Die Oberflächenbeschichtung ist ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher industrieller Prozesse und findet Anwendung in einer Vielzahl von Branchen. Sie dient der Verbesserung von Materialeigenschaften wie Korrosionsschutz, Verschleißfestigkeit, dekorative Optik und chemische Beständigkeit. Dabei kommen unterschiedliche Technologien und Materialien zum Einsatz, wie Lacke, Galvanikschichten, Pulverbeschichtungen oder PVD-Beschichtungen (Physical Vapor Deposition).

Ein zentrales Thema im Zusammenhang mit Oberflächenbeschichtung ist die Behandlung der dabei entstehenden Abwässer und Prozesslösungen. Diese sind häufig mit Schwermetallen, organischen Lösungsmitteln und anderen Schadstoffen belastet und erfordern spezialisierte Verfahren zur Reinigung und Wiederverwendung. In diesem Beitrag wird die Praxis der Oberflächenbeschichtung, die beteiligten Branchen und Betriebe sowie die Wasser- und Abwasserbehandlung im Detail erläutert.

Branchen und Betriebe, die Oberflächenbeschichtung anwenden

Die Oberflächenbeschichtung ist in zahlreichen Industriezweigen von zentraler Bedeutung. Jede Branche hat spezifische Anforderungen an die Beschichtungen, die wiederum unterschiedliche Verfahren und Materialien erfordern.

1. Automobilindustrie

Anwendungen
Die Oberflächenbeschichtung spielt in der Automobilindustrie eine entscheidende Rolle, um den hohen Anforderungen an Haltbarkeit, Korrosionsschutz und optische Qualität gerecht zu werden. Ein häufig angewandtes Verfahren ist die kathodische Tauchlackierung (KTL), bei der Karosserieteile gleichmäßig mit einer Schutzschicht überzogen werden, um Korrosion zu verhindern. Dekorative Beschichtungen kommen für Zierleisten, Embleme oder Felgen zum Einsatz, bei denen nicht nur Schutz, sondern auch Ästhetik im Vordergrund steht. Für Bauteile aus Aluminium oder Kunststoff werden Schutzlackierungen aufgetragen, um die Widerstandsfähigkeit gegen chemische und mechanische Belastungen zu erhöhen.

Herausforderungen
Die Vorbehandlung, beispielsweise durch Phosphatierungsbäder, führt zu hohen Abwassermengen, die Schwermetalle und Ölrückstände enthalten. Diese müssen in sogenannten CP-Anlagen oder Flotationsanlagen behandelt werden, um die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte zu gewährleisten. Zudem erfordert die Entfernung von Prozesschemikalien und Emulsionen eine sorgfältige Planung der Abwasserbehandlung, da Rückstände im Abwasser den Betrieb nachgeschalteter Anlagen beeinträchtigen können.

2. Luft- und Raumfahrtindustrie

Anwendungen
In der Luft- und Raumfahrtindustrie sind Oberflächenbeschichtungen unverzichtbar, da die verwendeten Materialien extremen Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und korrosiven Medien ausgesetzt sind. Hartanodisierung oder Chromatieren werden häufig eingesetzt, um Aluminiumkomponenten widerstandsfähiger gegen Verschleiß und Korrosion zu machen. Für Leichtbaukomponenten, die eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht erfordern, werden spezielle Schutzschichten aufgebracht, die die Materiallebensdauer verlängern.

Herausforderungen
Die Verwendung hochreaktiver Chemikalien wie Chrom(VI)-haltigen Verbindungen stellt eine erhebliche Umweltbelastung dar. Die Abwässer sind oft stark kontaminiert und erfordern mehrstufige Behandlungsverfahren, einschließlich Fällung, Neutralisation und Filtration. Darüber hinaus sind die strengen Umweltauflagen eine Herausforderung für den Betrieb von Beschichtungsanlagen, insbesondere im Hinblick auf die sichere Entsorgung von Rückständen.

3. Elektronikindustrie

Anwendungen
In der Elektronikindustrie werden galvanische Beschichtungen häufig eingesetzt, um Leiterplatten mit Kupfer, Zinn oder Gold zu überziehen. Diese dünnen Metallfilme verbessern die elektrische Leitfähigkeit und schützen die Bauteile vor Oxidation. Zusätzlich werden Schutzlackierungen aufgebracht, die Feuchtigkeit und elektrische Störungen verhindern, insbesondere bei sensiblen Bauteilen wie Mikroprozessoren.

Herausforderungen
Die Abwässer aus galvanischen Prozessen enthalten hohe Konzentrationen an Schwermetallen wie Kupfer und Nickel. Diese müssen durch aufwendige Ionenaustauscheranlagen oder Fällungsverfahren entfernt werden. Zudem sind organische Lösungsmittel und Additive im Abwasser enthalten, die eine zusätzliche Herausforderung darstellen.

4. Bau- und Architekturbranche

Anwendungen
Pulverbeschichtungen werden in der Bau- und Architekturbranche häufig für Fassadenelemente, Fensterrahmen und Stahlträger eingesetzt. Diese Beschichtungen dienen nicht nur dem Korrosionsschutz, sondern tragen auch zur optischen Gestaltung bei. Für Stahlkonstruktionen in Brücken oder Hochhäusern sind robuste Korrosionsschutzschichten unerlässlich, um die Lebensdauer der Bauwerke zu erhöhen.

Herausforderungen
Die Abwässer enthalten Rückstände von Pulverlacken, Farbpigmenten und Bindemitteln, die in Spritzkabinen und Reinigungsprozessen anfallen. Diese Partikel müssen durch  Filtration oder chemische Behandlung entfernt werden, um die Einhaltung der Abwasservorgaben sicherzustellen. Zudem können Schwankungen in der Zusammensetzung der Abwässer die Effizienz der Aufbereitungsanlagen beeinträchtigen.

5. Möbel- und Holzverarbeitungsindustrie

Anwendungen
In der Möbel- und Holzverarbeitungsindustrie werden Lackierungen auf Holzoberflächen aufgetragen, um sowohl eine dekorative als auch eine schützende Funktion zu erfüllen. Küchenkomponenten oder Möbelstücke erhalten durch hochwertige Lacke eine ansprechende Optik und sind besser vor Feuchtigkeit, Verschmutzungen und mechanischen Einflüssen geschützt. Auch Holzfurniere und Laminat werden durch spezielle Beschichtungen haltbarer gemacht.

Herausforderungen
Die Abwässer enthalten häufig organische Lösungsmittel und Farbpigmente, die mit herkömmlichen biologischen Verfahren nur schwer abbaubar sind. Die Behandlung erfordert die Behandlung in Flotationsanlagen, um die Schadstoffe zu entfernen. Zudem ist die sichere Entsorgung der anfallenden Rückstände ein wichtiger Faktor bei der Prozessgestaltung.

6. Maschinenbau und Metallverarbeitung

Anwendungen
Im Maschinenbau und der Metallverarbeitung werden Beschichtungen wie Verzinkung, Vernickelung oder Hartchrombeschichtung verwendet, um Bauteile vor Korrosion und Verschleiß zu schützen. Pulverbeschichtungen finden Anwendung bei Maschinenteilen oder Werkzeugen, um deren Widerstandsfähigkeit gegen chemische und mechanische Belastungen zu erhöhen.

Herausforderungen
Die Spülwässer aus galvanischen Prozessen enthalten hohe Schwermetallkonzentrationen, die durch chemische Fällung in CP-Anlagen und Filtration entfernt werden müssen. Zudem sind Rückstände von Emulsionen und Schmierstoffen häufig im Abwasser vorhanden, die zusätzliche Reinigungsschritte wie Flotation oder Membranfiltration erfordern. Die Einhaltung der strengen gesetzlichen Vorgaben für Schwermetalle im Abwasser stellt eine zusätzliche Herausforderung dar.

Verfahren der Oberflächenbeschichtung

1. Galvanikverfahren

Galvanische Beschichtungen nutzen elektrochemische Prozesse, um Metallionen aus einer Lösung auf Substratoberflächen abzuscheiden. Verfahren wie Verzinkung, Vernickelung oder Vergoldung werden häufig in der Automobil- und Elektronikindustrie eingesetzt. Die dabei entstehenden Abwässer enthalten Schwermetalle wie Nickel, Kupfer oder Zink sowie potenziell toxische Stoffe wie Cyanide, die mit mehrstufigen chemischen Verfahren behandelt werden müssen.

2. Pulverbeschichtung

Bei der Pulverbeschichtung wird ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial elektrostatisch aufgeladen und auf die Oberfläche gesprüht. Anschließend wird das Pulver durch Erhitzen verfestigt. Während des Prozesses entstehen Abwässer mit Partikeln und organischen Bindemitteln, die durch Filtration und chemische Fällung behandelt werden.

3. Lackierverfahren

Flüssige Lacke oder Farben werden durch Sprühen, Tauchen oder Walzen aufgetragen. Die dabei entstehenden Reinigungswässer sind oft mit organischen Lösungsmitteln, Farbpigmenten und Tensiden belastet. Diese Stoffe werden in sogenannten CP-Anlagen entfernt.

4. KTL-Beschichtung (Kathodische Tauchlackierung)

Die KTL-Beschichtung nutzt elektrochemische Prozesse, um eine Schutzlackierung auf Metalloberflächen aufzubringen. Die Abwässer enthalten hohe Konzentrationen an organischen Stoffen und Schwermetallen, die durch Flotationsanlagen entfernt werden.

5. PVD- und CVD-Beschichtungen

Dünnschichttechnologien wie PVD (Physical Vapor Deposition) und CVD (Chemical Vapor Deposition) erzeugen extrem dünne Beschichtungen durch physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung. Die Reinigung der Prozesskammern erzeugt Abwässer mit organischen Rückständen, die mittels physikalisch-chemischen Verfahren wie Flotationsanlagen oder CP-Anlagen behandelt werden müssen.

Wasser- und Abwasserbehandlung in der Oberflächenbeschichtung

Die Behandlung von Wasser und Abwasser in der Oberflächenbeschichtung ist entscheidend, um gesetzliche Vorgaben einzuhalten, die Betriebskosten zu senken und die Umwelt zu schützen.

1. Mechanische Vorbehandlung

Die mechanische Vorbehandlung stellt den ersten Schritt in der Abwasseraufbereitung dar und dient der Entfernung grober Verunreinigungen, bevor die weiterführenden Verfahren greifen.

• Siebung:
  Durch den Einsatz von Sieben werden grobe Partikel, wie Lackrückstände, Pulver oder andere Feststoffe, effizient aus dem Abwasser entfernt. Mechanische Siebe sind besonders für hohe Abwassermengen geeignet und reduzieren die Belastung nachfolgender Behandlungsschritte erheblich. Je nach Partikelgröße kommen verschiedene Maschenweiten oder rotierende Trommelsiebe zum Einsatz.

• Sedimentation:
  Bei der Sedimentation werden Schwebstoffe und schwerere Partikel durch Schwerkraft abgetrennt. Feststoffe setzen sich am Boden des Klärbehälters ab und können als Schlamm abgeschieden werden. Die Sedimentation eignet sich besonders für schwer lösliche Stoffe wie Farbpigmente oder metallische Rückstände. Um den Prozess zu optimieren, können Sedimentationshilfsmittel wie Flockungsmittel eingesetzt werden.

2. Chemische Behandlung

Die chemische Behandlung ist ein essenzieller Schritt, um gelöste Verunreinigungen wie Schwermetalle oder Farbstoffe zu entfernen. Diese Verfahren ermöglichen eine gezielte Manipulation der chemischen Eigenschaften des Abwassers.

• Fällung und Flockung:
  Die chemische Fällung dient der Entfernung gelöster Schwermetalle und Farbstoffe aus dem Abwasser. Durch Zugabe von Fällungsmitteln wie Eisen- oder Aluminiumsalzen werden die Schadstoffe in unlösliche Verbindungen umgewandelt, die anschließend aus dem Wasser ausgeschieden werden können. Um die Partikelaggregation zu fördern, werden Flockungshilfsmittel eingesetzt, die die Bildung von größeren Flocken ermöglichen, welche leichter sedimentiert oder gefiltert werden können.

• Neutralisationsanlagen:
  Eine präzise pH-Regulierung ist erforderlich, um die Stabilität des Abwassers und die Wirksamkeit der nachfolgenden Behandlungsschritte zu gewährleisten. Durch die Zugabe von Säuren oder Basen wird der pH-Wert auf ein neutrales Niveau eingestellt, um chemische Reaktionen wie die Fällung zu optimieren und korrosive Eigenschaften des Abwassers zu minimieren.