Das Problem der Karbonatbildung
Cyanid-Verkupferungsbäder reichern mit der Zeit Carbonatsalze an. Natriumcarbonat und Kaliumcarbonat entstehen durch die Aufnahme von atmosphärischem Kohlendioxid durch das stark alkalische Bad (pH 12-13). Die Reaktion ist: 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O. Durch den normalen Badbetrieb steigt die Carbonatkonzentration allmählich an.
An der Heizoberfläche verstärkt sich das Problem. Metallische Tauchsieder mit Wandtemperaturen von 80 bis 100 Grad erzeugen örtlich begrenzte Zonen, in denen die Karbonatlöslichkeit überschritten wird. Carbonat schlägt sich als harter, kristalliner Belag auf der Rohroberfläche nieder. Der Zunder isoliert die Rohre, verringert die Wärmeübertragung und erfordert schließlich eine mechanische oder chemische Entkalkung. Das Entkalkungsverfahren-, bei dem normalerweise Salzsäure zum Einsatz kommt, erzeugt gefährlichen Abfall und verbraucht Produktionszeit.
Ein PTFE-Wärmetauscher arbeitet bei einer niedrigeren Wandtemperatur (55-70 Grad), wo die Carbonatlöslichkeit höher ist. Niederschlag an der Rohroberfläche wird deutlich reduziert. Das Carbonat bleibt im Hauptbad gelöst, wo es durch normale Ausfrier- oder Fällungsverfahren beseitigt werden kann, anstatt sich auf der Heizoberfläche zu bilden.
Der temperaturabhängige Löslichkeitsmechanismus
Die Löslichkeit von Natriumcarbonat in Wasser ist stark temperaturabhängig-. Bei 30 Grad (typische Badtemperatur für Cyanidkupfer) beträgt die Löslichkeit etwa 50 g/100 ml. Bei 80 Grad (Temperatur der metallischen Heizwand) sinkt die Löslichkeit auf etwa 45 g/100 ml. Bei 95 Grad (Wandtemperatur der Titanheizung) sinkt sie weiter auf etwa 42 g/100 ml.
Das Bad bei 30 Grad kann unterhalb der Karbonatsättigungsgrenze liegen. Die dünne Grenzschicht an der auf 80–95 Grad erhitzten Heizoberfläche überschreitet die lokale Sättigungsgrenze. Carbonat scheidet sich direkt auf der Rohroberfläche ab. Die Fällung erfolgt kontinuierlich, solange das Bad gelöstes Carbonat enthält und die Heizung die erhöhte Wandtemperatur aufrechterhält.
Die niedrigere Wandtemperatur von PTFE (55-70 Grad) hält die Grenzschicht näher an der Temperatur des Hauptbades. Die Löslichkeit bei 60 Grad beträgt etwa 47 g/100 ml, näher am Massenwert und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie die Sättigung überschreitet. Die Niederschlagstriebkraft wird um 50-70 % reduziert.
| Carbonat-Parameter | Edelstahlheizung | Titanheizung | PTFE-Wärmetauscher |
|---|---|---|---|
| Wandtemperatur bei 3 barg Dampf (Grad) | 80-95 | 85-100 | 55-70 |
| Na₂CO₃-Löslichkeit bei Wandtemperatur (g/100 ml) | 44-45 | 42-44 | 47-48 |
| Relative Triebkraft des Niederschlags | 1,0 (Grundlinie) | 1.1-1.3 | 0.3-0.5 |
| Bildungsrate von Karbonatablagerungen | Hoch | Hoch | Niedrig |
| Häufigkeit der Entkalkung | 6-12 Wochen | 4-10 Wochen | 12-24 Monate |
Die PTFE-Oberflächensynergie
Die niedrige Oberflächenenergie von PTFE (18–20 mN/m) bietet einen sekundären Schutz gegen Karbonatablagerungen. Selbst wenn es zur Ausfällung kommt, haften die Kristalle nur schwach an der hydrophoben PTFE-Oberfläche. Die Kristalle werden durch normale Badzirkulation oder Bewegung entfernt. Sie bauen sich nicht in der harten, mechanisch verzahnten Zunderschicht auf, die sich auf metallischen Oberflächen bildet.
Die Kombination aus reduzierter Niederschlagsantriebskraft (durch niedrigere Wandtemperatur) und reduzierter Haftung (durch niedrige Oberflächenenergie) macht PTFE äußerst beständig gegen Karbonatablagerungen im Zyanid-Kupfer-Einsatz. Das Entkalkungsintervall erstreckt sich von Wochen bis hin zu Monaten oder Jahren.
Der Vorteil des Badchemie-Managements
Die Anreicherung von Carbonat im Bad wird durch periodisches Ausfrieren-Aus-Abkühlen eines Teils des Bades zur Kristallisation von Carbonat, das dann herausgefiltert wird-oder durch chemische Fällung mit Calciumhydroxid verhindert. Diese Verfahren werden am Hauptbad durchgeführt und werden durch die Wahl des Wärmetauschermaterials nicht beeinflusst.
Der Vorteil von PTFE besteht darin, dass Carbonat im Hauptbad verbleibt, wo es durch diese Verfahren behandelt werden kann, anstatt sich auf der Heizoberfläche abzulagern, wo es zu Wärmeübertragungsverlusten kommt und eine separate, aggressivere Entkalkung erfordert. Die Badwartung wird vorhersehbarer und seltener.
Zusammenfassung
Cyanid-Kupferbäder bilden aufgrund der verringerten Carbonatlöslichkeit bei der hohen Wandtemperatur (80-100 Grad) Carbonatschlamm auf metallischen Heizoberflächen. PTFE-Wärmetauscher reduzieren mit ihrer niedrigeren Wandtemperatur (55–70 Grad) die Niederschlagsantriebskraft um 50–70 %. Die niederenergetische PTFE-Oberfläche verhindert zusätzlich die Kristalladhäsion. Karbonat verbleibt im Hauptbad, wo es durch Routineverfahren beseitigt wird, und bildet keinen isolierenden Kesselstein auf dem Heizgerät.
Technische Unterstützung für die PTFE-Wärmetauscherspezifikation in Cyanid- und alkalischen Galvanisierungsbädern ist nach Vorlage der Badchemie, der Betriebstemperatur, der aktuellen Entzunderungshäufigkeit und der Karbonatmanagementverfahren verfügbar.
