Ontvetten in organisch milieu

Procesbeschrijving

Naast ontvetten in waterig milieu, kan men ook reinigen en ontvetten met organische oplosmiddelen. Ontvetten in organisch milieu is één van de mogelijke bewerkingen die worden toegepast als voorbehandeling voor het aanbrengen van een deklaag of als eindreiniging (zie tabel Overzicht klassieke reinigings- en voorbehandelingstechnieken voor een situering van ontvetten in organisch milieu t.o.v. andere reinigingsbewerkingen).

Het doel van het ontvetten in organisch milieu is om vuil in de vorm van olie, emulsies, vet, roet enz. die doorgaans afkomstig zijn van voorafgaande bewerkingen, te verwijderen.

Soorten oplosmiddelen

Er zijn ontzettend veel oplosmiddelen die voor ontvettingsopgaven in aanmerking komen of kunnen komen. Een mogelijke indeling is gebaseerd op de voornaamste chemische groep:

• koolwaterstoffen: KWS (moleculen opgebouwd uit enkel C- en H-atomen), deze worden op hun beurt ingedeeld in:
  • parafines of normaal-alkanen: rechte of onvertakte KWS;
  • iso-parafines of iso-alkanen: KWS met vertakkingen;
  • cyclische KWS of cyclo-alkanen: aanwezigheid van ringstructuur;
  • aromaten;
• gechloreerde KWS of CKWS (toevoeging van één of meer Cl-atomen); deze zijn op hun beurt een deelgroep van de gehalogeneerde KWS of X-KWS;
• zuurstofhoudende KWS of OKWS: moleculen met één of meer zuurstofhoudende groepen zoals ether-groep [ ‑O‑ ], estergroep [ ‑CO‑O‑ ], keton [ ‑CO‑ ], alcohol [ ‑OH ];
• multifunctionele: bevatten 2 groepen met verschillende eigenschappen.

Bij de keuze van solventen dient voldoende aandacht geschonken te worden aan:

• Het type vervuiling dat moet verwijderd worden:
  • Niet-polaire koolwaterstoffen (hydrofoob) bezitten een goed tot uitstekend oplossend vermogen voor niet-polaire vuilvrachten zoals oliën en vetten, maar een slecht reinigingsvermogen voor polaire vuilvrachten zoals partikels, spanen, stof. Deze laatste zijn goed oplosbaar in polaire waterige reinigers.
  • Het oplossend vermogen voor oliën en vetten neemt als volgt toe:   
  • Isoparafinen < cyclische KWS < aromatische KWS < gechloreerde KWS
• Het basismetaal: sommige metalen geven ongewenste reacties in contact met CKWS, bv.:
  • Gechloreerde oplosmiddelen (maar vooral trichlooretheen of TRI) ontbinden in contact met aluminium waarbij HCl gevormd wordt; ze worden zodoende best niet in contact gebracht met stukken die gemaakt zijn uit aluminium tenzij het solvent extra gestabiliseerd is en de samenstelling nauwgezet gevolgd wordt.
• De veiligheid:
  • bijna alle solventen hebben een dampdruk die hoger is dan de MAC-waarde; in de praktijk is een goede ventilatie of afzuiging dus nodig om te vermijden dat de solventconcentratie op de werkvloer te hoog wordt
  • OKWS en KWS zijn ontvlambaar en kunnen met lucht ontplofbare mengsels vormen; CKWS hebben geen vlampunt en er is geen explosierisico.

Gebruikte apparatuur

Onder invloed van de strengere milieuwetgeving (solventenrichtlijn 1999/13/EG, omgezet naar Vlarem II hoofdstuk 5.59, indeling van TRI als carcinogene stof met risicozin R45) wordt een verschuiving in de toegepaste apparatuur vastgesteld.

Volledig gesloten[1] systeem voor CKWS

Zodra een bedrijf CKWS systematisch of op een bepaalde schaalgrootte toepast voor reiniging, betekent dit in de praktijk het gebruik van CKWS in een volledig gesloten systeem. Dit is ingegeven door de eisen van Vlarem II hoofdstuk 5.59 voor gechloreerde oplosmiddelen met R40-zin nl. PER en DCM en voor stoffen met R45 zin nl. TRI). De huidige aangeboden installaties zijn standaard uitgerust met een reinigings­systeem voor de lucht die mogelijks de machine verlaat (regenereerbare actief koolfilter evt. een ingebouwde koelgroep). Een variant is het systeem met een zak.

Ook de aan- en afvoer van gechloreerde koolwaterstoffen en de tussentijdse manipulaties (vullen en ledigen van de installatie) moet volledig emissievrij gebeuren. Dit is op zich geen probleem met toepassing van een volledig gesloten opslag- en transportsysteem, die gebaseerd is op:

• aanvoer van vers solvent en afvoer in verschillende containers zodat vermenging uitgesloten is;
• containers die dubbelwandig zijn (m.a.w. minimalisatie van risico op bodemverontreiniging) en permanent gesloten (m.a.w. geen verdampingsverliezen uit de containers);
• het overbrengen van solvent in ontvetter, afvalsolvent uit ontvetter naar container en van container naar terugwinning door distillatie (intern of extern): via verpompen, zonder openen van de container. Deze is hiertoe uitgerust met speciale “droge” koppelstukken;
• bij interne terugwinning door distillatie: gebruik van “afvoercontainer” voor afvoer van de bodemfractie na distillatie, die bestaat uit vet, oliën en nog wat oplosmiddel.

Bij dergelijke volledig gesloten ontvettingsinstallaties, gecombineerd met een gesloten opslag- en transportsysteem, wordt een emissiereductie van minimaal 95 % bereikt t.o.v. de corresponderende klassieke dompel- of dampontvettingsinstallatie, uiteraard gepaard gaande met een analoog dalend verbruik aan CKWS. Dergelijke gesloten systemen bevatten doorgaans maar één reinigingskamer, waar de te reinigen substraten in geplaatst worden en waar ze dan worden gereinigd ofwel in het solvent zelf (dompelontvetten in het vloeibare solvent) ofwel in de damp van het solvent (dampontvetten).

De milieuprestaties van een volledig gesloten systeem variëren naargelang de toegepaste techniek. Voor een gelijke toepassing en gelijke sturing van het eindpunt van de ontvettingscyclus, kunnen de systemen als volgt gerangschikt worden voor de restemissie:

            systeem met zak < systeem met actief kool < systeem met diepkoeling

Welk systeem nodig is, hangt af van de reinigingsbehoefte van het bedrijf. Voor bedrijven met een grote reinigingsbehoefte moet effectief voldaan worden aan de grenswaarden voor diffuse en geleide emissie voor een R40 resp. een R45 stof. Dit kan enkel met de meest performante systemen (zaksysteem; evt. ook actief kool systeem of systeem met diepkoeling tot zeer lage temperatuur). Voor bedrijven met een gemiddelde reinigingsbehoefte is de doelstelling in de praktijk om het CKWS-verbruik met voldoende marge onder 1 ton/jaar te houden. Dit kan in veel gevallen ook met een minder performant gesloten systeem (dat toch nog steeds een emissiereductie van 90 % of meer bereikt t.o.v. een klassieke dompel- of dampontvetter).

Dampontvetten

Dampontvetten is een methode van solventreinigen waarbij het oplosmiddel continu wordt gezuiverd door destillatie. De koude, verontreinigende substraten worden in de damp van het kokende solvent gebracht, waardoor dit solvent als vloeistof op het substraat condenseert en bij het afvloeien de vuilvracht meeneemt

Het voordeel van dampontvetten is dat er voortdurend vers solvent met het substraat in aanraking komt, waardoor een zeer intensieve en hoog kwalitatieve ontvetting wordt verkregen. Na de behandeling zijn de voorwerpen droog en blijven er geen resten achter (vlekvrije droging).

Dampontvetten kan hetzij in een klassieke open dampontvetter uitgevoerd worden, hetzij in een volledig gesloten systeem. De normale uitvoeringsvorm van een klassieke open dampontvetter is een recipiënt waarin drie zones aanwezig zijn:

• in de onderste zone is het solvent in vloeibare vorm aanwezig; het wordt verwarmd tot kookpunt;
• de middelste zone is gevuld met nagenoeg zuivere solventdamp; deze is veel zwaarder dan lucht. Hierin gebeurt de eigenlijke dampontvetting;
• in de bovenste zone is de wand uitgerust met koelspiralen. Hierop wordt de solvent-damp die ontwijkt uit de middelste zone of van de stukken die de middelste zone verlaten, zoveel mogelijk terug gecondenseerd en teruggevoerd.

Figuur: Schematische voorstelling van klassieke open dampontvetter

In de klassieke open uitvoeringsvorm zijn er solventemissies door verdamping vanaf het gereinigde stuk op het moment dat het toestel verlaat en door diffuse verliezen vanuit de open dampontvetter naar de omgeving.

In een volledig gesloten systeem wordt de hele ontvettingskamer, nadat ze is afgesloten, met damp gevuld, zodat het dampontvettingsproces doorgaat. Nadat de reiniging is voltooid, wordt de kamer terug solventvrij gemaakt, waarna de stukken kunnen verwijderd worden.

Door de diffuse verliezen die inherent zijn aan een dampontvetter, wordt het toepassingsgebied van deze techniek door de invoering van Vlarem II hoofdstuk 5.59 in de praktijk grotendeels beperkt tot toepassingen met een verbruik van 1 ton per jaar of minder. Dit is een veel lager gebruik dan het typische verbruik van een dampontvetter (Ecolas, 2002a). Het toepassingsgebied van een dampontvetter is dus in de praktijk beperkt tot kleinschalige en occasionele toepassingen, doorgaans in bestaande installaties.

Dompelontvetten

De te reinigen substraten worden in een kamer geplaatst waar ze dan worden gereinigd in het solvent zelf. Hierbij is er dan ook de mogelijkheid tot ultrasone ondersteuning (bij een 10-tal kHz), wat aanzienlijk betere resultaten geeft.

Bij kleinschalige toepassingen gebeurt dit in een zeer eenvoudige opstelling, bestaand uit een met een deksel afsluitbaar recipiënt gevuld met solvent.

Figuur: Voorbeeld van een eenvoudige installatie voor dompelontvetten

Zoals reeds eerder gesteld, gebeurt het hele reinigingsproces, inclusief het droogproces, bij de moderne installaties vanaf enige schaalgrootte in een gesloten systeem. Alle materiaalkringlopen, en dus ook de droogluchtkringloop, vinden intern in de machine plaats waardoor deze geen afzuiging meer nodig heeft. De deur van de reinigingskamer gaat pas open als de solventdamp-concentratie lager is dan bijvoorbeeld 1 g/m³ (afgasreiniging met actieve koolfilter of met een zaksysteem).

Als alternatief voor CKWS worden naast waterige reinigers, ook nog niet-gechloreerde koolwaterstoffen gebruikt met als belangrijkste nadeel hun brandbaarheid. De installaties waarbij dergelijke KWS worden gebruikt zijn wat mechanische opbouw betreft zowat gelijkaardig aan deze geschikt voor CKWS, m.a.w. met de mogelijkheid tot dompelreinigen, dampreinigen, evt. een ingebouwde destillatie-eenheid, waarbij dit alles opgenomen is in een gesloten systeem. Wegens het gebruik van brandbare ontvetters wordt steeds onder vacuüm gewerkt zowel voor de ontvetting als bij het drogen.

Wenst men bij een normale druk (omgevingsdruk = 1013 mbar) te reinigen, moet beroep worden gedaan op een explosiebeveiligde installatie.

Manueel, met reinigingstafel

Deze techniek wordt typisch gebruikt bij kleinere en sterk verontreinigde onderdelen, bijvoorbeeld machineonderdelen in onderhoudswerkplaats of reiniging van stukken na een verspanende bewerking. De reiniging gebeurt met een borsteltje waarover continu oplosmiddel kan geleid worden. Het oplosmiddel en het verwijderd vuil worden vervolgens opgevangen en naar een recipiënt onder de reinigingstafel geleid. Hierin bezinken spanen, water, enz. ; het oplosmiddel wordt opnieuw ingezet. Na verloop van tijd wordt het recipiënt met oplosmiddel afgevoerd als afvalstof en vervangen door vers product.

Afhankelijk van de toepassing wordt gewerkt met klassieke min of meer vluchtige solventen of met oplosmiddelen op KWS-basis met een zeer lage dampspanning (indien het aanvaardbaar is dat een dunne KWS-film op het stuk achterblijft).

Milieuaspecten

Water

Bij een normale procesvoering verdampen alle solventen voorafgaand aan de volgende processtap en is er dus geen transfer naar (afval)water.

De organische reinigers kunnen oplosbaar zijn in water in concentraties die beduidend hoger liggen dan de milieukwaliteitsdoelstellingen.

Bij klassieke open dampontvetters ontstaat een kleine hoeveelheid condensvocht verzadigd met PER of TRI.

Bodem

Gechloreerde oplosmiddelen dringen gemakkelijk door niet-aangepaste inkuipingen en vloeren, en zorgen zodoende voor bodem- en grondwater­verontreiniging.

De verontreiniging geassocieerd met het (historisch) gebruik van gechloreerde oplosmiddelen in deze (en ook andere sectoren) is de 2^e meest voorkomende oorzaak van bodemverontreiniging in Vlaanderen na verontreiniging met KWS afkomstig van brandstofopslagtanks.

Lucht

De gebruikte stoffen zijn bijna allemaal vluchtig, behalve bij hoogkokende stoffen die gebruikt worden bij mechanisch verwijderen van oliën en vetten in o.a. onderhouds­werkplaatsen, maar die geen vet- of olievrij eindoppervlak opleveren.

In de praktijk verdampt > 80 % van de ingezette hoeveelheid solvent (Ecolas, 2002a). In 2000 bedroeg de Vlaamse solventemissie m.b.t. reinigen en ontvetten van metalen oppervlakken in totaal ca. 1576 ton/jaar. De afbakening van de betrokken bedrijven en toepassingen is +/- gelijkaardig als voor deze BBT-studie. Er wordt verwacht dat de emissie verder zal dalen tot 236 ton/jaar in 2010 (Ecolas, 2002a).  

Uit gesprekken met de betrokken sectoren (VOM, SIRRIS, Agoria), blijkt dat deze trend zich effectief doorzet.           

Deze dalende trend wordt ook bevestigd door VMM. Deze gebruikt een andere techniek om de emissies te schatten. Het VMM-cijfer slaat ook op alle toepassingen van reinigen en ontvetten van metalen stukken; dit is ruimer dan voor de BBT-studie Oppervlaktebehandeling van metalen en kunststoffen en omvat ook bv. reiniging in sectoren die hier zijn uitgesloten bv. garages en carrosserieherstel en het onderhoud van het machinepark in om het even welke sector. VMM rekent met een daling van de emissies van 3227 ton/jaar in 1999 naar 2060 ton/jaar in 2005. Tevens is er een verschuiving van CKWS naar niet gechloreerde.

OKWS en KWS zijn, samen met stikstofoxides en onder invloed van zonlicht, verantwoordelijk voor de vorming van ozon; CKWS hebben daarentegen geen bijdrage tot ozonsmog.

Freonen en andere solventen die de stratosferische ozonlaag aantasten, worden sinds eind jaren ’90 niet meer gebruikt.

Gefluoreerde koolwaterstoffen worden op kleine schaal in sommige niches als organische reiniger ingezet; deze zijn een extreem sterk broeikasgas.

Sommige solventen hebben speciale R-zinnen, bv.:

• glycolethers: R60 (kan de vruchtbaarheid schaden) - R61 (kan het ongeboren kind schaden);
• Trichloorethyleen: R45 (kan kanker veroorzaken).

Aromatenrijke white spirit (cellulosethinner) met een benzeengehalte dat van die aard is dat het preparaat als R45 wordt ingedeeld, wordt niet meer toegepast. Nieuwe toestellen bestemd voor reinigen met CKWS zijn ontworpen voor gebruik met PER of DCM; er worden nauwelijks of geen toestellen op de markt aangeboden die ontworpen zijn voor TRI. CKWS andere dan PER, TRI of DCM worden niet meer gebruikt.

Afval

Door ontvetten in organisch milieu ontstaat er ook afval, dat meestal een externe herwinning ondergaat. Daarnaast is er ook soms interne herwinning door distillatie. In dat geval wordt distillatieslib afgevoerd als afval.

Energie

Ontvetten gebeurt doorgaans bij kamertemperatuur. Dampontvetten en de ingebouwde distillatiestap in een aantal volledig gesloten ontvettingstoestellen vergen wat energie.