Sprühnebelinhibitoren für basische Elektrolysebäder

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von Sprühnebelinhibitoren in basischen Elektrolyse-Bad-Prozessen.

[0002] Bei vielen elektrolytischen Bad-Prozessen entstehen Gase. Teilweise werden diese Gase als gewünschte Reaktionsprodukte an den Elektroden gebildet. In anderen Fällen laufen die Elektrolyseprozesse aufgrund von Überspannung nicht mit vollständiger Stromausbeute ab, wodurch es zur Bildung von Gasen als Nebenprodukte kommt. So findet beispielsweise in wäßrigen Prozessen als Konkurrenzreaktion häufig die Elektrolyse von Wasser statt, die als Produkte Sauerstoff und Wasserstoff liefert.

[0003] Die entstandenen Gase steigen schnell als Blasen an die Oberfläche des Elektrolyten, wo sie zerplatzen. Dabei kollabieren die Blasenwände und bilden einen Stachel, einen sogenannten "Jet", der aus der Flüssigkeitsoberfläche herausschießt. Dieser "Jet" zerfällt schnell in Einzeltröpfchen, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 m/s in die Atmosphäre geschleudert werden. Dieser Vorgang ist die Ursache für die Bildung von Sprühnebeln.

[0004] Durch Zugabe eines Tensides wird die Oberflächenspannung im Elektrolyten von ca. 70 mN/m auf weniger als 40 mN/m abgesenkt. Aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit werden insbesondere Fluortenside eingesetzt. Bei den eingesetzten Verbindungen handelt es sich beispielsweise um Perfluoralkylsulfonate (H. Niederprüm, Seifen Öle Fette Wachse (1978) 429-432; J. N. Meußdoerffer, H. Niederprüm, Chemikerzeitung 104 (1980) 45-52; H. G. Klein, J. N. Meußdoerffer, H. Niederprüm, M. Wechsberg, Tenside Sufactants Detergents 15 (1978) 2-6), wie z.B.

        [C₈F₁₇SO₃]K



        [C₈F₁₇SO₃][N(C₂H₅)₄].

Die Herabsetzung der Oberflächenspannung bewirkt, daß die aufsteigenden Gasblasen sehr klein werden und langsamer als große Blasen aufsteigen. Je langsamer die Blasen aufsteigen, desto geringer ist ihre kinetische Energie. Die beim Platzen der Blasenwandungen freiwerdende Energie wird mit sinkender Oberflächenspannung ebenfalls sehr viel geringer; die "Jet"-Bildung wird praktisch verhindert. Falls dennoch "Jets" entstehen, sind sie so energiearm, daß die sich daraus bildenden Tröpfchen in der Regel auf die Badoberfläche zurückfallen.

[0005] Die Zugabe des Tensides bewirkt, daß die Atmosphäre, insbesondere unmittelbar am Arbeitsplatz, sauber bleibt, die Abgasreinigungsanlagen deutlich entlastet werden, die Absaugleistung reduziert werden kann und vor allem die Ausschleppverluste an Elektrolyt verringert werden.

[0006] Die bisher verwendeten Fluortenside (E. Kissa, Fluorinates Sufactants: Synthesis-Properties-Applications, Surfactant Science Series 50 (1994) 332) verhindern Sprühnebel nur in sauren Elektrolyse-Bad-Prozessen (z.B. elektrolytische Verchromung). In basischen Elektrolysebädern, wie beispielsweise

• Metallisierungsbädern (z.B. basische Verzinkung)
• Entmetallisierungsbädern (z.B. basische Entchromung)
• Brünierbädern
• Entfettungsbädern

versagen die bekannten Verbindungen.

[0007] Aufgabe war es daher, einen Sprühnebelinhibitor für basische Elektrolyse-Bad-Prozesse zur Verfügung zu stellen, der auch unter erhöhten Temperaturbedingungen in stark basischen Medien funktioniert.

[0008] Diese Aufgabe konnte durch das Bereitstellen von Perfluoralkylsulfonamiden als Sprühnebelinhibitoren für basische Elektrolysebäder gelöst werden.

[0009] Überraschenderweise verhindern die erfindungsgemäß eingesetzten Perfluoralkylsulfonamide die Bildung von Sprühnebeln, ohne daß sie bei höheren Temperaturen im basischen Elektrolyten zersetzt werden.

[0010] Gegenstand der Erfindung sind Sprühnebelinhibitoren für basische Elektrolysebäder bestehend aus alkylsubstituierten Perfluoralkylsulfonamiden folgender Formel (I)

        R_FSO₂NHCH₃     (I)

wobei

R_F

einen Perfluoralkylrest mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen,

die in einer Menge von 50 bis 250 mg pro Liter basischer Elektrolyt eingesetzt werden.

[0011] Bevorzugt handelt es sich bei den Verbindungen der Formel (I) um alkylsubstituierte Perfluoralkylsulfonamide, in denen R_F einen Perfluoralkylrest mit 6 bis 8 Kohlenstoffatomen darstellt.

[0012] Die Sprühnebelinhibitoren werden vorzugsweise in einer Menge von 100 bis 200 mg pro Liter basischer Elektrolyt eingesetzt.

[0013] Die Herstellung der alkylsubstituierten Perfluoralkylsulfonamide ist in der Literatur (E. Kissa, Fluorinates Sufactants: Synthesis-Properties-Applications, Surfactant Science Series 50 (1994) 56) ausführlich beschrieben.

[0014] Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert werden.

Beispiele

[0015] Sämtliche Oberflächenspannungen wurden mit einem Ring-Tensiometer der Firma Lauda (Typ TE 1C) gemessen.

Beispiel 1

[0016] In einem Becherglas (V = 1000 ml) werden 700 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 20 Gew.-% Natriumhydroxid) mit 70 mg N-Methyl-perfluoroctylsulfonamid versetzt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 22 mN/m.

[0017] Die Lösung wird elektrolysiert (Kathode: Stahlblech, Anode: Stahlzylinder mit ca. 100 µm dicker Chromschicht, Stromdichte: 15 A/dm², Temperatur T = 30°C).

[0018] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

keine Färbung

Nach 40 Minuten:

keine Färbung.

[0019] Es treten keine Sprühnebel auf.

Beispiel 2

[0020] In einem Becherglas (V = 1000 ml) werden 700 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 20 Gew.-% Natriumhydroxid) mit 70 mg N-Methyl-perfluoroctylsulfonamid versetzt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 22 mN/m.

[0021] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech, Anode: Stahlzylinder mit ca. 100 µm dicker Chromschicht, Stromdichte: 15 A/dm², Temperatur T = 55°C).

[0022] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

keine Färbung

Nach 40 Minuten:

keine Färbung.

[0023] Es treten keine Sprühnebel auf.

Beispiel 3

[0024] In einem Becherglas (V = 1000 ml) werden 700 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 20 Gew.-% Natriumhydroxid) mit 70 mg N-Methyl-perfluoroctylsulfonamid versetzt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 22 mN/m.

[0025] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech, Anode: Stahlzylinder mit ca. 100 µm dicker Chromschicht, Stromdichte: 15 A/dm², Temperatur T = 90°C).

[0026] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

keine Färbung

Nach 40 Minuten:

keine Färbung.

[0027] Es treten keine Sprühnebel auf.

Beispiel 4

[0028] In einem Becherglas (V = 1000 ml) werden 700 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 20 Gew.-% Natriumhydroxid) mit 140 mg N-Methyl-perfluorbutylsulfonamid versetzt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 33 mN/m.

[0029] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech, Anode: Stahlzylinder mit ca. 100 µm dicker Chromschicht, Stromdichte: 15 A/dm², Temperatur T = 30°C).

[0030] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

keine Färbung

Nach 40 Minuten:

keine Färbung.

[0031] Es treten keine Sprühnebel auf.

Beispiel 5

[0032] In einem Becherglas (V = 1000 ml) werden 700 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 20 Gew.-% Natriumhydroxid) mit 70 mg N-Methyl-perfluorhexylsulfonamid versetzt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 18 mN/m.

[0033] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech, Anode: Stahlzylinder mit ca. 100 µm dicker Chromschicht, Stromdichte: 15 A/dm², Temperatur T = 55°C).

[0034] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

keine Färbung

Nach 40 Minuten:

keine Färbung.

[0035] Es treten keine Sprühnebel auf.

Beispiel 6

[0036] In einem Becherglas (V = 1000 ml) werden 900 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 15 Gew.-% Natriumhydroxid) mit 100 mg N-Methyl-perfluoroctylsulfonamid versetzt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 17 mN/m.

[0037] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech 0,45 dm², Anode: Stahblech 0,45 dm², Stromdichte: 10 A/dm², Temperatur T = 55°C).

[0038] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

keine Färbung

Nach 40 Minuten:

keine Färbung.

[0039] Es treten keine Sprühnebel auf.

Vergleichsbeispiel 7

[0040] In ein Becherglas (V = 1000 ml) werden 700 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 20 Gew.-% Natriumhydroxid) gefüllt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 55 mN/m.

[0041] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech, Anode: Stahlzylinder mit ca. 100 µm dicker Chromschicht, Stromdichte: 15 A/dm², Temperatur T = 30°C).

[0042] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

Rosa-Färbung

Nach 40 Minuten:

Rosa-Färbung.

[0043] Es treten starke Sprühnebel auf.

Vergleichsbeispiel 8

[0044] In einem Becherglas (V = 1000 ml) werden 700 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 20 Gew.-% Natriumhydroxid) mit 200 g Tetraethylammoniumperfluoroctansulfonat versetzt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 21 mN/m.

[0045] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech, Anode: Stahlzylinder mit ca. 100 µm dicker Chromschicht, Stromdichte: 15 A/dm², Temperatur T = 30°C).

[0046] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

Rosa-Färbung

Nach 40 Minuten:

Rosa-Färbung.

[0047] Es treten starke Sprühnebel auf.

Vergleichsbeispiel 9

[0048] In ein Becherglas (V = 1000 ml) werden 900 ml wäßrige Natriumhydroxidlösung (Gehalt: 15 Gew.-% Natriumhydroxid) gefüllt. Die Oberflächenspannung dieser Lösung (T = 55°C) beträgt 59 mN/m.

[0049] Die Lösung wird elektolysiert (Kathode: Stahlblech 0,45 dm², Anode: Stahlblech 0,45 dm², Stromdichte: 10 A/dm², Temperatur T = 55°C).

[0050] Ca. alle 20 Minuten hält man im Abstand von ca. 5 cm ein mit Phenolphthalein getränktes Filterpapier ca. 2 Minuten über das Elektrolysebad.

Nach 20 Minuten:

Rosa-Färbung

Nach 40 Minuten:

Rosa-Färbung.

[0051] Es treten Sprühnebel auf.

Ansprüche

1. Sprühnebelinhibitoren für basische Elektrolysebäder bestehend aus alkylsubstituierten Perfluoralkylsulfonamiden folgender Formel (I)

        R_FSO₂NHCH₃     (I)

wobei

R_F   einen Perfluoralkylrest mit 4 bis 10 Kohlenstoffatomen,

die in einer Menge von 50 bis 250 mg pro Liter basischer Elektrolyt eingesetzt werden.

2. Sprühnebelinhibitoren gemäß Anspruch 1, die in einer Menge von 100 bis 200 mg pro Liter basischer Elektrolyt eingesetzt werden.

3. Sprühnebelinhibitoren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei denen der Rest R_F einen Perfluoralkylrest mit 6 bis 8 Kohlenstoffatomen darstellt.