Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG XI MẠ VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TRONG NGÀNH SẢN XUẤT XI MẠ

Trong sản xuất xi mạ cần quan tâm đến 2 vật liệu chính đó là vật liệu nền và vật liệu mạ. Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại hoặc hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo, gốm sứ hoặc composit. Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là compoist của kim loại chất dẻo hoặc kim loại gốm… Tuy nhiên chọn vật liệu nền và mạ nào còn tùy thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ, vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành. Xu hướng chung là dùng vật liệu nền: rẻ, sẵn có; còn vật liệu mạ: đắt, quý hiếm hơn, nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài. Vận dụng nguyên lý bảo toàn vật chất ta có thể thấy đối với từng vật liệu đều có vật chất ban đầu nhất định ở trạng thái rắn, lỏng hay khí cộng với vật chất phụ gia thông qua quá trình trao đổi và chuyển hóa vật chất đã tạo nên sản phẩm mong muốn và đồng thời cũng không thể tránh khỏi việc thải bỏ chất thải ra môi trường. Báo cáo trình bày về các tác động đến môi trường và sức khỏe con người của ngành sản xuất xi mạ dựa trên nguyên lý bảo toàn vật chất.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN

Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG XI MẠ

VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TRONG NGÀNH

SẢN XUẤT XI MẠ

NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HV: NGUYỄN PHƯỚC HIẾU GVHD:PGS.TS VŨ CHÍ HIẾU

KHÓA HỌC: K27

TP Hồ Chí Minh – 2018

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu về ngành sản xuất xi mạ 1

1.1.1 Lịch sử phát triển 1

1.1.2 Ngành mạ trên thế giới 1

1.1.3 Ngành mạ tại Việt Nam 2

1.2 Khái quát về công nghệ xi mạ 3

1.2.1 Phân loại mạ 4

1.2.2 Công nghệ mạ điện 4

1.2.2.1 Khái niệm về công nghệ mạ điện 4

1.2.2.2 Nguyên tắc quá trình mạ điện 5

1.2.2.3 Thành phần dung dịch và chế độ mạ 7

1.2.2.4 Quy trình công nghệ mạ điện 9

1.2.2.5 Xử lý làm sạch bề mặt kim loại trước khi mạ 10

1.2.2.5.1 Gia công cơ học 11

1.2.2.5.2 Tẩy dầu mỡ trên chi tiết cần mạ: 12

1.2.2.5.3 Tẩy gỉ trên chi tiết cần mạ 14

1.2.2.5.4 Tẩy nhẹ chi tiết cần mạ 15

1.2.2.6 Mạ: 16

1.2.3 Công nghệ mạ hóa học không điện cực 18

1.2.3.1 Khái niệm về công nghệ mạ hóa học không điện cực 18

1.2.3.2 Cơ chế chung của phản ứng mạ hóa học 18

1.2.4 Rửa và nước rửa 19

CHƯƠNG 2: NHỮNG VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TRONG NGÀNH SẢN XUẤT XI MẠ 22

2.1 Các nguồn thải trong sản xuất xi mạ 23

2.1.1 Khí thải 23

2.1.1.1 Các nguồn khí thải 24

2.1.1.1.1 Quá trình xử lý bề mặt: 24

2.1.1.1.2 Quá trình mạ điện: 24

2.1.1.1.3 Khu vực lò hơi: 25

2.1.1.2 Đặc tính chung của khí thải công nghiệp mạ: 25

2.1.2 Nước thải: 27

2.1.2.1 Nguồn nước thải: 27

2.1.2.1.1 Nước thải từ quá trình làm sạch bề mặt vật liệu nền 28

2.1.2.1.2 Nước thải từ quá trình mạ: 29

2.1.2.1.3 Nước rửa chi tiết sau mạ 29

2.1.2.2 Đặc tính chung của nước thải công nghiệp mạ: 29

2.1.2.3 Hiện trạng nước thải mạ tại Việt Nam 33

2.1.3 Chất thải rắn: 35

2.1.3.1 Nguồn phát sinh chất thải rắn: 35

2.1.3.1.1 Công đoạn làm sạch bề mặt: 35

2.1.3.1.2 Công đoạn mạ điện: 35

2.1.3.1.3 Chất thải rắn sinh hoạt: chất thải nhà bếp, vãn phòng 36

2.1.3.2 Đặc tính chung của chất thải rắn: 36

2.1.4 Nhiệt độ và tiếng ồn: 36

2.2 Ảnh hưởng do chất ô nhiễm gây ra 37

2.2.1 Nước thải 37

2.2.1.1 Ảnh hưởng đến sức khỏe con người: 37

2.2.1.1.1 Crom và hợp chất của Crom: 37

2.2.1.1.2 Niken và hợp chất của Niken 38

2.2.1.1.3 Pb và các hợp chất cùa chì 38

2.2.1.1.4 Kẽm và hợp chất của kẽm 38

2.2.1.1.5 Đồng và các hợp chất của đồng 39

2.2.1.2 Ảnh hưởng ô nhiễm nước mặt và nước ngầm 39

2.2.1.3 Ảnh hưởng đến việc xử lý nước thải 40

2.2.2 Khí thải, bụi 40

2.2.3 Chất thải rắn 40

2.2.4 Tiếng ồn 40

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG 42

3.1 Kinh tế 42

3.2 Xã hội 43

3.3 Môi trường 44

3.3.1 Các giải pháp công nghệ 44

3.3.1.1 Phương pháp xử lý khí thải 44

3.3.1.1.1 Thông gió cho xưởng mạ: 44

3.3.1.1.2 Thiết kế để thông gỉó cho xưởng mạ: 45

3.3.1.1.3 Thông gió cho phòng máy mài và đánh bóng: 45

3.3.1.1.4 Thông gió cho phòng phun cát và phun bỉ kim loại 46

3.3.1.1.5 Hệ thống ổng thông gió: 46

3.3.1.2 Phương pháp xử lý nước thải 47

3.3.1.2.1 Công nghệ xử lý nước thải tại Việt Nam 47

3.3.1.2.2 Phương pháp kết tủa 48

3.3.1.2.3 Phương pháp hấp phụ 49

3.3.1.2.4 Phương pháp trao đổi ion 50

3.3.1.2.5 Phương pháp điện hóa: 52

3.3.1.2.5 Phương pháp sinh học 53

3.3.1.2.6 So sánh vè hiệu quả và giá thành các phương pháp xử lý nước thải 54

3.3.1.3 Phương pháp xử lý chất thải rắn 54

3.3.2 Giải pháp quản lý 55

3.3.2.1 Quy hoạch 55

3.3.2.2 Sản xuất sạch hơn trong mạ 55

3.3.2.2.1 Khái niệm 55

3.3.2.2.2 Các cơ hội sản xuất sạch hơn 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Phụ lục 1: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp 60

QCVN 40:2011/BTNMT 60

Ngành mạ ra đời và phát triển hàng trăm năm nay Phương pháp mạ điện được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1805 bởi nhà hóa học Luigi V Brugnatelli người Ý- tạo một lớp phủ bên ngoài kim loại khác Tuy nhiên lúc đó người ta không quan tâm lắm đến phát hiện của Luigi Brungnatelli mà mãi sau này, đến năm 1840, khi các nhà khoa học Anh đã phát minh ra phương pháp mạ vàng, mạ bạc với xúc tác kali xyanua và lần đầu tiên phương pháp mạ điện được đưa vào sản xuất với mục đích thương mại thì công nghiệp mạ chính thức phổ biến trên thế giới Sau đó là sự phát triển của các công nghệ

mạ khác như: mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, … Những năm 1940 của thế kỷ XX được coi

là bước ngoặc lớn đối với ngành mạ điện bởi sự ra đời của công nghiệp điện tử

Từ đó đến nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp hóa chất

và sự hiểu biết sâu rộng về lĩnh vực điện hóa, công nghiệp mạ điện cũng phát triển tới mức độ tinh vi Sự phát triển của công nghệ mạ điện đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển không chỉ của ngành cơ khí chế tạo mà còn của rất nhiều ngành công nghiệp khác

1.1.2 Ngành mạ trên thế giới

Các quốc gia trên thế giới, ngành mạ phát triển rất mạnh, đặc biệt là mạ điện kim loại, hầu hết ở các các Quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật, Đức, Pháp, Hà Lan… Xét riêng cho khu vực Đông Nam Á, sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, một loạt các cơ sở mạ điện quy mô vừa và nhỏ đã phát triển mạnh mẽ và hoạt động một cách độc lập Sự phát triển lớn mạnh của những cơ sở mạ điện quy mô nhỏ này là do nhu cầu đáp ứng việc nâng cao

chất lượng sản phẩm của ngành công nghiệp vừa và nhỏ Người ta nhận thấy rằng việc phủ một lớp kim loại bên ngoài sản phẩm nhằm tạo nên những tính chất đặc biệt cho sản phẩm trở nên đơn giản và kinh tế hơn nếu áp dụng phương pháp mạ điện Ví dụ ở Hồng Kông hiện nay đã có khoảng 770 cơ sở mạ điện đăng ký kinh doanh với nhà nước, riêng vùng Kowloon đã có hơn 450 cơ sở Theo hiệp hội Bảo vệ môi trường của Hồng Kông thì ngoài ra còn một số lượng lớn các cơ sở khác đang hoạt động không đăng ký

1.1.3 Ngành mạ tại Việt Nam

Theo kết quả điều tra, hiện nay ở Việt Nam có khoảng 187 nhà máy xi mạ quy mô khác nhau đang hoạt động Sự phân bố các nhà máy xi mạ được thể hiện theo hình 1.1

Hình 1.1 Phân bố nhà máy xi mạ ở Việt Nam

Dựa vào hình 1.1 ta thấy, các nhà máy xi mạ ở Việt Nam phân bố không đồng đều, chủ yếu tập trung tại 2 vùng kinh tế trọng điểm miền Bắc và miền Nam, trong đó 2 thành phố lớn của cả nước là Tp Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội và 2 tỉnh công nghiệp

là Bình Dương và Đồng Nai chiếm phần lớn số lượng nhà máy xi mạ của cả nước, tương ứng là 81, 42, 20 và 19 nhà máy, chiếm 86,6% số lượng nhà máy xi mạ của cả nước Các

81

42 20

nhà máy còn lại phân bố rãi rác ở các tỉnh như: Long An, Bắc Ninh, Hưng Yên, Bình Phước, Nam Định, Vĩnh Phúc, Bình Định, Hải Dương, Kiên Giang, Tây Ninh và Thái Nguyên Ngoài ra, ở nhiều nhà máy loại hình sản xuất chính không phải là xi mạ nhưng đây là một công đoạn nhỏ trong dây chuyền sản xuất Sự phân bố các nhà máy xi mạ tập trung tại 2 khu vực chính, thuận lợi cho việc quản lý các vấn đề ô nhiễm phát sinh từ các nhà máy này, tuy nhiên vấn đề ô nhiễm cũng sẽ ở mức độ cao hơn so với các khu vực ít tập trung các nhà máy xi mạ, nếu công tác quản lý các nguồn ô nhiễm nước thải xi mạ kém hiệu quả

Các nhà máy xi mạ đang hoạt động, tiến hành xi mạ nhiều loại kim loại khác nhau, trong đó chủ yếu là các kim loại: kẽm, crom, niken, đồng, thiếc nhôm và một số ít

xi mạ vàng

Hình 1.2 Thành phần các loại hình kim loại xi mạ phân chia theo nhà máy

Dựa vào hình 1.2 ta thấy, xi mạ kẽm là loại hình phổ biến nhất ở Việt Nam (44 nhà máy), sau đó là niken (39 nhà máy), crom (32 nhà máy) và đồng (27 nhà máy) Riêng ở

Tp Hồ Chí Minh (nơi tập trung các nhà máy xi mạ nhiều nhất cả nước) thì crom và đồng

là 2 loại hình phổ biến nhất (tương ứng là 24 và 22 nhà máy) Các loại hình xi mạ này quyết định đến thành phần kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác có trong nước thải xi

mạ

1.2 Khái quát về công nghệ xi mạ

44

39 32

27

10 15

4 10

Tp Hồ Chí Minh

Lớp dung dịch mạ được phủ lên bề mặt vật cần mạ bằng một vật thấm dung dịch

mạ giống như một cây chổi quét, đóng vai trò như cực dương Chi tiết cần mạ giữ vai trò là cực âm và quá trình được thực hiện bằng một dòng điện trực tiếp

1.2.2 Công nghệ mạ điện

1.2.2.1 Khái niệm về công nghệ mạ điện

Mạ điện là một quá trình kết tủa bằng điện để tạo thành một lớp phủ dày, đồng bộ

và bám chặt thường bằng kim loại hoặc hợp kim trên một bề mặt dưới tác dụng của dòng điện (Helen, 2006) Các lớp phủ tạo ra trên bề mặt thường nhằm mục đích mục đích trang trí, bảo vệ, hoặc nâng cao thuộc tính cụ thể của bề mặt Các bề mặt có thể là một chất dẫn điện chẳng hạn như kim loại, hoặc không dẫn điện như chất dẻo Sản phẩm xi mạ được sử dụng rộng rãi cho nhiều ngành công nghiệp, như ô tô, tàu, hàng không, máy móc, thiết bị điện tử, đồ trang sức, quốc phòng, và các ngành công nghiệp đồ chơi Phần cốt lõi của quá trình mạ điện là các tế bào điện phân (đơn vị xi mạ) Trong các tế bào điện phân một dòng điện đi qua một buồng có chứa chất điện phân, các anode và cathode

1.2.2.2 Nguyên tắc quá trình mạ điện

Toàn bộ quá trình mạ điện sử dụng một bể điện phân bao gồm vật cần mạ được gắn với cực âm (cathode), kim loại mạ gắn với cực dương (anode) của nguồn điện một chiều trong dung dịch điện phân (có thể là dung dịch muối kim loại cần mạ hoặc các acid loãng)

Hình 1.3 Tổng quát quá trình mạ điện

Tại cực dương (anode) xảy ra quá trình oxy hóa kim loại, giải phóng các ion kim loại vào dung dịch, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực

âm (cathode), tại đây các ion kim loại bị khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt

của vật được mạ Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ

Thực tế quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm nhiều giai đoạn nối tiếp Quá trình xảy ra tại Kathode gồm các bước sau:

• Cation hydrat hóa Mn+.mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt Kathode

• Cation mất vỏ hydrat (mH2O), vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt Kathode

• Điện tử (e) từ Kathode điền vào vành điện tử hóa trị của Cation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hòa ở dạng hấp thụ

• Các nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành tinh thể mới hoặc sẽ tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước Mầm phát triển thành tinh thể, tinh thể kết tủa thành lớp

mạ

Tốc độ chung của quá trình Kathode nhanh hay chậm là do tốc độ chậm nhất của một trong các bước trên quyết định Mọi trở ngại của các bước trên đều được thực hiện ở độ phân cực Kathode (quá thế Kathode ηc), tức là điện thế Kathode dịch về phía

âm hơn một lượng ηc so với cân bằng:

ηc = φcb – φ (1.1)

Trong đó:

φcb: điện thế cân bằng của Kathode (V)

φ: điện thế phân cực của Kathode (V)

Giữa phân cực Kathode (quá thế Kathode) và cấu trúc kết tủa (lớp mạ) có quan

hệ

chặt chẽ với nhau: phân cực Kathode càng lớn, tinh thể càng nhỏ mịn

Sự phân cực gây nên do tốc độ di chuyển của ion, gọi là sự phân cực nồng độ Sự phân cực nồng độ là do sự thay đổi nồng độ ion kim loại ở lớp sát anode và kathode Ở lớp sát anode nồng độ ion kim loại tăng lên, ở lớp sát kathode nồng độ ion kim loại giảm đi

Sự phân cực có quan hệ mật thiết với mạ và quyết định:

• Được lớp kết tinh mịn

• Khả năng phân bố tốt, lớp mạ đồng đều

• Làm Hydro thoát ra mạnh, làm giảm hiệu suất dòng điện và độ bám lớp mạ Khi nghiêm trọng có thể gây ra bọt khí, tróc

• Sự phân cực anode làm cho hòa tan không bình thường, dung dịch không ổn định

Nói chung, sự phân cực của dung dịch nồng độ thấp lớn hơn sự phân cực của dung dịch nồng độ cao Hiện tượng này do trong dung dịch nồng độ thấp, số ion của nó rất khó bổ sung vào lớp sát kathode Dung dịch muối phức có sự phân cực lớn hơn dung dịch muối đơn Khi cho phụ gia vào dung dịch, sẽ có ảnh hưởng lớn tới sự phân cực Đa

số trường hợp khi cho chất phụ gia vào làm tăng sự phân cực

Nhiệt độ của dung dịch tăng lên, làm tăng sự dịch chuyển của ion, bổ sung rất nhanh số ion ở lớp sát kathode và khuyếch tán mạnh số ion của anode hòa tan, do đó làm giảm sự phân cực

1.2.2.3 Thành phần dung dịch và chế độ mạ

Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối đa, mặt hàng mạ, …) và chất lượng mạ Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điên li, và các loại phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn

➢ Ion kim loại mạ:

Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion hydrat hoá hoặc ion phức, nhưng nói chung đều có nồng độ lớn là để tăng giá trị của dòng điện giới hạn, tạo điều kiện nâng cao hơn giải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ tốt Dung dich đơn thường dùng để

mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn giản, còn dung dịch phức dùng cho trường hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dạng phức tạp

➢ Chất điện ly:

Chất điện ly được đưa vào dung dịch với nồng độ cao để tăng độ dẫn điện cho

➢ Chất tạo phức:

Dùng phức chất để làm cho điện thế kết tủa trở nên âm hơn nhằm tránh hiện tượng

tự xảy ra phản ứng hoá học giữa kathode và ion kim loại mạ và cũng dùng để làm thay đổi phản ứng khử kim loại nhằm cải thiện khả năng phân bố của dung dịch mạ Nó cũng

có vai trò làm hoà tan anode vì chúng ngăn cản được sự thụ động anode

➢ Phụ gia hữu cơ:

- Chất hữu cơ được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của kết tủa kathode Chúng thường có khả năng hấp phụ lên bề mặt kathode, và có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại và kết tủa Nhiều chất cũng làm tăng quá thế điện kết tủa

- Chất bóng: chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn và có thể

bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm

- Chất san bằng: các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở

đó xuống

- Biến đổi cấu trúc: các phụ gia là thay đổi cấu trúc lớp mạ và thậm chí có thể ưu tiên định hướng tinh thể hay ưu tiên sinh ra kiểu mạng tinh thể nào đó Một số chất được dùng để tạo ra các tính chất đặc biệt cho lớp mạ, số khác dùng để điều chỉnh ứng suất trong lớp mạ

- Chất thấm ướt: cho vào để thúc đẩy các bọt khí, bột hydro mau chóng tách khỏi

bề mặt điện cực

➢ Mật độ dòng điện kathode:

Mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng trong khi mạ Nếu mật độ dòng điện thấp, tốc độ chuyển đổi điện tử trong các phản ứng điện cực sẽ nhỏ, các nguyên tử mới hình thành có đủ thời gian gia nhập có trật tự vào mạng tinh thể, vì vậy mạng lưới và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi

Khi tăng mật độ dòng điện, tốc độ điện tăng nhanh, các nguyên tử kim loại sinh

ra ồ ạt, không chịu gia nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể Mặt khác do quá thế lúc đó lớn, nên nhiều mầm tinh thể mới tiếp tục sinh ra Do vậy mà tinh thể trở nên mất trật tự và được thể hiện ra là lớp mạ có nhiều lớp, nhiều gợn sóng, và nhiều khối đa tinh

Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên cao hơn nữa, tốc độ phóng điện quá nhanh, làm cho ion kim loại gần kathode quá nghèo, quá trình điện cực bị lâm vào tình trạng bị chi phối bởi sự khuếch tán: những điểm lồi, mũi nhọn, được ion kim loại chuyển đến dễ dàng hơn, đồng thời điện thế rơi từ các điểm này đến anode lại dễ hơn, nên tại đó sẽ được

ưu tiên phóng điện, kết tủa là kết tủa có sần sùi hoặc có dạng hình nhánh cây Nếu tăng tiếp mật độ dòng điện thì nó sẽ khuếch tán ion hoàn toàn không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được thì sẽ là bột kim loại

➢ Anode:

Anode thường làm bằng kim loại cùng loại với lớp mạ và chọn cách sử dụng sao cho nồng độ ion kim loại trong dung dịch thay đổi chậm nhất Muốn vậy phải làm cho hiệu suất dòng điện kathode và anode phải bằng nhau trong suốt thời gian phục vụ của anode Phải đảm bảo cho anode không bị thụ động, anode phải luôn dễ tan và tan đều; muốn thế diện tích bề mặt anot phải lớn để mật độ dòng điện đủ nhỏ, tức là giữ anode nằm trong vùng hoạt động

Phải khống chế các điều kiện kỹ thuật để anode tan thành các ion có hoá trị mong muốn Anode phải được chế tạo sao cho khi hoà tan ít tạo thành bùn cặn nhất, ít tạp chất nhất và khó bị tơi rã nhất

1.2.2.4 Quy trình công nghệ mạ điện

Hình 1.4 Quy trình chung của công nghệ mạ điện ở Việt Nam kèm theo dòng thải

(Bùi Thị Thu Dung và cộng sự, 2008)

Quy trình chung của công nghệ mạ điện bao gồm 2 giai đoạn chính: gia công bề mặt và mạ

1.2.2.5 Xử lý làm sạch bề mặt kim loại trước khi mạ

Để sản phẩm sau khi mạ có lớp mạ đồng nhất thì gia công bề mặt là giai đoạn không thể thiếu trong quá trình xi mạ Gia công bề mặt trước khi mạ có ảnh hưởng đến

Hơi dung môi Nước thải chứa dầu

Hơi acid, kiềm Nước thải chứa acid, kiềm

Zn(CN) 2

ZnCl 2

ZnO

NaCN NaOH

CN - , Zn 2+ , acid Cu 2+ , acid CN - , acid Cr(VI) Ni 2+ , acid

Cặn

chất lượng lớp mạ Ngoài việc làm cho bề mặt nhẵn bóng nó còn có tác dụng khử sạch các lớp gỉ, các màng oxide mỏng hoặc các chất bẩn, dầu mỡ trên bề mặt vật liệu cần mạ, tạo điều kiện thuận lợi cho lớp mạ gắn chắc với kim loại nền

Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ phải trải qua nhiều bước, tùy đặc điểm của phôi, yêu cầu của sản phẩm và căn cứ vào thiết bị, vật liệu của chi tiết mạ Chọn dây chuyền

mạ (chọn số bước và thứ tự các bước đó) sao cho hợp lý nhất cả về kinh tế lẫn kỹ thuật

Vì vậy ở đây không thể tìm được quy trình công nghệ xử lý chung cho các vật mạ cho nên chỉ lấy ví dụ để tham khảo Khi điều kiện và yêu cầu thay đổi cần thêm bớt một công nghệ nào đó cho hợp lý

1.2.2.5.1 Gia công cơ học

Có nhiều cách gia công cơ học: mài, đánh bóng, quay xóc, rung, phun cát, phun nước, chải…

- Mài: được thực hiện bằng bột mài với nhiều cỡ hạt khác nhau Dùng keo để

gắn bột mài lên các loại đế có hình dạng khác nhau: dạng đĩa trụ (phớt mài), dạng đai chuyền và chúng được gắn lên máy quay để mài

- Đánh bóng: được dùng để gia công lần cuối cho bề mặt thép đã mài, để đánh

bóng các vật bằng đồng, nhôm, kẽm hoặc đánh bóng cho các lớp mạ trang trí Cách thực hiện cũng giống như mài nhưng vật liệu dùng và chế độ gia công có khác Chất kết dính được đun nóng chảy rồi trộn đều với bột mài, đóng thành bánh ở dạng sáp, khi dùng bôi lên mặt chiếc bóng Bột mài là một trong các oxit của crôm, sắt, kẽm Chất kết dính là một hỗn hợp gồm parafin, stearin, axit oleic, dầu hỏa

- Quay xóc: áp dụng cho các vật bé, mảnh Chúng được đổ vào thùng quay

hay máng rung cùng với chất tẩy rửa và chất độn

- Chải: áp dụng cho các vật có nhiều khe, kẽ, lỗ, rãnh, răng Bàn chải quay

làm bằng dây thép, dây đồng thau hoặc rễ cây Thường chải ướt bằng dung dịch xà phòng

Trong quá trình gia công cơ học, lớp kim loại bề mặt của sản phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám với lớp mạ sau này Khắc phục bằng cách trước khi mạ phải tẩy

sạch dầu mỡ lại, hoạt hóa bề mặt kim loại sau đó rửa sạch trong nước chảy rồi mạ ngay

1.2.2.5.2 Tẩy dầu mỡ trên chi tiết cần mạ:

Bề mặt kim loại thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ làm cho bề mặt kim loại trở nên kỵ nước, không tiếp xúc được với các dụng dịch tẩy, dung dịch mạ

Có 2 loại dầu mỡ bám trên bề mặt chi tiết mạ

Loại thứ nhất có nguồn gốc thực vật (dầu) và động vật (mỡ): dễ bị xà phòng hóa bởi xút (NaOH), tạo thành các muối của axit béo bậc cao (xà phòng) tan được trong nước

Loại thứ hai có nguồn gốc dầu mỏ: dầu hỏa, dầu nhờn, parafin: các loại dầu mỡ không bị xà phòng hóa, nhưng chúng dễ bị nhũ hóa bởi các chất kiềm và cũng có thể bị tách khỏi bề mặt chi tiết

Tùy thuộc bản chất dầu mỡ bám trên bề mặt chi tiết ta có thể áp dụng phương pháp tẩy dầu mỡ khác nhau:

➢ Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ:

Dung môi thường dùng là trycloetylen C2HCl3, hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không bắt lửa, không ăn mòn kim loại (trừ Ag, Mg) nhưng độc Hơi của nó nặng gấp 4 lần không khí, nên phải dung các thiết bị tẩy thích hợp sao cho chỗ đứng thao tác ở trên cao và không khí mát luôn cho vào từ trên xuống nên hơi của chúng luôn ở dưới thấp Tẩy bằng nhúng vật vào dung môi, tuy nhiên tẩy ở trạng thái hơi ngưng tụ vẫn tốt hơn Cặn dầu mỡ được loại bỏ sau khi chưng Tất cả được thực hiện trong máy kín, liên hoàn

Các dung môi khác có thể dùng được là tetracloetylen C2Cl4, cacbon tetraclorua CCl4, tetracloeta C2H2Cl4, hexancloetan C2Cl6…… Những điểm cần lưu ý khi dùng các dung môi này: vật tẩy phải khô, vì hơi ẩm hoặc dung dịch axit sót lại dễ tạo với dung môi ở nhiệt độ cao thành HCl gây ăn mòn nhất là các vật bằng nhôm Sau khi tẩy, dung môi bốc hơi, để lại dầu mỡ hòa tan trên bề mặt tạo thành màng rất mỏng, cần phải tẩy tiếp chúng trong dung dịch kiềm nóng hoặc tẩy điện hóa

➢ Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm và nhũ tương:

Dầu mỡ bám trên bề mặt vật tẩy có 2 loại: loại có nguồn gốc từ động – thực vật

và loại có nguồn gốc từ khoáng vật Dưới tác dụng của kim loại kiềm loại dầu mỡ từ động - thực vật biến thành xà phòng dễ tan và glyxerin

(C17H35COO)3C3 H5 + NaOH = 3C17H35COO)Na + C3H5(OH)3

Stearin xà phòng glyxerin

Xà phòng (natri stearat) được sinh ra dễ tan trong nước, nhất là nước nóng, và đến lượt nó, xà phòng trể lại tẩy rửa cho bề mặt kim loại Nồng độ NaOH đặc quá dễ tạo thành màng oxit trên bề mặt thép, đồng, hợp kim đồng, gây thụ động, còn đối với kim loại màu khác và với kim loại nhẹ lại bị ăn mòn

Na2SiO3 cho môi trường kiềm yếu, có tác dụng nhũ hóa và ức chế ăn mòn Khi thủy phân nó tạo thành axit silixit keo, làm phân tán chất rắn, cải thiện khả năng tẩy rửa, ngăn cản không cho chất bẩn kết tủa lại trên bề mặt vừa được tẩy Sau khi tẩy xong trên bề mặt kim loại có màng mỏng của NaSiO3 và Na3PO4, rất dễ rửa sạch trong nước trung tính hoặc kiềm yếu

➢ Tẩy dầu mỡ điện hóa:

Ưu điểm: tẩy rất nhanh, rất sạch Thường tẩy Kathode, nhưng đôi khi cũng tẩy Anode Dung dịch tẩy có thành phần giống tẩy dầu mỡ hóa học nhưng loãng hơn

Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hóa: Dùng dòng điện 1 chiều tách dầu mỡ trong dung môi hữu cơ Tách dầu mỡ trên bề mặt thành nhũ tương trong dung dịch nhờ việc thoát các bọt hidro trên Kathode hoặc oxi trên Anode

Thường tẩy Kathode (chi tiết nối với cực âm) nhưng đôi khi cũng tẩy anôt hoặc tẩy liên hoàn Kathode - Anode Dung dịch tẩy có thành phần giống tẩy dầu mỡ hóa học nhưng loãng hơn Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hóa là tách dầu mỡ trên bề mặt thành nhũ tương trong dung dịch nhờ thoát các bọt hiđrô trên kathode hoặc ôxi trên anode Khi nhúng chi tiết dính dầu mỡ vào dung dịch kiềm, do tác dụng của sức căng bề mặt, màng dầu mỡ bị nứt vỡ và co lại thành giọt nhỏ Dưới tác dụng của phân cực, độ bám của dầu trên kim loại yếu đi, các giọt dầu càng co lại mạnh hơn, đồng thời tính thấm

ướt của kim loại tăng lên Các bọt khí nhỏ tách khỏi bề mặt kim loại sẽ bám lên các giọt dầu cạnh đó Dần dần bọt khí lớn lên ôm lấy giọt dầu và cùng tách khỏi bề mặt kim loại do sức đẩy thủy tĩnh

➢ Tẩy dầu mỡ siêu âm:

Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ hoặc trong dung dịch kiềm yếu có thêm tác dụng của siêu âm sẽ rất nhanh và rất sạch Không chỉ dầu mỡ được tẩy sạch mà màng ôxit cũng bị bào mòn, bong ra

Tăng nhiệt độ cho dung dịch tác dụng của tẩy siêu âm càng tăng lên Thành phần dung dịch tẩy siêu âm cũng ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ tẩy rửa Nếu chất lỏng không có tác dụng gì với chất bẩn thì vật vẫn được tẩy sạch do tác dụng cơ học tạo ra bởi siêu âm Thường người ta tẩy trong dung dịch kiềm để tận dụng cả tác dụng hóa học của nó nữa

1.2.2.5.3 Tẩy gỉ trên chi tiết cần mạ

➢ Tẩy gỉ hóa học trên chi tiết cần mạ

Bề mặt đen thường phủ một lớp oxi dày FeO, Fe2O3, Fe3O4 (gọi là gỉ) và các hidrogenxit của Fe2+ và Fe3+ Tẩy gỉ hóa học cho sắt thép thường dùng dung dịch axit loãng H2SO4 hoặc HCl hay hỗn hợp của chúng Khi tẩy thường diễn ra đồng thời hai quá trình: hòa tan oxit và hòa tan sắt nền HCl hòa tan oxit là chính: H2SO4 hòa tan sắt nền là chính và cho khí hydrogen thoát ra làm bong màng oxit

Hình 1.5 Sắt gỉ do tác động của môi trường bám trên chi tiết cần mạ

Tẩy bằng HCl nhanh hơn, cho bề mặt trắng hơn nồng độ tốt nhất là 150-200g/l

và tẩy ở nhiệt độ dưới 400C Nồng độ và nhiệt độ cao hơn sẽ bốc mùi khó chịu, sắt nền

bị ăn mòn nhanh

Tẩy bằng H2SO4 sẽ nhanh nếu tăng nhiệt độ dung dịch Sau khi tẩy phải lảm sạch mùn đen trên mặt vật tẩy Tốt nhất là dùng nồng độ 80-120g/l ở 50-700C

Để hạn chế hòa tan kim loại nền trong khi tẩy, ngày nay thường dùng các chất

ức chế dưới dang phụ gia của dung dịch Các chất này đươc các nhà chế tạo cung cấp

dưới những tên gọi đã mã hóa nhưng có hướng dẫn sử dụng

➢ Tẩy gỉ điện hóa

Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ hóa học đồng thới có sự tham gia của dòng điện Vật tẩy có thể nối với cực âm hay cực dương của nguồn điện

Khi tẩy anode màng ôxit bị mất đi do hòa tan điện hóa và bị bong ra do tác dụng

cơ học của khí thoát ra Dung dịch là H2SO4, HCl hoặc muối của các axit ấy Kathode (anode) làm bằng chì Tẩy anode bề mặt rất sạch và hơi nhám nên độ gắn bám của lớp

mạ sẽ rất tốt Khi tẩy anode, thoạt đầu màng ôxit bị tẩy đi, tiếp đó trên bề mặt kim loại

có thể hình thành một màng thụ động, tạo điều kiện cho OH- phóng điện và giải phóng ôxi

Tốc độ tẩy anode rất nhanh và mạnh nên dễ bị tẩy quá nếu không theo dõi đầy

đủ Tẩy anode hay dùng cho các vật bằng thép cacbon, thép hợp kim có hình thù đơn giản Có thể tẩy anode cho thép cacbon trong dung dịch axit hoặc kiềm Tẩy gỉ kim loại màu để áp dụng để hoàn thiện bề mặt sản phẩm và tiếp đó phải

có lớp thụ động hay lớp sơn không màu bảo vệ, hoặc để chuẩn bị bề mặt trước khi mạ lên nó Tẩy gỉ cho Cu và hợp kim Cu thường dùng H2SO4 Tẩy nhẵn cho Cu và hớp kim Cu thường dùng HNO3 có cho thêm H2SO4 và/hoặc HCl Khi tẩy có thoát khí

NO, NO2 rất độc, cần phải có thiết bị an toàn tốt

1.2.2.5.4 Tẩy nhẹ chi tiết cần mạ Tẩy nhẹ còn gọi là hoạt hóa bề mặt (tẩm thực), nhằm lấy đi lớp ôxit rất mỏng, không nhìn thấy bằng mắt thường, được hình thành trong quá trình chuẩn bị ngay trước

khi mạ Khi tẩy nhẹ xong, cấu trúc của nền được lộ ra, độ gắn bám của lớp mạ được tăng lên Tẩy nhẹ tiến hành ngay trước khi nhúng vật mạ vào bể mạ Dung dịch tẩy nhẹ hóa học thường là H2SO4 hoặc HCl Tẩy nhẹ cho đồng, hợp kim Cu thực hiện trong H2SO4 ở một bể riêng Có thể tẩy nhẹ trong NaCN cho Zn, Al trước khi mạ trong môi trường kiềm Thời gian tẩy nhẹ chỉ cần 5- 10s Sau tẩy nhẹ phải rửa và mạ ngay

Tính acid hoặc

Tỷ lệ

mạ Khả năng phân bố Mục đích chính Cadmium

cyanide

Sodium cyanide Cadmium oxide (chất làm sáng) Kiềm Lạnh

Trung bình Tốt Chức năng

Crom

(VI)

Cromic acid Sulfuric acid (potassium silicofluoride)

Acid Ấm Thấp Kém Trang trí

Chức năng (III)

Muối crom hỗn hợp muối dẫn điện Acid yếu

Acid Lạnh Trung bình Kém/khá tốt Lớp lót phẳngChức năng,

cyanide

Sodium cyanide Copper cyanide (các muối, hydroxide khác)

Kiềm Nóng Trung

bình Tốt Lớp lót thông thường

pyrophosphate

Potassium pyrophosphate Copper pyrophosphate (muối làm sáng

và làm phẳng)

Kiềm yếu Ấm Trung

bình Khá tốt Chức năng Lớp lót

electroless

Sodium potassium tartrate Copper sulfate (muối, hydroxide)

Kiềm Lạnh đến ấm Thấp Rất rốt Chức năng

thêm formaldehyde

Đồng thau –

kẽm

cyanide

Sodium cyanide Copper cyanide Zinc cyanide (chất làm sáng)

Kiềm Lạnh Thấp Tốt

Trang trí Kết dính vào cao su

Vàng

cyanide

Potassium gold cyanide Potassium phosphate (chất làm sáng hợp kim bổ sung)

Kiềm yếu Nóng Thấp Tốt Trang trí

acid

Potassium gold cyanide Potassium citrate citric acid (phosphates hợp kim bổ sung)

Acid yếu Ấm Thấp Tốt Dẫn điện

Trang trí

Chì

fluoborate

Lead fluoroborate Fluoroboric acid

bổ sung hạt làm mịn

acid Ấm Cao Tốt Bảo vệ

(sulfuric acid)

Chì – thiếc

fluoborate

Lead fluoroborate Tin fluoroborate Fluoroboric acid (bổ sung hạt làm mịn)

Acid yếu Ấm Trung bình Khá tốt Chức năng Trang trí

Sulfamate

Nickel sulfamate Boric acid Nickel chroride (chất chống lõm)

Acid yếu Ấm/nóng Cao Khá tốt Chức năng

electroless

Nickel sulfate (or chroride) muối sodium của acid carboxylic thêm sodium hypophosphite*

Acid yếu Nóng Thấp Rất rốt Chức năng

Bạc

cyanide

Potassium cyanide Silver cyanide Potassium carbonate (chất làm sáng, chất làm đông)

Kiềm Nóng Trung

bình Tốt Dẫn điện Bảo vệ

acid

Phenolsulfonic acid (hoặc sulfonic acid) Tin(II) sulfate

bổ sung hạt xác định (hoặc chất làm sáng)

Acid Lạnh

Cao/

trung bình

Khá tốt

Liên tục hoặc cuống: Chức năng Làm sáng; Trang trí

fluoroborate

Fluoroboric acid Tin fluoroborate Boric acid

Acid Lạnh/ấm Cao Tốt Bạc đạn dây

Kẽm

cyanide

Sodium cyanide Sodium hydroxide Zinc oxide (chất làm sáng)

Kiềm Lạnh/ấm Trung bình Tốt Trang trí Bảo vệ

zincate

Sodium hydroxide Zinc oxide (chất làm sáng)

Kiềm Lạnh Thấp Tốt

Tổng hợp (nhưng không

có cyanide)

acid

Zinc sulfate (hoặc Zinc chroride) các muối khác (chất làm sáng)

Acid yếu Lạnh/ấm Trung

bình Khá tốt Sắt dây, đúc và

rèn

Chú thích: *Borohydrides hoặc alkylamine - boranes sinh ra lớp phủ Ni-B thay vì Ni-P

Nguồn: Joseph, 198

1.2.3 Công nghệ mạ hóa học không điện cực

1.2.3.1 Khái niệm về công nghệ mạ hóa học không điện cực

Mạ hóa học không điện cực, còn được gọi tắt là mạ không điện cực (ectroless plating), hay mạ hóa học tự động xúc tác là một phương pháp mạ có liên quan đến một

số phản ứng đồng thời xảy ra trong dung dịch mạ, quá trình mạ xảy ra một cách tự nhiên

mà không cần đến việc sử dụng nguồn điện tác động từ bên ngoài Mạ không điện cực khác với mạ điện phân ở chỗ mạ không điện cực không sử dụng dòng điện cung cấp từ bên ngoài (Loto,2015)

1.2.3.2 Cơ chế chung của phản ứng mạ hóa học

Bản chất quá trình mạ hóa học xảy ra phức tạp và đa dạng, phụ thuộc chính vào hai yếu tố: đặc điểm từng hệ mạ và từng loại chất khử Tuy nhiên vẫn có nhiều điểm chung như: quá trình mạ luôn đi cùng quá trình giải thoát H2 và các kim loại có khả năng

mạ hóa học đều có tác dụng xúc tác nhận – tách hydro Các chất phụ gia có tác dụng kích thích trong quá trình tách và nhận hydro trong quá trình mạ ngoài ra còn có tác dụng làm

ổn định dung dịch mạ hóa học (Loto, 2015)

Khi quá trình mạ được tiến hành thì ion phức kim loại MLm sẽ khử nguyên tử kim loại M, đồng thời chất khử R bị oxi hóa thành dạng Rn+ các phản ứng này có bản chất giống như phản ứng điện hóa Bao gồm phản ứng xảy riêng biệt:

MLmn+ + ne → M + mL

R → Rn+ + ne Phản ứng tổng hợp:

MLmn+ + R → M + mL + Rn+

1.2.4 Rửa và nước rửa

Xưởng mạ cần rất nhiều nước để rửa trong suốt quá trình công nghệ nhằm tránh lẫn hóa chất từ bể này theo vật gia công sang bể khác, nhằm làm sạch bề mặt nền để tăng

độ gắn bám của lớp mạ, nhằm loại bỏ hết hóa chất khỏi sản phẩm ở bước cuối cùng để đảm bảo vẻ đẹp và độ bền cho hàng hóa làm ra , Bình thường phải cần đến 2 m3 nước cho 1 m2 bề mặt gia công Do đó tổng lượng nước tiêu thụ sẽ rất lớn, đồng thời lượng nước thải mang nhiều hóa chất độc hại cần xử lý cũng không nhỏ Để tăng hiệu quả của việc rửa đồng thời tiết kiệm nước đến mức tối đa người ta đã sáng tạo ra nhiều phương pháp rửa khác nhau, nhờ đó lượng nước rửa tiêu tốn có thể chỉ cần 0,2-0,4 m3/ m2 Sau đây là những cách rửa đang được sử dụng:

➢ Rửa nhúng tĩnh:

Vật nhúng vào một hay nhiều bể rửa đựng nước không chảy Cách này tốn nhiều nước và hiệu quả rửa không cao

➢ Rửa nhúng có nưởc chảy tràn liên tục:

Trong một hay nhiều bể rửa độc lập Thích hợp cho vật rửa có nhiều khe, rãnh, lỗ sâu Thời gian rửa thủ công không ít hơn 6s, rửa trong thiết bị tự động không ít hơn 20s

➢ Rửa ngược chiều:

Bể rửa có 2 hay 3 ngăn, nước sạch chi cấp vào ở ngăn đầu rồi tự chảy tràn từ dưối

lên (theo ống hay vách dẫn) sang ngăn 2, rồi cũng như vậy sang ngăn 3, cuối cùng thải

ra rãnh Mức nước mỗi ngăn chênh nhau không thấp hơn 3 cm Vật rửa lần lượt đưa vào

ngăn 3, sang ngăn 2, cuốỉ cùng ngăn 1 (nước sạch) Cách này tiết kiệm khá nhiều nước

(giảm được 4-5 lần) mà hiệu quả rửa cũng cao

➢ Rửa sục khí:

Dùng không khí nén đã khử dầu sục vào bể rửa chảy tràn để rửa sản phẩm Lượng khí sục: 0,2 l/ph cho 1 lít nước rửa Hiệu quả rửa tăng lên rất nhiều; nhưng không dùng được cho vật dề rơi khỏi khung treo hay vật ul bị oxyt hóa,

➢ Rửa phun:

Đạp chân để mở khóa cho nước phun mạnh thành nhiêu chùm tia nhỏ bắn vào vật cần rửa đặt trong bể cạn Có thể rửa phun nước nóng hoặc nước thường Cách rửa tiên tiến này rất hiệu quả, rất sạch mà lại tốn ít nước Rất thích hợp cho vật đơn giản,'dạng

➢ Rửa siêu âm:

Bể mước hay dung môi rửa được đặt trong trường siêu âm để rửa cho các vật có yêu cầu đặc biệt

Ngoài ra tùy trường hợp cụ thể mà phải rửa bằng nước nóng (70- 90 °C), nước

ấm (40-50 °C) hay nước thường để đạt hiệu quả cao nhất, hợp lý và tiết kiệm nhất

Sau các bể mạ crom, mạ kim loại quý, mạ nóng, nên có bể rửa thu hồi để dùng lại đồng thời giảm nhẹ cho khâu xử lý nước thải

Bể rửa bằng thép, nhựa, phía trên phải có khe chảy tràn cho váng bẩn thoát ra, phía đáy có ống tháo kiệt Ống cấp nước vào có van điều chỉnh tốc độ chảy Bể rứa lớn nên có sục khí nén Thể tích bể rửa 1 lần, ít nhất phải bằng thể tích nước rửa trong lh tại

bể ấy; nếu rửa nhiều lần thì thể tích bể nhỏ hơn

Để tiết kiệm nước, giảm bớt khối lượng nước thải phải xử lý, bảo vệ tốt môi trường người ta thường dùng hệ thống rửa tuần hoàn liên tục, trong đó nhờ các máy khử dầu mỡ, máy lọc đã cho phép sử dụng lại 50 - 80% nước rửa

Nước dùng trong xưởng mạ có hai loại: nước rửa và nước pha chế, bổ sung dung dịch Nước rửa có thể dùng nước máy thành phố hoặc nước tự khai thác, nhưng phải đảm bảo độ cứng phải không quá 1,8 10-3 N Bởi vì nước lẫn nhiều muối khoáng sẽ tạo thành trên mặt vật rửa màng muốỉ khó tan; nước cứng sẽ tạo thành màng bám chắc lên bề mặt rất khó rửa sạch Để có chất lượng cao đôi khi phải rửa bằng nước đã làm sạch bằng cách trao đổi ion cho các khâu rửa sau tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, hoạt hóa, và sau khi mạ đồng, kẽm, cađimi từ dung dịch xyanua, cũng như rửa trước khi sấy khô Vài ví du cho thấy tác hại của nước không đủ độ sạch; nước có hơn 3g/l SO4 sẽ làm giảm tác dụng tẩy dầu

mỡ từ 93 xuống 75%; nước có đồng thời cả SO4 'và Fe2+ tác dụng tẩy dầu mỡ rất kém

Nước pha chế và bổ sung dung dịch phải khử hết muối khoáng bằng cách chưng cất hoặc làm sạch bằng cách cho nước qua các cột trao đổi ion Dung dịch thu hồi dùng

để bổ sung vào bể hằng ngày hoặc để pha chế dung dịch mới

CHƯƠNG 2: NHỮNG VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TRONG NGÀNH

SẢN XUẤT XI MẠ

Trong sản xuất xi mạ cần quan tâm đến 2 vật liệu chính đó là vật liệu nền và vật liệu mạ Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại hoặc hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo, gốm sứ hoặc composit Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là compoist của kim loại - chất dẻo hoặc kim loại - gốm… Tuy nhiên chọn vật liệu nền và mạ nào còn tùy thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ, vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành Xu hướng chung là dùng vật liệu nền: rẻ, sẵn có; còn vật liệu mạ: đắt, quý hiếm hơn, nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài

Vận dụng nguyên lý bảo toàn vật chất ta có thể thấy đối với từng vật liệu đều có vật chất ban đầu nhất định ở trạng thái rắn, lỏng hay khí cộng với vật chất phụ gia thông qua quá trình trao đổi và chuyển hóa vật chất đã tạo nên sản phẩm mong muốn và đồng thời cũng không thể tránh khỏi việc thải bỏ chất thải ra môi trường Chương 2 sẽ trình bày về các tác động đến môi trường và sức khỏe con người của ngành sản xuất xi mạ dựa trên nguyên lý bảo toàn vật chất

Hình 2.1: Sự chuyển hóa vật chất trong sản xuất mạ

Đối với vật liệu nền phải thông qua các quá trình làm sạch, mài nhẵn đánh bóng

để loại bỏ hết gỉ, oxyt, chất bẩn, ba via, khuyết tật, … và đạt được độ nhẵn, bóng để tạo điều kiện cho vật liệu mạ bám tốt hơn Sau khi các quá trình này hoàn tất sẽ tạo ra vật liệu nền đạt tiêu chuẩn tuy nhiên sẽ kèm theo dòng thải, chủ yếu là bụi do quá trình làm sạch bề mặt và các chất thải do dung môi, vào môi trường không khí, đất và nước

Đối với vật liệu mạ, chủ yếu là các kim loại, hay hợp kim trải qua quá trình oxi hóa – khử sẽ tạo ra lớp mạ bám trên bề mặt vật liệu nền Chất thải do quá trình mạ đem lại chủ yếu là nước thải chứa các ion kim loại ở hóa trị cao gây ảnh hưởng nghiệm trọng đến sức khỏe con người người lao động và môi trường sống của người dân xung quanh

2.1 Các nguồn thải trong sản xuất xi mạ

2.1.1 Khí thải

MÔI TRƯỜNG TIẾP NHẬN

Dung môi, xăng, dầu mỡ, NaOH, HCl, H2SO4 …

Mạ

Sản phẩm xi mạ

Dựa vào sơ đồ công nghệ có kèm theo dòng thải của công nghệ mạ điện (1.4), ta thấy nguồn phát sinh ô nhiễm không khí có ở hầu hết các công đoạn trong quá trình: làm sạch cơ học, mài nhẵn đánh bóng, tẩy dầu mở, làm sạch hóa học và mạ

Mỗi một cơ sở mạ điện, tùy theo dây chuyền công nghệ, loại nhiên liệu sử dụng, đặc điểm, quỵ mô sản xuất và mức độ cơ giới hóa, tự động hóa của nhà máy mà số lượng

và dạng khí thải độc hại sẽ khác nhau

Khí thải chủ yếu thường có ở các dạng: hơi axit (ở bể tẩy rỉ, bể tẩy điện hóa và bể nhúng axit hơi nhẹ), hơi kiềm (ở bể tẩy dầu mỡ hóa học), CxHy (ở bể tẩy dầu mờ bằng dung môi), hơi CrO3,NiO (ở bể mạ) Các khí thải này phần lớn chúng nặng hơn không khí nên chúng làm tăng nồng độ chất thải độc hại trong phân xưởng, gây ô nhiễm khu vực làm việc cũng như vùng dân cư lân cận kể sát với cơ sở sản xuất

2.1.1.1 Các nguồn khí thải

2.1.1.1.1 Quá trình xử lý bề mặt:

Trong công đoạn gia công bề mặt trước khi mạ bằng phương pháp cơ học thì bụi

kim loại như bụi Fe, Cu, CrO3 và bụi silic xuất hiện rất nhiều trong khu vực sản xuất do quá trình mài và đánh bóng Tuy nhiên bụi kim loại có tỷ trọng cao vì thế không thế phát tán đi xa được, ô nhiễm thấp Tải lượng bụi kim loại phụ thuộc vào công suất sản xuất cũng như chất lượng bề mặt kim loại

Đối với các chi tiết, sản phẩm có hình dạng phức tạp hay yêu cầu cao về độ bóng

bề mặt người ta hay xử lý bề mặt bằng phương pháp đánh bóng điện hóa Ô nhiễm không

khí trong công đoạn này có thể là các hơi axit

Trong công đoạn tẩy dầu mỡ, làm sạch các chi tiết người ta thường dùng dung dịch kiềm, nồng độ phụ thuộc vào phương pháp xử lý ban đầu Khí thải ở đây là hơi kiềm nhưng nồng độ rất thấp do thời gian xử lý bề mặt ngắn và nồng độ hóa chất trong dung dịch thấp

Trong quá trình hoạt hóa bề mặt cung làm phát sinh ra khí thải chứa chủ yếu là hơi axit

2.1.1.1.2 Quá trình mạ điện:

Do tính chất đặc thù của một số dung dịch mạ làm việc ở nhiệt độ cao, cường độ dung dịch ở bể mạ lớn, cùng với quá trình sục khí trong các bể mạ vì vậy một lượng đáng

kể các hóa chất được sử dụng trong bể mạ bay hơi tạo nên chất ô nhiễm khí như hơi axit (H2CrO4, H2SO4…), hơi kiềm, CrO3, NiO, hơi các chất hữu cơ sử dụng làm phụ gia Nếu cường độ dòng điện ở bể mạ càng cao thì dung dịch bay hơi càng lớn ở các điện cực Ngoài ra việc sục khí chống khuyết tật bề mặt vật mạ cũng góp phần làm tăng lượng dung dịch bay hơi một cách đáng kể

2.1.1.1.3 Khu vực lò hơi:

Đối với các cơ sở sản xuất dùng hơi để đun nóng dung dịch thì còn có một bộ phận khí thải nữa là khí thải của lò Tùy theo loại nhiên liệu dùng để sản xuất hơi mà lượng khí thải sinh ra sẽ được tính toán dựa trên các thông số đặc trưng của nhiên liệu (khí, than, dầu ), khí ô nhiễm sinh ra ở khu vực này thường là các khí như SO2, NOx,

CO, CO2, muội bụi Tải lượng chất ô nhiễm sinh ra từ khí thải lò hơi của các xưởng mạ nói chung là nhỏ vì lượng nhiên liệu sử dụng không nhiều cho nên nguồn thải này không phải là vấn đề môi trường đáng quan tâm Đặc biệt xu thế công nghiệp hóa hiện nay các xưởng mạ đều dùng nguồn điện để đun nóng dung dịch

2.1.1.2 Đặc tính chung của khí thải công nghiệp mạ:

Các thành phần đặc trưng của các nguồn khí thải công nghiệp mạ điện có thể tóm tắt theo bảng sau:

Bảng 2.1: Thành phần đặc trưng của các nguồn khí thải công nghiệp mạ

STT Công đoạn Mục đích Hóa chất sử dụng Chất thải

hệ số phản xạ ánh sáng cao

Al2O3, SiO2, viên granit, hợp kim sắt và bột mài

Bụi kim loại nặng

và thô

*Đánh bóng

hóa học và

điện hóa

Trang trí bề mặt kim loại, loại bỏ các vết xước, sờn, anot hóa kim loại, chuẩn bị cho những chi tiết phức tạp

Hỗn hợp các axit: H3PO4, HCl, H2SO4, H2Cr2O7 Tùy theo tính chất của kim loại cần đánh bóng sẽ có các hóa chất thích hợp

Hỗn hợp hơi các axit: HC1, H3PO4,

NaOH,Na2SiO3,Na2CO 3,

Na3PO4 và các hoạt chất hoạt động bề mặt

cơ học và hòa tan

Tricloetylen, toluen, benzen, pecloetylen, dầu hỏa và xăng

Hỗn hợp hơi dung môi

2 Cung cấp

nhiệt (lò hơi)

Cung cấp nhiệt lượng cho các bể mạ để đun nóng dung dịch

Than dầu, khí (nhiên liệu nói chung)

Chủ yếu là bụi xỉ, mồ hóng, SO2, NOx, CO

3 Mạ điện Chống ăn mòn, tăng độ

chịu mài mòn, độ cứng, độ dẫn điện của các kim loại

Tùy thuộc loại hình công nghệ mạ

Chủ yếu là hơi axit, kiềm và một

ít oxit kim loại theo hơi nước bay lên

Mạ Niken Chống ăn mòn kim

loại, là lớp mạ tốt, tăng

độ dẫn điện

NiSO4: 280 - 300g/l

H3BO3: 35 g/1 NaCl: 15 g/1 1-4 butydiol: 1 mg/1 Đường hóa học: 1 g/1

Hơi axit, NiO

CuCN: 110 - 135 g/1 NaCN: 120 - 140 g/1 NaOH: 30 - 35 g/1

Hơi kiềm và xyanua

NH4Cl: 260 - 300 g/1 Amonioxalat: 10 - 30 g/1

Hơi kiềm và NH4OH

Mạ kẽm Thường dùng với

những sản phẩm không cần trang trí Bảo vệ kim loại, chống ăn mòn

ZnO: 60 g/1 Zn(CN)2: 45 g/1 NaCN: 22,5 g/1 NaOH: 52,5 g/1

Hơi kiềm và xyanua

Mạ vàng Có tính chất trang trí,

làm tăng giá trị kim loại

K2CO3: 65 g/1 AuCl (tính theo Au): 4g/l KFe(CN)2: 200 g/1 Kali sunfoxyanua: 100 g/l

Hơi phức chất xyanua

Mạ bạc Tăng độ chịu mài mòn,

chịu lực ma sát cho kim loại

AgCN: 35 - 40 g/1 KCN: 35 - 40 g/1

K2CO3: 25 - 35 g/1

CS2: 1 - 2 g/1

Hơi xyanua và

CS2

Nhận xét: Từ bảng trên ta thấy, tuân theo nguyên lý bảo toàn vật chất các dạng

chất thải chủ yếu phụ thuộc nhiều vào các công đoạn và hóa chất sử dụng ở đầu vào mỗi giai đoạn Khí thải phát sinh tại các bể mạ chủ yếu theo quá trình bay hơi nước kéo theo các oxit kim loại và hơi axit Thực tế, khó có thể tính chính xác tải lượng, nồng độ của khí ô nhiễm vì chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố (tốc độ hút của quạt, nhiệt độ, cường

độ dòng điện mạ ) vì vậy để quản lý được nguồn thải này người ta thường phải quy về từng khâu riêng biệt để đo đạc và tính toán theo các chỉ tiêu hao hụt, định mức

2.1.2 Nước thải:

2.1.2.1 Nguồn nước thải:

Nước thải chính là vấn đề gây ô nhiễm môi trường đáng lo ngại nhất trong ngành

xi mạ Toàn bộ quá trình mạ tiêu tốn một lượng nước tương đối lớn bởi hầu hết mọi công

đoạn trong dây chuyền mạ điện đều phải sử dụng đến nước Nước thải mạ điện chứa một lượng lớn kim loại và hóa chất độc hại, tác động mạnh tói sức khỏe con người và hệ sinh thái

Nguồn nước thải từ khâu sản xuất của các xí nghiệp rất đa dạng và phức tạp, nó phụ thuộc vào loại hình sản xuất, dây chuyền công nghệ, thành phần nguyên vật liệu, chất lượng sản phẩm

Áp dụng nguyên lý bảo toàn vật chất cho sơ đồ công nghệ có kèm theo dòng thải của ngành sản xuất xi mạ 1.4, cho thấy sau các công đoạn của quy trình mạ điện đều thải

ra nhiều chất thải đi cùng với nước thải ra ngoài Áp dụng kiểm toán chất thải công nghiệp, cho thấy một lượng lớn hóa chất độc hại tham gia vào dây chuyền sản xuất nên dòng thải ra qua mỗi công đoạn đều có tính chất hóa học khác nhau Nước thải từ khâu sản xuất trong các xí nghiệp thường chia làm 2 loại: nguồn thải từ: quá trình làm sạch bề mặt vật liệu nền và quá trình mạ Chúng khác nhau cơ bản về lưu lượng và nồng độ

2.1.2.1.1 Nước thải từ quá trình làm sạch bề mặt vật liệu nền Trước khi mạ, bề mặt cần phải bằng phẳng, sắc nét, bóng và tuyệt đối sạch các chất dầu mỡ, màng oxit, như vậy lớp mạ mới có độ bám tốt, không xước, không sần sùi, bóng sáng đều và đồng nhất Để sản phẩm có được lớp mạ sáng bóng, trước khi đem vật liệu nền đi mạ phủ kim loại thì cần phải qua các công đoạn gia công bề mặt như: mài thô, mài tinh, đánh bóng, quay bóng, tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ Các công đoạn trong quá trình làm sạch bề mặt vật liệu nền đều có thể gây ô nhiễm môi trường trong đó công đoạn mài thô và mài tinh không sinh ra nước thải mà chỉ tạo ra bụi bột mài, bụi kim loại ảnh hưởng trực tiếp đến người lao động như đã trình bày ở trên Nước thải sinh ra chủ yếu ở các công đoạn:

➢ Quay bóng ướt:

Khi quay bóng tạo ra bột kim loại, axit sunfuaric và các chất hoạt động bề mặt Các chất này bị cuốn trôi và hòa tan vào nước nên nước thải ra chứa axit, cặn kim loại

➢ Tẩy dầu mỡ:

Thường sử dụng kiềm hoặc dùng chất tẩy rửa kim loại (Na2CO3, NaOH, Na3PO4,

Na2SiO2 ), hoặc dùng dung môi hữu cơ như: tricloetylen (C2HCI3), tetracloetylen (C4Cl4) tetracloetan (C2H2C14) Vì vậy nước thải trong công đoạn này có chứa dầu mỡ, dung môi hữu cơ, cặn kim loại và có độ axit và kiềm cao

➢ Tẩy gỉ:

Thường sử dụng dung dịch axit (HCl, H2SO4) nên nước thải trong công đoạn này mang tính axit và chứa hàm lượng Fe2+ khá cao

2.1.2.1.2 Nước thải từ quá trình mạ:

Dung dịch trong bể mạ có thể bị rò rỉ, rơi vãi hoặc bám theo các gá mạ và các chi tiết ra ngoài Các bể mạ sau một thời gian vận hành cần phải được vệ sinh thải các chất bẩn, cặn Do đó, phát sinh lượng nước thải tuy không nhiều nhưng chất ô nhiễm đa dạng, nồng độ chất ô nhiễm cao (Cr6+, Ni2+, CN- Zn2+, )

2.1.2.1.3 Nước rửa chi tiết sau mạ Chi tiết sau mạ được rửa bằng nước sạch để loại bỏ các dung dịch mạ còn dính lại Các hóa chất có trong bể sẽ theo các chi tiết và giá treo đi vào nước thải nên nước thải trong công đoạn này chứa kim loại nặng có trong dung dịch mạ Tùy vào từng dây chuyền công nghệ mạ mà nước thải có thành phần và nồng độ khác nhau

2.1.2.2 Đặc tính chung của nước thải công nghiệp mạ:

Một trong những đặc tính cơ bản của nước thải ngành công nghiệp mạ là có lưu lượng dao động trong khoảng rất rộng tùy thuộc vào loại hình sản xuất, dây chuyền công nghệ, thành phần nguyên vật liệu, yêu cầu đối với chất lượng sản phẩm

Không chỉ có lưu lượng dao động trong khoảng rộng, nước thải ngành công nghiệp mạ còn có đặc tính và thành phần các chất ô nhiễm biến đổi rất phức tạp Bảng sau trình bày đặc tính cơ bản và thành phần các chất ô nhiễm của nước thải tại một số cơ

sở mạ điện ở Việt Nam

Bảng 2.2: Nước thải mạ điện tại một số nhà máy ở Hà Nội

Một số nhà máy ở Hà Nội có phân

khi qua hệ thống xử lý) 21-23 6,3- 7,5 5-20 0,1-48 Nhà máy điện cơ thống nhất 23,4 5,82 3-10 0,2 - 6,05

Bảng 2.3: Lưu lượng và thành phần đặc trưng của các loại nước thải Công ty cổ phần

Khóa Minh Khai (2008)

Nước axit, kiềm

Nước mạ Crom

Nước mạ Nỉken

(Nguồn: Kết quả đo đạc do Trung tâm Môi trường Đô thị và KCN-ĐHXD)

Bảng 2.4: Kết quả khảo sát đặc tính nước thải của phân xưởng mạ Công ty cổ

phần Khóa Minh Khai sau khi phân luồng dòng thải

Điểm lấy

mẫu

Nhiệt

Độ (C) pH

Lưu lượng (m3/ng)

Cr Tổng mg/1

P Tổng mg/1

SS mg/1

COD mg/1

(Nguôn: Trung tâm Kỹ thuật Môi trường Đô thị và KCN-ĐHXD và Viện KH và CNMT- ĐHBKHN)

Điểm 1: Rãnh thoát nước từ các bể mạ Niken

Điểm 2: Rãnh thoát nước từ các bể mạ Crom

Từ những phân tích và thống kê đưa ra ở trên, chúng ta có thể tóm tắt các đặc tính chung của nước thải công nghiệp mạ vào bảng dưới đây:

Bảng 2.5: Các chất ô nhiễm phát sinh trong quá trình xi mạ và tác động

1 Mài thô, mài

2 Quay bóng khô Bụi mùn cưa, dầu hôi,

oxide kim loại

bụi công nghiệp ảnh hưởng đến môi trường

3 Quay bóng ướt

Bột kim loại, acid sulfuric, các chất hoạt động bề mặt

Nước thải acid, cặn thải kim loại gây ô nhiễm môi trường, hơi acid, khí hydro dễ gây các bệnh đường hô hấp

Các chất kiềm: NaOH,

Na2CO3, Na3PO4, dầu mỡ Dung môi: tricloetylen, xăng, dầu, Pecloetylen là các chất

dễ cháy, nổ, bay hơi gây độc đối với công nhân