phosphating solution adhering to the phosphated parts, such as automobile bodies, is rinsed off with water. Since the phosphating solution contains heavy metals and possibly other ingredients that must not be released into the environment in an uncontrolled manner, the rinsing water must be subjected to a water treatment. This must be done in a separate step before being discharged into a biological sewage treatment plant, as otherwise the functioning of the sewage treatment plant would be endangered.
- DE-A-198 13 058 describes a process for the treatment of phosphating bath overflow and / or rinsing water after phosphating, the phosphating being carried out with an acidic aqueous phosphating solution which contains 3 to 50 g / l phosphate ions, calculated as P ⁇ 4 3 " , 0.2 to 3 g / l zinc ions, optionally further metal ions and accelerators, the phosphating bath overflow and / or the rinsing water being subjected to nanofiltration, however, when the process is operated in practice, the filtration membrane becomes blocked within a few hours can be attributed to the fact that the phosphate sludge contained in the rinsing water after the phosphating and in the phosphating bath overflow cannot be completely removed from the solution by
- DE-A-197 54 109 describes a treatment process for rinsing water after phosphating, which involves working with a phosphating solution which contains an organic molecule with a molecular weight of at least 80 as an accelerator. The mixture is worked up by ultrafiltration, the concentrate being discarded. The filtrate is preferably subjected to nanofiltration in a second step. The concentrate of the nanofiltration is returned to the phosphating solution, the filtrate is used again as rinsing water.
- EP-A-1 106 711 uses a two-stage reverse osmosis.
- the rinsing water is first acidified after phosphating and then subjected to the first reverse osmosis.
- the concentrate from this is fed to the phosphating solution.
- the filtrate from the first reverse osmosis is neutralized by adding alkali and subjected to a second reverse osmosis.
- the concentrate from this is discarded, the filtrate is reused as rinsing water.
- the aim of the present invention is to further improve membrane processes for working up phosphating rinse water, for example in order to reduce the consumption of chemicals, to increase membrane service life or to make the process sequence more cost-effective.
- the object of the present invention is a method for phosphating metal surfaces, the metal surfaces being sprayed and / or dipped a) cleaned with at least one cleaning solution, b) rinsed after cleaning with at least a first rinse water, c) phosphated with a phosphating solution , which contains 3 to 50 g / l phosphate ions, calculated as P ⁇ 4 3 " , 0.2 to 3 g / l zinc ions, optionally further divalent metal ions and optionally accelerator, and d) after the phosphating, rinsed with at least one second rinse water and wherein e) continuously or discontinuously takes part of the second rinsing water, f) acidified and g) subject to a first nanofiltration, whereby a first retentate, in which zinc ions and possibly the other
- Rinsing is usually operated in an overflow in a phosphating process. Therefore, the easiest way to remove part of the second rinse water in sub-step e) is to catch the overflow and treat it in accordance with the further process steps.
- the acids used are preferably those which are valuable substances in industrially customary phosphating baths. These are in particular phosphoric acid, hydrofluoric acid and acids, the acid residues of which are complex fluorides of boron, silicon, titanium or zircon. If the phosphating bath should or may contain nitrate ions as an accelerator or co-accelerator, nitric acid is also suitable.
- an acidic aqueous solution is preferably used as the acid in sub-step f), which was obtained during the regeneration of such a cation exchanger. This leads to an additional reuse of chemicals and thus to cost savings.
- the first permeate can be at least partially transferred into the cleaning solution and / or into the first rinsing water and / or subjected to a further ion separation.
- a further nanofiltration or a cation exchanger can, for example, be provided for this further ion separation.
- Another alternative in sub-step h) is to adjust the permeate of the first nanofiltration to a pH in the range between 6 and 8 and to use it as rinsing water after cleaning the metal surfaces to be phosphated, ie between cleaning and phosphating.
- sodium hydroxide solution is preferably used to adjust the pH.
- the permeate of the first nanofiltration is adjusted to a pH in the range between 9 and 13 and used to supplement the cleaning solution for cleaning the metal surfaces to be phosphated.
- sodium hydroxide is preferably used to adjust the pH, if not Potassium hydroxide solution is preferred for reasons of the solubility of salts formed.
- the surfactants are preferably selected from nonionic surfactants, for example ethoxylates and / or propoxylates of alkyl alcohols or alkylamines having 8 to 22 carbon atoms in the alkyl chain. Ethoxylates and / or propoxylates of such alkyl alcohols or alkyl amines which are obtainable from vegetable or animal fats or oils are preferably used here.
- builder substances can also be added to the permeate of the first nanofiltration in addition to the surfactants.
- These are preferably selected from the group of water-soluble borates, silicates, carbonates, triphosphates or pyrophosphates.
- the cations of these salts are preferably sodium and / or potassium ions.
- the retentate of the first nanofiltration contains enriched layer-forming cations such as zinc, nickel and / or manganese ions.
- This retentate is subjected to at least one further nanofiltration in sub-step i) and the layer-forming cations are thereby further enriched in its retentate (“further retentate”).
- the further retentate is preferably worked up in such a way that it at least is proportionally returned to the phosphating bath if it is not subjected to one or more further nanofiltration stages and is thereby further concentrated in further retentates.
- the "further" retentate obtained last is at least partially returned to the phosphating bath.
- this is done in such a way that the retentate is used as the basis for the preparation of a supplementary solution for the phosphating bath and thus with active ingredients (for example with ion-forming metals, with acids selected from nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid or acids whose acid residues are complex fluorides of B, Si, Ti or Zr, or internal accelerators such as hydroxylamine) are added to form a supplemental solution for a phosphating bath.
- active ingredients for example with ion-forming metals, with acids selected from nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid or acids whose acid residues are complex fluorides of B, Si, Ti or Zr, or internal accelerators such as hydroxylamine
- active ingredients for example with ion-forming metals, with acids selected from nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid or acids whose acid residues are complex fluorides of B, Si, Ti or Zr, or internal accelerators such as hydroxyl
- one embodiment of the process according to the invention consists in adjusting the pH of this further retentate to a value in the range between 2.55 to 3.2, preferably between 2.6 to 3.0, and the retentate then leads back into the phosphating solution.
- An alkali such as caustic soda could be used to raise the pH.
- substances which contain active substances for the phosphating bath are preferably used to raise the pH.
- the hydroxylamine or oxides or carbonates of zinc, nickel and / or manganese which acts as a phosphating accelerator can be used to raise the pH, the content of layer-forming cations being added to the phosphating solution.
- Phosphoric acid is preferably used to acidify the rinsing water or the phosphating bath overflow before membrane filtration, since this acid is a main component of the phosphating solution.
- This two-stage or multi-stage procedure has the advantage over that in the unpublished German patent application DE-A-101 27 918 that lower enrichment factors can be used in each of the two or more nanofiltration stages. This reduces the pressures required and extends the membrane service life. A smaller amount of acid is sufficient for the acidification in sub-step f), so that less alkali is used for later neutralization. This makes the overall process more economical.
- divalent cations are preferably retained, while monovalent ions largely pass through the membrane. In contrast, all ions are largely retained in reverse osmosis.
- the further permeate obtained in sub-step i) can be further processed or discarded as desired.
- the economy of the process according to the invention can be further increased by adding the further permeate at least partially to the part of the second rinse water removed in sub-step e) before subjecting it to the first nanofiltration in sub-step g).
- the cycle for layer-forming divalent cations still present in a low concentration in the further permeate is completely closed.
- Monovalent ions return to the first nanofiltration stage and in their first filtrate.
- the first retentate obtained in sub-step g) can be mixed with additional acid analogous to sub-step f) (and the explanations given above for this) with acid before sub-step i) subjecting it to further nanofiltration. In general, however, this should not be necessary and is less desirable in terms of the economical use of chemicals.
- the first nanofiltration g) is preferably carried out in such a way that the zinc ions contained in the feed of the nanofiltration and possibly the further divalent cations in the first retentate are concentrated by a first enrichment factor in the range from 3 to 20, preferably from 6 to 15. This is possible by choosing an appropriate pressure and adjusting the permeate flow. This first enrichment factor is less than that which is required for an economical one-step procedure according to the already cited DE-A-101 27 918. The membrane load is correspondingly lower.
- the further nanofiltration i) is preferably carried out in such a way that the zinc ions contained in the feed of the further nanofiltration and possibly the further divalent cations in the further retentate can be concentrated by a further enrichment factor in the range from 3 to 15. This applies to every further nanofiltration stage.
- a total enrichment factor in the last further retentate compared to the rinse water is obtained, which corresponds to the product of the individual enrichment factors of the two or more nanofiltration stages.
- a particularly economical compromise between achieved enrichment, technical effort and membrane service life is obtained by coordinating the concentration enrichment factors in the first nanofiltration g) and in each further nanofiltration i) in such a way that the zinc ions contained in the feed of the first nanofiltration and optionally the further divalent cations in the last further retentate are concentrated by a total enrichment factor in the range from 20 to 80.
- step h) the pH of the first permeate is preferably raised by adding alkali before it is at least partially transferred into the cleaning solution and / or the first rinsing water.
- the zinc contents of the phosphating solution are preferably in the range from 0.4 to 2 g / l and in particular from 0.5 to 1.5 g / l, as are customary for low-zinc processes.
- the weight ratio of phosphate ions to zinc ions in the phosphate baths can vary within wide limits, provided that it is in the range between 3.7 and 30. A weight ratio between 10 and 20 is particularly preferred
- the phosphating bath can contain other components which are currently common in phosphating baths.
- Phosphating solutions which contain further mono- or divalent metal ions, which experience has shown to have a favorable effect on the paint adhesion and the corrosion protection of the phosphate layers thus produced, are preferably used.
- the phosphating solution according to the invention preferably additionally contains one or more of the following cations:
- the phosphating solution contains 0.1 to 4 g / l of manganese ions and 0.002 to 0.2 g / l of copper ions as additional cations and not more than 0.05 g / l, in particular not more than 0.001 g / l, of nickel ions.
- phosphating baths can be used which, in addition to zinc ions, contain 0.1 to 4, preferably up to 3 g / l manganese ions and additionally 0.05 to 2.5 g / l nickel ions.
- the form in which the cations are introduced into the phosphating baths is in principle irrelevant. It is particularly advisable to use oxides and / or carbonates as the cation source. Because of the risk of salting up the phosphating baths, salts of acids other than phosphoric acid should preferably be avoided.
- phosphating baths which are said to be suitable for different substrates, it has become customary to use free and / or complex-bound fluoride in amounts of up to 2.5 g / l of total fluoride, of which up to 750 mg / l of free fluoride, each calculated as F " ,
- the aluminum content of the bath should not exceed 3 mg / l.
- higher Al contents are tolerated as a result of the complex formation, provided the concentration of the uncomplexed AI does not exceed 3 mg / l.
- phosphating baths In addition to the layer-forming divalent cations, phosphating baths generally also contain sodium, potassium and / or ammonium ions to adjust the free acid.
- Phosphating baths that are used exclusively for the treatment of galvanized material do not necessarily have to contain a so-called accelerator.
- accelerators which are required for the phosphating of non-galvanized steel surfaces, are also often used in technology for the phosphating of galvanized material.
- Accelerating phosphating solutions have the additional advantage that they are suitable for both galvanized and non-galvanized materials. This is particularly important when phosphating car bodies, as these often contain both galvanized and non-galvanized surfaces.
- the phosphating solution can contain one or more of the following accelerators: 0.3 to 4 g / l chlorine ions 0.01 to 0.2 g / l nitrite ions 0.1 to 10 g / l hydroxylamine
- chlorine ions are formed from chloride ions, nitrate ions and ammonium ions from nitrate ions, ammonium ions from nitrate ions, ammonium ions from hydroxylamine and water from hydrogen peroxide.
- the anions or ammonium ions formed can pass through the nanofiltration membrane, so that they are at least partially discharged from the phosphating bath overflow or from the rinsing water after the phosphating in the process according to the invention.
- hydrogen peroxide can advantageously be used as the accelerator. This can be used as such or in the form of compounds which form hydrogen peroxide under the conditions of the phosphating bath.
- no polyvalent ions should preferably be formed as by-products, since these would be enriched in the phosphate bath when the concentrate of the nanofiltration was returned. Therefore, alkali metal peroxides are particularly suitable as an alternative to hydrogen peroxide.
- An accelerator which is also preferably to be used in the process according to the invention is hydroxylamine. If this is added to the phosphating bath in free form or in the form of hydroxylammonium phosphates, hydroxylammonium nitrate and / or hydroxylammonium chloride, only degradation or by-products are also formed which can penetrate a nanofiltration membrane.
- the nanofiltration membrane used should be acid-stable.
- inorganic membranes such as. B. ceramic membranes.
- Organic polymer membranes can also be used the.
- a polyamide membrane is particularly suitable.
- the membrane can be used, for example, as a winding module, tube module or plate module.
- Rinsing water 2 was prepared from rinsing water 1 by adding 100 g / m 3 of 85% phosphoric acid in order to lower the pH to 3.
- Flushing water (2) was circulated over a membrane NF TS 80 (company TRISEP) with the following parameters: membrane pressure: 12 bar working temperature: 35 ° C The rinsing water is separated through the membrane into a permeate (1) and a concentrate (retentate, taken from the circuit) (1).
- composition Ni 184 mg / l
- the concentrate (1) is used to apply the second membrane, see below.
- composition Ni 2.5 mg / l
- permeate (1) It can be sent to the central wastewater treatment, where the heavy metals are reduced to below the permitted limit values (eg in Germany: 0.5 mg / l for Ni). Alternatively, after neutralization, it can be used as rinsing water after cleaning in a phosphating system. Or it can continue locally up to the permitted limit values be purified, for example by ion exchange or further membrane filtration (nanofiltration or reverse osmosis)
- the concentrate (1) is passed over a membrane NF TS 80 (TRISEP) under the following conditions (in the circuit as for stage 1): membrane pressure: 12 bar working temperature: 33 ° C
- the concentrate (1) removed from the circuit in the first stage is separated through the membrane into a permeate (2) and a concentrate (retentate, removed from the circuit) (2).
- composition Ni 700 mg / l
- the concentrate (2) can be used without pH adjustment to supplement a phosphating solution. It is not necessary to add sodium hydroxide solution.
- permeate (2) It can be sent to the central wastewater treatment facility, where the heavy metals are reduced to below the permitted limit values (e.g. in Germany: 0.5 mg / l for Ni). Alternatively, it can be returned to the rinse water (2) before the first membrane filtration. Or it can be further cleaned locally up to the permitted limit values, for example by ion exchange or further membrane filtration (nanofiltration or reverse osmosis).
- Rinse water 2 was prepared from rinse water 1 by adding 5000 g / m 3 of 85% phosphoric acid in order to lower the pH to 1.9.
- Flushing water (2) was passed over a membrane DESAL DK (company. Osmonic) with the following parameters: membrane pressure: 6 bar working temperature: 35 ° C
- the rinsing water is separated through the membrane into a permeate (1) and a concentrate (retentate, taken from the circuit) (1).
- composition Ni 800 mg / l
- concentrate (1) After pH adjustment to 3.0, it can be used to supplement a phosphating solution. To bring the concentrate to the pH of the phosphating solution, 1070 g / m 3 NaOH (100%) are required.
- permeate (1) It can be sent to the central wastewater treatment, where the heavy metals are reduced to below the permitted limit values (e.g. in Germany: 0.5 mg / l for Ni). Alternatively, after neutralization, it can be used as rinsing water after cleaning in a phosphating system. Or it can be further cleaned locally up to the permitted limit values, for example by ion exchange or further membrane filtration (nanofiltration or reverse osmosis)
- a rinse water after phosphating contained:
- volume ratio: permeate / retentate: 10/1 to 40/1 concentration factor:
- Retentate a is used according to the invention for the second stage.
- Nanofiltration retentate a (level 2, only in example 2)
- Concentration factor H3P ⁇ 4 dosage 85%, kg / m 3 rinsing water
- gate single stage
- Embodiment 2 H3P04 dosing before the 1st nanofiltration stage: 1.25 kg of 85% phosphoric acid per m 3 of rinsing water
- a total concentration factor of 40 is achieved by the two-stage nanofiltration according to the invention, corresponding to comparative example 2. However, only 1.25 kg of 85% phosphoric acid per m 3 of rinsing water are required for the acidification before the first nanofiltration (which, according to comparative example 3, by one for one-stage concentration Factor 40 would lead to blocking of the membrane).
- a retentate with an acid content is obtained, which can be transferred directly to a phosphating solution without partial neutralization.
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Abstract
Description
"Zwei- oder mehrstufiges Membran-Aufbereitungsverfahren von Phosphatierspül- wasser" "Two- or multi-stage membrane treatment process for phosphating rinse water"
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Phosphatierung von Metalloberflachen, wie sie als verbreitete Korrosionsschutzmaßnahme in der metallverarbeitenden Industrie wie beispielsweise der Automobilindustrie und der Haushaltsgeräteindustrie, jedoch teilweise auch in Stahlwerken durchgeführt wird. Sie betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung des Überlaufs der Phosphatierbäder und/oder des Spülwassers nach der Phosphatierung, im folgenden als „Phosphatierspülwasser" zusammen- gefasst. Das Verfahren verbessert die Abwasserbehandlung und ermöglicht die Rückführung von Badinhaltsstoffen in das Phosphatierbad und/oder von Wasser in den Gesamtprozeß.The invention is in the field of phosphating metal surfaces, as is carried out as a widespread corrosion protection measure in the metalworking industry such as, for example, the automotive industry and the household appliance industry, but also in part in steelworks. It relates to a process for the treatment of the overflow of the phosphating baths and / or the rinsing water after the phosphating, hereinafter referred to as "phosphating rinsing water". The process improves the wastewater treatment and enables the recycling of bath contents into the phosphating bath and / or water into the overall process.
Die Phosphatierung von Metallen verfolgt das Zielkauf der Metalloberfläche festverwachsene Metallphosphatschichten zu erzeugen, die für sich bereits Korrosionsbeständigkeit verbessern und in Verbindung mit Lacken und anderen organischen Beschichtungen zu einer wesentlichen Erhöhung der Haftung und der Resistenz gegen Unterwanderung bei Korrosionsbeanspruchung beitragen. Solche Phosphatierverfahren sind seit langem im Stand der Technik bekannt. Für die Vorbehandlung vor der Lackierung eigenen sich insbesondere die Niedrig-Zink- Phosphatierverfahren, bei denen die Phosphatierlösungen vergleichsweise geringe Gehalte an Zinkionen von z. B. etwa 0,5 bis etwa 2 g/l aufweisen. Ein wesentlicher Parameter in diesen Niedrig-Zink-Phosphatierbädern ist das Gewichtsverhältnis Phosphationen zu Zinkionen, das üblicherweise im Bereich > 12 liegt und Werte bis zu 30 annehmen kann.The phosphating of metals pursues the goal k to produce firmly adherent metal phosphate layers on the metal surface, which in themselves improve corrosion resistance and, in conjunction with paints and other organic coatings, contribute to a significant increase in adhesion and resistance to infiltration when exposed to corrosion. Such phosphating processes have long been known in the prior art. For the pretreatment before painting, the low-zinc phosphating processes are particularly suitable, in which the phosphating solutions have comparatively low zinc ion contents of e.g. B. have about 0.5 to about 2 g / l. An important parameter in these low-zinc phosphating baths is the weight ratio of phosphate ions to zinc ions, which is usually in the range> 12 and can take values up to 30.
Es hat sich gezeigt, daß durch die Mitverwendung anderer mehrwertiger Kationen als Zink in den Phosphatierbädern Phosphatschichten mit deutlich verbesserten Korrosionsschutz- und Lackhaftungseigenschaften ausgebildet werden können. Beispielsweise finden Niedrig-Zink-Verfahren mit Zusatz von z. B. 0,5 bis 1 ,5 g/l Manganionen und z. B. 0,05 bis 2,0 g/l Nickelionen als sogenannte Trikation- Verfahren zur Vorbereitung von Metalloberflachen für die Lackierung, beispielsweise für die kathodische Elektrotauchlackierung von Autokarosserien, weite Anwendung.It has been shown that by using polyvalent cations other than zinc in the phosphating baths, phosphate layers with significantly improved corrosion protection and paint adhesion properties can be formed. For example, find low-zinc processes with the addition of z. B. 0.5 to 1.5 g / l of manganese ions and z. B. 0.05 to 2.0 g / l of nickel ions as a so-called trication Process for the preparation of metal surfaces for painting, for example for the cathodic electro-painting of car bodies, widely used.
Eine Phosphatierlösung enthält schichtbildende Komponenten wie z.B. Zink- und ggf. weitere zweiwertige Metallionen sowie Phosphatiönen. Außerdem enthält eine Phosphatierlösung nichtschichtbildende Komponenten wie insbesondere Beschleuniger und deren Abbauprodukte. Die Abbauprodukte des Beschleunigers entstehen dadurch, daß dieser mit dem durch Beizreaktion an der Metalloberfläche gebildeten Wasserstoff reagiert. Die sich mit der Zeit im Phosphatierbad anreichernden nichtschichtbildenden Komponenten wie beispielsweise Alkalimetallionen und insbesondere die Abbauprodukte des Beschleunigers können aus der Phosphatierlösung nur dadurch entfernt werden, daß man ein Teil der Phosphatierlösung austrägt und kontinuierlich oder diskontinuierlich durch neue Phosphatierlösung ersetzt. Phosphatierlösung kann beispielsweise dadurch ausgetragen werden, daß man das Phosphatierbad mit einem Überlauf betreibt und den Überlauf verwirft. In der Regel ist ein Überlauf jedoch nicht erforderlich, da durch die phosphatierten Metallteile eine ausreichende Menge Phosphatierlösung als anhaftender Flüssigkeitsfilm ausgetragen und in das Spülwasser überführt wird.A phosphating solution contains layer-forming components such as e.g. Zinc and possibly other divalent metal ions and phosphate ions. In addition, a phosphating solution contains non-layer-forming components such as, in particular, accelerators and their degradation products. The degradation products of the accelerator result from the fact that it reacts with the hydrogen formed on the metal surface by the pickling reaction. The non-layer-forming components, such as alkali metal ions, which accumulate over time in the phosphating bath, and in particular the degradation products of the accelerator, can only be removed from the phosphating solution by discharging part of the phosphating solution and replacing it continuously or discontinuously with new phosphating solution. Phosphating solution can be discharged, for example, by operating the phosphating bath with an overflow and discarding the overflow. As a rule, however, an overflow is not necessary, since the phosphated metal parts discharge a sufficient amount of phosphating solution as an adhering liquid film and transfer it into the rinsing water.
Nach der Phosphatierung wird die an den phosphatierten Teilen wie beipsielswei- se Automobilkarossen anhaftende Phosphatierlösung mit Wasser abgespült. Da die Phosphatierlösung Schwermetalle und ggf. weitere Inhaltsstoffe enthält, die nicht unkontrolliert in die Umwelt abgegeben werden dürfen, muß das Spülwasser einer Wasserbehandlung unterzogen werden. Dies muß in einem getrennten Schritt vor der Einleitung in eine biologische Kläranlage erfolgen, da sonst die Funktionsfähigkeit der Kläranlage gefährdet würde.After the phosphating, the phosphating solution adhering to the phosphated parts, such as automobile bodies, is rinsed off with water. Since the phosphating solution contains heavy metals and possibly other ingredients that must not be released into the environment in an uncontrolled manner, the rinsing water must be subjected to a water treatment. This must be done in a separate step before being discharged into a biological sewage treatment plant, as otherwise the functioning of the sewage treatment plant would be endangered.
Da sowohl die Entsorgung des Abwassers (aus Phosphatierbadüberlauf und/oder Spülwasser) als auch die Versorgung der Phosphatieranlage mit Frischwasser Kostenfaktoren sind, besteht ein Bedarf, diese Kosten zu minimieren. Die DE-A-198 13 058 beschreibt ein Verfahren zur Aufbereitung von Phosphatier- badüberlauf und/oder von Spülwasser nach der Phosphatierung, wobei die Phosphatierung mit einer sauren wäßrigen Phosphatierlösung erfolgt, die 3 bis 50 g/l Phosphationen, berechnet als Pθ43", 0,2 bis 3 g/l Zinkionen, gegebenenfalls weitere Metallionen sowie Beschleuniger enthält, wobei der Phosphatierbadüber- lauf und/oder das Spülwasser einer Nanofiltration unterworfen wird. Beim praktischen Betrieb dieses Verfahrens beobachtet man jedoch eine Verblockung der Filtrationsmembran innerhalb weniger Stunden. Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß der im Spülwasser nach der Phosphatierung und im Phosphatierba- düberlauf enthaltene Phosphatschlamm durch technisch übliche Filtrationsverfahren wie zum Beispiel durch Verwendung von Beutel- oder Sandfilter nicht vollständig aus der Lösung entfernt werden kann. Bei der Membranfiltration setzt sich der Restschlamm auf der Membran ab und verblockt diese.Since both the disposal of the waste water (from the phosphating bath overflow and / or rinsing water) and the supply of the phosphating system with fresh water are cost factors, there is a need to minimize these costs. DE-A-198 13 058 describes a process for the treatment of phosphating bath overflow and / or rinsing water after phosphating, the phosphating being carried out with an acidic aqueous phosphating solution which contains 3 to 50 g / l phosphate ions, calculated as Pθ4 3 " , 0.2 to 3 g / l zinc ions, optionally further metal ions and accelerators, the phosphating bath overflow and / or the rinsing water being subjected to nanofiltration, however, when the process is operated in practice, the filtration membrane becomes blocked within a few hours can be attributed to the fact that the phosphate sludge contained in the rinsing water after the phosphating and in the phosphating bath overflow cannot be completely removed from the solution by technically customary filtration methods, for example by using bag or sand filters the membrane and blocked this.
Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE-A-101 27918 versucht, diesem Mangel abzuhelfen. Sie beschreibt ein Verfahren zum Aufbereiten von Phosphatierbadüberlauf oder Spülwasser nach einer Phosphatierung mit einer Phosphatierlösung, die 3 bis 50 g/l Phosphationen und 0,2 bis 3 g/l Zinkionen enthält, wobei der Phosphatierbadüberlauf oder das Spülwasser einer Membranfiltration unterworfen wird und wobei das Retentat der Membranfiltration in einem Retentatkreislauf gefahren werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß man i) dem Phosphatierbadüberlauf, dem Spülwasser oder dem Retentatkreislauf vor der Membranfiltration ein Reagenz zur Verzögerung der Membranverblockung zugibt, das ausgewählt ist aus a) 0,01 bis 5 g/l eines Komplexbildners für Schwermetalle b) einer Säure in einer solchen Menge, daß der pH-Wert des Spülwassers auf einen Bereich zwischen 0,5 und 2,5 abgesenkt wird, und/oder ii) die Membranfiltration zu ausgewählten Zeitpunkten unterbricht und die Membran mit einer wäßrigen Lösung einer Säure b) behandelt, die einen pH-Wert im Bereich zwischen 0 und 1,8 aufweist.The unpublished German patent application DE-A-101 27918 tries to remedy this deficiency. It describes a process for the preparation of phosphating bath overflow or rinsing water after phosphating with a phosphating solution which contains 3 to 50 g / l phosphate ions and 0.2 to 3 g / l zinc ions, the phosphating bath overflow or the rinsing water being subjected to membrane filtration, and wherein Retentate of the membrane filtration can be carried out in a retentate circuit, characterized in that i) a reagent for delaying the membrane blocking, which is selected from a) 0.01 to 5 g / l, is added to the phosphating bath overflow, the rinsing water or the retentate circuit before the membrane filtration a complexing agent for heavy metals b) an acid in such an amount that the pH of the rinsing water is reduced to a range between 0.5 and 2.5, and / or ii) the membrane filtration is interrupted at selected times and the membrane with a treated aqueous solution of an acid b) having a pH in the range between 0 u nd 1.8.
Im Stand der Technik wurde bereits versucht, durch eine zweistufige Membranfiltration die Aufarbeitung von Phosphatierspülwasser nach unterschiedlichen Aspekten zu verbessern. Beispielsweise beschreibt die DE-A-197 54 109 ein Aufbereitungsverfahren für Spülwasser nach der Phosphatierung, wobei man mit einer Phosphatierungslösung arbeitet, die als Beschleuniger ein organisches Molekül mit einer Molmasse von mindestens 80 enthält. Die Aufarbeitung erfolgt durch Ultrafiltration, wobei das Konzentrat verworfen wird. Das Filtrat wird vorzugsweise in einem zweiten Schritt einer Nanofiltration unterzogen. Das Konzentrat der Nanofiltration wird in die Phosphatierungslösung zurückgeführt, das Filtrat als Spülwasser wieder verwendet.In the prior art, attempts have been made to process phosphating rinse water according to different methods by means of a two-stage membrane filtration To improve aspects. For example, DE-A-197 54 109 describes a treatment process for rinsing water after phosphating, which involves working with a phosphating solution which contains an organic molecule with a molecular weight of at least 80 as an accelerator. The mixture is worked up by ultrafiltration, the concentrate being discarded. The filtrate is preferably subjected to nanofiltration in a second step. The concentrate of the nanofiltration is returned to the phosphating solution, the filtrate is used again as rinsing water.
Die DE 197 43 933 empfiehlt eine Verfahrensfolge aus Ultrafiltration und Umkehrosmose. Das Konzentrat der Ultrafiltration wird der Phosphatierungslösung zugeführt, das Filtrat der Umkehrosmose unterworfen. Das Konzentrat der Umkehrosmose wird ebenfalls in die Phosphatierungslösung zurückgeführt. Das Filtrat wird als Spülwasser wiederverwendet.DE 197 43 933 recommends a sequence of processes consisting of ultrafiltration and reverse osmosis. The ultrafiltration concentrate is added to the phosphating solution and the filtrate is subjected to reverse osmosis. The reverse osmosis concentrate is also returned to the phosphating solution. The filtrate is reused as rinse water.
Die EP-A-1 106 711 setzt eine zweistufige Umkehrosmose ein. Hierbei wird das Spülwasser nach der Phosphatierung zunächst angesäuert und dann der ersten Umkehrosmose unterworfen. Das Konzentrat hieraus wird der Phosphatierungslösung zugeführt. Das Filtrat der ersten Umkehrosmose wird durch Alkalizugabe neutralisiert und einer zweiten Umkehrosmose unterzogen. Das Konzentrat hieraus wird verworfen, das Filtrat als Spülwasser wiederverwendet.EP-A-1 106 711 uses a two-stage reverse osmosis. Here, the rinsing water is first acidified after phosphating and then subjected to the first reverse osmosis. The concentrate from this is fed to the phosphating solution. The filtrate from the first reverse osmosis is neutralized by adding alkali and subjected to a second reverse osmosis. The concentrate from this is discarded, the filtrate is reused as rinsing water.
Die vorstehend genannten zweistufigen Verfahren haben zumindest einen der folgenden Nachteile: 1) schichtbildende Kationen der Phosphatierungslösung, die Wertstoffe darstellen, werden verworfen; 2) durch Umkehrosmose wird weitgehend salzfreies Wasser erzeugt, das für eine Schlußspüle verwendet werden kann. Dieser Schritt ist verfahrenstechnisch aufwändig und daher teuer.The two-stage processes mentioned above have at least one of the following disadvantages: 1) layer-forming cations of the phosphating solution, which are valuable substances, are discarded; 2) Reverse osmosis produces largely salt-free water that can be used for a final sink. This step is technically complex and therefore expensive.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, Membranverfahren zur Aufarbeitung von Phosphatierspülwasser weiter zu verbessern, um beispielsweise den Chemikalienverbrauch zu verringern, Membranstandzeiten zu erhöhen oder den Verfahrensablauf kostengünstiger zu gestalten. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Phosphatierung von Metalloberflachen, wobei man die Metalloberflachen im Spritz- und/oder Tauchverfahren a) mit mindestens einer Reinigungslösung reinigt, b) nach der Reinigung mit mindestens einem ersten Spülwasser spült, c) mit einer Phosphatierungslösung phosphatiert, die 3 bis 50 g/l Phosphationen, berechnet als Pθ43", 0,2 bis 3 g/l Zinkionen, gegebenenfalls weitere zweiwertige Metallionen sowie gegebenenfalls Beschleuniger enthält, und d) nach der Phosphatierung mit mindestens einem zweiten Spülwasser spült und wobei man e) kontinuierlich oder diskontinuierlich einen Teil des zweiten Spülwassers entnimmt, f) mit Säure versetzt und g) einer ersten Nanofiltration unterzieht, wobei man ein erstes Retentat, in dem Zinkionen und gegebenenfalls die weiteren zweiwertigen Kationen um einen ersten Anreicherungsgfaktor angereichert sind, und ein erstes Permeat erhält, in dem Zinkionen und gegebenenfalls die weiteren zweiwertigen Kationen abgereichert sind, h) das erste Permeat zumindest teilweise in die Reinigungslösung und/oder in das erste Spülwasser überführt und/oder einer weiteren lonenabtrennung unterzieht, i) das erste Retentat mindestens einer weiteren Nanofiltration unterzieht, wobei man mindestens ein weiteres Retentat, in dem Zinkionen und gegebenenfalls die weiteren zweiwertigen Kationen um einen weiteren Anreicherungsfaktor weiter angereichert sind, und mindestens ein weiteres Permeat enthält, und k) das weitere Retentat oder, im Falle mehrerer weiterer Nanofiltrationsstufen, das letzte weitere Retentat zumindest teilweise, gegebenenfalls nach Ergänzung mit weiteren Wirk- oder Hilfsstoffen, in die Phosphatierungslösung überführt.The aim of the present invention is to further improve membrane processes for working up phosphating rinse water, for example in order to reduce the consumption of chemicals, to increase membrane service life or to make the process sequence more cost-effective. The object of the present invention is a method for phosphating metal surfaces, the metal surfaces being sprayed and / or dipped a) cleaned with at least one cleaning solution, b) rinsed after cleaning with at least a first rinse water, c) phosphated with a phosphating solution , which contains 3 to 50 g / l phosphate ions, calculated as Pθ4 3 " , 0.2 to 3 g / l zinc ions, optionally further divalent metal ions and optionally accelerator, and d) after the phosphating, rinsed with at least one second rinse water and wherein e) continuously or discontinuously takes part of the second rinsing water, f) acidified and g) subject to a first nanofiltration, whereby a first retentate, in which zinc ions and possibly the other divalent cations are enriched by a first enrichment factor, and a first Permeate is obtained, in which zinc ions and possibly the further one n divalent cations are depleted, h) the first permeate is at least partially transferred into the cleaning solution and / or into the first rinsing water and / or subjected to a further ion separation, i) the first retentate is subjected to at least one further nanofiltration, at least one further retentate, in which zinc ions and possibly the further divalent cations are further enriched by a further enrichment factor and contains at least one further permeate, and k) the further retentate or, in the case of several further nanofiltration stages, the last further retentate at least partially, if necessary after supplementing with further ones Active ingredients or auxiliary substances, transferred into the phosphating solution.
Üblicherweise werden in einem Phosphatierprozeß Spülen im Überlauf betrieben. Daher kann im Teilschritt e) die Entnahme eines Teils des zweiten Spülwassers am einfachsten dadurch erfolgen, daß man den Überlauf auffängt und gemäß den weiteren Verfahrensschritten behandelt. Im Teilschritt f) verwendet man vorzugsweise solche Säuren, die in das Phosphatierbad zurückgeführt werden können und dort zumindest nicht stören, vorzugsweise jedoch sogar Wirkstoffe darstellen. Demgemäß verwendet man als Säuren vorzugsweise solche, die in technisch üblichen Phosphatierbädern Wertstoffe darstellen. Dies sind insbesondere Phosphorsäure, Fluorwasserstoffsäure und Säuren, deren Säurereste komplexe Fluoride von Bor, Silicium, Titan oder Zirkon darstellen. Sofern das Phosphatierbad als Beschleuniger oder Co-Beschleuniger Nitrationen enthalten soll oder darf, ist auch Salpetersäure geeignet.Rinsing is usually operated in an overflow in a phosphating process. Therefore, the easiest way to remove part of the second rinse water in sub-step e) is to catch the overflow and treat it in accordance with the further process steps. In sub-step f), preference is given to using those acids which can be returned to the phosphating bath and at least do not interfere there, but preferably are even active ingredients. Accordingly, the acids used are preferably those which are valuable substances in industrially customary phosphating baths. These are in particular phosphoric acid, hydrofluoric acid and acids, the acid residues of which are complex fluorides of boron, silicon, titanium or zircon. If the phosphating bath should or may contain nitrate ions as an accelerator or co-accelerator, nitric acid is also suitable.
Sofern an anderer Stelle im Phosphatierprozeß Kationenaustauscher eingesetzt werden, die schichtbildende Kationen aus Phosphatierprozessen binden und die mit starken Säuren regeneriert werden, setzt man im Teilschritt f) als Säure vorzugsweise eine saure wäßrige Lösung ein, die bei der Regeneration eines solchen Kationenaustauschers erhalten wurde. Dies führt zu einer zusätzlichen Wiederverwendung von Chemikalien und damit zu Kosteneinsparungen.If cation exchangers are used elsewhere in the phosphating process, which bind layer-forming cations from phosphating processes and which are regenerated with strong acids, an acidic aqueous solution is preferably used as the acid in sub-step f), which was obtained during the regeneration of such a cation exchanger. This leads to an additional reuse of chemicals and thus to cost savings.
Gemäß Teilschritt h) kann das erste Permeat zumindest teilweise in die Reinigungslösung und/oder in das erste Spülwasser überführt und/oder einer weiteren lonenabtrennung unterzogen werden. Für diese weitere lonenabtrennung kann beispielsweise eine weitere Nanofiltration oder ein Kationenaustauscher vorgesehen werden.According to sub-step h), the first permeate can be at least partially transferred into the cleaning solution and / or into the first rinsing water and / or subjected to a further ion separation. A further nanofiltration or a cation exchanger can, for example, be provided for this further ion separation.
Eine weitere Alternative im Teilschritt h) besteht darin, daß man das Permeat der ersten Nanofiltration auf einen pH-Wert im Bereich zwischen 6 und 8 einstellt und als Spülwasser nach der Reinigung der zu phosphatierenden Metalloberflachen, also zwischen Reinigung und Phosphatierung, einsetzt. Aus ökonomischen Gründen verwendet man zum Einstellen des pH-Werts vorzugsweise Natronlauge.Another alternative in sub-step h) is to adjust the permeate of the first nanofiltration to a pH in the range between 6 and 8 and to use it as rinsing water after cleaning the metal surfaces to be phosphated, ie between cleaning and phosphating. For economic reasons, sodium hydroxide solution is preferably used to adjust the pH.
Eine Alternative zu der direkt vorstehend genannten Verfahrensweise besteht darin, daß man das Permeat der ersten Nanofiltration auf einen pH-Wert im Bereich zwischen 9 und 13 einstellt und zum Ergänzen der Reinigungslösung für die Reinigung der zu phosphatierenden Metalloberflachen einsetzt. Auch hierfür verwendet man zum Einstellen des pH-Werts vorzugsweise Natronlauge, falls nicht aus Gründen der Löslichkeit von entstehenden Salzen Kalilauge bevorzugt wird.An alternative to the procedure mentioned directly above is that the permeate of the first nanofiltration is adjusted to a pH in the range between 9 and 13 and used to supplement the cleaning solution for cleaning the metal surfaces to be phosphated. For this purpose too, sodium hydroxide is preferably used to adjust the pH, if not Potassium hydroxide solution is preferred for reasons of the solubility of salts formed.
Zusätzlich kann man Tenside zugeben. Die Tenside sind vorzugsweise ausgewählt aus nichtionischen Tensiden, beispielsweise Ethoxylaten und/oder Propo- xylaten von Alkylalkoholen oder Alkylaminen mit 8 bis 22 C-Atomen in der Alkyl- kette. Vorzugsweise verwendet man hierbei Ethoxylate und/oder Propoxylate solcher Alkylalkohole oder Alkylamine, die aus pflanzlichen oder tierischen Fetten oder Ölen erhältlich sind.You can also add surfactants. The surfactants are preferably selected from nonionic surfactants, for example ethoxylates and / or propoxylates of alkyl alcohols or alkylamines having 8 to 22 carbon atoms in the alkyl chain. Ethoxylates and / or propoxylates of such alkyl alcohols or alkyl amines which are obtainable from vegetable or animal fats or oils are preferably used here.
Erforderlichenfalls kann man dem Permeat der ersten Nanofiltration zusätzlich zu den Tensiden auch Buildersubstanzen zugeben. Vorzugsweise sind diese ausgewählt aus der Gruppe der wasserlöslichen Borate, Silicate, Carbonate, Triphosphate oder Pyrophosphate. Die Kationen dieser Salze stellen vorzugsweise Natrium- und/oder Kaliumionen dar.If necessary, builder substances can also be added to the permeate of the first nanofiltration in addition to the surfactants. These are preferably selected from the group of water-soluble borates, silicates, carbonates, triphosphates or pyrophosphates. The cations of these salts are preferably sodium and / or potassium ions.
Das Retentat der ersten Nanofiltration enthält angereicherte schichtbildende Kationen wie beispielsweise Zink-, Nickel- und/oder Manganionen. Dieses Retentat unterwirft man im Teilschritt i) mindestens einer weiteren Nanofiltration und reichert hierdurch in deren Retentat („weiteres Retentat") die schichtbildenden Kationen weiter an. Da diese Wertstoffe für die Phosphatierung darstellen, arbeitet man das weitere Retentat vorzugsweise so auf, das es zumindest anteilig in das Phosphatierbad zurückgeführt wird, falls es nicht nochmals einer oder mehreren weiteren Nanofiltrationsstufen unterzogen und hierdurch in weiteren Retentaten weiter aufkonzentriert wird. In diesem Fall führt man das zuletzt erhaltene „weitere" Retentat zumindest anteilig in das Phosphatierbad zurück. In einer möglichen Ausführungsform erfolgt dies derart, daß man das Retentat als Grundlage zur Herstellung einer Ergänzungslösung für das Phosphatierbad verwendet und so mit Wirkstoffen (beispielsweise mit Ionen schichtbildender Metalle, mit Säuren ausgewählt aus Salpetersäure, Phosphorsäure, Fluorwasserstoffsäure oder Säuren, deren Säurereste komplexe Fluoride von B, Si, Ti oder Zr darstellen, oder auch interne Beschleuniger wie beispielsweise Hydroxylamin) versetzt, daß eine Ergänzungslösung für ein Phosphatierbad entsteht. Man kann jedoch das jeweilige weitere Retentat auch ohne Anreicherung mit Wirkstoffen direkt in die Phosphatierlösung zurückführen. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß der Gehalt an freier Säure im Phosphatierbad nicht unterhalb des zulässigen Wertes absinkt. Demnach besteht eine Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens darin, daß man den pH-Wert dieses weiteren Reten- tats auf einen Wert im Bereich zwischen 2,55 bis 3,2, vorzugsweise zwischen 2,6 bis 3,0, einstellt und das Retentat dann in die Phosphatierlösung zurückführt. Für dieses Anheben des pH-Werts könnte eine Lauge wie beispielsweise Natronlauge verwendet werden. Dies hätte jedoch den unerwünschten Effekt, daß sich im Phosphatierbad Salze anreichern, die keine Wirkstoffe der Phosphatierung darstellen und das Phosphatierbad unnötig belasten. Daher verwendet man zum Anheben des pH-Werts vorzugsweise Stoffe, die Wirkstoffe für das Phosphatierbad enthalten. Beispielsweise kann man zum Anheben des pH-Werts das als Phosphatierbeschleuniger wirkende Hydroxylamin oder Oxide oder Carbonate von Zink, Nickel und/oder Mangan einsetzen, wobei der Gehalt der Phosphatierlösung an schichtbildenden Kationen ergänzt wird.The retentate of the first nanofiltration contains enriched layer-forming cations such as zinc, nickel and / or manganese ions. This retentate is subjected to at least one further nanofiltration in sub-step i) and the layer-forming cations are thereby further enriched in its retentate (“further retentate”). Since these are valuable substances for phosphating, the further retentate is preferably worked up in such a way that it at least is proportionally returned to the phosphating bath if it is not subjected to one or more further nanofiltration stages and is thereby further concentrated in further retentates. In this case, the "further" retentate obtained last is at least partially returned to the phosphating bath. In one possible embodiment, this is done in such a way that the retentate is used as the basis for the preparation of a supplementary solution for the phosphating bath and thus with active ingredients (for example with ion-forming metals, with acids selected from nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid or acids whose acid residues are complex fluorides of B, Si, Ti or Zr, or internal accelerators such as hydroxylamine) are added to form a supplemental solution for a phosphating bath. However, the respective further retentate can also be returned directly to the phosphating solution without enrichment with active ingredients. However, care must be taken that the free acid content in the phosphating bath does not drop below the permissible value. Accordingly, one embodiment of the process according to the invention consists in adjusting the pH of this further retentate to a value in the range between 2.55 to 3.2, preferably between 2.6 to 3.0, and the retentate then leads back into the phosphating solution. An alkali such as caustic soda could be used to raise the pH. However, this would have the undesirable effect that salts accumulate in the phosphating bath which are not active substances in the phosphating and unnecessarily burden the phosphating bath. For this reason, substances which contain active substances for the phosphating bath are preferably used to raise the pH. For example, the hydroxylamine or oxides or carbonates of zinc, nickel and / or manganese which acts as a phosphating accelerator can be used to raise the pH, the content of layer-forming cations being added to the phosphating solution.
, Durch diese Verfahrensweise werden die im Spülwasser nach der Phosphatierung vorhandenen schichtbildenden zweiwertigen Kationen wieder in die Phosphatierlösung zurückgeführt. Der Kreislauf für diese Kationen wird also weitgehend geschlossen. Dabei verwendet man zum Ansäuern des Spülwassers bzw. des Phosphatierbad-Überlaufs vor der Membranfiltration vorzugsweise Phosphorsäure, da diese Säure eine Hauptkomponente der Phosphatierlösung darstellt.By this procedure, the layer-forming divalent cations present in the rinse water after the phosphating are returned to the phosphating solution. The cycle for these cations is therefore largely closed. Phosphoric acid is preferably used to acidify the rinsing water or the phosphating bath overflow before membrane filtration, since this acid is a main component of the phosphating solution.
Diese zwei- oder mehrstufige Verfahrensweise hat gegenüber der in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE-A-101 27 918 den Vorteil, daß mit geringeren Anreicherungsfaktoren in jeder der zwei oder mehreren Nanofiltrationsstufen gearbeitet werden kann. Dies verringert die erforderlichen Drücke und verlängert die Membranstandzeit. Für das Ansäuern im Teilschritt f) reicht eine geringere Säuremenge aus, so daß für eine spätere Neutralisation weniger Lauge verbraucht wird. Der Gesamtprozeß wird hierdurch wirtschaftlicher. Beim zwei- oder mehrstufigen Einsatz der Nanofiltration werden zweiwertige Kationen bevorzugt zurückgehalten, während einwertige Ionen die Membran weitgehend passie- ren. Im Gegensatz hierzu werden bei einer Umkehrosmose alle Ionen weitgehend zurückgehalten. Letzteres führt bei der Verfahrensweise gemäß der eingangs zitierten EP-A-1 10671 dazu, daß zweiwertige zusammen mit einwertigen Kationen in das Phosphatierbad zurückgeführt werden, so daß sich dieses aufsalzt. Im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies vermieden.This two-stage or multi-stage procedure has the advantage over that in the unpublished German patent application DE-A-101 27 918 that lower enrichment factors can be used in each of the two or more nanofiltration stages. This reduces the pressures required and extends the membrane service life. A smaller amount of acid is sufficient for the acidification in sub-step f), so that less alkali is used for later neutralization. This makes the overall process more economical. When using nanofiltration in two or more stages, divalent cations are preferably retained, while monovalent ions largely pass through the membrane. In contrast, all ions are largely retained in reverse osmosis. The latter leads, in the procedure according to EP-A-1 10671 cited at the outset, that divalent groups together with monovalent cations are returned to the phosphating bath, so that the latter is salted up. This is avoided in the method according to the present invention.
Das im Teilschritt i) erhaltene weitere Permeat kann beliebig weiter aufbereitet oder verworfen werden. Dabei läßt sich die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch weiter steigern, daß man das weitere Permeat zumindest teilweise dem im Teilschritt e) entnommenen Teil des zweiten Spülwassers zusetzt, bevor man dieses im Teilschritt g) der ersten Nanofiltration unterzieht. Hierdurch wird der Kreislauf für im weiteren Permeat noch in geringer Konzentration enthaltene schichtbildende zweiwertige Kationen vollständig geschlossen. Einwertige Ionen gelangen zur ersten Nanofiltrationsstufe zurück und in deren erstes Filtrat.The further permeate obtained in sub-step i) can be further processed or discarded as desired. The economy of the process according to the invention can be further increased by adding the further permeate at least partially to the part of the second rinse water removed in sub-step e) before subjecting it to the first nanofiltration in sub-step g). As a result, the cycle for layer-forming divalent cations still present in a low concentration in the further permeate is completely closed. Monovalent ions return to the first nanofiltration stage and in their first filtrate.
Das im Teilschritt g) erhaltene erste Retentat kann man mit zusätzlicher Säure analog zum Teilschritt f) (und den hierfür weiter oben gegebenen Erläuterungen) erneut mit Säure versetzen, bevor man es im Teilschritt i) der weiteren Nanofiltration unterzieht. Im allgemeinen sollte dies jedoch nicht erforderlich sein und ist im Sinne es sparsamen Chemikalieneinsatzes weniger erwünscht.The first retentate obtained in sub-step g) can be mixed with additional acid analogous to sub-step f) (and the explanations given above for this) with acid before sub-step i) subjecting it to further nanofiltration. In general, however, this should not be necessary and is less desirable in terms of the economical use of chemicals.
Vorzugsweise verfährt man bei der ersten Nanofiltration g) derart, daß die im Zulauf der Nanofiltration enthaltenen Zinkionen und ggf. die weiteren zweiwertigen Kationen im ersten Retentat um einen ersten Anreicherungsfaktor im Bereich von 3 bis 20, vorzugsweise von 6 bis 15, aufkonzentriert werden. Dies ist durch Wahl eines entsprechenden Drucks und Einstellen des Permeatstroms möglich. Dieser erste Anreicherungsfaktor ist geringer als derjenige, der für eine wirtschaftliche einstufige Fahrweise gemäß der bereits zitierten DE-A-101 27 918 erforderlich ist. Dementsprechend geringer ist die Membranbelastung. Analog betreibt man die weitere Nanofiltration i) vorzugsweise derart, daß die im Zulauf der weiteren Nanofiltration enthaltenen Zinkionen und ggf. die weiteren zweiwertigen Kationen im weiteren Retentat um einen weiteren Anreichungsfaktor im Bereich von 3 bis 15 aufkonzentriert werden. Dies gilt für jede einzelne weitere Nanofiltrationsstufe.The first nanofiltration g) is preferably carried out in such a way that the zinc ions contained in the feed of the nanofiltration and possibly the further divalent cations in the first retentate are concentrated by a first enrichment factor in the range from 3 to 20, preferably from 6 to 15. This is possible by choosing an appropriate pressure and adjusting the permeate flow. This first enrichment factor is less than that which is required for an economical one-step procedure according to the already cited DE-A-101 27 918. The membrane load is correspondingly lower. Analogously, the further nanofiltration i) is preferably carried out in such a way that the zinc ions contained in the feed of the further nanofiltration and possibly the further divalent cations in the further retentate can be concentrated by a further enrichment factor in the range from 3 to 15. This applies to every further nanofiltration stage.
Durch das zwei- oder mehrstufige Aufkonzentrieren der zweiwertigen Kationen erhält man einen gesamten Anreichungsfaktor im letzten weiteren Retentat gegenüber dem Spülwasser, der dem Produkt der einzelnen Anreichungsfaktoren der zwei oder mehr Nanofiltrationsstufen entspricht. Einen besonders wirtschaftlichen Kompromiß zwischen erzielter Anreichung, technischem Aufwand und Membranstandzeit erhält man dadurch, daß man die Anreicherungsfaktoren der Aufkonzentrierung bei der ersten Nanofiltration g) und bei jeder weiteren Nanofiltration i) so aufeinander abstimmt, dass die im Zulauf der ersten Nanofiltration enthaltenen Zinkionen und gegebenenfalls die weiteren zweiwertigen Kationen im letzten weiteren Retentat insgesamt um einen gesamten Anreicherungsfaktor im Bereich von 20 bis 80 aufkonzentriert werden.By concentrating the divalent cations in two or more stages, a total enrichment factor in the last further retentate compared to the rinse water is obtained, which corresponds to the product of the individual enrichment factors of the two or more nanofiltration stages. A particularly economical compromise between achieved enrichment, technical effort and membrane service life is obtained by coordinating the concentration enrichment factors in the first nanofiltration g) and in each further nanofiltration i) in such a way that the zinc ions contained in the feed of the first nanofiltration and optionally the further divalent cations in the last further retentate are concentrated by a total enrichment factor in the range from 20 to 80.
Weiter oben wurde bereits darauf hingewiesen, daß man im Teilschritt h) vorzugsweise den pH-Wert des ersten Permeats durch Laugenzugabe anhebt, bevor man dieses zumindest teilweise in die Reinigungslösung und/oder das erste Spülwasser überführt.It has already been mentioned above that in step h) the pH of the first permeate is preferably raised by adding alkali before it is at least partially transferred into the cleaning solution and / or the first rinsing water.
Nachfolgend wird näher beschrieben, im Zusammenhang mit welchen Phospha- tierlösungen das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise betrieben wird.In the following it is described in more detail in connection with which phosphating solutions the method according to the invention is preferably operated.
Die Zink-Gehalte der Phosphatierlösung liegen vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 2 g/l und insbesondere von 0,5 bis 1,5 g/l, wie sie für Niedrig-Zink-Verfahren üblich sind. Das Gewichtsverhältnis Phosphationen zu Zinkionen in den Phospha- tierbädern kann in weiten Grenzen schwanken, sofern es im Bereich zwischen 3,7 und 30 liegt. Ein Gewichtsverhältnis zwischen 10 und 20 ist besonders bevorzugtThe zinc contents of the phosphating solution are preferably in the range from 0.4 to 2 g / l and in particular from 0.5 to 1.5 g / l, as are customary for low-zinc processes. The weight ratio of phosphate ions to zinc ions in the phosphate baths can vary within wide limits, provided that it is in the range between 3.7 and 30. A weight ratio between 10 and 20 is particularly preferred
Dabei kann das Phosphatierbad außer den Zink- und Phosphationen weitere Komponenten enthalten, wie sie derzeit in Phosphatierbädern üblich sind. Vorzugsweise werden Phosphatierlösungen eingesetzt, die weitere ein- oder zweiwertige Metallionen enthalten, die sich erfahrungsgemäß günstig auf die Lackhaftung und den Korrosionsschutz der hiermit erzeugten Phosphatschichten auswirken. Demgemäß enthält die erfindungsgemäße Phosphatierlösung vorzugsweise zusätzlich eines oder mehrere der folgenden Kationen:In addition to the zinc and phosphate ions, the phosphating bath can contain other components which are currently common in phosphating baths. Phosphating solutions which contain further mono- or divalent metal ions, which experience has shown to have a favorable effect on the paint adhesion and the corrosion protection of the phosphate layers thus produced, are preferably used. Accordingly, the phosphating solution according to the invention preferably additionally contains one or more of the following cations:
0,1 bis 4 g/l Mangan(ll),0.1 to 4 g / l manganese (ll),
0,05 bis 2,5 g/l Nickel (II),0.05 to 2.5 g / l nickel (II),
0,2 bis 2,5 g/l Magnesium(ll),0.2 to 2.5 g / l magnesium (ll),
0,2 bis 2,5 g/l Calcium(ll),0.2 to 2.5 g / l calcium (ll),
0,002 bis 0,2 g/l Kupfer(ll),0.002 to 0.2 g / l copper (ll),
0,1 bis 2 g/l Cobalt(II).0.1 to 2 g / l cobalt (II).
Beispielsweise enthält die Phosphatierlösung außer Zinkionen als zusätzliche Kationen 0,1 bis 4 g/l Manganionen und 0,002 bis 0,2 g/l Kupferionen und nicht mehr als 0,05 g/l, insbesondere nicht mehr als 0,001 g/l Nickelionen. Wünscht man jedoch an der herkömmlichen Trikation-Technologie festzuhalten, können Phosphatierbäder eingesetzt werden, die außer Zinkionen 0,1 bis 4, vorzugsweise bis 3 g/l Manganionen und zusätzlich 0,05 bis 2,5 g/l Nickelionen enthalten. In welcher Form die Kationen in die Phosphatierbäder eingebracht werden ist prinzipiell ohne Belang. Es bietet sich insbesondere an, als Kationenquelle Oxide und/oder Carbonate zu verwenden. Wegen der Gefahr einer Aufsalzung der Phosphatierbäder sollten vorzugsweise Salze anderer Säuren als Phosphorsäure vermieden werden.For example, in addition to zinc ions, the phosphating solution contains 0.1 to 4 g / l of manganese ions and 0.002 to 0.2 g / l of copper ions as additional cations and not more than 0.05 g / l, in particular not more than 0.001 g / l, of nickel ions. However, if one wishes to adhere to the conventional trication technology, phosphating baths can be used which, in addition to zinc ions, contain 0.1 to 4, preferably up to 3 g / l manganese ions and additionally 0.05 to 2.5 g / l nickel ions. The form in which the cations are introduced into the phosphating baths is in principle irrelevant. It is particularly advisable to use oxides and / or carbonates as the cation source. Because of the risk of salting up the phosphating baths, salts of acids other than phosphoric acid should preferably be avoided.
Bei Phosphatierbädern, die für unterschiedliche Substrate geeignet sein sollen, ist es üblich geworden, freies und/oder komplexgebundenes Fluorid in Mengen bis zu 2,5 g/l Gesamtfluorid, davon bis zu 750 mg/l freies Fluorid, jeweils berechnet als F" , zuzusetzen. Bei Abwesenheit von Fluorid soll der Aluminiumgehalt des Bades 3 mg/l nicht überschreiten. Bei Gegenwart von Fluorid werden infolge der Komplexbildung höhere AI-Gehalte toleriert, sofern die Konzentration des nicht komple- xierten AI 3 mg/l nicht übersteigt. Außer den schichtbildenden zweiwertigen Kationen enthalten Phosphatierbäder in der Regel zusätzlich Natrium-, Kalium- und/oder Ammoniumionen zur Einstellung der freien Säure.In the case of phosphating baths which are said to be suitable for different substrates, it has become customary to use free and / or complex-bound fluoride in amounts of up to 2.5 g / l of total fluoride, of which up to 750 mg / l of free fluoride, each calculated as F " , In the absence of fluoride, the aluminum content of the bath should not exceed 3 mg / l. In the presence of fluoride, higher Al contents are tolerated as a result of the complex formation, provided the concentration of the uncomplexed AI does not exceed 3 mg / l. In addition to the layer-forming divalent cations, phosphating baths generally also contain sodium, potassium and / or ammonium ions to adjust the free acid.
Phosphatierbäder, die ausschließlich der Behandlung von verzinktem Material dienen, müssen nicht notwendigerweise einen sogenannten Beschleuniger enthalten. Beschleuniger, die bei der Phosphatierung unverzinkter Stahloberflächen erforderlich sind, werden in der Technik jedoch auch häufig bei der Phosphatierung von verzinktem Material mit eingesetzt. Beschleunigerhaltige Phosphatierlösungen haben den zusätzlichen Vorteil, daß sie sowohl für verzinkte als auch für unverzinkte Materialien geeignet sind. Dies ist besonders bei der Phosphatierung von Automobilkarrosserien wichtig, da diese häufig sowohl verzinkte als auch unverzinkte Oberflächen enthalten.Phosphating baths that are used exclusively for the treatment of galvanized material do not necessarily have to contain a so-called accelerator. However, accelerators, which are required for the phosphating of non-galvanized steel surfaces, are also often used in technology for the phosphating of galvanized material. Accelerating phosphating solutions have the additional advantage that they are suitable for both galvanized and non-galvanized materials. This is particularly important when phosphating car bodies, as these often contain both galvanized and non-galvanized surfaces.
Im Stand der Technik stehen für Phosphatierbäder unterschiedliche Beschleuniger zur Verfügung. Sie beschleunigen die Schichtausbildung und erleichtern die Bildung geschlossener Phosphatschichten, da sie mit dem bei der Beizreaktion entstehenden Wasserstoff reagieren. Dieser Prozeß wird als „Depolarisierung" bezeichnet. Das Entstehen von Wasserstoffblasen an der Metalloberfläche, die die Schichtausbildung stören, wird hierdurch verhindert. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind solche Beschleuniger bevorzugt, deren Neben- oder Abbauprodukte (Reaktionsprodukte mit Wasserstoff) die Nanofiltrations-membran durchdringen können. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich diese Neben- und Abbauprodukte des Beschleunigers nicht im Phosphatierbad anreichern, sondern über das Filtrat (Permeat) der Nanofiltration zumindest teilweise aus dem System ausgetragen werden.In the prior art, different accelerators are available for phosphating baths. They accelerate the formation of layers and facilitate the formation of closed phosphate layers, since they react with the hydrogen generated during the pickling reaction. This process is referred to as "depolarization". This prevents the formation of hydrogen bubbles on the metal surface which interfere with the formation of the layer. In the process according to the invention, preference is given to those accelerators whose by-products or degradation products (reaction products with hydrogen) are the nanofiltration membrane This ensures that these by-products and degradation products of the accelerator do not accumulate in the phosphating bath, but are at least partially discharged from the system via the filtrate (permeate) of the nanofiltration.
Insbesondere geeignet sind solche Beschleuniger, die als Neben- oder Abbauprodukte entweder Wasser oder einwertig geladene Ionen bilden, die die Nanofiltrati- onsmembran passieren können. Beispielsweise kann die Phosphatierlösung einen oder mehrere der folgenden Beschleuniger enthalten: 0,3 bis 4 g/l Chlorationen 0,01 bis 0,2 g/l Nitritionen 0,1 bis 10 g/l HydroxylaminParticularly suitable are those accelerators which form either water or monovalently charged ions as by-products or degradation products, which can pass through the nanofiltration membrane. For example, the phosphating solution can contain one or more of the following accelerators: 0.3 to 4 g / l chlorine ions 0.01 to 0.2 g / l nitrite ions 0.1 to 10 g / l hydroxylamine
0,001 bis 0,15 g/l Wasserstoffperoxid in freier oder gebundener Form0.001 to 0.15 g / l hydrogen peroxide in free or bound form
0,5 bis 80 g/l Nitrationen.0.5 to 80 g / l nitrate ions.
Bei der Depolarisierungsreaktion an der Metalloberfläche entstehen aus Chlorationen Chloridionen, aus Nitritionen Nitrationen und Ammoniumionen, aus Nitrationen Ammoniumionen, aus Hydroxylamin Ammoniumionen und aus Wasserstoffperoxid Wasser. Die gebildeten Anionen oder Ammoniumionen können die Nano- filtrationsmembran passieren, so daß sie im erfindungsgemäßen Verfahren zumindest teilweise aus dem Phosphatierbadüberlauf oder aus dem Spülwasser nach der Phosphatierung ausgetragen werden.In the depolarization reaction on the metal surface, chlorine ions are formed from chloride ions, nitrate ions and ammonium ions from nitrate ions, ammonium ions from nitrate ions, ammonium ions from hydroxylamine and water from hydrogen peroxide. The anions or ammonium ions formed can pass through the nanofiltration membrane, so that they are at least partially discharged from the phosphating bath overflow or from the rinsing water after the phosphating in the process according to the invention.
Zusammen mit oder anstelle von Chlorationen kann als Beschleuniger vorteilhafterweise Wasserstoffperoxid verwendet werden. Dieses kann als solches oder in Form von Verbindungen eingesetzt werden, die unter den Bedingungen des Phosphatierbads Wasserstoffperoxid bilden. Als Nebenprodukte sollen hierbei jedoch vorzugsweise keine mehrwertigen Ionen entstehen, da diese bei der Rückführung des Konzentrats der Nanofiltration im Phosphatierbad angereichert werden würden. Daher bieten sich als Alternative zu Wasserstoffperoxid insbesondere Alkalimetallperoxide an.Together with or instead of chlorine ions, hydrogen peroxide can advantageously be used as the accelerator. This can be used as such or in the form of compounds which form hydrogen peroxide under the conditions of the phosphating bath. However, no polyvalent ions should preferably be formed as by-products, since these would be enriched in the phosphate bath when the concentrate of the nanofiltration was returned. Therefore, alkali metal peroxides are particularly suitable as an alternative to hydrogen peroxide.
Ein im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls vorzugsweise zu verwendender Beschleuniger ist Hydroxylamin. Setzt man dieses in freier Form oder in Form von Hydroxylammoniumphosphaten, Hydroxylammoniumnitrat und/oder Hydroxylammoniumchlorid dem Phosphatierbad zu, entstehen ebenfalls nur Abbau- oder Nebenprodukte, die eine Nanofiltrationsmembran druchdringen können.An accelerator which is also preferably to be used in the process according to the invention is hydroxylamine. If this is added to the phosphating bath in free form or in the form of hydroxylammonium phosphates, hydroxylammonium nitrate and / or hydroxylammonium chloride, only degradation or by-products are also formed which can penetrate a nanofiltration membrane.
Für die Nanofiltration stehen im Stand der Technik unterschiedliche Membrantypen zur Verfügung. Da Phosphatierbäder und auch die entsprechenden Spülwässer sauer reagieren, sollte die eingesetzte Nanofiltrationsmembran säurestabil sein. Geeignet sind beispielsweise anorganische Membranen wie z. B. Keramikmembranen. Weiterhin können organische Polymermembranen eingesetzt wer- den. Insbesondere ist eine Polyamid-Membran geeignet. Die Membran kann beispielsweise als Wickelmodul, Rohrmodul oder Plattenmodul eingesetzt werden.Different membrane types are available in the prior art for nanofiltration. Since phosphating baths and the corresponding rinsing water react acidic, the nanofiltration membrane used should be acid-stable. For example, inorganic membranes such as. B. ceramic membranes. Organic polymer membranes can also be used the. A polyamide membrane is particularly suitable. The membrane can be used, for example, as a winding module, tube module or plate module.
Ausführungsbeispiel 1 , Vergleichsbeispiel 1Embodiment 1, Comparative Example 1
Diese Beispiele wurden mit Flüssigkeiten durchgeführt, die in einem Pilotsystem mit konstantem Zu- und Abfluss über eine 80 cm2-Membran geführt wurde. Die Membran befand sich in einem geschlossenen Kreislauf für Zustrom und Retentat, wobei die Überströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit über die Membran (15 m3/hm2) konstant gehalten wurde. Aus dem Kreislauf wurden die unten angegebenen Mengen an Permeat und Retentat entnommen und durch frisches Spülwasser bzw. Permeat der vorausgehenden Nanofiltrationsstufe (Zustrom) ersetztThese examples were carried out with liquids which were conducted in a pilot system with constant inflow and outflow over an 80 cm 2 membrane. The membrane was in a closed circuit for inflow and retentate, the overflow rate of the liquid over the membrane (15 m 3 / hm 2 ) being kept constant. The amounts of permeate and retentate given below were removed from the circuit and replaced by fresh rinsing water or permeate from the preceding nanofiltration stage (inflow)
BeispieM:BeispieM:
Stufe 1step 1
Phosphatierspülwasser (1) mit einer Zusammensetzung:Phosphating rinse water (1) with a composition:
Ni 20 mg/lNi 20 mg / l
Zn 22.5 mg/lZn 22.5 mg / l
Mn 23.3 mg/lMn 23.3 mg / l
Leitfähigkeit 680 μS.cm pH 3.5Conductivity 680 μS.cm pH 3.5
Aus Spülwasser 1 wurde Spülwasser 2 bereitet, indem man es mit 100 g/m3 85%- iger Phosphorsäure versetzte, um den pH-Wert auf 3 abzusenken.Rinsing water 2 was prepared from rinsing water 1 by adding 100 g / m 3 of 85% phosphoric acid in order to lower the pH to 3.
Spülwasser (2) wurde im Kreislauf über eine Membran NF TS 80 (Firma TRISEP) mit folgenden Parametern geleitet: Membrandruck: 12 bar Arbeitstemperatur: 35 °C Das Spülwasser wird durch die Membran in ein Permeat (1) und ein Konzentrat (Retentat, dem Kreislauf entnommen) (1) aufgetrennt.Flushing water (2) was circulated over a membrane NF TS 80 (company TRISEP) with the following parameters: membrane pressure: 12 bar working temperature: 35 ° C The rinsing water is separated through the membrane into a permeate (1) and a concentrate (retentate, taken from the circuit) (1).
Nach etwa 4 Stunden wurden die nachfolgenden stabilen Bedingungen erreicht. Während des weiteren Versuchs wurden keine bemerkenswerte Abweichungen hiervon festgestellt. Insbesondere schien die Membran nicht langsam zu verstopfen.The following stable conditions were reached after about 4 hours. No notable deviations were found during the further experiment. In particular, the membrane did not appear to clog slowly.
Konzentrat (1)Concentrate (1)
Dem Kreislauf entnommene Menge: 3,0 l/h*m2 Quantity withdrawn from the circuit: 3.0 l / h * m 2
Zusammensetzung : Ni 184 mg/lComposition: Ni 184 mg / l
Zn 236 mg/l Mn 185 mg/l Leitfähigkeit 2800 μS.cm pH 3,0Zn 236 mg / l Mn 185 mg / l conductivity 2800 μS.cm pH 3.0
Das Konzentrat (1) wird zum Beaufschlagen der zweiten Membran verwendet, siehe unten.The concentrate (1) is used to apply the second membrane, see below.
Permeat (1)Permeate (1)
Flussrate durch die Membran: 30 l/h*m2 Flow rate through the membrane: 30 l / h * m 2
Zusammensetzung: Ni 2,5 mg/lComposition: Ni 2.5 mg / l
Zn 3,0 mg/lZn 3.0 mg / l
Mn 2,4 mg/lMn 2.4 mg / l
Leitfähigkeit 510 μS.cm pH 2,9Conductivity 510 μS.cm pH 2.9
Weiterverwendung von Permeat (1): Es kann der Zentralen Abwasserbehandlung zugeführt werden, wo die Schwermetalle bis unter die erlaubten Grenzwerte (z.B. in Deutschland: 0,5 mg/l für Ni) abgesenkt werden. Alternativ hierzu kann es nach Neutralisierung als Spülwasser nach der Reinigung in einer Phosphatieranlage eingesetzt werden. Oder es kann lokal weiter bis auf die erlaubten Grenzwerte aufgereinigt werden, beispielsweise durch lonenaustausch oder weitere Membranfiltration (Nanofiltration oder Umkehrosmose)Further use of permeate (1): It can be sent to the central wastewater treatment, where the heavy metals are reduced to below the permitted limit values (eg in Germany: 0.5 mg / l for Ni). Alternatively, after neutralization, it can be used as rinsing water after cleaning in a phosphating system. Or it can continue locally up to the permitted limit values be purified, for example by ion exchange or further membrane filtration (nanofiltration or reverse osmosis)
Stufe 2Level 2
Das Konzentrat (1) wird über eine Membran NF TS 80 (Firma TRISEP) unter folgenden Bedingungen geleitet (im Kreislauf wie für Stufe 1): Membrandruck: 12 bar Arbeitstemperatur: 33 °CThe concentrate (1) is passed over a membrane NF TS 80 (TRISEP) under the following conditions (in the circuit as for stage 1): membrane pressure: 12 bar working temperature: 33 ° C
Das in der ersten Stufe aus dem Kreislauf entnommene Konzentrat (1) wird durch die Membran in ein Permeat (2) und ein Konzentrat (Retentat, dem Kreislauf entnommen) (2) aufgetrennt.The concentrate (1) removed from the circuit in the first stage is separated through the membrane into a permeate (2) and a concentrate (retentate, removed from the circuit) (2).
Nach etwa 4 Stunden wurden die nachfolgenden stabilen Bedingungen erreicht. Während des weiteren Versuchs wurden keine bemerkenswerte Abweichungen hiervon festgestellt. Insbesondere schien die Membran nicht langsam zu verstopfen.The following stable conditions were reached after about 4 hours. No notable deviations were found during the further experiment. In particular, the membrane did not appear to clog slowly.
Konzentrat (2)Concentrate (2)
Dem Kreislauf entnommene Menge: 4,5 l/h*m2 Quantity taken from the circuit: 4.5 l / h * m 2
Zusammensetzung: Ni 700 mg/lComposition: Ni 700 mg / l
Zn 1000 mg/l Mn 700 mg/l Leitfähigkeit 7200 μS.cm pH 3,0Zn 1000 mg / l Mn 700 mg / l conductivity 7200 μS.cm pH 3.0
Das Konzentrat (2) kann ohne pH-Einstellung zum Ergänzen einer Phosphatierlösung verwendet werden. Eine Zugabe von Natronlauge ist nicht erforderlich.The concentrate (2) can be used without pH adjustment to supplement a phosphating solution. It is not necessary to add sodium hydroxide solution.
Permeat (2)Permeate (2)
Flussrate durch die Membran: 19 l/h*m2 Zusammensetzung: Ni 9,5 mg/lFlow rate through the membrane: 19 l / h * m 2 Composition: Ni 9.5 mg / l
Zn 12 mg/lZn 12 mg / l
Mn 9,5 mg/lMn 9.5 mg / l
Leitfähigkeit 800 μS.cm pH 2,85Conductivity 800 μS.cm pH 2.85
Mögliche Verwendung von Permeat (2): Es kann der Zentralen Abwasserbehandlung zugeführt werden, wo die Schwermetalle bis unter die erlaubten Grenzwerte (z.B. in Deutschland: 0,5 mg/l für Ni) abgesenkt werden. Alternativ hierzu kann es in das Spülwasser (2) vor der ersten Membranfiltration zurückgeführt werden. Oder es kann lokal weiter bis auf die erlaubten Grenzwerte aufgereinigt werden, beispielsweise durch lonenaustausch oder weitere Membranfiltration (Nanofiltration oder Umkehrosmose).Possible use of permeate (2): It can be sent to the central wastewater treatment facility, where the heavy metals are reduced to below the permitted limit values (e.g. in Germany: 0.5 mg / l for Ni). Alternatively, it can be returned to the rinse water (2) before the first membrane filtration. Or it can be further cleaned locally up to the permitted limit values, for example by ion exchange or further membrane filtration (nanofiltration or reverse osmosis).
Nach diesem Prozess behandelte Flüssigkeiten:Liquids treated after this process:
Fraktion Menge (Liter) Fließrichtung im ProzessFraction quantity (liter) flow direction in the process
Spülwasser (2) 10 hineinRinse water (2) 10 in
Konzentrat (1) 0,9 hinaus/hineinConcentrate (1) 0.9 in / out
Permeat (1) 9,1 hinausPermeate (1) 9.1
Konzentrat (2) 0,18 hinausConcentrate (2) 0.18
Permeat (2) 0,72 hinaus, fakultativ hinein Permeate (2) 0.72 out, optional in
Vergleichsbeispiel 1:Comparative Example 1:
Phosphatierspülwasser (1) mit einer Zusammensetzung: Ni 25 mg/l Zn 35 mg/l Mn 20 mg/l pH 3.8Phosphating rinse water (1) with a composition: Ni 25 mg / l Zn 35 mg / l Mn 20 mg / l pH 3.8
Aus Spülwasser 1 wurde Spülwasser 2 bereitet, indem man es mit 5000 g/m3 85%-iger Phosphorsäure versetzte, um den pH-Wert auf 1 ,9 abzusenken.Rinse water 2 was prepared from rinse water 1 by adding 5000 g / m 3 of 85% phosphoric acid in order to lower the pH to 1.9.
Spülwasser (2) wurde über eine Membran DESAL DK (Firma. Osmonic) mit folgenden Parametern geleitet: Membrandruck: 6 bar Arbeitstemperatur: 35 °CFlushing water (2) was passed over a membrane DESAL DK (company. Osmonic) with the following parameters: membrane pressure: 6 bar working temperature: 35 ° C
Das Spülwasser wird durch die Membran in ein Permeat (1) und ein Konzentrat (Retentat, dem Kreislauf entnommen) (1) aufgetrennt.The rinsing water is separated through the membrane into a permeate (1) and a concentrate (retentate, taken from the circuit) (1).
Nach etwa 4 Stunden wurden die nachfolgenden stabilen Bedingungen erreicht. Während des weiteren Versuchs wurden keine bemerkenswerte Abweichungen hiervon festgestellt. Insbesondere schien die Membran nicht langsam zu verstopfen.The following stable conditions were reached after about 4 hours. No notable deviations were found during the further experiment. In particular, the membrane did not appear to clog slowly.
Anmerkung: Versuche mit einem höheren pH-Wert des Spülwassers (2) führten zu einem höheren pH-Wert für das Konzentrat (1), verbunden mit einer Abweichung der Arbeitsbedingungen, wodurch ein Verstopfen der Membran angezeigt wird.Note: Experiments with a higher pH of the rinse water (2) led to a higher pH for the concentrate (1), combined with a deviation in the working conditions, which indicates that the membrane is clogged.
Konzentrat (1)Concentrate (1)
Dem Kreislauf entnommene Menge: 1,1 l/h*m2 Quantity taken from the circuit: 1.1 l / h * m 2
Zusammensetzung: Ni 800 mg/lComposition: Ni 800 mg / l
Zn 900 mg/l Mn 840 mg/l Leitfähigkeit 7250 μS.cm pH 2,3Zn 900 mg / l Mn 840 mg / l conductivity 7250 μS.cm pH 2.3
Verwendung von Konzentrat (1): Nach pH-Einstellung auf 3,0 kann es zum Ergänzen einer Phosphatierlösung verwendet werden. Um das Konzentrat auf den pH- Wert der Phosphatierlösung zu bringen, sind 1070 g/m3 NaOH (100%-ig) erforderlich.Use of concentrate (1): After pH adjustment to 3.0, it can be used to supplement a phosphating solution. To bring the concentrate to the pH of the phosphating solution, 1070 g / m 3 NaOH (100%) are required.
Permeat (1)Permeate (1)
Flussrate durch die Membran: 45 l/h*m2 Flow rate through the membrane: 45 l / h * m 2
Zusammensetzung: Ni 0,9 mg/lComposition: Ni 0.9 mg / l
Zn 1 ,0 mg/lZn 1.0 mg / l
Mn 1 ,1 mg/lMn 1.1 mg / l
Leitfähigkeit 1900 μS.cm pH 1 ,9Conductivity 1900 μS.cm pH 1, 9
Weiterverwendung von Permeat (1): Es kann der Zentralen Abwasserbehandlung zugeführt werden, wo die Schwermetalle bis unter die erlaubten Grenzwerte (z.B. in Deutschland: 0,5 mg/l für Ni) abgesenkt werden. Alternativ hierzu kann es nach Neutralisierung als Spülwasser nach der Reinigung in einer Phosphatieranlage eingesetzt werden. Oder es kann lokal weiter bis auf die erlaubten Grenzwerte aufgereinigt werden, beispielsweise durch lonenaustausch oder weitere Membranfiltration (Nanofiltration oder Umkehrosmose)Further use of permeate (1): It can be sent to the central wastewater treatment, where the heavy metals are reduced to below the permitted limit values (e.g. in Germany: 0.5 mg / l for Ni). Alternatively, after neutralization, it can be used as rinsing water after cleaning in a phosphating system. Or it can be further cleaned locally up to the permitted limit values, for example by ion exchange or further membrane filtration (nanofiltration or reverse osmosis)
Nach diesem Prozess behandelte Flüssigkeiten:Liquids treated after this process:
Fraktion Menge (Liter) Fließrichtung im ProzessFraction quantity (liter) flow direction in the process
Spülwasser (2) 10 hineinRinse water (2) 10 in
Konzentrate (1) 0,24 hinausConcentrates (1) 0.24
Permeat (1) 9,76 hinaus Ausführungsbeispiel 2, Vergleichsbeispiele 2 und 3Permeate (1) 9.76 Embodiment 2, Comparative Examples 2 and 3
(Konzentrationsangaben in ppm = mg/l)(Concentrations in ppm = mg / l)
Ein Spülwasser nach der Phosphatierung enthielt:A rinse water after phosphating contained:
Zn (ppm) 35 H2Pθ4 (ppm) 500Zn (ppm) 35 H2P04 (ppm) 500
Mn (ppm) 20 NOs (ppm) 200Mn (ppm) 20 NOs (ppm) 200
Ni (ppm 25 pH 3,8Ni (ppm 25 pH 3.8
Na (ppm) 120 Schlamm (g/l) 0,05Na (ppm) 120 sludge (g / l) 0.05
Vorbereitung Spülwasser:Preparation of rinse water:
Schlammfiltration durch Beutelfiltration: Filter: Lofclear 523 D der Firma Hayward Schlammentfernung: 88 %Sludge filtration by bag filtration: Filter: Lofclear 523 D from Hayward Sludge removal: 88%
Nanofiltration:Nanofiltration:
a. Nanofiltration Spülwasser (Stufe 1):a. Nanofiltration rinse water (level 1):
Betriebsbedingungen:Operating conditions:
Desal DK-Membran (Fa. Osmonics)Desal DK membrane (Osmonics)
Druckdifferenz: 4-6 barPressure difference: 4-6 bar
Temperatur: 35°CTemperature: 35 ° C
Volumenverhältnis: Permeat/Retentat: 10/1 bis 40/1 = Aufkonzentrierungsfaktor:Volume ratio: permeate / retentate: 10/1 to 40/1 = concentration factor:
10x bis 40x, siehe nachfolgende Tabelle. Das Retentat a wird erfindungsgemäß für die zweite Stufe eingesetzt.10x to 40x, see table below. Retentate a is used according to the invention for the second stage.
b. Nanofiltration Retentat a (Stufe 2, nur in Beispiel 2)b. Nanofiltration retentate a (level 2, only in example 2)
Betriebsbedingungen:Operating conditions:
Desal DK-Membran (Fa. Osmonics)Desal DK membrane (Osmonics)
Druckdifferenz: 6 barPressure difference: 6 bar
Temperatur: 35°CTemperature: 35 ° C
Volumenverhältnis: Permeat/Retentat: 4/1 = Aufkonzentrierungsfaktor: 4x Ergebnisse:Volume ratio: permeate / retentate: 4/1 = concentration factor: 4x Results:
AufkonzentrierungsfakH3Pθ4-Dosierung ( 85%-ig, kg/m3 Spülwasser) tor (einstufig): 40 xConcentration factor H3Pθ4 dosage (85%, kg / m 3 rinsing water) gate (single stage): 40 x
Vergleichsbeisp. 2: Vergleichsbeisp. 3: 5; 1 ,25Vergleichsbeisp. 2: comparative example 3: 5; 1, 25
Retentatretentate
pH 2,3 2,7pH 2.3 2.7
FS (pH 2,8) (P)η 2,8 0,7FS (pH 2.8) (P) η 2.8 0.7
Zn-Konz. (ppm) 1408 1407Zn Conc. (ppm) 1408 1407
Mn-Konz. (ppm) 798 795Mn conc. (ppm) 798 795
Ni-Konz. (ppm) 998 1007Ni Conc. (ppm) 998 1007
Na-Konz. (ppm) 229 227 Na Conc. (ppm) 229 227
Permeatpermeate
Zn-Konz. (ppm) 1,8 7,8Zn Conc. (ppm) 1.8 7.8
Mn-Konz. (ppm) 0,9 4,1Mn conc. (ppm) 0.9 4.1
Ni-Konz. (ppm) 1,1 3,9Ni Conc. (ppm) 1.1 3.9
Na-Konz. (ppm) 122 124 Na Conc. (ppm) 122 124
*} FS = „Freie Säure", ausgedrückt in „Punkten" („P"), hier mit folgender Definition: Bestimmt durch Titration von 100 ml unverdünnter Lösung mit 0,1 n Natronlauge bis zu einem pH-Wert von 2,8. Der Verbrauch in ml Natronlauge, dividiert durch 10 (zum Vergleich mit der üblichen Bestimmungsmethode, die von 10 ml Lösung ausgeht) gibt die Punktzahl der Freien Säure an. Bei Vergleichsbeispiel 3 erwies sich das Ansäuern mit 1,25 kg 85-%ige Phosphorsäure pro m3 Spülwasser als nicht ausreichend, um bei dem gewählten Aufkonzentrierungsfaktor von 40 ein Verblocken der Membran zu verhindern. Daher musste der Versuch wegen Verblocken der Membran abgebrochen werden. *} FS = "Free acid", expressed in "points"("P"), here with the following definition: Determined by titration of 100 ml undiluted solution with 0.1 N sodium hydroxide solution up to a pH value of 2.8. The consumption in ml of sodium hydroxide solution divided by 10 (for comparison with the usual determination method, which starts from 10 ml of solution) gives the free acid score. In Comparative Example 3, acidification with 1.25 kg of 85% phosphoric acid per m 3 of rinsing water proved to be insufficient to prevent the membrane from blocking at the chosen concentration factor of 40. Therefore the experiment had to be stopped because the membrane was blocked.
Bei Vergleichsbeispiel 2 dagegen war das Ansäuern mit 5 kg 85-%ige Phosphorsäure pro m3 Spülwasser ausreichend, um bei dem gewählten Aufkonzentrierungsfaktor von 40 ein Verblocken der Membran zu verhindern. Man erhielt jedoch ein zu saures Retentat, das vor einer Rückführung in eine Phosphatierlösung teilneutralisiert werden müsste. Dies würde zu einem erhöhten Chemikalienverbrauch führen.In comparison example 2, however, acidification with 5 kg of 85% phosphoric acid per m 3 of rinsing water was sufficient to prevent the membrane from blocking at the chosen concentration factor of 40. However, an excessively acidic retentate was obtained which would have to be partially neutralized before being returned to a phosphating solution. This would lead to an increased consumption of chemicals.
Ausführungsbeispiel 2: H3Pθ4-Dosierung vor 1. Nanofiltrationsstufe: 1 ,25 kg 85- %ige Phosphorsäure pro m3 SpülwasserEmbodiment 2: H3P04 dosing before the 1st nanofiltration stage: 1.25 kg of 85% phosphoric acid per m 3 of rinsing water
Aufkonzentrierungsfaktor Aufkonzentrierungsfaktor 1. Stufe: 10 x 2. Stufe: 4xConcentration factor Concentration factor 1st stage: 10 x 2nd stage: 4x
Retentat I. Stufe — > Retentat 2. StufeRetentate 1st stage -> Retentate 2nd stage
pH 2,3 — > 2,7pH 2.3 -> 2.7
FS (pH 2,8) (P) 0,8 — > 0,6FS (pH 2.8) (P) 0.8 -> 0.6
Zn-Konz. (ppm) 350 — > 1401Zn Conc. (ppm) 350 → 1401
Mn-Konz. (ppm) 200 — > 799Mn conc. (ppm) 200 -> 799
Ni-Konz. (ppm) 247 — > 998Ni Conc. (ppm) 247 → 998
Na-Konz. (ppm) 192 — > 287Na Conc. (ppm) 192 -> 287
Nθ3-Konz. (ppm) 456 - > 1198NO 3 Conc. (ppm) 456 → 1198
Permeat 1.StufePermeate 1st stage
Zn-Konz. (ppm) 0,5 Mn-Konz. (ppm) 0,25Zn Conc. (ppm) 0.5 Mn conc. (ppm) 0.25
Ni-Konz. (ppm) 0,25Ni Conc. (ppm) 0.25
Na-Konz. (ppm) 121 Na Conc. (ppm) 121
Durch die erfindungsgemäße zweistufige Nanofiltration wird insgesamt ein Aufkonzentrierungsfaktor von 40 erreicht, entsprechend Vergleichsbeispiel 2. Zum Ansäuern vor der ersten Nanofiltration werden jedoch nur 1 ,25 kg 85-%ige Phosphorsäure pro m3 Spülwasser benötigt (was gemäß Vergleichsbeispiel 3 bei einstufiger Aufkonzentrierung um einen Faktor 40 zum Verblocken der Membran führen würde). In der zweiten Stufe wird ein Retentat mit einem Säuregehalt erhalten, das direkt, also ohne Teilneutralisation, in eine Phosphatierlösung überführt werden kann. A total concentration factor of 40 is achieved by the two-stage nanofiltration according to the invention, corresponding to comparative example 2. However, only 1.25 kg of 85% phosphoric acid per m 3 of rinsing water are required for the acidification before the first nanofiltration (which, according to comparative example 3, by one for one-stage concentration Factor 40 would lead to blocking of the membrane). In the second stage, a retentate with an acid content is obtained, which can be transferred directly to a phosphating solution without partial neutralization.
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