[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regenerieren einer Prozeßlösung,
die bei der chemisch-reduktiven Abscheidung von Metallschichten verwendet wird und
Hypophosphit sowie Orthophosphit enthält, bei welchem die Prozeßlösung einer mindestens
vier Kammern aufweisenden Elektrodialysezelle aufgegeben wird, die eine verdünnte
Säure enthaltende Anodenkammer mit einer darin befindlichen Anode, eine Kathodenkammer
mit einer darin befindlichen Kathode sowie zwei weitere, durch eine Anionenaustauscher-Membran
voneinander getrennte und zwischen diesen beiden Kammern angeordnete Kammern aufweist,
von denen eine erste Kammer durch eine Anionenaustauscher-Membran von der Kathodenkammer
getrennt ist, während eine zweite Kammer durch eine Kationenaustauschermembran von
der Anodenkammer getrennt ist, bei welchem die Prozeßlösung bei Durchführung des Verfahrens
der ersten Kammer aufgegeben wird, wodurch die in ihr enthaltenen Hypophosphit-Ionen
und Orthophosphit-Ionen elektrodialytisch in die zweite Kammer und gleichzeitig Hypophosphit-Ionen
aus der Kathodenkammer in die Prozeßlösung transportiert werden, und bei welchem regenerierte
Prozeßlösung entnommen und einer weiteren Verwendung zugeführt wird (DE-A-4 310 366
und US-A-5 419 821).
[0002] Bei der Oberflächenveredlung werden verstärkt Beschichtungsverfahren eingesetzt,
bei denen in einer wäßrigen Lösung enthaltene NE-Metallionen mittels chemischer Reduktion
auf Substratoberflächen aus Metall oder vorbehandeltem Kunststoff als NE-Metalle abgeschieden
werden. Beschichtungsmetalle sind beispielsweise Kupfer, Nickel, Silber und Gold.
Als Reduktionsmittel wird beispielsweise Hypophosphit verwendet. Da die chemisch-reduktive
Nickelabscheidung ein in der Praxis häufig verwendetes Verfahren ist, beziehen sich
die folgenden Ausführungen - stellvertretend für alle anderen verwendbaren Metalle
- auf Nickel.
[0003] Bei der chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel wird das Reduktionsmittel Hypophosphit
(H
2PO
2) verbraucht. Hingegen reichert sich das als Reaktionsprodukt gebildete oxidierte
Reduktionsmittel Orthophosphit (HPO
32-) in der Prozeßlösung an. Durch Nebenreaktionen, wie die Reduktion von Hypophosphit
zu elementarem Phosphor, der in die abgeschiedene Nickelschicht eingebaut wird, ergibt
sich ein Verbrauch von etwa 3 mol Hypophosphit pro mol abgeschiedenem Nickel. Das
hat zur Folge, dass die Hypophosphit-Konzentration in der Prozeßlösung abnimmt und
durch Zugabe von Ergänzungschemikalien wieder angehoben werden muß. Die Konzentration
an Orthophosphit dagegen steigt an.
[0004] Mit steigender Konzentration destabilisiert das Orthophosphit die Prozeßlösung. Das
führt zu einer rauhen, ungleichmäßigen Nickelabscheidung und zu Ausfällungen in der
Prozeßlösung. Daher kann die Prozeßlösung ab einer bestimmten Orthophosphit-Konzentration
(Störgrenzkonzentration) nicht mehr zur stromlosen Vernickelung eingesetzt werden.
Die nicht mehr nutzbare Prozeßlösung wird zum Teil verworfen und durch eine frische
Prozeßlösung ersetzt. Abgearbeitete Prozeßlösungen werden derzeit durch eine aufwendige
Neutralisationsfällung oder extern mit hohen Kosten entsorgt. Zur Verlängerung der
Nutzungsdauer der Prozeßlösung sind aus der Literatur Verfahren bekannt, bei denen
nur die störenden Komponenten zumindest teilweise aus der Prozeßlösung entfernt und
die verbrauchten Komponenten - Nickelionen und Reduktionsmittel - nachdosiert werden.
Trotzdem sind die Prozeßlösungen nach der Regeneration nur noch beschränkt einsatzfähig.
[0005] Bei dem bekannten Verfahren nach der eingangs erwähnten DE-A-4 310 366 wird zum Regenerieren
der Prozeßlösung eine Elektrodialysezelle eingesetzt. Die Reduktion des bei der stromlosen
Metallabscheidung gebildeten Orthophosphits soll im Kathodenraum der Elektrodialysezelle
erfolgen. Wie die Praxis gezeigt hat, kann das Orthophosphit mit diesem Verfahren
jedoch nicht kathodisch zu Hypophosphit reduziert werden, da sich im Regenerierkreislauf
kontinuierlich Orthophosphit anreichert, bis die Störgrenzkonzentration der Prozeßlösung
erreicht wird. Damit kann kein Orthophosphit mehr aus der abgearbeiteten Prozeßlösung
entfernt werden. Erst nach einem Verwurf der Regenerierlösung und dem Einsatz einer
frischen, orthophosphitfreien Regenerierlösung, wäre dieses Verfahren kurzzeitig -
bis zur erneuten Einstellung des Gleichgewichts - wieder einsatzfähig.
[0006] Gemäß der ebenfalls eingangs erwähnten US-A-5 419 821 werden daher dem Regenerierkreislauf
zur Entfernung des Orthophosphits Magnesium- oder Calciumhydroxid zugesetzt, um das
Orthophosphit in Form von schwerlöslichen Salzen aus dem Regenerierkreislauf zu entfernen.
Die durch den Abscheidevorgang verbrauchten Chemikalien (Nickelionen und Reduktionsmittel)
sollen in Form von Nickelsulfat (Zugabe in die Prozeßlösung) und Phosphinsäure (Zugabe
in den Katholyten) zugeführt werden, wobei das Sulfat durch Zusatz von Bariumhydroxid
in den Katholyten als Bariumsulfat wieder ausgekreist werden soll. Durch den erforderlichen
Verwurf der Regenerierlösung oder die Ausfällung des Orthophosphits in Form von schwerlöslichen
Erdalkalisalzen werden durch die beiden beschriebenen Verfahren ein hoher Chemikalienbedarf
und ein hohes Abfallaufkommen verursacht.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so
weiterzubilden, daß das störende Orthophosphit auf einfache Weise aus der Prozeßlösung
enfernt werden kann, so daß eine längere Nutzungsdauer derselben erreichbar ist.
[0008] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das in der zweiten Kammer
durch Zutritt von Protonen aus der Anodenkammer gebildete Säuregemisch einem in der
Hypophosphit-Beladung befindlichen, schwachbasischen Anionenaustauscher zugeführt
wird, der mit seinem Auslaß an die Kathodenkammer angeschlossen ist.
[0009] Bei diesem Verfahren werden Elektrodialyse und Ionenaustausch in einfacher Arbeitsweise
kombiniert, und zwar derart vorteilhaft, daß das Hypophosphit stöchiometrisch wieder
in die Prozeßlösung eingeschleust werden kann, wodurch dieselbe voll funktionsfähig
erhalten bleibt. Durch die Elektrodialyse wird das Orthophosphit in eine mineralsaure
Lösung überführt, aus der es mittels des schwachbasischen Anionenaustauschers entfernt
werden kann. Die Hypophosphit enthaltende, aus dem Ionenaustauscher austretende Lösung
wird dem Kathodenraum der Elektrolysezelle aufgegeben, von wo es ohne störende Fremdionen
elektrodialytisch durch die Anionentauscher-Membran in die Prozeßlösung zurückgeführt
wird. Die von Orthophosphit abgereicherte Prozeßlösung kann dann direkt dem Verfahren
zur chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel zugeführt werden. Die Stabilität und
die Funktionsfähigkeit der regenerierten Prozeßlösung sind durch äquimolaren Austausch
von Orthophosphit gegen Hypophosphit gewährleistet.
[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
[0011] Das Verfahren nach der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen
erläutert.
[0012] Es zeigen:
Fig. 1 eine für das Verfahren nach der Erfindung verwendbare Anordnung in schematischer
Darstellung.
Fig. 2 und 3 zwei unterschiedliche, gegenüber Fig. 1 ergänzte Ausführungsformen der
Anordnung.
Fig. 4 bis 6 gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsformen der Anordnung.
[0013] Die in Fig. 1 dargestellte Elektrodialysezelle EZ besteht aus vier Kammern. Das sind
eine Anodenkammer (1) mit der darin befindlichen Anode (2), die Kathodenkammer (3)
mit der darin befindlichen Kathode (4) sowie zwei weitere Kammern, eine erste Kammer
(5) und eine zweite Kammer (6), die sich zwischen der Anodenkammer (1) und der Kathodenkammer
(3) befinden. Die Anode (2) besteht in unlöslicher Ausführung beispielsweise aus Stahl
oder aus platiniertem Titan-Streckmetall. Die Anodenkammer (1) enthält eine verdünnte
Säure, vorzugsweise Schwefelsäure. Die Kathode (4) besteht beispielsweise aus Kupfer
oder Stahl.
[0014] Die erste Kammer (5) ist vom Kathodenraum (3) durch eine Anionenaustauscher-Membran
(AM 1) und von der zweiten Kammer (6) durch eine Anionenaustauscher-Membran (AM 2)
getrennt. Zwischen der zweiten Kammer (6) und dem Anodenraum (1) befindet sich eine
Kationenaustauscher-Membran (KM 1). An die zweite Kammer (6) ist ein schwachbasischer
Anionenaustauscher (T 1) angeschlossen, der sich zu Beginn des Verfahrens ganz oder
teilweise in der Hypophosphit-Beladung befindet. Der Auslaß des Anionenaustauschers
(T 1) ist mit der Kathodenkammer (3) verbunden.
[0015] Das Verfahren nach der Erfindung arbeitet mit einer Anordnung nach Fig. 1 beispielsweise
wie folgt:
[0016] Die zu regenerierende Prozeßlösung (PL) wird in die erste Kammer (5) der Elektrodialysezelle
(EZ) geleitet. Die in der Prozeßlösung (PL) enthaltenen Hypophosphit- und Orthophosphit-Ionen
treten durch die Anionenaustauscher-Membran (AM 2) hindurch und gelangen in die zweite
Kammer (6), die von der Kationenaustauscher-Membran (KM 1) zur Anode (2) begrenzt
ist und in der sich eine verdünnte Säure befindet. Aus der Anodenkammer (1) gelangen
Protonen, die durch Wasserzersetzung an der Anode (2) gebildet werden, in die zweite
Kammer (6). Sie bilden zusammen mit dem elektrodialytisch transportierten Anionen
Hypophosphit und Orthophosphit die freien Säuren Hypophosphorsäure (Phosphinsäure,
H
3PO
2) und Phosphorige Säure (Phosphonsäure, H
3PO
3). Durch die Kationenaustauscher-Membran (KM 1) werden diese Anionen am Übertritt
in die eine verdünnte Säure enthaltende Anodenkammer (1) gehindert. Die Säuremischung
von Phosphinsäure und Phosphonsäure wird über den schwachbasischen Anionenaustauscher
(T 1) geleitet, der sich in der Hypophosphit-Beladung befindet.
[0017] Der Anionenaustauscher (T 1) bindet die Orthophosphit-Ionen und gibt die Hypophosphit-Ionen
in die Lösung ab. Die noch in der Lösung befindlichen Hypophosphit-Ionen werden vom
Anionenaustauscher (T 1) nicht gebunden. Der Ablauf des Anionenaustauschers (T 1)
wird in die Kathodenkammer (3) der Elektrodialysezelle (EZ) geleitet. Von dort werden
die Hypophosphit-Ionen elektrodialytisch durch die Anionenaustauscher-Membran (AM
1) in die Prozeßlösung (PL) transportiert. Sobald die Kapazität des Anionenaustauschers
(T 1) erschöpft ist, wird er beispielsweise mit Natronlauge regeneriert. Das Regenerat
(R) des Anionenaustauschers (T 1) enthält das gesamte Orthophosphit, das während des
Verfahrensablaufs gebunden wurde. Für den erneuten Einsatz wird der Anionenaustauscher
(T 1) wieder in die Hypophosphit-Beladung überführt.
[0018] Durch eine durch den Pfeil (P 1) angedeutete Verbindung der Kathodenkammer (3) mit
der zweiten Kammer (6), die durch die Anionenaustauscher-Membran (AM 2) und die Kationenaustauscher-Membran
(KM 1) begrenzt ist, kann ein Regenerierkreislauf eingerichtet werden. Während des
Verfahrensablaufs kann zur Nachdosierung von verbrauchtem Nickel beispielsweise Nickelhypophosphit
verwendet werden, das gemäß dem Pfeil (P 2) in die erste Kammer (5), also in die Prozeßlösung
(PL) gegeben wird.
[0019] Zur Erhöhung des Durchsatzes kann die Elektrodialysezelle (EZ) durch weitere Kammern
ergänzt werden. Das können gemäß
Fig. 2 drei zusätzliche Kammern (7, 8 und 9) sein, die zwischen der ersten Kammer (5) und
der Kathodenkammer (3) angeordnet werden. Die Kammer (7) hat darin eine kombinierte
Funktion von Anodenkammer (1) einerseits (Abgabe von Protonen) und Kathodenraum (3)
andererseits (Transport von Hypophosphit in die Prozeßlösung (PL)). Sie ist von der
ersten Kammer (5) durch eine Anionenaustauscher-Membran (AM 3) und von der Kammer
(8) durch eine Kationenaustauscher-Membran (KM 2) getrennt, die funktionsmäßig der
zweiten Kammer (6) entspricht. Analog dazu entspricht die Kammer (9) funktionsmäßig
der ersten Kammer (5). Sie ist von der Kammer (8) durch eine Anionenaustauscher-Membran
(AM 4) und von der Kathodenkammer (3) durch die Anionenaustauscher-Membran (AM 1)
getrennt.
[0020] Die Prozeßlösung (PL) wird sowohl der ersten Kammer (5) als auch der Kammer (9) aufgegeben.
Das Säuregemisch der zweiten Kammer (6) und der Kammer (8) gelangt in den Anionenaustauscher
(T 1). Die Hypophosphit enthaltende Lösung wird in die Kathodenkammer (3) und in die
Kammer (7) geleitet. Auch hier kann ein Regenerierkreislauf eingerichtet sein (Pfeil
P 1) und es kann Nickel nachdosiert werden (Pfeile P 2).
[0021] Bei der Ausführungsform der Anordnung nach
Fig. 3 ist zusätzlich ein schwachsaurer Kationenaustauscher (T 2) vorhanden, der mit seinem
Einlaß mit dem Auslaß des Anionenaustauschers (T 1) verbunden ist und mit seinem Auslaß
in die erste Kammer (5) mündet. Bei dieser Ausführungsform ist berücksichtigt, daß
die zu regenerierende Prozeßlösung (PL) an Nickel verarmt ist, da durch den chemisch-reduktiven
Abscheideprozeß Nickelionen verbraucht werden. Durch den Einsatz des Kationenaustauschers
(T 2), der mit Nickel beladen ist, ist es möglich, Nickel ohne störende Fremdionen
in die Prozeßlösung (PL) einzuführen. Das Verfahren läuft bei der Anordnung nach Fig.
3 grundsätzlich genauso ab, wie bei der nach Fig. 1. Es wird hier nur ein Teilstrom
der aus dem Anionenaustauscher (T 1) austretenden Lösung abgezweigt und über den Kationenaustauscher
(T 2) geführt. Dieser Teilstrom der Lösung entlädt den in der Nickelform befindlichen
Kationenaustauscher (T 2). Er wird direkt in die Prozeßlösung (PL) geleitet. Auf diese
Weise werden der Prozeßlösung (PL) Nickelionen ohne störendes Anion wieder zugeführt.
Nachdem das Nickel vollständig vom Kationenaustauscher (T 2) entfernt wurde, wird
derselbe mit Natronlauge in die Natrium-Form überführt und wieder mit Nickelionen
beladen.
[0022] Bei den Ausführungsformen der Anordnung nach den Fig. 4 bis 6 ist berücksichtigt,
daß der Anodenprozeß genutzt werden kann, um die bei der stromlosen Nickelabscheidung
verbrauchten Nickelionen nachzudosieren.
[0023] Die Elektrodialysezelle (EZ) nach
Fig. 4 ist gegenüber der nach Fig. 1 um eine weitere Kammer (10) ergänzt, die zwischen der
Anodenkammer (1) und der zweiten Kammer (6) angeordnet ist. Sie ist von der zweiten
Kammer (6) durch eine Kationenaustauscher-Membran (KM 3) getrennt, die nur für einwertige
Kationen durchlässig ist. Als Anode (2) wird hier eine Nickelanode verwendet. Während
des Verfahrens wird Nickel anodisch aufgelöst. Es gelangt elektrodialytisch in die
Prozeßlösung (PL). Die Prozeßlösung (PL) wird in die von der Kationenaustauscher-Membran
(KM 1) und der Kationenaustauscher-Membran (KM 3) begrenzten Kammer (1) eingeleitet.
Die nur für einwertige Kationen durchlässige Kationenaustauscher-Membran (KM 3) ist
erforderlich, damit keine Nickelionen in den Regenerierkreislauf zur Entfernung des
Orthophophits transportiert werden.
[0024] Aus der Anodenkammer (1) wandern Nickelionen in die Prozeßlösung (PL). Sie gleichen
das Defizit an Nickelionen aus, das durch die stromlose Nickelabscheidung entstanden
ist. Gleichzeitig wandert eine äquivalente Menge an Protonen durch die Kationenaustauscher-Membran
(KM 3) aus der Kammer (10) in die zweite Kammer 86). Dadurch wird die bei der chemisch-reduktiven
Nickelabscheidung gebildete Säuremenge wieder aus der Prozeßlösung (PL) entfernt.
Die mit Nickelionen angereicherte Prozeßlösung (PL) wird anschließend entsprechend
dem Pfeil (P3) in die erste Kammer (5) geleitet, die von der Anionenaustauscher-Membran
(AM 2) und der Anionenaustauscher-Membran (AM 1) begrenzt ist. Angetrieben durch das
elektrische Feld, wandern die Anionen (Hypophosphit und Orthophosphit) aus der ersten
Kammer (5) in die zweite Kammer (6) und bilden dort zusammen mit den Protonen, die
zuvor aus der Anodenkammer (1) und der weiteren Kammer (10) elektrodialytisch in die
zweite Kammer (6) transportiert wurden, die entsprechenden freien Säuren. Der weitere
Verfahrensablauf entspricht dem für Fig. 1 beschriebenen Vefahrensablauf. Die Nickelanode
muß hier nach Verbrauch des Nickels ausgewechselt werden.
[0025] Gemäß
Fig. 5 kann die anodische Nickelauflösung auch extern erfolgen. Die Nickelionen werden dann
der Anodenkammer (1) aufgegeben. Das ist durch den Pfeil (P4) angedeutet. Es kann
dann weiter eine beispielsweise aus Stahl oder aus platiniertem Titan-Streckmetall
bestehende Anode (2) verwendet werden, so daß kein Anodenwechsel erforderlich ist.
Der Aufbau der Elektrodialysezelle (EZ) nach Fig. 5 ist sonst identisch mit dem der
Elektrodialysezelle (EZ) nach Fig. 4. Das gilt auch für den Verfahrensablauf.
[0026] Zur verbesserten Regelung der Nickelionenkonzentration und des pH-Wertes der Prozeßlösung
(PL) kann dieselbe gemäß
Fig. 6 der Kammer (10) auch nur in einem Teilstrom (TL) aufgegeben werden. Der aus der Kammer
(10) austretende, mit Nickel angereicherte Teilstrom der Prozeßlösung (PL) wird mit
der aus der ersten Kammer (5) austretenden, der weiteren Verwendung zuzuführenden
Prozeßlösung (PL) vereinigt.
1. Verfahren zum Regenerieren einer Prozeßlösung, die bei der chemischreduktiven Abscheidung
von Metallschichten verwendet wird und Hypophosphit sowie Orthophosphit enthält, bei
welchem die Prozeßlösung einer mindestens vier Kammern aufweisenden Elektrodialysezelle
aufgegeben wird, die eine verdünnte Säure enthaltende Anodenkammer mit einer darin
befindlichen Anode, eine Kathodenkammer mit einer darin befindlichen Kathode sowie
zwei weitere, durch eine Anionenaustauscher-Membran voneinander getrennte und zwischen
diesen beiden Kammern angeordnete Kammern aufweist, von denen eine erste Kammer durch
eine Anionenaustauscher-Membran von der Kathodenkammer getrennt ist, während eine
zweite Kammer durch eine Kationenaustauschermembran von der Anodenkammer getrennt
ist, bei welchem die Prozeßlösung bei Durchführung des Verfahrens der ersten Kammer
aufgegeben wird, wodurch die in ihr enthaltenen Hypophosphit-Ionen und Orthophosphit-Ionen
elektrodialytisch in die zweite Kammer und gleichzeitig Hypophosphit-Ionen aus der
Kathodenkammer in die Prozeßlösung transportiert werden, und bei welchem regenerierte
Prozeßlösung entnommen und einer weiteren Verwendung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das in der zweiten Kammer (6) durch Zutritt von Protonen aus der Anodenkammer
(1) gebildete Säuregemisch einem in der Hypophosphit-Beladung befindlichen, schwachbasischen
Anionenaustauscher (T 1) zugeführt wird, der mit seinem Auslaß an die Kathodenkammer
(3) angeschlossen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der aus dem schwachbasischen
Anionenaustauscher (T 1) austretenden Lösung über einen schwachsauren Kationenaustauscher
(T 2) in die erste Kammer (5) der Elektrodialysezelle (EZ) geleitet wird, der mit
Ionen des Beschichtungsmetalls vorbeladen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Verbindung
(P 1) der Kathodenkammer (3) mit der zweiten Kammer (6) ein Regenerierkreislauf gebildet
wird.
4. Verfahren nach einem der Anspprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Beschichtungsmetall
zu dessen Nachdosierung der ersten Kammer (5) aufgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anodenkammer
(1) und zweiter Kammer (6) eine weitere, von der zweiten Kammer (6) durch eine Kationenaustauscher-Membran
(KM 3) getrennte Kammer (10) angeordnet wird, in welche aus der Anodenkammer (1) austretende
Ionen des Beschichtungsmetalls eingeleitet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßlösung (PL) der weiteren
Kammer (10) aufgegeben und von dort der ersten Kammer (5) zugeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom (TL) der Prozeßlösung
(PL) durch die weitere Kammer (10) geleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine unlösliche
Anode (2) eingesetzt wird, die vorzugsweise aus Stahl oder platiniertem Titan-Streckmetall
besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenkammer
(2) Ionen des Beschichtungsmetalls zugeführt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine lösliche,
aus dem Beschichtungsmetall bestehende Anode (2) verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodialysezelle
(EZ) mit einer Mehrfachanordnung der Kammern eingesetzt wird.